Yüksek sıcaklığın Çimento hamuru ve Betona etkisi

Beton bünyesindeki su üç şekilde bulunur. Bunlar, çimento hamuru bünyesinde hidrate olmuş kalsiyum silikat öğelerini birbirine bağlayan adsorpisiyon suyu, kılcal boşluklardaki serbest su ve hidrate olmuş taneciklerdeki kimyasal bağlı sudur. Betonun bünyesinde, s/ç oranına, çimento türüne bağlı olarak beton hacminin %4’ü kadar serbest su bulunabilmektedir. Betonda bulunan serbest su 100 °C’de, kimyasal bağlı su ise 300 °C’de buharlaşmaktadır. Sıcaklığın etkisiyle betonun bünyesinden buharlaşan su, büzülmelere ve dolayısıyla beton donatı arasındaki beton örtünün parçalanarak kopmasına neden olmaktadır. Bu durum, daha yangının başlangıcında donatının yangınla ve sıcak gazla temas etmesine neden olur.

Yüksek sıcaklık etkisi ile, düşük ısı iletkenliğine sahip betonun yüzeyi ısınırken iç kısımları yüzeye göre daha az ısınır dolayısıyla sıcaklık farkından dolayı betonda genleşmeler ve büzülmeler meydana gelir. Yüksek sıcaklık, betonun ısı yayınımı, ısı iletkenliği, ısıl genleşme, özgül ısı, birim ağırlık ve renk gibi fiziksel özelliklerine etki eder.

Çimento hamuru, yüksek sıcaklık ve rötre

Beton yüksek sıcaklığın etkisinde kaldıkça içinde çatlaklar oluşmakta ve bu çatlaklar ilerlemektedir. Başlangıçta çimento hamuru bünyesinde bulunan mikro çatlaklar betonun sertleşmesi sırasında oluşan rötre çatlaklarıdır. Bu mikro çatlaklar 200 °C’nin altında kolaylıkla ilerleyebilirler veya bazıları kaybolurlar. Hidrate olmamış tanelerin etrafındaki çatlaklar bu sıcaklıklarda gelişir. 300 °C civarında çatlaklar çimento fazını geçer ve agregaları çevreler. Sıcaklık 500 °C’yi geçtiği zaman çatlaklar çimento hamurunda gerçekleşir, 0.01 mm’den büyüktür, agregaları çatlatırlar ve artık gözle görülebilirler. Betonun gözenekliliği 120 °C’ ye kadar önemli bir değişiklik göstermemektedir. Yüksek dayanımlı betonların 25, 70 ve 120 °C sıcaklıklarda sabit bir boşluk oranı bulunmaktadır.

Normal ve yüksek dayanımlı betonlarda beton karışımı, 70 °C’ye kadar ağırlığının %99’unu korumaktadır. Yine normal ve yüksek dayanımlı betonlarda betonda bulunan serbest su 70- 120 °C arasında buharlaşmakta, yaklaşık %1,4 civarında kütle kaybı oluşmaktadır. En yüksek kütle kaybı ise %7 civarında 120-300 °C arasındadır. Bunun sebebi betonda bağlı olan suyun buharlaşmasıdır. Kütle kaybı 300 ile 600 °C arasında nispeten daha önemsizdir.

Çimentonun hidratasyonu sonucu ortaya çıkan ürünlerden olan kalsiyum hidroksit, yangın esnasında 530 °C civarında sönmemiş kirece dönüşmesi sonucunda %33 civarında bir büzülme meydana gelir. Yangına müdahale etmek için sıkılan su ile sönmemiş kireç tekrar kalsiyum hidroksite dönüşür ve bu durum %44 civarında bir hacim artışına neden olur. Bu hacim değişimleri sonucunda beton yer yer dökülür ve boşluklu bir hal alır. Kalsiyum hidroksitin bu boşluklardan süzülmesi sonucu oluşan beyaz lekeler, yangının 530 °C’nin üzerine çıktığının bir kanıtıdır.

Yüksek sıcaklığın agrega üzerinde etkisi

Agregaların betonda hacimce %60-80 arasında hacim kaplamasından dolayı betonun ısıl genleşme katsayısı ısıl iletkenliğini direk olarak etkilemektedir. Agregaların genel olarak yüksek sıcaklığa dayanıklı olduğu söylenebilir ve agregaların yüksek sıcaklığa dayanıklılıkları mineralojik yapısına bağlıdır. Silis esaslı agregalar için 250 °C ile 575 °C gibi değerler kritik sıcaklıklardır. 1200 °C’lerde karbon bileşimi ayrışır ve erir. Kuvartz kumların büyük çoğunluğunu oluşturur ve 575 °C’lerde yaklaşık %5.7’lik bir hacim artışı gerçekleştirir. Granit ve bazalt esaslı agregalar 1000 °C’ye kadar kararlı kalabilmektedirler.

Yangın sonrası betonda porozite ve ağırlık kaybı

Yangından sonra betondaki hasarın ölçülmesi için betonun bakılan özelliklerinden bazıları porozite ve ağırlık kaybıdır. Yangından sonra betonda meydana gelen ağırlık kaybının nedeni buharlaşan suyun etkisiyle porozitenin artmasıdır. Porozitenin artışı normal ve yüksek dayanımlı betonlarda lineer şekildedir. Ancak ultra yüksek dayanımlı betonlarda bu durum geçerli değildir çünkü ultra yüksek dayanımlı betonlarda kılcal boşlukların neredeyse bulunmaması ve hidrate olmamış çimento tanelerinin çokluğu suyun buharlaşmasını zorlaştırmaktadır. Yapılan bir çalışmada, uçucu kül ve silis dumanı kullanılarak üretilen numuneler yüksek sıcaklık etkisine maruz bırakılarak havada ve suda soğutma işlemi yapılmış, suda soğutulan numunelerin daha az boşluklu yapıya sahip olduğu görülmüştür. Bunun sebebi yüksek sıcaklığın etkisiyle dehidrate olmuş çimento tanelerinin, suda soğutma işleminin etkisiyle tekrar hidrate olmasıdır.