Beton nedir ve betonun donmasında gerçekleşen kimyasal reaksiyonları araştırınız

BETON NEDİR

Beton,suni bir taş olarak,yapılarımızın ayakta durmasını sağlayan en önemli ve en yaygın yapı malzemesidir.

BETON NELERDEN OLUŞUR?

Beton oluşturmak üzere yanyana gelmesi gereken 4 ana madde vardır:

*Çimento,

*Agrega (kum,çakıl,kırmataş)

*Su

*Katkı (Kimyasal ve Mineral)

Çimento ile su arasında meydana gelen kimyasal işlemler sonucunda, ayrı halde bulunan agrega taneleri birbirine yapışarak betonu oluşturur.

Bu 4 ana bileşenden biri olan ‘Kimyasal Katkı Maddeleri’ de  çok yaygın olarak kullanılmaktadır.Daha az olmakla birlikte betona  ‘Minera Katkı’adı verilen başka maddeler de katılabilir.

ÇİMENTO NEDİR?

Çimento,ilkel maddeleri kalker ve kil olan mineral parçalarını (Kum,Çakıl,Tuğla,Biriket...vs.) yapıştırmada kullanılan bir malzemedir. Çimentonun bu yapıştırma özelliğini yerine getirebilmesi için mutlaka suya ihtiyaç vardır.Çimento birçok beton karışımında hacimce en küçük yeri işgal eden bileşendir;ancak beton bileşenleri içinde en önemlisidir.

AGREGA NEDİR?

Beton üretiminde kullanılan kum,çakıl,kırmataş gibi malzemelerin genel adı agrega’dır.Beton içinde hacimsel olarak %60-75 civarında yer işgal eden agrega önemli bir bileşendir.

Agregalar;ince (kum,kırma kum..gibi) ve kaba (çakıl,kırmataş...gibi) olarak ikiye ayrılır.Agregalarda aranan en önemli özellikler şunlardır:

*Sert dayanıklı ve boşluksuz olmaları,

*Zayıf taneler içermemeleri (Deniz kabuğu,odun,kömür parçası..vb..)

*Basınca ve aşınmaya mukavemetli olmaları

*Toz,toprak ve betona zarar verebilecek maddeler içermemeleri

*Yassı ve uzun taneler içermemeleri

*Alkali reaksiyonu göstermemeleri

-Beton agregalarında elek analizi,yassılık,özgül ağırlık ve su emme gibi deneyler uygun aralıklarla yapılarak kalite sürekliliği takip edilmelidir.

Çimentolar

Çimento olarak uzun zaman birçok bağlayıcı madde tanımlanmıştır.Bugün ise çimento olarak havada ve suda  sertleşebilen ve sertleşmeden sonra suya dayanıklı,esas itibariyle kireç,silis,kil ve demir oksit bileşiklerinden müteşekkil hidrolik bağlayıcılar tanımlanmaktadır.Bu maddelerin sağlamlıkları ve hacim değişmeleri standartlarla tespit edilmiştir.Yukarıda da bahsedildiği gibi hidrolik diye su ile katılaştıktan  sonra,havada ve suda sertleşebilenve suda çözünmeyen bir bağlama meydana getiren bağlayıcılar tanımlanır.

Çimentonun bağlayıcı özelliği veya harcın dolayısıylabetonun sağlamlığı,kireç ve kil oranına olduğu kadar ,pişirme sıcaklığına  da bağlıdır.Çimento,%76 ile %78’i kalsiyum karbonat CaCO₃ ve geri kalanı kilden  oluşur.Çimentonun ilkel maddesi  olan kalker taşı çimentonun %65’ini teşkil eden CaO’i, kil ise çimetonun diğer bileşikleri olan SiO_{2 ,}Al₂O₃ ve Fe₂O₃’in meydana gelmesini sağlar.

Çimentoları bağlama sürelerine veya cinslerine göre sınıflandırmak mümkündür.Bağlama süresi soğuk ortamda uzar,sıcaklıkta kısalır.Ayrıca bazı kimyasal katkılarla da ,bağlama süresine tesir edilebilir.Örneğin alkaliler ve soda kısaltıcı olarak sodyum klorür NaCl,magnezyum klorür MgCl₂,baryum klorür BaCl₂ ve baryum sülfat BaSO₄ bileşikleri ise uzatıcı olarak tesir ederler.Az pişirilmiş Klinker’den imal edilen kaba öğütülmüş ve fazla silis SiO₂ içeren çimentolar yavaş bağlarlar.

3CaO.SiO₂            Alit (Trikalsyum monosilikat)

2CaO.SiO₂            Belit (Dikalsiyum monosilikat)

CaO.SiO₂              Felit (Kalsiyum monosilikat)

4CaO.Al₂O₃.Fe₂O_{3      Celit (Tetra kalsyum alümino ferrit)}

Çimentonun donması

Çimentonun su ile muamelesinde,bu bileşikler hidroliz ve hidrate olmak suretiyle kütleyi dondururlar.Bu hale çimentonun DONMASI denir.Genellikle 2 ile 3 saat arasında sürer.Katılaşan çimento zamanla katılaşır ve taşlaşır.Yukarıda bahsedilen bu hidroliz ve hidradlaşma olayının kimyasal reaksiyon denklemleri aşağıdaki şekilde ifade olur.

3 CaO.SiO₂+3H₂O  ------  CaO.SiO₂.H₂O+2Ca(OH)₂

2CaO.SiO₂+2H₂O ------    CaO.SiO₂.H₂O+Ca(OH)₂

4CaO.Al₂O₃.Fe₂O₃+7H₂O   ------   3CaO.Al₂O₃.6H₂O+CaO.Fe₂O₃.H₂O

3CaO.Al₂O₃+6H₂O    -------  3CaO.Al₂O₃.6H₂O

Betonun donması çimento ile ilgilidir.Çimentonun  sertleşmesi,su harcının sertleşmesi olarak değerlendirilmiş olan yeni bir reaksiyon cinsi olup ‘Hidrolik Yer Değiştirme’olarak kabul edilebilir.Bu yer değiştirme,çimento klikerinde yüksek sıcaklıkta teşekkül etmiş olan kaolin asitlerinin kireçce zengin tuzlarının,harç hazırlama suyunun etkisi ile daha ziyade kireçce fakir ve normal sıcaklıkta stabil tuz hidratlarına dönmesi demektir. Buna bir örnek olarak trikalsiyum silikatın hidrolizini verebiliriz.

2(3CaO.SiO2)+6H₂O  ------- 3CaO.2SiO₂.3H₂O+3Ca(OH)₂

Bu suretle husule gelen kalsiyum hidroksit,kaolin asitleri ile kireç-puzzolan harcının donma reaksiyonlarında olduğu gibi kaolin asitlerinin kalsiyum tuzu hidratlarını teşkil eder.

Çimentonun kireçce zengin silikatları normal sıcaklıkta dayanıklı değildir.Bunlar enerjileri daha fakir olan kireçce zayıf tuz hidratlarına dönmek isterler,Ancak çimento klinkeri süratle soğutulduğundan,bu sırada böyle bir dönüşme mümkün olmaz.Normal sıcaklıkta ise klinker içindeki moleküller reaksiyon verecek kadar hareketli değildirler.Su ile temasa gelmeleri halinde (Harç hazırlama suyu veya havanın rutubeti)hidrolik yer değiştirme mümkün olur.Aynı sebepten alüminat  ve ferritler de su etkisi ile hidratlarına dönerler.Bu hidrolik yer değiştirmeyi  basit ve genel bir şema haline şekildeki gibi getirebiliriz:

A-KİREÇCE ZENGİN SİLİKAT+HARÇ HAZIRLAMA SUYU=

1- Kireçce fakir silikat hidratı+Ca(OH)₂

2- Ca(OH)₂+Serbest kaolin asidi=Kireçce fakir tuz hidratı

B-Kireçce zengin alüminat ve ferrit+Harç Hazırlama suyu=Kireçce zengin alüminant hidratı veya ferrit hidratı

Böylece meydana gelen çimento kitlesi fazla miktarda kristallenmiş fakir trikalsiyum-disilikat-hidrat (3CaO.2SiO₂.3H₂O)gibi tuz hidratlarından ve trikalsiyum alüminat hidrat (3CaO.Al₂O₃.6H₂O)ve ferritler ve karışık kristaller ihtiva eder.Aynı zamanda içinde,silikat asidi ve alüminyum oksit jeli gibi amorf kısımlar da bulunur.

İnşaat pratiğinde çimentonun  bağlaması ile bunu takip eden sertleşme birbirinden ayrılır.Sertleşme ısı meydana getiren bir olaydır.Böyle reaksiyonlara Ekzotermik reaksiyonlar denir.Çimentonun reaksiyon ısısı ortalama 100 kcal/kg.’dır.Çimento harcının donması aşağıdaki olaylardan meydana gelir:

a)Çekme:Örneğin bir duvar sıvası zemininin su çekmesi.

b)Hidratasyon:Kimyasal hidrat bileşiklerinin teşekkülü için çimento taneciklerinin su çekmesi.

c)Hidratasyon ile husule gelen jel halindeki yeni bileşiklerin teşekkülü ki böyle bir olay çimento taneciğinin kenarından içine doğru devam eder.Böylece yavaş yavaş bütün harcın jel halinde katılaşması başlamış olur.

d)Jel halindeki kitleden tuz hidratlarının kristallenmesinin ilerlemesi ve sertleşmenin tamamlanması.

3-Hidrolik kirecin donması:Kaolin ihtiva eden kireç taşı yakılacak olursa,yanmış kireç(CaO)

İle birlikte kaolin asitlerinin kalsiyum tuzları da teşekkül eder.Hidrolik kirecin sertleşmesi birbirini takip eden aşağıdaki reaksiyonlara göre meydana gelir:

a)Kirecin havanın etkisi ile karbonatlaşması

b)Kaolin asitlerinin kireçce zengin tuzlarının hidrolik yer değiştirme ile kireçce fakir tuz hidratlarına dönmesi.Hidrolik kirecin yanma sıcaklığı çimentonunkinden düşük olduğundan,kaolin asitlerinin kalsiyum tuzlarının büyük bir kısmı çok az kireç fazlası ihtiva ederler.Bu sebeple de çimento da olduğu gibi bir dirence erişilmez.

c)Anhidrit puzzolanlarda olduğu gibi donma reaksiyonu:Hidrolik sertleşmenin önemli bir kısmı aşağıdaki reaksiyona göre cereyan eder:

          2(2CaO.SiO₂)+4H₂O  ------>3CaO.2SiO₂.3H₂O+Ca(OH)₂

-Bu değişme aylarca süren bir olaydır.

4-Gizli Hidrolik Karakterli Maddelerin Donması:Hidrolik kireçler içinde bağlayıcı karekteri(çimento gibi),yalnız yüksek hidrolik kireç gösterir.Diğerleri hava kireci gibidirler.Bu çeşit hidrolik maddeler,örneğin bazik,granule yüksek fırın curufu,kendilerinde saklı bulunan donma kabiliyetinin ortaya çıkabilmesi için etkiye ihtiyaç gösterirler.Tras gibi hidrolik katkı maddelerine karşılık,bunlar kendilerinden donan maddelerdir.Ancak yanma esnasında teşekkül eden kalsiyum tuzları çok az kalsiyum ihtiva ettiğinden,hidrolik yerdeğiştirmeye meyilleri azdır.Bu sebeple,bir uyarıcı maddenin karıştırılması lüzumludur.Bazik granüle yüksek fırın cürufu gibi gizli hidrolik karakterli maddeler,normal sıcaklıkta stabil kalsiyum tuzlarından çok az farklı kireç fazlası ihtiva eden kalsiyum silikat  ve alüminantdan müteşekkildirler.Donma reaksiyonlarını,kalsiyum silikat üzerinden basit olarak aşağıdaki şekilde gösterebiliriz.

2(2CaO.SiO₂)+4H₂O+Uyarıcı>3CaO.2SiO₂.3H₂O+Ca(OH)₂

Serbest hale geçen kalsiyum hidroksit,kaolin asitleri ile bunların kalsiyum tuzlarının hidratlarını meydana getirir.Aynı şekilde alüminant ve ferritler de portland çimentosunda olduğu gibi,hidrolik değişmeye uğrarlar.Gizli hidrolik karakterli maddelerin uyarılması aşağıdaki şekilde mümkün olur.

a)Portland Çimentosu veya Ca(OH)₂ gibi alkali ile uyarma:Demirli portland ve yüksek fırın çimentosu,portland çimentosu ile uyarılır.

b)Jips gibi sülfat ile uyarma:Bazik kaolini yüksek fırın cürufu,jips ile aynı zamanda portland çimentosu ile uyarılır.

5-Çok alüminli çimentonun donması::Bu çimento da hidrolik yer değiştirme ile sertleşir.Temel bileşimi mono-kalsiyum alüminant’tır.CaO.Al₂O₃.Hidrolik yer değiştirme portland çimentosunda verildiği gibi olur.Yalnız çok daha şiddetli ve oldukça fazla reaksiyon ısısı vererek cereyan eder.(En fazla 3CaO.Al₂O₃.6H₂O husule gelir.)

6-Barit Çimentosunun Donması:Barit çimentosu,içindeki kalsiyum katiyonunun baryum ile yer değiştirmesinden meydana gelmiş bir portland çimentosu olarak kabul edilir.Yüksek özgül ağırlığından dolayı nükleer reaktör betonunda önem kazanmıştır.Bu tip çimentonun donması da portland çimentosunda olduğu gibidir.

Betonun donmasını geciktiren tepkimeler

a)Karbonik Asidin Zararlı Etkisi:Serbest  karbonik aside,tatlı sularda,yağmur suyunda ,baraj ve kaynak sularında rastlanır.Zararlı etkisi,bağlayıcı maddenin kitleden eritilip uzaklaştırılmasına dayanır ve sadece Ca ve Mg karbonatı değil,aynı zamanda diğer kireç tuzlarını da etkiler.Bilhassa Ca-silikatı çok etkiler.

           CaCO₃+CO₂+H₂O         > Ca(HCO₃)₂

Pratik olarak suda erimeyen CaCO₃ karbonik asidin etkisi ile suda fazla miktarda eriyen kalsiyum bikarbonata döner ve suyun etkisi ile kütleden uzaklaşır.Bu kalsiyum bikarbonat eriyiği yapı kütlesinin dış yüzeyine çıkınca evvelki eritme olayı tersine döner,yani suyun uçması ile kalsiyum bikarbonat ,karbonik asit vererek (H₂O+CO₂)pratik olarak suda erimeyen kalsiyum karbonatı oluşturur.

Ca(HCO₃)₂           >CaCO₃+CO₂+H₂O

Bu da yapı kitlesi yüzeyinde ‘beyaz sakal’adı verilen  amorf kireç tabakasını teşkil eder.

b)Serbest Sülfirik Asit ve Sülfatlar:Burada zararlı etkiyi yapan sülfat iyonudur.Zarar verme ya bağlayıcı maddenin suda eriyen reaksiyon ürünleri ile sürüklenip uzaklaşması veya reaksiyon ürünlerinin kristallenmesi sonucu çatlama şeklinde olur.Sonuncu duruma Sülfat Şişmesi adı verilir.Sülfat iyonu tarafından meydana getirilen bazı zararlı reaksiyonlar şu şekilde olur:

           CaCO₃+H₂SO₄  > CaSO₄+CO₂+H₂O

         Ca(OH)₂₊Na₂SO₄         > CaSO₄+2NaOH

         Ca(HCO₃)₂+Na₂SO₄     >    CaSO₄+2NaHCO₃

Şayet teşekkül eden CaSO₄, iki molekül su bağlayarak kristallenecek olursa,alçı teşekkülü ile hacim büyümesi meydana gelir:

           CaSO₄+2H₂O----->CaSO₄.2H₂O

Harç veya beton içinde trikalsiyum alüminant da bulunacak olursa,kalsiyum sülfat bununla reaksiyona girerek Çimento Basili teşekkül eder.

           3CaO.Al₂O₃+3CaSO₄+32H₂O------->3CaO.Al₂O₃.3CaSO₄.32H₂O

Görüldüğü gibi bu bileşiğin kimyasal olarak sağladığı büyük su miktarı hacim büyümesini çok fazlalaştırır ve bu sebeple de çatlama büyük olur.Yukardaki reaksiyonlar betonun içerdiği maddelerin bir araya gelmesine ters etki eder.Bu tepkimeler ile betonun donma süresi artar ve betonun sağlamlığı azalmış olur.