Dökülme Yapan Zemin Vakası ve Diğer Gizemli Beton Hikâyeleri

Sherlock Holmes, Miss Marple ve diğer kurgusal dedektifler, cinayetleri, banka soygunlarını ve diğer şaşırtıcı suçları çözmek için keskin gözlem güçlerini kullandılar. Bu edebi dedektifler malzeme bilimcileri olsaydı, dedektiflik becerilerini beton adli tıp alanında kullanabilirlerdi.

Beton hayatımızın her yerinde. Kaya sertliğindeki yapı malzemesi, dünyada köprüler, binalar, yollar, kanalizasyon sistemleri ve daha fazlasının inşasında kullanılan bir malzemedir. Dünya çapında yaklaşık 30 milyar metrik ton miktarında kullanılan beton, en çok kullanılan malzeme olma özelliğini taşıyor, ancak bütün bilgi birikimi ve deneyimlerimize rağmen işler ters gidebiliyor.

Bazen beton beklenmedik bir şekilde çatlayabilir veya hasar görebilir. Aynı zamanda rengi solabilir, aşınabilir veya zayıflayabilir; zamanın testine dayanamayabilir ve tasarlandığı yapıları destekleyecek gücü sağlayamaz. Hasar, pahalı bir binayı tahrip ederek göze hoş görünmeyebilir veya tesisin kapanmasına ve maliyetli onarımlara yol açan bir güvenlik tehdidi oluşturabilir.

Sorunun kaynağını saptamak genellikle zordur. İşte burada beton dedektifleri devreye giriyor. Gerçek hayatta bu insanlar mühendislik ve danışmanlık firmalarındaki bilim insanları, bina sahipleri, tesis yöneticileri veya yapı mühendisleridir. Proje sahipleri betonla ilgili bir sorun bulduklarında ve bunu nasıl düzelteceklerini veya bazen kimi suçlayacaklarını bilmek istediklerinde bu insanları çağırır.

Jeoloji, mühendislik, kimya ve malzeme biliminde geçmişe sahip olan bu çimento ve inşaat malzemeleri uzmanları, betonla ilgili açmazları çözmek ve hasar mekanizmalarını deşifre etmek için mikroskopi, spektroskopi ve diğer araçları kullanır. Analizleri, beton karışımındaki sorun çıkaran bileşenleri, müteahhit hatalarını, çevresel kirleticileri ve betonun görünümünü ve yapısal bütünlüğünü olumsuz etkileyen diğer faktörleri tanımlar. Bulgular, sorunu azaltmak, gelecekte bundan kaçınmak ve bazen yasal ve mali açıdan sorumlu bir taraf belirlemek için kullanılabilir.

DÖKÜLME YAPAN ZEMİN VAKASI

Bazı durumlarda, somut hasar esas olarak fiziksel faktörlerden kaynaklanır. Tiffin, Ohio’da, forklift trafiğini desteklemek için tasarlanan beton zeminin, zeminin döşenmesinden sadece aylar sonra ciddi şekilde çatladığı bir tıbbi malzeme deposu örnek olarak gösterilebilir.

Ohio, Dayton’da bir mühendislik danışmanlık ve malzeme test firması olan Bowser-Morner’ın Başkanı Richard L. Allen’ın söylediğine göre, bu bir operatör hatası vakasıydı. Ekibinin, hasarlı zeminden delinmiş büyük numunelerin (karotlar) mikroskopik analizini içeren araştırmasına göre, müteahhit işçiler döşeme levhasını yerleştirirken betona çok fazla su ekledi.

Fazla suyun betonun performansını nasıl etkileyebileceğini anlamak için malzemenin nasıl yapıldığını düşünmek gerekir. Beton tedarikçileri, inşaat malzemesini çimentoyu (en yaygın olan tip portland çimentosu olarak bilinir) agrega olarak da adlandırılan kum ve çakılla karıştırarak elde eder. Kuru malzemeleri suyla karıştırarak, çimento tozunu betonu bağlayan ve sonunda sertleşerek güçlü, kaya benzeri bir katı oluşturan hamurumsu bir yapıştırıcıya dönüştüren karmaşık bir dizi kimyasal reaksiyonu harekete geçirir.

Birden fazla reaksiyon betonun sertleşmesine ve dayanım kazanmasına neden olur. Ana reaksiyonlar, çimentoda trikalsiyum silikatın hidratasyonunu içerir. Bu, kalsiyum ve hidroksit iyonlarını serbest bırakan ve kalsiyum silikat hidrat oluşturan ekzotermik bir süreçtir. Dikalsiyum silikat ile benzer bir reaksiyon da betonu güçlendirir.

Tiffin’deki şantiyede müteahhit çimento hidratasyonu için gerekli olanın ötesinde su ekledi. Fazla ilave su, karışımı akıcı ve kolay işlenebilir tutmayı amaçlamıştı, böylece karışımın pürüzsüzleştirilmesi ve son dokunun depo zeminine uygulanması beton çok sertleşmeden tamamlanabilirdi, ancak müteahhit bunu abarttı. Allen’ın da açıkladığı gibi, bu konumdaki beton kasıtlı olarak iri agrega, büyük çakıl taşları (kalsiyum karbonat) ve dolomit (kalsiyum magnezyum karbonat) ile hazırlanmıştır. Bu sıra dışı bir durum değil. Allen, betonun sertleştikçe büzülme yaptığının iyi bilindiğine dikkat çekiyor. Büzülme agregada değil çimento hamurunda meydana gelir. Bu nedenle Tiffin müteahhidi beton karışımındaki çimento miktarını biraz azaltarak ve hacmi iri kaya ile doldurarak büzülmeyi azaltmaya çalıştı.

Bu strateji genellikle işe yarar, ancak bu sefer durum farklıydı. Beton karotların mikroskopik analizi, bu özel karışıma çok fazla su eklenmesinin sonuçlarını ortaya çıkardı. Fazla su, betonu aşırı akışkan hale getirdi ve kaba malzemenin dibe batmasına neden olarak, beton döşemenin üst tabakasında neredeyse saf çimento hamuru bıraktı.

Sonuç olarak, büzülme, esas olarak döşemenin yüzeyindeki saf çimento kısmıyla sınırlı olan bir hacim değişikliğine neden oldu. Bu büzülme, zeminin o tabakasını zayıf bıraktı, bu yüzden bina iş için açıldığında, üzerine binen forkliftlerin basıncı altında zemin çatladı. Zemini onarmak için işçiler, hasarlı tabakayı  dayanıklı bir epoksi malzemeyle değiştirdi — tabii ki tüm bunlar oldukça maliyetli oldu.

Delaminasyon (yüzey soyulması) Vakası

Ohio, Fulton County’deki bir çiftlikte yeni bir bakım binasının zemini ayrılmaya başladığında da durum, müteahhit hatası olarak görüldü. Allen’a göre, bina inşa edildikten kısa bir süre sonra, beton zeminin milimetrik incelikteki bölümleri gizemli bir şekilde dökülme yapmaya  başladı. Depo vakasında olduğu gibi, yanlış miktarlarda eklenen su önemli bir rol oynadı, ancak ekibin araştırmasının gösterdiği gibi, koşullar ve hasar mekanizması Tiffin davasındakilerden farklıydı.

Bina, sıcaklıklar düştüğü için sonbaharın sonlarında inşa edildi. Düşük sıcaklıklar beton reaksiyon kinetiğini yavaşlattı ve müteahhit, işçilik maliyetlerini azaltmak için süreci hızlandırmak istedi. Bunu yapmak için,  hava sürükleyici katkılı beton karışımı sipariş etti.

Hava sürükleyici katkılı beton, soğuk iklimlerde dışarıda kullanılmak üzere tasarlanmıştır ve tipik olarak köpürtücü bir madde içerir. Bu bileşik, çatlamaya neden olan iç basınca karşı koruma sağlamak için bir tampon görevi gören bir mikroskobik kabarcıklar ağı oluşturur. Basınç, donma-çözülme döngülerinden geçerken genişleyen ve büzülen, sabitlenmiş betondaki artık sudan gelir. İsviçre peyniri benzeri, delikli yapı, büyük sıcaklık dalgalanmalarının neden olduğu hacim değişikliklerine uyum sağlayabilir. Bu tip beton tipik olarak hacimce %4-7 hava boşluğu içerir.

Herhangi bir beton karışımındaki hidratasyon reaksiyonları devam ederken, sertleşen beton ısı, hava ve suyu dışarı atar, bu, inşaat endüstrisinde terleme suyu olarak adlandırılır. Allen, hava sürükleyici katkılı betonun, hava içermeyen türe göre daha az terleme suyu ürettiğini öne sürüyor.

Bir işi tamamlamak için, beton finişerlerin malzemenin işçilerin ağırlığını taşıyacak kadar sertleşmesi, ancak çalışılabilmesi için yeterince akışkan olduğu zaman dilimini yakalaması gerekir. Çiftlik binasında çalışan müteahhit, soğuk havadan dolayı ekibinin hava katılmamış betondan yapılmış bir zeminin terleyen suyu dışarı atması, suyun buharlaşması ve malzemenin katılaşması için saatlerce beklemesi gerektiğini biliyordu.

Allen, müteahhit ekibe bütün gün yalnızca beklemeleri için ödeme yapmak istemediğini ve bu nedenle oldukça düşük hava içerikli, %3 kadar, bir beton sipariş ettiğini belirtti. Bu özel hava sürükleyici katkılı beton karışımının makul bir sürede sertleşeceğini bilen müteahhit, daha sonra betonu akışkan, şekillendirilmesini ve işlenebilmesini kolay tutmak için su eklemeye başladı.

Bu taktiksel bir hataydı. Bu fazla suyun eklenmesi betondaki köpürtücü maddeyi karıştırıp çalkalayarak çok sayıda küçük kabarcıklar oluşturdu. Düşük yoğunluğu nedeniyle hava katılmış beton yüzeye çıktı. Finişerler betonu düzeltip malalarken, tabakayı hafifçe sıkıştırarak ve yoğunluğunu artırarak kabarcıkları söndürdüler. Bu katman, yüzeyin hemen altında daha az yoğun, hava katılmış bir katmanın üzerinde sertleşti. Bu da katmanlar arasında zayıf yapışmaya, betonun pul pul dökülmesine ve delamine olmasına neden oldu.

KANALİZASYON ASİTLERİNİN LANETİ

Küçük kabarcıklar betona zarar verebilir. Küçük mikroplar da öyle. Indiana, Springfield’daki bir atık su arıtma tesisinde ağır şekilde aşınmış bir yer altı kanalizasyon tutma tankı vakasının suçluları bunlardı.

Columbus, Ohio’daki Beton Araştırma ve Test Başkanı Nick Scaglione, tanktan alınan beton karot numunelerini incelemek için mikroskopi ve diğer yöntemleri kullandı. Bu numunelerdeki çimento hamurunun renginin solmuş, ciddi şekilde aşınmış ve düşük dayanımlı olduğunu belirtti. Betonun bir kısmı da çatlamış ve aşınarak demir donatılarını  açığa çıkarmıştı.

Scaglione’ye göre, bu olaydaki kimyasal sorun, kanalizasyonlarda gelişen bakteriler tarafından yürütülen çok aşamalı bir biyojenik süreç olan sülfürik asitti. Bakteriler kanalizasyondaki sülfat bileşiklerini, daha sonra nemli kanalizasyon ortamında sülfürik aside oksitlenen hidrojen sülfüre dönüştürür. Asit, çimentodaki kalsiyum hidroksit ve kalsiyum silikat hidrata saldırarak, çimentonun rengini bozan ve bağlayıcı özelliklerini yok eden kalsiyum sülfatlar oluşturur, ancak hasar, doğrudan kanalizasyona maruz kalan yüzeye yakın alanla sınırlıydı. Scaglione’nin analizleri, beton karotların aşınmış bölgeler ile yüzeyin hemen altında etkilenmemiş bölgeler arasında ani geçişler sergilediğini gösterdi. Betonun basınç dayanımını ve yük taşıma kapasitesini değerlendirmek için yaptığı testler, geniş ve belirgin korozyona rağmen alttaki betonun yapısal olarak sağlam kaldığını gösterdi.

Kimyasal saldırının nispeten sınırlı olduğunu belirten Scaglione, yüzeyin altındaki betonun hala iyi durumda olduğunu, bunun da belediyenin hasarlı bölgeyi taze malzeme ile değiştirerek yapıyı onarmasına olanak sağladığını anlattı.

Benzer bir korozyon süreci, Salt Lake City’deki bir kimya fabrikasının tabanından gelen beton numunelerinde de görüldü. Indiana örnekleri gibi, Utah’tan gelenler de renksiz, paslanmış ve çatlamıştı. Betonun içine gömülü çelik donatı çubukları da korozyona uğradı, ancak Indiana örneklerinden farklı olarak, Utah’tan gelen beton, betonun derinliklerine yayılan, beklenmedik şekilde yüksek seviyelerde kalsiyum klorür içeriyordu. Scaglione’nin analizleri bir kez daha asit kaynaklı korozyona işaret etti, ancak bu durumda suçlu, dökülüp zemine sızarak betonun kalsiyum minerallerine saldıran hidroklorik asitti.

Sinir bozucu tozların gizemi

Bazen beton dedektifleri, beton yüzeylerde aniden ortaya çıkan gizemli materyallerin (çoğunlukla tozların) vakalarını çözmek için çağrılır. Bina sahipleri, malzemelerin ne olduğunu, nereden geldiklerini ve bunlardan nasıl kurtulacaklarını bilmek isterler. Scaglione, Saint Charles, Virginia’daki bir ofis binasının zemininin inşaat sırasında beyaz kabarık toz oluşumu gibi, bu tür birkaç vakaya çağırıldığını anlatıyor.

Scaglione, kristal materyali elektron mikroskobu ve X-ışını yöntemleriyle analiz ederek nedenini çabucak tespit etti: Çiçeklenme. Bu işlem, betonda suyla bir çözelti oluşturan ve daha sonra yüzeye sızan suda çözünür tuzları içerir. Su, daha sonra buharlaşarak geride bir tuz tabakası bırakır.

Saint Charles binası için beton soğuk havada döküldü, bu nedenle müteahhit, hidratasyon reaksiyonunu hızlandırmak ve priz süresini kısaltmak için “hızlandırıcı katkı” içeren bir beton karışımı sipariş etti. Esas olarak kalsiyum nitrattan oluşan katkı, betondaki potasyum bileşikleri ile reaksiyona girer. Beton yerleştikçe, yeni zeminin yüzeyinde kristalleşen potasyum nitrat açısından zengin bir sıvı yayar. Scaglione, çiçeklenmenin bu tür durumlarda kalıcı sorunlara neden olmadığını söylüyor. Tuz kolayca temizlenir, betonu aşındırmaz ve beton kuruduktan sonra ortaya çıkmaz.

Tuz oluşması, Lima, Ohio’daki bir ofis binasının park yapısında soruna neden oldu. Bu vakada, Bowser-Morner bilim adamları tarafından incelenen çiçeklenme, beton destek kolonlarının tabanında beyaz toz bırakarak, parçalanmaya ve çatlamaya neden oldu.

Allen, yollarda ve kaldırımlarda kullanılan buz çözücü tuzların sorunu tetiklediğini söylüyor. Esas olarak sodyum klorür ve diğer tip klorürlerden oluşan, erimiş kar ve buzda çözünen tuzlar, geçen arabalarla beraber kolonlara sıçradı. Tuzlu çözelti betonun gözeneklerine sızdı. Su yüzeye çıktıkça buharlaştı ve işlemin her tekrarında büyüyen tuz kristallerini geride bıraktı. Sonunda genişleyen kristaller betonun çatlamasına neden oldu.

Firmanın önerisi, kolonları temizlemek ve tuz çözeltisinin daha fazla girmesini önlemek için epoksi veya başka geçirimsiz bir kaplama ile korumaktı. Allen, mühendislik firmalarının genellikle bu tür bariyerleri otoyol köprüleri için destek yapılarını buz çözücü tuzun zararlarından korumak için kullandıklarını belirtiyor.

Bowser-Morner’ın Analitik Bilimler Laboratuvarlarının Müdür Yardımcısı Kevin M. Savage, beton vakaları söz konusu olduğunda, “bazen failin gerçekten bariz olduğunu” söylüyor, betonda oksitlenen ve çirkin bir leke bırakan bir demir minerali gibi. “Bazense öylece oturup neyin yanlış gittiğini merak ederek kafanı kaşıyorsun.”

Allen, “Bunlar eğlenceli işler, uğruna yaşadığım işler. Gerçekten zorlu olabiliyor, ancak size kendinizi geliştirme ve becerilerinizi iyi bir şekilde kullanma fırsatı da veriyor.” diyor.

Kaynak: https://cen.acs.org/materials/inorganic-chemistry/case-flaking-floor-tales-concrete/99/i17