SU VE BETON BİR SEVGİ-NEFRET İLİŞKİSİ

[o_guney]

Prof.Dr.Adam NEVILLE
Suyun beton üzerindeki rolü hizmet sürecinde de devam eder ve rol çok yönlüdür.
Kuruma Rötresi
Taze betondan, prizden önce meydana gelen su kaybını anlatırken plastik rötreye değinmiştim. Şimdi, beton sertleştikten sonraki su kaybı da kuruma rötresine yol açabilir. Ancak her su kaybı rötreye yol açmaz; serbest suyun kaybı rötre yapmaz. Sadece, serbest suyun betonu terk edişinden sonra adsorbe suyun kaybolup ortama geçmesi sonucu büzülme meydana gelir. Bazı koşullar altında kuruma rötresi rötre çatlaklarına yol açar ki bu kanımca betonun en önemli eksikliğidir; su veya ıslak toprak içindeki yapılar dışında havaya maruz yapılardaki problemlerin en sık rastlanan nedenidir. Böylece kuruma rötresi su ile sertleşmiş beton ve betonun deformasyonu ve yıpranması arasında çok önemli bir ilişkiyi temsil etmektedir.
Sünme
Betonda sabit yük altında zamana bağlı deformasyon olan sünme de suyun hareketinden etkilenir. Ancak bu daha karmaşık bir olaydır ve rötrede olduğu kadar tam belirlenmiş değildir. Gene de sabit yük altında kurumakta olan betonda kuruma sünmesi dediğimiz bir büzülmenin meydana geldiğini biliyoruz. Bu kuruma sünmesi yük altında betonun içine ve dışına suyun hareketi önlendiği zaman meydana gelen sünmeden, ki buna temel sünme diyoruz, daha büyüktür. Böylece su, betonun sabit yük altında zamana bağlı deformasyonunda da önemli bir rol oynar. Bu suyun yükten bağımsız olarak meydana gelen rötredeki rolünden tamamen farklıdır.
İki tür sünmenin mekanizmaları hala tam olarak anlaşılmış değildir. Betonun sünmesi üzerinde ( sempozyum bildirileri
dışında ) 1983 de yayınlanan son kitaptan beri sadece kısıtlı gelişmeler sağlanabilmiştir [3] . Sünme üzerinde devam eden çalışmalar mekanizmayı anlamaktan ziyade hiçbirisi üzerinde görüş birliği sağlanamamış matematiksel modeller
geliştirmeye yöneliktir [4]. Kanımca, karmaşık matematiksel ifadelere güvenmek yerine sünme mekanizmasının, suyun rolü dahil, anlaşılmasına öncelik verilmelidir.
Islanma ve Kuruma
Kuru beton temas ettiği suyu hızla emmeye başlar. Su zamanla beton eleman içinde derinlere işler: oldukça hızlı olarak tam doygunluğa ulaşmak mümkün olur. Olay tersinirdir ancak aynı hızda olmaz: kuruma son derece yavaştır. O kadar ki, beton elemanın kurumakta olan yüzeyinden örneğin 50 cm içeride olan bir bölge hiçbir zaman - en azından betonu döken kişinin hayatı boyunca tamamen kurumayabilir. Islanma ve kuruma tuzların betona işlemesine vasıta olur: çözeltiler içeri girer, ancak buharlaşıp çıkan sadece sudur.
Yüksek Performanslı Betonda Su
Su/çimento orantısının çok düşük olduğu yüksek performanslı betonlarda öz rötre ( otojen rötre ) meydana gelebilir. Bu rötrenin betonun davranışında önemli bir faktör olduğu yakın zamanlarda anlaşılmıştır [5]. Kuruma rötresinde olduğu gibi öz rötre de hidrate olmuş çimento hamurundan suyun kaybı sonucudur. Ancak, burada kayıp suyun beton dışına çıkıp atmosfere karışmasından dolayı değil, devam eden hidratasyonun kimyasal reaksiyonlarında yer almasından dolayıdır. Yangın sırasında yüksek performanslı beton hidrate olmuş çimento hamurundaki sudan dolayı özel bir problem haline gelir. Bu tür betonun çok düşük geçirgenlikte oluşu ( çok küçük s/ç orantısından dolayı ) sertleşmiş hamurda kalmış olan suyun kolayca kaçışını önler. Yangın sırasındaki yüksek sıcaklık suyun buharlaşmasına ve hacminin genleşmesine yol açar. Faz değişimi ve yüksek buhar basıncı sonucu betonun dış bölgesi şişerek çatlayabilir. Sonuç olarak, yüksek performanslı olarak düşünülen bir betonun performansı bazı hallerde normal betonunkinden daha düşük olabilir.
Yangın soğuk su ile söndürülmeye çalışıldığında kızgın beton yüzeyi ani soğumaya maruz kalır. Bu betonun dayanıklılığı ve dayanımı üzerinde ciddi sonuçlara yol açabilir.
Yukarıdaki kısa açıklamalar s/ç orantısı çok düşük olmasına rağmen yüksek performanslı betonun suya karşı büyük
duyarlılık gösterdiğini ortaya koymaktadır.
Kendiliğinden İyileşme
Betonda çatlaklar bulunmasının önlenemeyeceği iyi bilinir. Ancak, eğer ince bir çatlağın yüzeyinde beton durgun veya yavaş hareket eden suya temas ediyorsa çatlağın kapanması olasıdır. Burada o zamana kadar hidrate olmamış çimentonun hidratasyonu veya karbonatlaşma varsa, yıkanarak yüzeye çıkmış olan kalsiyum karbonat oluşması rol oynamaktadır.
Zararlı Sular
Hizmet sürecinde beton zararlı sulara maruz kalabilir. Bir çok ülkede en sık rastlanan zararlı iyon, katyonlardan birisi ile
bileşik oluşturan sülfattır. Diğer bazı sularda asitler ve endüstriden gelen kimyasal yan ürünler bulunabilir. Bazı yerlerde beton deniz suyu veya acı, tuzlu sularla temas halindedir. Bu sulardaki klorürler beton içine sızdıklarında çoğu kez çelik donatının korozyonuna yol açarlar. Betona sadece çözeltideki tuzun etki ettiğinin hatırlanması önemlidir: kuru bir yüzeyde duran kalsiyum sülfat yığını zarar vermez. Aynı şekilde bir öbek mutfak tuzu yani sodyum klorür de, çok ince taneli olup nemli havada klorürlü bir eriyik oluşturmuyorsa, zararsızdır. Meydana gelen eriyiğin betona işlemesi ise ancak su yolu ile olabilecektir.
Hizmet sürecinde beton için saf su da yararlı değildir: Boru ve kanaletlerde saf su hidrate çimento hamurundaki kalsiyum hidroksiti yıkayıp çıkartır. Hava kirliliği olmayan yerlerde yağmur suyu oldukça saftır ve o da kalsiyum hidroksiti yıkar. Yıkanan bu madde zararlı olmamasına rağmen yağmurdan sonra gelen güneşli havalarda beton yüzeyinde görünüşü bozan lekelenme ve çiçeklenme meydana getirir.
Yağmur suyunun kirli bir formülü ise endüstrilerden çıkan baca gazlarının atmosferde su içinde çözünüp rüzgar ile
taşınmasının çok zararlı sonucu olan asit yağmurudur. Asit yağmuru daha ziyade sülfürik ve nitrik asitleri içerir ve pH değeri 4.5, hatta 4.0 kadar düşük olabilir. Bu asitler beton yüzeyinde aşınma ve oyulmalara yol açarlar.
Çelik Donatının Korozyonu
Beton içine gömülü çeliğin genel veya klorür kaynaklı korozyonu beton ancak yeterince ıslak ise ve gözeneklerdeki su
elektrolit görevi yapıyorsa meydana gelir. Bu durumda elektrokimyasal bir hücre oluşmaktadır. Böylece, korozyonunun
devam etmesi için de su gereklidir.
Beton veya harç yüksek aluminli çimento ile yapılmışsa suyun yıkanıp taşıdığı aluminyum miktarı özellikle fazla
olabilir. Çimento yıpranmış su şebekelerinin acil onarımlarında ve iyileştirilmelerinde kullanılmış olabilir, ancak bu
işlerde kullanılmasının uygun olmadığı belirtilmelidir.
İçme Suyu Boruları
İçme suyu genel anlamda zararlı bir su değildir, fakat betonu yıkayarak bazı hallerde suyun insan sağlığı açısından zararlı hale gelmesine neden olabilir. Bu durum özellikle suyun yavaş aktığı küçük çaplı borularda portland çimentosu hamuru ile suyun uzun süre temas etmesi sonucu meydana gelir. Alkalinetisi çok düşük, kalsiyum karbonat miktarı az olan sular söz konusu olduğunda boru içerisindeki suyun pH derecesi 9.5’un üstüne çıkabilir. İlaveten, suya giren alüminyumun da miktarı fazlalaşabilir. Gelecek bir yazıda betonun içme suyu taşıyan borularda kullanılması konusunun ele alınmasını öneriyorum.
Suya Dayanıklı Beton
Bazen zararlı suların etkisinin suya dayanıklı beton kullanarak önlenip önlenemeyeceği sorulur. Geçirimsiz beton elde etmek muhtemelen mümkün olmadığından ve bu deyim İngiliz Standartlarınca da tavsiye edilmediği için “geçirimsiz beton “ deyimini kullanmıyorum. Mümkün olan suyun işlenmesine karşı direnci yüksek olan betondur.
Niye böyledir? Doğası itibari ile beton gözenekli bir malzemedir. Gözeneklilik ile geçirgenlik aynı değildir ama betondaki
gözeneklerin bir çoğu birbiri ile bağlantılıdır ve suyun içeriye girerek betondan geçmesi mümkün olmaktadır. Sadece suyun akması değil diğer taşıma mekanizmaları da söz konusu olur. Beton daha iyi sıkıştırıldıkça içindeki iri gözenekler ve boşluklar azalacak, suyun içinden geçişi zorlaşacaktır. İlaveten, hidrate çimento hamurunun yapısı suyun beton içinden ne kadar kolaylıkla akabileceğini belirler. Özellikle önemli olan gözeneklerin miktarı ve birbirleri ile bağlantı durumlarıdır: bunlar genellikle gözeneklerin boy dağılımı ile belirlenir. Az sayıda ancak iri ve bağlantılı gözeneklerin aksine aynı hacimdeki küçük gözenekler suyun daha az hareket etmesine müsaade ederler.
Genellikle suyun beton içindeki hareketi çok azdır, ancak elde ettiğimiz beton bir plastik örtü gibi su geçirimsiz değildir.
Çoğu kez bu bir problem yaratmaz. Ancak, gerçekten su geçirmeyen bir beton isteniyorsa aynı zamanda hidrofobik olan su geçirimsizlik katkılarını kullanmayı düşünmeliyiz veya polimerli beton gibi özel betonlara başvurmalıyız.
Şurası hatırlanmaya değer ki bir çok şey, beton elemanın maruz kaldığı çevre koşullarına bağlıdır. Örneğin, dışarıda ıslak toprak, içerde kuru hava arasında bulunan bir bodrum duvarında kalınlığı boyunca su hareketi olacaktır. Eğer birisi bodruma kuvvetli bir klima cihazı koyarak problemi çözeceğini umuyorsa çok aldanır, çünkü beton duvarın iki yanındaki bağıl nem oranları arasındaki fark büyüdükçe duvardan geçen suyun da miktarı artacaktır. Benzer şekilde eğer dıştaki suyun basıncı yüksek ( bodrum çok derinde ) ise duvardan daha fazla su geçecektir.
Gene de çevre koşulları ve betonun kalitesi tek başlarına suya dayanıklılığı belirleyen faktörler değildirler. Beton duvarlar ve döşemeler ne kadar itina ile yapılsalar bile tamamen tek parça çatlaklardan arınmış olmazlar, ayrıca farklı deformasyonlara da maruz kalabilirler. Eğer su tutacak bir yapı istiyorsak uygun beton kalitesine ilaveten uygun çelik donatı ve su önleyici detayları içeren projelere gerek olur. Sadece beton teknolojisi değil yapı statiği ve tasarım alanlarını da ilgilendirir. Suya dayanıklı veya dirençli deyiminin su geçirimsizlikle aynı olmadığını tekrar vurgulamak isterim.
Donma ve Çözülme
Tekrar eden donma - çözülme devirlerinin betona olan zararlı etkisi dünyanın bir çok bölgesinde iyi bilinmektedir. Bu
yazının amacına uygun olarak, donma ve çözülme olayında suyun yer aldığını belirtelim. Su, başlangıçta karışımda bulunan olabilir veya sonradan betona girmiştir; önemli olan zararı veren sudur ve bunu şiddetle yapar.
Tekrar eden donma - çözülme devirlerinin meydana getirdiği hasar taze beton veya erken yaştaki beton üzerinde don
olayının yaptığı hasardan farklıdır. Burada suyun buza dönüşerek genleşmesi betona genellikle onarılması imkansız zarar verir.
Bu makale için önemli olan şudur ki don etkisi ile don - çözülme etkisinin ikisi de su ile ilgilidir: suçlu olan sudur.
Karbonatlaşma
Atmosferdeki karbondioksit, çimento hidratasyon ürünlerinin bazıları ile, özellikle kalsiyum hidroksit ile reaksiyona
girebilir. Ancak etki eden gaz halindeki kadbondioksit değildir, zayıf bir karbonik asittir ve bunun içinde ortamda suyun
bulunması gereklidir.
Betonun karbonatlaşması hidrate çimento hamurunun alkalinetisini azaltır ve donatının korozyonuna yol açar.
Karbonatlaşmada su gerekli bir elemandır.
Alkali - Agrega Reaksiyonu
İki türlü reaksiyon vardır: bunlar agregada bulunan silika veya karbonatla ilgili olup alkalilerin kaynağı ise çimentodur. Bu zararlı reaksiyonun yazının kapsamına girmediği düşünülebilir, ancak bu doğru değildir: alkali - agrega reaksiyonu sadece suyun bulunması halinde meydana gelir. Hatta, reaksiyonun başlayıp betonda bir miktar hasara yol açtığı hallerde bile betonu kurutmak ve daha sonra kuru tutmak reaksiyonu durduracaktır. Meydana gelen hasar telafi edilemez, ama bu şekilde ilerlemesine mani olunabilir. Böylece su, bir kez daha, betonun yıpranmasında önemli bir faktör olmaktadır.
Oyulma ve Erozyon
Beton, barajlar ve kapalı kanallar gibi su yapılarında yaygın olarak kullanılır. Ancak, akan su oyulma yolu ile ciddi hasarlara yol açabilir. Suyun akışı düzgün değilse, akış beton yüzeyine her noktada teğet olmayıp akış yönü ile yüzey arasında sapma varsa oyulma meydana gelebilir. Bu gibi durumlarda su içinde mutlak basınç, çevrede suyun buhar basıncı düzeyine inebilir ve buhar kabarcıkları oluşur. Kabarcıklar su ile birlikte akarken basıncı daha yüksek bir bölgeye girdiklerinde patlayarak
darbe etkisi yaparlar. Hızla akan su patlayan kabarcığın içinde evvelce buharın bulunduğu hacmi doldururken beton yüzeyin küçük bölümleri üzerinde son derece yüksek basınç oluşturur. Bu şekilde tekrarlanarak etki eden yüksek gerilmeler yüzeyin oyulmasına yol açar. Daha pürüzlü ve engebeli hale gelen yüzeyde olay daha şiddetlenerek devam eder. Akan sularla temas halindeki betonda görülen başka tür bir yıpranma da beton yüzeyinin erozyonudur. Burada zarara suyun kendisi değil taşıdığı katı taneler neden olmaktadır. Su sadece taşıyıcı bir ortam niteliğindedir. Gene de gerek oyulmada, gerekse erozyonda hasarın meydana gelişinde su bir faktör olmaktadır.
Özel Özellikler
Şimdi, beton içinde serbest su bulunmasından belirgin şekilde etkilenen bazı beton özelliklerine değinmek yararlı olacaktır.
Isı Yalıtımı
Beton göreceli olarak iyi bir yalıtkandır ve hafif beton bu konuda özellikle etkilidir. Isı akışı ile sıcaklık farkı arasındaki
ilişkiye bağlı olan ısı iletkenlik ise üzerinde durulması gereken bir özelliktir.
Havanın iletkenliği suyunkinden az olduğu için bir betonun iletkenliği içindeki boşlukların su ile doygunluk derecesine bağlı
olacaktır.
Bu etki normal betondan daha büyük oranda boşluk içeren hafif betonda, özellikle önem kazanmaktadır.
Örneğin, betonun rutubet miktarında % 10’luk bir artış iletkenliğini % 50 arttırmaktadır.
Sonuç olarak, eğer yalıtım özellikleri önemliyse beton kurutulmalı ve doygun hale gelmesine müsaade edilmemelidir.
Buradan görüyoruz ki beton karışımından gelen veya betona sonradan giren serbest su hizmet sürecinde betonun ısı
yalıtım özelliklerini büyük ölçüde etkilemektedir.
Elektrik Direnci
Bazı kullanım yerlerinde betonun elektrik özellikleri önem kazanır. Doygunluk derecesi betonun elektrik direncini büyük
ölçüde etkiler. Örneğin hava kurusu betonun direnci 10 000 ohm-m iken fırında kurutulmuş betonun direnci bundan dört kat daha fazladır [6, 7 ]
Konu oldukça karmaşıktır, ama esas olan elektrik akımının nemli betonda elektronik yoldan yani kılcal boşluklardaki suyun içindeki iyonlar tarafından iletildiğidir.
Diğer hususlar aynı olmak kaydı ile, boşluklarında ne kadar az su bulunursa betonun direnci o kadar yüksek olacaktır.
Kullanılan Beton ve Su Miktarları
Şimdiye kadar bahsedilenlere ilaveten, beton ve su arasında başka bir özel ilişki vardır:Bbu yazımın başında değindiğim gibi bunlar insanoğlu tarafından en çok kullanılan iki malzemedir, su birinci, beton ikincidir. Beton tüketimi, yani dünya nüfusu; kadın, erkek, çocuk-itibari ile kişi başına dökülen beton yılda yaklaşık 2.8 tondur.
Su için sayıyı belirlemek bu kadar kolay değildir ve hangi kullanım alanlarının hesaba katılacağına bağlıdır. Ayrıca,
kullanılan su arıtılıp evlere ve endüstriye satılır veya örneğin soğutmada kullanılmak üzere bir nehirden alınıp tekrar nehire boşaltılır. Bilgi olarak, İngilterede yıllık toplam tüketim kişi başına 143 tondur. Ancak bu değer dünya düzeyinde çok farklılık gösterecektir.
Sonuç“Su ve beton” başlığı altında bütün konuları kapsadığımı sanmıyorum. Umarım betonun ömrü sürecinde bu iki malzeme
arasındaki yakın ilişkilere işaret edebilmişimdir. Bu ilişkiler çeşitlidir ve yapım sürecinden itibaren ortaya çıkarak hizmet
ömrü boyunca, yıpratıcı koşullara maruz kalmak dahil, varlıklarını sürdürürler. Bazen iyi bazen kötü sonuçlar getiren bu
ilişkilerden kaçınmak mümkün değildir. Bu yazıda bütün bu ilişkilerin ele alınmasının betonun karakterini ve davranışını
anlamamıza yardımcı olacağını umuyorum. Çoğu kez çalışmalar çok dar bir şekilde tek bir ilişki ve koşul dizisi içinde ele
alındığından böyle geniş kapsamlı bir yaklaşımın yararlı olduğuna inanıyorum.
Yazımın başlığına göre özetlemek isterim: Bir yandan, su olmadan beton yapmak mümkün olmaz: su, seçimimize bağlı bir bileşen değildir. İlaveten, bakım için ve bazen soğutma için dışardan su tatbiki beton için çok yararlı olur. Bunlar, aradaki ilişkinin sevgi boyutudur.
Diğer yandan, betonu yıpratan ve hasara uğratan çok sayıda mekanizmanın içinde su ana faktör olarak yer alır. Burada su ilişkinin nefret boyutunu temsil etmektedir.
“Beton düşünce”lerime çok katkıda bulunmuş olan 48 yıllık eşim bu sevgi-nefret ilişkisini evliliğe benzetmeme müsaade
etmiyor. Şu kadarını söyleyim ki, görünebilen gelecekte sadece suya değil, betona da ihtiyacımız olacak: bu ikili birlikte yaşamak zorundadır.
( * ) Beton teknolojisinde en tanınmış kitap olan ve 1996 da 4. Baskısı yayımlanan “Properties of Concrete”in yazarıdır. Dundee, Leeds ve
Calgary Üniversitelerinde rektörlük dahil idari görevlerde bulunmuş, öğretim üyeliği yapmıştır. Halen danışmanlık yaparak hizmetlerini sürdürmektedir.
(AC) Amerikan Beton Enstitüsü’nün izni ile “Concrete İnternational”dan Asım YEĞİNOBALI tarafından tercüme edilmiştir. ( Vol.22,
no.12, Dec.2000
 
Kaynaklar
1. Neville, A.M., “Water-Cinderella Igredient of Concrete, “Concrete International, V. 22, No.9, Sept. 200, pp.66-71
2. Neville, A.M., “How Useful is the Water-Cement Ratio?, “Concrete International, V.19, No.9, Sept.1999, pp 69-70.
3. Neville, A.M.; Dilger, W.; and Brooks, J, J., Creep of Plain and Structural Concrete, Longman Group, London, 1983, 361 pp.
4. Adam Neville Symposium; Creep and Shrinkage-Structural Design Effects, SP-192, A. Al-Manaseer, ed., American Concrete
Institnte. Farmington Hills, Mich., 424 pp.
5. Aitcin, P.-C., “Demystifying Autogenous Shrinkage, “Concrete İnternational, V.21, No.11 Now. 1999, pp.5456.
6. Whittington, H.W.; McCarter, J.; and Forde, M.C., “The Conduction of Electricity Through Concrete, “Magazine of Concrete
Research, V.33, No. 114, 1981, pp.48-60
7. Monfore, G.E., “The Electrical Resistivity of Concrete, “Journal of the Portland Cement Association, V. 10, No.2 1968, pp.35-
48.