Dürabilite Açısından Çimento ve Puzolanlar – Bölüm 1

Doç.Dr. Hasan YILDIRIM / İ.T.Ü. İnşaat Fak. Yapı Malzemesi Grubu Öğretim Üyesi
A) Alkali-Agrega Reaksiyonu
Alkali-agrega reaksiyonu (AAR), ilk karşılaşıldığı yıllarda betonun içten çözülmesi olarak görüldüğünden “beton kanseri” adı verilmiştir. Bu çalışmada
 
reaksiyonun tarihinden, meydana gelişinden, etkilerinden, reaksiyona karşı alınacak önlemlerden
 
bahsedilecektir.
1. AAR Tarihi
Thomas E. Stanton, 1930’lu yıllarda California’daki yapılarda görülen beton çatlaklarına, Portland çimentosunda bulunan alkali’ler ile silis’li agregalar arasındaki reaksiyonun neden olduğunu gösterdi. Bunun üzerine Amerika’da
 
çimentodaki alkali içeriği sınırlandırıldı. Dünya çapında hızla yayılan sorun sebebiyle 9 uluslararası konferans yapıldı.

 
Tablo 1. Alkali-agrega reaksiyonu üzerine uluslararası konferanslar
2. Reaksiyonun Oluşumu
Reaksiyon bir yapı üzerindeki etkilerini ele sonucunda meydana geldiği görülür. Öncelikle betonda dış etkiler yada düşük mukavemetli bölgeler üzerinde
 
çatlaklar oluşur. Ardından çatlaklara özellikle kış aylarında donma-çözülme sayesinde giren su miktarı artar. Su sayesinde betona karışan tuz çimentodaki portlandit ile reaksiyona girer ve alkali solisyonu oluşur. Eğer betonda rekatif-silika agrega varsa alkali solisyonu ile beraber daha çok su alıp genleşmeye neden olan alkali-silika jel’i oluştururlar. Bir kez jel oluşursa şişme ile iç basınç oluşur ve betonda Şekil 1’de görülen çatlaklar görülür.

 
Şekil
 
1.
 
ASR nedeniyle betonda oluşan çatlaklar
Reaksiyon 3 farklı şekilde oluşur:
• Alkali-silika reaksiyonu
• Alkali-silikat reaksiyonu
• Alkali-karbonat reaksiyonu
2.1. Alkali-silika reaksiyonu (ASR)
Bu tip reaksiyonlarda agregadan silika ile çimentodan alkali katılımı gerçekleşir. Oluşan aşağıdaki eşitlikle gösterildiği gibi kimyasal ürün su alarak genleşme özelliği olan alkali-silika jeli’dir. Genleşme betonda çatlaklara sebep olur. Önemli bir nokta ise reaksiyonun gerçekleşmesi için alkali ve silika dışında su varlığının zorunluluğudur.
ASR en sık rastlanan reaksiyon türüdür ve betonda tipik olarak “map-cracking” adı verilen harita benzeri çatlaklar oluşturur. Ayrıca  bazen çatlaklardan sızan beyaz renkli  alkali-silika jeli de görülebilir. Kuru havalarda jel beyaz pudra görünümünü alır.
SiO
₂
 
+
 
2NaOH
 
+
 
H
₂
O
 
==>
 
Na 2SiO
₃
. 2H
₂
O
   
Silika
   
Alkali
         
Su
             
Alkali-Silika Jeli
2.2. Alkali-silikat  reaksiyonu
ASR ile aynı reaksiyon olmasına rağmen silika bu reaksiyonda serbest  değil silikatlar (vermikülit, mika, vb.) silikatlar halindedir.
2.3. Alkali-karbonat  reaksiyonu (ACR)
ACR, alkali ile agregada bulunan kil içeren dolomitli kireç taşınındaki dolomit’in tepkimesidir. Reaksiyon sonucunda dolomit içeren kayaç kalsit içeren başka bir kayaca dönüşür. Bunun sonucunda kayaç açılır ve su içeri girerek kil’in şişmesine neden olur. Şişen kil ise betonda çatlaklar oluşturur.
CaMg(CO
₃
)
₂
 
+
 
2NaOH
 
==>
 
Mg(OH)
₂
+CaCO
₃
+ Na
₂
CO
₃
     
Dolomit
               
Alkali
           
Brusit
     
Kalsit
   
2.4. Reaktif silika çeşitleri
Agregada bulununan reaktif silika başlıca aşağıdaki formlarda bulunabilir:
• Amorf silika
• Opal
• Kuvars
• Kalsedon
Tatematsu & Sasaki 1989’da X-ray ile mikro kristal kuvars, kripto kristal kuvars ve kalsedon minerallerini inceleyerek sonuçları karşılaştırdıklarında kristal yapıdaki düzen ile reaktiflik arasında ters orantı olduğunu gördüler. Buna göre reaktifliği, kristal yapısındaki düzen en düşük olan kalsedon en fazla, en düzenli yapıya sahip mikro kristal kuvars minareli en azdır.
2.5. Alkali  çeşitleri
Periyodik tablodaki elementlerden başlıca Sodyum (Na) ve Potasyum (K) su ile tepkime vererek çözünebilen kısaca alkali adını verdiğimiz alkali hidroksitleri oluştururlar.(NaOH ve KOH) Toplam alkali oksit miktarı eşdeğer alkalinite adı verilen tanım ile belirtilir. Hesabın temelinde toplam Na₂O ve K₂O alkali oksitlerinin molekül ağırlıklarının (sırasıyla 62 ve 94,2) Na₂O cinsinden yazılmasıdır.
Eşdeğer alkalinite= Na
₂
O (%) +
 
(62 /94,2) K
₂
O (%)
3. Reaksiyonun Etkileri
Genleşmenin gerçek büyüklüğü dışında, ASR’nin betondaki diğer mühendislik özelliklerine etkisi de önemlidir. Ancak genleşmenin hızı ve toplam genleşme, agrega reaktivitesi, çimento tipi, çimento dozajı ve çevre etkilerine büyük oranda bağlı olması nedeniyle, ASR’nin betonun mühendislik özellikleri üzerindeki etkileri genelleştirilemez. Bununla birlikte, ASR’nin beton dayanımı ve elastik özelliklerini ne şekilde etkilediği Tablo 2‘de gösterilmiştir. Tabloda iki farklı reaktiviteye sahip agrega etkisi gösterilmiştir. Bunlardan birisi hızlı ve yüksek reaktiviteye sahip (Opal), diğeri de yavaş ve orta derecede reaktiviteye sahip (kaynaşmış silika) agregalardır (Swamy,1988). Sonuçlar, dayanımda ve elastisite modülünde, ASR’den dolayı önemli düşüşler (kayıplar) meydana geldiğini açıkça göstermektedir. Bu kayıpların tüm parametrelerde aynı oranda olmaması veya ASR etkisiyle genleşme (uzama) ile aynı oranda (paralellikte) gerçekleşmemesi önemli bir husustur. Tablo 2’ den, sıkışma dayanımında, reaktif agrega tipine bağlı olarak %40 dan %60’a kadar artan oranda, çekme dayanımında %65 den %80’e kadar değişen oranda azalma gösterdiği görülmektedir (Şekil 2).

Tablo 2. ASR’nin beton özellikleri üzerine etkisi

Şekil 2. ASR etkisiyle tek eksenli basınç dayanımı ve çekme dayanımındaki azalma (Swamy,1992)

Şekil 3. ASR etkisiyle Dinamik Elastik modülündeki ve Ultrasonik Puls hızındaki azalma (Swamy,1992)
Dinamik modül kaybı %60 dan, %80 düzeyinde yüksek oranda gerçekleşmiştir (Şekil 3). Bu nedenle, betonun ASR’nundan etkilenen iki önemli özelliği kırılma ve elastisite modülüdür. Bunların her ikisi de yapı elemanının bükülme rijitliğini etkileyen parametrelerdir.
Tablo 2 ve Şekil 3’de verilen deneysel sonuçlardan uzamanın artışıyla puls hızında düşme görülmektedir. Sonuçlar dikkatli analiz edilirse, bükülme dayanımı gibi, dinamik modül ve puls hızının da ASR nedeniyle beton iç bünyesindeki değişime karşı oldukça duyarlı olduğu görülür (Swamy,1988). Bütün bu özellikler, yeni betonda henüz görünür düzeyde çatlak oluşmamış iken, düşük genleşmede ölçülebilir parametrelerdir. Bu nedenle, bu özellikler ASR nedeniyle yapısal bozulmanın izlenmesinde kullanılabilir.
Tablo 2’de görülen diğer bir özellik, beton mühendislik özelliklerindeki kayıbın aynı seviyede veya genleşmeye oranla meydana gelmemesidir. Bu sonuç bütün yapı tipleri için aynı genleşme sınırının belirlenmesindeki tehlikeyi göstermektedir.
Zararlı genleşme oranı için kritik sonuçların, beton yapının tipi ve çevre ortamına bağlı olarak tespit edilme gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle ASTM C 227’de verilen sınır değerlerde, uygulama şartlarına göre değiştirilme ihtiyacı duyulabilir (Boyca uzama %0.20 fazla ise zararlı).
Tablo 2
 
ve Şekil 3’deki verilerden çıkan diğer önemli bir sonuç, puls hızı ve dinamik modül ölçümü gibi tahribatsız deney
 
yöntemleri, alkali-silika reaksiyonu nedeniyle betonda hasar başlangıç ve ilerlemesinin tespit ve izlemede başarıyla kullanılabilmesidir (Mullick,1988).
4. Reaksiyona Karşı Önlemler
Alkali-agrega reaksiyonu kontrol altına alınması amacı ile 2 farklı açıdan uygulamalar kullanılır. İlk olarak reaktif olmayan agrega seçilmelidir. İkincisi çimento karışımındaki silika
 
miktarının sınırlandırılmasıdır. İkinci seçenek için bağlayıcı ve katkılar kullanılır.
4.1.  Bağlayıcılar
Bağlayıcılar çimento ile önceden karıştırılıp daha sonra birlikte betona katılabilir ya da beton karıştırılırken karışıma eklenebilir. Pulverize yakıt külü (uçucu kül), mikrosilika (silika füme), kaba öğütülmüş yüksek fırını cürufu olmak üzere 3 çeşit bağlayıcı vardır.
4.1.2. Pulverize yakıt külü (Uçucu kül)
Termik santrallerde, pulverize kömürün yanmasıyla ortaya çıkan küllerin bir kısmı ocak tabanında birikirken büyük bir bölümü (yaklaşık %75-80’i) gazlarla birlikte bacadan dışarıya sürüklenmektedir. Bu küllere “uçucu kül” denilmektedir. Uçucu küller büyük miktarlarda silika ve alümin içermektedir; çok ince taneli olan bu malzeme amorf yapıya sahiptir. O nedenle, uçucu küller puzolanik özelik göstermektedirler. Su eklendiğinde kül ile çimentonun hidratasyonu sonucu ortaya çıkan serbest kalsiyum hidroksit arasında puzolanik reaksiyon meydana gelir.
4.1.3. Mikrosilika (Silika füme) 
Silikon veya demirli silisyum imalatı sırasında ortaya çıkan amorf, şeffaf
 
silisyum dioksit (Si20) kürelerinden oluşan puzolanik özellik gösteren minareldir. Elektrikli ark ocaklarının eksoz gazlarından elde edilir. Ortalama parçacık
 
büyüklüğü 0,1 mikrondan küçüktür.

Şekil 4. Elektrikli ark fırını
4.1.4. Yüksek fırın cürufu
Granüle yüksek fırın cürufu, demirin yüksek fırında elde edilmesi sırasında  demir cevherindeki demiroksit haricindeki silika, kil gibi yabancı maddeler üst katmanda cüruf olarak toplanır. Fırından çıkan 1500-1600˚C sıcaklıktaki cüruf eriyiği suya atılıp aniden soğutulursa  granüle duruma gelerek amorf yapı kazanır.

Şekil 5. Yüksek fırın
4.1.5. Bağlayıcılar’ın ASR üzerindeki etkileri
Bağlayıcı çeşitlerine göre  genleşme miktarı da değişir (Şekil 6). Aynı zamanda bağlayıcı miktarı  genleşme büyüklüğünü etkiler. (Şekil 7)

Şekil 6. Çimentodaki çeşitli bağlayıcı madderler ve hiç bağlayıcı bulundurmayan betonun genleşmesi
ASR kontrol, yalnız çimento; Cüruf, çimentoda %50 bağlayıcı cüruf; PFA, çimentoda %50 bağlayıcı kül; mikrosilika,  %10 mikrosilika eklenerek teste tabi tutulmuştur.
Aydın ve Yıldırım’ın çalışmasında aşağıdaki tablodaki gibi, alkali yönünden zararlı kum ile, değişik bağlayıcılar kullanılarak çalışma yapmış, puzzolanik maddelerin alkali agrega reaksiyonunu azalttığı görülmüştür.

Tablo 16. Değişik puzolanlarla genleşme miktarları


Şekil 7. Çimentodaki cürufsuz ve iki değişik düzeyde cüruflu durum için harçtaki genleşme.
OPC, portland çimentosu; GGBFS,  granüle yüksek fırın cürufu
4.2. Katkılar
Lityum bileşikleri, süper akışkanlaştırıcılar ve hava sürükleyiciler kullanılan katkılardır.
4.2.1. Lityum bileşikleri
Çimentoya eklenen lityum bileşikleri laboratuardaki harç-kalıp genişleme testlerinde alkali-agrega reaksiyonunu engelleyebilir (Stark, 1992). Şekil 8’de görüldüğü üzere lityum florit (LiF) ile yüksek reaktiviteye sahip agrega karıştırılmıştır ve sonuçta çimento ağırlığının %0,5’i LiF dozajı için genleşmenin önemli ölçüde düştüğü elde edilmiştir. Benzer deney lityum karbonat (Li2CO3) için de yapılmış ve genleşmenin düşmesi için dozajın %1’e çıkması gerekmiştir (Şekil 9). Sebeb ise ilk bileşikteki Li oranının ikincisinden fazla olmasıdır.

Şekil 8. LiF katkılı ve katkısız harçtaki genleşme

Şekil 9.  Li₂CO₃ katkılı ve katkısız harçtaki genleşme
Kaynaklar:
1. E.G. Aydın, H.Yıldırım, “The effect of mineral admixtures and micronized calcite on alkali silica reaction expansions in the usage of aggregates from different origin”, International Journal of Physical Sciences , 5996-6011 pp., 2012.
2. Swamy, R.N., 1992, Alkali-Aggregate Reactions in Concrete: Material and Structural Implications, Sciences in Concrete Technology, Energy,Mines and Resources, Ottawa, Canada,533-581
3. Swamy, R.N., 1988, Expansion of Concrete due to Alkali-Silica Reaction, ACI Materials Journal,V.85,No.1,33-40.
4. Mullick,A.K.,1988,Distress in a Concrete Gravity Dam due to Alkali Silica Reaciton, Int.J.of Cement Composites and Lightweight Concrete,V.10,No.4,225-232.
5. West, G., 1996, Alkali-aggregate reaction in concrete roads and bridges
6. Taşdemir M.A., Bayramov F., Kocatürk N.A, Yerlikaya M., “Betonun Performansa Göre Tasarımında Yeni Gelişmeler”, Beton 2004 Kongresi, 2004
7. Baradan B., Yazıcı H., Ün H., “Betonarme Yapılarda Kalıcılık”, Nisan 2002.
8. Gerwick B.C., “International Experience In The Performance of Marine Concrete”, Concrete International, May 1990.
9. TS EN 206-1 “Beton- Bölüm 1: Özellik, Performans, İmalat ve Uygunluk”
10. ACI 357.R-84 “Guide for the Design and Construction of Fixed Offshore Concrete Structures”
11. ACI 201.2R-01 “Guide to Durable Concrete”
12. Zhang M.H., Bremner W.T., Malhotra M.V. “The Effect of Portland Cement Type on Performance”, Concrete International, January 2003.
13. Lafave M., Pfeifer W.D., Sund D.J., Lovett D., Cıvjan S.A. “Using Mineral and Chemical Durability Enhancing Admixtures in Structural Concrete”, Concrete International, August 2002.
14. Ilıca, T., Yıldırım, H. and Sengul, O. “Effect of Cement Type on the Resistance of Concrete against Rapid Chloride Permeability”, 11th International Conference on Durability of Building Materials and Components, Istanbul, Turkey, 11 – 14 May 2008, pp. 481 – 488.
15. E.G. Aydın, H.Yıldırım, “The effect of mineral admixtures and micronized calcite on alkali silica reaction expansions in the usage of aggregates from different origin”, International Journal of Physical Sciences , 5996-6011 pp., 2012.
16. Swamy, R.N., 1992, Alkali-Aggregate Reactions in Concrete: Material and Structural Implications, Sciences in Concrete Technology, Energy,Mines and Resources, Ottawa, Canada,533-581
17. Swamy, R.N., 1988, Expansion of Concrete due to Alkali-Silica Reaction, ACI Materials Journal,V.85,No.1,33-40.
18. Mullick,A.K.,1988,Distress in a Concrete Gravity Dam due to Alkali Silica Reaciton, Int.J.of Cement Composites and Lightweight Concrete,V.10,No.4,225-232.
19. West, G., 1996, Alkali-aggregate reaction in concrete roads and bridges