Beton Uygulamasında Bir Yaz Klasiği: Crossover Etkisi

Harç ve beton gibi çimento esaslı malzemeler inşaat endüstrisinde en sık kullanılan yapı malzemeleridir [1]. Bu malzemelerin içeriğindeki çimentonun su ile girdiği hidratasyon reaksiyonu ekzotermiktir [2]. Çimentonun hidrasyon reaksiyonu, karışımdaki su miktarına ve kür sıcaklığı koşullarına bağlı olarak uzun yıllar boyunca giderek azalan bir oranda devam eder [3]. Betonun ve harcın uzun süreli dayanımı ve dayanıklılığı için, erken yaşta kılcal damarlardan buharlaşma sonucu su kaybını önleyecek uygun yerleştirme ve kür işlemleri uygulanmalıdır [4]. Buna ek olarak, kendi kendine kurumayla (self-desiccation) iç su kaybı, dış kaynaklardan gelen su ile telafi edilmelidir [5]. Hidrasyon işlemi ve sonuçta oluşan betonun basınç dayanımı; kür sıcaklığına, kür yöntemlerine, kür süresine ve karışım bileşimine bağlıdır [6]. Betonun basınç dayanımı, diğer mekanik özelliklerle birlikte, her türlü beton yapıların tasarımında ve yapımında önemli rol oynamaktadır [7].

Bazı araştırmacılar, yüksek kür sıcaklığının ilk saat ve günlerde hidrasyon ürünlerinin daha hızlı çökelmesine neden olduğunu bildirmiştir [8-9]. Bu fenomen gözlemlenen erken dayanım gelişiminden sorumludur. Ayrıca, ilk aşamadaki bu hızlı tepkime, hidrasyon ürünlerinin daha heterojen bir şekilde dağılmasına yol açar. Hidratlar çimento parçacıklarının etrafında çökelir ve etraflarında yoğun bir iç kabuk oluşturur. Yüksek bir sıcaklıkta biriken bu daha yoğun çökeltilerin iyon difüzyonu için bir bariyer oluşturabileceği bildirilmektedir [10-11]. Bu, mikro yapıda uzun vadeli dayanımı önemli ölçüde azaltan bir durumdur. Bu işlem, uygun şekilde düzenlenecek zamanı olmayan, uzun süreli mukavemet kaybına yol açan çok sayıda oluşturulmuş hidratlara bağlıdır. Bu tür davranış, crossover etkisi olarak adlandırılır [12]. Diğer çalışmalar, yüksek kür sıcaklığının uzun süreli dayanımı düşürme, geçirimliliği artırma ve dayanıklılığı zayıflatma gibi mikro yapı üzerinde olumsuz etkilere sahip olduğunu iddia etmektedir [9-13].

Erken yaşlarda hızlandırılmış kür sıcaklıklarına maruz kalan betonlar, normal kür sıcaklıklarına maruz kalanlara kıyasla erken yaşlarda yüksek basınç ve yarmada çekme dayanımı kazanır, ancak daha ileri yaşlarda bu durumun aksine daha düşük dayanım performansı gösterirler. Betonun elastisite modülü de aynı eğilime sahiptir, ancak oluşan varyasyon basınç dayanımı kadar belirgin değildir [14].

Ogirigbo ve Black [15], 38^oC sıcaklıkta kürlenen betonun 7 gün sonunda 20^oC’de kürlenen betondan daha az gözenekli ve daha fazla basınç dayanımına sahip olduğunu açıklamıştır. Bununla birlikte, 28 gün sonunda, yüksek sıcaklıkta kürlenmiş betonun gözenekliliği artmış ve basınç dayanımı normal olarak kürlenmiş betondan daha düşük çıkmıştır.

Bir diğer araştırmada, yüksek sıcaklıklar altında çimento harçları ve betonların normal oda sıcaklığında geliştirilenlerden daha gözenekli ve daha zayıf fiziksel yapılara sahip olduğu tespit edilmiştir [16]. Ayrıca, yüksek sıcaklıkların erken yaşlarda dayanım kazancını arttırdığını, oysa oluşan hidratların önemli bir kısmının daha sonraki yaşlarda uygun düzenleme için yetersiz zamana sahip olduğunu belirtmiştir. Bu süreç, çimento esaslı malzemelerin nihai basınç dayanımındaki artışın azalmasını gösteren crossover etkisi ile açıklanmaktadır.

Araştırma raporlarına [17,18] göre, çeşitli mineralojik kompozisyonlara sahip Portland çimentosunda crossover etkisi 7 ila 10 gün arasında ortaya çıkmaktadır. Portland çimentosunun ilk hızlı hidrasyonunun çimentolarda ve betonlarda crossover etkisine neden olan daha az homojen bir mikro yapı üretebileceği belirtmiştir[19]. Ayrıca, böyle bir Portland çimentosunun hidratasyonunun daha sonraki yaşlarda azalabileceği bildirilmiştir [20]. Bu düşüş, hidrate olmamış çimentonun hidrasyonunun ertelenmesi veya sona ermesinden kaynaklanmaktadır. Ayrıca, daha düşük sıcaklıklardaki hidrasyon ürünleri, tüm çimento matrisinde homojen bir şekilde çökelmek ve yayılmak (difüzyon) için yeterli zamana sahip olmaktadır.

Lothenbach ve arkadaşlarına göre [21], crossover etkisi Portland çimentolarında meydana gelmektedir ve yüksek fırın cürufu, doğal pozzolan ve uçucu kül içeren karışımlardaki etkisi tartışma konusudur.

Kaynaklar

1. Hosseini, P.; Booshehrian, A.; Delkash, M.; Ghavami, S.; Zanjani, M. Use of nano-SiO2 to improve microstructure and compressive strength of recycled aggregate concretes. Nanotechnol. Constr. 2009, 3, 215–221.
2. Cervera, M.; Faria, R.; Oliver, J.; Prato, T. Numerical modelling of concrete curing, regarding hydration and temperature phenomena. Comput. Struct. 2002, 80, 1511–1521.
3. Al-Gahtani, A. E_ect of curing methods on the properties of plain and blended cement concretes. Constr. Build. Mater. 2010, 24, 308–314.
4. Çakır, Ö.; Aköz, F. E_ect of curing conditions on the mortars with and without GGBFS. Constr. Build. Mater. 2008, 22, 308–314.
5. Neville, A.; Brooks, J. Concrete Technology Revised Edition—2001 Standards Update; Pearson Education Limited: Paris, France, 1990.
6. Li, B.; Mao, J.; Lv, J.; Zhou, L.J.E.J.o.E.; Engineering, C. E_ects of micropore structure on hydration degree and mechanical properties of concrete in later curing age. Eur. J. Environ. Civ. Eng. 2016, 20, 544–559.
7. Silva, R.; De Brito, J.; Dhir, R.J.E.J.o.E.; Engineering, C. The influence of the use of recycled aggregates on the compressive strength of concrete: A review. Eur. J. Environ. Civ. Eng. 2015, 19, 825–849.
8. Ma, D. S.; Martin, R.; and Brown, P. W., “Calorimetric Study of Cement Blends Containing Fly Ash, Silica Fume and Slag at Elevated Temperatures,” Cement Concrete and Aggregates, V. 16, No. 2, 1994, pp. 93-99.
9. Lothenbach, B.; Winnefeld, F.; Alder, C.; Wieland, E.; and Lunk, P., “Effect of Temperature on the Pore Solution, Microstructure and Hydration Products of Portland Cement Pastes,” Cement and Concrete Research, V. 37, No. 4, 2007, pp. 483-491.
10. Verbeck, G. J., and Helmuth, R. H., “Structures and Physical Properties of Cement Paste,” Proceedings of the 5th International Symposium on the Chemistry of Cement, V. 3, 1969, pp. 1-37.
11. Bakharev, T.; Sanjayan, J. G.; and Cheng, Y. B., “Effect of Elevated Temperature Curing on Properties of Alkali Activated Slag Concrete,” Cement and Concrete Research, V. 29, No. 10, 1999, pp. 1619-1625.
12. Carino, N. J., “The Maturity Method: Theory and Application,” Cement Concrete and Aggregates, V. 6, No. 2, 1994, pp. 61-73.
13. Escalante-Garcia, J. I., and Sharp, J. H., “The Microstructure and Mechanical Properties of Blended Cements Hydrated at Various Temperatures,” Cement and Concrete Research, V. 31, No. 5, 2001, pp. 695-702.
14. Kim, J.-K.; Han, S.H.; Song, Y.C. E_ect of temperature and aging on the mechanical properties of concrete: Part I. Experimental results. Cem. Concr. Res. 2002, 32, 1087–1094.
15. Ogirigbo, O.R.; Black, L. Influence of slag composition and temperature on the hydration and microstructureof slag blended cements. Constr. Build. Mater. 2016, 126, 496–507.
16. Ezziane, K.; Bougara, A.; Kadri, A.; Khelafi, H.; Kadri, E. Compressive strength of mortar containing natural pozzolan under various curing temperature. Cem. Concr. Compos. 2007, 29, 587–593.
17. Castellano, C.C.; Bonavetti, V.L.; Donza, H.A.; Irassar, E.F. The e_ect of w/b and temperature on the hydration and strength of blastfurnace slag cements. Constr. Build. Mater. 2016, 111, 679–688.
18. Escalante-García, J.I.; Sharp, J.H. E_ect of temperature on the hydration of the main clinker phases in portland cements: Part i, neat cements. Cem. Concr. Res. 1998, 28, 1245–1257.
19. DeWeerdt, K.; Haha, M.B.; Le Saout, G.; Kjellsen, K.; Justnes, H.; Lothenbach, B. The e_ect of temperature on the hydration of composite cements containing limestone powder and fly ash. Mater. Struct. 2012, 45, 1101–1114.
20. Castellano, C.; Bonavetti, V.; Irassar, E. E_ect of curing temperature on hydration and strength of cement paste with granulated blast-furnace slag. Rev. Constr. 2007, 6, 4–15.
21. Lothenbach, B.; Winnefeld, F.; Alder, C.; Wieland, E.; Lunk, P. Effect of temperature on the pore solution, microstructure and hydration products of Portland cement pastes. Cem. Concr. Res. 2007, 37, 483–491.

BetonveCimento.com için Patreon üzerinden destekte bulunmak ister misiniz?