Betonun Dayanım ve Durabiliteye Göre Tasarımı

Prof. Dr. Mehmet Ali TAŞDEMİR

İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi

 Özet

İnşaat Mühendisliğinde taşıyıcı malzeme olarak yaygın biçimde kullanılan betonun performansı üzerine genel bir değerlendirme yapılmakta, özellikle Marmara depremleri sonrası beton ile ilgili karşılaşılan bazı sorunlara yer verilmektedir. Ayrıca, sık sık karşılaşılan taze beton çatlakları özetlenmekte ve betonda kalite denetimi üzerinde durulmaktadır.

 

1. Giriş

Üzerinden iki yılı aşkın süre geçen Marmara Bölgesi'ndeki depremler sonrasında en çok konuşulan bölgenin jeolojik yapısı oldu. Özellikle de bundan sonraki büyük şokun ne zaman gelebileceği üzerine senaryolar üretildi. Ülke insanı konuşulanları ve tartışmaları televizyonlardan ve basından ilgiyle izledi, çoğu insanımız adını ilk kez duyduğu Jeofizik ve Sismoloji konularıyla bilgi edinmeye başladı. Depremler sonrası televizyonlarda gece saat üçlere dörtlere kadar yerbilimcilerinin konuşmaları izlendi. Ancak, göçen yapılardaki hasarların nelerden kaynaklandığı konusunda maalesef çok az bilgi edinildi ve yapılan hatalar konusunda kamuoyu yeteri kadar bilgilendirilemedi. Depremler sonrası yıkılan veya ağır hasar gören yapılarla ilgili bir envantarın çıkarılmamasını kaçırılan bir fırsat olarak değerlendiriyorum. Uzun bir geçmişe sahip olan Yapı Mühendisliği ülkemizde de gelişmiş olmasına, geçmişte ve günümüzde sadece ülkemizde değil ülke sınırları dışında da önemli yapıları başarıyla inşa etmemize karşın Marmara Depreminde yaşananların sorgulanması, gerekli önlemlerin zaman kaybına neden olmadan alınması zorunludur. Gerek nufus yoğunluğunun, gerek sanayinin büyük bir bölümü deprem kuşağında olan Türkiye bu bölgeleri terketmeyeceğine göre bilgi ve bilim ile yaşamayı öğrenmesi, geçmiş depremlerden çıkarılmayan derslerin en azından bu büyük felaketlerden sonra çıkarılması gerekmektedir. Maalesef şimdiye kadar yapılanlar yapılması gerekenleri düşündükçe yetersiz kalındığı anlaşılmaktadır. Bu konuşmamda şimdiye dek izlediklerinizden farklı olarak daha çok önemli bir taşıyıcı malzeme olan betondan, yapılan hatalardan ve betonun sahip olması gereken uzun süreli performansından bahsetmek istiyorum.

 2. Bir yapıdan beklenenler

Bir yapıdan beklenen; dayanım, dürabilite (dayanıklılık), ekonomi, fonkiyon ve estetiğin sağlanmasıdır. Yapıyla ilgili mimar ve mühendisler bu unsurları birleştirmek durumundadır. Bir yapı üretilirken şu aşamalardan geçmelidir:

Yapı tasarımı: i) Yer seçimi, ii) Zemin etüdü, iii) Sistem seçimi, iv) Projelendirme, ve

v) Projenin detaylandırılması.

Malzeme seçimi ve malzemenin denetimi: i) Kullanılan malzemelerin davranışı, ii) Seçilen malzemelerin amaca uygun olup olmadığı iii) Kullanılan malzemelerde kalite denetim süreci.

İnşaat süreci: i) Tasarım ile uyumlu bir yapı üretim teknlojisi, ii) Montaj ve işçilik.

Yapı servis ömrünü tamamlayıncaya kadar projenin sürdüğü düşünülmelidir. Ülkemizde yeterince önem verilmeyen ancak Marmara Depremiyle önemi ortaya daha belirgin olarak çıkan binaların bakımı ve onarımı aşamalarını da bu sürece eklemek gerekir, çünkü yapı bir entegre sistemdir. Ülkemizde bu aşamalara gereken özenin gösterilmediği bir kez daha ortaya çıkmıştır. Kullanılan malzemelerde kalite denetim süreci çok aksamıştır. Ayrıca inşaatın tasarımla uyumlu bir yapı üretim teknolojisine göre yapılmadığı anlaşılmıştır. Özellikle montaj ve işçilik büyük ölçüde aksamıştır. Esasen geçmişte büyük yararları olan tekniker okullarını da kapatmış bir ülkeyiz. Eğitimsiz gruplar inşaatları yapmıştır. Yatırımların Marmara Bölgesi'nde teşvik edilmesi, böylece büyük kentlere kırsal kesimlerden hızlı bir göçün olması, ve buna denetimsizlik de eklenince felaketin boyutu büyük olmuştur.

3. Genel olarak betonun performansı

Taze betonun işlenebilirliğinde agrega biçiminin ve en büyük boyutunun önemli işlevi vardır. Özellikle agreganın en büyük boyutu betonarme kalıbındaki donatı durumuna uygun olmalıdır. Sertleşmiş betondan beklenen ise dayanımlı, dayanıklı ve ekonomik olmasıdır. Son depremler sırasında büyük hasar gören yapılar incelendiğinde yapılaşmanın hızlı olduğu bu bölgede betonla ilgili temel bilgilerin kullanılmadığı ve gerekli denetimlerin yapılmadığı belirgin biçimde ortaya çıkmıştır. Beton hacminin yaklaşık %75' ini oluşturan agreganın betonun performansında etkisi belirgindir. Maksimum su /çimento oranı ile minumum çimento içeriğindeki sınırlamalar betonun dayanım ve dayanıklılığını önemli ölçüde etkiler. Bu iki sınırlamanın gerçekleşmesinde agreganın kaliteli ve boyut dağılımının uygun olması zorunludur. Genel olarak betonun çevresel etkilere diğer bir deyişle dürabiliteye göre tasarımı bu iki parametreye göre yapılır. Betondaki maksimum su/çimento oranı ve minumum çimento dozajı gibi 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 beton agregasının türüne, granülometrisine ve standartlarına uygun olmasına bağlıdır. Deprem bölgelerindeki betonlarda granülometriye ve beton kalitesine özen gösterilmediği, yeterli pas payının oluşturulmadığı, böylece betonun betonarme çeliğini koruyamadığı görülmüştür. Betonarme içindeki demiri koruyan betondur. Beton, hem basınç gerilmelerini karşılar hem de demirin korozyona uğramasını önler. Depremler sonrası bazı kesimlerce betonarmeyi yeren, çelik yapıyı savunan beyanlar oldu. Beton kalitesiz, yani boşluklu ve geçirimli olursa demiri koruyamaz. Bu, betonarmenin kusuru olarak değerlendirilmemelidir. Başka bir anlatımla, betonarme elemanda demiri koruyamayan bir işçiliğin olduğu ülkemizde çelik yapı korozyona karşı nasıl korunacak, yangına karşı nasıl önlemler alınacak biçimindeki soruların yanıtlanması gereklidir. Betonda donatı korozyonuna bağlı çatlama ile sismik yükler arasında sıkı bir ilişkinin olduğu kesinlik kazanmıştır. Beton; agrega, çimento hamuru ve agrega-çimento hamuru temas yüzeyinden oluşan bir malzeme olarak düşünülürse en zayıf halkanın arayüzeyler olduğu ortaya çıkar. Beton teknolojisindeki gelişmenin anahtarı çimento hamuru ile agrega arasındaki arayüzeylerin güçlendirilmesidir. 1970 li yıllara kadar 28 günlük silindir basınç dayanımı 40 MPa'ı aşan betonlar yüksek dayanımlı beton kabul edilirken günümüzde bu kavram önemini yitirmiştir. Dayanım ve dayanıklılık için en önemli gereksinim olabildiğince az boşluklu ve geçirimsiz beton üretmektir. Özellikle 1980 li yıllarda süper ve daha sonra da hiper akışkanlaştırıcıların ve ultra incelikli mineral katkıların kullanılması 2000 li yıllara gelindiğinde yalın betonların 28 günlük basınç dayanımlarının 200 MPa (2000 kgf/cm²)'a erişebileceği kanıtlanmıştır.

Belirli bir granülometriye sahip olan beton agregasının ince bölümünü kum oluşturur. İri agregalarda olduğu gibi kumların da temiz, kimyasal etkilere karşı dayanıklı ve dayanımının yeterli olması istenir. Ayrıca, kumun inert olması diğer bir deyişle çimento ile kimyasal reaksiyona girmemesi gerekir. Ülkemizde beton agregalarında aranan özelikler TS 706' da belirtilmiştir. Kum için söz konusu özelikler; elek analizi, dayanım, kil ve silt içeriği, organik madde içeriği, alkali agrega reaktivitesi deneysel olarak belirlenir. Ancak bu deneylerden olumlu sonuç alınması halinde, söz konusu agreganın betonda kullanılmasına izin verilir. Kumda çok ince kil ve silt tanelerinin varlığı betonun dayanımını düşürmektedir. Çoğunlukla zirai toprak kökenli organik maddeler, kil topakları, kömür taneleri, yumuşak taneler, standardın üzerinde suda çözünen klorür miktarı ve sülfatın varlığı da betonun davranışını olumsuz etkilemektedir.

4. Deprem sonrasında dikkati çeken bazı açıklamalar

Marmara depreminde orta ve ağır hasar görmüş binalardan alınan beton örnekleri üzerinde yapılan bir araştırmada (Taşdemir, M.A., Özkul, M.H. ve Atahan, H.N., (1999) "Türkiyedeki Son Depremler ve Beton", II.Ulusal Kentsel Altyapı Sempozyumu, İMO, Adana, s. 9-19) genel olarak sürekli granülometriye uyulmadığı, en büyük agrega boyutunun 8 mm ya da bunun biraz üzerinde olduğu görülmüştür. Yine aynı araştırmada denenen 5 ayrı yapıya ait betonlardan 4 ünde kum sınırı olarak kabul edilen 4 mm'den geçen malzeme miktarının %65'in üzerinde bazılarında %91'e varan değerlerde olduğu saptanmıştır. Bu şekilde ince agregalarla üretilen betonların su gereksinimi aşırı yükselir, bunun sonucu olarak da su/çimento oranı artar, ince agrega tanelerini sarmak ve aralarındaki boşlukları doldurmak için daha çok çimentoya gerek duyulur, bu da bilindiği gibi yaygın biçimde esirgenmiştir. Aşağıdaki tabloda sözkonusu araştırma sonucuna göre Avcılar'dan alınan betonlardaki tane boyutu dağılımı görülmektedir.

Tablo: Avcılar'dan alınan betonlardaki tane boyutu dağılımı

Elekten Geçen (%)
31,5mm	16mm	8mm	4mm
100	98	87	70
100	97	91	83
100	100	99	91
100	80	59	51
100	84	80	65

Bu tablonun incelenmesinden görüldüğü üzere depremler sırasında saptanan düşük dayanımların nedeninin kamuoyunda yanlış birkaç açıklamanın yolaçtığı kanının aksine deniz kumu kullanmak olmadığı, malzemenin betondan çok, düşük kaliteli bir harç olduğu gerçeğidir. Nitekim, Avcılar'da ağır hasar gören yapılardan alınan karot örneklere dayanarak bulunan ortalama eşdeğer küp basınç dayanımları da ancak 8 MPa olmuştur. Böyle bir malzeme taşıyıcı olmadığı gibi dış etkilere karşı dayanıklı da değildir. Geçirimli olduğu için donatıyı da koruyamamaktadır. Gerçekten, depremler sonrası yapılan incelemeler bölgedeki betonarme yapılarda karbonatlaşma rötresi ile klor diffüzyonunun neden olduğu korozyon çok fazladır. Bunlar da depremlerde göçme riskini arttırıcı nitelik taşımaktadır.

Çevresel etkilerin göz önüne alınması gerekir. Betonarme sadece dayanıma göre tasarlanmamalıdır, yani yapı önce dürabilite gözönüne alınarak tasarlanmalıdır. Günümüzde yapı sahibi ile proje müellifinin biraraya gelip yapının ömrü ne olacak diye tartışmaları zorunludur; bu kavramlar artık standardlara girmiştir. Betonarme yapı tasarlanırken çevresel etki sınıfı belirlenecek, karbonatlaşma veya klor etkisinden kaynaklanan korozyon, sülfat ve donma çözülme etkleri gibi bütün bunların önceden belirlenmesi gerekmektedir. Yerbilimcileri hep fay hattının nereden geçeceğini saatlerce tartışıyor, ancak Gölcük'de fay hattından sadece birkaç metre uzağındaki binaların ayakta kalanları da vardır. Demek ki usulüne uygun yapılmış yapılar depremler sırasında yıkılmayabilir. Deprem yönetmeliğini hazırlayan arkadaşlara da biraz sitem etmek istiyorum. Beton sınıfı 20 (C20) dürabilite bakımından kesinlikle yeterli değildir. Dürabiliteye göre tasarım için C30'un üzerindeki betonları kullanmamız gerekmektedir. Beton geçirimli ise karbonatlaşma olur, demir korozyona uğrar. Beton geçirimli ise dürabilitesinden söz edilemez, yani önce dürabiliteye göre tasarım sonra dayanım sözkonusu olmalıdır.

Son olarak birkaç cümlenin altını çizmek istiyorum. Yapıların deprem etkisi sonucu yıkılması bir çok faktöre bağlıdır. Bunlar; zemin durumu, uygun temel seçilmemesi, deprem hesabını da içeren statik bir projenin bulunmaması ya da yeterli olmaması, projenin değiştirilerek uygulanması, yumuşak kat ya da kısa kolon gibi yapısal sorunlar, projede belirtilen sınıfta beton kullanılmaması, çelik donatı sınıfının yeterli olmaması, çelik donatının doğru çapta, sayıda ve şekilde yerleştirilmemesi, filiz boylarının yeterli olmaması, etriyelerin yerleştirilmesinde ve işçiliğindeki hatalar olarak sayılabilir.

Betonun dürabilitesi de betonun kalitesine bağlı olup, performansta bileşen malzemeler, karışım oranları, üretim yöntemi, betonun bakım ve kürü gibi süreçler ile çevre koşulları etkilidir. Çevresel etki sınıfları göz önüne alınarak tasarımın gerektiği unutulmamalıdır. Beton uygun şekilde kür edilmemişse mukavemet yaklaşık %30 düşebilir, ancak drabilite daha da olumsuz etkilenir; kür edilmemiş betonun geçirimliliği yaklaşık 10 kat artabilir. Bu da korozyonu olumsuz biçimde etkiler. 9 yıl önce inşa edilen bir çok binada şiddetli donatı korozyonu olaylarına rastlanıldı. Kısaca, amaca uygun malzeme seçilmeli, su da dahil bütün bileşenler standardlara uygun olmalı, karışım iyi tasarlanmalı ve taze betonun yeterli biçimde yerine yerleştirilmesi sağlanmalı, özellikle ilk sertleşme sürecinde yüksek sıcaklık farklarından kaçınılmalı, beton iyi korunmalı ve gerekli kür aksatılmadan yapılmalıdır.

5. Taze beton çatlakları

Taze betonda bazı önlemlerin alınmaması halinde istenmeyen plastik rötre veya oturma çatlakları oluşabilir. Ayrıca, betonda kısıtlanmış rötre çatlaklarına rastlanabilir. Bu çatlakların nedenleri, alınacak önlemler ve onarılmaları ile ilgili genel bir değerlendirme aşağıda sunulmaktadır.

Taze beton çatlakları, betonun kalıba yerleştirilmesini izleyen ilk 30 dakika ile 5 saat arasında, genelde döşeme gibi geniş yüzeye uygulanan betonlarda görülür. Bu çatlaklar 10 cm'ye erişen derinlikte ve birkaç cm'den başlayarak 2 m'ye varan uzunlukta olabilir. Oluşan çatlaklar betonun özellikle dürabilitesi açısından zararlıdır. Taze beton çatlakları farklı oturmalardan, plastik rötreden veya kısıtlanmış rötreden kaynaklanabilir.

 

5.1.Oturma çatlakları

Bu çatlaklar genellikle kirişlerde üst yüzeye yakın donatıların (demirlerin) hemen üstünde oluşurlar. Taze betonda iri agrega taneleri dibe çökerken su yüzeye doğru hareket eder. Yüzeye yakın donatılar bu harekete karşı koyar ve oturmasını tamamlayamayan üst beton tabakası zaten düşük olan çekme dayanımını kaybederek çatlar. Böylece, beton yüzeyindeki çatlaklar yüzeye yakın donatıların bulundukları hatlar boyunca uzanırlar.

Bu tür çatlaklar; mantar başlıklı bir kolonun baş kısmına yakın yerde veya beton derinliğindeki değişmenin olduğu nervürlü döşemelerde de görülebilir.

 

5.2. Plastik rötre çatlakları

Bu çatlaklar geniş yüzeyli olan döşeme, yol, park ve havaalanı betonları gibi uygulamalarda oluşabilir. Beton yüzeyindeki suyun buharlaşma hızı, betonun içindeki suyun yükselme hızından fazla ise, betonun yüzeyi kurumaya, dolayısıyla büzülmeye başlar. Alttaki beton bu büzülmeye uyum sağlayamadığı için, üst tabakasında çekme gerilmeleri oluşur ve çekme şekil değiştirme kapasitesinin de düşük olması nedeniyle beton çatlar. Aynı çatlaklar, yeni dökülen betonun altındaki eski ıslatılmamış betonun veya asmolenli tabliyelerdeki briket gibi diğer malzemelerin beton suyunu emmesi sonucu da oluşabilir.

 

6. Kısıtlanmış rötre

Betonda gözlenen plastik rötre ve oturma çatlaklarından başka sık sık kısıtlanmış rötre çatlaklarına da rastlanır. Böyle bir rötre basit bir deneyle açıklanabilir: Çelik bir çember etrafına beton dökülüp sertleştikten sonra incelendiğinde serbestçe büzülmesi önlenen betonda düşey çatlakların oluştuğu görülür; bunlar kısıtlanmış rötre çatlakları olarak adlandırılır. Bu rötre çatlakları genellikle perdelerde görülür. Özellikle temeller üzerine oturan kolonlar arasındaki geniş perdelerde, tünellerde, eski beton üzerine dökülen yeni betonda bu tür çatlakları görmek mümkündür. Böyle çatlaklar perde içindeki boşluklar civarında belirgin biçimde gelişebilir. Önlemler alarak kısıtlanmış rötre çatlaklarını azaltmak mümkündür. Önlemlerden bazıları şöyle sıralanabilir; a)donatı miktarını arttırmak, b) çelik tel veya polietilen fiber kullanmak, c) dayanımı sağlayabilmek kaydıyla çimento miktarını biraz azaltmak, d) dökümden hemen sonra doğru ve yeterli kür uygulamak ve gereken koruma önlemlerini almak, e) hidratasyon ısısı düşük çimento kullanmak, f) betonun su/çimento oranını düşürmektir [1-2].

 

7. Beton yüzeyindeki suyun buharlaşma hızını arttıran etkenler

• Betonun sıcaklığı,
• Düşük bağıl nem oranı,
• Yüksek rüzgar hızı,
• Ortam sıcaklığıdır.

Beton ve hava sıcaklığının, ortamdaki bağıl nem ve rüzgar hızının beton yüzeyinden buharlaşan su miktarına ortak etkilerinden mevcut bazı abakları kullanarak aşağıdaki sonuçlar çıkartılabilir:

Hava sıcaklığı arttıkça buharlaşma artar. Beton havadan daha sıcaksa buharlaşma daha da artar. Buharlaşan su miktarı 0,5 kg/m²/saat değerini aşınca, plastik rötre çatlaklarının oluşması olasılığı vardır, bu da önlem almayı gerektirir. Sıcaklığın 5⁰ C artması buharlaşmayı %100 arttırabilir.

Hava sıcaklığı 20⁰ C, havadaki bağıl nem %60, beton sıcaklığı 24,5 ⁰C ve esen rüzgar hızı 25 km/saat ise buharlaşan su miktarı yaklaşık 1 kg/m²/saat olur.

Havadaki rutubetin %90'dan %50'ye düşmesi buharlaşmayı %100 arttırır. Rüzgarın hızı saatte sıfırdan 20 km'ye çıktığında buharlaşma yaklaşık dört kat artar. Beton yüzeyi güneş ışınlarına açıksa, betonun yüzeyindeki sıcaklıkla beraber buharlaşma da artar.

Plastik rötre sonucu oluşacak çatlak yoğunluğunun suyun buharlaşma hızı ile orantılı olacağı beklenir.

8. Taze beton çatlaklarına karşı alınacak önlemler

8.1.Beton bileşenleri bakımından alınacak önlemler

Betonda yüzey/hacim oranı yüksek olan ince malzemeler fazla ise, betonda plastik rötre riski vardır. Belirli bir su/çimento oranı için, ince malzeme ve çimento dozajı arttıkça, plastik rötrenin arttığı deneylerle kanıtlanmıştır. Betonda yeterli kadar ince malzeme var ve beton az boşluklu ise beton terleme suyunun yukarı çıkması güçleşir. Yüzeyden buharlaşan suyun yerine terleme suyu gelemeyince beton yüzeyi kurur ve çatlaklar oluşur. Böyle bir durumda başka etkileri göz önüne alarak, ince malzeme ve gereğinden fazla çimento kullanılmasına sınırlama getirilebilir. Oturma çatlaklarının oluşumunda ise aşırı su kullanımının işlevi büyüktür. Böyle bir durumda da su tutucu maddelerin miktarını arttırmak gerekir. Diğer bir değişle dozaj ve ince agrega arttırılabilir, puzzolanlar da yarar sağlayabilir, böylece kohezyon artar. Hava sürükleyici katkının kullanılması terlemeyi azaltır, dolayısıyla oturma çatlağı önlenebilir.

 

8.2.Beton döküm ve bakımında alınacak önlemler

Gölgede 32⁰C'yi aşan sıcaklıklarda betonun döküm ve bakımında aşağıdaki önlemleri almak gerekir:

Betonun döküleceği zemin, donatı ve kalıpta göllenmeye meydan vermeyecek şekilde ıslatılır, ıslatma suyu buharlaşır buharlaşmaz döküm yapılır. Böylece sıcak bir havada hem donatıların hem de klalıbın sıcaklığı düşürülür, ayrıca zemin ve asmolen gibi su emici yüzeylerin de beton suyunu emmesi önlenir. Aşırı sıcak havalarda beton dökümünün geceleri yapılması, taze beton sıcaklığının düşürülmesi, malzemelerin (su, agrega) soğutulması, hidratasyon ısısı düşük çimento kullanılması ve geciktirici katkı kullanılması tercih edilebilir.

Taze beton çatlaklarına karşı alınacak en önemli önlemlerden biri, betonun dökümü sırasında iyi işlenmesi ve daha sonra gerekli bakımın yapılmasıdır. Beton aşırı akışkan olmamalı ve vibrasyonu gerektirecek bir kıvamda olmalıdır. Beton kalıbına vibratörle yerleştirildikten sonra hemen ilk mastarlama yapılır. Daha sonra bir insan beton üzerine çıktığında yaklaşık 2 mm derinlikte iz oluşunca ikinci mastarlama işlemi yapılır. Mastarlama işleminin yavaş ve düzgün yapılmasına özen gösterilmelidir.

Rüzgara karşı korumak için rüzgar kırıcı engeller oluşturulur. Beton yüzeyini doğrudan güneş ışınlarından korumak için beyaz renkli yansıtıcı plastik örtüler ile kaplamak gerekir.

Beton yüzeyine "curing compound" adı verilen maddeler de sürülebilir. Bu işlem yüzeydeki parlaklık sona erinceye kadar beklendikten sonra yapılmalıdır.

Diğer bir yöntem ise, spreyle su püskürterek veya suya doygun talaş, ıslak kum gibi maddeler ile kaplayarak yüzeyin nemli tutulmasını sağlamaktır.

Taze betonun kür süresi de değişik etkenlere bağlıdır. Ancak normal betonarme yapılarında bu süre yaz aylarında en az bir hafta olmalıdır. Bu süre içinde ise günde en az üç kez sulama yapılmalıdır. Sulama için kullanılacak su, şehir suyu değilse içinde betonarme elemanları için zararlı olacak sülfat, asit, tuz gibi kimyasal maddeler bulunmamalıdır.

9.Kısıtlanmış rötreyi azaltmak için gerekli önlemler

Kısıtlanmış rötre çatlakları aşağıdaki önlemler alınarak azaltılabilir: a) betonda su/çimento oranı düşük tutulmalı, b) kalıp alma süresi uzatılmalı, doğru ve standard kür uygulaması yapılmalı, c) üretim sırasında sadece perde gibi betonarme elemenları için beton içine kısa kesilmiş polietilen lif veya çelik tel katılmalı, d) perdelerdeki düşey ve özellikle yatay donatıların yeterli olup olmadığı kontrol edilmelidir.

 

10. Öneriler

Plastik rötre, oturma çatlakları ve kısıtlanmış rötre çatlaklarının onarımı betonun dürabilitesi açısından yararlıdır. Bu çatlaklar, genişliklerine bağlı olarak uygulamada mevcut onarım harçları veya su kıvamındaki epoksi kullanılarak ve elle uygulama yapılarak doldurulup betonun uzun süreli performansı arttırılabilir. Böylece olası donatı korozyonu önlenmiş olur.

Kaynaklar

[1]    A.M. Neville, Properties of Concrete, Pitman Publishing, London, 1975.

[2]    M. Grzybowski, Determination of Crack Arresting Properties of Fiber Reinforced Cementitious Composites, Department of Structural Engineering, Royal Institute of Technology, Stockholm, TRITA/BRO-89/008, 1989.

CLASSIFICATION OF CAUSES OF CONCRETE DETERIORATION

As it was mentioned earlier, the causes of concrete deterioration may be physical or chemical. The typical causes of concrete deterioration may be grouped into two categories; surface wear and cracking as follows:

Fig 3.1. Physical causes of concrete deterioration

Similarly, the chemical causes of deterioration may be grouped into three as follows;

Fig 3.2. Chemical causes of concrete deterioration

It should be emphasized that the distinction between the physical and chemical causes of deterioration is purely arbitrary; in practice the two are frequently superimposed on each other. For example, higher permeability of concrete increases the risk of rebar corrosion and corrosion of reinforcement causes cracking and further increase in permeability chemical causes of deterioration will be discussed later. Cracking of concrete due to normal temperature and humidity gradients are out of scope of this course. Here, the physical causes of concrete deterioration will be explained.

3.1.Deterioration by Surface Wear (Abrasion)

Under many conditions, such as abrasion, erosion and cavitation, progressives loss of mass from concrete surface may occur.

Abrasion: refers to dry attrition (e.g. wear on pavements and industrial floors by vehicular traffic)

Erosion:  occurs mainly in hydraulic structures, refers to wear by the abrasive action of fluids containing solid particles in suspension. Erosion takes place in spillways, pipes, sewage system.

Cavitation :  refers to loss of mass by formation of vapor or bubbles and their subsequent collapse due to sudden charge of direction in rapidly flowing water.

Hardened cement paste has a low resistance to attrition. Service life of concrete can be greatly reduced under repeated cycles of attrition, especially when paste matrix of concrete is of high porosity or low strength, and is inadequately protected by an aggregate which lacks wear resistance. There is a good correlation between the W/C ratio and abrasion resistance of concrete. Thus, ACI Committee 201 recommends a minimum 28 day compressive strength of ~30 MPa. Suitable strengths  may be attained by a low W/C ratio, proper grading of fine and coarse aggregate (limiting Dmax to ~25mm), lowest consistency practicable for proper placing and compacting (max. slump 75 mm; for toppings 25mm), and minimum air content consistent with exposure conditions.

When a fluid containing suspended and rolling particles is in contact with concrete, the impinging, sliding and rolling action of particles may cause surface wear. The rate of erosion depends on the quantity, shape, size and hardness of the particles being transported, on the velocity of the moving particles as well as on the porosity or strength of concrete.

For silt-size particles (2-150 μm), erosion will be negligible at bottom velocities up to 1.8 m/s (min. velocity to transport particles).

When severe erosion or abrasion conditions exist, it is recommended that in addition to the use of hard aggregates, the min. 28 day compressive strength of concrete should be ~40 MPa, and before exposure to aggressive conditions concrete should be adequately cured. European Standard ENV206 (1992) recommends a period of curing twice as long as normal in order to achieve good resistance to surface wear.

For a proper attrition resistance, at least the surface of concrete should be of high quality. The properties of concrete surface zone are strongly affected by the finishing operations; vacuum dewatering is beneficial. The presence of laitance should be avoided by delaying floating and troweling until the concrete has lost its surface bleed water. Moreover, the bleeding capacity should be reduced by taking suitable measures such as using mineral admixtures. Industrial floors or pavements may be designed to have a 25 to 75 mm thick topping, consisting of a low W/C ratio concrete containing hard aggregate of ~12 mm Dmax. Due to very low W/C ratio, concrete toppings containing Latex admixtures are becoming increasingly popular for abrasion resistance.

Resistance to abrasion can also be achieved by application of surface hardening solutions to well-cured new floors or abraded old floors. Solutions most commonly used are magnesium or zinc fluosilicates or sodium silicate which react with CH present in hcp to form insoluble reaction products, thus, sealing the capillary pores at or near the surface and hence to improve the resistance to ingress of fluids or dusting due to abrasions.

As far as aggregate is concerned, strong and hard aggregate is preferred with inclusion of some crushed sand. However, the abrasion resistance of aggregate, as determined by the Los Angeles test does not seem to be a good indicator of the abrasion resistance of concrete made with a given aggregate.

From cement content point of view, rich mixes are undesirable, a max. cement content of 350 kg/m³ is necessary to allow coarse aggregate particles present just below the surface of concrete.

Shrinkage compensating concrete has a significantly increased abrasion resistance probably due to the absence of fine cracks which would encourage the progress of abrasion.

The non linear flow at velocities exceeding 12 m/s (7 m/s in closed conduits) may cause severe erosion of concrete through cavitation. In flowing water, vapor bubble form when the local absolute pressure at a given point in the water is reduced to ambient vapor pressure of water corresponding to the ambient temperature. As the vapor bubbles flowing downstream with water enter a region of higher pressure, they implode with great impact because of the entry of high-velocity water in to the previously vapor occupied space, thus causing severe local pitting. Therefore, the concrete surface affected by cavitation is irregular or pitted, in contrast to the smoothly worn surface by erosion from suspended solids. The cavitation damage does not progress steadily: usually, after a period of initial small damage, rapid deterioration occurs, followed by damage at a slower rate.

Best resistance to cavitation damage is obtained by the use of high strength concrete. The D_max near the surface should not exceed 20 mm, because cavitation tends to remove large particles. Hardness of aggregate is not important (unlike the case of erosion resistance) but a strong bond between aggregate and mortar is vital.

Use of steel fibers may improve the cavitation resistance. However, in contrast to erosion or abrasion, a suitable and strong concrete may not necessarily be effective in preventing damage due to cavitation for an indefinite time. The best solution lies in removal of the causes of cavitation, such as surface misalignments, or abrupt changes of slope or curvature that tend to pull the flow away from the surface. If possible, local increase in velocity of water should be avoided as damage is proportional to the sixth or seventh power of velocity.

Test methods for the evaluation of wear resistance of concrete are not always satisfactory, because the damaging action varies depending on the exact cause of wear, and none of the test procedures may satisfactorily simulate the field conditions of wear. Therefore, laboratory methods are not intended to provide a quantitative measurement of the length of service that may be expected from a given concrete surface; they can be used to evaluate the effects of concrete ingredients and curing or finishing procedures on the abrasion resistance of concrete.

ASTM C 418-90 prescribes the procedure for wear determination by sandblasting; the loss of volume of concrete serves as a basis for judgment. ASTM C 779-89 describes three optional methods for testing the relative abrasion resistance of horizontal concrete surfaces. In the steel-ball abrasion test, load is applied to a rotating head containing steel balls while the abraded material is removed by water circulation; in the dressing wheel test, load is applied through rotating dressing wheels of steel; and in the revolving-disk test, revolving disks of steel are used in conjunction with a silicon carbide abrasive. In each of the tests, the degree of wear can be measured in terms of weight loss after a definite time.

Proneness to erosion by solids in flowing water can be measured by means of a shot-blast test. Here, 2000 pieces of broken steel shot (850 µm [#20 ASTM sieve size]) are ejected under air pressure of 0.62 MPa against a concrete specimen 102 mm away. Besides, due to direct relationship between the abrasion and erosion resistance, the abrasion resistance data can be used as a guide for erosion resistance.

3.2.Cracking by Crystallization of Salts in Pores

A purely physical action of crystallization of the (sulfate) salts in the pores may account for considerable damage in concrete. For instance, when one side of a slab or retaining wall of a permeable concrete is in contact with a salt solution and the other sides are subjected to evaporation, the material can deteriorate by stresses resulting from the pressure of salt crystallization in pores.

In many porous materials, the crystallization of salts from super saturated salt solutions can occur only when the concentration of the solute (C) exceeds the saturation concentration (Cs) at a given temperature. As a rule the higher the (C/Cs) ratio (or degree of super saturation) the greater the crystallization pressure. The crystallization pressures for salts that are commonly found in pores of concrete, calculated from the density, molecular weight, and molecular volume for a C/Cs ratio of 2 are shown in Table 3.1. At a degree of super position of 10, the calculated crystallization pressure of NaCl is 1835 atm at 0°C and 2190 atm at 50°C.

Table 3.1. Crystallization Pressures for Some Salts

Salt	Chemical Formula	Density (g/cm3)	Molecular Weight (g/mol)	Molar Volume (cm3/g)	Pressure (atm) C/Cs = 2
					0°C	50°C
Anhydrite	CaSO4	2,96	136	46	335	398
Epsomite	MgSO4.7H2O	1,68	246	147	105	125
Gypsum	CaSO4.2H2O	2,32	127	55	282	334
Halite	NaCl	2,17	59	28	554	654
Hepta hydrite	Na2CO3.7H2O	1,51	232	154	100	119
Hexa hydrite	MgSO4.6H2O	1,75	228	130	118	141
Kieserite	MgSO4.H2O	2,45	138	57	272	324
Mirabilite	Na2SO4.10H2O	1,46	322	220	72	83
Natron	Na2CO3.10H20	1,44	286	199	78	92
Tach hydrite	2MgCl2.CaCl2. 12H2O	1,66	514	310	50	59
Thenardite	Na2SO4	2,68	142	53	292	345
Thermonatrite	Na2CO3.H2O	2,25	124	55	280	333