BETON DURABİLİTESİNDE SÜLFAT HASARI.

FARKLI BİR SÜREÇ: GECİKMİŞ ETRENJİT VE TOMASİT OLUŞUMU

ÖZET

Portland çimentosu ile üretilen betonlar sülfatlı sularla karşılaştığında trikalsiyum alüminat (C3A) kalsiyum sülfatla birleşerek etrenjite dönüşür. 32 molekül su ile kristalleşen bu tuz büyük hacim genişlemesi oluşturarak betonu tahrip eder. Tüm beton teknolojistlerinin bildiği bu klasik olay çimentodaki alüminatlı fazın etkisindedir ve sorun C3A miktarı %5'in altında olan "sülfata dayanıklı çimento" kullanımı ile çözümlenmeye çalışılır. Ne var ki ender durumlarda sülfatların kalsiyum silikatlar (CSH) üzerine etkimesi sonucu oluşan ve 15 molekül su içeren Tomasit ( thaumasite ) tuzu da genleşerek ve özellikle betonu yumuşatarak hasar yapar. Böylece sülfata dayanıklı çimentonun yararı anlamını yitirir. Bu yazıda tomasitin yapısı, oluşmasına yol açan koşullar ve hasar şekilleri tartışılacaktır. [1].
Anahtar Sözcükler: Tomasit, etrenjit, kalsiyum silikat, hidrat, kalsiyum karbonat, sülfatlar.

1. GİRİŞ

Sülfatlı suların etkisinde kalan sertleşmiş Portland çimentolarının hasarı, betonların dürabilitesi konusunda çok incelenmiş önemli bir sorundur. Portland çimentosunda hidrate trikalsiyum alüminat ( 3 CaO.Al2O3.6H20, kısaca C3AH6) kalsiyum sülfatla ( CaS04 ) önce kalsiyum mono sülfoalüminata ( 3 CaO.Al203.CaS04.18 H20 ), daha sonra kireç ve S03 iyonlarının varlığı ile kalsiyum trisülfo-alüminata ( 3 CaO.Al203.3 CaS04.32H20 ) yani etrenjite dönüşür. Candlot tuzu adı da verilen bu madde kapladığı büyük hacim nedeniyle betonu çatlatır ve parçalanmasına yol açar. Genel olarak sülfatlı ortamın hasar etkisi bu kimyasal reaksiyonlara dayanılarak açıklanır.
Sülfat hasarının sadece bu sürece uygun olarak gelişmediği son 15 yılda tartışılmaktadır [2]. Beton üretiminde kullanılan katkılardan gelen ve çimento kompozisyonundaki farklılıklar, sülfat etkisinin başka koşullarda ve biçimlerde de meydana gelebileceğini göstermiştir. Bu oluşumlardan biri gecikmiş etrenjit oluşumu ( Delayed Ettringite Formation, DEF ) diğeri tomasit oluşumudur. DEF çimentonun yüksek oranda içerdiği çözünen sülfat iyonlarının uzun süre ve ıslanma-kuruma sonunda jel görünümlü etrenjite dönüşmesidir. Bu formasyon için betonun sülfatlı sularla temas etmesine gerek yoktur. Tomasit oluşumunda ise betonun sülfatlı bir çevrede bulunması gerekir. Olay sülfata dayanıklılığı sağlamak amacıyla düşük oranda C3A içeren çimentolarda da gözlenmiştir. Tomasitin beton ve harçlardaki tahribatı 1970'li yıllardan itibaren dikkate alınmaya ve incelenmeye başlamıştır [3].

2. ETRENJİT VE TOMASİTİN KİMYASAL VE MİNERALOJİK YAPISI, OLUŞUM KOŞULLARI

Birim kristali hekzagonal sistemde olan ve taramalı elektron mikroskobunda prizmatik çubuklar şeklinde gözüken (Şekil-1) bu mineralin kapalı kimyasal formülü CaSiO3.CaS04.CaCO3.15H20 şeklinde verilmektedir. Etrenjit ve tomasitin kristal yapıları benzerdir. Açık formülleri yazıldığında da bu benzerlik görülmektedir:

Etrenjit : {Ca6 [AI (OH)6 ]224H20 } .(S04)3.2H20
Tomasit : { Ca6 [ Si ( OH )6]2.24H20 } ( CO3)2(S04)2

Tomositte Al'nin yerini Si almış, ayrıca CO3 iyonları da yapıya katılmıştır. En ilginç fark tomasit şeklinde oluşacak sülfat hasarında Al yoktur, hasar gören öge Si'dir.Bu oluşumun gerçekleşmesi için ortamda SO4 iyonları yanında CaCO3'ün varlığı da zorunludur.

Bu doğal mineral endüstriyel bir ürün olan beton ve harçlarda da ortaya çıkmaktadır. Eski yapıtların harçları üzerinde yapılan hasar incelemelerinde etrenjit ve tomasitin birlikteliği gözlenmiştir [6,7,8 ]. Salt hava kireci ile üretilen çok eski harçlarda etrenjit doğal olarak teşekkül etmemiştir. Buna karşılık kireç ve aktif silis içeren puzolanlarla üretilen harçlarda ise hem etrenjit, hem tomasit bulunmuştur. Bu harçlar deniz suyu veya sülfat içeren yer altı sularının etkisinde kalmıştır.

Araştırmalar sonucunda tomasitin oluşması için sülfat iyonları dışında ortamda kalsiyum karbonatın ve kalsiyum silikat oluşmasını sağlayacak aktif silisin bulunmasının gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Tomasitin teşekkülü için önce etrenjitin var olması şart değildir. Sülfatlı ortamdaki betonun karbonatlaşması ve sertleşmiş çimentodaki CSH'nin aktif silis salıverrnesi, tomasit oluşmasının koşullarını sağlayabilmektedir. Ayrıca düşük sıcaklık, sulu ortam ve özellikle ıslanma-kuruma süreçleri, koşulları daha elverişli konuma getirmektedir.

3. TOMASİTLE OLUŞAN SÜLFAT HASARI

İngiltere'de toprak içinde kalan ve yer altı su seviyesinin yüksek olduğu yerlerdeki betonarme temel yapılarında tomasit hasarı ile sıkça karşılaşılmaktadır. Özellikle otoyol köprülerinin temellerindeki hasarın incelenmesi için" tomasit eksper grubu" oluşturulmuştur [10].

Crammond ve Nixon'nun yürüttükleri bir araştırma tomasit hasarı bakımından anlamlı sonuçlar ve değerlendirmeler sağlanmıştır [11]. Kazıklar üzerine oturan radye jeneral bir konut temeli %0.26 oranında S04 içeren bir zemin suyuna 4 yıl gibi kısa bir sürede maruz kalmıştır. Radye plastik bir örtüyle zemin suyundan korunduğu halde kazıklar devamlı olarak su ile temas halinde kalmışlardır. Ayrıca çevredeki bir su tesisat borusundan sızan sular yer altı su seviyesini radyeye kadar yükselmiştir. Su seviyesi 6,7m indirildikten ve boru onarıldıktan sonra kazık betonları incelenmeye başlamış ve betonların pelteleşmiş olduğu gözlenmiştir. Sağlam ve hasarlı bölgelerden derlenen numuneler üzerinde optik mikroskop, taramalı elektron mikroskobu ve X-ışını difraksiyon analizi çalışmaları yürütülmüş ve aşağıdaki bulgular elde edilmiştir:

• Kazıkların betonları kurallara uygun üretilmiş kaliteli betonlardır. Çimento olarak sülfata dayanıklı çimento kullanılmıştır. Agrega fazı, oolitik kalker iri çakıl ve kuvartz kumundan oluşmaktadır. Radye betonunda iri agregalar dolomittir.

• Pelteleşmiş betonlardaki mineral tomasittir. Etrenjite rastlanmamıştır. Ayrıca brüsit (Mg(OH)2 ve alçı taşı ( CaS04.2H20 ) kristalleri de mevcuttur. Ortamda çok ince toz haline dönüşmüş kalker unu da bulunmuştur. Tomasit kristalleri çoğunlukla kalker agrega tanelerinin çeperlerine bitişiktir.

• Zemin suyundaki SO4'iyon konsantrasyonu mutedil düzeyde varsayılan miktardadır. Sülfatların katyonları Ca, Mg, ve Na'dır. CaS04'e oranla nispeten düşük oranda olan MgS04 brüsit oluşmasında etkin roloynamış ve hasarın daha hızlı gelişmesine yol açmıştır.

Bu araştırmada bazı laboratuar çalışmaları da paralelolarak yürütülmüştür. Sülfata dayanıklı çimento ve oolitik kalker agrega ile üretilen betonlar, zemin suyuna uyan birleşimde hazırlanan sülfatlı su içinde bir yıl boyunca ve farklı sıcaklıklarda saklanmış ve teşekkül eden kristaller incelenerek tomasitin oluşmasına imkan veren koşullar belirlenmeye çalışılmıştır.

Tomasitin meydana gelmesi için gereken aktif silis, çimento fazındaki CSH tarafından sağlanmaktadır. CaC03 ise kalker agregalardan ve özellikle ince toz halindeki kalker parçacıklardan kaynaklanmaktadır. Betonun sülfatlı su içinde sürekli kalması ve sıcaklığın düşük olması –yaklaşık 50C- oluşumunu hızlandırmaktadır.

Deniz suyuna ve gel-git olayına maruz betonlarda, su içinde çözünmüş CO2'nin varlığı ve sülfatların daha çok MgS04 türünde olması tomasit hasarının olasılığını artırmaktadır. Böyle bir ortamda karbonatlaşma olayı da mevcutsa, tomasit teşekkülü için gerekli şartlardan biri olan CaC03 varlığı kendiliğinden oluşmaktadır .

4. SONUÇ DEĞERLENDİRME

Günümüz kompozit çimentolarında ve özellikle yeni kalkerli çimentolarda ince kalker tozları mineral katkı olarak çimento bileşimine girmektedir. Bu katkının tomasit oluşumundaki rolü düşünüldüğünde ileri yaşlarda beklenmeyen dürabilite sorunları ile karşılaşılması mümkündür. Beton deniz yapılarında, sürekli ıslak ve özellikle ıslanıp-kuruyan betonlarda, sülfat hasarı sorun olduğunda tomasit oluşumunun dikkate alınması ve ona göre çimento ve agrega seçiminin yapılması zorunludur.

5. KAYNAK YAYıNLAR

[1] Akman M.S, 1992, "Deniz Yapılarında Beton Teknolojisi" i.T.Ü Rektörlüğü yayını N:1481, ss.140-144

[2] Collapardi M., 1997, ilA Holistic Approach to Concrete Damage Induced by Delayed Ettringite Formation ", Mario Collapardi Symp. on Advances in Concrete Science and Technology, part of the 5th CANMET/ACI Intern. Conf. On Superplasticizers and Other Chemical Admixtures in Concrete, Rome, pp.373-396

[3] Van Aardt J.H.P., Visser S., 1975, "Thaumasite Formation: A Cause of Deterioration of Portland Cement and Related Substances, in the Presence of Sulfates ", Cem. and Conc. Res. 5, pp.225-232

[4] Deloye F-X., Louarn N., Loos G., 1989, II Exemple d' Analyse sur des Maçonneries. Cas du Tunnel de Puberg ", Bull. de Liaison des Lab.des Ponts et Chaussees, N 163, pp.17-24

[5] Collapardi M., 1990. "Degradation and Restoration of Masonry Walls of Historical Buildings ".

Materials and Structures - RILEM, V 23, N 134 pp.81-100

[6] Eden M., French B., 2003, II Thaumosite ", http://www.geomaterials.co.uk/pages/thaum.html