Bu çalışma, beton karbonasyonunda sıcaklığın yalnızca reaksiyonu hızlandıran tek yönlü bir çevresel etken olmadığını; hangi hidratın reaksiyonu kontrol ettiğine ve karbonasyonun hangi zaman evresinde bulunduğuna bağlı olarak etkisinin değişebildiğini göstermektedir. Araştırmacılar, beton içindeki karbondioksit taşınımının etkisini büyük ölçüde ortadan kaldırmak amacıyla ordinary Portland çimentosu esaslı N ve %45 öğütülmüş yüksek fırın cürufu içeren BB çimento hamurlarını 63 µm'den küçük parçacıklara öğütmüş; numuneleri %5 CO₂, %60 bağıl nem ve 10, 20, 30 veya 60 °C koşullarında 24 saate kadar karbonatlaştırmıştır.

Karbonasyonun ilk iki saatini kapsayan Faz I'de sıcaklık arttıkça reaksiyon hızı yükselmiştir. Özellikle 60 °C'de çok hızlı bir başlangıç reaksiyonu görülmüş; ancak bu koşulda kütle artışı yaklaşık iki saatten sonra büyük ölçüde yavaşlamıştır. Buna karşılık daha düşük sıcaklıklarda karbonasyon daha yavaş başlamış fakat uzun süre devam etmiştir. Araştırmacılar 2–6 saat arasını geçiş bölgesi olan Faz II, 6–24 saat arasını ise Faz III olarak tanımlamıştır. Geç evrede Ca(OH)₂ miktarında çok az ilave değişim görülürken C-S-H karbonasyonu devam etmiş; böylece uzun dönem sıcaklık tepkisinin temel belirleyicisinin portlanditten çok C-S-H olduğu sonucuna ulaşılmıştır.

Her iki çimento sisteminde de kalsit ve vaterit oluşmuştur. Aragonit yalnızca N sisteminde açık biçimde gözlenmiş ve yüksek sıcaklıklarda daha belirgin hâle gelmiştir. BB numuneleri N'ye kıyasla karbonasyon sonrasında daha fazla C-S-H korumuş, daha zayıf kalsit ve daha güçlü vaterit oluşumu göstermiştir. Bu sonuçlar, yüksek fırın cürufu ilavesinin yalnızca karbonasyon hızını değil, oluşan CaCO₃ fazlarının dağılımını da değiştirdiğini göstermektedir.

Türkiye açısından çalışma; betonarme yapılarda karbonasyon ömrü tahminlerinin yalnızca “sıcaklık arttıkça karbonasyon hızlanır” varsayımıyla kurulmasının yetersiz olabileceğine işaret etmektedir. Ancak deneyler %5 CO₂ içeren hızlandırılmış ortamda ve öğütülmüş çimento hamuru üzerinde yürütüldüğünden sonuçlar Türkiye'deki gerçek beton yapıların karbonasyon derinliğine doğrudan dönüştürülemez. Türkiye'deki farklı iklim bölgeleri, doğal atmosferik CO₂ düzeyi, yağmur, bağıl nem çevrimleri, beton örtü kalınlığı, çatlaklar, su/bağlayıcı oranları ve yerel çimento bileşimleriyle saha doğrulaması gereklidir.

Araştırmanın temel sorusu nedir?

Beton karbonasyonu sırasında CO₂ gözenek çözeltisinde çözünür ve çimento hidratlarıyla reaksiyona girerek karbonat bileşikleri oluşturur. Bu süreç betonun yüksek alkaliliğini azaltabilir ve betonarme yapılarda donatı çeliğini koruyan pasif tabakanın bozulmasına zemin hazırlayabilir. Bu nedenle karbonasyon, betonarme yapıların uzun dönem dayanıklılığının değerlendirilmesinde önemli mekanizmalardan biridir.

Ancak beton içindeki gerçek karbonasyon ilerlemesi iki farklı süreç grubunun birlikte sonucudur:

• CO₂'nin beton gözeneklerinden taşınması ve çözünmesi
• Ca(OH)₂, C-S-H ve diğer hidratların kimyasal karbonasyon reaksiyonları

Geleneksel karbonasyon derinliği deneylerinde bu iki etki birbirinden kolayca ayrılamaz. Daha yüksek sıcaklık CO₂ taşınımını, gözenek nemini, iyon hareketliliğini ve kimyasal reaksiyonları aynı anda etkileyebilir. Bu nedenle beton yüzeyinden ölçülen karbonasyon derinliğinin artması, tek başına belirli bir hidratın kimyasal reaksiyonunun sıcaklıkla hızlandığını kanıtlamaz.

Çalışmanın temel amacı bu sorunu azaltarak doğrudan hidrat reaksiyonlarına odaklanmaktır. Numuneler ince toz hâline getirilmiş, böylece makroskopik beton içerisindeki CO₂ difüzyon mesafesi büyük ölçüde ortadan kaldırılmıştır. Araştırma özellikle şu soruya cevap aramaktadır: Farklı sıcaklıklarda Ca(OH)₂ ve C-S-H'nin karbonasyon hızları reaksiyon süresi boyunca nasıl değişmektedir?

N ve BB çimento sistemleri neden karşılaştırılmıştır?

İki farklı bağlayıcı sistemi kullanılmıştır. N, ordinary Portland cement esaslı sistemi; BB ise blast-furnace slag cement Type B sistemini temsil etmektedir. BB karışımı kütlece %55 Portland çimentosu ve %45 öğütülmüş yüksek fırın cürufundan oluşturulmuştur.

BB'nin kimyasal bileşimi N'den belirgin biçimde farklıdır. N'nin CaO içeriği %64,96 iken BB'de %41,44'tür. Buna karşılık BB'nin SiO₂ içeriği %33,03, Al₂O₃ içeriği %14,82 ve MgO içeriği %6,51'dir; N'de bu değerler sırasıyla %20,94, %5,45 ve %1,50'dir. Bu bileşim farklılığı, başlangıç hidrat dağılımını ve karbonasyon sonrasında hangi CaCO₃ fazlarının oluşacağını etkileyebilmektedir.

Numuneler neden toz hâline getirilmiştir?

Araştırmanın kritik yöntemsel tercihi numunelerin karbonasyon öncesinde öğütülmesidir. Normal bir beton veya çimento hamuru numunesinde dış yüzeyden içeri doğru hareket eden CO₂, gözenek yapısındaki taşıma direnci nedeniyle zamanla yavaşlar. Bu durumda ölçülen karbonasyon hızı kimyasal reaksiyonla CO₂ difüzyonunun birleşik sonucudur.

Bu çalışmada önce yaklaşık 5 mm parçacıklar elde edilmiş, hidratasyon reaksiyonları durdurulduktan sonra numuneler azot atmosferindeki eldivenli kutuda agat havanla öğütülmüş ve 63 µm elekten geçirilmiştir. Böylece CO₂'nin uzun bir gözenek yolu boyunca ilerleme zorunluluğu azaltılmış ve ölçülen kütle değişiminin esas olarak karbonasyon reaksiyonuna bağlanması amaçlanmıştır.

Bu yöntem reaksiyon kinetiğini izole etmek açısından güçlüdür; ancak aynı nedenle gerçek beton davranışını doğrudan temsil etmez. Gerçek bir yapı elemanında CO₂'nin beton örtüsü içindeki taşınımı, nem dağılımı ve gözenek yapısı karbonasyonun önemli parçalarıdır.

Deney öncesinde hidratasyon nasıl durdurulmuştur?

Numuneler 24 saat asetona daldırılmış, ardından asetonu uzaklaştırmak amacıyla 40 °C'de dört saat kurutulmuştur. Daha sonra 24 saat vakumlu dondurarak kurutma işlemi uygulanmış ve numuneler azotla temizlenmiş desikatörde saklanmıştır.

Bu işlemden sonra öğütme de azotla doldurulmuş eldivenli kutuda gerçekleştirilmiştir. Amaç, karbonasyon deneyinden önce istenmeyen atmosferik CO₂ ile reaksiyonu ve devam eden hidratasyonu olabildiğince sınırlandırmaktır.

Karbonasyon deney koşulları nelerdir?

Karbonasyon, gravimetrik su buharı sorpsiyon analizörü kullanılarak gerçekleştirilmiştir. 10. sayfadaki Şekil 1'de mikroterazi, sıcaklık kontrolü, nemlendirici, bağıl nem ve sıcaklık probları, kuru ve nemli gaz hatları ile kütlesel debi kontrolörünün aynı sistem içinde çalıştığı gösterilmektedir.

Numune başlangıçta azot atmosferi altında cihaza yerleştirilmiş ve %99,99 saflıkta kuru azotla sıcaklık-nem dengesi sağlanmıştır. Kütle değişim hızı 0,001 mg/dakikanın altına düşünce dengelemenin yeterli olduğu kabul edilmiştir. Bu hazırlık sırasında ölçülen değişim 1,25 × 10^-4 ağırlık%/dakikanın altında kaldığından hidratasyon etkisinin ihmal edilebilir olduğu varsayılmıştır.

Dengeleme sonrasında azot gazı %5 CO₂ içeren karışımla değiştirilmiştir. Gaz konsantrasyonunun hedef değerden sapması ±%0,1 içinde tutulmuştur.

24 saat sonunda daha yüksek sıcaklık her zaman daha fazla karbonasyon üretmiş midir?

Hayır. Çalışmanın en önemli bulgularından biri budur. 14. sayfadaki Şekil 2'de N ve BB numunelerinin kütle artışı gösterilmektedir. Dört sıcaklıkta da 24 saat sonunda toplam kütle artışı yaklaşık %8 mertebesine yaklaşmaktadır ve son toplam kütle artışında basit, tek yönlü bir sıcaklık sıralaması bulunmamaktadır.

Buna karşılık eğrilerin şekli çok farklıdır. 60 °C'de karbonasyon ilk iki saat içinde son derece hızlı ilerler ve ardından kütle artışı çok düşük seviyeye iner. 10 ve 20 °C'de başlangıç daha yavaştır fakat 24 saate kadar reaksiyon devam etmektedir. Araştırmacılar düşük sıcaklıklarda karbonasyonun 24 saatten sonra da devam etmesinin olası olduğunu belirtmektedir.

Dolayısıyla aynı yaklaşık nihai kütle artışına farklı kinetik yollarla ulaşılabilmektedir. Sıcaklığın etkisini yalnızca 24. saatteki son kütle değerine bakarak yorumlamak reaksiyon mekanizmasını gizlemektedir.

Neden yüksek sıcaklıkta reaksiyon önce hızlanıp sonra yavaşlamaktadır?

Çalışma yüksek sıcaklığın ilk aşamada C-S-H ve Ca(OH)₂ reaksiyonlarını hızlandırdığını öne sürmektedir. Artan sıcaklık iyon hareketliliğini ve reaksiyon kinetiğini artırabilir. Buna karşılık yüksek sıcaklığın iki olası sınırlayıcı etkisi bulunmaktadır:

• CO₂'nin su içindeki çözünürlüğünün azalması
• Karbonasyon ürünlerinin gözenekleri veya reaksiyon yüzeylerini kapatarak sonraki reaksiyonu sınırlandırması

Özellikle CaCO₃ ürünlerinin reaksiyon bölgelerinde birikmesi, daha ileri reaksiyona karşı koruyucu veya kendini kapatan bir tabaka oluşturabilir. Bu nedenle 60 °C koşulu başlangıçta en hızlı reaksiyonu gösterebilirken uzun dönemde daha düşük sıcaklıkların gerisinde kalabilmektedir.

Karbonasyon neden üç faza ayrılmıştır?

Araştırmacılar kütle artış hızı, TG-DTA ve FT-IR sonuçlarının zaman içinde aynı davranışı göstermediğini belirlemiş ve karbonasyon sürecini üç bölüme ayırmıştır:

Faz II'nin açık bir sıcaklık bağımlılığı göstermemesi nedeniyle araştırmacılar bu bölgenin mekanizmasını ayrıntılı sıcaklık değerlendirmesine dâhil etmemiş ve gelecekte ayrıca araştırılması gerektiğini belirtmiştir.

Faz I'de sıcaklık nasıl etkili olmuştur?

35 ve 36. sayfalardaki Şekil 14 ve Şekil 15, kütle artış eğrisinin 0,1 saatlik aralıklarla türevi alınarak hesaplanan karbonasyon hızını göstermektedir. Faz I'de hem N hem BB için sıcaklık yükseldikçe başlangıç karbonasyon hızı artmıştır. Özellikle 30 ve 60 °C eğrileri yüksek başlangıç değerleri göstermektedir.

60 °C'deki hız çok yüksek başlamakla birlikte kısa sürede keskin şekilde düşmektedir. Bu davranış, “daha sıcak ortam = bütün karbonasyon süresi boyunca daha yüksek reaksiyon hızı” şeklindeki basit yaklaşımın geçerli olmadığını açıkça göstermektedir.

Faz III'te ne değişmiştir?

Geç evrede sıcaklık etkisi başlangıç evresinden farklıdır. N numunesinin grafiğinde düşük sıcaklıkların karbonasyon hızını daha uzun süre koruduğu açık biçimde görülmektedir. 60 °C eğrisi ise 24 saate yaklaşırken hemen hemen sıfıra inmektedir.

BB için kaynak metninde burada bir tutarsızlık vardır. Bölüm 4.2'de sıcaklık sıralaması “60 °C > 30 °C > 10 °C > 20 °C” şeklinde yazılmıştır. Buna karşılık Şekil 15'in grafik eğrileri Faz III'ün önemli bölümünde yaklaşık 20 °C > 10 °C > 30 °C > 60 °C sıralamasını göstermekte ve makalenin sonuç bölümü de “Faz III'te daha düşük sıcaklıkların daha yüksek görünür karbonasyon hızına yol açtığını” belirtmektedir. Bu nedenle kaynak içindeki metin-grafik uyumsuzluğu göz ardı edilmemelidir.

Ca(OH)₂ tamamen karbonatlaşmış mıdır?

Hayır. TG-DTA sonuçlarının temel bulgularından biri, 24 saatlik %5 CO₂ maruziyetine rağmen portlanditin önemli bölümünün numunelerde kalmasıdır.

30 ve 60 °C'de ilk bir saat içinde Ca(OH)₂ miktarında sınırlı azalma görülmüş, fakat ilerleyen saatlerde tüketim büyük ölçüde durmuş veya çok düşük seviyeye inmiştir. Buna karşılık CaCO₃ miktarı artmaya devam etmiştir.

Bu iki bulgunun birlikte görülmesi, oluşan bütün CaCO₃'ün yalnızca portlandit karbonasyonundan kaynaklanamayacağını göstermektedir. Araştırmacılar kalan karbonat oluşumunda özellikle C-S-H karbonasyonunun önemli rol oynadığı sonucuna ulaşmıştır.

C-S-H neden çalışmanın merkezindedir?

C-S-H, hidratlanmış Portland çimentosunun ana bağlayıcı fazlarından biridir. Karbonasyon sırasında C-S-H'nin kalsiyumu uzaklaşır; başka bir ifadeyle dekalifikasyon gerçekleşir. Açığa çıkan kalsiyum karbonat fazlarına dönüşürken silikat yapısı daha polimerize bir silis jel yapısına doğru değişmektedir.

Çalışmanın FT-IR sonuçlarında karbonasyon öncesi C-S-H'ye atfedilen yaklaşık 670 cm^-1 Si-O-Si eğilme bandı ve yaklaşık 970 cm^-1 Si-O gerilme bandı izlenmiştir. Karbonasyon ilerledikçe C-S-H bandı azalırken yaklaşık 1020–1070 cm^-1 bölgesinde silis jel ile ilişkili geniş bir bant belirginleşmiştir.

60 °C'de C-S-H bandının daha ilk saatten itibaren ciddi biçimde azalması ve birkaç saat içinde çok zayıf hâle gelmesi, yüksek sıcaklığın erken C-S-H karbonasyonunu güçlü biçimde hızlandırdığına işaret etmektedir.

N ve BB arasında C-S-H açısından nasıl bir fark görülmüştür?

FT-IR ve Rietveld sonuçları BB'nin karbonasyon sonrasında N'den daha fazla C-S-H koruduğunu göstermektedir. Özellikle yüksek sıcaklık koşullarında N'deki C-S-H kaybı daha belirgindir.

Çalışmanın sonuç bölümünde BB'de 60 °C sonrasında dahi artık C-S-H bulunduğu belirtilmekte ve yüksek fırın cürufunun görünür C-S-H karbonasyon hızını düşürdüğü yorumlanmaktadır.

Bu sonuç, BB'nin bütün anlamlarda “karbonasyona daha dayanıklı beton” olduğunu doğrudan kanıtlamaz. Test öğütülmüş bağlayıcı üzerinde reaksiyon kinetiğini incelemektedir; gerçek betondaki CO₂ difüzyonu, kapiler porozite ve beton örtü davranışı ayrıca değerlendirilmelidir.

Hangi kalsiyum karbonat fazları oluşmuştur?

XRD analizinde üç temel kristal CaCO₃ polimorfu izlenmiştir:

• Kalsit
• Vaterit
• Aragonit

Kalsit ve vaterit hem N hem BB numunelerinde oluşmuştur. Aragonit ise N numunelerinde belirlenmiş fakat BB sisteminde açık biçimde tespit edilmemiştir.

17. ve 18. sayfalardaki XRD desenlerinde karbonasyon ilerledikçe portlandit piklerinin zayıfladığı, kalsit ve vaterit piklerinin güçlendiği görülmektedir. N numunesinde yüksek sıcaklıkla birlikte aragonit pikleri daha belirgin hâle gelmiştir.

BB, N'ye kıyasla daha zayıf kalsit ve daha belirgin vaterit sinyalleri göstermiştir. Bu farklılık yüksek fırın cürufu ilavesinin yalnızca reaksiyon hızını değil, oluşan karbonatların kristal faz dağılımını da değiştirdiğini göstermektedir.

Rietveld analizi ne göstermiştir?

25. sayfadaki Şekil 6 ve Şekil 7, N ve BB numunelerinde karbonasyon süresine bağlı faz dağılımlarını göstermektedir. Kalsit, vaterit, aragonit, Ca(OH)₂, amorf/C-S-H içeriği ve diğer fazların göreli değişimleri karşılaştırılmıştır.

Özellikle 60 °C'de vaterit erken dönemde hızlı biçimde ortaya çıkmaktadır. Kaynak metninde vateritin 60 °C'de ilk bir saat içinde gözlenebildiği, daha düşük sıcaklıklarda ise belirginleşmesinin üç saat veya daha fazla sürdüğü belirtilmektedir.

Analiz aynı zamanda BB'de daha yüksek artık C-S-H oranını desteklemektedir.

Su buharı adsorpsiyon deneyi ne göstermiştir?

Karbonasyon sırasında gözenek yapısının değişmesi kütle ölçümlerini etkileyebileceği için su buharı adsorpsiyon deneyleri yapılmıştır. Sunulan karşılaştırmada karbonasyonsuz N numunesi ile 20 ve 30 °C'de 24 saat karbonatlaştırılmış N numuneleri değerlendirilmiştir.

Adsorplanan su miktarı yaklaşık %80 bağıl neme kadar düzenli artmış, %80'in üzerinde daha keskin yükselmiştir. Araştırmacılar bunu karbonasyon sırasında görece büyük gözeneklerin daralması veya çökmesiyle ilişkilendirmiştir.

20 ve 30 °C karbonasyonları arasındaki adsorpsiyon farkının, karbonasyon öncesi ve sonrası arasındaki değişime kıyasla küçük olması nedeniyle sıcaklığın adsorpsiyon davranışına etkisinin sınırlı olduğu sonucuna varılmıştır.

Fenolftalein testi neden kimyasal analizle tam uyuşmamıştır?

Fenolftalein, beton karbonasyonunun saha ve laboratuvar değerlendirmesinde yaygın kullanılan pH göstergelerinden biridir. Ancak çalışma, renk değişiminin gerçek kimyasal karbonasyon ilerlemesiyle her zaman eş zamanlı olmadığını göstermektedir.

24 saat karbonatlaştırılmış toz numunelere %1 fenolftalein püskürtülmüş ve renk 1 dakika, 30 dakika, 1 saat, 3 saat ve 24 saat sonra ölçülmüştür. Renk L*a*b* sistemindeki kırmızı bileşen olan a* ile nicel olarak değerlendirilmiştir.

En dikkat çekici sonuç yüksek sıcaklıklardadır. Örneğin N-60 °C numunesinde püskürtmeden bir dakika sonra renk değeri yalnızca 4,02 iken 30 dakika sonra 49,84'e yükselmiştir. BB-60 °C numunesinde ise başlangıç değeri -1,17 olmuş ve 30 dakika sonra bile yalnızca 12,03'e ulaşmıştır.

Bu gecikme, fenolftalein püskürtülür püskürtülmez yapılan görsel değerlendirmenin özellikle termal olarak hızlandırılmış karbonasyon koşullarında gerçek kimyasal dönüşümü eksik veya farklı temsil edebileceğini göstermektedir.

Fenolftalein renksizliği portlanditin tamamen kaybolduğu anlamına gelir mi?

Hayır. Çalışmada yüksek sıcaklıktaki bazı numuneler fenolftaleinle çok az renk göstermesine rağmen TG-DTA ve XRD analizleri hâlâ önemli miktarda Ca(OH)₂ bulunduğunu göstermiştir.

Dolayısıyla fenolftalein pH göstergesinin verdiği sınır, bütün hidratların tamamen karbonatlaştığı keskin bir kimyasal sınır değildir. Çalışma özellikle yüksek sıcaklık koşullarında görsel pH cephesi ile kimyasal karbonasyon ilerlemesinin birbirinden ayrılabildiğini göstermektedir.

Çalışmanın desteklediği temel sonuçlar nelerdir?

• Karbonasyonun sıcaklık bağımlılığı reaksiyon süresi boyunca sabit değildir.
• İlk 0–2 saatte yüksek sıcaklık daha yüksek karbonasyon hızı üretmiştir.
• 60 °C'de reaksiyon çok hızlı başlamış ancak daha erken yavaşlamıştır.
• Ca(OH)₂ 24 saat sonunda tamamen tüketilmemiştir.
• Ca(OH)₂ reaksiyonu büyük ölçüde durduktan sonra C-S-H karbonasyonu devam etmiştir.
• Geç dönem sıcaklık davranışının temel kontrolünün C-S-H karbonasyonu olduğu sonucuna ulaşılmıştır.
• Faz I'de C-S-H karbonasyon hızının Ca(OH)₂ karbonasyon hızından yaklaşık dört kat yüksek olduğu bildirilmiştir.
• N ve BB'de kalsit ve vaterit oluşmuştur.
• Aragonit N'de gözlenmiş, BB'de açık biçimde belirlenmemiştir.
• BB, karbonasyon sonrasında N'den daha fazla C-S-H korumuştur.
• Fenolftalein renk gelişimi özellikle yüksek sıcaklıklarda kimyasal reaksiyondan gecikmeli davranmıştır.

Çalışmanın kanıtlamadığı sonuçlar nelerdir?

• 60 °C'nin gerçek yapılarda her zaman en düşük veya en yüksek karbonasyon derinliğini oluşturacağı gösterilmemiştir.
• Toz numunelerdeki reaksiyon hızları doğrudan beton karbonasyon derinliğine dönüştürülemez.
• %5 CO₂ ortamındaki reaksiyon sıralamasının doğal atmosferik CO₂ koşullarında aynen gerçekleşeceği kanıtlanmamıştır.
• BB'nin bütün gerçek betonlarda N'den daha yüksek karbonasyon dayanımına sahip olduğu gösterilmemiştir.
• Fenolftalein yönteminin genel olarak geçersiz olduğu gösterilmemiştir; çalışma özellikle yüksek sıcaklık ve hızlandırılmış koşullardaki yorum sınırlılığını ortaya koymaktadır.
• Karbonasyonun tüm reaksiyon ürünlerinin yalnızca Ca(OH)₂ ve C-S-H'den kaynaklandığı doğrudan kanıtlanmamıştır.
• Doğal dış ortamda yağmur, kuruma-ıslanma, çatlak ve mevsimsel sıcaklık değişiminin etkileri değerlendirilmemiştir.

Dayanıklılık modelleri açısından çalışma neden önemlidir?

Birçok mühendislik modeli karbonasyon derinliğini zamanın kareköküyle ilişkilendiren ampirik yaklaşımlara dayanır. Bu tür modellerde sıcaklık, nem, CO₂, gözenek yapısı ve hidrat reaksiyonlarının birleşik etkileri tek bir karbonasyon katsayısına yansıyabilir.

Bu çalışma ise sıcaklık etkisinin reaksiyon mekanizmasına göre değiştiğini göstermektedir. Yüksek sıcaklık ilk reaksiyonu hızlandırırken ilerleyen dönemde reaksiyon ürünlerinin oluşumu ve C-S-H'nin tüketimi nedeniyle hız keskin biçimde düşebilir.

Dolayısıyla hızlandırılmış karbonasyon deneylerini gerçek yapı ömrüne dönüştüren modellerin yalnızca toplam karbonasyon derinliğini değil, hidrat türünü, reaksiyon evresini, CO₂ seviyesi ve nem durumunu da dikkate alması gerekebilir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Numune hazırlama

• N ve BB için su/bağlayıcı oranı %55'tir.
• BB bağlayıcısı %55 Portland çimentosu ve %45 öğütülmüş yüksek fırın cürufundan oluşmuştur.
• Karıştırma makineyle 1 dakika yapılmış, kanama suyunu sınırlandırmak için ilk 6 saat boyunca saatlik elle karıştırma uygulanmıştır.
• Numuneler 24 saat sonra kalıptan çıkarılmıştır.
• 28 gün su kürü ve ardından 28 gün hava kürü uygulanmıştır.
• 56 günlük basınç dayanımları N için 38,07 N/mm², BB için 30,63 N/mm²'dir.
• Her dayanım ölçümünde üç numune kullanılmıştır.
• Numuneler önce yaklaşık 5 mm parçacık boyutuna kırılmış, daha sonra hidratasyon durdurma işleminin ardından <63 µm boyutuna öğütülmüştür.

Başlıca kimyasal bileşimler

Karbonasyon düzeneği

Gravimetrik su buharı sorpsiyon cihazı aynı anda numune kütlesini, sıcaklığı, nemi ve gaz beslemesini kontrol etmek için kullanılmıştır. Karbonasyon öncesi kuru N₂ ile dengeleme yapılmış, ardından %5 CO₂ içeren karışım uygulanmıştır.

Su buharı adsorpsiyon ölçümü

• Bağıl basınç P/P₀ aralığı: 0,05–0,35.
• Su molekülü kesit alanı: 0,114 nm².
• Ölçüm sıcaklığı: 20 °C.
• Bağıl nem adımı: %5.
• Kuru azot debisi: 50–150 sccm.
• Analiz öncesi vakumlu dondurarak kurutma: 24 saat.

Sunulan adsorpsiyon izotermlerinde karbonasyon sonrasında yüksek bağıl nem bölgesindeki davranış değişmiş, araştırmacılar bunu nispeten büyük gözeneklerin karbonasyonla daralması veya çökmesiyle ilişkilendirmiştir.

XRD ve Rietveld analizi

Kantitatif analizde kalsit, vaterit, aragonit, ettringit, alit, belit, alüminat fazı, ferrit fazı, korundum, portlandit, hemihidrat ve dihidrat alçı, hidrokalümit, periklaz ve sönmemiş kireç dâhil çok sayıda kristal faz değerlendirilmiştir. C-S-H amorf olduğundan doğrudan kristal faz olarak değil, iç standart yaklaşımıyla dolaylı olarak değerlendirilmiştir.

TG-DTA analizi

• Sıcaklık aralığı: 20–1000 °C.
• Isıtma hızı: 10 °C/dakika.
• Temel hedefler: Ca(OH)₂ ve CaCO₃ miktarlarının belirlenmesi.
• Kuantifikasyon yaklaşımı: DTA eğrisindeki dönüm noktaları ve TG kütle kaybı kullanılmıştır.

Analiz, 24 saat sonunda Ca(OH)₂'nin büyük bölümünün hâlâ mevcut olduğunu ortaya koymuştur. Buna rağmen CaCO₃ miktarındaki belirgin artış, C-S-H gibi diğer hidratların karbonasyonunun önemli olduğunu göstermektedir.

FT-IR analizi

Karbonasyon ilerledikçe yaklaşık 970 cm^-1 C-S-H bandı zayıflamış ve 1020–1070 cm^-1 civarındaki silis jel bandı belirginleşmiştir. Bu değişim C-S-H dekalifikasyonunu desteklemektedir.

Fenolftalein ve spektrofotometre analizi

• Fenolftalein çözeltisi: %1,0.
• Gözlem zamanları: 1 dakika, 30 dakika, 1 saat, 3 saat ve 24 saat.
• Renk sistemi: L*a*b*.
• Değerlendirilen değişken: kırmızı bileşen a*.

Bütün sıcaklıklarda a* değerinin çoğunlukla püskürtmeden yaklaşık 30 dakika sonra maksimuma ulaştığı ve ardından zamanla düştüğü görülmüştür. Yüksek sıcaklık numunelerinde ilk renklenmenin gecikmesi daha belirgindir.

Fazlara göre karbonasyon kinetiği

Kaynakta karbonasyon hızı için ayrı bir kapalı matematiksel denklem verilmemiştir. Kütle artış eğrisinin zamana göre türevi 0,1 saat aralıklarla alınarak anlık karbonasyon hızı hesaplanmıştır.

Makalenin sonuç bölümüne göre Faz I'de C-S-H karbonasyon hızı Ca(OH)₂ karbonasyon hızının yaklaşık dört katıdır. Faz II ve Faz III'te ise Ca(OH)₂ miktarında daha fazla belirgin azalma tespit edilmemesine rağmen C-S-H karbonasyonu devam etmektedir.

C-S-H hızının hesaplanmasındaki önemli varsayım

Çalışmada hesaplama amacıyla çimento hidratlarının tamamen Ca(OH)₂ ve C-S-H'den oluştuğu varsayılmıştır. C-S-H azalma hızı, CaCO₃ oluşum hızı ile Ca(OH)₂ azalma hızının farkından türetilmiştir.

Bu, yöntemin önemli sınırlılıklarından biridir. Gerçek hidratlanmış çimento sisteminde ettringit, monosülfat ve başka fazlar da bulunmaktadır. Nitekim araştırmacılar 10 ve 20 °C arasındaki bazı farkları açıklamak için monosülfat gibi C-S-H dışındaki hidratların gelecekte ayrıca araştırılması gerektiğini belirtmektedir.

Kaynak içindeki önemli tutarsızlık

BB için Faz III sıcaklık sıralamasında metin ve grafik birbiriyle tam olarak uyuşmamaktadır. Metindeki “60 °C > 30 °C > 10 °C > 20 °C” sıralaması, aynı bölümün ters sıcaklık bağımlılığı yorumuyla ve Şekil 15'in eğrileriyle uyumsuz görünmektedir. Şekil 15'in geç dönem eğrileri yaklaşık olarak 20 °C'nin en yüksek, 60 °C'nin ise en düşük hızı verdiğini göstermektedir. Sonuç bölümü de Faz III için düşük sıcaklıkların daha yüksek görünür karbonasyon hızı ürettiğini ifade etmektedir.

Bu nedenle çalışmanın ana mekanistik sonucu korunabilir: sıcaklık etkisi reaksiyon boyunca değişmekte ve geç dönemde C-S-H davranışı belirleyici hâle gelmektedir. Ancak BB için Faz III'ün kesin sıcaklık sıralaması, kaynak içindeki bu tutarsızlık nedeniyle ihtiyatla değerlendirilmelidir.

Temel sınırlılıklar

• CO₂ konsantrasyonu %5'tir ve doğal atmosferden çok daha yüksek bir hızlandırılmış deney koşuludur.
• Numuneler <63 µm toz hâlindedir; gerçek beton içindeki makroskopik CO₂ difüzyonu özellikle ortadan kaldırılmıştır.
• Sonuçlar beton karbonasyon derinliğini doğrudan ölçmemektedir.
• Karbonasyon yalnızca 24 saate kadar izlenmiştir.
• 10 ve 20 °C numunelerinde reaksiyonun 24 saatten sonra devam edebileceği belirtilmiştir; nihai denge belirlenmemiştir.
• Faz II'nin mekanizması ayrıntılı biçimde açıklanmamıştır.
• C-S-H hız hesabında hidratların yalnızca Ca(OH)₂ ve C-S-H'den oluştuğu basitleştirici varsayım kullanılmıştır.
• Monosülfat ve diğer hidratların katkısı ayrıştırılmamıştır.
• BB Faz III sıcaklık sıralaması metin ve grafik arasında tutarsızdır.
• Adsorpsiyon sonuçlarının sunulan bölümünde bütün sıcaklıklar ve BB için eşdeğer karşılaştırmalar gösterilmemiştir.
• Doğal yağmur, ıslanma-kuruma ve mevsimsel çevrim koşulları bulunmamaktadır.
• Beton agrega yapısı, beton örtü kalınlığı ve çatlak etkisi deney kapsamında değildir.
• Sonuçlardan gerçek yapı servis ömrüne doğrudan dönüşüm yapılmamıştır.

Sonuçların mühendislik açısından anlamı

Çalışmanın en güçlü sonucu, sıcaklığın karbonasyon üzerindeki etkisinin sabit bir katsayı gibi ele alınmaması gerektiğini göstermesidir. Aynı sıcaklık bir reaksiyonun ilk saatlerinde hızlandırıcı, daha sonraki evresinde ise reaksiyonun erken tükenmesi nedeniyle göreli olarak yavaşlatıcı bir sonuç oluşturabilir.

Bu mekanizma özellikle hızlandırılmış karbonasyon deneylerinin doğal ortama ekstrapolasyonunda önemlidir. %5 CO₂ altında C-S-H ve portlanditin eş zamanlı reaksiyona girmesi, düşük atmosferik CO₂ koşullarında gerçekleşebilecek daha sıralı reaksiyon mekanizmasından farklı olabilir.

Dolayısıyla dayanıklılık modellerinde sıcaklığın etkisini yalnızca Arrhenius tipi tek bir hızlandırma katsayısına indirgemek yerine; hidrat türü, karbonasyon evresi, CO₂ konsantrasyonu, nem ve gözenek yapısının birlikte değerlendirilmesi gerekebilir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Çalışmanın tam özgün adı: Temperature dependence of carbonation kinetics in cement hydrates: the controlling role of C-S-H carbonation

Yazarlar ve doğru sıraları: Junho KIM; Kiyofumi NAKADA; Manabu KANEMATSU.

Birinci yazar: Junho KIM.

Eş birinci yazarlık: Eş birinci yazarlık veya eş katkı bilgisi belirtilmemiştir.

Sorumlu yazar: Junho KIM.

Sorumlu yazar iletişim adresi: jh-kim@rs.tus.ac.jp

Kurumsal bağlantılar:

• Junho KIM — Department of Architecture, Faculty of Science and Technology, Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda-shi, Chiba 278-8510, Japonya.
• Kiyofumi NAKADA — Department of Building Materials and Components, Building Research Institute, 1 Tachihara, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken 305-0802, Japonya.
• Manabu KANEMATSU — Department of Architecture, Faculty of Science and Technology, Tokyo University of Science, 2641 Yamazaki, Noda-shi, Chiba 278-8510, Japonya.

DOI: 10.2139/ssrn.7199945

Dergi: Bu sürüm için hakemli bir dergi veya kabul edilmiş nihai dergi sürümü doğrulanamamıştır.

Yayın platformu: SSRN.

Platform: Elsevier'in SSRN erken araştırma ve preprint platformu.

SSRN kayıt tarihi: 29 Temmuz 2026.

Yayın yılı: 2026.

Kaynak türü: Çimento hidratlarının sıcaklığa bağlı karbonasyon kinetiğini kontrollü hızlandırılmış deneylerle inceleyen deneysel araştırma preprinti.

Hakemlik durumu: Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir; bulgular bu durum dikkate alınarak değerlendirilmelidir.

Resmî çalışma bağlantısı:SSRN resmî çalışma sayfası

DOI bağlantısı:https://doi.org/10.2139/ssrn.7199945

Finansman: Araştırmacılar çalışmanın kamu, ticari veya kâr amacı gütmeyen finansman kuruluşlarından özel bir araştırma hibesi almadığını belirtmiştir.

Bu Türkçe açıklama yalnızca incelenen çalışmanın bilimsel içeriğine dayanarak hazırlanmıştır. Kütle değişimi, adsorpsiyon, XRD/Rietveld, TG-DTA, FT-IR ve fenolftalein sonuçları ile N ve BB numunelerinin bütün sıcaklık ve zaman karşılaştırmaları birlikte değerlendirilmiştir. Dış kaynaklar yalnızca başlık, yazarlar, DOI, SSRN kayıt tarihi ve yayın/hakemlik durumunun bibliyografik doğrulaması için kullanılmış; bilimsel bulgulara dış kaynaklardan yeni sonuç eklenmemiştir.

Çalışmanın başlıca sınırları; %5 CO₂ kullanılan hızlandırılmış koşul, CO₂ taşınımını özellikle ortadan kaldıran toz numune yaklaşımı, 24 saatlik deney süresi, C-S-H hız hesabındaki basitleştirici hidrat varsayımı, Faz II mekanizmasının çözülmemiş olması ve BB Faz III sıcaklık sıralamasındaki kaynak içi tutarsızlıktır. Bu nedenle sonuçlar doğrudan gerçek beton karbonasyon derinliği veya yapı servis ömrü olarak yorumlanmamalıdır.