Alkaliler ile aktive edilen betonlarının mekanik ve durabilite özellikleri

Bu çalışmada, CO2 salınımında büyük bir role sahip olan çimentonun betonda mineral katkı ile yer değiştirilmesiyle elde edilen betonların mekanik ve durabilite özellikleri incelenmiştir. Bağlayıcı malzeme olarak öğütülmüş yüksek fırın cürufu kullanılmıştır. Puzolanik reaksiyonların yavaş gerçekleşmesi, bu sebeple de betonun geç yaşlarındaki dayanımına katkı sağladığı bilindiği için, bu aşamayı hızlandırmak için alkali aktivatörler kullanılmştır. Sodyum hidroksit (NaOH) ve sodium silikat (Na2SiO3) kullanılan alkali aktivatörlerdir. Beton üretimine boncuk formundaki NaOH suda çözülerek ve sıvı formdaki Na2SiO3 su eklendikten sonra karışıma eklenmiştir. Beton üretimleri 4+2 dakikada tamamlanmıştır. Yeterli işlenebilirlik için gerektiğinde bağlayıcı ağırlığının %1 ile %3'ü arasında süperakışkanlaştırıcı katkı kullanılmıştır. Her bir seri beton üretimlerinde her su/bağlayıcı oranı için 12 adet silindir numune üretilmiştir. Silndir numune boyutları; çap 10 cm, yükseklik 20 cm'dir. Bütün numuneler 28 gün boyunca 20+2ºC'de kirece doygun suda bekletilmiştir. Taze haldeki beton üretimlerinde birim ağırlık ve çökme deneyi yapılmıştır. Sertleşmiş beton numuneleri için ise, 28 günlük basınç dayanımı, elastisite modülü tayini, su emme, kılcal geçirimlilik, hızlı klor geçirimliliği ve iki noktalı elektriksel özdirenç deneyleri yapılmıştır. Taze beton deneylerinden birim ağırlık deneyi TS EN 12350-6 (2010), çökme deneyi TS EN 12350-2 (2010) standardına uygun olarak yapılmıştır. Beton karışım hesaplarından tayin edilen teorik birim ağırlık ve deneylerden elde edilen gerçek birim ağırlık değerleri sonucunda beton içerisindeki gerçek hava miktarı hesaplanmıştır. Üretilen betonlardan yeterli işlenebilirliği elde etmek için yapılan çökme deneyinde ise, referans betonlar ve Na2SiO3/NaOH oranı 2,5 olan ikinci seri üretimler S4 sınıfı, Na2SiO3/NaOH oranı 1 olan üçüncü seri ve Na2SiO3/NaOH oranı 4 olan dördüncü seri üretimler ise S5 sınıfı olarak belirlenmiştir. Üretimden 30 dakika sonra alkaliler ile aktive edilen betonların çok hızlı kıvam kaybettikleri gözlemlenmiştir. Sertleşmiş beton numunelerine uygulanan mekanik deneylerden basınç dayanımı deneyi TS EN 12390-3 (2010) standardına göre, 28 günlük numuneler üzerinde yapılmıştır. Deney sonuçlarına göre numunelerin basınç dayanımları üzerinde su/bağlayıcı oranının en önemli etken olduğu görülmüştür. En yüksek basınç dayanımı 60 MPa olarak 0,65 su/bağlayıcı oranında Na2SiO3/NaOH oranı 4 olan numunelerde elde edilmiştir. Su/bağlayıcı oranı 0,50 ve 0,65 olan numunelerde Na2SiO3/NaOH oranı 2,5 olan numunelerde kendi serileri içinde en düşük basınç dayanımları gözlemlenmiştir. Bütün numuneler içerisinde en düşük basınç dayanamı ise 0,65 su/bağlayıcı oranında Na2SiO3/NaOH oranı 2,5 olduğunda 10 MPa olarak elde edilmiştir. Buna ek olarak, su/bağlayıcı oranı 0,35 olan numunelerde basınç dayanımı artışı Na2SiO3/NaOH oranının artışı ile lineer eğilim gösterirken, su/bağlayıcı oranı 0,50 ve 0,65 olan numunelerde eğilim lineer özellik göstermemektedir. Diğer bir mekanik özellik olan elastisite modülü deneyi ise silindir numunelerinin basınç dayanımlarının %30'una kadar yüklenip burdan elde edilen verilerle çizilen grafiğin lineer elastik bölgesinin eğimi ile belirlenmiştir. Elde edilen en büyük elastisite modülü 36 GPa olup, su/bağlayıcı oranı 0,36 olan referans betonlarına elde edilmiştir. 0,36 ve 0,50 su/bağlayıcı oranlarında en düşük elastisite modülleri Na2SiO3/NaOH oranı 2,5 olduğunda elde edilmiş ve bu değerler sırasıyla 22,8 ve 17,2 GPa'dır. Elde edilen sonuçlarda, basınç dayanımları ve elastisite modülleri arasında pozitif artış gösteren lineer bir eğilim elde edilememiştir. Durabilite özelliklerini belirlemek için yapılan su emme deneyi TS EN 12390-7 (2010) standardına göre yapılmıştır. Numuneler 24 saat 105ºC etüvde daha sonra ise 3 gün boyunca suda bekletilmiştir. Numunelerin kuru ve suya doygun ağırlıkları elde edilip ağırlıkça yüzde su emmeleri hesaplanmıştır. Sonuçlara göre, en düşük su emme su/bağlayıcı oranı 0,36 olan referans betonunda %0,3 olarak gözlemlenmiştir. Diğer en düşük su/bağlayıcı oranı %2 olarak su/bağlayıcı oranı 0,36 olan alkalilerle active edilen betonlarda gözlemlenmiştir. Diğer bir deyişle, betonların su geçirimliliğinde de belirleyici özellik basınç dayanımlarında olduğu gibi burada da su/bağlayıcı oranı olmuştur. Su/bağlayıcı oranı 0,50 ve 0,65 olan numunelerde tüm Na2SiO3/NaOH oranlarında %4 olarak gözlemlenmiştir. İkinci durabilite deneyi olan kılcal su emme deneyi ise TS EN 772-11 (2012) standardına uygun olarak yapılmıştır. Silindir numuneler düşey doğrultuda ortadan ikiye bölünerek yükseklikleri 10 cm, çapları 10 cm olan numuneler elde edilip 105ºC'de 24 saat etüvde bekletilmiştir. Kesim yüzeyleri suyla temas edecek şekilde alt yanal yüzeyleri su geçirimsizlik için parafinle kaplanmıştır. 144 dakika boyunca süren deneyde, ağırlık farkları ölçülerek kılcal su emme katsayısı hesaplanmıştır. En düşük kılcallık katsayısı su/bağlayıcı oranı 0,36 olan referans betonunda 0,01x10-6 cm2/s olarak elde edilmiştir. En yüksek kılcallık katsayısı ise su/bağlayıcı oranı 0,50 ve Na2SiO3/NaOH oranı 4 olan betonda 41,7x10-6 cm2/s olarak elde edilmiştir. Üçüncü durabilite deneyi olan hızlı klor geçirimliliği deneyi ASTM C 1202-12 standardına göre yapılmıştır. Çapı 100 mm, yüksekliği 50+3 mm olan silindir numunelerin çevreleri geçirimsizlik için poliüretan malzeme ile kaplanmıştır. Numuneler deneyden önce, 3 saat boyunca hava vakumu sonrasında ise vakum haznesi su ile doldurularak 1 saat boyunca numunelere vakum etkisinde su emmeleri sağlanmıştır. Vakum işlemi sonrasında numuneler, deney başlayıncaya kadar suda bekletilmiştir. Hızlı klor geçirimlilği deneyinde hücrelerden biri %3 oranında NaCl çözeltisi ile, diğer ise 0,3 N NaOH ile doldurulmuştur. Bu iki hücre arasına yerleştirilen numuneye 60 V potansiyel fark uygulanıp 6 saat boyunca her yarım saatte bir olmak üzere akım okunmuştur. Deney sonunda akım zaman grafiği çizilip altında kalan alan hesaplanarak elektrik miktarı coloumb cinsinden hesaplanmıştır. Deney sonucunda elde edilen verilere göre, klor geçirimliliğini etkileyen faktörün su/bağlayıcı oranı olduğu gözlemlenmiştir. Durabilite deneylerinden sonuncu deney olan iki elektrot yöntemi ile elektriksel özdirenç deneyi yapılmıştır. Elektriksel özdirençler ölçülürken, numuneler yüzey kuru suya doygun yapıda olup iki çelik plaka arasına yerleştirilerek okumalar alınmıştır. Deney sonuçları, hızlı klor geçirimliliği sonuçları ile paralellik göstermiştir. Durabilite deneylerinde sonuçları etkileyen faktörün su/bağlayıcı oranı olduğu anlaşılmıştır. Alkali aktivatör oranlarının değişmesinin durabilite sonuçları üzerinde çok etkili bir farklılık göstermediği anlaşılmıştır. Durabilite özellikleri betonun iç yapısına bağlı olduğu için, iç yapısında oluşan boşluklar geopolimer karışımların geçirimlilik özellerini arttırmış olmaktadır. Bunun sebepleri ise, kullanılan alkali aktivatörlerin kimyasal özellikleri, beton karışım oranları ve kür koşulları olabilir. Yapılan maliyet analizlerinde ise, alkalilerle aktive edilen betonların maliyetinin, referans betonlarının yaklaşık olarak 8 katı olduğu belirlenmiştir. Bunun sebebi ise kullanılan alkali aktivatörlerin birim fiyatlarının yüksek olmasıdır.