Çimentonun alçı ve 'etrenjit'e (betonda yer alan c3a karma oksitinin erken priz yapmasını engellemek amacıyla, çimentoya konulan az miktarda alçı taşının yine c3a içinde bulunan aluminatların üzerinde oluşturduğu iğne şeklindeki kristaller) dönüşmesini sağlayan etkidir.
Sülfat etkisi nedir?
Doğada bulunan sülfat iyonları betona nüfuz ederek burada çimentonun hidratasyonuyla elde edilen kalsiyum hidroksit (CH) ve kalsiyum aluminat hidratlarla (C-A-H) reaksiyona girerek, sırasıyla alçı ve etrenjit adı verilen ürünler oluştururlar. Bu ürünlerin her ikisi de betonda genleşmelere ve dolayısıyla çatlama ve bozulmalara yol açarlar. Sülfat etkisinin azaltılması için iki önlem türü bulunur. Bunlardan birincisi, çimentodaki C3A miktarının azaltılması, ikincisi ise çimento hidratasyonu sonucunda oluşan kalsiyum hidroksitin çeşitli mineral katkılar içeren çimentolar kullanılarak azaltılmasıdır.
Sülfat etkileri ve traslar hakkında genel bilgiler nelerdir?
Portland Çimentoları ve Sülfat İyonları Arasındaki Reaksiyonlar: Sülfatlar genellikle sodyum, potasyum, kalsiyuım veya magnezyum tuzu olarak toprakta ,yeraltı suyunda, atık sularda, deniz suyunda, yağmur suyunda , kirli havada ve beton agregalarında bulunurlar.
Bunun dışında düşük seviyeli nükleer atıklar da (Low level nuclear waste) sülfat içermekte olup, içerisinde saklandıkları betonarme yeraltı depolarını sülfat korozyonuna uğratabilmektedir.
Sülfatın betona etkisi, hidrate Portland çimentosu ile sülfat iyonları arsında meydana ge- len kimyasal reaksiyonlar yoluyla olur. Bu etki genelde iki ayrı şekilde meydana gelir:
1.Genişleme,
2.Mukavemetin zaman içinde giderek düşmesi ve bu olayla birlikte kütle azalması.
Sülfatlarla, çimento arasındaki önemli bir etkenin de sülfatın katyonunun cinsinden kaynaklandığı unutulmamalıdır.
Öte yandan beton genişleyince çatlamaya başlar.Bu çatlamalar sonucunda betonun geçirgenliği çoğalır ve böylece agresif suyun içeriye girişi daha kolaylaşmış olur.
Sülfat etkisi olayında, C 3 A ve alçitaşının hidratasyonu sırasında ortaya çıkan çözünebilir sülfatlar ve kalsiyumhidroksidin dış ortamdan gelen sülfatlarla birleşmesi sözkonusudur.
Çimentonun hidratasyonu sırasında C 3 A ( 3CaO-Al 2 O 3 ) oranı %5’ten fazla olan Portland çimentolarında bu
Sülfoaluminatların çoğu Monosülfoaluminat (C 3 A.CS.H 18 ) olarak meydana gelir.Eğer C3A oranı %8’den fazla ise hidratasyon ürünleri ayrıca C 3 A.CS.H 18 içereceklerdir.Çimento hamurunda CH ( Ca(OH) 2 ,kireç ) bulunması halinde bu hamur,sülfat iyonları ile karşılaşırsa, alüminat içeren her iki hidrat, etrenjite (C 3 A.CS.H 32 ) dönüşür.Aşağıda bu kimyasal reaksiyonlar gösterilmiştir.
C 3 A.CS.H 18 + 2CH + 2S + 12H C 3 A.CS.H 32 ………(1)
C 3 A.CH.H 18 + 2CH + 3S + 11H C 3 A.CS.H 32 ………(2)
( C : CaO , A : Al 2 O 3 , S : SO 4 , H : H 2 O )
Burada C 3 A oranı ve çimentonu inceliği de önem kazanmaktadır. Çimentoda C 3 A oranı %10’dan büyük ve SO 3 miktarı yüksek ise, çimentonun incelik faktörü diğer faktörlerin üzerinde bir önem kazanır. Buradan, çimento ne kadar az SO 3 içeriyorsa ve çok ince değilse, sülfata karşı o kadar dayanıklıdır sonucu çıkarılabilir.
Mehta; sülfatlarla ilgili olarak oluşan genişlemelere etrenjitin neden olduğuna ait bir fikir birliği olmakla birlikte, etrenjit formasyonunun genişlemeye sebep olma şekillerinde tam bir anlaşma yoktur, demektedir. Çoğu araştırmacılar genişlemeye sebep olan faktörleri genellikle iki farklı nedene dayandırmaktadırlar:
1. Etrenjit kristallerinin büyümesi ile ortaya çıkan basınç,
2. Nispeten az kristalize olmuş etrenjit tarafıdan alkalin ortamda suyun adsorbe edilmesi ve bunun sonucunda meydana gelen şişme.
Bunlara ek olarak katyon değişim reaksiyonlarından doğan alçı oluşumu da nispeten düşük düzeyde genişlemelere neden olur.MEHTA’nın kimyasal reaksiyonlar ile ilgili yaptığı gözlemlere göre sertleşmiş çimento hamurunun alçı tarafından hasara uğratılması, sertliğin ve mukavemetin azalması ve bunları genişlemenin ve kırılmanın izlemesi şeklinde olmaktadır.
Sülfatların sertleşmiş çimento hamuru içerisine yaptıkları difüzyonun oranı, hamurun difüzyon karakteristiklerine ve sülfat iyonlarının konsantrasyonuna bağlıdır. Hamurun difüzyon karakteristikleri onun fiziksel ve kimyasal yapısına bağlıdır. Gözenek boyutu olarak açıklanabilen fiziksel yapı bir takım permeabilite testleri ile karakterize edilebilir. Fakat ölçülen permeabilite değerleri ile gözenek boyutları arasındaki ilişki tartışılabilir bir olaydır. Kimyasal yapı ise doygun ve düzensiz gözenekler arasındaki difüzyon olayında önemlidir.
Sülfat katyonlarının, sülfat korozyonundaki etkileri nelerdir?
Sülfat eriyiklerinde CaSO 4 dışında çoğunlukla mevcut olan iki katyonu ( Na ve Mg ) ele alalım, ve bunların kireç ve silikatlarla olan reaksiyonlarını izleyelim:
NaSO 4 + Ca(OH) 2 + 2H 2 O CaSO 4 .2H 2 O + 2NaOH………(3)
MgSO 4 + Ca(OH) 2 + 2H 2 O CaSO 4 .2H 2 O + Mg(OH) 2 …….(4)
3MgSO 4 +3CaO.2SiO 2. 3H 2 O + 8H 2 O 3(CaSO4.2H 2 O) + 3Mg(OH) 2 +
+2SiO 2 .H 2 O……….(5)
Yukarıda gösterilen iyon değiştirme reaksiyonlarında, reaksiyon ürünü olarak alçıtaşı (CaSO 4 .2H 2 O) çıkmakta. Hacim genişlemesi ile meydana gelen alçıtaşı sülfat etkimesi-nin birinci aşamasıdır; alçıtaşı sonradan daha büyük bir hacim genleşmesine yol açan etrenjite dönüşebilir.Alçıtaşının su içerisinde nispeten çözülebilir karaktere sahip olması ve sağlam yapılı silikatların dahi MgSO 4 durumunda çözünür bir maddeye dönüşmeleri ve çimentonun esas taşıyıcı ögelerinin bozulması hasarın nedenleridir.
Öte yandan MgSO 4 ile CSH arasındaki reaksiyondan meydana çıkan Mg(OH) 2 beton yü- zeyini ve gözenekleri erimeyen bir jel meydana getirerek tıkar ve zararlı sülfat sularının beton içerisine nüfuzunu önlemek suretiyle etrenjit oluşumunu önler.Fakat uzun vadede Mg(OH) 2 (Diğer adıyla brüsit) reksiyonunun ortaya çıkardığı 2SiO 2. H 2 O (silis jeli) ile birleşerek magnezyum silikata dönüşür.Magnezyum silikat ise, kalsiyum silikatın aksine bağlıyıcı nitelikten yoksundur.
(4)Reaksiyonunda da görülebileceği gibi MgSO 4, kireçle reaksiyona girerek alçıtaşı oluş- turmaktadır.Ancak kirecin az olduğu ortamlarda MgSO 4 kireç yerine direkt olarak sili-katlarla reaksiyona girebilecek ve esas yapıyı bozmak suretiyle betona zarar verecektir. Örneğin, puzolanlı çimentolarda, puzolan kireci bağladığından dolayı, kendiliğinden ki- reç fakiri bir ortam doğar.Bu da MgSO 4 ’ün silikatlarla reaksiyona girmesine sebep ola -cağından, MgSO 4 ’ün silikatlarla reaksiyona girmesine sebep olacağından, MgSO 4 ’ün varolduğu ortamlarda puzolanlı çimentonun kullanılması kaçınılması gereken bir husus kabul edilmelidir.
Buna karşılık (3) reaksiyonunda gösterilen Na 2 SO 4 etkisi, MgSO 4 ’e oranla salt etrenjitli sülfat etkisi yönünden daha zararlıdır.Burada oluşan NaOH suda çözülebilen bir bileşik- tir.Erimeyen Mg(OH) 2 jeli gibi betonu tıkamaz ve geçirimliliği azaltarak bir koruma sağlamaz.
Madej, yaptığı çalışmalarda Normal Portland Çimentosundan imal edilmiş harç numu-nelerinin, sülfat etkisine bırakıldıkları zaman temel özelliklerinde önemli değişiklikler meydan geldiği gözlemlemiştir.Bunlar ağırlık artışı, genişleme, elastisite modülünde ve basınç mukavemetlerinde ki büyük değişimlerdir.Ayrıca numunelerdeki gözeneklerin alçı kristalleri tarafından doldurulmuş oldukları da Madej’in gözlemlediği diğer bir konudur.
Madej, yaptığı deneyler sonucunda sülfat çözeltilerinin etki derecelerini aşağıdaki sıraya sokmuştur.
Sodyum Sülfat < Magnezyum Sülfat < < Ammonium Sülfat
Madej ayrıca sülfat korozyonu olayında, kullanılan çimentonun cinsinin ve reaksiyona girilen sülfat katyonunun ( Na, Mg , NH 4 ) önemli iki ögeyi teşkil ettiğini bildirmektedir.
Sülfat korozyonu nedir?
Rus bilimadamı V. M. Moskvin “ Hidrolik Yapılardaki Korozyon” konulu araştırmasında korozyonu 3 tipe ayırmıştır :
1. Tip: Düşük sertlikteki suyun hareketiyle yapının yüzeyindeki çimento fazının çözülüp yıkanmasıyla oluşan korozyon.
2. Tip: Bir takım kimyasal maddelere sahip suyun, betonun içerisindeki çimento fazının bazı ana maddeleri ile reaksiyona girerek bunları eritmesi.
3. Tip: Düşük çözünebilirliğe sahip tuzların betonun gözeneklerinden ve kapilar boşluklarından girerek oluşturdukları genişleme sonucundaki korozyon.
Biczok, özellikle sudaki sülfatlı tuzlardan korozyonda suyun durağan veya hareketli olmasının önemini vurgulamıştır. Durgun suda suyun içinde çözülmüş olarak bulunan tuzlar, betonun yüzeyi ile reaksiyona girerler.Örneğin bu şekilde suyun içindeki sodyum sülfat, çimentonun kalsiyumhidroksidi ile reaksiyona girer. Bu reksiyonun, beraberinde alçıtaşı oluşumunu getirdiğini daha önce belirtmiştik. Ortaya çıkan bu alçı, betonun gözeneklerini belirli ölçüde tıkar ve sonuçta agresif suya karşı, beton yüzeyinde bir koruyucu tabaka oluşturur.Buna benzer şekilde beton yüzeyindeki karbonatlaşma da aynı etkiyi yapmaktadır.Bu doğal koruma, suyun harekete geçmesine kadar devam eder. Harekete geçen su ise, oluşmuş olan tabakayı yıkamak suretiyle inceltir ve agresif suyun içeriye sızmasını mümkün kılar.
Portland Çimentosuna karşı en çok tehlike arz eden bileşimler arasında ammonium sülfat, kalsiyum sülfat, magnezyum sülfat ve sodyum sülfat sayılabilir. Daha az tehlike arz edenler ise potasyum sülfat ve aluminyum sülfat sayılabilir. Barium sülfat ve kurşun sülfat suda çözülmediklerinden dolayı beton için bir tehlike arz etmezler.
Ammonium sülfat, diğerlerine kıyasla betona daha değişik bir etki yapar.Sudaki bakterilerle reaksiyona giren ammonium sülfattan sülfirik asit ve nitrik asit oluşur.Bu şekilde artık bir sülfat etkisinden çok bir asit etkisi sözkonusudur.Bundan dolayı ammonium sülfata dayanıklı beton yoktur. Ammonium sülfata dayanıklı beton yoktur.