BETONDA AKIŞKANLAŞTIRICI KATKI KULLANIMINDA İSTENEN ŞARTLAR VE TÜRKİYE’DEKİ DURUM

Doç. Dr. / Assoc.Dr. Hasan YILDIRIM
İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi – Yapı Malzemesi Grubu
ÖZET
Akışkanlaştırıcı katkıların Türkiye’de çok yaygın olarak kullanıldığı görülmektedir. Bu çalışmada kullanım alanlarının yaygınlığı nedeniyle normal, süper ve yeni jenerasyon (hiper) akışkanlaştırıcıların etkinlikleri üzerinde durulmuştur. Çalışmada ilk olarak akışkanlaştırıcı katkıların kullanım amaçları, türleri, etki mekanizmaları anlatılmış, daha sonra Türkiye’de kullanılan bu türdeki katkıların uygunlukları araştırılmıştır. Bu araştırma için çeşitli firmalarca üretilen katkılarla İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi Yapı Laboratuvarı’nda yapılmış deneyler ve elde edilen sonuçlar incelenmiştir. Yapılan incelemeler sonunda Türkiye’de kullanılan akışkanlaştırıcı katkıların çoğunluğunun istenilen nitelikleri sağladığı görülmüştür.
1. GİRİŞ
Günümüzde, beton özelliklerinde sağladığı iyileştirmelerden dolayı betonun vazgeçilmez bileşenlerinden biri haline gelen kimyasal katkılar, betonun karıştırma ve yerleştirme sürelerindeki sınırlamalarda, olumsuz hava koşullarında, yerleştirme sırasındaki problemlerde, pompalanabilir, yüksek dayanımlı, ve dürabilitesi yüksek beton üretiminde etkin bir rol oynarlar [1,2].,
Kimyasal katkı maddeleri, çimento ile etkileşerek fiziksel, kimyasal, ya da fiziko-kimyasal bir reaksiyona girip betonun özelliklerini değiştirirler.
Genel anlamda harç ve betonun taze veya sertleşmiş haldeki özelliklerini değiştiren maddeler olarak tanımlanan [3] katkı maddeleri, son yıllarda Türkiye’de yoğun bir şekilde kullanılmaktadır.
Bu çalışmada, genel bölümde akışkanlaştırıcılarla ilgili bilgiler verildikten sonra, bu katkılardan istenen hususlar, Türkiye’deki bu tip katkıların durumu, istenilen şartlara uygunluğu üzerinde durulmuştur. Bunun için Türkiye’deki belli başlı firmaların son yıllarda ürettikleri bu tip katkıların standartlara uygun olup olmadığı İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi Yapı Malzemesi laboratuarında yapılan deneylerden elde edilen sonuçlara göre değerlendirilmiştir.
2. GENEL BİLGİLER
Bu bölümde akışkanlaştırıcı katkıların kullanım amaçları, türleri, etki mekanizması, Türkiye’de kullanılan akışkanlaştırıcı katkı maddeleri ve akışkanlaştırıcı kat- kı maddelerinde aranan şartlar üzerinde durulmuştur.
2.1. Normal ve Süper Akışkanlaştırıcı Katkı Kullanım Amaçları
Normal akışkanlaştırıcılar uygulamada genelde üç amaçla kullanılmaktadır [4,5]:
1. Katkısız betonla aynı işlenebilmede olmak şartıyla su/çimento oranını azaltarak daha yüksek mukavemet sağlamak. 2. Kütle betonlarında hidratasyon ısısını düşürmek için çimento miktarının azaltılması durumunda aynı işlenebilmeyi kazanmak. Katkının bu şekilde kullanılması aynı zamanda daha ekonomik bir beton üretimi sağlaması anlamına gelmektedir.
3. Ulaşılamayan yerlere kolay yerleşmeyi sağlamak için işlenebilmeyi arttırmak.
Yukarıda normal akışkanlaştırıcı için belirtilen kullanım amaçları süper akışkanlaştırıcıların kullanım amaçlarını da kapsamaktadır. Ancak süper akışkanlaştırıcılar daha çok bunlardan 3. maddedeki amaçla kullanılmakta, yani “akıcı beton” üretiminde özellikle bu katkılardan yararlanılmaktadır. Süper akışkanlaştırıcıların ikinci bir kullanım alanı ise yüksek mukave metli beton üretiminde olmakta, bu katkılar sayesinde çok düşük su/çimento oranlarında normal işlenebilmeler elde edilebilmektedir.
Süper akışkanlaştırıcıların olumlu etkileri olduğu gibi olumsuz yanları da vardır. Süper akışkanlaştırıcı kullanılarak elde edilen yüksek işlenebilme özelliği, 30 dakika içinde çökme kaybıyla azalmakta ve zamanla devam etmektedir [6]. Bu özellikteki kayıp, oldukça küçük yüzdeler de özel katkı ilavesiyle, iki saate kadar uzatılabilmektedir.
Hazır betonda akışkanlaştırıcılar en çok yukarıda belirtilen 1. ve 2. maddedeki amaçla kullanılmaktadır. Bu durum işlenebilmeyi arttırmakta, mikserde karıştırmayı kolaylaştırmakta, mikser çeperine yapışmayı azaltmakta, daha kolay pompalanabilmeyi sağlamakta, betonun ayrışmasını önlemekte ve yerleşmeyi kolaylaştırmaktadır. Bunların dışında özel amaçlı kendiliğinden yerleşen beton uygulamalarında yeni jenerasyon yüksek oranda su azaltıcı olan hiper akışkanlaştırıcılar kullanılmaktadır. Akışkanlaştırıcıların türleri aşağıda verilmiştir.
2.2. Akışkanlaştırıcıların Türleri ve Etki Mekanizmaları
Çeşitli çalışmalarda katkı maddeleri kullanım amaçlarına göre gruplandırılmaktadır [7,8,9,10]. ACI Committee 212 raporunda [4] beton katkı maddelerini hava sürükleyen, priz hızlandırıcı, su azaltıcı ve priz süresini ayarlayan, akıcı beton katkıları ve diğer muhtelif özel amaç katkıları olmak üzere sınıflandırılmıştır. Normal akışkanlaştırıcılara göre daha yüksek oranda su azaltıcı olan katkılar (high range water reducers) veya süper akışkanlaştırıcı katkılar, su azaltıcı katkılar ve akıcı beton için katkılar grubuna dahil edilmiştir.
Normal akışkanlaştırıcı katkılar (ASTM C 494 Type A, TS EN 934-2) [11,12] aynı işlenebilirlik için daha az su kullanmayı, dolayısıyla daha yüksek dayanım elde etmeyi sağlarlar[13,14]. Normal akışkanlarştırıcı katkılar kimyasal esasları bakımından Ca, Na ve NH4 tuzlarını içeren linyosülfonik asitler, Na, NH4 veya trietanolamin tuzlarından meydana gelen hidrokarboksilik asitler, karbonhidratlar ve diğer organik bileşimler olmak üzere dört gruba ayrılırlar[15]. Linyosülfonatlar hidroksil (OH), metoksil (OCH3), fenil zinciri (C6H5) ve sülfonik asit (SO3H) gruplarının birleşmesinden meydana gelmiş bir polimer gibi düşünülebilir[15].
Bu bileşenlerin haricinde literatürde henüz pek yer almayan, ancak akışkanlaştırıcı katkı hammadesi olarak kullanılan bir bileşen de melastır.[16] Şekerin fabrikasyonunda, kristal şeker elde edilmesi için muhtelif pişirme ve temizleme işlemleri sonunda (son şeker lapasının santrfüjlenmesi sonunda) içinde % 50 kadar şeker bulunan koyu kahverengi şuruba şeker teknolojisinde melas adı verilir. İşletme hesaplarına göre pancar miktarının % 3,8-%4’ü kadar melas elde edilmektedir. Melasta kalan şekerin bir kısmı serbest ve bir kısmı da su ve organik potas tuzları ile bileşikler halinde bağlıdır. Genel olarak melasın %75-%86 sı kuru madde %14- %75’ i sudur[16].
Akışkanlaştırıcı madde çimento taneleri tarafından ad sorbe edilmeleri sonucu tane yüzeyine çökelir. Tane yüzeyi çökelen bu maddelerin oluşturduğu film negatif elektrik yüklüdür. Bu şekilde negatif elektrik yüklenen taneler birbirlerini ittiklerinden bu maddelerin dağıtıcı etkisi ortaya çıkar. Bu maddelerin topaklaşmayı önlemeleri ve aynı zamanda tanelerin birbirleri üzerinde kaymalarını kolaylaştırdıklarından yağlayıcı etki göstermeleri, betonun iç sürtünmesini azaltır, bu da betonun işlenebilme yeteneğinin artmasına neden olur.
Süper Akışkanlaştırıcı katkılar yüksek performanslı betonların su/çimento oranlarını, çok yüksek basınç dayanımı sağlayacak şekilde düşürmektedir. Öte yandan akışkanlıkları kendiliğinden yerleşme (self-compacting) oluşturacak mertebede yüksek ve segregasyona yol açmayacak mükemmelliktedir. SA’ları üç ana grupta toplayabiliriz: Modifiye linyosülfonatlar, sodyum naftalen (veya melamin) sülfonat-formaldehit polikondanseleri (NSF veya MSF) ve karboksilat (veya hidroksi karboksilat) tuzları (HP). Bu üçüncü grup genellikle poliakrilat ana polimer zincirine aşılanmış polieter yan bağları içeren (tarak gibi) polimerik bir katkıdır. HP’ler birinci ve ikinci gruptaki katkılardan daha sonra üretilmeye başladılar. Bunlara daha üstün nitelikler göstermelerinden ötürü (daha az miktarla daha yüksek su azaltma ve akışkanlık sağlama) hiperakışkanlar veya yeni nesil SA’lar adları piyasada verilmektedir [17].
Süper Akışkanlaştırıcı katkıların (SA) en önemli niteliği uzun makromoleküllerinin çimento taneleri üzerinde adsorplanması ve bunun sonunda taneleri dağıtmaları (dispersion), böylece daha kapsamlı bir hidratasyona olanak sağlamaları, ayrıca sıvı ortamdaki viskoziteyi ve kayma eşiğini düşürerek yerleşmeyi kolaylaştırmalarıdır.
Birinci ve ikinci grup SA’larda çimento tane yüzeylerinin aynı negatif işaretli elektriksel şarjla yüklenmeleri nedeniyle, tanelerin birbirlerini elektriksel itmeleri (electrical repulsion) sonucu sağlanır. HP’lerde ise moleküllerin büyüklüğü ve steokiometrik yapısı sonucu oluşan sterik engel dispersionun gerçekleşmesinde daha etkin olur. Genellikle piyasadaki HP’ler salt karboksilatlar değildir, içlerine bir miktar NSF veya MSF’de katılmıştır [18].
SA’ların yeterliliğinin sadece işlenebilme alanında denetlenmesi elbette yetersizdir. Bunun dışında hidratasyon, sertleşme, dayanım kazanma süreçlerinin de incelenmeleri doğal olarak zorunludur. Zira SA’lar arayer sıvısının birleşimini, hidratasyon ürünlerinin mikro yapılarını ve morfolojilerini de etkilerler. Bu değişimlerde çimento bileşimi ve alkali içeriği önemli yer tutarlar.
2.3. Türkiye’de Kullanılan Normal, Süper ve Hiper Akışkanlaştırıcılar
Ülkemizde bu tür katkıları üreten veya yurt dışından ithal ederek piyasaya süren firma sayısı gittikçe artmaktadır. Bunların piyasaya sundukları akışkanlaştırıcı katkılar aşağıdaki başlıklarda toplanabilir.
• Normal akışkanlaştırıcılar (priz geciktiricili veya hızlandırıcılı),
• Uygulamada Orta (Mid-range) akışkanlaştırıcılar olarak adlandırılanlar,
• Süper akışkanlaştırıcılar (ayrıca priz geciktiricili),
• Yeni jenerasyon süper (hiper) akışkanlaştırıcılar (işlenebililirliğini erken kaybeden veya işlenebilirliğini uzun süre koruyan).
Son yıllarda İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi Yapı Malzemesi Laboratuvarı’nda bu tür katkıların ilgili standarda [11] uygunluğunun araştırılması için başvuran ve katkılarındaki bileşim değişikliklerindeki performansı kontrol etmek için ikinci ve üçüncü defa gelen firmaların toplam sayısı 10’dur. Bu firmalar ait denenmesi istenen, önceki yıllardan sonra tekrar kontrol ettirilen katkı sayısı 17 adettir. 2002 yılından sonra EN 934-2 [12] standartı esaslarına göre deney yaptıran firmaların sayısı 6 dır. Denenmesi istenen akışkanlaştırıcı katkı sayısı ise 36’dır. Denenen katkıların kimyasal esasları normal akışkanlaştırıcılar için Lignosülfonat esaslı, süper akışkanlaştırıcılar için Naftalin formaldehid sülfonat ve Melamin formaldehid esaslıdır. Bunların dışında yeni jenerasyon katkı türleri standart esaslarına göre değil, araştırmalarda istenen amaçlara göre denenmesi istenmiştir. Normal akışkanlaştırıcılar çimento ağırlığının %0.2 ile %0.5 arasında, süper akışkanlaştırıcılar ise çimento ağırlığının %0.7 ~ %2.0’si arasında kullanılarak denenmişlerdir. Son zamanlarda, standartlarda rastlanmayan ancak Ülkemizde “orta akışkanlaştırıcı” olarak adlandırılan akışkanlaştırıcı katkılar yaygın şekilde kullanılmaya başlanmıştır. Bu katkılar çoğunlukla çimento ağırlığının % 0.5 ~ % 0.8’i arasında kullanılarak ve genelde normal akışkanlaştırıcı katkılardan istenen şartlara göre denenmişlerdir.
2.4. Akışkanlaştırıcı Katkı Maddelerinde Aranan Şartlar
Katkı maddelerinden betonda kullanılması durumunda, eşit beton kıvamında, istenen şartlar aşağıdaki Tablo 1’de görülmektedir [11,12]. Bu katkılarla ilgili değişikliğe uğramış standart noları ise Tablo 2’de verilmiştir.
3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR
3.1. Beton Bileşimleri
Yapılan deneysel çalışmalarda kontrol serisi ve katkılı deney serileri için üretilen karışımlarda, çimento ve agrega miktarları ilgili standartların öngördüğü gibi alınmıştır [11,12]. Katkısız ve katkılı betonlardaki su miktarları aynı kıvamı verecek şekilde ayarlanmıştır. Bütün karışımlarda kullanılan malzeme miktarları ve taze beton özellikleri aşağıdaki Tablo 3’de verilmiştir.
3.2. Deney Sonuçları
3.2.1 Azaltma İle İlgili Deney Sonuçları
Çalışmada ASTM standartına uygun olarak 8 adet firmanın 8 adet normal akışkanlaştırıcısı, 7 adet süper akışkanlaştırıcısı denenmiştir. Denemeler sonucunda bir firmanın katkısı % 0.2 kullanımda diğer bir firmanın katkısı da % 0.3 kullanımda sırasıyla, % 3 ve % 4 su azaltarak standartın isteğini sağlamamış, onun dışında % 0.2 ile % 0.5 oranları arasında kullanılan 6 adet firmanın normal akışkanlaştırıcıları % 8 ile % 10 arasında su azaltarak standart’ın isteğini sağlamışlardır. Denenen 7 süper akışkanlaştırıcının sadece bir tanesi % 1 kullanımda % 9 su azaltmasına rağmen, diğerleri % 0.7 ile % 1.5 kullanımda, % 15 ile % 21 mertebesinde su azaltması yaparak standartın isteğini sağlamışlardır.
EN standartına uygun olarak 6 adet firmanın 18 adet orta akışkanlaştırıcısı, 19 adet süper akışkanlaştırıcısı denenmiştir. % 0.5 ile % 0.8 oranları arasında kullanılan 6 adet firmanın 18 orta akışkanlaştırıcısının hepsi % 9 ile % 16 arasında su azaltarak standartın isteğini sağlamışlardır. Denenen tüm 19 süper akışkanlaştırıcı % 1.0 ile % 1.5 kullanımda, % 12 ile % 23 mertebesinde su azaltması yaparak standartın isteğini sağlamışlardır.
3.2.2. Priz Süresi İle İlgili Deney Sonuçları
Normal ve süper akışkanlaştırıcıların priz sürelerine etkileri yalnızca çimento üzerinde TS24’e göre araştırılmıştır [20]. Yapılan deneyler sonucunda denen katkıların hiçbiri priz süreleri yönünden olumsuz sonuç vermemiştir.
3.2.3. Hava Miktarı İle İlgili Deney Sonuçları
Çalışmada 8 adet firmanın 10 adet normal akışkanlaştırıcısı, 7 adet süper akışkanlaştırıcısı beton üretimin de kullanılmıştır. Denemeler sonucunda hiç bir firmanın normal ve süper akışkanlaştırıcı katkısı % 3 olan maksimum hava sürükleme miktarını geçmemiştir. EN standartına uygun olarak 6 adet firmanın 18 adet orta akışkanlaştırıcısı, 19 adet süper akışkanlaştırıcısı beton üretiminde kullanılmıştır. Denemeler sonucunda hiç bir firmanın normal ve süper akışkanlaştırıcı katkısı kontrol karışımının hava miktarından % 2’den fazla hava sürüklemesi yapmamıştır.
3.2.4. Basınç Mukavemeti İle İlgili Deney Sonuçları
Çalışmada ASTM standartına uygun olarak 6 adet firmanın 8 adet normal akışkanlaştırıcısı, 8 adet firmanın 9 adet süper akışkanlaştırıcısı denenmiştir. Denemeler sonucunda bir firmanın normal akışkanlaştırıcı katkısı ve diğer iki ayrı firmanın süper akışkanlaştırıcıları mukavemet yönünden istenen şartları sağlamamış, onu dışındaki diğer 7 normal akışkanlaştırıcı katkı ve 7 adet süper akışkanlaştırıcı istenen şartları sağlamıştır.
Çalışmada EN standartına uygun olarak 5 adet firmanın 18 adet orta akışkanlaştırıcısı, 5 adet firmanın 8 adet süper akışkanlaştırıcısı denenmiştir. Denemeler sonucunda normal akışkanlaştırıcı ve süper akışkanlaştırıcı amaçlı bütün katkılar mukavemet yönünden istenen şartları sağlamıştır.
4. SONUÇLAR
Yukarıda yapılan incelemelerin ışığı altında bu çalışmadan elde edilen belli başlı sonuçlar aşağıda sıralanmıştır.
1. Beton katkısı üreten firmaların çoğalması ülkemizde katkı kullanımının yaygınlaştığının bir göstergesidir. En dikkat çekici olanı standartlarda olmayan orta akışkanlaştırıcı katkı kullanımının artışıdır.
2. ASTM C494’e göre denenen 8 adet normal akışkanlaştırıcı katkıdan 2’si, 7 süper akışkanlaştırıcı katkıdan biri karma suyunda yeterli azaltmayı yapamamıştır. TS EN 934-2’ye göre bütün orta ve süper akışkanlaştırıcı katkılar karışım suyunda yeterli azaltmayı yapmıştır.
3. Katkılar priz süresi açısından olumsuzluk göstermemektedir.
4. ASTM standartı esaslarına göre üretilen betonlarda denenen katkıların hiçbirinde %3’ü aşan hava miktarı bulunmamıştır. EN standartına göre denenen katkıların hiçbiri kontrol karışımına göre izin verilen maksimum % 2 hava miktarı farkını geçmemiştir.
5. ASTM standartına uygun olarak 6 adet firmanın 8 adet normal akışkanlaştırıcısı, 8 adet firmanın 9 adet süper akışkanlaştırıcısı denenmiş bunlardan bir adet normal ve iki adet süper akışkanlaştırıcı mukavemet yönünden istenen şartı yerine getirmemiştir. TS EN’ye göre mukavemet açısından olumsuzluklar çıkmamıştır.
6. Çalışmamızda; gerek Türkiye’de üretilen, gerek ithal edilerek kullanılan katkıların çoğunluğunun bu katkılardan istenen nitelikleri genelde sağladığı ortaya çıkmıştır.
KAYNAKLAR
:
[1] Akman M.S., (1996). Application of Chemical Admixtures on Concrete, 4th National Concrete Congress, October 30th – November 1st, İstanbul, p. 1-11.
[2] Pailerre A.M., and Ben Basat M., and Akman M.S., (1992) Guide for Admixtures in Concrete.
[3] UYAN, M., ÖZKUL, H., “Concrete Admixtures and Status in Turkey”, Akdeniz University Isparta Fac. of Eng. , IIIrd Engineering Week Statements, 1985.
[4] ACI COMMITTEE 212, “Chemical Admixtures for Concrete”, ACI Materials Journal, May- June, p.297, 1987.
[5] NEVILLE, A.M., BROOKS, J.J., “Concrete Technology”, Longman Scientific and Techni- cal, p.155, 1987.
[6] UYAN, M., YILDIRIM, H., “Effectiveness of Super Plasticizer Concrete Admixtures in High Strength Concrete Production”, TMMOB Chamber of Civil Engineers, 2nd National Concrete Congresss, High Strength Concrete, May 27-30, 1991.
[7] MALHOTRA, V.M., “Superplasticizers: Their Effect of Fresh and Hardened Concrete”, ACI Concrete International, May 1981, p.66.
[8] MITSUI, K., KASAMI, H., “Properties of High-Strength Concrete with Silica Fume Using High-Range Water Reducer of Slump Retaining Type”, ACI Sp. Publication SP-119, p.79.
[9] RILEM COMMITTEE 11A, “Concrete Admixtures (Final Report)”, RILEM, No.48,p.451, 1975.
[10] ACI COMMITTEE 212, “Chemical Admixtures for Concrete”, ACI 212.3R-04.
[11] ASTM C 494-82 “Standard Specification for Chemical Admixtures for Concrete”.
[12] TS EN 934-2 “Chemical Admixtures- For Concrete, Mortar and Grout – Section 2:Conc- rete Admixtures-Prescriptions and Properties, Conformity, Marking and Labeling”, 2002
[13] Uyan M., Yıldırım H., Süvari Y., (1996) Effectiveness of Plasticizer Admixtures, 4th Na- tional Concrete Congress, October 30th – November 1st, İstanbul, p. 13-23.
[14] Dodson V. H., (1990). Concrete Admixtures, Structural Engineering, USA.
[15] Ramachandran V.S., (1995). Concrete Admixtures Handbook, Noyes Publications, New Jersey.
[16] Altun, B., “Effect of Normal Plasticizer Admixtures on Durability of Concrete”,İ.T.Ü. Institute of Sciences, Postgraduate Thesis, June 2001.
[17] Yıldırım, H., Akman, M., S., Pekmezci, B., Y.,” Effect of Cement Free Alkali Content on High Performance Concrete Qualities ” İNTAG 649:TÜBİTAK, 2003.
[18] Akman, M.S., 2000, “Effect of Admixtures on Fresh Phase Properties of High Performance Concretes”, SİKA Technical Bulletin, Volume 2000/1, p.4-7, Volume 2000/2, p.4-7.
[19] UYAN, M., “Impact of Admixture Usage Together with Heat Treatment Application on Concrete Properties”, Associate Professor Thesis, Faculty of Civil Engineering, March, 1982.
[20] TS 24, Physical and Mechanical Test Methods of Cements, 1985.