Kür koşulları ve yalıtımın yüksek dayanımlı betonların geçirimlilik, iç-yapı ve mekanik özeliklerine etkileri
Effects of curing conditions and insulation on permeability, microstructure and mechanical properties of high strength concrete
Yazar: FATİH ÖZALP
Danışman: DOÇ. DR. ÖZKAN ŞENGÜL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Prefabrike beton = Prefabricated concrete ; Yüksek dayanımlı beton = High strength concrete ; Yüksek performanslı beton = High performance concrete

Özet:
Betonun dayanım kazanma sürecinde içinde bulunduğu rutubet ve sıcaklık etkileri kür koşulları olarak tanımlanmaktadır. Çimentonun hidratasyonuna devam edebilmesi için ortamda su bulunması şarttır. Suyun olmaması durumunda hidratasyon yavaşlayarak durur ve bunun sonucu beton dayanım kazanmaz. Dolayısıyla, istenilen özeliklerde beton elde edebilmek için uygun kür koşullarının sağlanması gereklidir. Yerinde dökülen betonların en az yedi gün, puzolan içeren betonların ise daha uzun süreyle rutubetli tutulması önerilir. Üretim ve montaj akışının hızlı gerçekleştiği prefabrike beton sektöründe beton veya betonarme elemanlara uzun süreyle kür uygulanması pratik olmayıp üretim hızını yavaşlatmaktadır. Bu nedenle, böyle üretimlerde çimentonun hidratasyon hızını ve dolayısıyla dayanım kazanma hızını arttırmak için betonun içinde bulunduğu ortamın sıcaklığı yükseltilebilir. Hem yeterli rutubeti sağlamak hem de ortam sıcaklığını arttırmak için en yaygın kullanılan yöntem ise buhar kürüdür. Son yıllarda yaygınlaşmaya başlayan ve çeşitli uygulama alanları bulan ultra yüksek dayanımlı betonlarda, normal koşullarda uygulanan standart su kürü işlemi yerine, sıcaklığının yükseltilmesiyle yalıtılmış ortamda kür uygulanmaktadır.
Buhar kürünün uygulanması; sırasıyla; ön bekleme, kontrollü ısıtma, sabit sıcaklıkta tutma ve kontrollü soğutma olarak özetlenebilir. Bu adımların doğru biçimde uygulanamaması veya zamanlamasının doğru yapılamaması gibi hallerde betondan beklenen performansın elde edilememesi, hatta betonun çatlaması gibi durumlarla karşılaşılabilir. Örneğin ortam sıcaklığının hızlı düşmesi durumunda betonun dış yüzeyi hızlı bir şekilde soğurken iç kısımlar daha sıcak kalır, iç kısımlar ile dış yüzeyler arasında aşırı sıcaklık farkı meydana gelir, bu durumda deformasyonlar da farklı olduğundan betonda çatlamalar ortaya çıkabilir. Çatlayan bir elemanın mekanik özeliklerinin ve özellikle de geçirimlilik özeliklerinin olumsuz etkileneceği açıktır. Örneğin, paspayında çatlak bulunması halinde klor iyonunun beton yüzeyinden içeriye taşınımı çok hızlı bir şekilde olur, böylece herhangi bir zamanda, çatlağın oluştuğu kısımdaki klorür konsantrasyonu, çatlak olmayan diğer bölgelere göre çok daha yüksek olur. Çatlaklı kısımdaki yüksek klorür konsantrasyonu sonucu bu bölgelerde korozyon çok daha kısa sürede meydana gelir. Ayrıca çatlaklardan başka zararlı etkilerin ve suyun taşınımı da hızla gerçekleşeceğinden bu etkiler betona çok daha kolay bir şekilde zarar verebilir. Donma–çözülme gibi fiziksel etkiler de daha hızlı biçimde hasar yaratabilir. Bu nedenlerle, betonarme elemanlardaki donatıya kadar ulaşan çatlakların uygun bir yöntemle onarılır. Ayrıca, yapının maruz kalacağı dış etkilere bağlı kalmak kaydıyla genişliği yaklaşık 0,2 mm'nin altındaki çatlaklar ve ağ şekilli çatlakların tecriti de gereklidir. Bundan dolayı çatlaklı beton yüzeylerinin su itici malzemelerle kaplanması önerilmektedir, ancak bu kaplamaların ömürleri, güneş ışınları, sıcaklık, ıslanma-kuruma, donma çözülme gibi çeşitli çevresel etkiler altında işlevlerini sürdürüp sürdürmedikleri konusunda literatürde yeteri kadar çalışma olmayıp uygulamaların etkinlikleri hakkındaki bilgi birikimi sınırlıdır. 
Servis ömrü daha uzun yapılar elde edebilmek için paspayının kalitesi dikkate alınmalı ve düşük geçirimliliğe sahip, çatlak içermeyen paspayı sağlayabilmek amacıyla uygulanan kür koşullarına da gereken özen gösterilmelidir. Yeterli kalınlıkta paspayı ile donatı korozyondan korunabilir ve uzun servis ömrü sağlanabilir. Ancak paspayı tabakasının oluşturulmasında kullanılan malzemelerin kendisini çevreleyen beton ile oluşturduğu temas yüzeyinin geçirimliliği üzerine literatürde yapılan çalışmalar yeterli değildir.
Sunulan bu çalışmanın temel amacı kür koşullarının betonun bazı fiziksel ve mekanik özeliklerine etkilerini incelemektir. Bu kapsamda yapılan deneysel çalışmada; normal, yüksek ve ultra yüksek dayanımlı olmak üzere üç farklı sınıfta betonlar üretildi. Bu betonlar; standart koşullarda su kürü, buhar kürü ve yalıtılmış ortamda yüksek sıcaklık kürü olmak üzere üç farklı kür koşulunda tutuldu. Üretilen betonların basınç dayanımları, klor iyonu geçirimlilikleri ve kılcal su emme değerleri belirlendi. Elde edilen deney sonuçları uygulanan kür koşullarının beton özeliklerini önemli oranda etkilediğini ortaya koydu. Buhar kürü uygulanması sırasında veya betonun dökümü sonrasında bakım koşullarındaki aksaklıklara bağlı olarak oluşan erken yaş çatlaklarının etkisi de çalışma kapsamında incelendi. Bu amaçla, üretilen bazı beton numunelerinde çatlaklar oluşturuldu ve bu çatlaklı beton yüzeyleri monomerik alkilalkoksilan esaslı su itici malzeme ile kaplandı. Ardından, geçirimlilik deneyleri yapılarak bu malzemenin etkinliği değerlendirildi. Ayrıca, beton ve plastik olmak üzere farklı tip paspayı kullanılmasının betonların geçirimlilik özeliklerine etkileri de çalışma kapsamında incelendi.
Çalışmada normal dayanımlı betonda nominal çimento dozajı 300 kg/m³, su/ çimento oranı 0,52 olan beton karışımı kullanıldı. Yüksek dayanımlı beton için çimento dozajı 500 kg/m³, su/ çimento oranı 0,32 olan beton karışımı ve ultra yüksek dayanımlı betonda ise çimento dozajı 1000 kg/m³, su/ bağlayıcı oranı 0,17 ve su/çimento oranı 0,22 olan beton karışımları göz önüne alındı.
Elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde, yüksek sıcaklıktaki kür uygulamaları ile normal dayanımlı betonlar ve yüksek dayanımlı betonların basınç dayanımlarının azaldığı görülmektedir. Ultra yüksek dayanımlı betonlarda ise yüksek sıcaklıktaki kür uygulamaları basınç dayanımını olumlu etkilemekte ve dayanımlar artmaktadır. Yüksek sıcaklıkta kür yapıldığında normal dayanımlı betonlardaki dayanım azalması yüksek dayanımlı betonlara göre çok daha belirgindir. Normal ve yüksek dayanımlı betonların yüksek sıcaklıktaki kür etkisine bağlı olarak iç yapıları zarar görmekte ve geçirimlilikleri artmaktadır. Ancak, ultra yüksek dayanımlı betonlarda ise buhar kürü uygulaması ile iç yapı iyileşmekte ve daha yoğun bir yapıya dönüşmektedir. 
Tüm beton sınıflarında, plastik paspayı kullanılan numunelerde hem hızlı klor iyonu geçirimliliği hem de kılcal su emme değeri beton paspayı kullanılan numunelere göre artış gösterdi. Plastik paspayı kullanılması ile ultra yüksek dayanımlı betonun hızlı klor iyonu geçirimliliği değerinde oluşan artış, normal ve yüksek dayanımlı betonlara kıyasla daha fazladır. Paspayı kullanılmayan referans betonlar ile beton paspayı kullanılan numunelerin kılcal su emme ve hızlı klor iyonu geçirimliliği özelikleri incelendiğinde ise tüm beton sınıflarında betonun geçirimlilik değerlerinin paspayı kullanılması ile arttığı belirlendi.
Çatlak bulunan beton numunelere su itici tecrit malzemesi uygulanması ile betonların hem kılcal su emme değerinde hem de hızlı klor iyonu geçirimliliği değerlerinde belirgin bir azalma görülmektedir. Bu azalma, bütün beton sınıflarında olmakla birlikte en belirgin etkiler normal dayanımlı betonlarda, sonra sırasıyla yüksek dayanımlı ve ultra yüksek dayanımlı betonlarda olmaktadır. Tecrit malzemelerinin kullanılması ile çatlak bulunan numunelerin geçirimlilik değerleri azalmaktadır. Yaşlandırma deneyi, hem çatlak bulunan tecrit malzemesi uygulanmış numunelere hem de çatlak bulunmayan referans beton numunelere uygulandığında, yaşlandırma etkisi ile başlangıçta çatlak bulunmayan referans numunelerde dahi ağ şeklinde çatlaklar oluşmaya başlamıştır. Deney sonrasında tüm numunelerin kılcal su emme değerinde artış gözlemlenmiştir. Ancak, tecrit malzemesi uygulanan numunelerin yaşlandırma sonrasında kılcal su emme değerindeki artış daha azdır. Yaşlandırma ve donma çözülme çevrimleri tecrit malzemesi uygulanan tüm sınıflardaki beton numunelere zarar vermekte ancak normal dayanımlı betonda verdiği zarar, yüksek ve ultra yüksek dayanımlı betona göre daha fazla olmaktadır. Yaşlandırma ve donma çözülme çevrimleri sonrası normal dayanımlı betonlarda tecrit malzemesi etkinliği önemli ölçüde azalmaktadır.  Bu çevrimler sonrası normal dayanımlı beton yüzeyinde tecrit malzemesi kaybolmakta, ancak ultra yüksek dayanımlı betonda yaşlandırma ve donma çözülme çevrimleri sonrası yüzeye uygulanan tecrit malzemesi görülmektedir. Ultra yüksek dayanımlı betonlarda yaşlandırma ve donma çözülme çevrimleri sonunda hızlı klor iyonu geçirimliliği değeri ihmal edilebilecek düzeydedir. Bu sonuç tecrit malzemesi uygulanan ultra yüksek dayanımlı betonun yaşlandırma ve donma çözülme çevrimlerinden etkilenmediğini göstermektedir. Bu durumun oluşmasında tecrit malzemesi dışında betonun iç yapısı da etkilidir.

Abstract:
Effects of the humidity and temperature on concrete are defined as curing conditions. There should be humidity in the air for cement to continue hydration process. In the absence of humid, hydration becomes slow until it stops and consequently, concrete will not gain strength. For this reason, appropriate curing conditions should be provided in order to get concrete having desired properties. 7 days for cast-in-place concrete, more than 7 days of curing in humid environment for concrete made of pozzolana cement are advised. However, in prefabricated concrete industry, where production and assembly processes are faster, applying long curing times for concrete and concrete elements slows production. In these situations, temperature can be increased to increase hydration rate and so strength gaining rate. The most common method for both maintaining appropriate humidity and for increasing temperature is to apply steam curing. Applying curing by increasing temperature in isolated environment is applied instead of standard humid curing under normal conditions while producing ultra-high strength concrete which have spread in the recent years.
Steam curing processes can be summarized as pre-waiting, controlled heating, holding at constant temperature and controlled cooling. In case of these processes are not applied correctly and timely, lack of strength of the concrete or cracking at the surface of the concrete can be seen. For example, in case of fast dropping of temperature in the environment cause the surface of the concrete to cool quickly while inside of the concrete is still warm. This causes high temperature difference between inside and surface of the concrete which will lead different deformations and so cracking. It is obvious that a cracked concrete is affected negatively, by means of permeability and mechanical properties. For instance, in case of presence of cracking on the concrete spacer, transportation of chloride ions will happen very quickly and thus Chloride concentration at the cracking area will be much higher than other places. This high-level chloride concentration causes corrosion to happen in much shorter time. Besides, because of fast passage of other harmful effects and water through these cracking, these effects may harm the concrete much more easily. Physical influences like freeze-thawing would create faster damage. For these reasons, cracking in concrete elements reaching steel reinforcement should be repaired appropriately. Additionally, depending on environmental effects faced by concrete elements, cracking smaller than 0.2 mm or web-shaped cracking should be insulated. For this, it is advised to cover the cracked concrete surface to be covered with water-repellent materials. 
However, there are few studies in the literature concerning life-time of these cover materials and influences of environmental effects like sun-light, temperature, freeze-thawing on these materials.
In order to achieve structures with long service lives, the quality of concrete cover should be taken into account and to obtain a crack-free cover with low permeability, care should be given to the curing conditions. With sufficient cover thickness, the reinforcement can be protected from corrosion and long service life can be ensured. However, studies in the literature related to the permeability of the interfacial zone between the cover material and the surrounding concrete is not enough.
The main objective of the presented work is to study the effect of curing conditions on the physical and mechanical properties of concrete. In the experimental work; concretes in three different classes including normal strength, high strength and ultra high strength were cast. The concretes were cured in three different curing conditions which were; water curing at standard conditions, steam curing and high temperature curing in an isolated environment. Compressive strength, chloride permeability and capillary water absorption of the samples were determined. The experimental results demonstrated that curing conditions significantly affect the properties of concrete. The effect of early age cracks, occurring due to deficiencies in steam curing or the conditions after casting, were also investigated in the study. Cracks were formed on some of the concrete samples and the cracked concrete surfaces were coated with the water repellent material. Permeability tests were made by on these samples to investigate the effectiveness of this material. In addition, the effects of different types of cover spacers materials, such as concrete or plastic, on the permeability of concrete were also investigated.
In this study, for normal strength concrete 300 kg/m³ cement and 0,52 water/cement ratio; for high-strength concrete 500 kg/m³ cement and 0,32 water/cement ratio and for ultra-high-strength concrete 1000 kg/m³ cement and 0,17 and 0,22 water/cement ratio are used. 
Applying curing at high temperature causes decrease in compressive strengths of normal strength and high strength concrete. Whereas, applying curing at high temperature has positive impact on compressive strength of ultra-high strength concrete, in other words, increase in strength. Decrease in strength because of curing is more obvious for normal concrete than high strength concrete. Internal structure of normal and high-strength concrete are harmed by the effects of curing at high temperature that also cause increase in permeability. On the other hand, internal structure of ultra-high strength concrete is healing and becoming denser under curing at high temperature.
For all concrete classes, samples with plastic spacers have higher capillary water absorption and rapid chloride permeability compared to those with concrete spacers. The increase in the chloride permeability is higher for the ultra high strength concretes compared with normal and high strength concretes. When capillary water absorption and rapid chloride ion permeability of the concretes with and without spacers are analyzed, it is seen that the use of spacers increases the permeability for all concrete classes. 
It is seen that applying water repellent material to cracked concrete samples decrease both capillary absorption and rapid chloride permeability values. These decreases are seen at all types of concrete, however, mostly at normal strength concrete, then high-strength concrete and the least at ultra-high strength concrete. Permeability values of cracked samples are decreased by using water repellent materials. Aging tests are applied to both water repellent material applied samples and blank samples not having cracking. Aging test creates web-shaped cracking even on the blank samples. As a result of these test capillary absorption values of all samples are increased, however, increase in water repellent material applied sample is less than the other samples. These cycles damage all concretes that the water repellent material had been applied. However, this damage is higher in normal strength concrete than those in the high and ultra high-strength concretes. The efficiency of the water repellent material is reduced significantly in normal strength concrete after aging and freeze-thaw cycles. After the aging and freeze-thaw cycles, the water repellent material on normal concretes is lost but those on ultra-high strength concrete is still observed. For ultra high strength concretes, the rapid chloride permeability values are negligible even after aging and freeze-thaw cycles. This result shows that ultra high-strength concrete is not affected by this aging. The internal structure of the concrete is also effective for this result.