Hidratasyon, çimento ile su arasındaki bir dizi geri dönüşü olmayan kimyasal reaksiyondur. Hidratasyon sırasında çimento-su hamuru priz alır ve sertleşir. Çimento suyla temas eder etmez hidratasyon başlar. Çimento parçacıkları yavaş yavaş kısmen çözülür ve çeşitli bileşenler çeşitli hızlarda reaksiyona girerek ısı üretir ve çeşitli reaksiyon ürünleri ile sonuçlanır.
Hidratasyonla açığa çıkan ısı, reaksiyonlar zamanla devam eder, zaman geçtikçe yavaşlar, günlerce sıfıra ulaşmaz. Reaksiyonlar, su ve reaksiyona girmemiş çimento içerdiği sürece yıllarca devam edebilir, bu da beton dayanımının ve düşük geçirgenlik gibi diğer istenen özelliklerin sürekli gelişmesine neden olur.
Hidratasyon süreci, kapsamlı araştırmaların konusu olmuştur ve olmaya devam etmektedir. Hidratasyon reaksiyonlarını anlamak, beton sorunlarının önlemesine veya düzeltmesine yardımcı olabilir.
Bu kapsamda yazımızda 5 farklı hidratasyon sürecinden bahsedeceğiz.
- İlk Reaksiyon (Çözünme) Süreci
- Uyku Süreci
- Hızlanma (Priz) Süreci
- Yavaşlama Süreci
- Yavaş Reaksiyon Süreci
İlk Reaksiyon (Çözünme) Süreci
Çimento ve su karıştırıldıktan hemen sonra, İlk Reaksiyon-Çözünme Sürecinde, alüminatlar suda çok hızlı çözünmeye ve birkaç dakika içinde reaksiyona girmeye başlarlar. Hızlı tepkime sonucu oluşan bileşikler yüksek ısı çıkışına neden olurlar.
Ortamda sülfat kaynağı (çözünmüş alçı) olmaz ise alüminatlar su ile reaksiyona girerek yüksek oranda ısı açığa çıkaran bileşikler oluşturup (C-A-H) ani donmaya neden olurlar. Bu durum kontrol edilemediğinde betonda yalancı veya ani priz oluşur. Bu da istenmeyen bir durumdur.
Çözünen yeterli orandaki alçı, alüminatlar ve su ile reaksiyona girerek etrenjit (C-A-S-H) oluşturup çimento taneciklerinin etrafında jelimsi bir tabaka oluşturur. Jelimsi tabaka Şekil 2’de görüldüğü gibi aradaki kanalları doldurur, suyun geçişini ve alüminatlarla tepkimesini kontrol eder. Yani, alüminatların su ile “çok hızlı” bir şekilde tepkimesini engeller. Bu şekilde, betonun ani priz yapması engellenir.
Bu olay, betonun yüksek ısı artışını da engeller. Hidratasyon süreçleri grafiğinde de gördüğümüz hızlı ısı oluşumunun aynı şekilde aniden düşüşü gözlemlenir.
Silikatlar ise suda çok yavaş çözünür bu süreçte etkileri yoktur. İlk reaksiyon (çözünme) sürecinde alüminatlar baskın bileşendir.
Hidratasyon Uyku Süreci
Uyku Sürecinde alüminatların tepkimesi 2-4 saat arasında kontrol edilebilir. Bunun nedeni jelimsi tabakadır. C-A-S-H (kalsiyum-alumino-trisülfo-hidrat) jeli, yani etrenjit alüminat tepkimesini kontrol eder.
Bu periyotta, betonun plastik halde taşınması, yerleştirilmesi ve bitirme işlemi yapılır. Beton işlenebilirliğini korur. Portland çimentosuyla üretilen hazır betonun yeterli biçimde işlenebilme süresi yaklaşık 2 saattir. Uyku periyodu kimyasal katkılar ile uzatılabilir.
Şekil-1 Hidratasyon süreçleri grafiğinde gördüğümüz gibi bu periyotta ısı çıkış hızı hemen hemen sabit kalır. Ancak, bu hiçbir tepkimenin olmadığı anlamına gelmez. Aksine çimento bileşenleri çözünmeye devam eder. Silikatlar yavaş bir hızda çözünmeye başlar. Şekil-3’de görüldüğü üzere karışım suyu kalsiyum (Ca+) ve hidroksil (OH-) iyonları ile doymaya başlar.
Hidratasyon Hızlanma (Priz) Süreci
Hızlanma Sürecinde priz ve betonda sertleşme başlar. Priz başlangıcı ve priz sonu bu periyotta oluşur.
Karışım suyu, çözünen Ca+ iyonları ile aşırı doygun hale gelir. Yeni hidratasyon ürünleri, yani C-S-H (Kalsiyum-silika-hidrat) ve CH (kalsiyum hidroksit) oluşmaya başlar ve bunun sonucunda ısı çıkışında yükselme olur.
Bu durum, sertleşmenin yani prizin başlangıcıdır. Prizin başlaması ile betonda vibratör uygulaması ve yüzey bitirme işlemleri artık yapılamaz. Beton yüzeyini sulama, kür katkısı uygulama, yüzeyi membranla örtme gibi kür işlemlerine bu periyotta başlanmalıdır.
Hızlanma periyodunda oluşan yeni ürünlerin miktarı devamlı artar. Buna paralel olarak ısı oluşumu da artar. Bu ürünler birbirleri ile bağlanıp agregaların etrafında toplanır, agregaları sararlar. Sonuçta beton sertleşir ve katılaşmaya başlar.
Bu süreçte baskın anabileşen C3S (trikalsiyum silikat)’tir. C3S’in çözünmesi sonucu oluşan Ca+ iyonları ile çözelti süper doygun hale gelir. Reaksiyon sonucu fiber yapıda C-S-H (Kalsiyum-silika-hidrat) ve kristal yapıda CH (kalsiyum hidroksit) oluşur. C-S-H (Kalsiyum-silika-hidrat) diğer bileşiklerle beraber bir ağ oluşturur, bu da betonun katılaşıp sertleşmesini sağlar (Şekil-4).
Isı oluşumunun artması ve çimento hamurunun sertleşmesi hidratasyonun hızlanmasının göstergesidir. İnceliği fazla olan çimentolarda reaksiyon daha hızlı oluşur. Isı çıkışı C3S (trikalsiyum silikat) reaksiyonun yavaşlaması ile azalmaya başlar. Priz sonunda hidratasyon ısısı pik noktaya yaklaşır. Çevresel etkilere göre priz süreci aralığı değişebilir. Ancak genelde 3-5 saat arasıdır.
Bu periyotta aluminat ve sülfat reaksiyonu devam eder, iğnemsi yapıda etrenjit kristalleri oluşmaya devam eder.
Hidratasyon Yavaşlama Süreci
Yavaşlama Sürecinde C3S (trikalsiyum silikat) reaksiyonu yavaşlamaya başlar ve zirveye ulaşan ısı çıkışı düşmeye başlar (Şekil 1). Bunun nedeni oluşan C-S-H (Kalsiyum-silika-hidrat) ve CH (kalsiyum hidroksit) ürünlerinin su ve çözünmemiş çimento tanelerinin temasını engellemesidir. Bu periyotta oluşan reaksiyonlara topochemical reaksiyonlar denir.
Bu periyotta, C-S-H (Kalsiyum-silika-hidrat) ve CH (kalsiyum hidroksit) oluşumu arttıkça betonun dayanım kazanması artar. Beton sertlik kazanmış ancak hala yeterince dayanım kazanmamıştır ayrıca geçirimlidir. Ancak, hafif yükleri taşıyabilir. Rötre nedeniyle oluşan gerilmeler ulaşılan dayanımı geçmemelidir. Bu çatlamalara neden olur. Eğer derz kesimi zamanında yapılmazsa gelişigüzel çatlaklar oluşur.
Yavaş Reaksiyon Süreci
Yavaş Reaksiyon Sürecinde reaksiyonlar yavaşlar ve ısı çıkışı önemli düzeyde azalır. Bu periyot hidrate olmamış çimento tanecikleri ile suyun bulunması durumunda çok uzun bir süre devam eder. Yani, betonun yıllar sürebilecek bir zaman diliminde dayanımı ve dayanıklılığı artar.
Yavaş reaksiyon sürecinde C3S ve su oldukça reaksiyon devam eder. Oluşan ürünlerin hacmi arttıkça beton dayanım kazanmaya devam eder ve beton geçirimliliği azalır. Şekil 5’de görüldüğü gibi beton gittikçe daha sert ve sağlam bir yapıya kavuşur. Betonun geçirimliliğinin azalması sonucu su ve suda çözünmüş tuz betona rahatça giremez. Donma-çözünme gibi çevresel etkilerden dolayı oluşacak olumsuz etkiler gittikçe azalır.
C2S, C3S’e oranla daha yavaş tepkimeye girer. Birkaç gün içerisinde C3S’in büyük bir miktarı tepkimeye girmiş olur. Bu dönemde C2S tepkimesi daha da önem kazanır.
Hidratasyon Hakkında Bilmeniz Gerekenler Nelerdir?
Hidratasyonla ilgili bu yazımızda,
- Alüminatların, sülfatların ve silikatların kimyasal reaksiyonları,
- Bu reaksiyonların ürünleri,
- Hidratasyon sırasında çimento hamurunun yoğunluğunun gelişiminin önemi,
- Hidratasyon sırasında betonda dayanımımın gelişimi,
- Güçlü, dayanıklı beton sağlamak için çeşitli hidratasyon aşamalarının inşaat uygulamaları üzerindeki etkilerine değindik.
Daha detaylı bilgi için Hidratasyon Nedir? Çimento Hidratasyonu Nasıl Oluşur? adlı yazımızı inceleyebilirsiniz.
Kullanılan Kaynaklar: