Betonun sülfat saldırısı nedeniyle hasar görebileceği olgusu çok uzun süredir kapsamlı bir şekilde bilinmektedir. 19. yüzyıldaki ilk araştırmalar Vicat ve Candlot tarafından rapor edilmiştir [1]. İlk başta geleneksel olarak betonda oluşan tahribat, etrenjit (C3A·3CaSO4·32H2O) oluşumuna bağlanmaktaydı. Thorvaldson tarafından yapılan sistematik çalışmalar, klinkerdeki yüksek C3A içeriğinin; etrenjit oluşumuna ve dolayısıyla sertleşmiş çimento hamuru üzerinde sülfat saldırısı sırasında genleşmeye yol açabileceğini göstermiştir [2]. Hidrate olmamış çimentoda ferrit fazının (C4AF) varlığının, düşük reaktivite nedeniyle daha az zararlı olduğu ayrıca bulunmuştur. Bu gözlemler, düşük C3A içeriğine sahip, sülfata dirençli Portland çimentosunun (SDÇ) piyasaya sürülmesine yol açmıştır [3]. Günümüzde sülfata dayanıklı Portland çimentosunun kullanımı, sülfat saldırısına maruz kalan beton üretimine yönelik çoğu standart ve kılavuzda benimsenmiştir. Candlot (1890) tarafından daha önce belirtildiği gibi etrenjit oluşumu sülfatların saldırısına uğrayan betonun tahrip edilmesinde önemli bir faktördür ancak tek faktör değildir [1].
Sertleşmiş çimento hamurunun konsantre sülfat çözeltilerine maruz bırakılması sırasında etrenjitin yanı sıra alçıtaşı (CaSO4·2H2O) oluşumu da gerçekleşmektedir. Jips (alçıtaşı) damarlarının varlığı, Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılarak yapılan incelemeler sonrasında rapor edilmiştir [4,5]. Tian ve Cohen tarafından yapılan çalışmada alçıtaşı oluşumunun sodyum sülfat çözeltilerine maruz kalma sırasında genleşmeye katkıda bulunduğu tespit edilmiştir [6]. Sülfata dayanıklı Portland çimentosunda alit (C3S) içeriği ne kadar yüksek olursa, hidratasyon sırasında Portlandit (Ca(OH)2) o kadar fazla oluşmakta ve bu çimentolar alçı oluşumuna karşı o kadar hassasiyet göstermektedir [7,8]. Bu durum orta düzeyde sülfat konsantrasyonlarının hâkim olduğu saha koşulunda nadiren gözlenmektedir [9]. Alçıtaşı oluşumu puzolanik ve gizli hidrolik katkıların eklenmesiyle önlenebilmektedir. Bu malzemelerin reaksiyonu sırasında kalsiyum hidroksit tüketilmektedir. Bu aşama alçı oluşumu için gereklidir. Sertleşmiş bir çimento hamurunun Portlandit içeriği ne kadar az olursa, alçıtaşı oluşumuna karşı direnci de o kadar yüksek olmaktadır [6,7].
Sülfat saldırısı sırasında etrenjit ve alçıtaşı dışında üçüncü bir mineral olan tomasit (CaSiO3·CaSO4·CaCO3·15H2O) oluşumu 1965 yılında Erlin ve Stark tarafından hasarlı betonların incelenmesi esnasında tespit edilmiştir [10].
Tomasit, doğal olarak oluşan nadir bir mineraldir. Genellikle metamorfik kayalarda bulunur ve ilk kez 1874’te tanımlanmıştır. Yapısal olarak etrenjite benzeyen karmaşık, sülfat içeren bir mineraldir.
Sülfat atağının tomasit formu, sülfatlarla ilişkili daha yaygın bozulma türlerinden potansiyel olarak daha ciddidir, çünkü yalnızca Portlandit ve kalsiyum alüminat fazlarından ziyade ana kalsiyum silikat fazları etkilenmekte ve sonuçta malzemenin bütünlük ve dayanım açısından tamamen bozulmasına neden olmaktadır. Mekanizmanın ilk kez 1965’de tanınmasından bu yana dünya çapında tomasitin neden olduğu beton bozulmasına ilişkin raporlar yayınlanmıştır ve rutin incelemeler sırasında petrografi uzmanları tarafından küçük tomasit oluşumları oldukça sık gözlemlenmiştir.
Sistematik araştırmalar 30 yıldan fazla bir süre sonra İngiltere’deki Thaumasite Expert Group’un (TEG) raporuyla başlamıştır [11]. Tomasit oluşumunun İngiltere’de bir otoyoldaki köprülerin temellerinde ciddi hasara yol açtığı fark edilmiştir. 1999’dan bu yana tomasit oluşumunu içeren çok daha fazla hasar vakası rapor edilmiştir [12]. Sertleşmiş betonda bulunan C-S-H fazlarının, betonun düşük sıcaklıklarda sülfat atağına maruz kalması durumunda tomasite dönüşebileceği konusunda mutabakata varılmıştır. Reaksiyonun ilerlemesi için hareketli su ve bir kalsiyum karbonat (CaCO3) kaynağı gerekmektedir. Etrenjit (çimentodaki C3A içeriğini düşürür) ve alçıtaşı (sertleşmiş çimento hamurunda mevcut Portlandit miktarını azaltır) ile ilgili durumun aksine, sertleşmiş çimento hamurunda tomasit oluşumuna karşı korunmayı sağlayacak basit bir kimyasal kavram tanıtılmamıştır. Tomasit oluşumunu önlemeye yönelik bu kadar basit bir kimyasal konsept büyük faydalar sağlayacaktır çünkü tomasit oluşumuna karşı SDÇ kullanımının koruyucu bir etkisi yoktur. Dahili kalsiyum karbonat kaynağı olmayan betonun tomasit oluşumuna karşı dayanıklı olacağı öne sürülmüştür. Ancak Collett ve ark. [13], tomasitin kalsiyum karbonat için dahili bir kaynak mevcut olmadığında da oluşabileceğini göstermiştir. Bu araştırmada tomasit oluşumu için gerekli olan karbonat kaynağının betona atmosferden karbondioksit girişiyle meydana gelen karbonatlaşma reaksiyonu sonucu meydana geldiği belirlenmiştir.
Tomasit oluşumunu, C-S-H jelinin önemli bir kısmını yok edilebildiğinden, sertleşmiş betonu yumuşak ve dağılan bir kütleye dönüştürebilen en ciddi dayanım ve aderans kaybı takip eder. Her tür sülfat tuzu ile gerçekleşebilen bu olayı nemli ortam ve düşük sıcaklık (<15°C) tetikler.
Tomasit oluşumunu etkileyen faktörler
TEG tarafından dördü birincil ve dördü ikincil olmak üzere ilgili faktörler iki kategoriye ayrılmıştır. TEG tarafından “tomasitin ancak tüm birincil risk faktörlerinin aynı anda mevcut olması ve önemli derecede gelişmesi durumunda gömülü betonlarda meydana geleceği” değerlendirilmiştir. Herhangi bir Portland çimentosu esaslı malzeme için bu birincil risk faktörleri aşağıdaki şekilde özetlenebilir:
• Sülfata bozunabilen sülfür de dahil olmak üzere bir sülfat kaynağının varlığı,
• Hareketli suyun varlığı (gömülü beton durumunda yeraltı suyu),
• Karbonatın varlığı (TEG tarafından genel olarak agregada olduğu öne sürülmektedir) ve
• Düşük sıcaklıklar (TEG tarafından 15oC’nin altında olması belirtilmiştir.).
Gömülü beton durumunda, sülfatın kaynağı tipik olarak dış kaynaklıdır yani topraktan gelmektedir. Yer üstünde bulunan binalar ve çimento bazlı malzemelerde ise diğer sülfat kaynağı türlerine göre tomasit oluşumu meydana gelmektedir. Bunlar, agrega bileşenleriyle ilişkili veya sülfat bazlı çimento çeşitlerinden türetilen iç kaynakları; geleneksel alçı, kalsiyum sülfatlı sıva türleri, bazı tuğla türleri, kil esaslı yığma birimleri ve sülfat bazlı veya sülfat içeren yapı malzemeleri veya elemanlarıyla bağlantılı dış kaynakları içermektedir.
Tomasit ile ilgili ilk çalışmalar sürekli ıslak koşullara olan ihtiyacı tanımlamaktaydı. TEG, gömülü betonlarda dış kaynaklı sülfatların tedarikini yenilemek için sürekli bir su akışı olması durumunda tomasit oluşumunun ilerleyebileceğini ve dolayısıyla ciddi hasar verebileceğini belirtmiştir. Bu nedenle, yalnızca hareketli suyun varlığının birincil risk faktörü olarak belirlenmiştir. Bununla birlikte; hareketliliğe yönelik bu gereklilik, sürekli doygunluğun ve hatta aralıklı ıslanmanın nedensel bir faktör olarak yeterli olabileceği durumlarda, sülfat kaynaklarının tamamının dahili olduğu durumlar için geçerli olmayabilir.
Tomasit bileşimi göz önüne alındığında, bir karbonat kaynağının tomasit oluşumu için temel bir gereklilik olduğu açıktır. TEG, bunun genellikle kaba ve/veya ince beton agregalarında bulunan karbonat olacağını değerlendirmektedir. Ancak “karbonatın ayrıca nadiren betonun dışından da kaynaklanabileceği” belirtilmektedir.
TEG tarafından tespit edilen ikincil risk faktörleri şu şekilde özetlenebilir:
• Betonda kullanılan çimentonun türü ve miktarı,
• Betonun kalitesi,
• İnşaattan kaynaklanan zemin kimyası ve su rejimindeki değişiklikler ve
• Gömülü betonun türü, derinliği ve geometrisi.
Kaynaklar
[1] Erlin B, Stark DC. Identification and occurrence of thaumasite in concrete. Highway Res Record 1966;113:108–13.
[2] St John DA, Poole AB, Sims I. Concrete petrography, a handbook of investigative techniques. London UK: Arnold; 1998.
[3] Hartshorn SA, Sims I. Thaumasite, a brief guide for engineers. Concrete 1998;32(8):24–7.
[4] Crammond NJ, Halliwell MA. Assessment of the conditions for the thaumasite form of sulfate attack. In: Scrivener KL, Young JF, editors Boston, USA: MRS Fall Meeting; 1995. p. 193–200.
[5] Clark LA (Chairman). The thaumasite form of sulfate attack: risks, diagnosis, remedial works and guidance on new construction: report of the Thaumasite Expert Group, Department of the Environment, Transport and the Regions, London, UK, 1999.
[6] Clark LA (Chairman). Thaumasite Expert Group one-year review, Department of the Environment, Transport and the Regions, London, UK, 2000.
[7] Building Research Establishment, Sulphate and acid resistance of concrete in the ground, Digest 363, BRE, Watford, UK, 1991.
[8] Building Research Establishment, Concrete in aggressive ground conditions, Parts 1–4, Special Digest 1, BRE, Watford, (CRC Ltd., London), UK, 2001.
[9] Bickley JA, Hemmings RT, Hooton RD, Balinski J. Thaumasite related deterioration of concrete structures. In: Proceedings of V M Malhotra Symposium, concrete technology past, present and future, SP 144. American Concrete Institute; Detroit, USA: 1994. p. 159–75.
[10] Hartshorn SA, Sharp JH, Swamy RN. Thaumasite formation in Portland-limestone cement pastes. Cement Concr Res 1999;29: 1331–40.
[11] Torres SM, Sharp JH, Swamy RN, Lynsdale CJ, Huntley SA. Long term durability of Portland limestone cement mortars exposed to magnesium sulfate attack. 1st International Conference on Thaumasite in Cementitious Materials BRE. Watford, UK: 2002.
[12] Sims I, Hartshorn SA. Recognising thaumasite. Concr Eng Int 1998;November/December:44–8.
[13] Berra M, Baronio G. Thaumasite in deteriorated concretes in the presence of sulfates. In: Scanlon JM, editor. Concrete Durability: Katharine and Bryant Mather International Conference, SP 100, (Paper SP 100-106). Detroit USA: American Concrete Institute; 1987. p. 2073–89.
BetonveCimento.com için Patreon üzerinden destekte bulunmak ister misiniz?
İnş.Yük.Müh. olan Yasin Engin, lisans ve yüksek lisans eğitimini Boğaziçi Üniversitesi'nde tamamlamıştır. 16 yıldır beton ve çimento sektöründe çalışmaktadır. Web sitesindeki tüm yayınlar Yasin Engin tarafından paylaşım amacıyla hazırlanmıştır. Yayınlar kaynak gösterilerek kullanılabilmektedir.
(yasin.engin@gmail.com)
