Beton iç yapısı incelenirken kullanılan yöntemler

Mikro yapı (iç yapı)-malzeme özellikleri arasındaki ilişki modern malzeme biliminin temelidir. Beton iç yapısı oldukça heterojen ve karışıktır. Bu sebeple, malzemenin davranışından mikro yapıyı güvenilir şekilde tahmin etmek için gerçekçi modeller geliştirmek oldukça zordur. Bununla birlikte betonu oluşturan her bir malzemenin özellik ve iç yapısının ve birbirleriyle olan ilişkisinin bilinmesi, beton özelliklerinin kontrolünde kullanma açısından önemlidir.

Kütle oluşturan malzemelerin tür, miktar, ebat, şekil ve fazların dağılımı mikro yapıyı teşkil eder. Malzemenin mikro yapısındaki büyük ana elemanlar malzemenin en kesitinde kolayca görülmesine karşın daha küçük elemanlar genellikle mikroskop yardımıyla görülebilmektedir. Makro yapıda en kesitteki elamanlar insan gözüyle görülürken, mikro yapıdaki elemanlar makro yapının belli oranda büyütülmesi ile görülebilmektedir. Modern elektron mikroskopları 105 kat büyütme yapabilme kapasitesine sahiptir. Bu sebeple geçirimli elektron mikroskobu (TEM) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) uygulamaları malzemelerin mikro yapısını inceleme imkânı vermektedir.

Malzeme bilimindeki gelişmeler esas olarak, malzeme özelliklerinin iç yapı özelliklerine bağlı olduğunun farkına varılması sonucu gerçekleşmiştir. Diğer bir deyişle, malzeme özellikleri, malzemenin iç yapısında değişiklik yapılması ile modifiye edilebilir. Bununla birlikte beton en fazla kullanılan kompozit bir yapı malzemesi olup ve iç yapısı heterojen ve oldukça karmaşıktır. Betonda iç yapısı ve diğer özellikler arasındaki ilişki küçük örnekler üzerinde çalışılması nedeniyle tamamıyla ortaya konulamamıştır.

İç yapının etki ettiği önemli özellikler ve Çimento incelemesi

Ancak iç yapının temel elemanlarının anlaşılması, betonun en önemli mühendislik özelliklerini (dayanım, elastisite, büzülme, sünme, çatlaklar ve durabilite) etkileyen faktörlerin araştırılması aşamasında faydalıdır.
Modern görüntü analiz yöntemleri kullanılarak, her bir bileşenin oranını yaklaşık olarak saptamak olasıdır. Son yıllarda, bilgisayarlar özellikle bağlı olarak bütün iç yapının nicel tarifini sağlamak amacıyla kullanılmaktadır. İç yapı zamana bağlı olarak üç boyutlu gelişir. Değişik yöntemlerle fazların yapıları, özellikleri ve birbirleri arasındaki ilişkileri belirlenir.

Aynı miktarda çimento içeren ancak farklı miktarda su içeren çeşitli beton numuneleri çeşitli zaman aralıklarında incelendiğinde, genel olarak, hidratlı çimento hamurundaki kılcal boşlukların hacminin su-çimentonu oranının azalmasıyla ve hidratasyon yaşının artmasıyla azaldığı görülmektedir. Kusursuz mikroskobik seviyede, beton mikro yapısının karmaşıklığı görülmektedir. Mikro yapının iki fazının birbirine göre homojen olarak dağılmadığı veya kendilerinin homojen oldukları görülmektedir. Örneğin, bazı bölgelerde hidratlı çimento hamuru kütlesi agrega kadar yoğundur ve diğerlerin de oldukça gözeneklidir.

Aynı miktarda çimento içeren ancak farklı miktarda su içeren çeşitli beton numuneleri çeşitli zaman aralıklarında incelendiğinde, genel olarak, hidratlı çimento hamurundaki kılcal boşlukların hacminin su-çimentonu oranının azalmasıyla ve hidratasyon yaşının artmasıyla azaldığı görülmektedir. Kusursuz olarak hidratlanmış bir çimento hamuru için, katıların ve boşlukların tek başına homojen dağılımı, maddenin davranışını modellerken göz ardı edilebilir. Bununla birlikte, mikro yapısal çalışmalar bunun betonda bulunan hidratlı çimento hamuru için yapılamadığını göstermiştir. Agrega varlığında, büyük agrega parçacıklarının civarındaki hidratlı çimento hamurunun mikro yapısı, genellikle sistemdeki sadece çimento hamuru veya harçlardakinden çok farklıdır. Aslında, yalnızca gerilme altındaki davranışın birçok yönü, çimento hamuru agrega arayüzünün, beton mikro yapısının üçüncü fazı olarak açıklanabilir.

Düşük büyütmeli (200 kat) bir elektron mikroskobu görüntüsünde hidrate çimento hamurunun yapısında bazı bölgelerin yoğun, diğer bölgelerin boşluklu olduğu görülür. Boşluklu alanda, daha yüksek büyütmeler kullanarak hidrate fazları görmek mümkündür. Örneğin, kalsiyum hidroksitin masif kristalleri, etrenjitin uzun ve ince iğneleri ve kalsiyum silikat hidratenin küçük lifli kristalleri 2000 ve 5000 kat büyütmede görülebilir.

Beton iç yapısı kendine özgü özellikleri şu şekilde özetlenebilir:

Birincisi, iri agrega parçacıklarının yanındaki küçük bir bölgeyi temsil eden ara yüzey geçiş bölgesidir. İnce bir kabuk halinde, tipik olarak geniş agrega etrafında 10 ila 50 µm kalınlığında olan ara yüzey geçiş bölgesi, genellikle betonun iki ana bileşenden, yani agrega ve toplu hidrate çimento hamurundan daha zayıf olduğundan dolayı, betonun mekanik davranışı boyutundan daha fazla etkilenir.

İkincisi, üç evreden her biri kendi içinde bir çok safhadır. Örneğin, her bir agrega parçacığı, mikro çatlak ve boşluklara ek olarak çeşitli mineraller içerebilir. Benzer şekilde, hem hidrate çimento hamuru hem de ara yüzey geçiş bölgesi, genellikle farklı türde ve miktarda katı faz, gözenek ve mikro çatlakların heterojen bir dağılım içerir.

Üçüncü olarak, diğer mühendislik malzemelerinden farklı olarak, beton mikro yapısı malzemenin kendine özgü bir özelliği değildir, çünkü mikro yapının iki bileşeni, yani hidrate çimento hamuru ve ara yüz geçiş bölgesi, zaman, çevresel nem ve sıcaklık ile değişmektedir. Betonun mikro yapısının oldukça heterojen ve dinamik yapısı, mühendislik malzemelerinin davranışını öngörmek için genellikle yararlı olan teorik mikro yapı özellik ilişki modellerinin betonda pek pratik bir kullanımı olmadığının temel nedenidir. Bu sebeple, betonun üç fazının her birinin mikro yapısının önemli özellikleri hakkında geniş bir bilgi birikimi, kompozit beton malzemesinin özelliklerini anlamak ve kontrol etmek için gereklidir.