Çimentolu Sistemlerin Dayanıklılık Özellikleri

Çimentolu Sistemlerin Dayanıklılık Özellikleri Prof. Dr. Mustafa Tokyay Orta Doğu Teknik Üniversitesi 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri/ÇİMSA 1

Dayanıklılık Bir malzemenin ciddi bozulmaya uğramadan, özelliklerini değiştirebilecek çevresel etkilere yeterli direnci göstererek, uzun süre var olabilmesi. Dayanıklılık Hizmet ömrü Belirli kullanım koşulları altında, malzeme özelliklerindeki azalma güvenlik ve/ya da ekonomi açısından malzemenin kullanımına daha fazla olanak vermiyorsa o malzeme artı hizmet ömrünün sonuna varmış demektir. Dayanıklılık, güvenlik, ekonomik ve teknik açılardan olduğu kadar ekolojik olarak da önemlidir: Uzun hizmet ömrü doğal kaynakların korunması 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 2

Çimentolu Sistemlerde Dayanıklılık Doğru tasarlandığında, üretildiğinde ve kullanıldığında çimentolu sistemler dayanıklıdır. Buna karşın, fiziksel veya kimyasal bazı etkiler çeşitli olumsuzluklara yol açabilir. Birden fazla etki bir arada veya peş peşe meydana geldiğinde olumsuzluk daha da artabilir. Olumsuz etkilerin çoğunluğu suyla ilgilidir: Bizzat zararlı etki yaratabildiği gibi, zararlı etki için ortam da oluşturabilir. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 3

Donma-Çözülme / Genel Su Buz: ~%9 hacim genleşmesi. Çimentolu sistemler, diğer tüm gözenekli malzemeler gibi, doygun veya hemen hemen doygun durumda donma-çözülmeden olumsuz etkilenebilir. Zararlı etki için bütün yapının doygun olması gerekmez. Yüzeye yakın kısımların >%91 doygunluğu yeterli olabilir. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 4

Hidrate olmuş çimento hamurunda Jel boşlukları (0.5-2.5 nm), Kılcal boşluklar (10 nm-5 μm), Sürüklenmiş hava boşlukları (50-200 μm) Sıkıştırılmış hava boşlukları (1-3 mm). Gözenek boyutu büyüdükçe donma kolaylaşır: 1nm 3.5 nm -78⁰C -20⁰C 10 nm -5⁰C 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 5

Mekanizma / 1 Hidrolik Basınç Teorisi: Kılcal boşlukta buz oluşmaya başladığında kalan donmamış su sıkışır. Oluşan hidrolik basınç bu suyun bir boş alana yayınmasıyla boşalabilir. Hava sürüklenmemiş bir çimentolu sistemde bu pek kolay gerçekleşemez. Dolayısıyla kılcal boşluk genleşmeye çalışır ve çevresindeki çimento hamuruna gerilme uygular. Toplam gerilme malzemenin çekme gerilmesini aştığında çatlaklar oluşur. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 6

Mekanizma / 2 Ozmotik Basınç Teorisi: Kılcal boşluklardaki sıvı çeşitli erimiş tuzlar (alkali sülfatlar, klorürler, vb) içeren sudur. Termodinamik olarak, bu suyun serbest enerjisi saf suyunkinden daha azdır. Oluşan bir tuz konsantasyon farkı suyun yüksek enerji durumundan düşük enerji durumuna hareketine yol açar. Buz oluşumu başladığında, henüz donmamış olan suyun tuz konsantrasyonu artar ve oluşan granyan nedeniyle yakın çevredeki su buraya hareket ederek daha fazla buz oluşmasına ve kılcal boşluğun sonunda genleşmesine ve açılmasına yol açar. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 7

Mekanizma / 3 (Litvan Teorisi, 1976) Büyük boşluklardaki su donmaya başladığında daha küçük gözeneklerdeki ve jel boşluklarındaki su aşırı soğumuş (supercooled) hale gelir. Aşırı soğumuş su buzdan daha yüksek bir enerji seviyesindedir. Bu enerji farklılığı küçük boşluklardaki suyun büyük boşluklara doğru hareket etmesine, dolayısıyla daha çok buz oluşmasına ve boşluğun genişlemesine yol açar. Donma-çözülme çimento hamurunda oluşan bir olay olmakla birlikte, toplam porozitesi yüksek ancak ince gözeneklere sahip bazı agregaların da (kumtaşları gibi) olumsuz etki yapması mümkündür. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 8

Sürüklenmiş Hava Çimentolu sistemlerde hava sürüklenmesi dediğimiz işlem, basitçe, çimento hamurunda çok küçük hava kabarcıkları oluşturmaktır. Hava sürüklenmesi donma-çözülme direncini artırmak için kullanılan standart bir işlemdir. Arkasındaki temel mantık, donma başladığında kalan donmamış suyun kolayca gidebileceği ve oluşan gerilmelerin hafifleyeceği boşluklar yaratmaktır. Genellikle, hacimce %4-8 civarında sürüklenmiş hava kullanılması önerilir. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 9

Hava Sürükleyici Katkılar Ahşap reçineleri, kağıt endüstrisi atıkları veya petrol endüstrisi atıklarından elde edilen yüzey aktif maddeler (sürfaktan). Hidrofilik (suda) ve hidrofobik (hava kabarcığında) uçlara sahip hidrokarbon zincir molekülleri. Oluşan hava kabarcıkları üniform olarak dağılır. Aralık faktörü (SF) 0.2 mm. Suyu seven Suyu sevmeyen Hava kabarcığı 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 10

Donma-Çözülme Direncini Etkileyen Faktörler Uygun miktar ve şekilde sürüklenmiş hava; Donma direnci yüksek agrega kullanımı; Donma başlamadan önce 3.5MPa dayanım; Tekrarlı donma-çözülme durumunda, 28 MPa dayanım. BU KOŞULLAR SAĞLANDIĞI TAKTİRDE DONMA-ÇÖZÜLME ZARARI RİSKİ BÜYÜK ÖLÇÜDE AZALTILIR. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 11

Buz Çözücü Tuzlar Beton yüzeylerde tuz eriyiği donduğumda alttaki beton yüzeyinden daha fazla büzülmeye çalışır ve beton-buz arayüzeyine paralel çatlamalara ve pullanmaya yol açar. Sürüklenmiş hava bu olumsuz etkiyi azaltır ancak, Taze betonda kanama (kusma) yüksek miktarda olmamalı ve Tuz konsantrasyonunun %3 civarında olmamasına dikkat edilmelidir. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 12

Sülfat Etkisi / Genel Kalsiyum, sodyum, potasyum ve magnezyum sülfatlar, eriyik halde çimentolu sistemlere nüfuz ederek, genleşme, çatlama, pullanma, yumuşama ve dağılma gibi bozulmalara yol açabilir. Doğadaki sülfatlar zeminlerde ve yeraltı sularında bulunabilir. Zeminlerde sülfat konsantrasyonu birbirine çok yakın mesafelerde dahi önemli farklılıklar gösterebilir. Ayrıca, iklim koşullarına bağlı olarak derinlikle değişebilir. Kuru ve sıcak havalarda yüzeyde veya yüzeye yakın bölgelerde yüksek olurken, yağışların buharlaşmadan yüksek olduğu iklimlerde sülfatlara daha derinlerde rastlanır. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 13

Sülfatların Eriyebilirliği CaSO 4 : 0.255g/100g 0.15g/100g SO 3 MgSO 4 : 35.1g/100g 23g/100g SO 3 Sodyum, potasyum ve magnezyum sülfatlar daha tehlikeli. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 14

Tepkimeler Sodyum sülfat: Birinci adım: Sülfat iyonlarının sisteme nüfuz etmesi İkinci adım: CH + N ഥS H 10 CSH ҧ 2 + NH + 8H Üçüncü adım: C 4 ASH ҧ 12 + 2CSH ҧ 2 + 16H C 6 AS 3 ҧ H 32 Magnezyum sülfat: CH + M ഥS H 7 CSH ҧ 2 + MH + 5H C 4 ASH ҧ 12 + 3MS ҧ + 2H 4CSH ҧ 2 + 3MH + AH 3 C 3 S 2 H 8 + 3MSH ҧ 7 3CSH ҧ 2 + 3MH 2 + 2SH x 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 15

MH ın eriyebilirliği (9.6x10-3 g/100g) NH ınkine (10.9 g/100g) ve KH ınkine (11.2 g/100g) göre çok az. Gözenek eriyiğinde MH konsantrasyonunun artması ph ın 10.5 a kadar düşmesine yol açabilir. Bu da C-S-H jelinin stabilitesi için gerekli 12.5 değerinden çok düşüktür. C-S-H jeli dengeyi sağlamak için ortama bir miktar CH verebilir ancak bu da yine sülfat etkisine uğrar. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 16

PÇ bileşenlerinin göreli genleşmeleri (Eglinton, 1988) Bileşen Eşdeğer SO 3 miktarı %1.2 olan eriyiklerde %0.5 genleşme için gereken süre %1.8 MgSO 4 eriyiği Doygun CaSO 4 eriyiği %2.1 Na2SO 4 eriyiği C 2 S 28 gün 18 yıl sonunda çok az 18 yıl sonunda çok az C 3 S 35 gün 9 yıl sonunda %0.22 12 yıl %50C 2 S+%50C 3 S 65 gün 18 yıl sonunda %0.19 12 yıl sonunda %0.04 %80C 2 S+%20C 3 A 6 gün 10 gün 4 gün %80C 3 S+%20C 3 A 4 gün 11 gün 7 gün %80 C 3 S+%20C 4 AF 16 gün 3 yıl sonunda %0.15 400 gün %40C 3 S+%40C 2 S+%20C 4 AF 43 gün 3 yıl sonunda %0.06-0.07 3 yıl sonunda %0.06-0.07 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 17

Sülfat Etkisi Sınıfları Etki Sınıfı ACI 201 EN 206 SO 4 Konsantrasyonu Zemin (%) Yeraltı suyu (mg/l) Etki Sınıfı SO 4 Konsantrasyonu Zemin (%) Yeraltı suyu (mg/l) 0 <0.10 0-150 XA 0 <0.20 <200 1 0.10-0.20 150-1500 XA 1 0.20-0.30 200-600 2 0.20-2.00 1500-10000 XA 2 0.30-1.20 600-3000 3 >2.00 > 10000 XA 3 1.20-2.40 3000-6000 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 18

Tomasit Karbonatları da içermekle birlikte, bir tür sülfat etkisi olarak kabul edilir. Ca 3 + Si 2 O 7 3H 2 O + 2 CaSO 4 2H 2 O + CaCO 3 + CO 2 + C S H jeli alçı kalker 23H 2 O Ca 6 Si OH 6 2 CO 3 2 SO 4 2 24H 2 O Tomasit Etrenjit + C-S-H + kalker + CO 2 +su Tomasit + alçı + aluminyum oksit aq. + kalsiyum hidroksit Tomasit oluşumu yumuşak ve bağlayıcı olmayan bir kütleye yol açar. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 19

Gecikmiş Etrenjit Oluşumu Genel olarak içsel sülfat etkisi olarak kabul edilir. Hidratasyonun erken evresinde yüksek sıcaklığa maruz kalmış betonlarda veya kütle betonlarında görülür. Etrenjit >70⁰C sıcaklıkta monosülfoaluminata dönüşür. Ortaya çıkan bir kısım alumina ve sülfat iyonları C-S-H jelinde ve gözenek suyunda kendine yer bulur. Beton normal sıcaklığa geldiğinde kalsiyum, hidroksil ve sülfat iyonları tekrar açığa çıkarak yeniden etrenjit oluştururlar. Bu işlem bir kaç haftayla bir kaç yıl arasında meydana gelebilir. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 20

Deniz Suyu Etkisi Calcium sulfate; 3,94 Magnesium sulfate; 6,4 Magnesium chloride; 9,44 Calcium chloride; 1,69 Other; 0,21 Sodium chloride; 78,32 Deniz suyunun yarattığı sülfat etkisi klor içermeyen sülfatlı sularınkinden farklıdır. Ciddi bir genleşme olmaksızın bir miktar aşınmayla kütle kaybı söz konusudur. Etrenjit oluşumu gecikmekte veya hiç olmamaktadır. Genellikle deniz sularının sülfat etkisi ACI ın 01 sınıfı etkisi olarak değerlendirilebilir. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 21

Deniz sularının sülfat etkisinin şiddetinin fazla olmaması içerdiği HCO 3 - ve Mg 2+ iyonlarına bağlanmaktadır. Bu iyonlar hidratasyon ürünleriyle tepkimeye girerek çözünürlüğü çok düşük olan kalsiyum karbonat ve magnezyum hidroksit oluştururlar. Bu bileşenler gözeneklerde çökelerek geçirimliliği azaltırlar ve sülfat ve klor iyonlarının yapıya nüfuzunu yavaşlatırlar (Massazza, 1988). Ayrıca, deniz suyundaki klorun sülfat etkisini azaltıcı bir rol oynadığı da bir çok araştırmacı tarafından belirtilmiştir (Maes ve De Belie, 2014; Barberon et al, 2005; Zhang et al, 2013; Sotiriadis et al, 2012 ve 2013). Bu yavaşlatıcı etki ortamın ph ının azalmasıyla açıklanmaktadır. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 22

DENİZ SUYUNUN ASIL ZARARLI ETKİSİ DONATI PASLANMASIDIR. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 23

Karbonatlaşma Ca OH 2 + CO 2 CaCO 3 + H 2 O C S H + Cҧ C S H + CC ҧ + H C 3 S + 3 ҧ C + H SH + 3C ҧ C C 2 S + 2 ҧ C + H SH + 2C ҧ C Betonun ph ını 8 e kadar düşürebilir: Donatı korozyonu! Kabaca, aşağıdaki difüzyon denklemiyle tanımlanabilir: dx dt = D 0 x 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 24

Karbonatlaşma derinliği d = At n A: difüzyon katsayısı (0.25-1.00 mm/yıl 0.5 ) n=0.50 KARBONATLAŞMA DENEYLERİ HIZLANDIRILMIŞ DENEYLERDİR. CO 2 KONSANTRASYONLARI %50 YE VARABİLMEKTEDİR. OYSA, ATMOSFERDEKİ CO 2 KONSANTRASYONU ORTALAMA %0.04 CİVARINDADIR. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 25

Donatı korozyonu 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 26

Kapiler boşluk suyunun içerdiği O 2 ve Fe 2+ ve sistemin ph ı donatı paslanma hızını etkileyen unsurlardır. ε = 0.0148 log O 2 Kullanılan malzemelerin özellikleri; Betonun kalitesi; Pas payı; Ortam sıcaklığı ve nemi; Su-Çimento oranı; İşçilik; Geçirimlilik; Bakım, vb. 0.0591 ph 0.0296 log(fe 2+ ) + 1.669 [V] 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 27

Betonun yüksek ph ı ph 10 a düştüğünde korozyon oluşur (CO 2 ve Cl) Korozyon riskini azaltmak için betonun Cl- konsantrasyonunu çimento miktarının, kütlece, %0.20 ile sınırlandırmak gerekir (ACI 201, 2001). Bu miktar biraz fazla konservatif görülebilir ancak, Fe 3+ + 3Cl electrolit FeCl 3 FeCl 3 + 3(OH) Fe(OH) 3 + 3Cl 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 28

AAR Bazı reaktif agregalarla çimentodaki alkalilerin tepkimeleri ASR ACR 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 29

Basitleştirilmiş ASR tepkimeleri (Glasser, 1992; Andiç-Çakır, 2007; Ichikawa ve Miura, 2007) 1. Siloksan ağının bozulması: Si O Si + R + + OH Si O R + H O 2. Silisik asidin alkali silikata dönüşmesi: H O Si + R + + OH Si O R + H 2 O 3. Alkali silikatın su emmesi ve genleşmesi: Si O R + nh 2 O Si O R H 2 O Si 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 30

Reaktif silika-alkali oranı (Pessimum oran): ~4.5 Reaktif agrega tane boyutu: Genel olarak, küçük taneler hızlı tepkimeye girer ancak zararlı etkileri daha azdır. Alkali miktarı: Çimentoda en çok %0.60 (Na 2 O) eq Na 2 O eq = Na 2 O + 0.658K 2 O Betonda en çok 3 kg/m 3. Bağıl nem ve ortam sıcaklığı arttıkça genleşme artar. 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 31

ASR genleşmesini önlemek için (ACI 221, 1998) Rutubeti kontrol etmek; Reaktif agrega tip ve miktarını kontrol etmek; Beton boşluk suyunun ph ını azaltmak 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 32

Geçirimlilik ÇİMENTOLU SİSTEMLERİN DAYANIKLILIĞINA ETKİ EDEN EN ÖNEMLİ PARAMETRE Bağlayıcı malzeme miktarı ve tipi; Agrega gradasyonu; Sıkıştırma; Bakım türü ve süresi SU-ÇİMENTO ORANI 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 33

Jel, hidrate olmamış çimento ve kılcal boşluk hacimleri Jel, hidrate olmamış çimento ve kılcal boşluk hacimleri Çimento hamurunda 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 V g 0,6 0,5 0,5 V g 0,4 0,4 P c 0,3 0,3 P c 0,2 0,2 0,1 0,1 V u 0 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Su-çimento oranı V u 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 Hidratasyon derecesi 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 34

Çimento hamuru Beton 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 35

8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 36

TEŞEKKÜRLER 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 37

CAÇ CAH 10 C 2 AH 8 %50 %30 C 3 AH 6 Dönüşüm sırasındaki su kaybı nedeniyle Hidratasyon ürünlerinde hacim azalması Gözeneklilik artışı Dayanım kaybı Yüksek sıcaklık, rutubet, yüksek su-çimento oranı YFC (Kırca, 2006) 8.9.2016 FORMÜLÜN ADI - 2. Yapı Kimyasalları Semineri 38