ALKALİ-AGREGA REAKTİVİTESİNİN TESPİTİNDE KULLANILAN DENEY METOTLARININ İNCELENMESİ. Özge ANDİÇ ÇAKIR

Transkript

1 1 EGE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ (DOKTORA TEZİ) ALKALİ-AGREGA REAKTİVİTESİNİN TESPİTİNDE KULLANILAN DENEY METOTLARININ İNCELENMESİ Özge ANDİÇ ÇAKIR İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı Bilim Dalı Kodu: Sunuş Tarihi: Tez Danışmanı: Prof. Dr. Kambiz RAMYAR

2 2 Sayın Özge ANDİÇ ÇAKIR tarafından DOKTORA TEZİ olarak sunulan Alkali-Agrega Reaktivitesinin Tespitinde Kullanılan Deney Metotlarının İncelenmesi başlıklı bu çalışma, E.Ü. Lisansüstü Eğitim ve Öğretim Yönetmeliği ile E.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Eğitim ve Öğretim Yönergesi nin ilgili hükümleri uyarınca tarafımızdan değerlendirilerek savunmaya değer bulunmuş ve... tarihinde yapılan tez savunma sınavında aday oybirliği/oyçokluğu ile başarılı bulunmuştur. Jüri Üyeleri İmza Jüri Başkanı ; Prof. Dr. Mustafa TOKYAY Raportör Üye ; Prof. Dr. Kambiz RAMYAR Üye Üye Üye ; Prof. Dr. Bülent BARADAN ; Yrd. Doç. Dr. Şemsi YAZICI ; Yrd. Doç. Dr. Halit YAZICI

3 3

4 4 ÖZET ALKALİ-AGREGA REAKTİVİTESİNİN TESPİTİNDE KULLANILAN DENEY METOTLARININ İNCELENMESİ ANDİÇ ÇAKIR, Özge Doktora Tezi, İnşaat Mühendisliği Bölümü Tez Yöneticisi: Prof. Dr. Kambiz RAMYAR Mart 2007, 252 sayfa Bu çalışmanın amacı, üç farklı deney metodunun (ASTM C1260, ASTM C1293 ve beton mikrobar testi), hem İzmir yöresindeki agregaların reaktivite potansiyelini belirlemedeki davranışını kıyaslamak hem de bu yöredeki mineral katkı kaynakları ile lityum tuzlarının ASR üzerindeki etkilerini belirlemede karşılaştırmalı olarak incelemektir. Tezin ilk bölümünde çalışmanın amacı ve kapsamı açıklanmış, ikinci bölümünde genel olarak alkali agrega reaksiyonu anlatılmıştır. Üçüncü bölümde alkali silis reaksiyonu, dördüncü bölümde mineral ve kimyasal katkıların alkali silis reaksiyonuna etkisi, beşinci bölümde ise reaksiyonun tespitinde kullanılan deney yöntemlerinden bahsedilmiştir. Çalışmanın altıncı bölümü, deneysel çalışmada kullanılan malzemenin karakterizasyonu ile ilgilidir. Yedinci bölümde uygulanan mekanik deneyler karşılaştırılmalı olarak ele alınmış ve tartışılmıştır. Sekizinci bölümde reaksiyon sonucu oluşan ürünlerin morfolojisi ve kompozisyonu, genleşme değerleri dikkate alınarak incelenmiştir. Çalışma kapsamında toplam 60 adet harç, 66 adet beton mikrobar, 53 adet beton prizma karışımı hazırlanmış ve her bir karışımdan en az üç adet örnek dökülmüştür. Çalışmanın sonucunda, hızlandırılmış iki deney metodunun birbiriyle doğrusal ilişki verdiği ve bu yöntemlerin katkıların etkinliğini belirlemede konservatif olduğu belirlenmiştir. ASR ürünleri kompozisyonu ile genleşmeler arasında bağıntı bulunduğu anlaşılmıştır. Anahtar Sözcükler: Alkali agrega reaksiyonu, deney metotları, mineral katkılar, lityum tuzları

5 5

6 6 ABSTRACT INVESTIGATION OF TEST METHODS ON ALKALI AGGREGATE REACTION ANDİÇ ÇAKIR, Özge Phd in Civil Eng. Supervisor: Prof. Dr. Kambiz RAMYAR March 2007, 252 pages The aim of this study is to compare the behavior of three different test methods (ASTM C1260, ASTM C 1293 and concrete microbar test) on determination of potential reactivity of aggregates in İzmir region. The effects of local mineral admixtures and lithium salts by using these test methods were investigated comparatively. In the first chapter of this thesis, the aim and scope of the study is stated, in the second chapter, alkali aggregate reaction is explained. Third chapter explains the alkali silica reaction, fourth chapter describes the effect of mineral and chemical admixtures on alkali silica reaction, fifth chapter gives a brief explanation on different testing methods to identify alkali silica reaction. Materials used in the experimental study are characterized in the sixth chapter of this study. In the seventh chapter, results of mechanical tests carried out in this study are given and the results are discussed. Morphology and chemical composition of the ASR products obtained are observed by considering the expansion values. In the scope of this study, 60 mortar, 66 concrete microbar, 53 concrete prism test mixtures are prepared and minimum three specimens are cast from each mixture. As a result, two accelerated testing methods are well-correlated and these methods are conservative in determining the effect of mineral admixtures and lithium salts. A correlation between the ASR product composition and expansion values is also obtained. Keywords: Alkali aggregate reaction, test methods, mineral admixtures, lithium salts

7 7

8 8 TEŞEKKÜR Bu çalışma TUBİTAK ve EBİLTEM kurumlarının maddi desteği ile tamamlanmıştır. Gerekli malzemelerin sağlanmasında ve özeliklerinin belirlenmesinde kolaylık gösteren Çimentaş İzmir Çimento Fabrikası T.A.Ş ve BATIÇİM Batı Anadolu Çimento Sanayi A.Ş yetkililerine teşekkürü borç bilirim. Tez çalışmam sırasında değerli katkılarını ve görüşlerini esirgemeyen Sayın Prof. Dr. Mustafa TOKYAY (ODTU, Müh. Fak. İnşaat Mühendisliği Bölümü) ve Sayın Prof. Dr. Bülent BARADAN (DEU, Müh. Fak. İnşaat Mühendisliği Bölümü) ile tüm Dokuz Eylül Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Yapı Malzemesi ve Ulaştırma Anabilim Dalı çalışanlarına yardımları için teşekkür ederim. Laboratuvar çalışmalarımda emeği geçen başta Araş. Gör. Cihat YÜKSEL olmak üzere yolu laboratuvardan geçen tüm öğrencilerime ve arkadaşlarıma ayrıca teşekkür ederim. Çalışmanın malzeme karakterizasyonunda değerli yorumları için Sayın Prof. Dr. İbrahim ÇOPUROĞLU (Niğde Üniversitesi, Müh-Mim. Fak., Jeoloji Mühendisliği Bölümü) ve Sayın Dr. Maarten ATM BROEKMANS a (Geological Survey of Norway-NGU) teşekkürlerimi borç bilirim. Arkadaşlığı, cesaretlendirmesi, her konudaki yardımı ve Hollanda daki misafirperverliği için Dr. Oğuzhan ÇOPUROĞLU na (TUDelft-MICROLAB) ve sevgili eşine özellikle teşekkürlerimi sunarım. Doktora tezimde danışman olmanın ötesinde çaba sarfeden, işine olan sevgisini ve azmini her zaman örnek alacağım, değerli insan, Sayın Prof. Dr. Kambiz RAMYAR a saygılarımı belirtmek isterim. Sonsuz destekleri için Ege Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü ndeki akademisyenlere ve değerli arkadaşlarıma teşekkürü borç bilirim. Hayati ve lojistik desteği için eşim Ersin e; manevi destekleri için aileme... Teyzeme..

9 9

10 10 İÇİNDEKİLER Sayfa No ÖZET ABSTRACT TEŞEKKÜR V VII IX 1. GİRİŞ Amaç ve Kapsam 3 2. 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 mekanizması Pesimum oran ASR ürünleri ASR Ürünlerinin Genleşme Mekanizması ASR nu Etkileyen Faktörler 30

11 Agregadaki reaktif silis ve agrega özelikleri Betonun alkali içeriği Yeterli nem Ortam sıcaklığı Diğer faktörler ASR Hasarlarının Teşhisi Genleşme ve çatlama Yüzeysel tortular Parça atma Yer değiştirmeler MİNERAL VE KİMYASAL KATKILARIN ETKİSİ Giriş ASR Önleme Yöntemlerine Farklı Ülkelerin Yaklaşımları Mineral Katkıların ASR Genleşmelerine Etkisi Doğal puzolanların etkisi Uçucu külün etkisi Yüksek fırın cürufunun etkisi Silis dumanının etkisi Kimyasal Katkıların ASR Genleşmelerine Etkisi Lityum tuzlarının etkisi Diğer kimyasal katkıların etkisi 79

12 Mikroliflerin ASR Genleşmelerini Azaltma Etkisi ASR TESPİTİNDE KULLANILAN DENEY YÖNTEMLERİ Petrografik İnceleme Kimyasal Metotlar Harç Üzerinde Yapılan Deneyler Harç çubuğu deneyi Hızlandırılmış harç çubuğu deneyi (HHÇD) Beton Üzerinde Yapılan Deneyler Beton prizma deneyi (BPD) Hızlandırılmış beton prizma deneyi (HBPD) Otoklav Metotları Diğer Metotlar Nordtest hızlandırılmış alkali silis reaktivitesi deneyi Beton mikrobar deneyi (BMD) Tahribatsız Deney Metotları Deneysel Metotların Karşılaştırılması ile İlgili Önemli Çalışmalar ÇALIŞMADA KULLANILAN MALZEMELER Giriş Agrega Agregaların seçimi S1 Agregasının özelikleri 121

13 S1 Kayaç örneğinin lokasyonu ve tanımı S1 Kayaç örneğinin petrografisi S1 Kayaç örneğinin jeokimyasal analizi ve camsı 126 matris özelikleri S1 Agregası fiziksel özelikleri S2 agregasının özelikleri S2 Agregası petrografisi ve ana bileşenlerinin 131 belirlenmesi S2 Agregası fiziksel özelikleri Bağlayıcılar Kimyasal Katkılar FİZİKSEL DENEYLER Giriş HHÇD Sonuçları BMD nin Geliştirilmesi BMD ile Katkıların Etkinliği Mineral katkıların etkinliği Lityum tuzlarının etkinliği Hızlandırılmış Metotların Karşılaştırılması BPD Sonuçları Mineral katkı içeren karışımların BPD genleşmeleri Lityum tuzu içeren karışımları BPD genleşmeleri 189

14 Alkalinite seviyesinin BPD genleşmelerine etkisi Agrega tipinin BPD genleşmelerine etkisi BPD - Hızlandırılmış deneylerin karşılaştırılması BPD - HHÇD sonuçlarının karşılaştırılması BPD - BMD sonuçlarının karşılaştırılması Deney Sonuçlarının Tartışılması ASR ÜRÜNLERİNİN MİKROYAPI İNCELEMESİ Giriş ASR Ürünlerinin Morfolojik Özelikleri ASR Ürünlerinin Kimyasal Kompozisyonu SONUÇ VE ÖNERİLER 225 STANDARTLAR 232 KAYNAKLAR 234 ÖZGEÇMİŞ 252

15 15 1. GİRİŞ Alkali-agrega reaksiyonu, betondaki agreganın çeşitli bileşenlerinin çimento alkalileri ile reaksiyonu olarak tanımlanabilir. Bu reaksiyon sonucunda su emerek genleşen ve betonda hasarlara yol açabilecek düzeyde çekme gerilmeleri meydana getirebilen ürünler oluşmaktadır. Günümüzde üç çeşit alkali-agrega reaksiyonu bilinmektedir. Alkali-silis reaksiyonu (ASR), alkali-karbonat reaksiyonu (ACR) ve alkali-silikat reaksiyonu. ASR, beton agregalarında bulunan reaktif silis ile betonun boşluklarında eriyik halde bulunan hidroksil iyonlarının reaksiyonudur. Bu reaksiyon, betonda nem etkisiyle genleşen bir jelin oluşmasına neden olur. 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 (Swamy, 1994). ACR, dolomitik kireçtaşları ile betonun boşluk çözeltisindeki metal hidroksitlerin reaksiyonu olarak tanımlanmaktadır. Alkali-silikat reaksiyonu, alkali-silis reaksiyonuna nazaran daha yavaş gelişen bir reaksiyon olup grovak, filit veya argilit gibi kayaçların betonun boşluk çözeltisindeki metal hidroksitleri ile reaksiyonu olarak tanımlanmaktadır. Bu reaksiyonlar arasında en yaygın olarak görüleni ASR olup araştırmacıların dikkatini en fazla çeken reaksiyon tipidir (Hobbs, 1988). Yüksek alkali içeren betonlarda agreganın iyi bir performans gösterdiğine dair uzun süreli gözlemlere dayanan sonuçlar varsa reaktivite tespiti için ayrıca deney yapmaya gerek yoktur. Aksi durumda, agreganın veya belirli agrega-çimento kombinasyonlarının zararlı alkalisilis reaksiyonu gösterip göstermeyeceğinin tespiti için deneyler yapmak gerekmektedir. Alkali-silis reaktivitesi hakkında günümüzde hala uluslararası kabul görmüş bir veya birkaç standart deney yöntemi bulunmamaktadır. Ülkeler, kendilerine en uygun deney metotlarını seçerek uygulamaktadır. Şantiye performansı, agregaların reaktivitesi hakkında belirleyici bir gösterge olmasına rağmen aşağıdaki sebeplerden dolayı kesin bir fikir veremeyebilir:

16 16 Üzerinde çalışılan agregalarla inşa edilmiş limitli sayıda, istenilen yaşta ve belirli şiddette etkiye maruz kalmış yapının bulunması veya yapılarda kullanılan agregalar hakkında yeterli bilginin bulunmaması, ASR nu etkileyen çimento miktarı, çimentonun alkalinitesi, ve kür koşulları gibi diğer faktörler hakkında yeterli bilginin olmayışı, Nem, donma-çözünme, ıslanma-kuruma, deniz suyu ve buz çözücü tuzlar gibi dış etkilerin bir yapıdan diğerine farklılık göstermesi, Aradan geçen zaman süresince kullanılan agregaların kazı seviyesi ve lokasyonu gibi jeolojik faktörlerdeki; patlatma, kırma, yıkama, eleme gibi teknik faktörlerdeki değişimlerin meydana gelmesi. Bu sebeplerden dolayı, agregaların ASR yönünden değerlendirilmesinin tüm agregaların benzer koşullara maruz kaldığı laboratuvar deneyleriyle mümkün olabileceğini belirtilmiştir (Bérubé ve Fournier, 1992). Özellikle günümüzde kullanım alanları oldukça artan mineral ve kimyasal katkıların ASR üzerindeki arttırıcı veya azaltıcı etkisinin de laboratuvar deneyleriyle araştırılması önem taşımaktadır. Mineral katkıların çoğunun ASR üzerinde azaltıcı etkisinin bulunduğunun bilinmesine karşılık hangi oranlarda kullanıldığı takdirde betonun toplam performansını olumlu yönde etkileyeceği deneylerle araştırılmalıdır. ASR üzerindeki araştırmalar, bazı kimyasal katkıların da ASR etkisini gidermede kullanılabileceğini göstermektedir. Son yıllarda, özellikle lityum tuzları üzerinde çalışmalar artmıştır. Laboratuvar deneylerin bazılarında reaksiyon, anormal yüksek çimento içeriğiyle, alkali eklemeyle veya yüksek sıcaklıklarda test edilerek hızlandırılmaktadır. Test metotları, bu sebeple iki ana faktör göz önüne alınarak değerlendirilmelidir. Birincisi, bu tür anormal koşullarda bazı silisli bileşenler normal koşullarda olduğundan çok farklı hızlarda reaksiyona girebilir. İkincisi, reaksiyonun fiziksel etkileri çok farklı olabilir. Bu deneyler ancak, şantiye koşullarıyla veya normal şartlarda kürlenen numuneler üzerinde yapılan deneylerle karşılaştırıldığında anlamlı sonuçlara götürebilir.

17 17 Alkali agrega reaktivitesinin tespitinde kullanılan deney metotları ülkeden ülkeye farklılık göstermektedir. Bunların sebepleri arasında farklı ülkelerde beton üretiminde kullanılan agregaların petrografik özeliklerinin değişmesinin yanısıra her ülkede kendine özgü geliştirilen farklı deney metotlarının bulunmasıdır. Son yıllarda özellikle harç ve beton numunelerinin hızlandırılmış koşullarda (alkali eklenerek, ortam sıcaklığını arttırılarak) kürlenmesi ve belirli bir periyot sonunda genleşme değerlerinin ölçülmesine yönelik deney metotlarının standartlaştırılması konusunda bir eğilim vardır. Yine de genel itibariyle bu deney metotlarının sınır genleşme değerleri söz konusu yapının tipine ve/veya kullanılacak agreganın petrografik özeliğine (veya reaktivite derecesine) göre değişiklik gösterebilmektedir. Örneğin, bazı standartlarda baraj ve nükleer santraller gibi yapılarda daha düşük genleşme değerleri baz alınmaktadır, bazılarında ise farklı agrega tipleri için farklı genleşme limitleri önerilmektedir. 1.1 Amaç ve Kapsam Bu çalışmanın amacı, ikisi hızlandırılmış olmak üzere üç farklı deney metodunun (ASTM C1260, ASTM C1293 ve beton mikrobar testi), hem İzmir yöresindeki agregaların reaktivite potansiyelini belirlemedeki davranışını kıyaslamak hem de bu yöredeki mineral katkı kaynakları ile reaktivite sonucu oluşan genleşmeleri azalttığı bilinen lityum tuzlarının ASR üzerindeki etkilerini belirlemede karşılaştırmalı olarak incelemektir. TS 2517 kimyasal metodu (ASTM C289), Karayolları 2. Bölge Müdürlüğü ve Japon Jica firmasının yaptığı araştırmaya göre bu yörede kullanılan agregaların reaktivitesini belirlemede etkin değildir (Katayama, 1996). Pek çok araştırmacı, beton ve harç numuneleri üzerinde yapılan genleşme değerlerinin daha rasyonel sonuçlar verdiğinde hemfikirdir. Çalışma kapsamında, öncelikle İzmir yöresinde sıklıkla kullanılan ve reaktivite potansiyeli olduğu düşünülen agregalardan standart yöntemlerle örnekler alınmıştır. Daha sonra yine bu örnekler üzerinde kısa süreli deneyler olan hızlandırılmış harç çubuğu deneyi eleme amaçlı uygulanmıştır. Bu yöntemlerle reaktif olduğu belirlenen iki tip agrega seçilerek öncelikle bunların mineralojik sınıflandırılması yapılmıştır.

18 18 Daha sonra, adı geçen üç deney yöntemi ile katkıların etkinliği kıyaslanmıştır. Tüm yöntemlerde katkı içermeyen kontrol numunelerinin yanısıra üç çeşit mineral katkı (uçucu kül, tras ve doğal zeolit tozu) ile üç çeşit kimyasal katkı (lityum karbonat, lityum florid ve lityum nitrat) farklı oranlarda kullanılmıştır. Kısa süreli deney yöntemleri bu konuda da eleme amaçlı kullanılmıştır. Kısa süreli yöntemlerde mineral katkılar için kütlece çimento yerine %5, %10, %15, %20 ve %30 olmak üzere beş farklı oranda karışımlar hazırlanmıştır. Lityum tuzları çimentonun kütlece %0.5, %0.75, %1, %2 ve %3 oranlarında kullanılmıştır. Kısa süreli deney yöntemlerinde katkıların etkin olduğu miktarlar belirlenerek tespit edilen üç farklı oranda katkı içeren karışımlara beton prizma metodu uygulanmıştır. Kısa süreli deneylerin eleme amaçlı kullanılmasının yanısıra bu deneyler ileri yaşlara (56 güne) kadar uzatılarak agregaların genleşme eğilimleri belirlenmiştir. Kısa süreli deneylerin sonucunda seçilen örnekler üzerinde uygulanan beton prizma deneyinde kullanılan çimentonun alkali içeriği de etkili olduğundan çimentonun alkalinitesini sabit tutma ve standartta öngörülen %1.25 eşdeğer Na 2 O değerine yükseltme gibi iki farklı durum da incelenmiştir. Kısa süreli metotlardan biri olan beton mikrobar deneyi henüz standartlaştırılmamış olup ileri araştırmalara açıktır. Bu yöntemin geliştirilmesi amacıyla farklı agrega gradasyonları kullanılarak elde edilen genleşmeler karşılaştırılmıştır. Ayrıca beton prizma yöntemi ile su/çimento oranının değişimi durumundaki etki incelenmiştir. Çalışmanın sonunda, hızlandırılmış harç çubuğu yöntemi ile elde edilen ASR ürünlerinin morfolojik özelikleri ile kimyasal kompozisyonu incelenmiştir.

19 19 2. ALKALİ AGREGA REAKSİYONU (AAR) 2.1 Tarihçe 1920 ve 1930 larda Amerika Kaliforniya da yapım tekniklerine ve standartlara uygun olarak inşa edilmiş ve malzemelerin kalite kontrolü uygun olarak yapılmış bazı beton yapılarda kısa bir süre sonra şiddetli çatlaklar gözlemlenmiştir. Bu yapılarda oluşan hasarların asıl sebebinin betonun ana bileşenleri arasında oluşan alkali-agrega reaksiyonu olduğu 1940 larda Stanton tarafından kanıtlanmıştır. Stanton un deneysel çalışmaları, hasarın sebebinin opal agrega ve yüksek alkalin çimentonun bir araya gelerek oluşturduğu genleşmeler olduğunu göstermiştir. Stanton un çalışmasının yayınlanmasından kısa süre sonra 1941 yılında Blanks (1941) ve Meissner (1941), Parker barajının betonunda oluşan çatlak ve bozulmaları incelemiştir. Araştırmacılar, betonda alkali silis reaksiyonu ürünü bulunduğunu ve reaktif bileşenlerin toplam agreganın %2 sini oluşturan altere andezit ve riyolit parçaları olduğunu belirtmiştir yılında alkali-agrega reaktivitesi konusunda faaliyet gösteren araştırmacıların katıldığı uluslararası toplantılardan ilki Danimarka da yapılmıştır. Ardından pek çok araştırmacının yayınlarının derlendiği konferanslar sırasıyla İzlanda (1975), İngiltere (1976), Amerika (1978), Güney Afrika (1981), Danimarka (1983), Kanada (1986), Japonya (1989), Londra (1992), Avusturalya (1996), Kanada (2000) ve Çin de (2004) düzenlenmiştir. Ülkemizde, ASR'nun ilk hasarları, Karayolları 2. Bölge Müdürlüğü köprü mühendislerinin ön incelemeleri sırasında İzmir yöresindeki birçok köprüde geniş çatlakların gözlenmesi ile ortaya çıkmıştır yılında, TC Karayolu Köprülerinin Korunması ve İyileştirilmesi Çalışmaları projesi kapsamında, İzmir yöresinde hasar gören 5 köprünün (Naldöken, Turgutlu, Buca, Hilal II, Turan) inceleme çalışmaları Japon Jica firmasınca üstlenilmiştir. Bu çalışmalar sonucunda, beton üretiminde kullanılan özellikle Gediz ve Nif nehri yatak ve teraslarındaki doğal kumların içerdiği reaktif silislerin (camsı riyolit, camsı riyolitik tüf ve çört) ASR'na yol açtığı anlaşılmıştır. Bu durumda, Gediz ve Nif nehirleri yatak ve teraslarındaki doğal kumun kullanılmaması prensibi benimsenmiştir (Katayama, 1996).

20 20 Katayama (2000), İzmir ve yöresindeki hasar görmüş köprülerden alınan karotlar ve bu betonda kullanılan agrega ile yaptığı araştırmasını 2000 yılındaki 11. Uluslararası Alkali Agrega Reaksiyonu konferansında sunmuştur. Bu çalışma, İzmir yöresinde konu ile ilgilenen diğer araştırmacılara ışık tutan ilk örnek niteliğindedir. Şekil 1.1 de Katayama nın hızlandırılmış harç çubuğu metodu (CSA A A, Kanada metodu) uyguladığı agrega örneklerinin genleşme-zaman grafikleri görülmektedir. Bu örnekler arasında en reaktif olanı Gediz Nehri, Ahmetli yöresine ait %10 camsı riyolit ve dasit içeren agregadır. ASTM C289 kimyasal metot, bu agregaların reaktivitesini belirlemede yetersiz kalmıştır. Hasarlı karayolu köprülerinden (Buca, Turan, Turgutlu, Naldöken, Hilal 2) alınan karot örnekleri önce 2 saat boyunca 80 o C fırında tutularak termal genleşmeleri belirlenmiştir. Devamında 80 o C, 1M, NaOH çözeltisinde 28 gün boyunca kürlenmiştir. Karot örneklerinin genleşme-zaman grafikleri ise Şekil 1.2 de görülmektedir. Söz konusu betonların toplam alkali içeriği, agregadan gelen alkali ile birlikte kg/m 3 arasında hesaplanmıştır. Katayama (2000) bildirisinin sonucunda hızlandırılmış harç çubuğu metodu ile petrografik analiz yönteminin birlikte kullanılmasının bölgedeki agreganın reaktivitesini belirlemede etkili olduğunu belirtmiştir. Şekil 1.1 İzmir yöresi agregalarının 14-günlük hızlandırılmış harç çubuğu genleşmeleri (Katayama, 2000)

21 21 Şekil 1.2 İzmir yöresi hasarlı köprülerden alınan karot örneklerinin 28-günlük genleşmeleri (Katayama, 2000) Son yıllarda ülkemizde ASR hasarlarının betonda oluşmadan önce önlenmesine yönelik araştırmalar önem kazanmıştır. Hızlandırılmış harç çubuğu metodu uygulanarak reaktif olduğu belirlenen agreganın çeşitli mineral katkılar veya bunların kombinasyonları ile lityum tuzları kullanımının ASR genleşmelerine etkisi incelenmiştir (Tosun, 2001, Andiç, 2002, Musal 2003). Türk standartlarında konu ile ilgili tek standart olan Alkali-Agrega Reaktivitesinin Kimyasal Yolla Tayini-TS 2517 İzmir yöresindeki agreganın reaktivitesini ölçmede yetersiz kalmaktadır (Katayama, 1996). 2.2 Alkali- Karbonat Reaksiyonu Bazı dolomitik kayaçların çimento alkalileri ile oluşturduğu reaksiyonlara alkali karbonat reaksiyonu (ACR) adı verilmektedir. Reaktif kayaçlar çoğunlukla ince taneli kalsit ve kil matrisi içinde dağılmış daha büyük rombik (eşkenar dörtgen) dolomit kristalleri içerir. Kalsit, kalsiyum karbonatın mineral formlarından biridir; dolomit ise kalsiyum-magnezyum karbonatın genel adıdır. Reaktif kayacın matrisinde bulunan dolomit kristalleri seyrek olarak dağılmış veya birbirine daha yakın veya değmekte olan daha kalabalık halde yer alabilmektedir. Seyrek halde bulunan kristallerin çoğu düzgün kristal

22 22 şekline sahip olup diğerleri genellikle daha düzensiz kristal geometriye sahiptir. Bu kristallerin ortalama boyutu µm olup en büyükleri yaklaşık µm kadardır. Dolomit kristallerinin yer aldığı matriste, kalsitin boyutu yaklaşık 2-6 µm arasında olup kil parçacıkları daha küçüktür. Bu matriste çoğu zaman silt boyutunda kuvars taneleri de dağılmış olarak yer almaktadır. Bu karakteristiğe sahip karbonat kayacı bir kireçtaşı yatağında önemli miktarda olabildiği gibi az miktarda da bulunabilir. Bazı durumlarda bir kireçtaşı yatağında bahsedilen karakteristikte damarlar bulunabilir (Swamy, 1992; Ozol, 1994, ACI Committee, 1998). ACR oluşumu, ASR kadar sıklıkla görülmemektedir. Bunun bir sebebi bu reaksiyona yatkın agregaların betonda dayanım gibi diğer faktörler sebebiyle çok fazla kullanılmamasıdır. Diğer bir sebebi ise ACR na yol açabilecek karakteristikteki kayaçların jeolojik olarak yaygın olmamasıdır. Alkali karbonat reaksiyonu ilk olarak 1957 yılında Swenson tarafından tariflenmiştir. Swenson (1957), Ontario da bazı beton kaldırımlarda yapımından altı ay sonra fazla miktarda genleşme sebebiyle derzlerde kapanma ve çatlamalar gözlemlemiştir. Swenson, oluşan reaksiyonun alkali silis reaksiyonundan farklı olarak killi kalsitik dolomit agregası ile çimento alkalileri arasında meydana geldiğini fark etmiştir. Bu orijinal araştırmadan sonra dünyanın farklı ülkelerinde de benzer sorunların yaşandığı bildirilmiştir. Alkali karbonat reaksiyonunun farklı çeşitleri olup bunların hepsi zararlı değildir. Reaksiyon halkasının ve oluşan ürünlerin çeşidine göre bunlar üç ana grupta toplanabilir: a) Kalsitik kireçtaşları ile karbonat reaksiyonları. Kireçtaşı agrega parçalarının etrafında koyu renkte reaksiyon halkası oluşur. Bu halkalar parçacığın içine kıyasla hidroklorik asitte daha hızlı çözünür. b) Agregada belirgin reaksiyon halkası oluşumu ile karakterize edilebilen dolomitik kireçtaşı reaksiyonları. c) İç yapısında kalsit ve kil barındıran ince taneli dolomitik kireçtaşlarının reaksiyonları. Alkalilerle reaksiyon, belirgin bir dolomitsizleşme halkası oluşturur. Reaksiyona uğrayan ürünlerin sulandırılmış hidroklorik asit ile yıkanması sonucunda çoğunlukla silisçe zengin belirgin reaksiyon halkası açığa çıkar.

23 23 Sadece üçüncü tip reaksiyon (c) sonucunda önemli genleşme ve hasar belirlenmiştir. Tam olarak açıklanamamış olsa da, Gillot (1975) agrega parçacıklarının içindeki kristallerin dolomitsizleşmesinin kanalları açtığını ve bu sayede önceden kuru olan kilin nemi emerek şişmesinin genleşmeye yol açtığını öne sürmüştür. Reaksiyon, dolomitsizleşme ile brusitin [Mg(OH) 2 ] oluşması ve devamında alkali hidroksitin oluşması şeklinde Denklem 1.1 ve 1.2 deki gibi iki aşamada devam eder; CaMg(CO 3 ) 2 + 2ROH = Mg(OH) 2 + CaCO 3 + R 2 CO 3 (1.1) R 2 CO 3 + Ca(OH) 2 = 2ROH + CaCO 3 (1.2) Burada R, sodyum, potasyum veya lityumu temsil etmektedir (Swamy, 1992; Ozol, 1994; ACI Committee 221, 1998). Aşağıdaki karaktere sahip agregaların ACR potansiyeline sahip olabileceği belirtilmektedir (Farny ve Kosmatka,1997; Ozol, 1994); kil içeriği veya çözünmeyen kalıntı miktarı %5 ile %25 arasında olan, kalsit/dolomit oranı yaklaşık 1:1 olan, dolomit hacmi, doku kenetlenmesini engelleyici bir faktör haline gelene kadar artmış olan, kil matris içerisinde dağınık halde küçük boyutlu dolomit kristalleri bulunan, Mozaik dokuya sahip dolomitlerin genellikle iyi durabiliteye sahip olduğu belirtilmektedir (Poole ve Sotiropoulos, 1980). Ancak, Guangren vd. (2001), mozaik dokulu dolomitlerin killi dolomitler kadar hızlı olmasa da ACR genleşmesi gösterebildiğini belirtmiştir. Bu yorumu yaparken çalışmalarını, otoklavda 150 o C de 78 saat beklettikleri alkali seviyesi KOH eklenerek %1.5 Na 2 O eşd e yükseltilmiş beton mikrobarlar üzerinde (20x20x60 mm) yaptıklarını göz önünde tutmakta yarar vardır. Standart otoklav deneyleri 6 saatlik sonuçlara göre yorumlanır. Çalışmacıların bu kadar şiddetli koşullarda kürledikleri dolomitli karışımların gerçek koşullarda aynı şekilde davranacakları belirsizdir. ACR genleşmesi, alkali iyonları ve su moleküllerinin dolomit kristalini çevreleyen ince taneli alana göçmesi ile oluşur. Özellikle

24 24 kristalize hale gelirken basınç yaratan bu ürünlerin kristalin içine göçü, dolomitsizleşme ürünlerinin büyümesi ve yeniden düzenlenmesi genleşme yaratır (Farny ve Kosmatka, 1997; Tang vd 1991). Arta kalan kalsit iskeleti tarafından desteklenen dolomit kristalleri orijinal boyutlarını korur. Ancak, orijinal dolomit kristalinin MgCO 3 içeriği, kristalin çevresinde paralel tabakalar halinde birikmiş olan brusite dönüşür. Brusit tabakalarıyla birlikte kristal, artık daha fazla yer kaplar ve oluşturduğu genleşme kuvveti ile kaba agrega danesini çatlatır (Ozol, 1994, ACI Commitee, 1998). Kayacın dokusundaki kil minerallerinin rolü, kayacın yapısal iskeletini bozarak dolomit kristallerine mekanik olarak patika açmaktır. Dolayısıyla, karbonat matrisini zayıflatarak genleşmeye yol açar. ACR nda kilin kimyasal bir etkisi olmayıp dolomitsizleşme oluşurken genleşmenin artışına mekanik olarak yardımcı olmaktadır (Ozol, 1994). Agreganın maksimum dane boyutu da ACR reaksiyonunu etkileyen faktörler arasındadır. D max azaldıkça oluşan reaksiyonun şiddeti ve hızı da azalmaktadır. ACR aynı zamanda boşluk çözeltisi alkalinitesinden de etkilenmektedir. Düşük ph lı bir boşluk çözeltisinde bile ACR oluşabilir. Ancak, boşluk çözeltisi alkalinitesi arttıkça ACR potansiyeli de artmaktadır. ACR esnasında, portland çimentosu hidratasyonu sonucu oluşan kalsiyum hidroksit, sodyum karbonatla birleşerek daha fazla sodyum hidroksit ve kalsiyum karbonat oluşturur. Bu reaksiyon sadece ortamdaki alkalileri arttırmakla kalmaz aynı zamanda karbonat iyon konsantrasyonunu azaltarak dolomitsizleşme reaksiyonunu da tetikler. Bu sebeple, düşük alkalili çimento kullanımı veya çok yüksek miktarlarda bile olsa mineral katkı kullanımı ACR nu kabul edilebilir sınırların altına düşüremez (Farny ve Kosmatka, 1997). Serbest olarak genleşmesine izin verilen reaktif karbonat kayaçların genleşmeleri, deneysel olarak veya beton içine yerleştirme suretiyle genleşmeleri engellenen kayaçlardan daha fazladır (Ozol, 1994). Aşağıdaki faktörler betonun ACR genleşmelerini arttırmaktadır; 1. Kaba agreganın boyutunun artması, 2. Ortamda nemin bulunması,

25 25 3. Ortam sıcaklığının artışı, 4. Beton alkali içeriğinin ve boşluk çözeltisi ph ının yüksek olması 5. Kaba agrega içerisinde reaktif faz miktarının yüksek olması, 6. Beton dayanımının düşük olması. ASTM C295 Beton Agregalarının Petrografik Analizi standardına göre potansiyel zararlı alkali karbonat reaktivitesi gösteren kayaçlar genellikle kalkerli dolomitler ile killi çözünmeyen kalıntıya sahip dolomitik kireçtaşlarıdır. Kil bulundurmayan ve çözünmeyen kalıntısı az olan (çoğunlukla kuvars olan) ince taneli kireçtaşları alkali karbonat reaktivitesi gösterebilir, fakat bu reaksiyonlar genellikle zararsızdır. ASTM C 586 Kaya Silindir Metodu, karbonatlı kayaçların genleşme karakteristiklerini ölçen bir test metodudur. 35 mm uzunluğunda ve 9 mm çapında küçük bir kaya silindir örneği oda sıcaklığında alkali (1 N NaOH) çözeltisine batırılır. Örneğin boyundaki uzamalar, bir sene veya daha fazla ölçülür. Genellikle genleşme eğilimi bir ay içerisinde kendini gösterir. 28-günlük genleşmesi %0.10 veya daha fazla olan örnekler, normal servis koşullarında zararlı genleşme gösterebilir. Bazı araştırmacılar (Newlon vd, 1972; Ryell vd, 1974, Ozol, 1975), kaya silindirin genleşmeden önce bir miktar büzüldüğünü göz önüne alarak 16 hafta sonucunda %0.20 genleşme limitini önermiştir. Bu deney yönteminin pek çok dezavantajları vardır. Özellikle kayacı temsil eden örnek elde etmek zordur ve deney süresi uzundur. Kayacın doğasındaki değişiklikler, deneyde serbest genleşmeye izin verilip verilmediği (beton içerisinde genleşme kısıtlandırılmıştır) gibi değişkenler deney sonuçlarını etkiler. Agreganın genleşme karakteri bu yöntemle tahminlenebilir. Ancak betonun genleşmesi, su/çimento oranı, bağlayıcı malzeme içeriği ve betonun alkalinitesi gibi diğer faktörlere de bağlı olduğundan, ASTM C 586 deneyi agreganın kullanılabilirliği hakkında tek başına karar verebilecek bir deney yöntemi değildir. (Farny ve Kosmatka, 1997; Ozol, 1994) ASTM C 1105, alkali karbonat reakivitesinin ölçümü için kullanılan beton prizma deneyi olup en güvenilir deney yöntemidir.

26 26 Agrega ve sahada kullanılacak olan çimentodan (veya Tip I veya Tip II çimentodan) 6 adet beton prizma örneği dökülür. Deneyin 1 sene sürmesi idealdir, ancak süre kısıtlı olduğunda 3 veya 6 aylık genleşme sonuçları da karar vermede kullanılabilir. Bir yıllık deney süresi sonunda %0.030, 6 ayda %0.025 veya 3 ayda %0.015 genleşme görülmesi agreganın potansiyel olarak karbonat reaktivitesi gösterebileceğinin işaretidir. Bu deney sadece agreganın reaktivitesi hakkında fikir vermez, aynı zamanda çimento-agrega kombinasyonunun davranışı hakkında da karar vermeyi sağlar. Ancak, deneyin uzun sürmesi dezavantajıdır. Bu deneye tabi tutulan agreganın ASTM C295 e göre petrografik analizinin yapılması veya ASTM C586 deneyinin uygulanması da gerekir. Bu deney yöntemi Kanada standartlarında CSA A A adıyla yer almaktadır. ASTM C 1105 ile benzer numune boyutları ve kür şartları kullanılmasına rağmen, Kanada versiyonunda çimentonun alkali seviyesinin daha yüksek tutulması, şartları ağırlaştırmaktadır. Kanada standardı genleşme limitleri 3 ay için %0.010 ve bir yıl için %0.025 olarak kabul edilmiştir. Bu sebeple ASTM standardına göre reaktif olmayan agregaların Kanada standardı ile reaktif olarak tespiti mümkündür (Farny ve Kosmatka, 1997). Beton prizma deneyinde 1 yıl sonunda %0.1 genleşme gösteren tipik karbonat reaktif bir agrega, kaya silindir metoduna göre dört hafta sonunda %0.5 genleşme göstermektedir (Farny ve Kosmatka, 1997). Reaktif olan ve olmayan kireçtaşları üzerinde Rogers (1986) ın kaya silindir ve beton prizma genleşme deneyleri uygulayarak yaptığı geniş çaplı araştırma sonucunda potansiyel karbonat reaktivitesine sahip agregaların belirgin kimyasal özelikleri olduğu gözlemlenmiştir. Araştırmacı, agregaların CaO/MgO oranları ile sırasıyla Al 2 O 3 miktarı ile çözünmeyen kalıntı miktarları arasında bağıntı olduğunu belirlemiştir (Şekil 1.3 ve 1.4). Bu araştırmanın sonuçları daha sonra Kanada Ulaştırma ve Haberleşme Bakanlığı araştırmacıları tarafından standart bir kimyasal metot geliştirmek amacıyla kullanılmıştır.

27 27 Şekil 1.3 Agregaların CaO/MgO Al 2 O 3 bağıntısı (Rogers, 1986) Çözünmeyen Kalıntı (%) Şekil 1.4 Agregaların CaO/MgO çözünmeyen kalıntı bağıntısı (Rogers, 1986)

28 28 ACR na uğrayan saha betonlarında reaksiyonu tanımlayabilecek kesin bir özellik veya çatlak geometrisi yoktur. Meydana gelen çatlaklar, betonun oluşan içsel gerilmelere verdiği tepki niteliğinde olup elemanın şekli ve nem durumuna bağlı olarak değişkenlik gösterebilir. Öngerme veya sonradan germe uygulanan elemanlarda çatlaklar bu gerilme kuvvetlerine paralel olarak yer alır. Betonda uygulanan petrografik analiz ile çatlakların sebebinin ACR na bağlı olup olmadığı anlaşılabilir (Ozol, 1994). Ancak, mikroskobik incelemede ASR da olduğu gibi reaksiyon ürünü jele rastlanmamaktadır. Bunun yerine dolomitsizleşme reaksiyonu sonucu oluşan brusit ve kalsit gözlenebilir (ACI Commitee 221, 1998). ASR ve ACR çatlakları kıyaslandığında, betonda oluşan ASR çatlakları iki şekilde elemana hasar vermektedir; a) agrega parçalarının içsel çatlamaları ve bu çatlakların harç ve hamura doğru uzanması, b) ASR jelinin göçü ve devamında genleşmesi sonucunda mevcut çatlakların uzamaları. ACR hasarının asıl sebebi ise reaktif kaba agrega içinde oluşan çatlakların harç ve hamura doğru ilerlemesidir (Ozol, 1994). Yapıda genleşme meydana geldikten sonra ACR nun durdurulması mümkün olmadığından önceden önlemlerin alınması gereklidir. Bu amaçla, agreganın ocaktan çıkarılırken reaktif kısmının seçilerek ayrılması veya reaktif olmayan bir kısım agrega ile karıştırılarak kullanılması mümkündür. Agreganın maksimum tane boyutunun pratik sınırlarda mümkün olduğunca küçük tutulması da ACR genleşmelerini azaltacaktır. Her üç durumda da beton prizma deneyi ile genleşmelerin limitlerin altında olduğunun belirlenmesi gereklidir. Standartlar eşdeğer Na 2 O içeriğinin %0.40 ün altında olan düşük alkalin çimento kullanımı ile ACR genleşmelerini önleyecek düşük alkalin beton boşluk suyu oluşacağını belirtmektedir. Buna rağmen, reaksiyonun kimyası sebebiyle alkaliler tükenmemekte, aksine tekrar meydana gelmektedir. Çimento alkalileri agregalarla bir seri reaksiyona girerek tekrar açığa çıkmakta ve ortamdaki agregayla tekrar reaksiyona girebilmektedir. ACR söz konusu olduğunda çimento alkalinitesi yerine beton alkalinitesinin sınırlandırılması ve beton alkalinitesinin mümkün oldukça düşük tutulması önerilmektedir. Mineral katkıların kullanımı, ACR kontrolünde çok etkili bir yöntem değildir. Puzolanlar alkalilerle reaksiyona girerek

29 29 onları bağlar, ancak ACR çok düşük alkali seviyelerinde bile başlayabildiği için puzolanlar, alkali miktarını reaksiyonu durduracak seviyeye düşüremez. Puzolanlar, betonun gözenekliliğini de düşürerek reaksiyon için gerekli olan nemin beton içerisine girişini sınırlar. Bu nedenle ACR nu önlemek için gerekli puzolan miktarı çok fazla olacaktır, dolayısıyla ACR kontrolü için puzolan kullanımı pratik değildir. (Farny ve Kosmatka, 1997) 2.3 Alkali-Silikat Reaksiyonu Alkali silikat reaksiyonu, argilit ve grovak agrega içeren alkalice zengin betonlarda görülmektedir. Bu tip kayaçların alkalilerle reaksiyonu yavaştır ve tam olarak anlaşılmamıştır. Bu agregaların içerisindeki silikat mineralleri genleşerek betonda hasar meydana getirir. Her bir kayaç parçasının genleşmesi, bu kayaçların mikrokristalin kısımlarının içerisinde yer alan ve önceden kuru olan alüminosilikat yüzeylerinin su alması ile meydana gelir. Genleşme ile mikrokristalin malzemenin miktarı ve porozite arasında doğru orantı bulunmaktadır (Grattan-Bellew, 1978). Bu reaksiyon alkali karbonat ve alkali silis reaksiyonlarına kıyasla daha nadir görülmektedir (Hobbs, 1988). 2.4 Alkali-Silis Reaksiyonu (ASR) ASR, agregalardaki reaktif silis ile beton boşluk çözeltisindeki hidroksil iyonları arasında meydana gelen ve çimento alkalilerinin katkısıyla oluşan jelin su emerek genleşmesi sonucunda betonda hasar meydana getiren reaksiyon olarak tanımlanabilir. Reaksiyon kimyası, etkileyen faktörler ve betonda meydana getireceği hasarlar, bu çalışmanın üçüncü bölümünde ayrıntılarıyla işlenmiştir.

30 30 3. ALKALİ-SİLİS REAKSİYONU (ASR) 3.1 ASR Kimyası Çimento hamuru boşluk çözeltisi Çimento hidratasyonunun ilk aşamalarında sıvı faz, katı faza kıyasla daha baskındır ve katı fazın etrafında devamlılığı vardır. Diğer bir deyişle, katı fazdaki parçacıkları ıslatır. Ancak, hidratasyon devam ettikçe sıvı faz azalmakta ve yerini jelsi C-S-H ve C-H gibi hidratasyon ürünlerine bırakmaktadır. Dolayısıyla sıvı fazın devamlılığı azalır. Çimento hamurunun kendisi de esasen boşluklu yapıya sahiptir. Hidrate hamurda boşluk çözeltisi adı verilen sıvı fazın yerleşebileceği yeterince yer bulunmaktadır. Hava sürüklenmemiş ve düşük su/çimento oranına sahip çimento hamuru, az boşluklu olup boşlukların çapı 1-2 µm arasında değişmektedir (Glasser, 1992). Portland çimentosunun hidratasyonu sonucu oluşan betonun boşluk çözeltisi, sodyum (Na + ), potasyum (K + ), kalsiyum (Ca + ) ve hidroksil (OH - ) iyonları içermektedir. Sodyum, potasyum ve hidroksil iyonlarının boşluk suyundaki konsantrasyonu, hidrate olmamış portland çimentosundaki miktarlarına bağlıdır. Düşük alkalili çimentodan üretilen betonun, boşluk suyu ph ı 12.7 ile 13.1 arasında değişirken, yüksek alkalili çimentodan üretilen betonlarda boşluk suyunun ph ı 13.5 ile 13.9 arasında değişebilmektedir. Bu da yüksek alkalili çimentodan üretilen betonun boşluk suyundaki hidroksil iyon konsantrasyonunun, düşük alkalili çimentodan üretilen betonun 10 katı kadar olduğu sonucunu doğurmaktadır. Reaktif agrega üzerinde zararlı etki gösteren, betonun boşluk suyundaki yüksek hidroksil iyonu konsantrasyonudur (Hobbs, 1988). Boşluk çözeltisi kimyasını araştırmak için farklı yöntemler bulunmaktadır. Bunların en basiti, sentetik kalsiyum silikatlar, alüminatlar vs. hazırlayarak bunları ayrı ayrı veya bilinen oranlarda fazla miktarda suyun içerisinde karıştırmak ve belirli zamanlarda filtre etmek suretiyle kimyasal analizini gerçekleştirmektir. Bu işlem, sistemin kimyasal olarak iyi bir şekilde belirlenmesini sağlasa da, bu tür taklitler,

31 31 basit kimyalarından dolayı gerçek çimentonun özeliklerini iyi bir şekilde simüle edemezler (Glasser, 1992). Diğer bir yöntem ise gerçek çimento kullanılması, belirli bir su/çimento oranına sahip hamurun sertleşip belirli olgunluğa erişmesi beklendikten sonra kırılarak boşluk çözeltisinin su yardımıyla süzülüp incelenmesidir. Elde edilen çözelti filtrelenerek analiz edilir. Bu işlemin dezavantajı, filtre edilen çözeltinin kompozisyonunun filtre suyunun miktarına bağlı olması ve bu işlem için gereğinden fazla miktarda su kullanılması halinde elde edilen sonuçların gerçeği yansıtmamasıdır (Glasser, 1992). Boşluk sıvısını incelemede kullanılan metotlar arasında belki de en başarılı ve kesin sonuç veren yöntem, gerçek bir çimento hamurundan boşluk çözeltisinin yüksek basınç altında süzülerek çıkartılması yöntemidir. Bu yöntem hakkındaki sorgular ise çıkarılan boşluk sıvısının genellikle daha büyük olan boşluklardan elde edildiğine dayanmaktadır. Bu da, elde edilen analizin daha küçük boşluklarda yer alan boşluk çözeltisini temsil edip etmediği sorusunu gündeme getirmiştir (Glasser, 1992). Boşluk çözeltisinin alkali silis reaksiyonundaki önemi, hem hidratasyon ürünleri ile hem de agrega parçacıkları ile yakın temas halinde olması ve iyon taşınmasında ana etmen olarak yer almasıdır (Glasser, 1992) ASR oluşum mekanizması Bir agrega yüzeyi ile temas halinde olan boşluk çözeltisi ve çimento hidratasyon ürünleri Şekil 3.1 de şematize edilmiştir. 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 (Glasser, 1992). Suyun içine batırılmış bir silis taneciğinin yüzeyi, artan yüzey alanı ve düzensizliğe bağlı olarak artış gösteren zayıf

32 32 bir asidik karakterdedir. Silisin özü Si atomuna bağlı 4 oksijen atomundan oluşan silis dörtyüzlüsüdür (tetrahedri). Oksijen atomları bir valansları ile silisyuma bağlı kaldıklarından diğer valansları serbesttir, böylece silis dörtyüzlüsünün serbest dört negatif bağı mevcuttur. Şekil 3.1 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 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 (Glasser, 1992). Şekil 3.1 Agrega yüzeyi ile temas halinde olan boşluk çözeltisi ve çimento hidratasyon ürünleri (Glasser, 1992)

33 33 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 3.1 ve 3.2 de idealize edildiği gibi oluştuğu varsayılır: 4SiO 2 + 2NaOH = Na 2 Si 4 O 9 + H 2 O (3.1) SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + H 2 O (3.2) Ancak, alkali silis reaksiyonu jelinin kimyasal kompozisyonu oldukça değişkendir. Vivian ın araştırmaları (1951) reaksiyon için önemli olanın hidroksil iyon konsantrasyonu olduğunu ve alkali metal katyonlarının ancak jelin içine katıldığı durumlarda önem kazandığını ortaya çıkarmıştır. Reaksiyonun normal ortam koşullarında gelişimi ile ilgili pek çok araştırma yapılmıştır. Dent-Glasser vd ne (1979, 1981) göre, reaksiyonun ilk aşamasında yüksek ph a sahip boşluk çözeltisi, agreganın Si-O-Si bağları ile reaksiyona girerek silanol bağları oluşturur (Denklem 3.3). Si O Si + H 2 O Si OH + OH Si (3.3) 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 H 2 O molekülleri vererek =Si-O- formuna dönüşür ve su içinde dağılır (Denklem 3.4). Si OH + OH SiO + H 2 O (3.4) Negatif yüklü SiO, pozitif yüklü sodyum, potasyum ve kalsiyum iyonlarını, oluşan jelin içine çekerek denge sağlamaya çalışır. Bu olayın kimyasal açılımı Denklem 3.5 de görüldüğü şekildedir. H 0.38 SiO NaOH = Na 0.38 SiO H 2 O (3.5) Denklem 3.5 deki reaksiyonda ortamın iyon dengesi Na 2 O yardımıyla kurulmuştur. Diğer katyonlar da bu reaksiyona katılır.

34 34 Denklem 3.6 da görülen üçüncü aşamada daha fazla siloksan Si-O-Si köprüsü hasara uğrar (Glasser, 1992). Si O Si + 2OH - 2SiO + H 2 O (3.6) 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. Betonun içinden akan su etkisiyle süzülme (leaching) ve yüzeyde kalsiyum karbonat birikimi görülebilir. Çatlaklardaki jelin etrinjite (C 3 A.3CaSO 4.3H 2 O) dönüşümü ile birlikte etraftaki çimento hamurunda ikincil kaba kristalin etrinjitin ve ikincil portlanditin (Ca(OH) 2 ) oluşumu da gözlemlenmiştir. Bu tür oluşumların gözlemlendiği betonların çoğunda betonun sülfat seviyeleri normaldir. Bu durum, etrinjit oluşumunun betonda dışarıdan meydana gelen bir sülfat etkisi ile oluşmadığını, etrinjit oluşumu için gerekli sülfatın betonun içinden sağlandığını göstermektedir. Hidrate olan alkali silis jeline doğru taşınan su ile birlikte gelen sülfat iyonlarının etrinjit kristallerinin oluşumunu ve gelişimini sağladığı düşünülmektedir (Swamy, 1992) Pesimum oran Betonda maksimum genleşmeyi oluşturan, reaktif olmayan agrega içerisindeki reaktif malzeme konsantrasyonuna veya oranına pesimum oran adı verilmektedir. (Ozol, 1975; Mielenz, 1947) Ozol a göre (1975), betonun alkali içeriği için de maksimum genleşmeyi veren pesimum oran bulunmaktadır. Bu oranın altındaki veya üstündeki değerler için genleşme daha azdır (Poole, 1992). Şekil 3.2'de reaktif madde olarak %5 oranında opal içeren agreganın pesimum davranışı görülmektedir. Pesimum davranış, grafik A, B, C ve D olarak dört ayrı bölgeye ayrılarak açıklanmıştır (Hobbs, 1988). A Bölgesi: Reaktif silis miktarı düşüktür ve betonun sertleşmesinden sonra oluşan jelin hacimsel artışı çatlamaya yol açacak yoğunlukta değildir.

35 35 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. Bu davranışı gösteren agregaların pesimum oranlarının bilinmesi ve beton dizaynının bu ayrıntıya dikkat edilerek hazırlanması ile olası ASR hasarlarının azaltılması sağlanabilir. Fransada daki LCPC laboratuvarında gerçekleştirilen deneyler sonucunda opal için elde edilen pesimum reaksiyon bölgesi Şekil 3.3 de görülmektedir. Şekildeki renksiz bölge zararlı reaksiyon olasılığı olmayan kısımdır (Merriaux vd, 2003). Merriaux vd (2003), çalışmalarında Bastogne kumtaşı olarak bilinen, kimyasal ve mineralojik açıdan incelendiğinde alkali reaktivitesi gösteren bir tip agreganın farklı oranlarda reaktif olmayan kireçtaşı ile verdiği pesimum oranı belirlemiştir. Bu amaçla RILEM TC106 (hızlandırılmış harç çubuğu metodu) deneyi uygulamış ve en yüksek genleşmeyi reaktif agreganın %75 oranında kullanılması ile elde etmiştir (Şekil 3.4).

36 36 Şekil 3.2 Pesimum davranış (Hobbs, 1988) Şekil 3.3 Reaktif opal agregası için pesimum oran (Merriaux vd, 2003)

37 37 Şekil 3.4 Bastogne kumtaşı için pesimum oran (Merriaux vd, 2003) ASR ürünleri Alkali silis reaksiyonu ürünlerinin kompozisyonu, boşluk çözeltisinin kompozisyonuna, reaktif silisin tipine, reaksiyon sıcaklığına ve reaksiyona giren ürünlerin konsantrasyona bağlı olarak çeşitlilik göstermektedir. Reaksiyona uğramış bir betonun çatlaklarında yer alan jel, genelde transparan ve reçinemsi olup viskozitesi kaba motor yağı ile reçine arasındadır. Jel örneklerinin viskoziteleri arasında kayda değer farklılıklar bulunmaktadır. Örneklerin bazıları yeterince sıvı olup çatlaklar arasından akarak beton boşluklarını tamamen veya kısmen doldurur. Tipik olarak, jeller havayla temas ederek zamanla karbonatlaşır, beyaz ve kuru bir hal alır. Bunlarda aynen kurumuş kilde olduğu gibi kuruma çatlakları gözlenir (Poole, 1992). ASR ürünlerinin kompozisyonu ve morfolojisi ile ilgili çalışmalar son yıllarda yapı malzemesi üzerinde uygulanan tarayıcı elektron mikroskobu çalışmalarının artmasıyla önem kazanmıştır. ASR jelinin görsel incelemesine dayalı bir çalışmada, Thaulow vd (1996) çimento hamurundaki çatlaklarda ve hava boşluklarında amorf jele rastlarken kaba agrega parçacıklarının içinde gülsü kristal yapıda ASR ürünleri belirlemiştir. Moranville-Regourd (1989), reaksiyon ürünlerini jeller ve kristaller olmak üzere iki şekilde sınıflandırır. Jeller masif (yoğun) veya süngersi (dokulu ve taneli) görünümlü olarak tanımlanmaktadır. Jelin görünümündeki bu farklılıklar, SEM deki kuruma esnasındaki büzülmenin tipi veya miktarına bağlı olabileceği

38 38 gibi, farklı kompozisyonlardaki jellere de bağlı olabilir. Kristalin ürünlerin ise tabakalı veya gülsü, dikensi veya çubuksu ve yapraksı olmak üzere tipik morfolojileri vardır. Hızlandırılmış harç çubuğu metoduna göre kürlenen harçların reaksiyon ürünleri ile gerçek yapılarda meydana gelen ASR ürünleri hem morfolojik hem de kimyasal açıdan benzerlik göstermektedir. Louran ve Larive (1993), ASR ürünlerinin ve etrinjitin mikroskopisini karot örnekleri üzerinde incelemiştir. Araştırmacılar reaksiyon ürünlerini morfolojik olarak amorf, yarı-organize ve kristalin ürünler olmak üzere üç ana grupta incelemiştir. Amorf ürünler, düzgün ve mememsi jel; yarı-organize ürünler, polimorf, botrioidal ve mikrogranüler; kristalin ürünler ise yapraksı, gülsü, iğnemsi kristaller olarak gözlemlenmiştir. Araştırmacılar, amorf ürünlerin zamanla kristalize ürünlere dönüştüğünü savunmuştur. Genel olarak kabul gören teori, amorf jelin zamanla kristalize hale geldiğidir. Jelin kristalize olmasını açıklayan pek çok mekanizma öne sürülmüştür. Araştırmacıların bir kısmı jelin kuruması ile kristalizasyonun gerçekleştiğini belirtmiştir. Cole ve Lancucki (1983), 12 gün oda koşullarında kürlendikten sonra 110 o C ye ısıtılan ASR jelinde kristalizasyona rastlamıştır. Thordal Andersen ve Thaulow (1990) ile Thaulow vd (1996), kristalize olmuş jellere genellikle agrega içerisinde rastlandığına ve çimento hamurundaki çatlaklarda daha az rastladığına değinmiştir. Kristalize ürünler ile amorf yapıda olanlar arasındaki kimyasal kompozisyon farklılığının çimento hamuru boşluk suyundaki kimyası ile agrega boşluklarında yer alan suyun kimyasının farkından ileri geldiğini öne sürülmüştür. Kurtis vd (1997, 1998), yumuşak x-ray geçirimli mikroskop ile yaptıkları analizlerde alkali silis jelinin kalsiyum ve sodyum hidroksit çözeltisi içerisinde kristalize olduğunu gözlemlemiştir. Araştırmacılar, betonda oluşan ASR ürünlerinin genelde amorf veya normal yapıda olduğunu, kristalize jele daha seyrek rastlandığını belirtmiştir. İlginçtir, Peterson vd (2006), çalışmalarında 1898 lerde inşa edilmiş olan Farnsworth Battery yapısındaki beton örneklerinde fazla miktarda kristalize olmuş ASR ürününe rastlamıştır. EDS incelemeleri sonucunda, amorf jellerin kristalize jele kıyasla sodyum ve potasyum iyon konsantrasyonunun daha az olduğu buna