Deniz Yapılarında Kalıcılık (Durabilite) Bölüm 2

Deniz Yapılarında Kalıcılık (Durabilite) Bölüm 2

Doç.Dr. Hasan YILDIRIM

İ.T.Ü. İnşaat Fak. Yapı Malzemesi Grubu Öğretim Üyesi

1- Giriş

Yapı elemanları ve yapı malzemeleri inşa edildiği günden itibaren yapının dışından gelen mekanik, fiziksel ve kimyasal faktörlerin etkisinde kalır, zaman içinde başlangıçtaki özelliklerini yitirir, hasara uğrarlar. Yapıların performansını arttırmak için bu etkenlerin proje aşamasında dikkate alınması gerekir. Yapıların kalıcı olması yalnızca doğru taşıyıcı sistemin seçimi, projelendirilmesi ve yapımı ile sağlanamaz. Aynı zamanda, yapının kabul edilebilir bir zaman süreci içinde “kalıcı” denecek kadar uzun ömürlü olmasını sağlayacak önlemler alınmalı ve yapı, en az bakımı gerektirecek şekilde servis ömrünü tamamlamalıdır.

Yapıların ömrünün uzatılması için mevcut koşullara uygun değerlendirmelerin yapılması ve servis ömrünün daha önceden tahmin edilmesi tasarımcılar, uygulayıcılar ve kullanıcılar için büyük önem arz etmektedir. Bu nedenle son yıllarda dünyada ve ülkemizde özellikle dış ortam etkilerine maruz kalacak yapı malzemelerinin durabilitesi için kapsamlı çalışmalar yapılmakta, durabilitenin tasarımda mutlaka dikkate alınması gerektiği vurgulanmaktadır. Örneğin hazır beton firmalarının uygulamakla yükümlü olduğu TS EN 206–1 “Beton-Bölüm 1: Özellik, Performans, İmalat ve Uygunluk” başlıklı standartta farklı çevresel etkiler tanımlanmış ve bu etkilere karşı beton tasarımında kullanılacak olan parametrelerle (max. su/çimento oranı, min. çimento dozajı, min. dayanım sınıfı) ilgili limit değerlere yer verilmiştir. Ayrıca geçtiğimiz yıllarda ülkemizde gerçekleştirilmiş olan 5. Ulusal Beton Kongresi konusunun “Betonun Dayanıklılığı (Durabilite)” olarak belirlenmesi de dayanıklılık kavramının önemini ortaya koymaktadır. Bunun dışında Amerikan Beton Enstitüsünün son yıllardaki çalışmalarında da durabilite kavramı ön plana çıkmıştır.

Yukarıda da değinildiği üzere, maksimum su/çimento oranı ile minimum çimento dozajındaki sınırlamalar betonun dayanım ve durabilitesini önemli ölçüde etkiler. Genel olarak betonun çevresel etkilere diğer bir deyişle durabiliteye göre tasarımı bu iki parametreye göre yapılır. Betondaki bu parametrelerle ilgili kısıtlamaların ne ölçüde gerçekleşebileceği (yani çevresel etki sınıfına bağlı olarak maksimum su/çimento oranı belirli bir değeri aşamaz ve çimento dozajı da öngörülen minimum değerin altına inemez) doğrudan betonun bileşenlerine ve standartlara uygun olmasına bağlıdır .

Korozyon etkisi :

Konuya betonarme veya öngerilmeli beton yapılar açısından bakıldığında; çelik beton içerisinde gömülü olarak bulunmaktadır. Pek çok çevresel etkiye maruz kalan bu tür elemanlar, yeryüzünün yaklaşık %78’ini denizlerin oluşturması sebebiyle doğrudan ya da dolaylı olarak deniz ortamından etkilenmektedir. Bu etkiler sonucunda ortaya çıkan korozyon, doğru dizayn edilmiş, geçirimsiz, kaliteli bir betonun donatıyı fiziksel ve kimyasal olarak korumasıyla bertaraf edilebilir. Fiziksel koruma, zararlı maddelerin donatıya ulaşmasının engellenmesiyle, kimyasal koruma ise yüksek pH’lı bir ortam yaratılması ile gerçekleşir. Betonun bu olumlu özelliğine rağmen, uygulamada yapılan hatalar nedeniyle, korozyon günümüzde betonarme yapıların servis ömürlerini belirleyen en önemli faktör olarak kabul edilmektedir . Korozyon, donatı kesitini yetersiz hale getirmenin yanında betona da ciddi tahribat yapar.

Klor Etkisi :

Klor iyonları donatı korozyonu açısından en zararlı madde olarak kabul edilir. Betonla temas halindeki deniz suyu ya da tuzlu yeraltı suları, buz çözücü tuzlar, tuz üreten veya işleyen sanayi tesisleri önemli birer klorür kaynağıdır. Tekrarlı ıslanma-kuruma etkisine maruz deniz yapılarında deniz suyu ile beton içine sızan klorür iyonları, suyun buharlaşması sonucu beton içerisinde kalmakta, tekrar sayısı arttıkça klorür yoğunluğu da artmaktadır. Bu durumda deniz suyundaki iyon konsantrasyonundan daha fazla klor, beton içerisinde birikebilmektedir. Ayrıca denizden yükselen çok ince deniz suyu damlacıkları (dolayısıyla klorürler) rüzgarlarla önemli mesafelere taşınarak beton yüzeyine yerleşebilmektedir .

Gelişmiş ülkelerde betonarme yapılar dizayn edilirken hizmet ömürlerinin en az 100 – 150 yıl olması hedeflenmektedir. Betondan beklenen performans değerleri doğrultusunda hedeflenen hizmet ömürlerine, alınacak önlemlerle ulaşılabilinir. Betonun suya, gazlara ve iyonlara karşı geçirimsizlik özelliği ise en önemli koruma faktörüdür. Geçirimsiz ve yüksek dayanıklılığa sahip bir beton üretmede birinci şart, su/çimento oranını mümkün olan en alt düzeye indirmektir. Süper akışkanlaştırıcı katkıların kullanımı ile bu durum sorun olmaktan çıkmıştır. Bu katkılarla üretilen yüksek performanslı betonlarda su/çimento oranı kolaylıkla düşürülmekte ve günümüz teknolojisinde 28 günlük dayanımı 100 MPa olan pompalanabilir betonlar üretilebilmektedir.

Puzzolanik Malzemeler :

Betondaki boşluk oranını indirgemekte süper akışkanlaştırıcılarla birlikte mineral katkılar da büyük yararlar sağlar. Puzolanik özelliğe sahip olan bu malzemeler (silis dumanı, uçucu kül, yüksek fırın cürufu ve doğal puzolanlar) ilave bağlayıcı oluşmasını sağlayarak geçirimsizliği arttırırlar. Diğer taraftan bu malzemeler dolgu etkisi yaparak boşluksuz bir yapı oluşumuna imkan tanırlar. Bu avantajları nedeniyle söz konusu malzemelerin su yapılarında kullanılmaları özellikle tavsiye edilir.

Çimentoda C3A içeriği :

Çimentonun kimyasal yapısı, özellikle C3A içeriği betonun sülfata dayanıklılığında önemli bir parametredir. Bu nedenle, Amerikan standartları C3A içeriği %8 ve altında olan çimentoları sülfata orta seviyede dayanıklı, %5 ve altında olan çimentoları ise sülfata yüksek seviyede dayanıklı olarak tanımlamaktadır.

Yapılan araştırmalar çimentodaki C3A bileşeninin sülfatlarla oluşan reaksiyonu sonucunda ortaya çıkan etrenjitin, klor iyonlarının bulunduğu ortamda genleşmeye yol açmadığını ve deniz suyunda çözündüğünü göstermiştir. Yapılan araştırmalar yine göstermiştir ki; sülfat etkisi açısından zararlı olan C3A bileşeni aynı zamanda çimentoya klorür bağlama özelliği kazandırmakta ve böylece donatının klor iyonlarından etkilenme riski azalmaktadır . Düşük C3A içerikli çimentoların klorür geçirimlilikleri fazla olduğundan, bu durumda donatının korozyon problemi dikkate alınarak çözüm üretilmelidir. Aksi halde yapı veya yapı elemanı sülfat etkisinden korunmak istenirken donatı korozyonu nedeniyle beklenmedik kısa sürelerde işlevini yitirerek kullanılmaz hale gelebilir. Bu sebeple çok düşük C3A içerikli sülfata dayanıklı çimentoların deniz ortamında kullanımı tercih edilmemektedir . Ülkemizde de, deniz ortamındaki yapılarda durabilitenin sağlanması amacıyla dikkate alınan tek parametrenin sülfat olduğu yönünde yaygın ve çok yanıltıcı bir kanaat oluşmuş durumdadır. Oysaki yukarıda da değinildiği üzere deniz yapılarında servis ömrünü etkileyen baskın faktör sülfat etkisi değil, donatı korozyonudur. Yıllardan beri ülkemizde süre gelen bu anlayışın yanlışlığı ile ilgili detaylı açıklamalara ilerleyen bölümlerde değinilmiştir.

İçerdiği yüksek sülfat iyonu konsantrasyonu ile deniz suyu, beton üzerinde sülfat etkisi yapar. Sülfat etkilerine karşı sülfata dayanıklı çimento kullanılması tavsiye edilmesine rağmen, deniz suyu etkisi gibi karma bir kimyasal saldırı durumunda, düşük C3A içerikli sülfata dayanıklı çimento kullanımı, betonarme donatısının korozyonu açısından doğru bir çözüm yolu olmamaktadır. TS EN 206–1 “Beton- Bölüm 1: Özellik, Performans, İmalat ve Uygunluk” isimli standardın F.1 no’lu çizelgesinde, deniz suyu kaynaklı klorürün sebep olduğu korozyon riski için (XS1, XS2 ve XS3 etki sınıfları) özel bir çimento kullanılması gerektiği söylenmemiş, sadece max. su/çimento oranı, min. çimento dozajı ve min. dayanım sınıfı ile ilgili kriterler sunulmuştur . Yine aynı standartta zararlı kimyasal ortamlar için (XA1, XA2 ve XA3 etki sınıfı) XA1 sınıfında SDÇ kullanım zorunluluğu getirilmemiş; XA2 ve XA3 sınıflarında SDÇ kullanımı zorunluluğu ise, zararlı kimyasal etkide baskın olan faktörün sülfat (SO4) olması koşuluna bağlanmıştır. Bununla birlikte “Sülfat ile kimyasal etkide (deniz suları hariç) XA1 etki sınıfının üstünde, sülfatlara dayanıklı çimento kullanılmalıdır” denilerek, ancak ve ancak deniz sularının haricindeki bölgelerde yüksek dereceden kimyasal saldırı varsa (XA2 ve XA3 etki sınıfları) sülfata dayanıklı çimento kullanılması gerektiği vurgulanmıştır. Dolayısıyla deniz yapılarında sülfata dayanıklı çimento kullanılması gerektiğine dair bir zorunluluğun bulunmadığı ülke standardımız olan TS EN 206’da da ortaya konmuştur.

Dünyanın en büyük beton birliği olarak kabul edilen ve betonla ilgili en kapsamlı komite raporlarının hazırlanmış olduğu Amerika Beton Enstitüsü’nün (American Concrete Institute-ACI) ACI 357R-84 No’lu raporunun 2.5.2 maddesine göre deniz yapılarında kullanılan çimentonun C3A içeriğinin %4’den az olmaması durumunda donatı korozyonunun önleneceği; %10’dan fazla olmaması halinde ise sülfata karşı direnç göstereceği belirilmiştir . Yine 201.2R No’lu raporun 4.3.1 maddesine göre C3A içeriğinin %5-8 arasında olduğu çimento kullanılması durumunda, %5’den az C3A içeriğine sahip çimentoya göre, korozyondan kaynaklanan çatlak oluşumunun daha az gerçekleştiği belirtilmiştir .

Yine diğer bir çalışmada, deniz suyu etkisindeki bir ortamda C3A içeriği %0,6 , % 8,8 ve % 14,1 olan çimentolar kullanıldığı bir araştırmaya yer verilmiş ve en durabil betonun sülfata dayanıklı çimento ile değil, %8,8 C3A içerikli çimento ile yapılan beton olduğu belirtilmiştir. Diğer bir araştırmada ise uçucu külün klor kaynaklı korozyona karşı betona direnç kazandırdığı vurgulanmış; ayrıca uçucu külün klor iyonlarını bağlama niteliği sayesinde korozyona yol açan serbest iyonları tükettiği de belirtilmiştir.

2- Deniz Yapılarında Katkılı Çimento Ve Uçucu Kül Kullanımı

Beton teknolojisindeki gelişmeler paralelinde, teknik, çevresel ve ekonomik avantajları ile birlikte kullanımı gündeme gelmiş olan doğal ve yapay puzolanik malzemeler (tras, uçucu kül silis dumanı, yüksek fırın cürufu gibi), gerek çimento üretiminde gerekse beton karışımına doğrudan katılmak suretiyle beton üretiminde yer almaktadır. Çimento içerisinde, su ile reaksiyon neticesinde ortaya çıkan ve kimyasal etkilere dirençli olan kalsiyum silikat hidrat-CSH-(asıl bağlayıcı) yapının yanında, bu etkilere karşı dirençsiz olan nispeten daha zayıf yapıdaki kalsiyum hidroksit (CaOH2) formu oluşmaktadır. Puzolanik malzemenin gerek katkılı çimento gerekse betonda kullanımı ile kalsiyum hidroksit yapısı CSH yapısına dönüşerek ilave bağlayıcı oluşmakta, böylece kimyasal etkilere karşı direnç artmaktadır. Ayrıca bu tür malzemelerin kullanımı ile gözenek yapısı iyileşmekte, beton içerisindeki boşluk azalmakta, geçirimsizlik artmaktadır (Şekil 1).

Şekil 1.Uçucu kül kullanılmayan ve kullanılan betonda gözenek yapısının değişimi

Katkısız çimento kullanımı ya da betonda puzolanik malzeme kullanılmaması durumunda kalsiyum hidroksit yapı CSH yapıya dönüşmemekte ve kimyasal etkilere karşı direnç nispeten az olmaktadır.

Pek çok çevresel etki karşısında kullanımı oldukça avantajlı olan puzolanik malzeme içeren çimento ve betonlar, deniz yapılarında da güvenle kullanılabilir. Deniz suyu içerisinde bulunan sülfat ve klor gibi betona ve donatıya zarar verici unsurlar geçirimsiz beton üretimiyle bertaraf edilebilir. Geçirimsiz beton ise düşük su/çimento oranı (yüksek beton sınıfı) ya da katkılı çimento kullanımı ile elde edilebilir. Yapılan bir çalışmada, sülfata dayanıklı çimentolarla üretilen betonların kapiler su geçirimliliği, diğer puzzolanlı çimentolarla üretilen betonlara göre daha yüksek olduğu ortaya çıkmıştır. Bu durum özellikle C25 sınıfındaki düşük beton sınıflarında daha belirgindir .

Sülfat etkilerine karşı C3A içeriği düşük olan çimentolar tavsiye edilmesine rağmen deniz suyu ve içerisindeki klor iyonlarının varlığı durumunda bu yargı çok da geçerli olmamaktadır. Çimentodaki C3A bileşeninin, donatı korozyonuna yol açan serbest haldeki klor iyonlarını bağlama potansiyeli vardır. Klor iyonlarının bağlanması (kararlı yapıdaki bileşik oluşumu -Fridel Tuzu-) donatı hasarına yol açan klor iyonlarının tükenmiş olması anlamına gelmektedir. Dolayısıyla C3A içeriği düşük çimento kullanımı ile klor iyonlarının bir kısmı serbest kalacak ve bu da donatı ile ilgili sakıncalar doğuracaktır. Buna karşın C3A bileşeninin, klor iyonları ile bağlanması neticesinde azalması ya da tamamen tükenmesi, sülfat etkilerine karşı da yüksek direnç oluşmasını sağlayacaktır. Şekil 2’deki çalışmada farklı çimentolarla üretilmiş farklı sınıftaki betonlarda, C3A’sı düşük çimento ile üretilmiş betonun klor geçirgenliği görülmektedir.

Şekil 2’de görüldüğü üzere,  portland çimento kullanılarak yapılan betonda, klor geçirgenliği C35 beton sınıfından sonra düşmüştür. Portlant çimentolu C40 sınıfı betondaki düşük klor geçirgenliği, cüruflu çimento ile  üretilmiş betondan hâlâ yaklaşık 3 kat daha fazla yüksektir.

Yine şekil 2’de görüldüğü gibi, kısmen uçucu kül ve normal portland çimento ile üretilmiş yüksek sınıflardaki betonların klor geçirgenliği, sadece portland çimentolu betona göre yarı yarıya düşmüştür. Bu durum C25 beton sınıfında oluşmamıştır. C40 beton sınıfında uçucu küllü ve cüruflu betonlar birbirine yakın geçirgenlik göstermişlerdir.

Şekil 2. Çimento tiplerinin, betondaki hızlı klor geçirgenliği üzerine etkileri

Sülfat dayanımlı çimento ihtiva eden betonlardaki hızlı klor geçirgenliği, C25, C30 ve C35 sınıfı cüruflu çimento ile üretilen betonlardaki klor geçirgenliğinden 6 kat daha yüksektir ve bu geçirgenlik C40 beton sınıfından ise 3 kat daha yüksektir. Türkiye’deki birçok inşaat projesinde, sülfat dayanımlı çimentolar deniz çevresinde inşa edilecek yapılar için planlanır ve şartnamelere de girmiştir. Ancak Klor etkisi genellikle göz ardı edilir. Bu testlerin sonuçları açıkça göstermektedir ki sülfat dayanımlı çimentolar, klor ihtiva eden çevrelerde portland çimentosuna yakın performans göstermektedirler.

Şekil 3’de uçucu kül kullanılan ve kullanılmayan betonlarda C3A içeriğine de bağlı olarak korozyonun gelişimi ile ilgili bir araştırmanın sonuçları görülmektedir. Görüldüğü gibi uçucu kül kullanılmayan betonlarda korozyon başlangıcı çok daha kısa sürede gerçekleşmektedir. Bu yargının puzolanik özellik göstermesi dolayısıyla katkılı çimentolar için de geçerli olduğu söylenebilir.

Şekil 3. Uçucu kül kullanılmayan ve kullanılan betonlarda korozyon başlangıç süresinin değişimi

3- Sonuç:

Gerek klor etkisi, gerek sülfat etkisi gerekse diğer pek çok çevresel etkiler değerlendirildiğinde; bu tür zararlı etkilere karşı asıl hedef; küçük ölçekte malzeme bileşimlerindeki değerleri optime etmektense, daha genelde geçirimsiz bir beton üretmek olmalıdır. Çünkü durabilite yani servis ömrü boyunca çevresel etkilere karşı dayanıklılık geçirimliliğin bir fonksiyonudur. Geçirimsiz bir beton içerisine su ile birlikte zararlı diğer iyonların girmesi de zor olmaktadır. Bu tür betonlar ise daha önce ifade edildiği gibi katkılı çimento, uçucu kül ve cüruf ya da diğer puzolanik malzemelerin kullanımı ile gerçekleştirilebilmektedir.

TS 10157 no’lu standart kapsamında üretilen sülfata dayanıklı çimentolar, sülfat saldırısının olduğu koşullarda yapı elemanına yüksek direnç katarlar. Betonda sülfat saldırısı toprak veya yer altı suyu kaynaklı olabilir. Yukarıdaki bölümlerde açıklandığı üzere deniz suyu gibi karma etkilerin bir arada bulunduğu ortamlarda sülfata dayanıklı çimento kullanımı uygun olmamakla birlikte, toprak ya da yer altı suyundan gelen yalın sülfat etkilerine karşı sülfata dayanıklı çimento üstün performans gösterir. Diğer tüm dayanıklılık problemlerinde olduğu gibi betonun sülfata dayanıklılığı da büyük oranda geçirimsiz olmasına bağlıdır. Betonun geçirimliliğini etkileyen malzeme özellikleri, karışım oranları, çatlak durumu, taze betonun sıkıştırılması, kürü vb. tüm parametreler, sülfata dayanıklılığı da dolaylı olarak etkilemektedir.

Betonlarda klor geçirgenliğini engellemek açısından, sadece sülfata dayanıklı çimento kullanmak yeterli olmamakta, bunun yanında düşük su/çimento oranlı betonlar dizayn edilmeli ve imkanlar doğrultusunda puzzolanlı çimentoların veya betonlarında kullanılması yararlı olacaktır. Puzzolanlı çimentoların sülfata dayanıklılıkları da ayrıca yararlı olacaktır.

Alkali agrega reaksiyonu açısındanda bu puzzolan ve katkıların yararlı olduğu görülmüştür.

Sonuç olarak,  Betonda Puzzolan (Uçucu kül, Cüruf ve benzeri) kullanımının zararlı ortamların betona etkisi açısından yararlı ve gerekli olacağı sonuç ve kanaati ortaya çıkmaktadır.

Kaynaklar:

1. E.G. Aydın, H.Yıldırım, “ The effect of mineral admixtures and micronized calcite on alkali silica reaction expansions in the usage of aggregates from different origin”, International Journal of Physical Sciences , 5996-6011 pp., 2012.

2. Swamy, R.N., 1992, Alkali-Aggregate Reactions in Concrete: Material and Structural Implications, Sciences in Concrete Technology, Energy,Mines and Resources, Ottawa, Canada,533-581

3. Swamy, R.N., 1988,  Expansion of Concrete due to Alkali-Silica Reaction, ACI Materials Journal,V.85,No.1,33-40.

4. Mullick,A.K.,1988,Distress in a Concrete Gravity Dam due to Alkali Silica Reaciton, Int.J.of Cement Composites and Lightweight Concrete,V.10,No.4,225-232.

5. West, G., 1996, Alkali-aggregate reaction in concrete roads and bridges

6. Taşdemir M.A., Bayramov F., Kocatürk N.A, Yerlikaya M., “Betonun Performansa Göre Tasarımında Yeni Gelişmeler”, Beton 2004 Kongresi, 2004

7. Baradan B., Yazıcı H., Ün H., “Betonarme Yapılarda Kalıcılık”, Nisan 2002.

8. Gerwick B.C., “International Experience In The Performance of Marine Concrete”, Concrete International, May 1990.

9. TS EN 206-1 “Beton- Bölüm 1: Özellik, Performans, İmalat ve Uygunluk”

10. ACI 357.R-84 “Guide for the Design and Construction of Fixed Offshore Concrete Structures”

11. ACI 201.2R-01 “Guide to Durable Concrete”

12. Zhang M.H., Bremner W.T., Malhotra M.V. “The Effect of Portland Cement Type on Performance”, Concrete International, January 2003.

13. Lafave M., Pfeifer W.D., Sund D.J., Lovett D., Cıvjan S.A. “Using Mineral and Chemical Durability Enhancing Admixtures in Structural Concrete”, Concrete International, August 2002.

14. Ilıca, T., Yıldırım, H. and Sengul, O. “Effect of Cement Type on the Resistance of Concrete against Rapid Chloride Permeability”, 11th International Conference on Durability of Building Materials and Components, Istanbul, Turkey, 11 – 14 May 2008, pp. 481 – 488.

15. E.G. Aydın, H.Yıldırım, “ The effect of mineral admixtures and micronized calcite on alkali silica reaction expansions in the usage of aggregates from different origin”, International Journal of Physical Sciences , 5996-6011 pp., 2012.

16. Swamy, R.N., 1992, Alkali-Aggregate Reactions in Concrete: Material and Structural Implications, Sciences in Concrete Technology, Energy,Mines and Resources, Ottawa, Canada,533-581

17. Swamy, R.N., 1988,  Expansion of Concrete due to Alkali-Silica Reaction, ACI Materials Journal,V.85,No.1,33-40.

18. Mullick,A.K.,1988,Distress in a Concrete Gravity Dam due to Alkali Silica Reaciton, Int.J.of Cement Composites and Lightweight Concrete,V.10,No.4,225-232.

19. West, G., 1996, Alkali-aggregate reaction in concrete roads and bridges