Beton bileşim parametrelerinin geçirimlilik özellikleri ve gömülü çelik donatı korozyonuna etkisi
Effect of mixing parameters on permeability properties of concrete and corrosion of embedded steel rebar
Yazar: ÜNAL ANIL DOĞAN
Danışman: PROF. DR. HULUSİ ÖZKUL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Beton = Concrete ; Beton karışımları = Concrete admixtures ; Beton özellikleri = Concrete properties ; Dayanıklılık = Durability ; Deney tasarımı = Experimental design ; Donatı korozyonu = Reinforcement corrosion ; Geçirgenlik = Permeability

Özet:
Beton değişik boyutlarda ve miktarda boşluk içeren bir malzemedir. Bu nedenle bulunduğu ortamdaki sıvı ve/veya gazın beton içerisine girişi difüzyon, basınç altında emme veya kılcallık yoluyla gerçekleşir. Hangi yolla olursa olsun, beton içerisindeki sıvı veya gaz transferine betonun geçirimliliği denir. Geçirimlilik başta boşlukların miktarı olmak üzere boşlukların çapı ve dağılımına ayrıca birbirleriyle ilişkili olmasına bağlıdır. Çünkü yabancı maddelerin beton içerisine girme hızını boşlukların birbirleriyle ilişkili oluşu ve bu yolun şekli ve uzunluğu belirler.Uzun yıllar boyunca betonun mekanik dayanımı uygun bir beton üretimi için yeterli bir koşul sayılmıştır ve ufak onarımlarla çıkabilecek sorunların üstesinden kolayca gelinebileceği düşünülmüştür. Ancak günümüzde ?betonun kendisinden beklenen performansı hizmet süresi boyunca göstermesi? olarak tanımlanan dayanıklılık kavramı, yapının bulunduğu ortam şartlarına göre malzeme seçimi ile en uygun bileşimin belirlenmesi, buna ek olarak asgari bakımın (kür) ihmal edilmemesi gerekliliğini ortaya koymuştur.Beton üretiminde kullanılan malzemeler dayanıklılık bakımından değerlendirilerek seçilmeli ve birleştirilmelidir. Günümüzde uçucu kül başta olmak üzere puzolanlar kullanılmadan üretilen betona rastlamak artık pek mümkün değildir. Çünkü uygun mineral katkı kullanımının betonun birçok dayanıklılık özelliğini geliştirdiği bilinmektedir.Bu deneysel çalışmada uçucu kül veya silis dumanı katkılı betonlardan oluşan iki seri beton üretilmiştir. `Merkezi Kompozit Tasarım' adındaki deneysel tasarım ve analiz yapan istatistiksel yöntem kullanılarak her seride karışım parametrelerinden toplam bağlayıcı miktarı, su/bağlayıcı oranı ve puzolan/bağlayıcı oranı bağımsız değişken olarak seçilmiştir. Değişken sınırları puzolan özelliklerine ve betonların belirli bir kıvamda bulunması koşuluna göre belirlenmiştir. Her seride, kullanılan istatistiksel programın belirlediği 20 adet karışım hazırlanmıştır. Betonların basınç dayanımı ve geçirimlilik özelliklerini ölçmek üzere alınan numunelerin yarısı laboratuar ortamında havada diğer yarısı da kirece doygun su içerisinde 90 gün boyunca saklanmıştır. Basınç dayanımının yanında ASTM C 1202 standardına uygun olarak hızlı klorür geçirimliliği, BS 1881, bölüm 5'e uygun olarak yüzeyden su emme (Initial Surface Absorption Test), TS EN 12390 ? 8 standardına uygun olarak basınçlı su geçirimliliği ve kılcal su emme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca boşluk yapısının belirlenmesi amacıyla taze betondan eleme yoluyla çıkarılan harç numuneler üzerinde civalı porozimetre yöntemi uygulanmıştır. Tüm deney sonuçları varyans analizi yöntemi ile değerlendirilmiş, her iki kür koşulu için ölçülen tüm beton özelliklerinin karışım parametreleri cinsinde ayrı ayrı modelleri belirlenmiştir. Bu modeller kullanılarak betonların su ve klorür geçirimliliklerinin en yüksek ve en düşük olduğu bileşimler belirlenmiştir. Bu bileşimler, hem modellerin sağlamasını yapmak, hem de klorür etkisinde korozyon oluşumunda davranışlarını belirlemek amacıyla ortasında çelik donatı içeren lolipop numunelerin üretiminde kullanılmıştır. Klorür etkisinde korozyon oluşumu Gecor 8 korozyon ölçüm aleti ile izlenmiştir. Betonun seçilen bileşim parametrelerinin (toplam bağlayıcı miktarı, su/bağlayıcı oranı ve puzolan/bağlayıcı oranı) basınç dayanımı, geçirimlilik özellikleri, boşluk yapısı ve korozyon davranışına etkisi deney sonuçlarına dayanılarak değerlendirilmiştir.Uçucu kül katkılı betonlarda toplam bağlayıcı miktarının basınç dayanımı ve klorür geçirimliliği üzerinde etkisi görülmemiştir. Diğer taraftan, silis dumanı katkılı betonlarda, çimento hamuru boşluk miktarının agreganınkinden daha fazla olması nedeniyle, artan bağlayıcı miktarı tüm beton performansında azalmaya neden olmuştur. Uçucu kül katkılı betonlarda en düşük geçirimlilik için gerekli kül miktarlarının suda saklanan betonlarda havada saklanan betonlara göre bir miktar daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Ancak, silis dumanı katkılı betonlar için bulunan optimum silis dumanı miktarları kür koşullarına bağlı olarak değişmemiştir. Bunun yanında, hızlı klorür geçirimliliği deneyinin, havada saklanan mineral katkılı veya katkısız tüm betonların karşılaştırılmasında veya suda saklanan mineral katkılı betonların kendi aralarındaki karşılaştırmalarda kullanılabileceği, özellikle suda saklanan betonlarda, mineral katkılı betonlarla yalın betonların klorür geçirimliliklerini karşılaştırmak doğru sonuçlar vermeyeceği anlaşılmıştır. Sonuç olarak, Merkezi Kompozit Tasarım yönteminin, puzolan katkılı betonların basınç dayanımı ve geçirimlilik özelliklerinin optimizasyonunda en uygun beton bileşimini belirlemek için son derece elverişli olduğu görülmüştür.

Abstract:
Concrete is a material which contains different amounts of pores in various sizes. On this account, penetration of liquid and/or gas into the concrete occurs by diffusion, absorption under pressure or capillary sorption through these pores. In no matter what way the transfer of liquid and gas, the phenomenon is called as permeability. Permeability depends on amount, distribution, size and connectivity of pores within concrete as rate of penetration of aggressive substances into concrete mainly related to the continuity of the pores and their shape and distance.It has been widely accepted for many years that mechanical strength of concrete is adequate enough for a structure and little maintenance would be sufficient to overcome any problems during the service life. However, in recent years it is well known in order to obtain a durable concrete remaining the expected performance throughout its service life, selection of suitable material according to environmental conditions, the best proportion of concrete mixture and sufficient curing are the most important steps to pay attention.Ingredients of concrete should be selected according to their participation in durability. Pozzolanic materials, most of which are by products of industries, are widely used in concrete production, especially to increase the durability properties.In this experimental research, two series of concrete incorporated with fly ash and silica fume were produced. The statistical program of `Central Composite Design? was used to design experiments and to analyze the testing results. In each series, binder content, water/binder ratio and pozzolan/binder ratio were chosen as independent variables and the ranges of the variables were adjusted according to the properties of pozzolanic material and to obtain certain workability for all concretes. Two series of concretes, each corresponding to one type of supplementary cementing material and composed of 20 batches, are produced. Lime saturated water curing was applied over the half of the specimens, cast to measure compressive strength and permeability, while the remaining ones were stored in air at laboratory conditions for 90 days. In addition to the compressive strength and capillary water absorption tests, rapid chloride permeability test, initial surface absorption test and permeability under pressure test were conducted in accordance with ASTM C 1202, BS 1881, part 5, and TS EN 12390 ? 8 standard test methods, respectively. Furthermore, mercury intrusion porosimetry test method was applied on mortars obtained by sieving fresh concrete, in order to determine pore structure of concretes. Test results were analyzed and evaluated by using ANOVA (Analysis of Variance). Statistical models are derived for each measured concrete property in two curing conditions by means of three independent components of concrete. Concretes having maximum and minimum permeabilities of water and chlorides were obtained by using these models. Chloride induced corrosion of steel bars embedded in these concrete was observed by using Gecor 8 corrosion ratemeter. Influence of selected mixture parameters on compressive strength, permeability properties, pore structure and corrosion behavior was evaluated by using the test results.It has been found that total binder content of FA concretes was not influential on the compressive strength and chloride penetration. On the other hand, increasing binder content reduced the overall performance of SF concretes because of the higher porosity of cement paste than that of aggregate. It was also seen that the optimum supplementary cementing material contents determined to obtain the minimum permeability are shifted to higher values for the FA concretes under the proper curing conditions rather than storing in air. However, the optimum percentages of the silica fume for SF concretes cured under both conditions are not changed. Furthermore, it is found that RCPT method can be employed to make comparisons for all of the air stored concretes produced with or without supplementary cementing material (SCM). However, for water cured SCM added specimens this method can be used for only internal comparisons, it is not appropriate to compare the chloride permeability of OPC concretes with those of pozzolan added concretes. Consequently, central composite design method is a promising approach for designing and optimizing the most convenient mixture proportion of SCM concretes with respect to compressive strength and permeability.