SOĞUK HAVADA BETON DÖKÜMÜ Prof. Dr. İlker Bekir TOPÇU Eskişehir Osmangazi Üniversitesi İnşaat Mühendisleri Odası Eskişehir Şubesi 3 Şubat 2011

Beton Yapı malzemesi olarak beton günümüzde bir çok yapının inşaatında kullanılan ana malzemelerden en önde gelenidir. Kaliteli ve uzun ömürlü bir beton üretimi için standartlarda belirtilen üretim ve koruma koşullarına uyulması gerekmektedir. Özellikle olumsuz çevre etkileri altında üretilecek beton yapı elemanları daha hassas korunmalı ve bakılmalıdır. Soğuk havada beton dökümü de bunlardan biridir. Bunun dışında hava sıcaklığındaki ani değişim de önlem alınmasını gerektirebilir. 2

Soğuk Hava-Beton Soğuk iklim koşulları altında betonun priz alması yavaşlar. Çok soğuk havada betonda çimento hidratasyonu durur. Bu nedenle beton sertleşmez ve dayanım kazanmaz. Böyle durumlarda beton karışımlarında ve kür koşullarında değişiklikler yapılması gerekmektedir. 3

TS 1248 Olumsuz hava koşullarında beton yapımı ile ilgili TS 1248’nolu Türk Standardı, günlük ortalama sıcaklığın ard arda üç gün süreyle +5 ˚C‘nin altında olduğu hava durumunu beton dökümü için "soğuk hava" olarak tanımlar. Amerikan Beton Enstitüsü’ne göre ACI 306R-88’nolu standartta, üç gün sürekli olarak günlük ortalama sıcaklık +5 ˚C'nin altında veya 24 saatlik bir periyotta hava sıcaklığı 12 saatten fazla +10 ˚C’nin altında kalmışsa, beton için "soğuk hava“ ortamı oluşur. 4

Klimatik Koşullar Günlük ortalama sıcaklık, gece yarısından diğer gece yarısına kadar en düşük ve en yüksek sıcaklıkların ortalamasıdır. Sıcaklığının +5 ˚C'nin altında olması beton basınç dayanımını önemli ölçüde azaltır. Gece ve gündüz arasında oluşan yüksek sıcaklık farklılıkları da etkili olup, bu durum kıştan ilkbahara veya sonbahardan kışa geçiş dönemlerinde rastlanmaktadır. 5

Planlama Soğuk havalarda beton dökümünde en önemli faktör inşaat mühendisi, yapı denetim elemanı, yüklenici ve hazır beton üreticisinin birlikte hazırlayacakları uygulama planının yapılmasıdır. Bu planlama, proje programı ve proje bütçesini en az düzeyde aksatacak, yapının istenen kalite ve dayanıklılıkta olmasını sağlayacaktır. Betonu dondan koruyacak bu ciddi önlemler kritik dönemin bakım koşullarında ısı ve nem durumunu kontrol ederek, hidratasyonunun kesintisiz devam etmesini ve dayanımın istenen değere ulaşmasını sağlayacaktır. 6

Soğuk Havada Beton OLUMSUZ ETKİLER…! Soğuk hava koşulları betonun; ÜRETİMİNİ HİDRATASYONUNU KALİTESİNİ OLUMSUZ ETKİLER…! 7

Taze Beton Özelikleri Yerine yerleştirilen ve oldukça düşük sıcaklıkta olan taze betonun sıcaklığı dışarıdaki soğuk havanın etkisiyle daha da azalmaktadır. Taze betonun sıcaklığının düşük olması, betonun dayanım kazanma hızını yavaşlatır. Soğuk havalarda beton yerleşiminden sonra donma tehlikesiyle karşı karşıya kalır. Betonun gözeneklerinde bulunan suyun, sıcaklık derecesinin sıfırın altına düşmesi sonunda, donması malzemenin dayanımının azalmasına ve hatta parçalanmasına yol açabilir. 8

Donma Su donduğunda hacmi % 9 oranında artar. Oluşan genleşme betonu olumsuz yönde etkiler. Betondaki boşluklar, betonun üretilmesi sırasında kullanılan karma suyu veya betonun geçirimliliği nedeniyle dışarıdan içeriye giren su ile dolmaktadır. Bu nedenle betonun donma olayının etkisi altında kalarak hasar görmeye elverişli bir yapıya sahip olduğu belirtilmektedir. 9

Soğuğun Etkileri Soğuk hava koşullarındaki taze betonun priz alma süresi, normal sıcaklık koşullarındaki betonun priz alma süresine göre daha uzun, dayanım kazanma hızı ise daha yavaştır. İlk zamanlarda betonun içerisindeki suyun bir kez dahi donması, beton dayanımını ve dayanıklılığını büyük ölçüde azaltır. Yerleştirilen betondaki sıcaklık ile çevre sıcaklığı arasında büyük fark olması betonda gerilmeler oluşturur ve çatlaklara yol açar. 10

İlk 7 günde Donma-Çözünmenin basınç dayanımına etkisi Beton plastik halde iken sıcaklığı –4 oC’nin altına düştüğünde donma tehlikesi ile karşılaşır. Eğer donma gerçekleşirse beton dayanımı en az % 50 oranında azalır ve beton dayanıklılığı olumsuz şekilde etkilenir. İlk 7 günde Donma-Çözünmenin basınç dayanımına etkisi Betonun en azından 3.5 MPa dayanıma ulaşıncaya kadar donması engellenmelidir ki bu dayanım beton sıcaklığı 10 oC iken ve yerleştirildikten 2 gün sonra elde edilebilir. 11

Soğuğun Etkileri Beton sıcaklığının olması gerekenden az olması çimento ile su arasındaki hidratasyon reaksiyonlarını etkiler ve bunun sonucunda priz alma ve dayanım kazanma hızları sıcaklık oranında düşer. Örneğin beton sıcaklığındaki 10 oC’lik bir düşüş priz alma süresini 2 kat arttırır. Bu artış da kalıpların zamanında sökülememesine ve iş süresinin artmasına neden olabilir. Kısaca soğuk havada beton dayanımı ve dayanıklılığı etkilendiği gibi ekonomik olumsuzluklarda oluşabilmektedir. 12

Soğuk Hava-Dayanım Betonun dayanım kazanmasına neden olan çimento hidratasyonu ortam sıcaklığı ve zamana bağlı bir olaydır. Her kimyasal olay gibi hidratasyonda sıcaklıkla hızlanmakta, zamanla da gelişmektedir. Bu iki etken “olgunluk derecesi” ifadesi olarak; formülüyle gösterilir. Burada M olgunluk derecesini (°C.sa. veya °C.gün), θ sıcaklık derecesini (C), t süreyi (saat veya gün) göstermektedir. 13

Donma-Hidratasyon Formül betonun hidratasyonunun -10 C’ye kadar sürdüğü ve bağıl nemin değişmez kaldığı varsayımına dayanmaktadır. Bu teorik ifadeden betonun hidratasyon hızının -10 °C’de durduğu kabul edilmektedir. İlk zamanlarda yer alabilecek donma olayı karşısında betonun yeterli dayanıklılığı gösterebilmesi için betonun içerisindeki su miktarının "kritik doygunluk seviyesi" olarak adlandırılan bir seviyeye inecek kadar azalmış olması gerekmektedir. 14

Donma-Hidratasyon Betonların, ilk günlerdeki dayanımlarının istenilen dayanım değerinden çok daha az olması, kalıpların sökülebilme süresini uzatmakta, beton özeliklerini ve betonun ekonomikliğini de olumsuz etkilemektedir. Bir kez donma olayı karşısında betonun hasar görmemesi için beton dayanımının en az 3.5 MPa seviyesine ulaşmış olması gerekmektedir. TS 1248’de bu sınır dayanım 4 MPa olarak verilmiştir. 15

a. Priz Öncesi Don Etkisi Donma beton priz almadan oluştuğu takdirde, betonun içerisindeki suyun buza dönüşmesi betonun hacminde bir artış yaratır. Ayrıca, betonun içerisindeki suyun buza dönüşmesiyle, çimento ile kimyasal reaksiyonların gerçekleşebilmesi için yeterli miktarda su bulunmamaktadır. Donan su daha sonra çözülürse hidratasyon yeniden başlar ve beton priz alır. Ancak buz taneciklerinin yerinde boşluklar kalacağından beton geçirimli ve dayanımı düşük olur. 16

b. Priz Sonrası Don Etkisi Priz alarak sertleşmiş fakat henüz yeterince dayanım kazanmamış betonda, kapiler boşluklardaki suyun donarak genleşmesi nedeniyle betonda çatlaklar oluşmakta ve beton düşük dayanımlı olmaktadır. Yeterince dayanım kazanan betonda suyun bir kez donması sonucu çatlak oluşmamaktadır. Öte yandan, yeterince dayanım kazanmamış betonun içerisindeki su bir kez dahi donmuş olsa, beton dayanımı çok olumsuz etkilenmekte ve çatlamalar yer almaktadır. 17

Priz Sonrası Don Etkisi Çimento ve su arasındaki hidratasyonda aşırı yavaşlama olmaması için soğuk havada yerleştirilen betonun sıcaklığı +5 °C'nin altında olmamalıdır. Beton üretiminin tamamlandığı andaki sıcaklığı, yerleştirildiği ana kadar geçen süre içerisinde soğuk havanın etkisiyle bir miktar düşme göstermektedir. 18

Gerekli Beton Sıcaklıkları Üretilen taze beton karışımının içerisinde bulunması gereken sıcaklık, çevre sıcaklığına ve betonun kullanılacağı kesitin boyutlarına göre farklı olmaktadır. Çizelge 1'de, soğuk havada üretilen beton karışımlarında bulunması önerilen en küçük sıcaklıklar gösterilmektedir. Çizelge 1. Beton Kalınlığına Göre Yerleştirme sırasında İstenilen Sıcaklık Değerleri 19

Alınabilecek Önlemler Soğuk hava koşullarının betondaki olumsuz etkilerinin azaltmak amacıyla, bu koşullarda yapılacak betonlar için alınması gereken önlemleri aşağıdaki gibi sıralanabilirler: Betonun kendi ısısından yararlanılması. Betonu oluşturan malzemelerin ısıtılması. Erken dayanımı yüksek türde çimento ve katkı maddesi kullanılması. Uygun kalıp ve izolasyon malzemelerinin ve/veya uygun kür yönteminin uygulanması. Soğuk havada dökülen betonların yeterli süre kür edilmesi. 20

Termos Yöntemi Betonu çimentonun hidratasyon ısısı ile ısıtmak ve bu ısının betondan kaçmasını önlemek prensibine dayanan bu yöntemin uygulanması, çok ince veya çok geniş yüzeyli elemanlarda uygun değildir. Termos yönteminin uygulanabilirliğini incelemek için kullanılacak çimentonun hidratasyon ısısını bilmek, ısı izolasyonu için seçilecek malzemenin ısı dirençlerini bilmek gerekir. Hesaplamada yaklaşık bir değer aşağıdaki Skramtaiev formülü ile elde edilebilir. 21

Skramtaiev Formülü Burada: X; betonun sıcaklığının 0 ˚C’ye inmesi için geçen süre (saat), t; döküm sırasındaki beton sıcaklığı (˚C), P; Çimento dozajı (kg/m3), c; çimentonun hidratasyon ısısı (kcal/kg), F; betonun ısı kaybeden yüzey alanı (m2), V; betonun hacmi (m3), Rt; kalıp ve izolasyon malzemelerinin ortalama ısı dirençleri (m2.hr.˚C/kcal), ; rüzgar vb. konveksiyon olaylarının göz önüne alınması için kullanılan düzeltme çarpanı, ta; dış ortam sıcaklığı (˚C), tm; iç ortam, yani beton için kabul edilen ortalama sıcaklık (˚C)’dır. 22

Yapay Isıtma Yöntemleri Soğuk havada üretilecek beton karışımlarının istenilen sıcaklıkta olabilmesi için, karışım suyu veya agrega, yada hem su hem de agrega ısıtılmaktadır. Isıtılarak kullanılacak karışım suyunun sıcaklığı 60-65 °C'yi geçmemelidir. Karılmayı kolaylaştırmak için, sıcak suyun yaklaşık ¾’ü, mikser içerisine agrega ile birlikte yerleştirilmelidir. Çimento, agregadan daha sonra miksere dahil edilmelidir. En son suyun geri kalan bölümü yavaş yavaş katılmalıdır. 23

Çimento Seçimi Soğuk havada yapılacak betonlarda, hidratasyon ısısı yüksek olan "ASTM Tip III-İlk Dayanımı Yüksek Portland Çimentosu" veya Türk standartlarındaki "CEM I 52.5R Erken Dayanımı Yüksek Çimento" tipindeki çimentoların kullanılması, normal portland çimentoların kullanılmasıyla elde edilecek dayanımlardan daha erken dayanım artışı sağlanmaktadır. 24

Katkı Seçimi Hidratasyon ısısı yüksek olan çimento türlerinin ve daha fazla miktarda çimentonun kullanılması, soğuk havanın olumsuz etkilerini bir ölçüde telafi edebilmektedir. Soğuk havalarda beton üretimi için antifreeze katkıları, priz hızlandırıcı katkılar ve su azaltıcı katkı maddelerinin kullanılması gerekmektedir. 25

Katkı Seçimi Betona katılacak kimyasal katkılar ile betonun priz alma ve dayanım kazanma hızı hızlandırılabilir. Kış mevsiminde bu nedenle hızlandırıcı ve su kesici kimyasal katkılar kullanılır. Antifreeze katkılarının da su kesici özellik gösterdiği görülmektedir. Betonun suya ya da donma-çözünme durumuna maruz kalması bekleniyorsa hava sürükleyici kimyasal katkılar kullanılmalıdır. 26

Katkı Seçimi Kullanılacak katkıda bulunan maddeler önemlidir. Özellikle donatılı ve öngermeli betonlarda bazı katkılar korozyona neden olabilir. Bu nedenle katkı seçimine dikkat edilmelidir. Hızlandırıcı kimyasal katkılar betonu dondan koruyamaz. Çünkü beton sıcaklığına herhangi bir etkileri yoktur. 27

Kıvamın Seçimi Beton pratik olarak işlenebileceği en düşük kıvam sınıfında olmalıdır. Bu terleme miktarını ve priz alma süresini düşürür. Su eklenmesi priz alma süresini uzatır ve beton terlemeye devam eder. Terlemenin devam etmesi bitirme işlemlerine başlanmasını geciktirir. Erkenden yapılan bitirme işlemi sonucunda beton yüzeyi zayıf kalabilir. 28

Döküm Öncesi Hazırlık Beton yüzeyinde kar, buz ya da kırağı bulunmamalıdır. Bunlar hemen beton yüzeyinden atılmalıdır. Beton sıcaklığı ve kalıpların sıcaklığı (özellikle metal kalıp) donma sıcaklığından yüksek olmalıdır. Bu daha önceden zeminin ve temas yüzeylerinin yalıtılmasını ya da ısıtılmasını gerektirebilir. 29

Döküm Öncesi Hazırlık Soğuk hava koşullarında dökülen betonların kalıpları dışarıdaki soğuktan korunmak üzere izolasyon malzemeleri ile kaplanmakta ve soğuk havada uygulanacak bazı kür yöntemleri seçilmektedir. Yerleştirme işlemi tamamlanır tamamlanmaz, koruma işlemine başlanılmakta ve yeterli süreyle devam edilmektedir. 30

Döküm Öncesi Hazırlık Eğer, betonun yerleştirileceği zemin buzlanmış ise, böyle bir zemin, beton dökümünden 2-3 gün önce uygun bir izolasyon malzemesi ile örtülmeli ve buzların çözülmesi sağlanmalıdır. Kullanılan izolasyon malzemeleri polystyren köpük levha, üretan köpük, köpüklendirilmiş vinyl örtü, mineral yünü, selüloz lif, saman, plastik örtüler olabilir. Buzları eritmek için sıcak hava jeti kullanılmalıdır. 31

Isı Kaynakları Isı kaynakları buhar, basınçlı sıcak hava, sabit ısıtıcılar, belirli bir alana yerleştirilmiş ısıtıcılardır. Isıtma birimlerinde yanma ürünlerinin, özellikle CO2’in ısıtılan kapalı alandan dışarı atılması gerekir. Aksi halde erken yaştaki beton yüzeyinin dayanıklılığının zayıflamasına ve betonun bozulmasına yol açar. Yüksek orandaki CO2 sonucu oluşan CO çalışanlara zarar verir ve beton karbonatlaşır. 32

Betonlama Gerekli koruma koşulları ve ısı kaynakları yerleştirilip yapı koruma altına alındıktan sonra beton dökülmeye başlanabilir. Betonda terleme olayının olmamasına dikkat edilmelidir. 33

Bir temel ayağının plastik örtü ile korunması Yalıtkan battaniyeler Soğuk havada en iyi kür uygulaması beton yüzeyini su kaybından ve soğuktan koruyacak malzemeler kullanılarak yapılır. Beton kesitinin kalın olduğu çok soğuk havalarda yalıtkan battaniye ve plastik örtü kullanılmalıdır. Bu malzemeler çevre koşullarına, betonun yapısına ve yapıya etkiyen yüklerin durumuna göre 1-7 gün beton yüzeyinde bulundurulmalıdır. 34

Betonlama Yağmur ve kar yağışına karşı beton yüzeyi korunmalıdır. Beton tavsiye edilen beton sıcaklığında yerleştirilip işlem yapılmalıdır. Plastik haldeki beton yeterli dayanıma ulaşıncaya kadar donma-çözünmeye karşı korunmalıdır. Koruyucu kür malzemeleri kaldırılırken ani sıcaklık değişimi olmamasına dikkat edilmelidir. 35

Kalıpların Sökümü Yapıdaki betonun ne kadar dayanım kazandığının bilinebilmesi için beton dökülürken, her 75 m3’lük beton için en az 6 adet f15x30 cm boyutlu standart beton silindir numune alınmalıdır. Soğuk havada dökülen betonların kalıpları olabildiği kadar geç sökülmelidir. Kalıpların sökülmesi işleminde betonun köşelerinin ve kenarlarının zedelenmemesine özellikle dikkat edilmelidir. 36

Kalıpların Sökümü Kalıplar, deneyimli bir kimse tarafından sökülmelidir. Koruma ve kür süresi içerisinde betonun yeterli dayanımı kazanıp kazanmadığı, değişik deney yöntemlerinin uygulanması ile anlaşılmaktadır. 37

Numune Alımı Bu numuneler, yapıdaki betonun maruz kaldığı kür koşullarında kür edilmekte ve standart deney yöntemine göre yaşları 7 günde kırılarak basınç dayanımları bulunmaktadır. Test edilen numunelerden elde edilen basınç dayanımının, betonun hedeflenen 28 günlük dayanımının yaklaşık % 70'ine karşılık gelmesi durumunda, kalıp sökümü için, betonun yeterince dayanım kazandığı anlaşılmaktadır. 38

Beton numunelerinin yalıtılmış kutuda korunması Beton numuneleri içinde koruyucu önlemler alınmalıdır. Numuneler ilk 24 saat için sıcaklıkları 16-27 oC arasında olacak şekilde yalıtılmış kutularda korunur. Kutularda en düşük ve en yüksek sıcaklığı kaydeden termometre bulunması yararlıdır. 39

Diğer Yöntemler Beton test çekiciyle ve ultrasonik test cihazıyla hasarsız deney yöntemleri de uygulanabilir. Yapıdaki beton üzerinde ölçülen basınç dayanımının hedeflenen 28 günlük basınç dayanımının yaklaşık % 70'ine ulaşıp ulaşmadığı kontrol edilmektedir. Betondan karot numunesi alınarak dayanım kontrolü yapılabilir. Ancak bu yöntem pek tercih edilen bir uygulama değildir. Karot alma işlemi için beton yaşının en az yaklaşık iki hafta olması istenmektedir. 40

TeŞeKkÜrLeR…

Soğuk havada beton dökümünden uygulamalar

Soğuk havanın beton prizine ve dayanımına etkisi

Soğuk havanın beton basınç dayanımına etkisi

Soğuk havada sertleşemeyen beton

Soğuk havada dökülen betonların korunması