Kimyasal katkılar

Kaynaklar1) Cement Admixture: uses and applications, Cement Admixture Association2) Domone P, Illston J, Construction Materials, 4th Edition3) Mindess S et al., Concrete, 2nd Edition4) Hewlett P,

Hewlett PC,

Lea's Chemistry of Cement and Concrete, 5th Edition5) Portland Cement Association

3

Paki Turgut

Hava sürükleyiciler

Priz süresini değiştirenler

Su azaltıcılar-akışkanlaştırıcılar

Prizi süresini kısaltanlar

Prizi süresini uzatanlar

Su azaltıcılar

Süperakışkanlaştırıcılar

Rötre (büzülme) azaltıcılar

Korozyon (paslanma) yavaşlatıcılar

Hava sürükleyici katkılar,

durumuna maruz betonlarda

dayanıklılığı artırır.

Donma-çözülme tekrarı

Buz çözülmesi

Sülfat

Alkali-reaktif

İşlenebilirliği iyileştirir.

5 4 3 2 1 0

havasürüklenmemiş

Artan hava miktarıhava

sürüklenmiş

Şiddetli Orta Hasarsız

Din

am

ik e

last

isit

e m

odülü

nde %

50

azalm

am

eydana g

eti

ren d

onm

a-ç

özülm

e t

ekra

rı

Hava miktarı, %

Hava sürükleyici katkı ve donma çözülme direnci

hava katkısız

hava katkılı

Mesafe faktörü (L)

Bir hava boşluğunun dış çevresinden,çimento hamuru içerisindeki bir noktayaen büyük uzaklık olarak tarif edilen bir indekstir. ASTM 457'ye göre

.0.2 mm'den

daha küçük olmalıdır

Bir diğer parametre de hava boşluklarının toplam yüzey alanıdır.

2 3Bu değer 24 mm /mm yada daha fazlaolmalıdır.

Hava sürükleyici katkılar, stabil hava kabarcıkları oluşturmalıdır.

Yüzey aktif maddeler su-hava ara yüzeyinde yoğunlaşır.

Hirofilik ve hidrofobik uçlara sahiptirler.

Su-hava ara yüzeyindeki gerilimi düşürürler.

Antik Roma döneminde hava sürükleyici

bazı katkılar (örneğin öküz kanı) kullanılmasına rağmen,

modern kullanımı 1930'lu yıllarda başlamıştır. İcadı

ise tamamen doğaldır.

CH CH3 2CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH CH C2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2

O

- +O Na

OLARAPLAO RP

suda çözünmez, yağda çözünür suda çözünür

Hidrofobik ve hidrofilik kavramları

su

hava

Hidrofilik uçta,

karboksilik asit

yada

sülfonik asit.

O

RC

OH

O

RS

OH

O

Hidrofobik uçta,

alifatik hidrokarbonlar

yada

aromatik hidrokarbonlar

H - C - C - C - H

H H H

H H H

CC

CC

C

C

H

H

H

H

H

H

-

Çimento

Kum

ince agrega

Çimento

H O2

++

+++

+ -

-

Etkinyüküpozitif

H O2++

+

--

---

Etkinyüknegatif

+

+

++

++ -

-

++

+

---

--

-

-

--

-

--

- Agrega

Stabil olmayanhava kabarcığı

Stabil hava kabarcığı

-

-

-

-

--

-

- -

- -

su

hava hava

-

--

-hava

++

+++

+ -

--

-

--

hava

Çimento

Agrega

Agrega

++

++

-

-

++ -

+-+

-

-

-

--

-

-

-

Hava kabarcıklarının birbirini itmesi

Özel Konu: yüzey gerilimi kavramı

Pi

Po

R

Küresel sabunkabarcığı

Etkiyenkuvvetler

Alanizdüşümü

2-2g(2pR) + (Pi-Po)pR =0

Pi-Po=4g/R Pi=4g/RPo=0 ise,

Küre içinin su ile dolu olursa (su damlası), sadece bir yüzey vardır.

Pi-Po=2g/R

üst film tabakası

alt film tabakası

l

g=F/L Yüzey gerilimi, N/m

L=2l

Pi=4g/R

iç basıncıdüşürmekiçin hava

kabarcıklarıbirleşerek çaplarını

büyütürler.

Dura

bilit

e f

aktö

rü

0

5

10

15

20

5 10 15 20 25

7

14

21

28

35

Bası

nç d

ayanım

ı, M

Pa

Hava miktarı (% hacim)

Durabilite

Basınç dayanımı

Karıştırma süresi, dk

Hava

mik

tarı

, %

11 rpm

çökme: 100 mm

Vibrasyon süresi, sn

Hava

mik

tarı

, %

Hava

mik

tarı

, %

İnce agrega miktarı(toplam agrega % si olarak)

125 mm çökme

25 mm çökme

Hava

mik

tarı

, %

Beton sıcaklığı

Vibrasyondan önce

15 sn'lik vibrasyondan sonraH

ava

mik

tarı

, %

Çökme, mm

çimento hamuru

buz

su akışı

kapilerboşluk

havaboşluğu

çimento hamuru

buz

su akışı

kapilerboşluk

havaboşluğu

Suyun donması ve hasar mekanizması

%9 hacim artışı

Ozmotik basınç: Jel boşluklarındankapiler boşluklara suyun geçişi olayı

OJel boşluklarındaki su -78 C donar, okapiler boşluklarda 0 C'de. Süper soğumuş

su ile buzun etkileşimi-ENTROPİ olayı

CSH'da bir bölgenin genişlemesi, diğerbölgenin denge için büzülmesi

Buz çözücü katkıların hasar mekanizmasıoKapalı bir ortamda -20 C'deki bir buzun ortama

uygulayacağı basınç yaklaşık 200 MPa civarındadır.

%1 hava katkısı, basınç dayanımında %5 düşüş, eğilme de %2.5 düşüş

Çimento ve sürüklenen hava miktarına bağlıolarak, w/c oranında %8-12 azalma

Sürüklenen hava miktarına bağlı olarak,kum miktarında %10 azalma

w/c oranının azalması, dayanım kaybınıönler mi?

Hava katkısı, su kusma miktarını azaltır mı?

Hava katkısı, işlenebilirliği nasıl etkiler?

Hava sürükleyicinin taze beton üzerine etkisi

su kusma segregasyon plastik rötre akışkanlık ve koheziflik

Mesela, hava kabarcıkları çimento tanelerini birbirine bağlar.

Beton karıştırılması sırasında, agregalar arasında rulman gibi vazife yapar ve sürtünme kuvvetini azaltır.

Hava kabarcığının tanelere yapışması, taneler arasıçekim kuvvetini artırır.

Çimento taneleri arasındaki boşlukları bloke eder,agrega ve çimento taneleri etrafından suyun geçişini zorlaştırır.

Hava kabarcıkları karışım içinde filler malzeme gibi davranır vesu hacmine kıyasladiğer beton bileşenlerinin yüzey alanına ilave yüzey alanı artışı sağlar.

Mesela, hava kabarcıkları çimento tanelerini birbirine bağlar.

Hava sürükleyici katkıların kimyasal muhtevaları

Ağaç reçinelerinin alkali tuzları

Yağ asidi tuzları

Alkyl-aryl sülfonatlar

Alkyl sülfonatlar

Fenol etoksilanlar

CH3

CH3

H3C

CH3-

O

O+Na

Sodyum abiyet

C H12 25

SO Na3

Orthododesilbenzen sülfonat

H C3 COOH

H C3

CH

CH3

CH3Abiyetik asit

CH —(CH ) —CH=CH—(CH ) COOH3 2 7 2 7

Oleik asit

C H COOH9 19

Kaprik asit

C H SO Na12 25 4Sodyum dodesil sülfat

C H SO Na14 29 4Sodyum tetradesil sülfat

C H SO Na16 33 4Sodyum ketil sülfat

CH (CH ) CH=CH—(CH ) SO Na3 2 7 2 8 4Sodyum oleil sülfatC H9 19 O (CH O) H2 n

n=10 ile 15 arasında

Nonilfenoetoksil

Her 50 kg çimento için gerekli miktar (ml)

Hava

mik

tarı

, %

Çimentonun inceliğine göre gerekli miktar değişir.

Hidratasyon ürünleri niçin hava boşluğu içinde büyümez?

Ağaç hücreleri

10 mm

Orta katman

Lifçikler1 nm

Yarı selüloz

Selüloz

Lignin

0.1 nm

Selüloz polimeri

Hücre duvarı katmanları

S3S2S1

ML

Am

orf

Kri

stal

Mikrofiber

Lignin

Yarı selüloz

Selüloz

PW

Lignin ağaç yapısında bağlayıcı bir malzemedir. Ağacın yapısınınstabilitesini sağlar. Lifler arasında yük transferini sağlar.

Hücre duvarının farklı bölgelerinde farklı miktarlarda bulunur. Hidrofilik yapıya sahip olan amorf selüloz ve yarı- selülozu sudan koruma görevi vardır. Çünkü amorfa selülozsuya dayanıksızdır.

Özel Konu: ağacın yapısı

Su azaltıcı kimyasal katkılar

Karışım suyunu azaltmak

W/C oranını azaltmak

Çimento miktarını azaltmak

Çökme değerini artırmak (işlenebilirlik)

35 MPa20 MPa

10 MPa

W/C=0.50

W/C=0.75

W/C=1

ÇİM

ENTO

40 Kg

ÇİM

ENTO

40 Kg

ÇİM

ENTO

40 Kg

10Lt 10Lt 10Lt 10Lt

10Lt

10Lt 10Lt

10Lt 10Lt

ASTM C 494

Tip ASu miktarını %5 azaltır.Prizi geciktir. Priz hızlandırıcı ile birlikte kullanılır.

Tip D Su miktarını %5 azaltır.Prizi geciktir.

Tip E Su miktarını %5 azaltır.Prizi hızlandırır.

Orta

Aralık

Su miktarını %6-12 azaltır.Çimento miktarını azaltır.W/C oranını azaltır.Priz gecikmesi yok.Yerleştirme ve perdahlamakolaylığı sağlar.

High

Range

Tip F Su azaltıcı.

Tip G Su azaltıcı, priz geciktirici

Su miktarında %12-30 azalma.

Erken yüksek dayanımKlor geçirgenliğini azaltmaBAsınç dayanımı > 70 MPa

Geçen süre, dakika

Çökm

e, m

m

KontrolSu azaltıcı L

Su azaltıcı H

Su azaltıcı ve çökme kaybı

CNMBX

Çökm

e, m

m

Geçen süre, dakika

High range su azaltıcı ve çökme kaybı

Nasıl çalışırlar?

Çimento tanelerinin z kısımları birbirleri çekerek topaklanma meydana getirirlerve karışım suyunuhapsederler.

ıt elektrik yüklü+-

-+

+ -+-

+-+-

su

çimento taneleri

Yüzey aktif maddeninbir ucu yüksüz, diğer ucu negatif yüklüdür.

Çimento tanelerinin+ yüklü kısmınayapışırlar. Çimento taneleri birbirini iterve aradaki hapsolansu çimento çimentotanelerinin daha fazla yüzey alanıile temasa geçer.

-

-+

+

-

-- +

+

-

--

+

+ -

--

+

+ -

itme

-

-- -

- -

İşlenebilirlik?

Çimento tanelerininhareketliliği?

Bir diğer önemli durum,hava sürüklenmiş betondahava kabarcığı ile çimentotanesi arasında itme meydanagelir.

--

+

+ -

- -

- -

hava

itme

Akışkanlık sağlayan su azaltıcı katkılar normaldeçimento tanesi yüzeyinde stabil hava kabarcıklarıoluşturur. Bu durumun oluşması istenmez. Nasılönlenebilir?

= -+-

Su azaltıcı katkıların muhtevası

Sıradan su azaltıcı katkılar:

Linyosülfonatlar

Hidroksilat polimerler

Hidroksil-karboksilat asitler

High range su azaltıcılar (süperakışkanlaştırıcılar)

Lineer anyonik polimerler, karboksilik asit grupları

ya da Değiştirilmiş linyosülfonatlar

Sülfonat melamin formaldehit, bir tür sodyum tuzu

Sülfonat naftalin formaldehit, bir tür sodyum tuzu

Çok uzun molekül zincirine sahiptirler.

Elektrostatik itmenin yanında,

sterik itme de yapar.

çimento

sterik (engelleme) etki

Sülfonat naftalin formaldehitSülfonat melamin formaldehit

Akışkanlaştırıcılar,

Çökme > 190 mm (yayılan beton)

Su kusmada azalma

Çökme kaybında azalma

- +SO Na3

CH2

n

N

C

N

C

N

CNH-CH -O2

NH

- +CH -SO Na2 3

O-CH -2 NH

n

Geçen süre, dakika

Çökm

e, m

m

yayılan betonda çökme kaybı 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

40

60

80

100

120

süperakışkanlaştırıc dozajı, % (çimento ağırlığına göre)

V f

unel akış

süre

si, sn

doyma noktası

ikinci doz

geç katım

kontrol (W/C=0.60)

kontrol (W/C=0.45)

SNF (sülfonat naftalin formaldehit)

polikarboksilat

zaman, dakika

çökm

e, m

m

Kategori

Düşük

OrtaYüksek

Yaygınadı

Dozaj(%)

Çökmeartışı (mm)

Su miktarındaazalma

% W/C

% 0.1Orta

Süperakışkanlaştırıcı

Çimento ağırlığı esasına göre dozaj

% 0.5% 1

50-8550-100

>100

5-1010-15

15-30

-0.05-0.10-0.15

C 494

C 494, C 1017

ASTM

Sıradan

Priz geciktiriciler

Prizi yada sertleşme hızını düşürürler

Sıcak havada beton

Zor beton yerleştirmeleri

Özel perdahlama işleri

Kütle betonlarında, plastiklik

Soğuk derz önleme

Ardışık yerleştirmelerde kalıp sehiminden kaynaklanan beton çatlamasını önlemek

Bir diğer kullanımı, beton mikseri içindeki artık betonun priz almasınıönlemek böylece miksere beton yapışmasını engellemek

Muhtevası

Linyosülfonik asitler

Hidrokarboksilat asitler

Şekerler

Fosfatlar

Amfoter metal (asit bazlı-etken) tuzları

Üçü aynı zamanda su azaltıcı

Etki mekanizması

C S' ye etkisi: Organikler reaksiyon ürünlerinin3

özellikle CH üzerine kuvvetlive yapışır veböylece büyük CH kristalleri oluşumunu engeller.

C S' de hidratasyon hızını yavaşlatırlar,3

durağanlık (2. aşama) süresini uzatırlar.Dolayısıyla durağanlık süresinin uzamasıgeciktiricinin miktarına bağlıdır. 3. Aşa-mada hidratasyon doğal seyrindedevam eder.

Organik olmayan geciktiriciler kullanıldığındadurum çok karmaşıktır çünkü C S' nin yüzeyi3

kaplanır ve reaksiyon hızı çok yavaşlar.

Aşırı dozda kullanılması hidratasyonolayını tamamen durdurur. Bir çok hazırbeton firması makinelerini yıkamak içinyeterli su bulamadığında biraz şeker kullanarak geçici çözüm bulur.

Priz geciktirici ve

hızlandırıcı birliktekullanılabilir mi?

C S üzerindeki etkisi3

C A üzerindeki etkisi3

C A üzerindeki etkisi çok3

karmaşık.

C A miktarı artarsa, daha3

fazla priz geciktiriciyeihtiyaç duyulur.

Zaman (gün)

Bası

nç d

ayanım

ı, M

Pa

Katkısız

Priz hızlandırıcıPriz geciktirici

Priz geciktirici ve hızlandırıcıların erken

ve nihai dayanıma etkileri ne olur?

kontrol priz süresi

Gecikme süresi, dakika

Priz

son

u s

üres

i, dak

ika

Priz hızlandırıcılar

Prizi ya da sertleşme hızını artırırlar

Erken dayanımı artırmak

Erken kalıp sökümü sağlamak

Soğuk havalarda beton dökümü sağlamak

Priz süresini kısaltarak, don riskini azaltmak

Üç kategoriye ayrılırlar.

1) Çözünür organik tuzlar a) Kalsiyum klorid: en etkili ve ucuz olanıdır. b) Kalsiyum nitrit, donatılı betonda tercih edilir.

2) Çözünür organik bileşenler Trietanolamin, kalsiyum format, kalsiyum asetat

3) Değişik katı malzemeler a) Kalsiyum fluoroalüminat, kalsiyum sülfoalüminat b) Hidrate olmuş çimento, kalker tozu veya silikat minerali tozlarıyla tohumlama

Kalsiyum kloridhızlandırıcı

Kurumabüzülmesinde

artış

DonatıpaslanmasıKabuklanma

Nasıl çalışırlar?

C S'nin hidratasyon hızını artırırlar.3

hidratasyon ısısı artar+2

Ca miktarı artar hidratasyon ürünlerinin çekirdeklenme hızını artırılar

Betona etkileri nedir?

Sürüklenmiş havaya etkisi pek olmaz.

İşlenebilirlik süresini azaltır.

Erken dayanımı artırır

(%2 kalsiyum klorür 1 günlük dayanımı iki kat artırır).

Kalsiyum klorid donata korozyon yapar.

Kontrol

CaCl2

Isı

çık

ış h

ızı, m

W/gr

Zaman, saat

C S çimento hamuru3

W/C=0.60oOrtam sıcaklığı 25 C

CaCl konsantrasyonu 0.0204 mol/Lt2

5

10

15

8 16 24 4836Yaş, saat

Bası

nç d

ayanım

ı, M

Pa

kontrol

%2 CaCl2

Büzülmeyi azaltan katkılarİç ve dış etkilerden dolayı betonun hacmi biraz azalır.Bu azalma küçük miktardaolmasına rağmen, önemlidir.

Beton hacmi küçülürken,tutulma yoksa pek problemolmaz. Ancak genellikle tutulmavardır ve bu durum çatlamayaneden olur.

Betonda büzülme uzun süredeve aşamalı olarak meydana gelir.

Kimyasal büzülme Otojen büzülme

Plastik büzülme

Kuruma büzülmesi

Hidratasyon devam ederken oluşur.Nasıl oluşur?

Dış ortamdaki nemyeterli olmadığındao l u ş u r . B ö y l e c e hidratasyonun devamıi ç i n g e r e k l i s uboşluklardan çekilir.

Beton plastik durumda.Kimyasal ve otojen büzülmeo lay ı n ı n b i r l eş im id i r .B e t o n y ü z e y i n d e k isuyun buharlaşma hızısu kanaması hız ındanb ü y ü k s e o l u ş u r .

Beton sertleştiktensonra oluşur. Serbestsuyun kaybı neden olur.

Hid

rate

olm

amış

çim

ento

ve s

u

Yenidökülmüş

Priz başlangıcı

Kimyasalbüzülme

Otöjen büz.(priz başlangıcı)

Otöjen büz.(priz sonu)

Priz sonu

kümülatifboşluk

Otö

jeni

k

büz

ülm

e(g

örün

en h

acim

az

alm

ası)

Kim

yasa

lbüz

ülm

e(m

utla

k h

acim

az

alm

ası)

Priz sonu

boş

lukl

ar

Nasıl çalışırlar?

İki şekilde çalışırlar:

Büzülmeyi karşılayacak kadar genleşme oluşturmak. Bunun için demir tozu ya da kalsiyum sülfoalüminatlar kullanılır.

Suyun yüzey gerilimini düşürmek. Küçük kapiler boşluklardaki gerilme azaltılır. Böylece, kendinden kurumanın sebep olduğu büzülme azaltılır.

CSH'ın ileri düzeyde polimerizasyonu da kuruma büzülmesini azaltır.

Çoğunluğu glikol esaslıdır. Küçük kapiler boşluklardakisuyun yüzey gerilimini düşürerler.

Özel konu: Korozyon

Üretildikten ve şekil verildikten sonra,bir metalin servis süresince iyi birperformans sergilemesi istenir.

Karşılaşılabilecek en olumsuz durumkorozyondur.

Metalin yüzeyinden metal parçasınınuzaklaşması olayıdır.

İki şekilde gelişir:

Genel oksitlenme reaksiyonu

Kuru oksitlenme

M + O = MO

Yukarıdaki reaksiyondaenerji salınımı olur.

Oksitlenme iki aşamalı birolaydır.

+2M = M + 2e-2O + 2e = O

+2 -2M + O = MO

İnce bir film tabakasışeklindedir ve daha ilerioksitlenmeye müsade etmez.

Islak korozyon

demir

su+hava

Fe

+2Fe 1/2O +H O2 2

2e

-2OH

Fe(OH) (siyah)2

O2

Fe O . H O (kırmızı)2 3 2

anot katot

Beton içindeki donatı üzerinde koruyucu olan bir pasif tabakaoluşur.

Fe(OH) + O = g-FeOOH + H O2 2 2

g-demir hidroksit donatı üzerine sık dokulu ve sıkı bir şekilde yapışır, suyun ve oksijenin donatıya ulaşmasını engeller, ya da sınırlandırır.

Klorid iyonları, donatıyı korozyondankoruyan bu pasif tabakayı tahrip eder.

Betonda pH 11.5'in altına düşerse, pasif tabaka tahrip olur.

-Cl /pH'ın etkisi

+2 - +Fe + Cl = [FeCl kompleksi]

+ - -[FeCl] + 2OH = Fe(OH) + Cl2

Fe(OH) gevşek ve boşluklu bir2

yapıya dönüşür.

Klorid iyonlarının kaynağı, kimyasal katkılar,buz çözücüler veya denizdeki suyu spreyidir.

Kalsiyum nitrat Ca(NO ) en etkili önleyici 2 2

+2 - -Fe + OH + NO =NO +g-FeOOH 2

Ancak, zamanla tükeneceği için, tekrar uygulamak gerekir.

klo

rid

KOROZYON

VAR

KOROZYON

YOK

pH11.5

- - Cl/OH > 0.6

Viskozite değiştiriciler

Molekül ağırlıkları büyük o l a n s u d a ç ö z ü n e b i l i r m o l e k ü l l e r d i r , s u y u n v i skoz i tes i n i a rt ı r ı r l a r .T a z e b e t o n k o h e z i f l i kkazand ır ı r , segregasyonve su kusmay ı aza l t ı r .Yağ lay ı c ı l ı k öze l l i ğ i i l epompa basıncını azalt ır .Su altında beton dökümündekullanılır (antiwashout etkisi)Muhtevası: polietilen oksitleri,selüloz eterleri, polyvinil alkolvs., kil, kireç ve polimer emül-siyonları

Antifirizler ne işe yarar?

Genleştirme oluşturan katkılar

nelerdir?

Alkali- agrega reaksiyonunu azaltanlar

katkılar nelerdir?

Gaz oluşturan katkılar nelerdir?

Nerelerde kullanılır?

Su geçirmezlik sağlayan katkılar

nelerdir?