Betonun İçsel Kürlenmesi: Mekanizma, Malzemeler ve Uygulama Esasları

İçsel kürlenme (internal curing), betonun sertleşme sürecinde çimento hidratasyonu için gereken ilave suyun, karışımın içine önceden yerleştirilmiş su depolarından kontrollü biçimde sağlanmasıdır. Özellikle düşük su/bağlayıcı oranlı betonlarda önem kazanan bu yaklaşım, iç bağıl nemdeki düşüşü ve buna bağlı otojen büzülmeyi sınırlamayı hedefler.

Düşük su/bağlayıcı oranı sayesinde yoğun bir çimento hamuru elde etmek mümkün olsa da bu durum, hidratasyonun ilerleyen aşamalarında iç nem kaybını ve otojen büzülme riskini artırabilir. Bu nedenle yüksek dayanımlı ve yüksek performanslı betonlarda yalnızca dış yüzeyin nemli tutulması değil, iç hacimdeki suyun yönetimi de önemlidir. Türkiye’de yürütülen deneysel çalışmalar, içsel kür malzemesinin miktarı kadar tane boyutunun ve mekânsal dağılımının da belirleyici olduğunu göstermiştir [1, 2].

İçsel kür neden gereklidir?

Çimentonun hidratasyonu ilerledikçe su tüketilir; hidratasyon ürünlerinin oluşumu ile boşluk yapısı değişir. Düşük su/bağlayıcı oranında, dış ortamdan su girişi de kısıtlı olduğundan, gözeneklerdeki suyun azalması kendiliğinden kuruma (self-desiccation) olarak adlandırılan olaya yol açabilir. Bunun sonucunda kapiler gerilmeler gelişebilir; özellikle erken yaşlarda otojen büzülme ve çatlama riski artabilir.

İçsel kür sistemi, hidratasyon devam ederken içerdeki rezervuarlardan suyun çimento hamuruna geçmesini sağlayarak bu süreci sınırlandırmaya çalışır. Buradaki esas, yalnızca betona daha fazla su katmak değil, suya ihtiyaç duyulan zamanda kullanılabilecek bir kaynağı mikro ölçekte dağıtmaktır.

Literatürden ölçülebilir bir örnek: Akçay ve Taşdemir’in çalışmalarında, pigmentli suyla doyurulmuş genleştirilmiş kil taneciklerinden çimento hamuruna ilerleyen iz yaklaşık üçüncü günde 1 mm olarak saptanmış, 7 ve 28. günlerde belirgin bir artış görülmemiştir. Bu değer, deneyde kullanılan su/çimento oranı 0,28 olan hamur ve izleme yöntemi için elde edilmiştir. Su hareketinin tüm betonlarda 1 mm ile sınırlı olduğu veya aynı mesafeye ulaşacağı şeklinde genellenmemelidir; hamurun gözenek yapısı, bağlayıcı özellikleri, agrega ve ölçüm tekniği sonucu etkiler [1, 2].

İçsel kür mekanizması nasıl işler?

1. Depolama: Önceden suya doyurulmuş gözenekli hafif agregalar veya uygun süper emici polimerler (SAP), suyu kendi bünyelerinde tutar.
2. İhtiyaç oluşumu: Hidratasyon ilerledikçe çimento hamurunun iç bağıl nemi düşme eğilimi gösterir.
3. Su aktarımı: Rezervuarlardaki su, ilgili malzemenin su bırakma karakteristiği ve nem potansiyeli farkına bağlı olarak çevre hamura geçebilir.
4. Etkiler: Daha uzun süre hidratasyon ve daha az kendiliğinden kuruma; uygun tasarımda daha düşük otojen büzülme ve çatlama eğilimi elde edilebilir.

Önemli ayrım: İçsel kür, dış yüzeydeki su kaybını önlemek için yapılan geleneksel kür işleminin yerine geçmez. İçsel ve dışsal kür birbirini tamamlar.

Hangi malzemeler kullanılır?

1. Önceden suya doyurulmuş hafif agregalar

En yaygın yaklaşım, gözenekli hafif ince agreganın belirli miktarda normal agreganın yerine kullanılmasıdır. Agreganın yalnızca yüksek su emme oranına sahip olması yeterli değildir: uygun tane boyutu, açık gözenek yapısı, suyu gereken bağıl nem aralığında bırakabilmesi, dayanıklılığı ve taze beton özelliklerine etkisi de değerlendirilmelidir. Agreganın karışıma girişteki nem durumu ölçülmelidir.

Hafif agregada yalnızca su emme kapasitesine bakmak yeterli değildir. Su rezervuarlarının birbirine yakın ve hamur boyunca dengeli dağılması, daha büyük bir hamur hacminin içsel kür suyundan yararlanmasını sağlayabilir. Akçay ve Taşdemir, bu etkiyi korunmuş hamur hacmi kavramıyla incelemiş; hafif agregalar arasındaki uzaklık ile otojen deformasyondaki azalma arasında ilişki bulmuşlardır. Korunmuş hamur hacmi, hafif agrega çevresinde varsayılan bir su aktarım mesafesi içinde kalan çimento hamuru hacmi olarak düşünülebilir [1, 2].

2. Süper emici polimerler (SAP)

SAP tanecikleri karışımda suyu emerek şişebilir ve ilerleyen dönemde bırakabilir. Su tutma ve salma davranışları polimerin kimyasal yapısına, çimento çözeltisinin iyon içeriğine, dozaja ve tanecik boyutuna duyarlıdır. SAP’nin bıraktığı boşlukların dayanım üzerindeki olası etkileri karışım deneyleriyle doğrulanmalıdır.

Türkiye bağlantılı güncel bir araştırmada Tutkun ve arkadaşları, SAP kullanılan çelik lifli SIFCON kompozitlerinde otojen ve kuruma büzülmesini birlikte incelemiştir. Deneylerde iki SAP tane boyutu (medyan boyutları 215 ve 725 µm) ve iki ilave içsel kür suyu seviyesi (36 ve 60 kg/m³) değerlendirilmiştir. SAP büzülme şekil değiştirmelerini azaltabilmesine rağmen daha büyük SAP tanecikleri ve yüksek içsel kür suyu içeren bazı serilerde çatlamış alanın arttığı gözlenmiştir. Dolayısıyla büzülme ölçümlerinde iyileşme olması, her zaman daha az çatlak oluştuğu anlamına gelmez. Bulgular, söz konusu özel lifli kompozit sistemine aittir [3].

Karışım tasarımında nelere dikkat edilmeli?

İçsel kür tasarımında amaç, hidratasyonun oluşturduğu su gereksinimini karşılayabilecek kullanılabilir iç kür suyu miktarını sağlamaktır. Bu miktar; bağlayıcı içeriği, su/bağlayıcı oranı, hidratasyon gelişimi, rezervuarın doygunluk düzeyi ve su salma davranışı dikkate alınarak belirlenir.

Ön ıslatılmış hafif agrega yaklaşımında basitleştirilmiş bir kütle dengesi şu şekilde yazılabilir:

M_H = W_İK / (A_k × S × η)

Burada M_H kuru hafif agrega kütlesi (kg/m³), W_İK hedeflenen kullanılabilir iç kür suyu (kg/m³), A_k hafif agreganın su emme kapasitesi (kg/kg), S gerçek doygunluk oranı, η ise ilgili kür koşullarında suyun kullanılabilir bölümüdür. Bu ifade kavramsal bir ön boyutlandırma aracıdır; tasarım için deneysel ölçümler ve malzemeye özgü yöntemler gereklidir.

Hesap açısından kritik nokta: İç kür rezervuarında taşınan suyun tamamı başlangıçtaki etkin karışım suyu gibi değerlendirilmemelidir. Bununla birlikte serbest yüzey nemi ve erken salınan su, işlenebilirliği ve etkin su/bağlayıcı oranını etkileyebilir. Nem düzeltmeleri, agrega emme ölçümleri ve deney karışımları zorunludur.

Beklenen yararlar ve sınırlamalar

• Uygun koşullarda kendiliğinden kuruma ve otojen büzülmenin azaltılması.
• Özellikle düşük su/bağlayıcı oranlarında hidratasyonun desteklenmesi.
• Erken yaş çatlama riskinin azaltılmasına katkı; bunun düzeyi eleman boyutuna, kısıtlanma koşullarına ve kür uygulamasına bağlıdır.
• İç yapı ve uzun dönem performans üzerinde olumlu etkiler mümkün olmakla birlikte tüm dayanım ve geçirgenlik parametrelerinde otomatik iyileşme beklenmemelidir.
• Hafif agrega veya SAP kullanımı yoğunluğu, işlenebilirliği, mekanik özellikleri ve maliyeti değiştirebilir; kontrol karışımıyla karşılaştırmalı doğrulama gerekir.

Türkiye’deki araştırmalar ne gösteriyor?

Türkiye’deki üniversitelerle ilişkili ve aşağıda tam künyeleri verilen çalışmalar, içsel kürün faydalarını olduğu kadar tasarımda göz önünde bulundurulması gereken ödünleşimleri de ortaya koymaktadır. Akçay–Taşdemir’in 2008 tarihli Türkçe bildirisi ile 2010 tarihli uluslararası makalesinin aynı araştırma hattına dayandığı dikkate alınmalıdır; bunları birbirinden bağımsız iki doğrulama çalışması gibi değerlendirmek doğru olmaz.

Hafif agreganın boyutu ve miktarı: Akçay–Taşdemir (2008, 2010)

Su/bağlayıcı oranı 0,28 olan ve silis dumanı içeren yüksek dayanımlı beton serilerinde, önceden suya doyurulmuş doğal pomza agregalar iki tane boyutunda (2–4 mm ve 4–8 mm) kullanılmıştır. İncelenen yer değiştirme seviyeleri toplam agrega hacminin %10, %20 ve %30’u kadardır. Referans betonun 28. gündeki lineer otojen deformasyonu yaklaşık −537 µm/m olarak bildirilmiştir. Referansa göre azaltma oranları aşağıdaki gibidir [1, 2].

Not: Bu yüzdeler araştırmada kullanılan malzeme, karışım ve deney koşullarına aittir. Hafif agreganın tane boyutu, doygunluğu ve dağılımı değiştiğinde aynı azaltma oranları garanti edilemez.

Aynı çalışma, hafif agregaları parafinle kaplayarak su çıkışını engellediğinde otojen deformasyondaki azalmanın kaybolabildiğini de göstermiştir. Bu karşılaştırma, gözlenen etkinin yalnızca daha düşük elastisite modülüne sahip hafif agreganın karışıma girmesinden değil, içsel su aktarımından kaynaklandığına ilişkin güçlü bir deneysel gösterge sunar [2].

Lifli kompozitlerde yarar ve mekanik özellikler: Şahmaran ve arkadaşları (2009)

Şahmaran ve arkadaşları, su/bağlayıcı oranı 0,27 olan ECC karışımlarında normal silis kumunun kütlece %10 ve %20’sini suya doygun hafif agregayla değiştirmiştir. İncelenen serilerde %20 yer değiştirme ile 28 günlük otojen büzülmede yaklaşık %67, 90 günlük kuruma büzülmesinde yaklaşık %37 azalma bildirilmektedir. Bununla birlikte kullanılan hafif agreganın daha iri taneli olması, liflerin dağılımını ve matris davranışını etkileyerek bazı dayanım ve süneklik değerlerini düşürmüştür. Bu bulgular, içsel kürün boyutsal kararlılık ile mekanik performans birlikte değerlendirilerek tasarlanması gerektiğini gösterir [4].

SAP uygulamasında çatlama riski: Tutkun ve arkadaşları (2023)

SIFCON üzerinde yapılan bu araştırma, içsel kür uygulamasının değerlendirilmesinde yalnızca serbest büzülme deneylerinin yeterli olmayabileceğini göstermiştir. SAP’ın büzülmeyi azaltması olumlu bir sonuçtur; ancak deneylerde lifler arasındaki çatlakların haritalanması, bazı SAP’lı karışımlarda çatlak alanının arttığını ortaya koymuştur. Bu nedenle nihai performans değerlendirmesinde otojen büzülme, kuruma büzülmesi, çatlama ve mekanik özellikler birlikte incelenmelidir [3].

Uygulamada kalite kontrol

Literatürdeki farklı sonuçları doğru yorumlayabilmek için deney koşulları eşleştirilmelidir. Örneğin nem kaybının engellendiği numunelerde ölçülen otojen büzülme ile açık ortamda ölçülen kuruma büzülmesi birbirinin yerine kullanılamaz. Büzülme azalması ile çatlamaya karşı direnç de aynı ölçüt değildir. Hafif agrega kullanımının değişen yoğunluk ve mekanik özellikler üzerindeki etkisi, SAP kullanımının ise oluşabilecek ilave boşluklar ve lifli sistemlerdeki çatlak örüntüsü üzerindeki etkisi ayrıca değerlendirilmelidir.

İçsel kür uygulaması için hafif agreganın tane dağılımı ve su emme/bırakma özellikleri; karışım öncesindeki nem durumu; taze beton kıvamı ve hava içeriği; birim hacim kütlesi; basınç dayanımı; mümkünse iç bağıl nem, otojen büzülme ve erken yaş çatlama davranışı izlenmelidir. Referans beton ile içsel kürlü betonun eşdeğer bağlayıcı, hedef etkin su/bağlayıcı oranı ve uygun karşılaştırma koşullarında test edilmesi önemlidir.

İçsel kür ile geleneksel kür arasındaki fark

Sonuç

İçsel kürlenme, betonun dayanıklılığını etkileyen erken yaş nem yönetimine farklı bir yaklaşım sunar. Başarısı, yalnızca kullanılan malzemeye değil, rezervuarların beton içindeki dağılımına, depoladıkları suyun gerçekten kullanılabilir olmasına ve uygun bir karışım tasarımına bağlıdır. Özellikle düşük su/bağlayıcı oranlı sistemlerde avantaj sağlayabilir; ancak geleneksel kür, çatlak kontrolü ve performans deneyleriyle birlikte düşünülmelidir.

Türkiye’deki çalışmalar: Kaynakça

1. Akçay, B. ve Taşdemir, M. A. (2008). Yüksek Dayanımlı Betonun İçsel Kürlemesinde Hafif Agrega Dağılımının Etkisi. BETON 2008 Kongresi bildirisi, s. 145–154. Kongre bildirileri.
2. Akcay, B. ve Tasdemir, M. A. (2010). Effects of distribution of lightweight aggregates on internal curing of concrete. Cement & Concrete Composites, 32(8), 611–616. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2010.07.003.
3. Tutkun, B., Barlay, E. S., Yalçınkaya, Ç. ve Yazıcı, H. (2023). Effect of internal curing on shrinkage and cracking potential under autogenous and drying conditions. Construction and Building Materials, 409, 134078. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.134078.
4. Şahmaran, M., Lachemi, M., Hossain, K. M. A. ve Li, V. C. (2009). Internal curing of engineered cementitious composites for prevention of early age autogenous shrinkage cracking. Cement and Concrete Research, 39(10), 893–901. DOI: 10.1016/j.cemconres.2009.07.006.

Diğer temel kaynaklar ve ileri okuma

• American Concrete Institute (ACI), ACI 308R: Guide to External Curing of Concrete. Dış kür prensipleri ve uygulamaları.
• ASTM International, ASTM C1761/C1761M: Standard Specification for Lightweight Aggregate for Internal Curing of Concrete.
• Bentz, D. P. ve Weiss, W. J., Internal Curing: A 2010 State-of-the-Art Review, NISTIR 7765 (2011). NIST yayını.
• RILEM, Internal Curing of Concrete, State-of-the-Art Report; hafif agregalar ve süper emici polimerlerle iç kür yaklaşımları.

Not: Sayısal tasarım ve ürün seçimi, proje koşulları ve güncel standart sürümleri esas alınarak laboratuvarda doğrulanmalıdır.