Alkali Silika Reaksiyonunu Önlemede Farklı Mineral Katkı Maddelerinin Rolü

Bu çalışmada, alkali-silika reaksiyonu sebebiyle betonun genleşmesinin azalmasında üç mineral katkı maddesinin etkinliği araştırılmaktadır. Harç çubuklarını hazırlamak için iki doğal kum ve bir kırma kum olmak üzere üç tip agrega kullanıldı. Bu agregalar, ASTM C295 standardına göre petrografik olarak incelenmiş ve ASTM C1260’a istinaden zararlı oldukları bulunmuştur. Bu çalışmadaki katkı maddeleri içerisinde yoğunlaştırılmış bir silis dumanı, bir F sınıfı uçucu kül ve yüksek fırın cürufu vardır. Bu üç katkı maddesinin performansı, alkali-silika reaksiyonu (ASR) sebebiyle meydana gelen genleşme ile mukayese edilmiştir. Agrega ve çimento karışımları, çimentonun kütlece %10 ve %20 ikame edilmesiyle birlikte hızlandırılmış harç çubuğu test işlemleri ile test edilmiştir. Silis dumanı da aynı test işlemlerine tabi tutulmakla birlikte, betondaki silis dumanının optimum düzeyde kullanılması sebebiyle sadece çimento ağırlığına oranla kütlece %10 ikame edilmiştir. 14 günlük deneysel ölçüm sonuçları, genleşmiş kontrol harç çubuklarının ortalama maksimum uzunluğunun %56’sı oranında olduğunu gösterirken, en düşük ortalama artış ise uzunluğun %20’siydi. Harç çubuğundaki silis dumanı ikamesi çimentonun kütlece %10’uydu ve harç çubuğundaki uzunluk değişimi %0.04 olarak gözlendi. Bu çalışmanın bulgularına göre, %10’luk silis dumanı ikame seviyesi ve %20’lik uçucu kül ikame seviyesi ve yüksek fırın cürufu, alkali-silika reaksiyonunu önlemede oldukça etkiliydi. Mineral katkı maddelerinin kullanıldığı deney numunelerinin genleşmesi kabul edilebilir sınırlar içindeydi.
Anahtar kelimeler:
Alkali-silika reaksiyonu (ASR), Silika dumanı (SF), Uçucu kül (FA), Yüksek fırın cürufu (BFC).
1 Giriş
Alkali silika reaksiyonu, Portland çimentosundaki alkali hidroksit ile agregalarda var olan reaktif silika arasındaki reaksiyondur. Bu reaksiyon çoğunlukla, belirgin bir beton genleşmesine ve beton yapının çökmesiyle sonlanan çatlaklara yol açar (Stanton,1940). ASR reaksiyonunun birkaç bileşenin oluşmasına ihtiyacı vardır; alkali, reaktif agrega ve su. Özellikle şayet su yoksa ASR jeli genişlemez ve herhangi bir reaksiyon meydana gelmez (Hobbs,1980). Su ve nem, ASR genleşmesi için son derece gereklidir.
ASR, ciddi bir beton bozulması ve dünya genelinde ciddi bir sorundur. Reaksiyonun mekanizmasını açıklayan farklı araştırmacılar tarafından önerilmiş olan pek çok teori vardır. Bir teori ASR reaksiyonunu şu şekilde açıklar; 1.OH- agregaya saldırır ve çözünmeyi kesintiye uğratır, 2. çözünmüş silika alkalilerle reaksiyona girer (Na+ veya K+), 3a. Betonun genleşmesi, çimento hamurundaki alkali silika jel tarafından oluşturulan osmotik basınç yüzündendir. Han-sen,1944 ; 3b. genleşme, çatlak oluşumlarının ve reaksiyon ürünleri tarafından uygulanılan mekanik basınç sebebiyle çatlaklarının genişlemesinin bir neticesidir (McGowan ve arkadaşları 1952; Vivian 1951); betonun genleşmesi, reaksiyonun şişen alkali silika jel mi yoksa şişmeyen tipte olup olmadığına bağlıdır. Diğer araştırmacılar reaksiyonu, başka teoriler ile izah eder ve görünüşe göre bu teorilerin hiçbiri genel olarak kabul edilmemiştir.
Alkali silika reaksiyonunun karmaşıklığına rağmen, beton yapılardaki zararlı ASR genleşmesini önlemek veya kontrol etmek için dört seçenek vardır: 1. reaktif agreganın önlenmesi, 2. düşük alkali çimentonun kullanılması, 3. kimyasal bir katkının kullanılması, 4. yüksek alkali çimentonun kısmen katkı maddesi ile değiştirilmesi. Tüm dünyada araştırmacılar tarafından ASR’yi önleme teknikleri araştırılmıştır. Araştırmacılar tarafından son seçenek üzerine oldukça dikkat çekilmiştir çünkü beton ve harçta kullanılacak mevcut çok fazla miktarda katkı maddesi mevcuttur (Hobbs, 1989; Hogan, 1985). Günümüzde, uçucu kül, silis dumanı ve yüksek fırın cürufu gibi mineral katkı maddesi olarak isimlendirilen malzemelerin, ASR genleşmesini kontrol etmek için başarılı bir şekilde kullanıldığı gayet iyi bilinmektedir (Xu ve arkadaşları, 1995; Rangaraju ve arkadaşları, 2009; Andiç, 2002). Önerilen çeşitli mekanizmalar, ASR genleşmesinde mineral katkı maddelerinin rolünü açıklamak için denenmiştir. Bu mekanizmalar pek çok araştırmacı tarafından incelenmiştir ki bunların arasında puzzolonik reaksiyon ile oluşan ekstra CSH jeller tarafından geçirgenliği ve alkali adsorpsiyonunu azaltan reaksiyonlar vardır (Berube ve ark.,1992;Thomas ve ark., 1996; Durand 1991). Bununla birlikte bu hipotezlerin tamamı, ASR mekanizmaları üzerindeki farklı bakış açıları sebebiyle hâlâ tartışmalıdır.
Bu mineral katkı maddelerinin her biri, ASR’yi azaltan dikkate değer bir performans sergiler. F sınıfı uçucu kül beton geçirgenliğini azaltır (Ellis,
1992) ve s/ç oranının 0.5’in altında olan betonlar için ikame miktarlarında yaklaşık %25’lik bir oranın, deniz ortamında bile ASR’yi önemli ölçüde hafiflettiği gösterilmiştir (Malhotra ve ark., 1994; Touma ve ark., 2000; Berube ve ark., 2000). Silis dumanının da ASR’yi hafiflettiği kanıtlanmıştır, örneğin %10 çimento ikame  seviyesinde silis dumanı genleşmeyi, %20 uçucu kül çimento ikamesine yakın bir seviyeye düşürür (Touma ve ark.,2000). Yüksek fırın cürufunun ASR genleşmesini düşürmekte etkili olduğu bulunmuştur, örneğin cüruf içeren harç çubukları, kontrol numunelerine göre 14. günde daha düşük genleşme göstermiştir (Rangaraju ve ark., 2009).
2 Malzeme
Bu çalışmada harç çubuklarını hazırlamak için bir çeşit çimento ile üç tip agrega ile birlikte üç çeşit mineral katkı maddesi kullanıldı. Deneylerde kullanılmak üzere toplam olarak 12 karışım ile 24 harç çubuğu hazırlandı.
 
2.1 Çimento ve Mineral Katkılar
Çalışmada %0.83’ün eşdeğeri bir Na2O ile birlikte yüksek alkali bir çimento kullanıldı (ASTM Tip I) ve denklem 1’de gösterildi. Çimentonun kimyasal içeriği Tablo 1’de verilmiştir. Bir tip F sınıfı uçucu kül, yüksek fırın cürufu ve silis dumanı kullanıldı ve bu üç çeşit mineral katkı maddesinin kimyasal içeriği Tablo 1’de sunulmuştur. Çimentonun minerolojik içeriği Tablo 2’de verilmiştir.

2.2 Agregalar
Bu çalışmada üç çeşit agrega kullanıldı. Bunların kökenleri ve mineral içerikleri birbirinden farklıdır. Agregaların mineral içerikleri, ASTM C227’ye uygun olarak gerçekleştirilen petrografik inceleme sonuçlarından alınmıştır.
2.2.1 Reaktivitesi Yüksek Doğal Kum
 
Bu agrega Sakarya nehrinden elde edilmiş doğal bir kumdur. Çalışmada bu agrega S1 olarak adlandırılmıştır. Deneyler ASTM C1260 standardına göre gerçekleştirilmiştir, 14 günlük genleşmeler kaydedilmiş ve nihayetinde genleşme ortalaması %0.60 olarak hesaplanmıştır. 14 gün sonunda %0.2’den daha yüksek genleşme gösteren agregalar, araştırmacılar tarafından yüksek reaktif agrega olarak tanımlanmıştır (Touma ve ark., 2000). 14 günlük ortalama genleşmeyi dikkate alırsak, S1 agregası bu yüksek derecede reaktif agrega sınıfının içine dâhil edilebilir. S1 agregasına ait minerolojik içerik Tablo 4’de gösterilmiştir.

2.2.2 Reaktivitesi Yüksek Kırmataş Kumu
Bu agrega, İstanbul bölgesinden elde edilen kırmataş kumu agregasıdır. Çalışmada bu agrega S2 olarak adlandırılacaktır. Deneyler ASTM C1260 standardına göre gerçekleştirilmiştir, 14 günlük genleşmeler kayıt edilmiş ve nihayetinde genleşme ortalaması %0.32 olarak hesaplanmıştır. 14 gün sonunda %0.2’den daha yüksek genleşme gösteren agregalar, araştırmacılar tarafından yüksek reaktif agrega olarak tanımlanmıştır (Touma ve ark., 2000). 14 günlük ortalama genleşmeyi dikkate alırsak, S2 agregası bu yüksek derecede reaktif agrega sınıfının içine dâhil edilebilir. S2 agregasına ait minerolojik içerik Tablo 5’de gösterilmiştir.

2.2.3 Yüksek Derecede Reaktif Doğal Kum
Bu agrega, İstanbul bölgesinden elde edilen doğal bir kumdur. Çalışmada bu agrega S3 agregası olarak adlandırılacaktır. Deneyler ASTM C1260 standardına göre gerçekleştirildi, 14 günlük genleşmeler kayıt edilmiştir ve nihayetinde genleşme ortalaması %0.24 olarak hesaplanmıştır. 14 gün sonunda %0.2’den daha yüksek genleşme gösteren agregalar, araştırmacılar tarafından yüksek reaktif agrega olarak tanımlanmıştır (Touma ve ark., 2000). 14 günlük ortalama genleşmeyi dikkate alırsak, S3 agregası bu yüksek derecede reaktif agrega sınıfının içine dâhil edilebilir. S3 agregasına ait minerolojik içerik Tablo 6’da gösterilmiştir.

3 Deneysel Metod
Deneysel matrisin içinde toplamda 12 karışım vardır; 1) 3 kontrol karışımları, 2) Uçucu külün %10 ikame seviyesi ile 3, 3) Uçucu külün %20 ikame seviyesi ile 3, 4) Yüksek fırın cürufunun %10 ikame seviyesi ile 3, 5) Yüksek fırın cürufunun %20 ikame seviyesi ile 3, 6) Silika dumanının %10 ikame seviyesi ile 3. Her bir karışım için iki adet harç çubuğumuz vardır.
3.1 Numune Hazırlanışı
Kontrol harç çubuğunun içeriği, 2.75 kısım agregaya karşı 1 kısım çimento ve ASTM C1260 standardına uygun olarak bütün numune-ler için su içeriği oranı kütlece 0.47 idi. ASR genleşmesini test etmek için harç çubukları (25 mm x 25 mm x 285 mm) hazırlandı.
3.2 Metod
Alkali-agrega reaksiyonu sebebiyle genleş-menin önlenmesinde mineral katkı maddelelerinin karşılaştırmalı değerlendirmesi diğer yazarlar tarafından kaydedilmiştir (Davies ve ark., 1987; Berube ve ark., 1992). ASR sebebiyle betondaki genleşmeyi azaltan mineral katkı maddelerinin etkinliğine dair hızlandırılmış harç çubuğunun iyi bir sonuç sağlayabileceği ileri sürülmüştür. Bu çalışmada ASTM C1260 (Hızlandırılmış Harç Çubuğu Metodu) test işlemi gerçekleştirilmiştir. Bu deneyde, başlangıç kürü olarak agrega içeren harç çubukları (25 mm x 25 mm x 285 mm) bir gün süreyle 90 oC’da saf suya maruz bırakılmıştır ve ilk uzunluk olarak değer okunmuştur. Sonrasında harç çubukları 14 gün boyunca 80oC sıcaklıkta 1N sodyum hidroksit solüsyonuna maruz bırakılmıştır. 1. gün, 3. gün, 7. gün ve 14. günde periyodik olarak harç çubuklarının uzunluğundaki değişim izlenmiştir. Bu araştırmada harç çubukları üze-rindeki uzunluk değişim ölçümleri 14 günden fazla alınmamıştır çünkü agregalar reaktiflik göstermiş ve daha fazla ölçüm alınmasına gerek kalmamıştır. Standartlara göre 14. günde %0.2’den fazla olan harç çubuğu genleşmesi, potansiyel bir agregayı işaret etmektedir. Harç çubuğu genleşme oranının 0.1 ile 0.2 arasında değiştiği durumlarda, diğer test metotlarıyla ag-regaların reaktifliğini tayin etmek için daha fazla deney gerekmektedir.
4 Sonuçlar
ASR genleşmesi üzerine mineral katkılarının etkisi Şekil 2, 3 ve 4’te gösterilmiştir. Genel olarak mineral katkılarının seviyesi yükseldikçe genleşme derecesinin düştüğü ortaya çıkarılmıştır. Hızlandırılmış harç çubuğu deneylerinin sonuçlarına dayanarak S1 agregaları kullanılarak hazırlanan numunelerde çimentonun uçucu kül ile %10 ikame seviyesi ve cüruf numuneleri, kontrol numunelerinden daha düşük genleşmeye sahipti ancak kabul edilebilir sınırlar içinde değildi. Tüm agregalar için uçucu külü ve cürufun %20 ikame seviyesi, genleşmeleri başarı bir şekilde kabul edilebilir sınırların altına düşürmüştür. Silis dumanının %10 ikame seviyesi ASR’yi önlemede oldukça etkiliydi. Silis dumanı içeren numuneler, kabul edilebilir sınırların altında genleşme gösterdi. %20 çimento ikame seviyesinde cüruf ve uçucu kül ve %10 ikame seviyesinde silis dumanı kullanmanın, genleşmeleri hafifletmede etkili olduğu ancak %10 çimento ikame seviyesinde cüruf ve uçucu kül kullanmanın reaksiyonu önlemek için yeterli olmadığı sonucuna varılabilir.

Şekil 2.
Çeşitli ikame seviyelerindeki mineral katkı maddelerinin S2 agregası içeren harç çubuğunda genleşmelere etkisi
Figure 2.
Effect of mineral admixtures on mortar bar expansion containing S2 aggregate with time at various replacement levels

Şekil 3.
Şekil 4. Çeşitli ikame seviyelerindeki mineral katkı maddelerinin S3 agregası içeren harç çubuğunda genleşmelere etkisi
Figure 3.
Effect of mineral admixtures on mortar bar expansion containing S3 aggregate with time at various replacement levels
5 Sonuç
Bu çalışmanın temel amacı, farklı mineral katkı maddelerinin, ASR genleşmesini önlemedeki etkinliğinin mukayese edilmesidir. Katkı maddesine sahip bütün numuneler, kontrol harç çubuğundan daha az genleşme göstermişlerdir. %10’a kadar ikame seviyelerinde uçucu kül ve cüruf içeren harç çubukları, S1 agregasının ASR genleşmesini kontrol etmekte yetersiz kalmıştır. Uçucu kül ve cüruf, %20 ikame seviyesinde etkili olmuştur ve silis dumanı ise %10 ikame seviyesinde oldukça etkili olmuştur. %10 ve %20 ikame seviyesinde uçucu kül, cüruf ve silis dumanı içeren harç çubuklarının, S2 ve S3 agregalarının ASR genleşmesini kontrol etmekte etkin olduğu gözlenmiştir. Bu bulgular, uzunluk değişimi ölçümlerinden elde edilen kanıtlarla da örtüşmektedir. Teste tabi tutulan tüm karışımlar içinde, SiO2 içeriğinin diğer mineral katkılarından çok daha fazla olmasına karşın silis dumanı, ASR genleşmesini önleyen en etkin malzemedir.
Kaynaklar
Andiç, Ö., (2002). Controlling alkali silica reaction by using mineral and chemical additives. Ege University, Institute of Natural Sciences, Msc Thesis.
Berube, M.A. and Dunchesne, J. (1992). Does silica fume merely postpone expansion due to Alkali-Aggregate Reactivity. 9th International Conference on Alkali-Aggregate Reactions in Concrete, London, UK.
Berube, M.A., Durand, B., Vezina, D., Fournier, B. (2000). Alkali aggregate reactivity in Quebec (Canada), Canadian Journal of Civil Engineering, Vol. 27, pp.226-245.
Durand, B. (1991). Preventive measures against Alkali-Aggregate Reactions: A petrographic and Alkali-Aggregate Reactivity, Canmet , Course Manual, EMR:399, Ottowa, Canada.
Ellis, W.E., (1992). For durable concrete fly ash doesn’t replace cement, Concrete International, Vol. 14, No.7, pp. 47-51.
Davies, G., Oberholster, R.E., (1987). Use of the NBRI accelerated test to evaluate the effectiveness of mineral admixtures in preventing the alkali-silica reaction, Cement and Concrete Research, Vol. 17, No.1, pp.97-107.
Hansen, W.C. (1944). ACI Journal, Proceedings 40, pp 213.
Hobbs, D.W. (1980). Influence of mix proportions and cement alkali content upon expansion due to alkali silica reaction, Cement and Concrete Association, Technical Report, No.534.
Hobbs, D.W. (1989). Effect of mineral and chemical admixtures on alkali-aggregate reaction, 8th International Conference on Alkali-Aggregate Reaction, Proceedings, Kyoto, Japan.
Hogan, F.J. (1985). The effect of blast furnace slag cement on alkali-aggregate reactivity: a literature review, Cement and Concrete Aggregates, Vol. 7, No.2, pp.100-107.
Malhotra, V.M., Ramezanianpour, A.A. (1994), Fly Ash in Concrete, CANMET, MSL 94-45(IR), Ottowa, Canada.
McGowan, J.K., Vivian H.E. (1952), Australian Journal of Applied Sciences, Vol. 3, pp.228.
Rangaraju, P.E., Prangar E. and Desai J. (2009). Effectiveness of Fly Ash and Slag in Mitigating Alkali-Silica Reaction Induced by Deicing Chemicals, Journal of Materials in Civil Engineering, ASCE, Vol.21, No.1.
Stanton, D.E. (1940). The Expansion of Concrete Through Reaction Between Cement and Aggregate, Proc. American Society of Civil Engineers, 66:1781-1811.
Thomas, M.D.A. (1996). Summary of Bre Research on the Effect of Fly Ash on Alkali-Silica Reaction in Concrete, 10th Inter Symposium of Alkali Aggegate Reactions in Concrete, Melbourne, Australia.
Xu, George J.Z, Watt, Daniel F. and Hudec, Peter P. (1995) Effectiveness of Mineral Admixtures in Reducing ASR Expansion, Cement and Concrete Research, Vol. 25, No. 6, pp.1225-1236.
Touma, W.E., Suh, C., Gowler, D.W., Carrasquillo, R.L., and Folliard, K.J. (2000). Alkali-silica reaction in portland cement concrete: testing procedures and mitigation methods, Proc. 11th International Conference on Alkali- Aggregate Reaction, Ed. Berube, M.A., Fournier, B., Durand, B., pp. 513-522, Quebec.
Vivian H.E. (1951), Australian Journal of Applied Sciences, Vol. 2, pp.108.