ÇEŞİTLİ MİNERAL KATKILARIN BETONDA ALKALİ SİLİKA REAKSİYONUNA ETKİSİ YÜKSEK LİSANS TEZİ. Esma Gizem AYDIN. İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı

Transkript

1 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ÇEŞİTLİ MİNERAL KATKILARIN BETONDA ALKALİ SİLİKA REAKSİYONUNA ETKİSİ YÜKSEK LİSANS TEZİ Esma Gizem AYDIN İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı Yapı Mühendisliği Programı Tez Danışmanı: Yrd. Doç. Dr. Hasan YILDIRIM Anabilim Dalı : Herhangi Mühendislik, Bilim Programı : Herhangi Program HAZİRAN 2012

2

3 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ÇEŞİTLİ MİNERAL KATKILARIN BETONDA ALKALİ SİLİKA REAKSİYONUNA ETKİSİ YÜKSEK LİSANS TEZİ Esma Gizem AYDIN ( ) İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı Yapı Mühendisliği Programı Tez Danışmanı: Yrd. Doç. Dr. Hasan YILDIRIM Anabilim Dalı : Herhangi Mühendislik, Bilim Programı : Herhangi Program HAZİRAN 2012

4

5 iii

6 iv

7 v Nişanlıma ve Değerli Aileme,

8 vi

9 ÖNSÖZ Yüksek Lisans tezimin hazırlanmasında, bu tezi yöneten ve çalışmalarım sırasında değerli bilgi ve birikimlerini benle paylaşan, bunların yanında deneyimlerini ve hayata dair tecrübelerini benden esirgemeyen Sayın Hocam Yrd. Doç. Dr. Hasan YILDIRIM a, İTÜ İnşaat Fakültesi Yapı Malzemesi Çalışma Grubu laboratuvar teknisyenlerine, Deneylerin gerçekleştirilmesi sırasında ve yüksek lisans eğitimim süresince desteği dolayısıyla nişanlım Arş. Gör. Mehmet DAŞKIRAN a, Öğrenim hayatım ve yaşamım boyunca verdikleri maddi manevi her türlü destekten ötürü başta annem Sıdıka AYDIN ve babam Ahmet AYDIN olmak üzere aileme sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Mayıs 2012 Esma Gizem AYDIN (İnşaat Mühendisi) vii

10 viii

11 İÇİNDEKİLER Sayfa ÖNSÖZ... vii İÇİNDEKİLER... ix KISALTMALAR... xiii ÇİZELGE LİSTESİ... xv ŞEKİL LİSTESİ... xvii ÖZET...xix SUMMARY...xxixi 1. GİRİŞ Amaç ve Kapsam ALKALİ AGREGA REAKSİYONUNA YOL AÇAN BETON BİLEŞENLERİ Agrega Tanımı ve Özellikleri Agregaların Sınıflandırılması Agrega Standartları Çimento Tanımı ve Özellikleri Çimentoların Sınıflandırılması Çimento Standartları ALKALİ AGREGA REAKSİYONU (AAR) Tarihçe Alkali-Karbonat Reaksiyonu Alkali-Silikat Reaksiyonu Alkali-Silis Reaksiyonu (ASR) ALKALİ SİLİS REAKSİYONU (ASR) ASR Kimyası Boşluk Çözeltisi Kimyası ASR Oluşum ve Genleşme Mekanizması Pesimum Oran ASR Ürünleri ASR nu Etkileyen Faktörler Agregadaki reaktif silis ve agrega özellikleri Betonun alkali içeriği Yeterli nem ve ortam sıcaklığı Diğer faktörler Karışım oranlarının etkisi Ca(OH) 2 nin etkisi Sürüklenmiş havanın etkisi ASR Hasarlarının Belirtileri Genleşme ve çatlama Yüzeysel tortular...26 ix

12 4.3.3 Parça Atma (Pop-Out) Yer değiştirmeler Renk Değişimi ASR Tespitinde Kullanılan Deney Yöntemleri Petrografik İnceleme Kimyasal Metotlar Harç Üzerinde Yapılan Deneyler Harç çubuğu deneyi Hızlandırılmış harç çubuğu deneyi Beton Üzerinde Yapılan Deneyler Beton prizma deneyi Hızlandırılmış beton prizma deneyi (HBPD) Otoklav Metodları Mineral Katkıların Etkinliğini Ölçen Standart Deneyler Tahribatsız Deneyler Diğer Metodlar ASR Yİ KONTROL ALTINA ALMA YÖNTEMLERİ Aktif Silis İçermeyen Agreganın Tercih Edilmesi Betonun Alkali İçeriğini Sınırlandırmak Ortam Nemini Kontrol Altında Tutmak Katkı Maddesi Kullanımı Mineral Katkıların Kullanımı Doğal puzolanlar Uçucu kül Yüksek fırın cürufu Silis dumanı Kimyasal Katkıların Kullanımı Onarım DENEYSEL ÇALIŞMA Giriş Agrega Agreganın Seçimi S1 Agregasının Özellikleri Petrografik özellikler Fiziksel özellikler S2 Agregasının Özellikleri Petrografik özellikler Fiziksel özellikler S3 Agregasının Özellikleri Petrografik özellikler Fiziksel özellikler Çimento A Çimentosu B Çimentosu C Çimentosu D Çimentosu Mineral Katkılar Yüksek Fırın Cürufu Uçucu Kül Silis Dumanı x

13 6.5 Durabilite Deneyleri HHÇD Çimento yerine yüksek fırın cürufu kullanımı Çimento yerine uçucu kül kullanımı Çimento yerine silis dumanı kullanımı Farklı çimento kullanımı HHÇD Sonuçları ve Değerlendirmesi SONUÇ VE ÖNERİLER KAYNAKLAR EKLER ÖZGEÇMİŞ xi

14 xii

15 KISALTMALAR AAR ASR ACR ASTM BPD CSA HHÇD HBPD PÇ RILEM TS UPV : Alkali Agrega Reaksiyonu : Alkali Silis Reaksiyonu : Alkali Karbonat Reaksiyonu : American Society for Testing and Materials : Beton Prizma Deneyi : Canadian Standart Association : Hızlandırılmış Harç Çubuğu Deneyi : Hızlandırılmış Beton Prizma Deneyi : Portland Çimentosu : International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures : Türk Standartları : Ultrases Performance Velocity ( Ultrases Deneyi) xiii

16 xiv

17 ÇİZELGE LİSTESİ Sayfa Çizelge 4.1 : Reaktivite seviyelerine göre mineral ve kayaçlar Çizelge 6.1 : Agrega S1 in 14 günlük genleşmelerinin değerlendirilmesi Çizelge 6.2 : Agrega S1 in mineral bileşenleri ve oranları Çizelge 6.3 : Agrega S2 nin 14 günlük genleşmelerinin değerlendirilmesi Çizelge 6.4 : Agrega S2 nin mineral bileşenleri ve oranları Çizelge 6.5 : Agrega S3 ün 14 günlük genleşmelerinin değerlendirilmesi Çizelge 6.6 : Agrega S3 ün mineral bileşenleri ve oranları Çizelge 6.7 : A çimentosunun fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 6.8 : B çimentosunun fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 6.9 : C çimentosunun fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 6.10 : D çimentosunun fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 6.11 : Yüksek fırın cürufunun fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 6.12 : Uçucu külün kimyasal ve fiziksel özellikleri Çizelge 6.13 : Silis dumanının fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 6.14 : Karışım oranları Çizelge 6.15 : Çimentoların eşdeğer alkali içeriği Çizelge A.1 : 3 adet agregaya ait 14 günlük genleşme değerleri Çizelge A.2 : Farklı çimentolu harçlara ait 14 günlük genleşme değerleri xv

18 xvi

19 ŞEKİL LİSTESİ xvii Sayfa Şekil 4.1 : İç yapıda iyon taşınması ve transfer yönleri Şekil 4.2 : İç Agrega yüzeyi ile temas halinde olan boşluk çözeltisi ve çimento hidratasyon ürünleri Şekil 4.3 : Pesimum davranış Şekil 4.4 : Tipik bir pesimum reaktif agrega içeriği grafiği Şekil 4.5 : 224 günlük genleşme ile agregadaki reaktif silika miktarı arasındaki ilişki Şekil 4.6 : 112 günlük genleşme ile reaktif silis/alkali oranı arasındaki ilişki Şekil 4.7 : Harita Çatlağı...25 Şekil 4.8 : ASR mikro ve makro çatlakların idealize edilmiş modeli Şekil 4.9 : Çatlaklardan sızan yüzeysel tortular Şekil 4.10: Pop out mekanizması Şekil 4.11: Pop-Out ile yüzeyden ayrılmış agrega tanesi Şekil 4.12: Parapet elemanı, Val de Mare Barajı, Jersey...28 Şekil 4.13: Alkalinitedeki Azalma-Çözünmüş Silis Grafiği Şekil 5.1 : Uçucu kül içeren harç çubuğu örneklerinin zamana bağlı genleşme davranışı...41 Şekil 5.2 : C Tipi uçucu külün ASR genleşmesine etkisi Şekil 5.3 : F Tipi uçucu külün ASR genleşmesine etkisi Şekil 5.4 : Farklı oranlarda yüksek fırın cürufu kullanımında zamana bağlı genleşme Şekil 5.5 : Argillite agregasıyla üretilmiş betonda genleşmeler Şekil 5.6 : Silisli kireçtaşıyla üretilen betonda genleşmeler Şekil 5.7 : Çimento yerine % 5-25 oranlarda silis dumanı içeren harç çubuğu genleşmeleri Şekil 6.1 : S1 agregasında curuf ikame oranlarının ASR genleşmelerine etkisi Şekil 6.2 : S2 agregasında curuf ikame oranlarının ASR genleşmelerine etkisi Şekil 6.3 : S3 agregasında curuf ikame oranlarının ASR genleşmelerine etkisi Şekil 6.4 : S1 agregasında uçucu kül ikame oranlarının ASR genleşmesine etkisi..61 Şekil 6.5 : S2 agregasında uçucu kül ikame oranlarının ASR genleşmesine etkisi..61 Şekil 6.6 : S3 agregasında uçucu kül ikame oranlarının ASR genleşmesine etkisi..62 Şekil 6.7 : S1 agregasında silis dumanı ikame oranının ASR genleşmesine etkisi...63 Şekil 6.8 : S2 agregasında silis dumanı ikame oranının ASR genleşmesine etkisi...63 Şekil 6.9 : S3 agregasında silis dumanı ikame oranının ASR genleşmesine etkisi...64 Şekil 6.10: S1agregasında mineral katkı ve ikame oranlarının genleşmelere etkisi..64 Şekil 6.11: S1agregasında mineral katkı ve ikame oranlarının genleşmelere etkisi..65 Şekil 6.12: S2agregasında mineral katkı ve ikame oranlarının genleşmelere etkisi..65 Şekil 6.13: S2agregasında mineral katkı ve ikame oranlarının genleşmelere etkisi..66 Şekil 6.14: S3agregasında mineral katkı ve ikame oranlarının genleşmelere etkisi..66 Şekil 6.15: S3agregasında mineral katkı ve ikame oranlarının genleşmelere etkisi..67 Şekil 6.16: Farklı çimento kullanımının S1 agregasında genleşmelere etkisi....68

20 Şekil 6.17: Farklı çimento kullanımının S2 agregasında genleşmelere etkisi Şekil 6.18: Farklı çimento kullanımının S3 agregasında genleşmelere etkisi Şekil 6.19: Çatlak ve parça atma xviii

21 ÇEŞİTLİ MİNERAL KATKILARIN BETONDA ALKALİ SİLİKA REAKSİYONU ÜZERİNE ETKİSİ ÖZET Bu tez çalışmasının amacı ASTM C1260 Standard Test Method for Potential Alkali Reactivity of Aggregates (Mortar-Bar Method) deney metodu kullanarak hem üç farklı kökenli agreganın alkali silis reaktivitesini belirlemek, hem de mineral katkı kullanımının ve farklı çimento kullanımının alkali silis reaksiyonu üzerine etkisini araştırmaktır. Tezin ilk bölümünde çalışmanın amacı ve kapsamı açıklanmış, ikinci bölümde alkali agrega reaksiyonuna yol açan beton bileşenleri genel olarak anlatılmıştır. Üçüncü bölümde alkali agrega reaksiyonu, dördüncü bölümde alkali silis reaksiyonu, beşinci bölümde ise bu reaksiyonu kontrol altına alma yöntemlerinden bahsedilmiştir. Çalışmanın altıncı bölümü, deneysel çalışmada kullanılan malzemenin karakterizasyonu ve uygulanan deneyler ve bu deneylerin sonuçları ile ilgilidir. Yedinci bölümde uygulanan deneyler ait değerlendirmelere ve sonuçlara yer verilmiştir. Çalışma kapsamında toplam 27 adet harç karışımı hazırlanmış ve her bir karışımdan iki adet örnek dökülmüştür. Çalışmanın sonucunda alkali silis reaksiyonu açısından zararlı olan üç farklı agregayla mineral katkılar eklenerek üretilen harç çubuklarında genleşmelerin sınır değerlerin altına indiği görülmüştür. Farklı dört tip çimento kullanılarak üretilen harç çubuklarında ise 14 gün sonunda genleşmelerin farklı olduğu görülmüştür. ASR reaksiyonunu kontrol altına alma amacıyla mineral katkıların kullanımının reaksiyonu zararsız hale getirmekte etkin rol oynadığı anlaşılmıştır. Farklı çimento kullanımının ise standardın belirttiğinin aksine 14 günlük genleşme sonuçlarını değiştirdiği anlaşılmıştır. Ancak bu değişimin agreganın reaktivitesini belirlemedeki kararı etkilemediği görülmüştür. xix

22 xx

23 EFFECTIVENESS OF MINERAL ADMIXTURES IN REDUCING ASR REACTION SUMMARY The aim of this thesis is to determine Alkali-silica reactivity of three different types of aggregate and investigate effectiveness of three types of mineral admixtures in reducing ASR by using ASTM C1260 method. In the first part of the thesis the purpose and the scope of the study is described, leading to the second section, components of concrete which alkali aggregate reaction is described in general. In the third section, alkali-aggregate reaction is discussed, alkali silica reaction is described in the fourth section, and in the fifth chapter the methods for controlling this reaction is discussed. The six part of the study is experimantal study of the material used and the experiments concerned with characterization. Results of tests are given in the six chapter.hapter. Evaluations and conclusions derived are given in the seventh chapter. In this study 27 mortar bar mixture was prepared and each sample was poured into a mixture of two. As a result of the study expansions due to Alkali-silica reaction fall below the limit values when mineral additives are added. It is observed that samples prepared with different cement type showed quitely different expansions at the end of 14 days. The usage of mineral additives in order to control the reaction of the ASR is understood to play an active role in making it harmless. In contrast with the related ASTM standard, samples which were prepared with different cements showed unrelated expansions with each other at the end of 14 days. As a result, different cement usage make a minor difference between the expansions but can t change the final decision about the reactivity of aggregate. Cement is the most preferred building material, because of it's great durability performance towards price percentage. Nevertheless, whenever exposed to serious conditions, it's strength may considerably decrease because of the deterioration of the embedded reinforcement and destruction of the actual cement. The most crucial parameter about cement performance is certainly the components of cement included in concrete construction. It is possible to obtain environmental friendly and cost effective advantages by using pozzolonic mineral additives in concrete formulation. Durability problems in concrete and reinforced concrete subjected to aggressive environment cause damages in structures before predicted service life. By adding pozzolans to concrete calcium hydroxide content of cement paste can be reduced and permeability of concrete can be decreased. One of the most severe durability problem is the alkali silica reaction around the world. This reaction occurs between alkali hydroxide in Portland cement and aggregates contain reactive silica. This specific reaction typically creates serious xxi

24 concrete expansion and damage which ends up with failure of construction. Alkali silica reaction must have various factors to occur; alkali, reactive aggregate and water. Especially when there isn t any water swelling type jel doesn t expand and reaction doesn t occur. Water and humidity is very important in expansion due to alkali silica reaction. Throught the world alkali silica reaction is really a severe concrete deterioration and also a really serious concern about concrete structures. Various researchers offered numerous theories that describes the mechanism of the reaction. A particular theory describes ASR for the reason that: 1. OH - attacks the aggregate and stops its dissolution, 2. Dissolved silica reacts with alkalis (Na + or K + ), 3a. Due to osmotic pressure generated by alkali silica jels expansion of concrete occurs, 3b. Due to mechanical pressure exerted by reaction products formation of cracks and widening of cracks are the consequences of expansion. The expansion of concrete depends on if the formation of the gel mechanism is swelling or non swelling type. Other various researchers describe the reaction by some other ideas and also it seems none of these theories commonly agreed on. Despite the difficulty in understanding the alkali silica reaction, there are several alternatives to control or even stop destructive ASR expansion on concrete structures. These alternatives are avoding reactive aggregate, usage of low cement, usage of chemical additive, partially taking changing alkali cement by supplementary material. Researchers investigated mitigation techniques with ASR among the world. The third option has attracted much more attention by researchers because plentiful supplementary material resources are available for use in concrete and also in mortars. Today it is well known fact that supplementary materials known as mineral admixtures are fly ash, silica fume, blast furnace slag, metakaolin and zeolite and are successfully used to control ASR expansion. Filling material added up to a certain amount of binder shows filler effect or particle size effect in cementitious mixtures. This filler effect is defined as the proper arrangement of small particles that fill the voids and contribute to the increment of compressive strength without any chemical reaction. Chemical and physical properties of cementitious materials can be enhanced by adding limestone filler to mixture. Researchers claimed that usage of limestone filler materials between %7 and %10 percent of cement in mixture improved mechanical and durability properties of concrete. All the samples with admixtures show less expansion than that of control mortar bar. Each of the mineral admixtures shows significant performance reducing ASR. Class F fly ash reduces concrete permeability and in replacement amounts around %25 have been shown to significantly mitigate ASR even in marine environments for concretes whose w/c ratio are below 0.5. Silica fume has also been proved to mitigate ASR, for example in %10 cement replacement level silica fume reduce expansions to a level close to %20 fly ash cement replacement. Blast furnace slag was found effective in reducing ASR expansion for example mortar bars containing slag showed lower expansions at 14 days than their control specimens. Mortar bars containing fly ash and slag at levels of replacement up to %10 failed to control ASR expansion of S1 aggregate. Fly ash and slag were effective at %20 replacement level and silica fume was very effective at %10 replacement level. Mortar bars containing fly ash, slag and silica fume at %10 and %20 levels of replacement appears to be effective to control ASR expansion of S2 and S3 aggregate. This findings are xxii

25 coincide with the evidence from length change measurements. Of all the mixtures tested, silica fume is the most effective material mitigating ASR expansion although the SiO 2 content is much higher that other mineral admixtures. The practical usage of high dosages of slag, fly ash and silica fume to mitigate ASR will depend on the particular construction application. Further, the use of other supplementary cementitious material, their replacement level and replacement levels to be when they are used together in one mix needs to be explored for their effectiveness against ASR. As it has been said, alkali silica reaction must have three factors to occur; alkali, reactive aggregate and water. Alkalis come from cement used in concrete and can be harmful for it in respect to ASR expansions. In related standard it is stated that because the specimens are exposed to a NaOH solution, the alkali content of the cement is not a significant factor in affecting expansions. Again in the same standard it is stated that the alkali content of the cement has been found to have negligible or minor effects on expansion in this test. Researchers investigated if change of cement caused different expansions at the end of 14 days. To investigate this effect three different cements with different alkali content and five aggregates were selected and used in this part of the study. Mortar bars cast with same aggregate but different cements have different expansions but they didn t showed distinct expansion results from each other. As a result, different cement usage make a minor difference between the expansions but can t change the final decision about the reactivity of aggregate. The main purpose of this study, was to compare the relative effectiveness of different mineral admixtures in mitigating ASR expansion. All the samples with admixtures show less expansion than that of control mortar bar. Mortar bars containing fly ash and slag at levels of replacement up to %10 failed to control ASR expansion of S1 aggregate. Fly ash and slag were effective at %20 replacement level and silica fume was very effective at %10 replacement level. Mortar bars containing fly ash, slag and silica fume at %10 and %20 levels of replacement appears to be effective to control ASR expansion of S2 and S3 aggregate. This findings are coincide with the evidence from length change measurements. Of all the mixtures tested, silica fume is the most effective material mitigating ASR expansion although the SiO 2 content is much higher that other mineral admixtures. The results from this study can not be applied universally for all aggregates and researcher should test their own aggregates and fly ash, slag and silica fume for its performance under standard test method ASTM C1260 test performed in this paper. The practical usage of high dosages of slag, fly ash and silica fume to mitigate ASR will depend on the particular construction application. Further, the use of other supplementary cementitious material, their replacement level and replacement levels to be when they are used together in one mix needs to be explored for their effectiveness against ASR. xxiii

26 xxiv

27 1. GİRİŞ Alkali-agrega reaksiyonu, betonda kullanılan çimentodan ve dış kaynaklardan gelen alkali hidroksitler ile, beton içindeki agregaların içerdiği reaktif bileşenler arasında meydana gelen kimyasal bir reaksiyondur [1]. Bu reaksiyon sonucunda oluşan ürünler su emerek genleşen bir yapıdadır ve genleştikçe betonda çekme gerilmeleri oluşturur. Alkali agrega reaksiyonunun bilinen üç oluşum şekli vardır. Bunlar alkalisilis reaksiyonu (ASR), alkali karbonat reaksiyonu (ACR) ve alkali silikat reaksiyonudur [2]. Alkali silika reaksiyonu, reaktif karakterli silika mineralleri içeren agregalar ile çimentodaki alkali oksitlerin (Na 2 O, K 2 O) çözünmesiyle betonun boşluk suyunda yer alan alkali hidroksitler jel yapısını meydana getirir ve betonda nem etkisiyle bu jel genleşir. Genleşen bu jel yapısı betonda şişmeye sebep olarak çekme gerilmeleri oluşturur. Betonun çekme dayanımı, basınç dayanımının %7 si ile %11 i arasında olduğundan, % %0.05 gibi genleşme birim defrmasyonu betonu çatlatmaya yeterli olacaktır [3] li ve 1930 lu yıllarda ABD, Kaliforniya daki beton yapılarda nedeni belirsiz çatlak oluşumuna bağlı yıkımlar tespit etmiştir. Beton malzemelerin standartlara uygun olmasına karşılık yapının imalatını takiben bir kaç yıl içinde çatlaklar meydana gelmiştir. Bu sorun genellikle harita çatlağı şeklinde görülür. Bazen de çatlaklardan jel çıkışı, betonun patlaması gibi sorunlar da yaşanabilir. Stanton, 1940 yılında çatlamanın kimyasal bir reaksiyondan kaynaklandığını bulmuştur. Ve bu reaksiyon daha sonra Alkali - Silika Reaksiyonu olarak adlandırılmıştır[4]. Günümüzde beton endüstrisinde kullanımı oldukça artan mineral ve kimyasal katkıların ASR üzerindeki arttırıcı veya azaltıcı etkisinin de laboratuvar deneyleri ile araştırılmaktadır. Mineral katkılarının çoğunun ASR üzerinde azaltıcı etkisinin bulunduğu son yıllarda yapılan araştırmalarla ortaya çıkmıştır. Ancak mineral katkı kullanımının bilinmesine karşılık bu katkıların hangi oranda kullanıldığında betonun performasını nasıl etkileyeceği de deneylerle araştırılmalıdır. 1

28 1.1 Amaç ve Kapsam Bu çalışmanın amacı petrografik özellikleri ve kökenleri farklı olan üç agreganın alkali silis reaktivitesini ölçmek ve alkali silis reaksiyonu adı verilen bu kimyasal reaksiyonun zararlarını azaltmada mineral katkı ve mineral kullanımının etkisini araştırmaktır. Bu amaçla hızlandırılmış bir deney metodu olan Hızlandırılmış Harç Çubuğu Yöntemi ile kimyasal ve petrografik analizler uygulanmıştır [5,54]. Dünyadaki pek çok araştırmacı beton ve harç numunelerinde yapılan deneylerle elde edilen genleşme değerlerinin daha rasyonel olduğu konusunda hemfikirdir. Çalışma kapsamında, öncelikle İstanbul yöresinde sıklıkla kullanılan ve reaktivitesi yüksek olduğu düşünülen altı farklı agregadan standart yöntemlerle örnekler alınmıştır. Bu örnekler üzerinde petrografik analiz ve kimyasal yöntemle yapılan deneyler gerçekleştirilmiş ve üç farklı agreganın reaktif olabileceği belirlenmiştir. Böylece reaktif olduğu belirlenen agregaların minerolojik sınıflandırılması da elde edilmiştir. Bu üç agrega hızlandırılmış harç çubuğu deneyine tabi tutulmuştur. Bu yöntemle agregaların reaktif olduğuna karar verilmiştir. Daha sonra yine hızlandırılmış harç çubuğu deneyi kullanılarak mineral katkıların etkinliği kıyaslanmıştır. Deney yönteminde katkı içermeyen kontrol numunelerinin yanısıra üç çeşit mineral katkı; uçucu kül, yüksek fırın cürufu ve silis dumanı farklı oranlarda kullanılmıştır. Kısa sureli deney yönteminde mineral katkılar kütlece çimento yerine %10 ve %20 oranlarında kullanılmıştır. Yalnız silis dumanı sadece %10 oranında kullanılmıştır. Silis dumanının betonda optimum kullanım oranının %10 olduğu bilindiğinden bundan daha yüksek oranda ikame rasyonel bulunmamıştır. Çalışmanın sonucunda hızlandırılmış harç çubuğu yöntemiyle elde edilen genleşme değerleri karşılaştırılmıştır. Her üç agrega ve farklı üç mineral katkı ile üretilen harç çubuklarının genleşme değerleri saptanmıştır. Farklı agrega fakat aynı mineral katkı ile üretilen harçlarda benzer genleşme sonuçları elde edildiği görülmüştür. Bu da mineral katkıların farklı reaktivitedeki agregalarda aynı etkiyi yarattığı sonucuna varılmıştır. 2

29 2. ALKALİ AGREGA REAKSİYONUNA YOL AÇAN BETON BİLEŞENLERİ 2.1 Agrega Tanımı ve Özellikleri Agrega beton üretimi esnasında bağlayıcı madde sayesinde bir araya getirilen, yüksek fırın cürufu, genleştirilmiş perlit, genleştirilmiş kil gibi yapay kaynaklı veya kum, çakıl, kırma taş gibi doğal kaynaklı inorganik malzemelerdir. Agreganın beton yapımında ekonomik ve teknik yönden çok önemli bir konumu bulunmaktadır. Agreganın maliyeti çimentoya gore oldukça düşüktür. Betonda agrega kullanılması, sertleşen betonun hakim değişikliğini önlemekte veya azaltmakta, çevre etkilerine karşı betonun dayanıklılığını arttırmakta ve kendi dayanım gücünün yüksekliği nedeniyle betonda gerekli dayanımın sağlanmasına yardımcı olabilmektedir. Agrega kaba ve ince agrega olarak iki kısımda incelenebilir. Şantiyelerde kaba agrega mıcır ya da çakıl, ince agrega ise kum olarak isimlendirilir. Bu iki bileşeni tane büyüklüğü olarak birbirinden ayırmak için kullanılan ölçüt 4 mm boyutudur. 4 mm den iri boyuttaki kısma ince agrega denir [6]. Agrega beton içinde yüksek oranda bir hacme sahip olduğu için dikkatle seçilmelidir. Agregalar betonun dayanımının önemli bir kısmını sağladığı için gerekli mukavemete sahip olmalı, dış etkenlere dayanabilmelidir. Agregalar kullanılacakları ortam için gerekli mukavemete sahip olmalı, dış etkenlere dayanabilmelidir. Agregalar kullanılacakları ortam için gerekli standartları sağlamalıdır. Don olma ihtimali olan bir bölgede kullanılacak beton agregası don için gerekli standartları sağlamalıdır. Aynı şekilde aşınmaya maruz kalacak agrega ise gerekli aşınma mukavemetini sağlayabilmelidir. 3

30 Betonda kullanılacak agreganın tane boyu dağılımı (granülometrisi) de iyi ayarlanmalıdır. Granülometrisi iyi ayarlanmış bir beton dizaynının hava boşluğu daha az olacak dolayısıyla yoğunluğu fazla olacaktır. Böylece beton için gereken bağlayıcı miktarı daha ekonomik olacak ve beton istenilen yere gerekli şekilde kolaylıkla yerleştirilebilecektir yani işlenebilirlik artacaktır Agregaların Sınıflandırılması Elde ediliş şekillerine göre agregalar doğal ve yapay olmak üzere ikiye ayrılır. Doğal agregalar göllerden, nehir yataklarından, taş ocaklarından ve denizlerden elde edilen agregalardır. Yapay agregalar ise yüksek fırın cürufu taşı, izabe cürufu gibi sanayi ürünü olan kırılmış veya kırılmamış agregalardır. Tane boyutlarına göre agregalar üçe ayrılır. İnce agrega, iri agrega ve filler malzemelerdir. İnce agregalar 4 mm açıklıklı elekten geçen agregalardır. Bunlar kum ve kırmakumdur. Kum kırılmamış tanelerden meydana gelen ince agrega, kırmakum ise çakılın kırılmasıyla elde edilmiş agregalardır. İri agregalar 4 mm açıklıklı elek üzerinde kalan agregalardır. Bunlara örnek çakıldır. Çakıl kırılmamış tanelerden meydana gelen iri agregadır. Filler malzemeye örnek taş unudur. Bu agrega 0.25 eleğin altına geçen malzemedir Agrega Standartları Agregalar kullanım yeri ve amacına göre, granülometrik bileşim, tane şekli, tane dayanımı, aşınma direnci, dona dayanıklılığı ve zararlı maddeler bakımından TS706 standartının gereklerini yerine getirmelidir. Ayrıca, suyun etkisi altında yumuşamamalı, dağılmamalı, çimentonun bileşenleri ile zararlı bileşikler meydana getirmemeli ve donatının korozyonuna karşı korunmasını tehlikeye düşürmemelidir. Alkali agrega reaktivitesine neden olan reaktif silis içeriği ile betondaki alkali hidroksitleridir. Bu reaksiyon portland çimentosundaki alkali hidroksitlerle agregada mevcut bazı mineraller (opal, çört, kalsedon,tridimit, kristobalit ve kuvars gibi) arasında oluşan bir reaksiyondur [7]. Bu alkali hidroksitler ile reaktif silis reaksiyona girerler. İlk başta berrak ve yüksek konsantrasyonlu sonra yüksek viskoziteli alkali silikat çözeltisi meydana gelir. Betondaki alkali reaksiyonu zamanla yüzeye yakın 4

31 alkaliye duyarlı agrega tanelerinin ayrışmasına veya betondan kopmasına, çatlaklara ve en nihayetinde betonun parçalanmasına neden olur. 2.2 Çimento Tanımı ve Özellikleri Çimento esas olarak kalsiyum ve alüminyum silikatlardan oluşan ince toz şeklinde minerallerden yapılmıştır. Suyun eklenmesiyle bu mineraller hamur oluşturur ve daha sonra sertleşerek mukavemet kazanır. Torbalanmış durumda özgül ağırlığı 15 kn/m 3 civarındadır. Çimento yapımında esas olarak kireçtaşı ( CaCO 3 ) ve kil (SiO 2 ve Al 2 O 3 ) ve bazı diğer mineraller beraberce 1400 o C gibi yüksek bir sıcaklıkta hafif eğimli dönel bir fırından geçirilir. Eğimli dönel fırın üst uçtan beslenirken alt uçtan en büyüğünün çapı 50 mm ye varan klinker adı verilen malzeme elde edilir. Daha sonra soğutulur ve öğütülür. Bu işlem sırasında özelliklerini kontrol amacıyla az miktarda alçıtaşı da katılır Çimentoların Sınıflandırılması Katkısız Portland çimentosunun yanında katkılı çimentolar da vardır. Tras gibi doğal puzolanlar, uçucu küller, silis dumanı ve ince yüksek fırın cürufu katkı maddesi olarak kullanılır. Bunlar tek başlarına bağlayıcılık özelliğine sahip değildir. Ancak ince daneli kalsiyum hidroksitle birleştikleri zaman hidrolik bağlayıcılık özelliği kazanırlar. Hidratasyon sonucu çimento dayanım kazanır. Uygun çimento türü seçilerek dayanım ve dayanıklılık artırılabilir Çimento Standartları Betonda kullanılan çimento tipleri ve uygunluk değerlendirilmesi TS EN 197 serilerinde standartlaştırılmıştır. TS EN standardı çıktıktan sonra özel amaçlı üç çimento standard dışındaki bütün eski standartlar yürürlükten kaldırılmıştır. Bu üç standart TS 21 Beyaz Portland Çimentosu, TS 22 Harç Çimentosu ve TS Sülfatlara Dayanıklı Çimento standartlarıdır. Yeni TS EN standardı, ülkemizde şu anda beton üretiminde kullanılan çimento tiplerinden daha fazla çimento tipinin kullanılabileceğini sağlamaktadır. 5

32 6

33 3. ALKALİ AGREGA REAKSİYONU (AAR) 3.1 Tarihçe Betonda uzun sürede ciddi çatlaklara sebep olan ve görünüşe göre kendiliğinden gelişen bir reaksiyonun varlığı 1930 larda Amerika Birleşik Devletleri nde inşa edilmiş olan betonarme yapılarda ortaya çıkmış ve incelenmiştir. İncelemelerde bu reaksiyonun betondaki çimento ve agrega arasında oluştuğu ve genleşen bir mekanizmaya sahip olduğu ortaya konmuştur [8]. Yüksek oranda alkali içeren çimento ile potansiyel reaktif silika formları içeren agregalar bir araya geldiklerinde alkali-silika adı verilen jelleri oluşturduğu ve bu jel yapısının su absorbe ederek şiştiğini böylece beton içindeki gerilmelerini arttırdığı keşfedilmiştir. Bu ilk keşif agrega reaktivitesinin belirlenmesinde bir çok farklı deney metodunun geliştirilmesine sebep olmuştur. Reaksiyonun karmaşıklığı ve ortaya çıkış şekilleri dünyanın diğer bir çok bölgesinde tespit edilmiştir. Buna İngiltere de dahildir. Bazı durumlarda alkali agrega reaksiyonu betonun durabilitesine karşı önemli bir tehdit oluşturabileceğinin farkına varılmıştır [9]. 3.2 Alkali Karbonat Reaksiyonu Alkali karbonat reaksiyonunun etkileri her ne kadar alkali silika reaksiyonu etkilerine benzese de aslında bu iki reaksiyon birbirinden oldukça farklıdırlar. Alkali karbonat reaksiyonuyla ilgili ilk çalışmalar Kanada da Kingston, Ontarino ya yakın bir bölgeden getirilen killi kireçtaşı üzerinde yapılmıştır. Dünyadaki araştırmacılar alkali karbonat genişleme mekanizmasını açıklamak için çalışmalarına devam etmiştir ve çoğu hipotez de dolomitleşmenin olası rolünü vurgulamıştır[9]. 7

34 Bazıları da dolomitleşmenin tek başına alkali karbonat reaksiyonuna bağlı genleşmeyi açıklamaya yeteceği sonucuna varmıştır[10]. Dolomitleşme olarak adlandırılan reaksiyon aşağıdaki gibidir. (3.1) CaMg(CO 3 ) 2 + 2Na(K)OH Mg(OH) 2 CaCO 3 Na(K) 2CO3 Dolomit Alkali Hidroksit Brusit Kalsiyum Alkali Karbonat Karbonat Na(K) 2CO3 Ca(OH) 2 CaCO 3 2Na(K)OH (3.1) Alkali Portlandite Kalsiyum Alkali Hidroksit Karbonat Karbonat İlk başta dolomitleşme reaksiyonunun kendisinin brusit ve kalsiyum karbonat oluşumu sebebiyle genleşmedenisorumlu tutulabileceği görülmüştür. Buna rağmen, yakın geçmişteki araştırmalar dolomitleşme reaksiyonunun ürünlerinin oluşturduğu hakim artışının reaktif dolomitten kaynaklanan hakim artışından daha az olduğunu göstermiştir. Dolomitleşme ürünleri tek başına bütün genleşmeyi oluşturacak kadar hacim genleşmesi yaratmamaktadır. Alkali Karbonat reaksiyonu bu sebeple tam olarak keşfedilememiştir [11]. 3.3 Alkali Silikat Reaksiyonu Alkali-silikat reaksiyonu, diğer alkali agrega reaksiyonunlarına nazaran daha yavaş gelişen bir reaksiyon olup grovak, filit veya argilit gibi kayaçların betonun boşluk çözeltisindeki metal hidroksitleri ile reaksiyonu olarak tanımlanmaktadır [12]. Alkali agrega reaksiyonunun bilinen üç oluşum şeklinden biri olan Alkali-silikat reaksiyonu yavaş ilerleyen alkali-silika reaksiyonu olarak da bilinmektedir [2]. Ortamda aşırı oranda hidroksil (OH - ) iyonu bulunması durumunda reaktif silis, dış ve iç yüzey genişliğine ve atom yapısındaki bütünlüğe bağlı olarak çözünmeye ve şişmeye başlar. Çözelti içinde yeterli miktarda alkali potasyum veya sodyum hidroksitler bulunduğunda, yüksek reaktiviteye sahip silica jel iki aşamada çözünmeye başlar. Alkali çözelti içinde aşırı oranda bulunan hidroksil iyonları silikon köprülerini bozarak, yeni oksijen-alkali yüzeylerini ortaya çıkarır. Agreganın bozulmuş kesimleri osmoz davranış göstererek içine su alır. Bu yapı neme bağlı olarak 8

35 alkali-silikat çözeltisine veya alkali silikat hidrate jele (N+K-S_H) dönüşür. Çözünen silika miktarı arttıkça çözeltinin OH - konsantrasyonu ve ph değeri düşer. Bu reaksiyonun eşitliği aşağıda verilmiştir (3.2) [13]. Na SiO NaOH 0.38H 2O 2Na H2SiO 4 (3.2 ) Alkali Silika Jel Alkali Su Alkali Silikat Hidrat Jel 3.4 Alkali Silika Reaksiyonu Çimento pastasında bulunan alkali hidroksitlerle agregada bulunan bazı reaktif minerallerin (opal, çört, kalsedon, tridimit, kristobalit ve kuartz gibi) reaksiyonu sonucu oluşan alkali-silis reaksiyonu beton yapılarda çatlaklara ve deplasmanlara yol açabilecek genişleyebilen bir jel oluşturur. Bu jel su emerek genleşen ürünler meydana getirmektedir. Beton içerisinde şişme sebebiyle meydana gelen bu hacim artışı çekme gerilmelerinin doğmasına sebep olarak betonda çatlamalara yol açar. Betonun çekme dayanımı, basınç dayanımının %7 si ile %11 i arasında olduğundan, % gibi genleşme birim deformasyonu betonu çatlatmaya yeterli olacaktır [3]. 9

36 10

37 4. ALKALİ SİLİS REAKSİYONU (ASR) 4.1 ASR Kimyası Boşluk Çözeltisi Kimyası Çimentonun hidratasyonunun ilk safhalarında sıvı faz, katı faza kıyasla daha baskındır ve katı fazın etrafında devamlılık vardır. Diğer bir deyişle sıvı faz katı fazı ıslatır. Hidratasyon devam ettikçe ve hidratasyon ürünleri oluşmaya başladıkça sıvı faz azalmakta yerini jelsi C-S-H ve C-H gibi ürünlere bırakmaktadır. Böylece sıvı fazın devamlılığı azalır. Çimento hamuru da boşluklu bir yapıdan oluşur ve bu boşluklu yapı içinde sıvı faz kendine boşluk çözeltisinde yeterince yer bulur. Çimentonun hidratasyonu sonucu oluşan boşuk çözeltisi, sodyum (Na + ), potasyum (K + ), kalsiyum (Ca + ) ve hidroksil (OH - ) iyonları içermektedir. Bu iyonların boşluk suyundaki konsantrasyonu çimentosundaki miktarlarına bağlıdır. Reaktif agrega üzerinde zararlı etki gösteren, betonun boşluk suyundaki hidroksil iyonu (OH - ) konsantrasyonudur [14]. Boşluk çözeltisi hidratasyon ürünleri ve agrega arasında köprü görevi yapar. Çözünebilen maddelerden olan alkali iyonlarının taşınımı boşluk çözeltisi aracılığıyla sağlanır. Şekil 4.1 : İç yapıda iyon taşınması ve transfer yönleri [15]. 11

38 Boşluk çözeltisinin alkali-silis reaksiyonundaki önemi, hem hidratasyon ürünleri ile hem de agrega parçacıkları ile yakın temas halinde olması ve iyon taşınmasında ana bileşen olarak yer almasıdır [15] ASR Oluşum ve Genleşme Mekanizması Bir agrega yüzeyi ile temas halinde olan boşluk çözeltisi ve çimento hidratasyon ürünleri Şekil 4.2 de şematize edilmiştir. Şekil 4.2 : İç Agrega yüzeyi ile temas halinde olan boşluk çözeltisi ve çimento hidratasyon ürünleri [15] Çimentonun katı hidratasyon ürünleri tabakalar şeklindeki C-H ve lif desteleri veya çubuksu şekilde C-S-H yapılarından oluşmaktadır. Hidratasyon ürünleri var olan tüm boşluğu doldurmamaktadır. Mezo ve mikro boşluklar olmak üzere hatırı sayılır ölçüde boşluk hacmi bulunmaktadır. Mikro boşluklar şekilde görülmemektedir ancak su dolu mezo boşluklar su molekülleri ile (H-O-H) dolu olarak şematize edilmiştir [15]. Suyun içine batırılmış bir silis taneciğinin yüzeyi, artan yüzey alanı ve düzensizliğe bağlı olarak artış gösteren zayıf bir asidik karakterdedir. Silisin özü Si atomuna bağlı 4 oksijen atomundan oluşan silis dörtyüzlüsüdür. Oksijen atomları bir valansları ile silisyuma bağlı kaldıklarından diğer valansları serbesttir, böylece silis dörtyüzlüsünün serbest dört negatif bağı mevcuttur. Şekil 4.2 de silisli agreganın yüzeyi de gösterilmektedir. Normalde, saf suda bile yüzey oksijenleri hidroksile haldedir. Yüzey araştırmaları bu karışık yüzeyin bir kaç atom, bazen onlarca atom derinliğinde olduğunu ortaya koymuştur. Agregalar hidroksilce zengin bir ortama 12

39 yerleştirildiğinde hidroksile olma potansiyelleri artar. İyi kristalize olmuş kuvars için de böyle bir potansiyel söz konusudur, ancak hidroksile olma hızı o kadar yavaştır ki inşaat mühendisliği için geçerli zaman aralığında bunu gözlemlemek mümkün değildir. Sıcaklık, reaksiyonu belirgin şekilde arttırır, hidrotermal koşullarda ince öğütülmüş kristalin kuvars oldukça reaktiftir. Ancak, reaktif agregalar normal ortam koşullarında bile kristalin kuvarsa kıyasla oldukça hızlı hidroksile olur [15]. Alkali silis reaksiyonunun, alkali karbonat ve alkali silikat reaksiyonlarından farkı; sonucunda hidrofilik alkali silis jelinin oluşmasıdır. Bu ürün su emerek genleşir ve betonun yapısını tahrip eder. Reaksiyonun Denklem 4.1 de idealize edildiği gibi oluştuğu varsayılır: SiO 2 2NaOH Su Na2H2SiO 4.8H 2O (4.1) Alkali-silis reaksiyonu üç aşamada meydana gelir; reaktif silikanın çözülmesi, kalsiyum-sodyum-potasyum jelinin oluşması ve su absorbsiyonu ile jelin genleşmesi. Silisin çözülmesi ise ortamdaki hidroksil iyonlarının (OH - ) atağı neticesinde iki aşamada olur [16]. Reaksiyonun normal ortam koşullarında gelişimi ile ilgili pek çok araştırma yapılmıştır. Araştırmacılara göre, reaksiyonun ilk aşamasında yüksek ph a sahip boşluk çözeltisi, agreganın Si-O-Si bağları ile reaksiyona girerek silanol bağları oluşturur [17] (4.3). Si -O-Si H2O Si - OH OH Si (4.3) Su içeren silisli agregalar (opal gibi) zaten yapısında fazlaca silanol bağı bulundurmaktadır. Bu silanol grupları asidik karakterdedir ve bazik olan boşluk çözeltisi ile reaksiyona katılmaya hazırdır. Silanol grupları, hidroksil iyonlarının ikinci saldırısı ile yeni bir çözülmeye maruz kalır; ortama H2O molekülleri vererek =Si-O- formuna dönüşür ve su içinde dağılır (4.4). Si -OH OH Si O H2O (4.4) Negatif yüklü SiO, pozitif yüklü sodyum, potasyum ve kalsiyum iyonlarını, oluşan jelin içine çekerek denge sağlamaya çalışır. Bu olayın kimyasal açılımı aşağıda görüldüğü şekildedir (4.5). H 0.38 SiO NaOH = Na 0.38 SiO H 2 O (4.5) 13

40 Yukarıdaki reaksiyonda ortamın iyon dengesi Na 2 O yardımıyla kurulmuştur. Diğer katyonlar da bu reaksiyona katılır. Üçüncü aşamada daha fazla siloksan Si-O- Siköprüsü hasara uğrar [15] (4.6). Si -O -Si 2OH 2Si O H2O (4.6) Hidroksit iyonlarının mevcudiyeti betonda sadece Ca(OH) 2 tarafından değil aynı zamanda NaOH ve KOH tarafından da sağlanır[16]. Son aşama, jelin su emmesi ve sonuç olarak hacminde artışın meydana gelmesidir. Jelin oluşturduğu hacim artışı, reaksiyon bölgesinin yakınlarında mikro çatlaklar meydana getirir. Zamanla çatlaklar birbirleriyle bir araya gelerek çoğalır ve betonun yapısını tahrip ederek yapısal elemanda hasar meydana getirir. Bazı durumlarda bu çatlaklardan içeriye girebilen diğer zararlı etkiler de betonda oluşan hasarı arttırabilir. Hidrate olan alkali silis jeline doğru taşınan su ile birlikte gelen sülfat iyonlarının etrinjit kristallerinin oluşumunu ve gelişimini sağladığı düşünülmektedir [2]. ASR nin oluşumu için, agrega bünyesinde reaktif silis, alkalinitesi yüksek por çözeltisi ve ortamda yeterli rutubet bulunmalıdır. Bu koşullardan herhangi biri olmazsa ASR nedeniyle herhangi bir genleşme de olmayacaktır. Betonda oluşan yumuşak dokunun (jel) miktarı; silikanın türü, miktarı ve alkali hidroksit konsantrasyonuna bağlıdır. ASR nin oluşturduğu reaksiyon şu aşamalarda gerçekleşir [18] (4.7). Alkali + Reaktif Silika Alkali Silika Jel Ürünleri Alkali Silika Jel Ürünleri + Rutubet Genleşme (4.7) Reaksiyon sonucu, bünyesinde yüksek oranda su tutabilen bir jelin oluşumu nedeniyle genleşmenin neden olduğu basınç içsel gerilmelerin oluşmasına sebebiyet vermektedir. Bu olay jel oluşumuyla eş zamanlı değildir. Bu nedenle jelin varlığı mutlaka ciddi boyutta ASR tahribatı oluşturacak anlamı taşımamaktadır. Jel ileriki safhalarda çimento hamurundan su emmek suretiyle hacmini artırarak agrega ve çimento hamurunda mikroçatlakların oluşmasına sebep olmaktadır. Mikroçatlaklarda yayılan jel giderek artar, su emerek daha da genleşir ve çatlakların genişleyip çoğalmasına, betonun çatlamasına neden olur [19]. Silisin reaktivite potansiyeli, oluşumlarının tanımlanması ve belirlenmesi karmaşık ve zor bir işlemdir. Silisli bileşenlerin yapısı ve dokusu genellikle amorf, kriptokristalli, mikrokristalli ve kristalli 14

41 olarak tanımlanır. Silika mineralleri büyük oranda normal hava sıcaklığında kararlı olmayan polimorfik oluşumlara sahiptir. Bileşiminde silika bulunan ve en yaygın olan mineraller kuvars, tridimit, kristobalit, opal ve kalsedon gruplarıdır [20]. Değişik silis minerallerinin reaktiviteleri kristal yapıdaki silika miktarlarına bağlıdır. Opal amorf yapıya sahiptir ve en yüksek reaktiviteye sahip silika içerir. Diğer taraftan doğal halde (dengede) bulunan kuvars, çok düzenli bir kristal yapıya sahiptir ve normal olarak reaktif değildir. Camlar, mikrokristalli ve kriptokristalli kuvarslar, deforme olmuş kuvarslar, kalsedon, tridimit, kristobalit gibi diğer silika oluşumları orta derecede reaktivite gösterirler[21]. Reaksiyonun oluşabilmesi için çimento alkali içeriğinin eşdeğer Na 2 O değeri olarak %0,6 değerini aşması gerekir. Portland çimentosunun toplam alkali içeriği sodyum oksit eşdeğeri olarak hesaplanır (4.8). (Na 2 O)e = Na 2O + 0,658 K2O (4.8) Çimentoda bulunan sodyum ve potasyum oksitler çimentonun hammaddelerinden (kil, kireçtaşı, şeyl vb) kaynaklanır. Ayrıca alkaliler, çimento dışında; agrega, karışım suyu, beton katkı maddeleri, buz çözücü tuzlar, zemin suyu, beton kür suyu ve endüstriyel atık suları aracılığıyla beton bünyesine girebilir [18]. Servis ömrü boyunca kuru kalan bir betonda ASR ciddi bir tehlike olmayabilir. Araştırmalar bağıl nem oranı % 80 in üzerinde olan betonlarda ASR nin oluştuğunu göstermektedir. Düşük su/çimento oranlı beton, ilave çimento, mineral katkı veya herhangi bir yolla beton geçirimliliği azalırsa, rutubetin betona girişi beton içinde dolaşımı azalır. Dolayısıyla içinde alkalilerin yayılması da azalmış olur [18] Pesimum Oran Sözlüklerde pesimum (Pessimum) kelimesi optimum kelimesinin karşıt anlamlısı olarak açıklanmaktadır. Reaksiyon sonucu betonda en fazla genleşmeye ve hasara neden olan reaktif agrega oranına Pesimum oranı denilmektedir [22,23]. Başka deyişle betonda maksimum genleşmeyi oluşturan, reaktif olmayan agrega içerisindeki reaktif malzeme konsantrasyonuna veya oranına pesimum oran adı verilmektedir [24,25]. Aynı araştırmaya gore alkali içeriği için de maksimum genleşmeyi veren pesimum oran bulunmaktadır [24]. Bu oranın altındaki veya üstündeki değerler için genleşme daha azdır [26]. Şekil 4.3'te reaktif madde olarak 15

42 %5 oranında opal içeren agreganın pesimum davranışı görülmektedir. Pesimum davranış, grafik A, B, C ve D olarak dört ayrı bölgeye ayrılarak açıklanmıştır [14]. Şekil 4.3 : Pesimum Davranış [14]. A Bölgesi: Reaktif silis miktarı düşüktür ve betonun sertleşmesinden sonra oluşan jelin hacimsel artışı çatlamaya yol açacak yoğunlukta değildir. B Bölgesi: Beton sertleştikten sonra da reaksiyon devam etmektedir. Reaksiyonun yoğunluğu çatlamaya yol açacak büyüklüktedir. Genleşme, tüm reaktif silis tükendiğinde veya reaksiyon seviyesi yeteri kadar düştüğünde durur. Bu bölgede, alkali miktarı aşırıdır ve reaksiyon ürününün kompozisyonu büyük olasılıkla alkali/reaktif silis oranından bağımsızdır. C Bölgesi: Reaksiyon, beton sertleştikten sonra da devam eder, çatlama oluşur. Reaksiyon, boşluk suyundaki alkali miktarı önemsiz bir seviyeye düştüğünde veya alkaliler tükendiğinde durur. Bu bölgede reaktif silis miktarı aşırıdır ve reaksiyon ürününün alkali/silis oranı ile su emme miktarı azalan alkali/reaktif silis oranı ile azalma gösterir. D Bölgesi: Reaktif silis miktarı çok fazladır ve reaksiyon o kadar hızlıdır ki beton sertleştikten sonra oluşan jel miktarı çatlama yaratmayacak kadar az olmaktadır. Betona zararlı etkisi olmayan fazla miktarda jel oluşabilir. Maksimum genleşmede reaktif silis miktarı, hidroksil iyonu veya alkali konsantrasyonunu önemsiz seviyelere kadar indirebilir veya tüm sodyum ve potasyum alkalilerini tüketebilir. 16

43 Pesimum oranının, alkali silika reaksiyonu sonucu betondaki genleşme üzerine etkisini gösteren tipik bir eğri Şekil 4.4 te verilmiştir. Şekil 4.4 : Tipik bir pesimum reaktif agrega içeriği grafiği [27]. Bu grafikte düşey eksen betonda meydana gelen genleşmeyi ve yatay eksen ise betonda kullanılan agrega içinde reaktif agrega oranını göstermektedir. Eğrinin en üst noktası, betonda alkali silika reaksiyonu sonucu en yüksek genleşmeye neden olan Pesimum reaktif agrega içeriğine karşılık gelmektedir. Şekil 5 de verilen grafikte pesimum oranı %25 dir. Pesimum oranından sonra neden genleşmenin azaldığı araştırmacılar tarafından agregaların bozunmasına neden olan alkali çözeltilerinin beton içindeki tüm reaktif agregayı tamamen bozmaya yetmemesi ve betonda daha az oranda genleşmeye neden olması ile açıklanmaktadır [28]. Pesimum oranını gösteren eğrinin şekli çimento çeşidinden, kompozisyonundan, oranından, agrega özelliklerinden ve aynı zamanda alkali miktarından da etkilenmektedir [1,29,30]. Bu davranışı gösteren agregaların pesimum oranlarının bilinmesi ve beton dizaynının bu ayrıntıya dikkat edilerek hazırlanması ile olası ASR hasarlarının azaltılması sağlanabilir Asr Ürünleri Alkali silika reaksiyonunun ürünü, yüksek oranda su tutabilen alkali silika jeldir [31]. Alkali silika jelin çevrenin nemini içine alması ile betonda, hacimce %2-3 seviyesine kadar genleşme meydana gelebilmektedir[32]. Oluşan genleşmeler betonun çekme gerilmesini aştığında çatlaklar meydana gelir. Alkali-silis jelinin hasara yol açan özeliği su emerek genleşme olduğundan, genleşmeye yol açan mekanizmalar üzerinde durmakta da fayda vardır. Bu konuda farklı teoriler mevcuttur. 17

44 Absorblanma teorisine göre ASR genleşmesi, jelin hacimsel konsantrasyonuna, gelişme hızına ve fiziksel özeliklerine bağlıdır. Jelin gelişme hızı yavaş olduğunda, jelin beton içinde yayılması sebebiyle içsel gerilmelerin oluşması önlenir. Jelin hızlı gelişmesi durumunda ise, içsel gerilmeler betonu genleştirip çatlatacak kadar yüksek olur [14]. Ozmotik basınç teorisine göre çimento hamuru, silikat iyonlarına karşı geçirimsiz bir membran gibi davranır [33]. Bu membran, içinden su, hidroksil iyonları ve alkali metal iyonlarının difüzyonuna izin verirken, silikat iyonlarının difüzyonuna engel olur. Bu durumda, reaksiyon oluşan her bölge, bu membran tarafından tutulmuş çimento hamurunda artan bir basınç oluşturur. Genleşme sonucu, donatısız kütle betonlarında, kaplama betonlarında çekme dayanımının aşılması sonucu beton içinde ve yüzeyinde kırıklar ve çatlaklar gelişebilmektedir. ASR, beton bünyesinde oluşan ve genleşmeye neden olan bir reaksiyon olması nedeniyle, ASR nin görünür dış belirtisi haritaya benzer çatlaklardır [32]. Betondaki ASR ürününün kompozisyonu zamanla çimento hamurundan kalsiyum iyonu toplamasıyla değişime uğramaktadır. ASR ürününün kalsiyum içeriği, ürünün betondaki yeri ve yaşına bağlı olarak değişmektedir [34]. Araştırmacılar, kalsiyum iyonlarının ASR ürünleri içindeki alkalilerin yerine geçerek bunların ortama salıverilmesini desteklediğini ve açığa çıkan alkalilerin de ortamdaki reaktif silisle reaksiyona girerek genleşmeleri arttırdığını belirtmişlerdir. Araştırmacılar ASR ürünlerinin alkali silikat hidrate jeli ile değişken su içeriğinde ve alkali içeren zayıf kristalin kalsiyum silikat hidratların karışımı olduğu sonucuna varmıştır [13]. 4.2 ASR nu Etkileyen Faktörler Agregadaki Reaktif Silis ve Agrega Özellikleri Betonda ASR nin oluşabilmesi için herhangi bir formda reaktif silisin bulunması gerekmektedir. Reaktif silis, oldukça farklı doku ve kristal yapısı sergiler. Kimi durumlarda kuvars kristallerinin oluşumu sırasında içsel gerilmeler oluşur. Bu tür kuvars mineralleri içeren agregalar reaktiftir. Çizelge 4.1 de reaktivite seviyelerine göre mineral ve kayaçlar belirtilmiştir [35]. 18

45 Çizelge 4.1 : Reaktivite seviyelerine göre mineral ve kayaçlar [35] Reaktivitedeki azalmaya göre silis mineralleri Reaktivitedeki azalmaya göre kayaçlar Amorf silis Tüfler dahil volkanik camlar Opal Metakuvarsit metamorfize kumtaşları Stabil olmayan kristalin silis Granitik gnayslar Çört Deforme olmuş granitik gnayslar Kalsedon Diğer silis içeren metamorfik kayaçlar Silisin diğer kriptokristalin Silisli ve mikalı şist ve fillitler formları Metamorfik olarak ayrışmış ve İyi kristalize olmuş volkanik bozulmuş kuvars kayaçlar Deforme olmuş kuvars Pegmatitik volkanik kayaçlar Yarı kristalleşmiş kuvars Silis içermeyen kayaçlar Saf kuvars Agrega içinde ne kadar reaktif mineral bulunduğu zaman beton genleşmesinin zararlı olacağı tespit etmek üzere çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Agrega içinde % 3-5 opal bulunması halinde beton şişmesinin maksimum değere ulaştığı buna karşılık %20 den fazla opal ihtiva eden agregalarda şişme meydana gelmediği gözlenmiştir. Reaktif minerallerin fazla olması halinde betonda şişme meydana gelmemesi ilk bakışta anlamsız görünmektedir. Bu durum, mevcut alkali oksitlerinin agrega içinde bulunan bütün aktif silise yeterli olmayışından ve etkisiz derecede alkali silis jeli teşekkül etmesinden ileri gelmektedir [36]. Bazı durumlarda ASR nin sebep olduğu betondaki genleşmenin miktarı, agregadaki reaktif bileşenin artışı ile artmaktadır. Buna karşılık, diğer pek çok durumda, maksimum genleşme oluşması, diğer şartlar aynı kalmak kaydıyla, agregada bulunan reaktif bileşen miktarının belirli bir değeri içindir [37]. Agregadaki reaktif bileşenin bu sınır değerinden az ya da çok olması genleşme miktarını azaltır. Bu durum literatürde Sınır Değer Davranışı olarak tanımlanmaktadır [38]. Herhangi bir agreganın en yüksek genleşmeyi veren reaktif madde içeriği değeri, daha düşük su-çimento oranında ve daha yüksek çimento dozajlarında artar. Şekil 4.5 te reaktif madde miktarının genleşmeye etkisiyle ilgili bir araştırmanın sonuçları verilmiştir [39]. 19

46 Şekil 4.5 : 224 günlük genleşme ile agregadaki reaktif silika miktarı arasındaki ilişki [39]. Şekilden görüleceği gibi reaktif silika miktarı %5 oranına doğru arttıkça alkali agrega genleşmesinde de artma olmaktadır. Ancak %5 üzerindeki artma daha düşük genleşmelere yol açmaktadır. Yüksek miktarlarda silika içeren ortamdaki alkali-silika genleşmesinin az olması, şu şekilde açıklanmaktadır. Ortamda mevcut olan alkali, fazla miktarda yer alan silisin tümü ile alkali silika reaksiyonu yapmaya yetmemektedir. O nedenle reaksiyonlar tam olarak gerçekleşememektedir [40] Betondaki Alkali İçeriği ASR hasarı gören yapıların çoğunluğunun yüksek alkalin çimento ile üretildiği bilinmektedir. Normal portland çimentosunun içeriğinde diğer oksitlere kıyasla az miktarda sodyum ve potasyum oksit bulunmaktadır. Çimento veya betonda bulunan toplam alkalilerin eşdeğer sodyum (Na 2 O) eşd adı verilen bir değerle tanımlanması standart hale gelmiştir. Bu tanım, sodyum ve potasyum alkalilerinin moleküler oranlarının bağdaştırılmasıyla oluşturulmuştur (4.9). Na 2 Oeşdeğer = Na 2 O (kütlece%) K 2 O (kütlece%) (4.9) Betonda kullanılan çimentonun alkali içeriğinin değişmesi, betonun hidroksil iyon konsantrasyonunu, alkali içeriğini ve reaktif silis/alkali oranını değiştirir. Betonda kullanılan çimentonun alkali içeriğinin değişmesi, betonun hidroksil iyon konsantrasyonunu, alkali içeriğini ve reaktif silis/alkali oranını değiştirir. Suda 20

47 bekletilen harç çubuklarında çimentonun alkali içeriğinin genleşmeye etkisi Şekil 4.5 te görülmektedir. Harçların çimento içeriği 670 kg/m 3 tür. Çimentonun alkali miktarı arttıkça pesimum davranış eğrisi genişlemekte ve maksimum genleşme reaktif silis/alkali oranı 4.5 civarında iken meydana gelmektedir [14]. Şekil 4.6 da en kritik reaktif silis/alkali oranlarında deneye tabi tutulan harç çubuklarının 112 günlük genleşme-alkali içeriği (kg/m 3 ) grafiği görülmektedir. Çalışmada kullanılan harçların çimento içerikleri kg/m 3 arasında olup, çimentoların potasyum/sodyum oranları yüksektir ve farklı seviyelerde alkali içeriklerine sahiptir. Beş yıl süren deneyler süresince alkali içeriği 3.5 kg/m 3 ün altındaki hiçbir harç çubuğu çatlama ve genleşme göstermemiştir. Ancak deneye tabi tutulan tüm harç çubuklarında reaksiyona rastlanmıştır. Alkali içeriği 3.5 kg/m 3 değerinin üzerindeki örneklerde uzun süreli genleşmede keskin yükselme görülmekte olup en büyük genleşme %2.5 civarındadır. Benzer alkali içeriklerinde, genleşme miktarlarında önemli farklılıklar gözlenmiştir. Bu farklılıklar aşağıdaki faktörlere bağlı olabilir [14]; a) çimentolardan farklı hızlarda alkali açığa çıkması, b) çimentoların sodyum/potasyum oranlarındaki değişimler, c) farklı hızlarda dayanım kazanımı. Şekil 4.6 : 112 günlük genleşme ile reaktif silis/alkali oranı arasındaki ilişki [14]. Betonu oluşturan malzemelerden gelen alkalilerin yanı sıra sertleşmiş betonun, deniz suyu, bazı yeraltı suları ve buz çözücü tuzlarla teması sonucunda bünyesine aldığı alkalilerin de göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Bu gibi kaynaklardan emilen alkali miktarı, betonun geçirimliliğine, alkali içeren su ile temas ettiği süreye 21

48 ve alkali kaynağının tipine bağlıdır [2]. Araştırmacılar, betonun boşluk çözeltisinde hesaplanandan fazla miktarda alkali bulunmasının sebebinin kireçtaşı agregasındaki kil mineralleri olduğunu belirlemiştir [41]. Özellikle, ASR sebebiyle oluşan genleşmeleri zararsız seviyelere düşürmek için betonun toplam alkali miktarını kısıtlama çözümüne gidildiğinde, dış kaynaklardan gelen alkaliler ile agrega alkalilerinin de göz önünde bulundurulması gerektiğini belirtmiştir Yeterli Nem Mevsim şartları ASR yi olumsuz yönde etkileyebilmektedir. Ortamda bulunan nem ve sıcaklık artışı reaksiyonun hızlanmasına sebep olur. Sıcak iklim koşullarındaki yapılar, soğuk iklim koşullarındakilere göre ASR ye karşı daha duyarlıdırlar. Reaksiyonun başlaması ve devam etmesi için ortamda yeterli miktarda su bulunması gerekir. Su, silisin çözünmesine, alkali iyonlarının yayılmasına ve jelin büyümesine neden olur. Jel kuru hava şartlarında da oluşabilmektedir, ancak betonun genleşmesi ve sonuçta bozunmaya uğraması için ilave su gereklidir. Araştırmalar bağıl nem oranı %80 in üzerinde olan betonlarda ASR genleşmelerinin oluştuğunu göstermiştir [42]. Relatif nemin ASR nedeniyle betonda oluşan genleşme üzerindeki etkisi [43]. ASR genleşmesini hızlandıran nemli ortamların yanı sıra kuruma-ıslanma tekrarı da betonda alkali taşınmasının kolaylaşmasına ve alkalilerin kuruma bolgelerinde yoğunlaşmasına neden olduğundan reaksiyonu hızlandırır. Beton kuru ortamda bulunsa dahi boşluk suyu icerir ve kuruyan cm üst tabakanın dışında beton içinde bağıl nem % dır. Yaklaşık % 80 in altındaki relatif nem değerlerinde reaksiyon durmaktadır. Normal betonlarda bir miktar karışım suyu kuru ortamda bile uzun bir süre genellikle yüksek nem değerlerini sağlar. Bununla birlikte, düşük su/çimento oranlarına sahip karışımlarda su çimentonun hidratasyonu sırasında tüketilir. Bu durumda eğer dış kaynaklı bir su girişi varsa, reaksiyona giren maddelerden herhangi biri tükenene kadar reaksiyon sürecektir [2,43,44]. Nemin betona girişini ve reaksiyonu hızlandırmasını engellemek icin düşük su/çimento kullanımı ve mineral katkı kullanımı yardımıyla geçirimliliğin azaltılması yoluna gidilebilir. Sıcaklık artışı, ASR yi hızlandırır. Sıcaklığın artmasıyla birlikte alkalilerin reaksiyon sahasına göçü ve jelin genleşmesi hızlanır. Bu hızlanma sonuç genleşme değerini değiştirmez. Jelin akışkanlığının artmasıyla birlikte çatlaklardan önemli bir basınç yaratmadan geçmesinden sonra, jelin su içeriğinin maksimum şişme basıncını veren bir seviyeye ulaştığı bir safha vardır. Düşük sıcaklıklarda bu 22

49 peryot daha uzundur ve bu yüzden bir miktar daha fazla genleşme görülebilir [26]. Sıcaklık artışı, agregaların büyük çoğunluğunda aşırı termal gerilmelere sebep olur. Bazı agregalarla yapılan araştırmalar, aynı koşullardaki harç örneklerinin C aralığındaki boy değişimleri ölçümlerinin 38 C dekinden farklı olduğunu göstermiştir. Yüksek ve düşük sıcaklıkların genleşme etkisi agregaya bağlıdır. Agregaların büyük çoğunluğu daha yüksek sıcaklıklarda daha fazla reaktiflik göstermektedir [45]. Sıcaklığın C nin üzerine çıkması ile agregaların reaktifliği artmaktadır. Larbi ve Hudec in yaptıkları çalışmada farklı sıcaklıklarda (oda sıcaklığı ve 80 C) reaksiyon sonucundaki genleşmeler incelenmiş olup, oda sıcaklığında maksimum genleşme % 0,30 olurken yüksek sıcaklıkta % 0,50 ye kadar çıkmıştır [46] Diğer Faktörler Betonun geçirimliliği, dış alkaliler, buz çözücü tuzlar, buhar kürü uygulaması gibi faktörler de ASR nu etkilemektedir. Düşük su/çimento oranı, mineral katkılar kullanımı vb. yöntemlerle üretilen, geçirimliği düşük betonlarda nemin ve alkalilerin beton içerisindeki hareketi daha zor olmaktadır. Dolayısıyla, ASR genleşmeleri azalmaktadır [47,48]. Alkali-silis reaksiyonunu etkileyen diğer faktörler arasında reaktif agrega cinsi ve boyutunun etkisi, karışım oranlarının etkisi, kalsiyum hidroksitin etkisi, sürüklenmiş havanın etkisi vardır Karışım oranlarının etkisi Betonu oluşturan bileşenlerin oranları ASR genleşmelerinin gelişimini etkiler. Reaktif agrega içeren bir betonun karışım oranları değiştirilerek betonun reaktif agrega içeriği, alkali içeriği, hidroksil iyonu konsantrasyonu değiştirilebilir. Bu değişim ASR genleşmelerini etkilemektedir. Düşük su/çimento oranları ve artan çimento dozajları geçirimliliğin azalmasını sağlar. Böylece dışarıdan beton içine alkali ve su girişi, OH - iyonlarının beton içindeki hareketi kısıtlanarak ASR nin gelişimi engellenebilir. Buna karşın dayanım kazanma hızının artması ile beton taze iken alkalilerin reaksiyona girip tükenmesi için gereken süre kısalabilir [14,49] Ca(OH) 2 nin etkisi Ca(OH) 2 nin alkali silika reaksiyonu uzerindeki iki önemli etkisi, OH - iyonlarının sağlanması ve Ca ++ iyonlarına kaynak oluşturmasıdır. Alkali iyonlarının silikaya 23

50 saldırısı, silika taneciğindeki Si-O-Si bağlarına (OH - ) iyonlarının saldırısı ile sonuçlanır. Bu yüzden, (OH - ) konsantrasyonu ASR de çok önemlidir. Doygun kalsiyum hidroksit çözeltisinin ph değeri 12,5 tir. Portland çimentosu betonunda boşluk suyunun ph değeri 12,5 değerinden büyüktür. Yüksek ph değeri de silikaya daha şiddetli bir saldırıya yol açmaktadır. Reaktif silika içeren betonlarda hidroksil iyonları, siloksan ( osi-osio) gruplarının etkileşimi ile tüketilir [43] Sürüklenmiş havanın etkisi Reaktif agrega içeren ancak ASR sebebiyle hasar görmeyen yapılar incelendiğinde, jelin hava boşluklarını tamamen veya kısmen doldurduğu görülmektedir. Hava katkısı kullanılan betonlarda oluşan çok küçük çaplı ve aralıklı hava kabarcıkları, ortalama 50 μm çaplı, μm aralıklı, beton içinde oluşan buzun genleşme etkisini karşıladıkları gibi jelin genleşme etkisini azaltarak betonun hasar görmesini önleyebilirler. Bundan dolayı, jelin hasar görmemiş betonda hava boşluklarını doldurarak ilerlediğini ve hava sürükleyici katkı kullanımının ASR sebebiyle oluşan hasarı önleyebileceği söylenebilir. 4.3 ASR Hasarlarının Belirtileri Alkali silika reaksiyonundan etkilenmiş yapılarda genellikle şu belirtiler görülmektedir: genleşme ve çatlama, yüzeysel tortular, parça atma (Pop-out), yer değiştirmeler, renk değişimi. Bazı özel durumlarda, alkali silika jel, hafif lekeler, patlamalar şeklinde ve çatlaklardan dışarı sıvı akışı ve beton yüzeyinde sızma şeklinde görülebilir ve betondaki fazla kireç ile reaksiyona girerek beyaz ve opak renginde beton yüzeyinde belirginleşir. ASR genleşmeleri ile ilgili en yaygın saha gözlemi beton yüzeyindeki çatlakların gelişimidir Genleşme ve Çatlama ASR varlığının en tipik göstergesi, genleşmelerle ortaya çıkan harita çatlağı tipindeki çatlak desenleridir. ASR nin görünür etkisi dış çatlak oluşumudur. Ancak, betonun bazı fiziksel ve mikroyapısal özelliklerinin de ASR den etkilendiği petrografik incelemelerle ortaya konulmuştur. Bu etkiler agrega taneleri yüzeyince reaksiyon bölgeleri oluşumu, reaksiyon ürünleri ile doldurulmuş boşluklar, agrega tanelerinde çatlaklar ve agrega ile çimento hamuru arasındaki bağ kaybı şeklinde ortaya çıkar. 24

51 Şekil 4.7 : Harita çatlağı. ASR çatlaklarının deseni, yapılarda oluşan zemin ve muhtelif yüklerin neden olduğu çatlak düzenlerinden oldukça farklıdır [50]. Basınç, çekme, kesme, oturma vb. nedenlerle oluşmuş çatlaklardan kolayca ayırt edilebilir. Şekil 4.8 : ASR mikro ve makro çatlakların idealize edilmiş modeli [14]. ASR nin betonda yarattığı bozulmalar çok yavaş seyrettiği için ileri boyuttaki bozuklukların, ani göçmelerin oluşma riski azdır. ASR, yapının servis hizmetinde problemlere yol açabilir. Ayrıca tuzlu su, sülfat etkileri, tabii don ve donma çözülmenin etkilerinin hızlanmasını ve artmasını sağlar. Örneğin beton kaplamalarda ASR nedeniyle oluşan harita çatlağı biçimindeki çatlaklardan içeri giren su veya tahripkar tuzlu suların donma çözülme etkisi ile parçalanma hızlanır ve artar. Benzer şekilde ASR dışında başka nedenlerle oluşan çatlaklardan içeri giren tahrip edici tuzlu sular veya su, ASR nin oluşumuna veya hızlanmasına ve oluşturacağı hasarların artmasına neden olabilirler. 25

52 Hidrolik barajlarda ASR daha ciddi bir öneme sahiptir. Özellikle yüksek hızlarda dönen güçlü ekipmanların ankrajı ve ASR ilişkisi çok önemlidir [52] Yüzeysel Tortular Beton çatlakları boyunca beyazdan griye kadar değişen renklerde ASR jeli ya da kalsiyum karbonat tortuları görülebilir. Bu birikintilere bazen yüzey tortuları veya salgıları da denir. Çatlaklardan dışarı sızan bu maddeler, beyaz sarımtırak veya renksiz, viskoz, akışkan, mumsu, elastik yapışkan ya da sert olabilirler.[53] Şekil 4.9 : Çatlaklardan sızan yüzeysel tortular Parça Atma (Pop-out) Parçalanan agreganın çimento hamurunu dışarıya atması sonucu meydana gelen pop-out adı verilen yüzey patlamaları ve parçalanmaları da alkali silis reaksiyonunun tipik belirtileridir. Şekil 4.10 : Pop-Out mekanizması. 26

53 Parça atma olayının oluşma şekilleri; 1. Agrega ve yakınındaki harç arasındaki aderans azalır 2. Agrega içindeki reaksiyon halkası sınırdan kırılır 3. Reaksiyon halkası oluşmadan kırılma agregada gerçekleşir 4. Agrega üzerinde oluşan jel genleşerek üstteki harç tabakasını iter [26]. Yüzeyde veya yüzeye çok yakın bölgelerdeki parçalanmalar, tipik bir mısır patlaması gibi davranarak beton yüzeylerinde küçük çukurlar oluşturur. İleri yaşlarda, ASR kopmalarının kaplama betonlarında daha çok görülür. Özellikle rutubetli, ıslak kohezif zeminler üzerinde olan beton kaplamalarda, rutubet yoğunlaşması patlama türü parçalanmaları arttırır. Şekil 4.11 : Pop-Out ile yüzeyden ayrılmış agrega tanesi Yer Değiştirmeler ASR nun yapıdaki beton elemanlarda genleşmelere yol açan bir olay olduğu ve bu reaksiyonun çoğu zaman yapısal elemanın her yerinde aynı şiddette olmadığı göz önüne alındığında boyutsal yer değiştirmelerin de ASR hasarlarının tipik bir belirtisi olduğu açıklanabilir. Bazı saha örneklerinde farklı zamanlarda dökülen betonların diğerlerinden daha şiddetli etkilendiği görülmektedir. Şekil 4.12 deki Val de Mare barajı parapetinde görüldüğü gibi beton elemanlardan biri diğerlerine göre 50 mm kadar yer değiştirmiştir [26] 27

54 Şekil 4.12 : Parapet elemanı, Val de Mare Barajı, Jersey (Poole, 1992) Renk Değişimi Yüzeyde renk kaybı veya renklenmeler, genellikle harita çatlağı ile birlikte görülür. Koyu renkli veya kararmış bölgeler genellikle ASR ndan kaynaklanmaktadır. Çatlak boyunca olan bölgelerde 2-3 mm genişlikte renk açılması, beyazlaşma, pembeleşme ya da kahverengileşme görülebilir.[52] 4.4 ASR Tespitinde Kullanılan Deney Yöntemleri Petrografik İnceleme Petrografik inceleme, minerallerin cins ve yüzdelerine göre kayacın adlandırılması işlemidir. Agregalardan alınan ince kesitlerin polorizan mikroskop yardımıyla incelenmesi sonucu içeriklerinde bulunan potansiyel reaktif mineral fazların (reaktif silis)teşhisi mümkündür. Agregaların yanısıra, zarar gören beton ve harç numunelerden alınan ince kesitler üzerindeki çalışmalar sonucu meydana gelen etkinin ASR sebebi ile olup olmadığını tanımlayabilmek mümkündür. Araştırmacılar, belirli bir agrega çimento kombinasyonunun reaktifliği hakkında petrografik analizin tek başına sonuç veremeyeceğini; ancak deneyimli petrografların agregaların davranışı hakkında bir fikir öne sürebileceklerini belirtmiştir [53]. Agregaların geçmiş performansları ile ilgili veriler bulunduğu takdirde bunların kullanımı veya reddi konusunda deneyimli petrografların karar vermesi mümkün olabilmektedir.asr üzerinde kimyasal metotlar, beton veya harç numuneleri ile testler uygulanmadan önce petrografik analizin uygulanması hem zaman 28

55 kazandırmak açısından hem de uygulanacak metodun agrega tipine göre seçimini kolaylaştırmak açısından önerilmektedir [45]. Betonun Petrografik deneyi ASTM C856, (Sertleştirilmiş Betonun petrografik testi için Standart Uygulama) ASR jelin dağılımı ve genişlemeden dolayı oluşan hasarın açıklanması için kullanılır [54]. Bir beton petrografisi değişik mikroskoplar kullanaraksahadan gelen numuneleri test eder. Numunelerin kalitesi ve saha incelemesinden gelen bilgiler petrografik sonuçların yorumlanmasında hayati önem taşır Kimyasal Metotlar Bu yöntemde, agregayı temsil eden 25g ağırlığında mm ye kırılmış numune, 25 ml 1M sodyum hidroksit çözeltisinde 80 C de 24 saat boyunca bekletilir. Bu çözelti daha sonra filtre edilir ve asitte titre yöntemiyle çözülmüş silis ile alkalinitedeki azalma analiz edilir. Deney üç kere tekrar edilir. Sonuçlar daha sonra şekil 4.13 teki eğride işaretlenerek kontrol edilir. Şekil 4.13 : Alkalinitedeki azalma-çözünmüş silis grafiği. Bu eğri, yüksek alkali içerikli harç çubuğu genleşmeleri, agregaların petrografik analizi ve betonda kullanılan agregaların saha performansları dikkate alınarak çizilmiştir. Bu şekilde, R c alkalinitedeki azalmayı, S c ise çözünmüş silisi simgelemektedir. Eğer tüm sonuçlar eğrinin sol tarafındaki bölgede ise agrega zararsız olarak adlandırılabilir. Eğer sonuçlardan bir tanesi bile eğrinin sağındaki bölgede yer alırsa agreganın yüksek alkali içerikli betonda kullanımının zararlı genleşmelere yol açabileceği söylenebilir. Bu deney sonucunda reaktif olduğu 29

56 saptanan agreganın, şantiye koşullarında veya ASTM C-227 harç çubuğu yöntemi ile aksi bir sonuç alınmadıysa reaktif olduğu söylenebilir[55]. Deney sonuçları, kalsit, dolomit, magnezit, siderit gibi kalsiyum,magnezyum veya demirli karbonatlar ile antigorit (serpentin) gibi magnezyum silistler içeren agregalar için doğru sonuçlar vermeyebilir Harç Üzerinde Yapılan Deneyler Harç Çubuğu Deneyi (ASTM C227) Belirli şartlarda kürlenen harç numunelerinin belirtilen süre sonucundaki boy değişimlerinin (genleşme yüzdesi) ölçülerek çimento-agrega kombinasyonlarının reaktivitesinin belirlenmesi esasına dayanır. Deney sonucunda belirtilen sınır değerin üzerinde genleşmeler elde edilmesi halinde genleşmelerin alkali reaktivitesi sonucu oluştuğunun tespiti için deney numuneleri veya agregalar üzerinde petrografik analiz uygulanması veya kimyasal metot ile inceleme yapılması önerilmektedir. Deneyde, belirtilen gradasyonda agrega elenerek agrega/çimento oranı 2.25 ve akma değeri % arasında olacak şekilde bir harç karışımı hazırlanarak mm boyutundaki prizmatik kalıplara dökülür. Genellikle, alkali içeriği kütlece %1.0 ile %1.2 eşdeğer Na 2O olan çimento kullanılır. 24 saat sonunda kalıplardan çıkarılan numunelerin boyları ölçülür. Numuneler, 38 C sıcaklıkta ve kenarlarında ortamı nemli tutan fitil görevi gören kurutma kağıdının bulunduğu kapalı kaplarda su üzerinde (nemli ortamda) saklanır ve periyodik olarak ölçümleri alınır. Genleşme limitleri, üç numunenin ortalaması alınarak, 6 ay için %0.10 veya 3 ay için %0.05 tir. 6 aylık sonuçların bulunmaması halinde 3 aylık genleşme limitleri esas alınabilmektedir. 6 aylık genleşme ölçümlerinin sınır değeri aşması halinde, oluşan genleşmenin ASR sebebiyle olduğunun kesin değerlendirilmesinin yapılabilmesi için ek deneyler yapılması önerilmektedir. Araştırmacılara göre 12 ve 6 aylık sonuçlar rapor edilmelidir [53]. Pek çok araştırma kurumu, 12 aylık genleşme sonuçlarına göre değerlendirme yapmaktadır. Hatta, bir araştırma 12 aylık genleşme limitini %0.05 gibi çok konservatif bir değerle sınırlandırmaktadır [56]. Deney sonuçları, kullanılan kabın tipi, fitillerin bulunup bulunmayışı, çimentonun alkali içeriği, su/çimento oranı gibi faktörlerden hayli etkilenmektedir. Bu deneylerin uygulanışında, fitil kullanılmaması, karışım suyuna NaOH eklemek suretiyle alkali 30

57 içeriğinin çimentonun kütlece %1.25 eşdeğer Na 2 O seviyesine çıkarılması, su/çimento oranının kırılmış agrega için 0.50, doğal agrega için 0.44 seviyesinde tutulması önerilmektedir. Bu yöntemin dezavantajları, uzun süreli olması, kür koşullarındaki farklılıklar sebebiyle değişimler gösterebilmesi ve özellikle bazı yavaş reaktif agregaların reaktivitelerinin saptanamamasıdır Hızlandırılmış Harç Çubuğu Deneyi (ASTM C1260) Kür şartlarını reaksiyonu hızlandıracak şekilde hazırlayarak, agregaların reaktivitesinin 16 gün içinde tespitine olanak vermektedir. Bu metotta da uygulamadan önce agregaların petrografik analizinin yapılması ve limitlerin üzerinde genleşme görüldüğü takdirde önceki metotlarda belirtildiği şekilde reaktivitenin ASR sebebiyle oluşup oluşmadığının incelenmesi önerilmektedir. Standartta belirtilen gradasyondaki agrega, kütlece çimentonun 2.25 katı kadar kullanılarak su/çimento oranı 0.47 olan harç karışımı hazırlanır mm boyutlarındaki kalıplara dökülen harç numuneleri 24 saat sonra kalıplardan alınarak ilk boyları ölçülür. Dikkat edilecek noktalardan biri standart kalıp yağları yerine teflon sprey gibi artık bırakmayan tipte kayganlaştırıcı materyal kullanılması gerekliliğidir. Kalıp sökümünden itibaren 1 gün süreyle 80 C suda bekletilerek boy ölçümleri alınan numuneler, takip eden 14 gün boyunca 80 C 1 N NaOH çözeltisinde bekletilir ve periyodik ölçümleri alınır. Toplam 16 gün süren deney sonucunda, genleşme yüzdeleri aşağıdaki şekilde değerlendirilir: 16 gün sonundaki genleşmeler, %0.10 değerinin altındaysa agregalar zararsız davranış göstermektedir. 16 gün sonundaki genleşmeler, %0.20 değerinin üstündeyse agregalar potansiyel olarak zararlı genleşme gösterirler. 16 gün sonundaki genleşmeler, %0.10 ile %0.20 değerinin arasındaysa agregalar şantiye koşullarında hem zararlı hem de zararsız davranış gösterebilirler. Bu sebeple, agregalar hakkında karara varmadan önce ek deneyler yardımıyla genleşmelerin sebebinin araştırılması ve ölçümlerin 28 güne kadar uzatılması önerilmektedir. 31

58 Bu deney yönteminin kür koşulları oldukça ağır olduğundan tatmin edici şantiye performansı gösteren bazı agregaların da reaktif olarak tanımlanabilmesi gibi bir probleme yol açabilmektedir. Bu sebeple agregaların reddine karar verirken bu olasılığın göz önünde tutulmasında fayda vardır. Yine de, deneyin süresinin oldukça kısa olması ve pratikliği sebebiyle araştırmalarda kullanılması tercih sebebi olmaktadır [57] Beton Üzerinde Yapılan Deneyler Beton Prizma Deneyi (ASTM C1293) Amerikan standartlarında, ASTM C1293 Beton Agregalarının Alkali-Silis Reaksiyonu Sebebiyle Oluşan Boy Değişiminin Belirlenmesi için Standart Deney Yöntemi olarak geçmektedir [57]. Bu deneyin amacı, beton prizmaların boy değişimi ile agregaların alkali reaktivitesi hakkında fikir edinmektir. Deneyin uygulanmasından önce, agregaların petrografisi ile ilgili bilgi edinilmesi önerilir. Deney uygulanacak agrega, ince agrega ise reaktif olmayan kaba agrega ile karıştırılarak kullanılır. Kaba agreganın reaktivitesi ölçülecek ise, reaktif olmayan ince agrega ile karıştırılıp belli gradasyona getirilen malzeme mm kalıplara dökülür. Numunelerin çimento içeriği 420±10 kg/m 3 olup su/çimento oranı 0.42 ile 0.45 arasında işlenebilirliği sağlayacak şekilde ayarlanmalıdır. Kullanılan çimentonun eşdeğer Na 2O içeriği, karışım suyuna NaOH eklenerek çimentonun kütlece %1.25 ine yükseltilir. 24 saat sonra kalıptan çıkarılan numunelerin ilk boy ölçümleri alındıktan sonra 38 C sıcaklıkta, su üzerinde (nemli ortamda) standartta belirtilen şekilde saklanır ve periyodik olarak ölçümleri alınır. Saklama kabında fitil kullanımı bu yöntemde de mevcuttur. Genleşme limitleri üç numunenin ortalaması alınarak, 1 yıllık periyot sonunda %0.04 olarak belirlenmiştir. Bu metot, genelde diğer test metotlarına ek olarak uygulanmaktadır. Bu metot, beton üzerinde uygulandığından gerçeğe daha yakın sonuçlar vermektedir. Bu sebeple diğer deney metotları yetersiz kaldığında kullanılmaktadır. Ancak, deneyin uzun sürmesi dezavantajdır. Bu deney, mineral ve kimyasal katkıların ASR genleşmelerine etkisi hakkında en gerçekçi sonuçları vermektedir. Mineral katkıların etkinliği değerlendirilirken, 2 32

59 yıllık genleşme değerinin %0.04 olarak alınması ve karışımın alkali içeriğinin çimentonun kütlece %1.25 i değerine arttırılması önerilmektedir[58,59,60] Hızlandırılmış Beton Prizma Deneyi RILEM tarafından araştırılan bu metot belirli bir agrega kombinasyonu için eşik alkali miktarını veya bir beton karışımının ASR performansını ölçmek üzere geliştirilmektedir. Beton prizma deneyi ile aynı karışımlara sahip örneklerin kür sıcaklıklarını 60 C ye yükselterek 3 ayda sonuç alınmaktadır. Araştırmacılar, farklı özeliklere sahip 95 agrega üzerinde yaptıkları çalışmada BPD ile HBPD ni kıyaslamıştır. Aynı araştırmada, HBPD için 56 günlük %0.02 limiti ile 90 günlük %0.04 limitlerini önermiştir. Ancak, BPD ile HBPD arasındaki regresyon bağıntısı, BPD nin 12 aylık sonuçları ile HBPD nin 90 günlük sonuçları dikkate alındığında daha güçlüdür. Araştırmacılar, bu sebeple önerilen 90 günlük limitin daha uygun olduğunu savunmaktadır [61] Otoklav Metotları Bazı araştırmacılar, harç veya beton numuneleri yüksek sıcaklık ve basınç altında alkali çözeltisinde veya suda kaynatarak ya da buhar kürüne tabi tutarak agregaların reaktivitesini ölçmek için metotlar öne sürmüşlerdir. Bu konuda standart bir deney yöntemi olmamakta ve numune boyutlarından kullanılan malzeme miktarına ve kür koşullarına kadar pek çok faktör değişiklik göstermektedir. Amaç, boy değişimi ve çatlakların incelenerek agregaların reaktivitesinin belirlenmesidir. Bu yöntemler dışında pek çok farklı araştırma metodu mevcuttur. Kimyasal büzülme metodu, Duggan genleşme metodu vb. Önemli olan nokta; agregalar değerlendirilirken, uygulanan deney yöntemleri öncelikle agreganın saha performansı verileriyle, veri yoksa diğer deney metotlarıyla karşılaştırmalı olarak test edilmesi gerekliliğidir. İlk olarak yapılacak petrografik analiz, agregaların seçimi ve reddinde kullanılacağı gibi, müteakip deney metotlarının seçimi hakkında da fikir verecektir. Hızlı deney metotları arasında istatiksel olarak en güvenilir test metodu, hızlandırılmış harç çubuğu metodudur. Uzun süreli metotlar arasında en gerçekçi sonuçları ise beton prizma metodu vermektedir [62]. 33

60 4.4.6 Mineral Katkıların Etkisini Ölçen Standart Deneyler (ASTM C 441) Bu metot, mineral katkılarının veya yüksek fırın cürufunun agregalarla çimento alkalileri arasındaki reaksiyon sonucu meydana gelebilecek zararlı genleşmeleri önlemedeki etkinliğini inceler[63]. Pireks camı reaktif agregası ile mineral katkı veya cüruf içeren çimento kombinasyonları kullanılarak hazırlanan harç çubuklarının standart kür koşullarında, belirli periyotlardaki genleşmeleri değerlendirilir. Önce, 400 gr yüksek alkalin çimento ile belirli gradasyondaki 900 gr pireks camı agrega kullanılarak kontrol karışımı hazırlanır. Bu karışımın 14 günlük minimum genleşmesi %0,250 olmalıdır. Cüruf dışındaki mineral katkılarda 300 gr yüksek alkalin çimento ile mutlak hacmi 100 gr çimentoya eşit miktarda (100 x mineral katkının yoğunluğu / 3,15) mineral katkı kullanılır. Kullanılan katkı cüruf ise mutlak hacmi 200 gr çimentoya eşit miktarda (100 x cürufun yoğunluğu / 3,15) kullanılır. Belli durumlar için şantiyede kullanılacak oranlarda çimento-katkı karışımları ile şantiyede kullanılacak alkalinitede çimento kullanılabilir. Numunelerin döküm, kürleme ve ölçüm işlemleri ASTM C 227 deki gibidir. Deney süresi sonunda kontrol numunesi ile katkı içeren numuneler arasındaki genleşme miktarındaki azalma değeri yüzde cinsinden hesaplanır. ASTM ye göre, genleşme miktarındaki azalma değerinin %75 veya daha fazla olması halinde kullanılan mineral katkı miktarı uygundur. Belirli bir çimento-agrega kombinasyonunun kullanılması halinde ise 14 günlük maksimum genleşme değeri %0,02 olarak belirlenmiştir [63] Tahribatsız Deneyler Ultrases hızı (UPV) ve dinamik modülün belirlenmesi gibi dinamik tahribatsız test yöntemleri betonda oluşan hasarın başlangıcını ve ilerlemesini takip etmekte kullanılmaktadır. Rezonans frekansı ve ultrases hızı teorik olarak birbiriyle ilintili olduğundan bu iki özelikteki değişimleri izleyerek, hasarsız ve hasar görmekte olan betonların davranışları hakkında fikir sahibi olmak mümkündür. Rezonans frekansı test yöntemleri dinamik modülün belirlenmesini sağladığından betonda donmaçözünme gibi dış etkiler sonucu oluşan hasarların tespitinde kullanılmaktadır. Ultrases hızı, içsel bozunma ve mikro çatlakların ölçümünde kullanılmaktadır. 34

61 Çok yaygın olarak kullanılmayışının sebebi ise beton dayanımı ile doğrusal bir bağıntı kuramaması ve betonun nemi ve donatılar gibi faktörlerden fazlaca etkilenmesidir [64]. ASR hasarlarının ilerleyişinin belirlenmesinde bu tür tahribatsız deney yöntemlerinin kullanımı ile ilgili çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmaların birinde, opalli kumtaşı içeren betonda agreganın tane büyüklüğü ve yığın yoğunluğu, bağıl nem ve kür koşulları gibi çeşitli etmenlerin ASR üzerindeki etkileri araştırılmıştır (Lenzer ve Ludwig,1978). Şekil 5.3 ve 5.4 de genleşme ve rezonans frekansı değerlerinin reaktif agreganın tane boyu ve yığın yoğunluğu ile değişimi görülmektedir. Rezonans frekansı ile genleşme değerleri uygunluk göstermektedir. ASR için gerekli minimum nemin belirlenmesinde de benzer sonuçlar elde edilmiştir. Lenzer ve Ludwig (1978), deney numuneleri hızlı genleştikçe örneklerin rezonans frekanslarının da dikkate değer biçimde azaldığını gözlemlemiştir. Rezonans frekansı, çimento yerine uçucu külün kullanımı gibi genleşme deformasyonunu azaltmaya yönelik deneylerdeki genleşme sonuçları ile iyi korelasyon göstermiştir. Sayısal olarak herhangi bir bağıntı kurulamasa bile bu deneyler, tahribatsız yöntemlerin ASR nun başlaması, gelişimi ve kontrol altına alınması ile ilgili fikir verebilmektedir [65] Diğer Metotlar Jel pat metodu, Alman çözünme metodu, Ozmotik hücre metodu, Nordtest hızlandırılmış alkali silis reaktivitesi deneyi, Beton mikrobar deneyi (BMD) gibi literatürde farklı ülkelerin geliştirdiği bir çok test metodu bulunmaktadır. 35

62 36

63 5. ASR Yİ KONTROL ALTINA ALMA YÖNTEMLERİ 5.1. Aktif Silis İçermeyen Agreganın Tercih Edilmesi Alkali-silis reaksiyonunun yarattığı riski yok etmek ya da en az indirgemek için tercih edilebilecek en akılcı yöntem reaktif olmayan agrega kullanmaktır. Bir agregaganın ne kadar reaktif olduğuna karar verebilmek için harç çubuklarında ve beton prizmalarda genleşme ölçümlerinden ve hesaplamalarından yararlanılabilir. Buna ek olarak petrografik analiz yöntemi de kullanılabilir. Bazı durumlarda reaktif olmayan agrega kullanımı ekonomik olarak mümkün olmayabilir. Bu durum reaktif olmayan bir agreganın o bölgede bulunmaması ya da bulunsa da taşıma maliyetinin çok yüksek olmasından kaynaklanabilir. CSA (Canadian Standard Association s) tarafından petrografik analiz bir agreganın reaktifliğini belirlemede önerilen ilk adımdır. Petrografik analiz agregayı oluşturan mineralleri belirler ve agreganın kompozisyonuna bağlı olarak ek bazı deneyler yapılması gerekebilir. Bu deneyler harç ve beton numuneleri üzerinde uygulanırken numuneler alkali yoğun bir ortamda bulunurlar. Deneyler sıcaklık ve nemin yüksek olduğu ortamlarda gerçekleştirilerek reaksiyon hızı arttırılır Betonun Alkali İçeriğini Sınırlandırmak Betonda Alkali-silis reaksiyonunu kontrol altına almada betonun alkali içeriğini sınırlandırmak araştırmacılar tarafından yapılan araştırmalar sonucu yayınlanmıştır. İlk çalışmalardan biri olan çalışmada (Na 2 O) e alkali içeriği %0.06 dan düşük olan düşük alkalili çimento kullanımınının alkali silika reaksiyonunu engellemede yararlı olduğunu belirtilmiştir [8]. Betonda kullanılan çimento içeriğini %0.06 ile sınırlamanın iyi bir yöntem olduğu önerilmiştir [8]. Daha sonraki çalışmalar alkalilerinin bir çok şekilde beton iç yapısına dahil olabileceğini göstermiştir. Bunlardan başlıcaları agrega, karışım suyu, bazı bağlayıcı maddelerden gelen alkalilerdir. Bu gelişmeler betonda (Na 2 O) e alkali içeriğinin sınırlandırılmasına öncülük etmiştir. 37

64 Bir çok farklı sınır değer geliştirilmiştir ancak en genel olan değer betonda (Na 2 O) e alkali içeriğinin 2,5 ile 4,5 kg/m 3 arasında sınırlandırılmasıdır [66]. Eğer beton tasarımında reaktif agrega kullanılyorsa sadece alkali miktarını sınırlandırmak betonda alkali-silis reaksiyonunu engellemede tek başına yeterli değildir. CSA (Canadian Standard Association) izin verilebilen alkali içeriğiyle ilgili yeni bir sınırlandırma geliştirmiştir. Bu sınır (Na 2 O) e alkali içeriğini 1,8 ile 3,0 kg/m 3 arasında tutan ve bu sınırı agreganın reaktivitesine göre ve yapının dizayn ve servis ömrünü geçireceği ortamın nemliliğine göre belirleyen bir limit değerdir [67]. 5.3 Ortam Nemini Kontrol Altında Tutmak Yüksek nem, ASR nin devamı için mutlaka gereken bir şart olmaktadır. Betonun boşluk suyu, alkalilerin ve hidroksil iyonlarının reaktif agregaların bulunduğu yere taşınmasını sağlar. Bununla birlikte reaksiyon sonucu oluşan jel su emerek şişer ve beton kütlesinin genleşmesine yol açar. Betonu kuru tutmak ve su ile temas etmesini önlemek, reaksiyonunun durdurulması açısından etkin bir yoldur. ASR genleşmesini oluşabilmesi için betonun reaktif neminin %80 i aşması gerekmektedir. Atmosfere açık ve suyla temasta olan yapıların (yol kaplamaları, köprüler, su tutma yapıları, sualtı yapıları) ASR genleşmesine maruz kalma olasılıkları yüksektir. Kurak bölgelerdeki betonların dış kabuki bölgesi (yaklaşık 50mm) kuruyarak kritik reaktif nem değerinin altına düşer. Fakat bu durumda yüzeydeki alkali yoğunluğu artarak reaksiyonun başlamasına neden olur [43]. Betonda geçirimliliğinin azaltılması, iyon hareketini kısıtlayacğından reaksiyon oluşumunu geciktirir. Ancak betonun geçirimsiz olmasının bazen olumsuz etkileri de vardır. Düşük su/çimento oranı nedeniyle boşluk hacminde meydana gelen düşme oluşan jelin hareketini kısıtlayarak, genleşme etkisinin hasara yol açmadan geçirme etkisini azaltır. Bu nedenle betonda puzolanların kullanımıyla geçirimsizliğin artırılması sadece su miktarını azaltarak elde edilen geçirimsizliğe kıyasla tercih edilmektedir [43]. 38

65 5.4 Katkı Maddesi Kullanımı Mineral Katkı Maddesi Kullanımı Betonda ASR yi kontrol altına almada en etkili ve en pratik yöntemlerden biri mineral katkı maddesi kullanımıdır. Kuzey Amerika da kullanılan mineral katkılar endüstriyel atık maddeler olan uçucu kül, yüksek fırın cürufu ve silika dumanı ile doğal mineral katkı maddeleri olan volkanik kül, kalsine edilmiş kil veya şeyldir[68]. Mineral katkı kullanımının ASR nin etkisine maruz kalan betonun genleşmesini engellediği kanıtlanmıştır. Mineral katkılar betonda geçirimliliği azaltması, işlenebilirliği arttırması, sülfat etkisine karşı dayanıklılığı arttırması, donma-çözünme ve korozyon etkisinin azaltılmasını sağlar. Betona mineral katkı olarak ilave edilen uçucu kül ve silis dumanı iyonları genellikle alkali ve OH - iyonları konsantrasyonunu azaltır. Hatta uçucu külün, kendisini oluşturan camsı yapısının içinde, nispeten yüksek konsantrasyonda alkali iyonları içermektedir. Silis dumanındaki hızlı reaksiyon camsı yapıdaki nispeten az alkali içerigini serbest bırakır, fakat geriye kalan silis dumanı çimento hidratasyonu sonucu olusan alkali iyonlarını (ve OH - iyonlarını) uzaklastırır ve daha sonraki ASR için gerekli olan konsantrasyonu azaltır [69]. Jel yapısında daima CaO mevcuttur. CaO oluşmaması, jelin oluşmayacagını gösterir. Puzolanların CaO i baglayarak da jel oluşumunu önledikleri söylenebilir ASR genleşmelerini kontrol eden mineral katkı maddelerinin etki mekanizmaları konusunda aşağıdaki teoriler öne sürülmüştür [15,43, 44,70]. a) Mineral katkı maddeleri ile çimento arasında oluşan puzolanik reaksiyon ile daha yoğun bir yapıya sahip olan çimento harcının geçirimliligi azalır. Bu nedenle beton içinde iyonların hareketliliği ve dışarıdan alkali ve nemin girişi de azaltılmış olur dolayısıyla reaksiyonun oluşum hızı büyük oranda azaltılmış olur. b) Mineral katkı maddeleri ile daha yüksek değerlere ulaşan betonun dayanımı, ASR genleşmesi nedeniyle oluşan gerilmelere karşı mukavemetin artmasını saglar. c) Puzolanik reaksiyon çimento harcındaki Ca(OH) 2 içerigini azaltır. ASR jeli de bu oranda azalan miktarlarda Ca(OH) 2 içerecegi için daha az şişme özelligi gösterir. 39

66 d) Mineral katkılar boşluk suyunun alkalinitesini azaltır. Çimento ile puzolonik reaksiyon sonucu oluşan ürünlerin CaO/SiO 2 (C/S) oranı düşüktür. Oluşan CSH jeli daha fazla alkaliyi bünyesinde tutabilme özelliğine sahiptir ve daha az alkali açığa çıkar. Ayrıca katkı içeren karışımlar sadece çimento içeren karışımlara kıyasla daha yüksek efektif su/çimento oranına sahiptirler, bu da alkali içeriginin daha çok azalmasını sağlar. Mineral katkıların etkileri incelenirken uygulanan deney yöntemleri de önem taşımaktadır. Hızlandırılmış harç çubuğu metodu mineral katkıların etkinliğini karşılıklı olarak belirlemede uygun ve hızlı bir metottur [45]. Tezin bu bölümü bir çok farklı mineral katkının betondaki kullanımı, yararları ve çalışma mekanizması hakkında bilgi vermektedir. Bu çalışma üç çeşit mineral katkı kullanıldığı için bu mineral katkı türlerine odaklanılacak ve daha çok önem verilecektir Doğal puzolanlar Doğal puzolanlar, doğal olarak oluşan amorf yapıda silika içerir veya, ASTM C618 e göre N sınıfı olarak tanımlanan, amorf silikayı elde etmek üzere işlem görmüş malzemelerdir [71]. Doğal puzolanlar, volkanik küller, tüfler (traslar), kil, şeyl ve pomza taşıdır [72]. Puzolanlar, çimeto harcının kirecini tutarak, ortamın ph derecesini indirger ve silisin çözünürlüğünü azaltarak ASR yi ve jel oluşumunu engeller. Puzolanların bir diğer faydası da sağladıkları geçirimsizliğidir [49] Uçucu kül Düşük kalorili olmaları nedeniyle başka yerlerde kullanılmayan kömür ve atıkları, öğütülüp pulverize halde yakılarak termik yoldan elektrik enerjisi elde etmek için kullanılır. Uçucu kül, termik santrallerde toz halindeki kömürün yanmasından sonra baca filtrelerinde tutularak elde edilir. Enerji ihtiyacının artmasıyla birlikte termik santrallerdeki uçucu kül birikimi de çok büyük miktarları bulmaktadır. Uçucu küller önemli yer işgal etmekte ve çevreyi kirletmektedirler. İnşaat sektöründe uçucu kül, kontrollü olarak kullanımı ile ekonomik bir şekilde değerlendirilir [72]. 40

67 Uçucu küller, bileşimlerine bağlı olarak ASTM C618 e göre C sınıfı ve F sınıfı olmak üzere iki gruba ayrılırlar. F sınıfı uçucu küller bitümlü kömürden veya antrasitten üretilir. Uçucu küller puzolanik malzemeler olarak kullanılırlar. Puzolanları kendi başına bağlayıcılık özelliği olmayan ancak çok ince öğütülerek çimento ile birlikte kullanımında nem varlığında kalsiyum hidroksit Ca(OH) 2 ile kimyasal reaksiyona girerek bağlayıcılık özelliği silisli veya silisli alüminli malzemeler olarak tanımlanmıştır [68]. C sınıfı uçucu külün belirli oranlarda çimento yerine kullanımının ASR nedeniyle olusan genleşmelerin kontrol altına alınması üzerindeki etkinliğini incelemiştir. Çalışmaları sonucunda, uçucu külün %5, 10, 15 oranlarında çimento yerine kullanımının, genleşmeleri kontrol karışımına kıyasla arttırdığını, %20 ve %25 oranlarında uçucu kül kullanımının genleşmeleri azalttığını ancak sınır genleşme değerinin aşıldığını, %30 ve daha fazla uçucu kül içeren örneklerin genleşme değerlerinin ise sınır genleşme değerinin altında kaldığını tespit etmiştir. Aşağıdaki şekilde çimento yerine belirli oranlarda uçucu kül içeren harç çubuğu örneklerinin zamana bağlı genleşme davranışı görülmektedir [43]. Şekil 5.1 : Uçucu kül içeren harç çubuğu örneklerinin zamana bağlı genleşme davranışı (Tosun 2001). Mehta ve arkadaşlarının bir calışmasında, çimentonun düşük orandaki uçucu kül ile ikamesinin ASR genleşmelerini azaltamadığını saptamıştır. Bununla birlikte, %25 ve daha fazla miktardaki uçucu kül ikamesi, ASR genleşmelerini azaltmada oldukça etkili olmuştur [73]. 41

68 Yapılan araştırmaların sonucunda, F sınıfı uçucu külün %15-30 oranlarında ikamesi sonucu ASR genleşmelerini azaltıcı etkisi olduğu kabul edilmiştir. C sınıfı uçucu külün en az %30 oranında kullanımının etkili olduğu saptanmıştır. Uçucu külün daha az miktarlarda kullanımı ASR genleşmelerini arttırabilmektedir [44]. Şekil 5.2 ve 5.3 F tipi düşük kalsiyum oranlı ve C tipi yüksek kalsiyum oranlı uçucu kül kullanılarak üretilmiş betonlar arasındaki farklılıkları göstermektedir [74]. Beton prizmalar ASTM C1293 e göre üretilmiştir ve alkali içeriği 5.25 kg/m 3 tür. F Tipi uçucu kül %6.38 CaO içeriğine sahipken C Tipi uçucu kül %21.1 CaO içeriğine sahiptir. İki uçucu kül de benzer alkali içeriğine sahiptir. Şekil 5.2 : C Tipi uçucu külün ASR genleşmesine etkisi [74]. Şekil 5.3 : F Tipi uçucu külün ASR genleşmesine etkisi[74] F Tipi uçucu küller daha az çözülebilir alkali içerir ve çimentoyla girdiği puzzolanik olaylar daha uzun sürmektedir [75]. Betona genleşmeyi kontrol altına almak için eklenen uçucu külün çalışma mekanizması tam olarak anlaşılamamıştır. Ancak uçucu külün oynadığı çok önemli üç farklı rol olduğu konusunda araştımacılar hemfikirdir. Bunlardan birincisi, uçucu kül boşluk çözeltisinin alkalinitesini düşürür. İkincisi, 42

69 ortamda serbest halde bulunan kireç miktarını serbest kireci bağlayarak düşürür. Üçüncü olarak uçucu kül boşluk yapısını geliştirerek geçirimliliği ve iyonların hareketliliği azaltır [76]. Uçucu külün ve diğer mineral katkıların betonda ASR riskini azaltmak için kullanımını açıklamak için araştımacılar bir çok teori öne sürmüşlerdir.. Uçucu kül boşluk çözeltisindeki çözülebilir alkalileri azaltır ve böylece bunların hidratasyon ürünleriyle birleşmesini engeller, betonun geçirimliliğini azaltır, serbest kireci puzolanik reaksiyonlarla bağlayarak ortamdaki oranını azaltarak tüketir [74] Yüksek fırın cürufu Demir cevherinden demir üretimi sırasında yüksek fırında demir alındıktan sonra kalan kireçtaşı veya dolomit varlığında erimiş maddeye cüruf denmektedir ºC sıcaklığındaki eriyik halde bulunan cüruf yaklaşık olarak, %30-%40 oranında SiO 2 ve %40 oranında CaO içerir. Bu bileşim Portland çimentosunun kompozisyonuna benzemektedir. Cüruf çimento üretiminde özel işlemlerle kil yerine, beton üretiminde agrega yerine ve bağlayıcı maddelerle (Portland çimentosu, kireç, alçı) karıştırılarak da kullanılabilmektedir [44,72,77] Yüksek fırın cürufunda bulunan alkaliler camsı fazda olup, Portland çimentosundaki alkalilere nazaran daha yavaş bir hızla açığa çıkarlar. Yüksek fırın cürufunun toplam alkali içeriği (asitte çözünebilir alkali) kütlece %0,3 ile %2,6 eşdeğer sodyum oksit değerleri arasında değişmektedir. Şekil 5.4 te farklı oranlarda yüksek fırın cürufu kullanımında zamana bağlı genleşme davranışları görülmektedir. Örneklerde,{su/(çimento+cüruf)}=0,4/{agrega/(çimento+cüruf)= 2,75 dir. Şekil 5.4 : Farklı oranlarda yüksek fırın cürufu kullanımında zamana bağlı genleşme[78]. 43

70 Yüksek fırın cürufunun çimento yerine ikame oranınının betonun alkali miktarına ve agregaların özelliklerine göre değiştiğini göstermiştir [79]. Bu iki şekil iki farklı kimyasal iç yapıya sahip agregayla üretilmiş beton numunelerinde farklı miktardaki curuf ikamesi sonucunda elde edilen genleşmeleri göstermektedir. Şekil 2.5 te ASR yi kontrol altına almak için kabul edilebilir limit değer olan %50 oranında curuf ikamesi yapılan silisli kireçtaşıyla hazırlanmış numuneleri, Şekil 5.5 te ise greywacke/argillitte agregasıyla %35 ikame oranı ile genleşmeyi kabul edilebilir sınır altına düşürülebilen numuneleri göstermektedir. Şekil 5.5 : Argillite agregasıyla üretilmiş betonda genleşmeler (1.25% Na 2 0e çimento ağırlığınca) [79]. Şekil 5.6 : Silisli kireçtaşıyla üretilen betonda genleşmeler(1.25% Na 2 0e çimento ağırlığınca) [79]. Yüksek fırın cürufunda bulunan alkaliler camsı fazda olup, Portland çimentosundaki alkalilere nazaran daha yavaş bir hızla açığa çıkarlar. Yüksek fırın cürufunun toplam alkali içeriği (asitte çözünebilir alkali) kütlece %0,3 ile %2,6 eşdeğer sodyum oksit değerleri arasında değişmektedir. 44

71 Silis Dumanı Silis dumanı, ferrosilikon ve silikonlu metal elektrik ark fırınlarında hammadde olarak kullanılan saf kuvarsın kömürle redüklenmesi sonucu elde edilir. Hava kirlenmesini önlemek açısından elektrofiltrelerde toplanan çok ince, duman niteliğinde olan bu artık yüksek oranda (%85-%99) amorf silis içermektedir. Silis dumanı, Portland çimentosunun taneciklerinden yaklaşık 100 kat daha küçük olup, ortalama tanecik çapı 0,1 m dir. Ayrıca, özgül alanı m 2 /kg olan Portland çimentosuyla karşılaştırıldığında, silis dumanı çok yüksek yüzey alanına (2000m 2 /kg) sahiptir. Silis dumanı yüksek puzolanik aktiviteye sahiptir [72]. Silis dumanı, yoğun ve geçirimsiz bir yapı oluşturarak su ve alkalilerin hareketini önler, geniş özgül yüzeyi ile alkalileri bağlayarak boşluk çözeltisinin alkali konsantrasyonunu düşürür. Ayrıca silis dumanının amorf halde bulunan silis içerigi, çimento yerine kullanıldıgında, beton henüz tazeyken çimentonun alkalileri ile reaksiyona girer. Bu reaksiyonun beton taze iken hızla oluşmasının sebebi, silis dumanının inceliğinin çok yüksek olmasıdır. Yeterli miktarda silis dumanı kullanıldığında, beton gerekli dayanımı kazanmadan önce çimento ve silis dumanı tarafından ortama salıverilen sodyum ve potasyum iyonlarının büyük kısmı reaksiyon sırasında tükenir. Betonun dayanım kazanmasından önce gelişen bu reaksiyon zararlı genleşmeler ve çatlaklara yol açmaz [45]. Silis dumanının ASR genleşmeleri üzerindeki etkisi kullanılan silis dumanı miktarının yanı sıra kimyasal kompozisyonuna (SiO 2 ve alkali içerigine), çimentonun tipine, alkali içeriğine ve inceliğine bağlıdır [45]. Silis dumanının belirli oranlarda çimento yerine kullanımının ASR nedeniyle oluşan genleşmelerin kontrol altına alınması üzerindeki etkinliğini incelemiştir [43]. Çalışmaları sonucunda, silis dumanının %5 oranında çimento yerine kullanımının, genleşmeleri kontrol karısımına kıyasla azalttıgını fakat sınır genlesme degerinin aşıldığını, %10 ve daha yüksek oranlarda kullanımının genleşmeleri oldukça azaltarak sınır genleşme degerinin çok altında kaldığını belirlemiştir. Sekil 5.7 de çimento yerine belirli oranlarda silis dumanı içeren harç çubuğu örneklerinin zamana bağlı genleşme davranışı görülmektedir. 45

72 Sekil 5.7 : Çimento yerine % 5-25 oranlarda silis dumanı içeren harç çubuğu genleşmeleri (Tosun,2001) Kimyasal Katkı Kullanımı Bazı tip kimyasal katkı maddeleri potansiyel olarak; 1- Silisin çözünmesini durdurabilir veya azaltabilirler. 2- Silis jelinin oluşmasına ve karakterine engel olabilirler. 3- Jelin genleşmesini azaltabilirler [69]. ASR nu önleyici kimyasal katkılarla ilgili ilk çalışmalar, 1951 yılında McCoy ve Caldwell tarafından başlatılmıştır. Kurşun, laktik asit, çinko, demir klorid, lityum tuzları ve bitkisel yağlar dahil olmak üzere, birçok ürün ile reaktif agrega olarak pyrex camı kullanılarak ASTM C441 standartına göre genleşme deneyleri yapılmıştır. Yapılan çalışmalar sonunda en iyi genleşme azalmasının lityum tuzlarından elde edildigi belirlenmiştir [69]. Harç çubukları genleşme testini kullanarak fosfat, nitrat, borat, lityum, kalsiyum vb. bileşenlerinin ASR üzerindeki etkileri arastırılmıştır. Araştırma sonuçlarına göre, bazı bileşenler iyi potansiyel göstermekle birlikte, etkinlikleri dozajlarına ve kullanılan reaktif agrega tipine bağlı olmaktadır [80]. Kimyasal katkıların etkilerini açıklayan mekanizmalar; Alkali iyonlarının basit kimyasal azaltımı, silis çözeltisi ile etkileşim veya ASR den dolayı meydana gelen jelin alkali iyonlarıyla etkileşimidir [80]. Ohama ve arkadaşları %1 dozajında sodyum silikoflorid, alkil alkoksi silan, lityum karbonat, florit, hidroksit ile andezit ve opal agregaları ile 46

73 yapılmış harç çubuklarının genleşmesini azalttığını belirlemişlerdir [69]. LiOH betonda kullanıldığında, normalde yüksek olan (OH) - iyon konsantrasyonunu yükseltmektedir. LiOH in ASR genleşmelerini azaltıcı etkisinin ortaya çıkarılabilmesi için, ASR jelinin genleşme potansiyelini azaltan, Li + iyonlarının jel ile yeterince birleşebilmesi ve bu ters etkinin karşılanması gerekmektedir. Bunun için de LiOH dozunun, oluşan ASR jelinin yapısına katılan ve zararlı genleşmeleri önleyen lityum miktarının, ph daki yükselme sebebiyle oluşan zararlı etkiyi yenebilmesine imkan verecek düzeyde ayarlanması gerekmektedir. Ayrıca, çimento hidratasyonu esnasında lityum iyonlarının bir kısmı hidratasyon ürünlerinin bünyesine katılmaktadır. Bu iki sebepten dolayı yeterli miktardan az kullanılan LiOH, tam tersine genleşmeleri arttırmaktadır [45]. Lityum hidroksit, florit, klorür tuzlarının ph ı azaltıcı zararlı etkisini azaltmak için nötral tuzların kullanılması gerektiği araştırmacılarca öne sürülmüştür. 5.5 Onarım Alkali Silika Reaksiyonunu engellemek için, ASR hasarlarına neden olan ve aynı anda bulunması gereken üç koşuldan (yeterli alkali, kritik seviyenin üstünde reaktif silika, yeterli nem) herhangi birinin kaldırılması ASR yi engellemek icin bir önlem olarak düşünülebilir. Hasar görmüş bir yapının onarımında, reaktif silika, alkali ve nem uzaklaştırılmalıdır ve beton içine tekrar girişlerine karşı önlemler alınmalıdır. Ancak reaktif silika ve alkalinin bulunması durumunda nem başarılı bir şekilde kontrol edilebilecek tek faktördür [43]. ASR ye karşı henüz kesinleşmiş bir durabilite dizaynı geliştirilmemiştir. Ancak genleşmenin kontrolü için, sertleşmiş betonun su içeriğini, örneğin betonun kütlece %0,4 u gibi bir değerle sınırlamak bir çözüm olabilir [14,81]. Alınacak önlemler ASR den etkilenen yapıların tümünü kapsamalıdır. Genellikle genleşme durduğu zaman onarım, gereken yerlerde makro çatlakların çimento enjeksiyonu veya epoksi reçinesi ile kapatılması ve yüzey görünümünün iyileştirilmesi suretiyle yapılmaktadır. Beton içine nemin girişi bu sekilde azaltılmış olur ve yapı güvenligi sağlanmış olur [14,43]. Genellikle, ASR genleşmeleri onarım yapıldıktan sonra da devam etmektedir. Bu nedenle ASR çatlaklarının onarımı, normal çatlak onarımından daha farklıdır. ASR den dolayı oluşan çatlakların onarımında ve ASR den dolayı hasar görmüş yapıların güçlendirilmesinde en önemli konu, onarım ve güçlendirme yapıldıktan 47

74 sonra yeniden ASR genleşmelerinin oluşumunun engellenmesidir. Beton bünyesinde bulunan ve dışarıdan beton içine giren genleşmeye sebep olan maddeler kontrol edilmelidir [81]. Bu tür hasarların onarımında seçilen yöntemler genellikle yüzeye belirli işlemler uygulanması şeklinde olmaktadır. Betona dışarıdan suyun nüfuzunu önleyen ve suyun içeriden difuzyonunu sınırlandıran su geçirmez kaplamaları veya daha az etkili olan su uzaklastırıcı yöntemi kullanılarak yüzey kaplamaları ile nem kontrol edilebilmektedir [81]. İngiltere de ASR etkisinin görüldüğü 10 yıllık iki yapıda küçük bir dış alana, yüzey kaplaması uygulanarak onarım yapılmıştır. Bu kaplamalar uygulandığında muhtemelen genleşme büyük oranda tamamlandığı icin, onarımdan sonraki 6 yıl yapı oldukça iyi performans göstermiştir [14]. 48

75 6. DENEYSEL ÇALIŞMA 6.1 Giriş Deneysel çalışmadan kullanılacak malzemenin tanımlanması, fiziksel ve kimyasal özelliklerinin belirlenmesi, deney sonuçlarının yorumlanması açısından önem taşımaktadır. Tezin bu kısmında, kullanılan agrega, çimento ve mineral katkılar tanıtılmıştır. Agregaların reaktivite potansiyellerinin belirlenmesinin yanısıra bu reaktivitenin sebebi de önem taşımaktadır. Bu sebeple agregalar üzerinde jeokimyasal ve mineralojik-petrografik analiz yapılmıştır. Bu verilerin elde edilmesinde ve yorumlanmasında İTÜ Maden Fakültesi Jeokimya Laboratuvarından destek alınmıştır. 6.2 Agrega Agrega Seçimi Bu çalışma kapsamında üç adet reaktif agrega kullanılması planlanmıştır. Bu amaçla farklı ocaklardan beş tip agrega seçilerek HHÇD yöntemiyle olası reaktivite düzeyleri belirlenmiştir. Reaktif olduğu bu deney sonucunda belirlenen ve deneysel çalışma amacıyla seçilen agregalarla ilgili kısa bilgiler bu kısımda derlenmiştir S1 Agregasının Özellikleri Sakarya yöresinden kökenli dere kumu agregasıdır. Bu agrega üzerinde HHÇD farklı zamanlarda uygulanmıştır. Bu deneylere göre agregaların 14 günlük genleşmeleri, standart sapma ve varyasyon katsayıları Çizelge 6.1 de verilmiştir. Çizelge 6.1 : Agrega S1 in 14 günlük genleşmelerinin değerlendirilmesi. 14 günlük genleşme (%) Deney 1 0,57 Deney 2 0,60 Deney 3 0,62 Ortalama 0,60 49

76 Agreganın 14 günlük genleşmeleri 0,57,0,60 ve 0,62 dir. Touma v.d (2000), %0.2 den yüksek genleşme gösteren agregaları reaktivitesi yüksek olarak tanımlamaktadır. Genleşme ortalamaları dikkate alındığında S1 agregası bu sınıfa dahil edilebilir Petrografik Özellikler Çakıların bir kısmı sedimanter ve metamorfik, çok az bir kısmı ise magmatik kayaç kökenlidir. Nadiren de olsa iri hematit ve limonit çakıllarına da rastlanılır. Çok az gözlenen manyetit ile turmalin ince tanelenmiştir. Numunenin binoküler mikroskop ile saptanan minerolojik bileşimi Çizelge 6.2 de verilmiştir. Çizelge 6.2 : S1 agregasının mineral bileşenleri ve oranları Mineral / Bileşen Modal Oran (%) Kuvars (+kuvarsit kayaç parçaları + renkli kuvars taneleri) Feldspat 5-6 Mika (Muskovit+biotit) 1 Turmalin 0,5 Gröna 1 Klorit+ Epidot 1 Kalsit 2-3 Demir oksitler (Manyetit+Hematit+limonit) 1-2 Kayaç Parçası (metamorfik, sedimanter) Fiziksel Özellikler Beyaz, gri bej renkli, kum ve çakıl boyutlu malzemedir. Taneler genelde beyaz ve bej nadiren koyu renklerdedir. Belirgin şekilde koyu renkli taneler daha incedir. Çakıl boyutlu malzemeler çoğunlukla beyaz, bej, daha az kahve ve sarı renklerdedir. Bazı çakıl taneleri üzerinde demir oksit sıvamaları bulunur ve tozludur. Taneler köşeli, yarı köşeli ve düşük-orta küreseldirler. Bazı tanelerde taşınmaya bağlı yuvarlaktır. Asit (%10 HCl) ile muamelede bazı tanelerde reaksiyon izlenmiştir. Çakılların büyük bir kısmı Kuvarsit kayaç parçalarından oluşur. 50

77 6.2.3 S2 Agregasının Özellikleri İstanbul yöresi kökenli kırmataş kumu agregasıdır. Bu agrega üzerinde HHÇD farklı zamanlarda uygulanmıştır. Bu deneylere göre agregaların 14 günlük genleşmeleri, standart sapma ve varyasyon katsayıları Çizelge 6.3 te verilmiştir. Çizelge 6.3 : Agrega S2 nin 14 günlük genleşmelerinin değerlendirilmesi. 14 günlük genleşme (%) Deney 1 0,29 Deney 2 0,34 Deney 3 0,33 Ortalama 0,32 Agreganın 14 günlük genleşmeleri 0,29, 0,34 ve 0,33 tür. Touma v.d nin (2000) sınıflandırmasına göre bu agreganın reaktivitesi yüksektir. Genleşme ortalamaları dikkate alındığında S2 agregası yüksek derecede reaktif agrega sınıfına dahil edilebilir Petrografik Özellikler Numunenin ince kesiti üzerinde petrografik-polarizan mikroskop ile gerçekleştirilen optik mikroskop incelemesinde son derece ince taneli olduğu, belirgin bir alterasyonun izlenmediği anlaşılmıştır. Kuvars, feldspat, mika gibi minerallere hamur şeklinde kil ve karbonat eşlik eder. Mineral oranları Çizelge 6.4 te verilmiştir. Çizelge 6.4 : S2 agregasının mineral bileşenleri ve oranları Mineral / Bileşen Modal Oran (%) Kuvars (birincil ve çatlaklarda iri taneli kuvarslar olarak ikincil) Feldspat Mika (Muskovit) Kil+karbonat Opak

78 Fiziksel Özellikler Gri koyu renkler hakim, yer yer açık gri ve bej kayaç parçalarıdır. Bütünüyle homojen görünümlüdürler. İri parçalar tabakalanma özelliği gösterir. İnce taneli kristalin özelliklerindedir. Tanelerde vela kayak parçalarında alterasyon içermez. Asit ile (%10 luk HCl) muamelede reaksiyon vermiştir. Mohs sertlik 4 olarak saptanmıştır S3 Agregasının Özellikleri İstanbul yöresinden kökenli doğal kum agregasıdır. Bu agrega üzerinde HHÇD farklı zamanlarda uygulanmıştır. Bu deneylere göre agregaların 14 günlük genleşmeleri, standart sapma ve varyasyon katsayıları Çizelge 6.5 te verilmiştir. Çizelge 6.5 : Agrega S3 ün 14 günlük genleşmelerinin değerlendirilmesi. 14 günlük genleşme (%) Deney 1 0,24 Deney 2 0,26 Deney 3 0,25 Ortalama 0,25 Agreganın 14 günlük genleşmeleri 0,24, 0,26, 0,25 dır. Araştırmacıların sınıflandırmasına göre bu agreganın reaktivitesi yüksektir [83]. Genleşme ortalamaları dikkate alındığında S3 agregası yüksek derece reaktif agrega sınıfına dahil edilebilir Petrografik Özellikler Numunenin binoküler mikroskop altında incelenmesinden elde edilen sonuçlara göre bileşimin büyük çoğunluğunu kuvars oluşturur. Kum taneleri yarı yuvarlak, yarı köşeli ve temiz haldedir. Kuvarslar renksiz, mat ve sarı renklerde gözlenir. Çok az oranda kalsit taneleri içerir. Çok az miktarda manyetit de içerir. Tanelerde herhangi bir ayrışma gözlenmemiştir. Opal, amorf silis içermemektedir. Modal analiz sonuçlarına göre bulunan mineral oranları aşağıdaki Çizelge 6.6 te verilmiştir. 52

79 Çizelge 6.6 : S3 agregasının mineral bileşenleri ve oranları Modal Oran Mineral / Bileşen (%) Kuvars Feldspat 2-3 Kalsit+aragonit 1-2 Kayaç Parçası (Kireçtaşı, kalkşist, kuvarsit, kumtaşı) Demir oksitler (Manyetit+Hematit+limonit) 0,5 den az Fiziksel Özellikler Doğal kum numune sarımsı kahve ve gri renkli, kum boyutlu malzemedir. Taneler köşeli, yarı köşeli olup küresellik ortadır. Kayaç parçalarında taneler köşeli, küresellik düşüktür. Asit (%10 HCl) ile muamelede az oranda reaksiyon izlenmiştir. 6.3 Çimento A Çimentosu HHÇD deneylerinde mineral katkıların ve farklı çimento kullanımının ASR genleşmeleri üzerine etkisini belirlemek için hazırlanan harç çubuğu numunelerinde ve AkçanSa Çimento Fabrikasından temin edilen CEM I 42,5 çimentosu kullanılmıştır. Çimentonun mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 6.7 de gösterilmiştir. Çizelge 6.7 : A çimentosunun kimyasal ve fiziksel özellikleri Bileşenler %' si Fiziksel Özellikler SiO 2 20,12 Özgül Ağırlık (gr/cm 3 ) 3,14 Al 2 O 3 4,92 Priz Başlama (dak.) 129 Fe 2 O 3 3,57 Süresi Bitiş (dak.) 191 CaO 63,48 Hacim Genleşmesi (mm) 1 MgO 1,23 Özgül Yüzey-Blaine (cm 2 /g) 3942 SO 3 2,88 İncelik 45 m elek kalıntısı 2,88 Cl - 0, m elek kalıntısı 0,0425 Na 2 O / K 2 O 0,24 / 0,89 Serbest Kireç 1,72 Kızdırma kaybı 1,72 Çözünmez Kalıntı 0,92 Tayin edilemeyen 0,91 53

80 6.3.2 B Çimentosu HHÇD deneylerinde farklı çimento kullanımının genleşmeler üzerine etkisini belirlemek için hazırlanan harç çubuğu numunelerinde Nuh Çimento Fabrikasından temin edilen CEM I 42,5 çimentosu kullanılmıştır. Çimentonun mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 6.8 de gösterilmiştir. Çizelge 6.8 : B çimentosunun kimyasal ve fiziksel özellikleri. Bileşenler %' si Fiziksel Özellikler SiO 2 19,75 Özgül Ağırlık (gr/cm 3 ) 3,15 Al 2 O 3 4,28 Priz Başlama (dak.) 170 Fe 2 O 3 3,48 Süresi Bitiş (dak.) 210 CaO 64,31 Hacim Genleşmesi (mm) 1 MgO 1,14 Özgül Yüzey-Blaine (cm 2 /g) 3591 SO 3 2,70 İncelik 32 m elek kalıntısı 11,0 Cl - 0, m elek kalıntısı 0,2 Na 2 O+0,658 K 2 O 0,67 Serbest Kireç 1,29 Kızdırma kaybı 2,57 Çözünmez Kalıntı 0,57 Tayin edilemeyen 0, C Çimentosu HHÇD deneylerinde farklı çimento kullanımının genleşmeler üzerine etkisini belirlemek için hazırlanan harç çubuğu numunelerinde harç çubuğu numunelerinde Set Çimento Fabrikasından temin edilen CEM I 42,5 çimentosu kullanılmıştır. Çimentonun mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 6.9 da gösterilmiştir. Çizelge 6.9 : C çimentosunun kimyasal ve fiziksel özellikleri. Bileşenler %' si SiO 2 19,76 Cl - 0,0142 Al 2 O 3 4,97 Na 2 O / K 2 O 0,73 / 0,06 Fe 2 O 3 2,66 Serbest Kireç 1,75 CaO 63,25 Kızdırma kaybı 1,78 MgO 1,06 Çözünmez Kalıntı 0,34 SO 3 3,02 Tayin edilemeyen 0,93 54

81 Fiziksel Özellikler Özgül Ağırlık (gr/cm 3 ) 3,12 Başlama (dak.) 210 Priz Süresi Bitiş (dak.) 240 Hacim Genleşmesi (mm) 1 İncelik Özgül Yüzey-Blaine(cm 2 /g) D Çimentosu HHÇD deneylerinde farklı çimento kullanımının genleşmeler üzerine etkisini belirlemek için hazırlanan harç çubuğu numunelerinde Traçim Çimento Fabrikasından temin edilen CEM I 42,5 çimentosu kullanılmıştır. Çimentonun mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 6.10 da gösterilmiştir. Çimentonun özgül yüzey değeri 3920 cm 2 /g aralığındadır. Çizelge 6.10 : D çimentosunun kimyasal ve fiziksel özellikleri. Bileşenler %' si SiO 2 19,98 Cl - 0,02 Al 2 O 3 5,32 Na 2 O / K 2 O 0,33 / 0,78 Fe 2 O 3 3,31 Serbest Kireç 1,80 CaO 63,38 Kızdırma kaybı 1,75 MgO 1,06 Çözünmez Kalıntı 0,90 SO 3 3,2 Tayin edilemeyen 0,93 Fiziksel Özellikler Özgül Ağırlık (gr/cm 3 ) 3,10 Başlama (dak.) 160 Priz Süresi Bitiş (dak.) 245 Hacim Genleşmesi (mm) 0,5 Özgül Yüzey- İncelik Blaine(cm /g) 55

82 6.4 Mineral Katkılar Yüksek Fırın Cürufu Deneylerde, OYAK Bolu Fabrikasından temin edilen öğütülmüş yüksek fırın curufu kullanılmıştır. Curufun fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 6.11 de gösterilmiştir. Çizelge 6.11 : Cürufun fiziksel ve kimyasal özellikleri Bileşenler %' si Fiziksel Özellikler SiO 2 40,4 Özgül Ağırlık (gr/cm 3 ) 2,80 Al 2 O 3 11,7 Başlama (saat) 105 Priz Süresi Fe 2 O 3 1,1 Bitiş (saat) 150 CaO 33,6 Hacim Genleşmesi (mm) 1 MgO 6,98 Özgül Yüzey-Blaine (cm 2 /g) SO 3 0,13 İncelik 45 m elek kalıntısı 0,53 Cl - 0, m elek kalıntısı 0,40 S = 0,68 Kızdırma kaybı 0, Uçucu Kül Deneylerde, Zonguldak Çatalağzı Termik Santralinden temin edilen F tipi uçucu kül kullanılmıştır. Curufun fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 6.12 de gösterilmiştir. Çizelge 6.12 : Uçucu külün fiziksel ve kimyasal özellikleri Bileşenler %' si Fiziksel Özellikler SiO 2 58,58 Özgül Ağırlık (gr/cm 3 ) 3,12 Al 2 O 3 23,4 Hacim Genleşmesi (mm) 1 Fe 2 O 3 6,97 Özgül Yüzey-Blaine (cm 2 /g) CaO 1,55 İncelik 45 m elek kalıntısı 0,50 MgO 2,76 90 m elek kalıntısı 0,41 SO 3 0,45 Cl - 0,0319 Na 2 O / K 2 O 2,13 /2,78 Serbest Kireç 0,15 Kızdırma kaybı 0,2 56

83 6.4.3 Silis Dumanı Deneylerde, ELKEM firmasından temin edilen silis dumanı kullanılmıştır. Silis dumanının fiziksel ve kimyasal özellikleri Çizelge 6.13 te gösterilmiştir. Çizelge 6.13 : Silis dumanının fiziksel ve kimyasal özellikleri Bileşenler %' si Fiziksel Özellikler SiO 2 91,0 Özgül Ağırlık (gr/cm 3 ) 2,20 Al 2 O 3 0,58 Özgül Yüzey-BET (cm 2 /g) Fe 2 O 3 0,24 CaO 0,71 MgO 0,33 SO 3 1,06 Na 2 O / K 2 O 0,29 /3,72 Kızdırma kaybı 1, Durabilite Deneyleri Tez çalışmasının bu kısmında mineral katkıların ASR üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu bölümde hızlandırılmış harç çubuğu deneyi (HHÇD) ile elde edilen sonuçlar ele alınmıştır HHÇD ( Hızlandırılmış Harç Çubuğu Deneyi) HHÇD metodu, ASTM C1260 deney standardına göre uygulanmıştır. S1, S2 ve S3 kontrol numuneleri ile farklı oranlarda kütlece çimento yerine mineral katkı kullanılarak HHÇD karışımları hazırlanmıştır. Üretilen örnekler, 24 saat boyunca 80±2 C de suda, geri kalan deney süresince aynı sıcaklıkta 1N NaOH çözeltisinde kürlenmiştir. Standartta belirtildiği üzere, örneklerin kalıplara yapışmasını önlemek için, tortu bırakmayan ve su girişine imkan veren kayganlaştırıcı malzeme olarak teflon sprey kullanılmıştır. Karışımların su/bağlayıcı malzeme oranı kütlece 0.47 olup, bağlayıcı malzeme/agrega oranı ise 1/2.25 tir. ASTM C1260 standart gradasyonu Çizelge 6.11 de verilmiştir. Uçucu kül, yüksek fırın cürufu kütlece % 10, 20 ve silis dumanı kütlece % 10 oranlarında çimento yerine kullanılmıştır. Katkı kullanılan karışımların su/çimento oranları sabit tutulmuştur. Toplam 18 adet karışımın her birinden 2 şer adet harç çubuğu 57

84 dökülmüştür. Örneklerin boy ölçümleri mm duyarlılıkla alınarak genleşme değerleri ve bunların ortalamaları belirlenmiştir. Çizelge 6.14 : Karışım Oranları Elek Boyutları (ASTM) Geçen Kalan Ağırlık (%) 4.75 mm 2.36 mm % mm 1.18 mm % mm 600 m % m 300 m % m 150 m % Çimento yerine yüksek fırın cürufu kullanımı Yüksek Fırın Curufu, çimento yerine agırlıkça %10, %20 oranlarında kullanılarak harç çubukları dökülmüştür ve NaOH çözeltisinde 14 gün boyunca belirli aralıklarla boy degişimleri ölçülmüştür. Yapılan deneyler sonucunda %20 oranında yüksek fırın cürufunun çimento yerine kullanımının ASTM C1260 deney metoduna göre tehlikeli sınır genlesme degeri olan %0,1 in altında genlesme degerleri verdigi tespit edilmistir. Şekil 6.1 de S1 agregası, Şekil 6.2 de S2 agregası, Şekil 6.3 te S3 agregası kullanılarak hazırlanan harçlarda %10-%20 oranlarında yüksek fırın cürufunun çimento yerine kullanımının ASR nedeniyle oluşan genleşmeler üzerindeki etkisi görülmektedir. 58

85 Şekil 6.1 : S1 agregasında curuf ikame oranlarının ASR genleşmelerine etkisi Şekil 6.2 : S2 agregasında curuf ikame oranlarının ASR genleşmelerine etkisi 59

86 Şekil 6.3 : S3 agregasında curuf ikame oranlarının ASR genleşmelerine etkisi Çimento Yerine Uçucu Kül Kullanımı Uçucu Külün, çimento yerine ağırlıkça %10, %20 oranlarında kullanılarak harç çubukları dökülmüştür ve NaOH çözeltisinde 14 gün boyunca belirli aralıklarla boy degisimleri ölçülmüştür. Yapılan deneyler sonucunda %20 oranında uçucu külün çimento yerine kullanımının ASTM C1260 deney metoduna göre tehlikeli sınır genlesme degeri olan %0,1 in altında genlesme degerleri verdigi tespit edilmistir. Şekil 6.4 te S1 agregası, Şekil 6.5 te S2 agregası, Şekil 6.6 da S3 agregası kullanılarak hazırlanan harçlarda %10- %20 oranlarında uçucu külün çimento yerine kullanımının ASR nedeniyle oluşan genleşmeler üzerindeki etkisi görülmektedir. 60

87 Şekil 6.4 : S1 agregasında uçucu kül ikame oranlarının ASR genleşmelerine etkisi Şekil 6.5 : S2 agregasında uçucu kül ikame oranlarının ASR genleşmelerine etkisi 61

88 Şekil 6.6 : S3 agregasında uçucu kül ikame oranlarının ASR genleşmelerine etkisi Çimento Yerine Silis Dumanı Kullanımı Silis Dumanı, çimento yerine agırlıkça %10, %20 oranlarında kullanılarak harç çubukları dökülmüştür ve NaOH çözeltisinde 14 gün boyunca belirli aralıklarla boy degisimleri ölçülmüştür. Yapılan deneyler sonucunda %10 oranında silis dumanının çimento yerine kullanımının ASTM C1260 deney metoduna göre tehlikeli sınır genlesme degeri olan %0,1 in altında genlesme degerleri verdigi tespit edilmistir. Sekil 6.7 de S1 agregası, Şekil 6.8 te S2 agregası, Şekil 6.9 da S3 agregası kullanılarak hazırlanan harçlarda %10 oranında silis dumanının çimento yerine kullanımının ASR nedeniyle oluşan genleşmeler üzerindeki etkisi görülmektedir. 62

89 Şekil 6.7 : S1 agregasında silis dumanı ikamesinin ASR genleşmelerine etkisi Şekil 6.8 : S2 agregasında silis dumanı ikamesinin ASR genleşmelerine etkisi 63

90 Şekil 6.9 : S3 agregasında silis dumanı ikamesinin ASR genleşmelerine etkisi Şekil 6.10 : S1 agregasında mineral katkı ve ikame oranının genleşmelere etkisi. 64