Çimentolu Kompozitlerde Kendiliğinden İyileşme

Çimentolu Kompozitlerde Kendiliğinden İyileşme 

Dünya üzerinde sudan sonra en fazla tüketilen malzeme betondur. Her yıl yaklaşık 14 milyar metreküp beton, yeni yapıların inşa edilmesi için kullanılmaktadır. Bu da dünya üzerinde yaşayan her bir insan için yılda iki metreküp betona karşılık gelmektedir. Bununla birlikte,
ilerleyen yıllarda sanayileşme ve nüfus artışı gibi etkilerle beton üretiminde daha büyük bir artışın gerçekleşeceği öngörülmektedir. Bu durum, yapı malzemeleri içinde neredeyse sorgusuz biçimde en popüleri olan betonun hayatımızdaki yerini daha da sağlamlaştırmaktadır.
Betonun bu denli yoğun kullanımının altında birçok gerekçe bulunmaktadır. Diğer yapı malzemeleri ile kıyaslandığında, hammaddelerinin bol miktarda ve yaygın biçimde bulunması, kolay temin edilebilir ve ekonomik olması, taze betonun kolay şekil verilebilir olması, kalifiye iş gücü gerektirmemesi, yüksek basınç dayanımı gibi birçok özellik bu gerekçeler orasında sayılabilir. Ancak betonun yaygın ve çok uzun süredir kullanılan bir malzeme olması her bakımdan mükemmel bir malzeme olduğu anlamına gelmez; beton, çekme altında dayanımı ve deformasyon kapasitesi düşük, yük altında gevrek davranış gösteren bir malzemedir, başka bir deyişle betonunun hasar toleransı düşüktür. Bu durum beton ve betonarme yapıları zamana bağlı etkilere karşı dayanıksız kılar. Bu ifade etmesi basit, ancak ekonomik etkileri dramatik bir durumdur. Örneğin ABD’de mevcut köprülerin bakım maliyetleri yıllık 5,2 milyar dolar mertebesindedir. Bu köprüleri yeniden inşa etmek için gerekli bütçe 200 milyar dolara kadar çıkabilmektedir. İngiltere’de ise yapım ve inşaat endüstrileri için ayrılan toplam bütçenin

%45’i bakım ve onarım masraflarına harcanmaktadır. Avrupa’da yıllık 2 milyar dolarlık bir bütçe sadece köprülerin bakımı için aynlırken, bütün inşaat altyapısı için bu miktar 20 milyar doları bulmaktadır. Bakım ve onarım maliyetlerinin bu denli yüksek oluşu, özellikle son yıllarda yapı malzemeleri üzerinde araştırmalar yapan bilim insanlannı bu maliyetlerin nasıl ortadan kaldırılabileceği sorusuyla karşı karşıya bırakmıştır.
Birçok araştırmacı bu kapsamda beton ve benzeri çimentolu kompozitlerin dışarıdan bir etki olmadan kendi hasarlarını iyileştirmelerinin mümkün olup olmadığı ile ilgili çalışmalara odaklanmıştır. Yapılan çalışmalarda gelinen noktada, kendiliğinden iyileşmenin birçok farklı yöntemle sağlanabileceği gösterilmiştir. Bu yöntemlerden bazıları kendiliğinden iyileşme için boş lifler kullanımı, kimyasal mikro- kapsülleme, bakteri esaslı biyolojik iyileşme, genleşici kimyasallar kullanımı, şekil hafızalı malzemeler kullanımı, mineral katkı kullanımı ve kendiliğinden kontrollü dar mikro çatlaklarla harekete geçirilen kendiliğinden iyileşme mekanizması olarak sayılabilir. Bu yöntemlerin her birinin diğerlerine göre avantajı ve dezavantajı bulunmaktadır. Ancak hemen hepsi, normalde beton içerisinde bulunması gerekmeyen bazı malzemelerin sadece kendiliğinden iyileşmenin sağlanması için beton içerisine yerleştirilmesini gerektirir. Kendiliğinden iyileşme için herhangi bir özel malzeme gerektirmeyen bir kendiliğinden iyileşme (içsel kendiliğinden iyileşme) türü ise çatlak genişliklerinin çok dar olması şartına bağlıdır. Geniş çatlaklar, çatlakları dolduracak ürünlerin daha kolay çatlak içine girmesine imkan verdikleri için daha hızlı bir biçimde iyileşse bile dar çatlaklara göre tamamen kapanmalan daha zordur. Bu durumda beton gibi çatlak genişliği kontrollü olmayan malzemeler ancak çok düşük yükler altında hasar gördüğünde yani bünyesinde ancak dar çatlaklar bulundurduklarında diğer gerekli şartları da sağlıyorlarsa kendiliğinden tamamen iyileşebilirler.

Bu şortların ilki ise çatlağın oluştuğu anda beton içerisinde yeterli miktarda çimento, uçucu kül, öğütülmüş yüksek fınn cürufu vb. gibi bağlayıcı özelliğe sahip mineral katkı malzemesi bulunmasıdır. Bu şart nispeten sağlanması kolay bir şart olsa do, beton içerisindeki çatlak açıklıklarının kısıtlanması zordur. Ancak son yıllarda Michigan üniversitesinde Prof. Dr. Victor Li tarafından bulunmuş bir lif donatılı çimentolu kompozit malzeme hem kontrollü dar çatlak açıklığına sahiptir hem de bünyesinde yüksek miktarda bağlayıcı bulundurmaktadır. Bu malzeme NEngineered Cementitious Composites yani  Tasarlanmış Çimentolu Kompozitler” (TÇK) olarak adlandırılmaktadır ve yıllar içinde birçok bilim insanı tarafından sürekli olarak geliştirilmeye devam edilmektedir. Bu malzeme diğer çimentolu kompozitlerden farklı bir yaklaşımla tasarlanmakta ve içerisinde bulunan her bir bileşenin sadece kendi özellikleri değil, diğer bileşenlerle etkileşimi de tasarım sırasında dikkate alınmaktadır. TÇK’nın tasarım yaklaşımı mikromekanik tabanlı tasarım olarak anılmakta ve bu yaklaşımın gerektirdiği üzere TÇK, bünyesinde çok miktarda bağlayıcı özelliğe sahip mineral katkı bulundurmaktadır.
Mekanik yükleme altında yükün miktarından bağımsız olarak çatlak genişlikleri 100 mikrometre yani milimetrenin onda biri seviyesinde kalmaktadır ve beton gibi birçok çimentolu kompozit aksine aşırı yükler altında gevrek değil adeta metalik bir malzeme gibi sünek davranış göstermektedir. Ancak servis yükleri altında ise tamamen beton gibi davranmaktadır. Bu özelliğinden dolayı esnek beton olarak do adlandırılır.

Kontrollü da çatlak açıkları ve bol miktardaki mineral katkı ihtiva etmesi ise malzemeye diğer çimentolu kompozitlerde kolaylıkla oluşturulmayan içsel kendiliğinden iyileşme özelliği kazandırmaktadır. İçsel kendiliğinden iyileşme birçok farklı mekanizmayla meydana gelebilir. Genel olarak TÇK’ daki kendiliğinden iyileşme davranışı kimyasal yolla meydana gelmektedir. İki farklı kimyasal kendiliğinden iyileşme mekanizması TÇK’ da birlikte rol almaktadır. Bunlardan birincisi karbonlaşma mekanizmasıdır. Nemli ortamda karbondioksit suyla reaksiyona girerek bikarbonat ve/veya karbonat meydana getirir ve nihayetinde hidratasyon ürünlerinden süzülen kalsiyum iyonları bunlarla reaksiyona girerek çatlak içerisinde kalsiyum karbonat oluşturarak çatlağı kapatır. Bununla birlikte çimentonun hidratasyonu sırasında açığa çıkan kalsiyum hidroksit ve atmosferde bulunan karbondioksit doğrudan reaksiyona girerek kalsiyum karbonat da oluşturabilir. Karbonlaşma mekanizması çatlak üzerinde beyaz bir kalıntı olarak kendini gösterir. Bir diğer kendiliğinden iyileşme mekanizması ise ikincil hidratasyon olarak da anılan, beton içerisindeki bağlayıcı malzemelerin suyla tekrar reaksiyona girerek çatlakların içini CSH jeli olarak adlandırılan ve çimentoya dayanımını veren jel ile kapatılmasıdır. Bu durumda ortamda daha önceden reaksiyona girmemiş bağlayıcı özelliği olan mineral katkı bulunması gereklidir. TÇK içerisinde bol miktarda bulunan uçucu kül veya öğütülmüş yüksek fırın cürufu ise tam olarak bu işe yaramaktadır. Çimentolu kompozit içerisinde bulununa bir diğer hidratasyon ürünü olan kalsiyum hidroksit, su ve mineral katkılar reksiyona girerek oluşan çatlağı doldurmaktadır.bu şekilde kendiliğinden iyileşmenin sağlandığı birçok TÇK örneği bulunmaktadır. Ve hem mekanik testlerle hem de dolaylı yöntemlerle çatlakları kendiliğinden iyileşmiş numunelerin adeta hiç çatlamamış, hiç hasara uğramamış gibi eski özelliklerini yeniden kazandığı deneysel olarak kanıtlanmıştır.

Çimentolu kompozitlerde çatlak oluşumu neredeyse kaçınılmaz bir durumdur ve başta durabilite sorunları olmak üzere birçok olumsuz etkiye sahiptir. Özellikle yapıların beklenen servis ömrünü tamamlayamaması veya öngörülen servis ömrünün kısa olması neredeyse tamamen çatlak oluşumuna bağlıdır ve ekonomik etkileri çok büyüktür. Bu açıdan çatlakların kendi kendine iyileşmesi şu an için pratikte sağlanması inanılmaz görünmesine rağmen bilimsel olarak mümkün olduğu gösterilmiş ve yakın gelecekte hayatımıza girecek bir olgudur. Özellikle deprem tehdidi altındaki ve inşaat sektörünün lokomotif  sektörlerden birisi olduğu ülkemizde bu tür bilimsel gelişmelerin fırsat bilinerek desteklenmesi ve başka ülkelerde uygulanmaya koyulmadan önce ülkemizde uygulanmaya başlaması ülke olarak daha güçlü, daha kalıcı ve daha yenilikçi bir yapılaşma ile ön plana çıkmamızı sağlayacaktır.

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir