Betonda alkali silis reaksiyonu

Transkript

1 1st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016) Çukurova University, Congress Center, October 26-28, 2016, Adana / TURKEY Pages: , Paper ID:602 Betonda alkali silis reaksiyonu Ogün Ozan Varol 1, Zehra Funda Türkmenoğlu 2 1 Yüzüncü Yıl Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Maden Mühendisliği Bölümü, Van, Türkiye; ogunozanvarol@yyu.edu.tr 2 Yüzüncü Yıl Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Maden Mühendisliği Bölümü, Van, Türkiye; fundaturkmenoglu@yyu.edu.tr Özet Bu çalışmada, alkali silis reaksiyonun (ASR) oluşum mekanizması ve tespitinde kullanılan yöntemler incelenmiştir. Alkali silis reaksiyonu beton yapılarda çatlama ve genleşmelere neden olabilmektedir. Bu yüzden alkali silis reaksiyonunu tespiti ve önlemesi için yapılan çalışmalar önem arz etmektedir. ASR nin tespit edilmesinde çeşitli yöntemler kullanılmaktadır. Bu yöntemlerden en bilinenleri ise kimyasal test, hızlandırılmış harç çubuğu testi, beton prizma testi ve agregada petrografik analiz testidir. Araştırmacıların yapmış olduğu test sonuçlarına göre, en çok kullanılan yöntemlerin hızlandırılmış harç çubuğu yöntemi ve harç çubuğu yöntemi olduğu sonucuna varılmıştır. Anahtar Kelimeler: Alkali silika reaksiyonu, hızlandırılmış harç çubuğu testi, harç çubuğu testi, beton prizma testi, kimyasal test yöntemi. Alkali silica reaction in conrete Abstract In this study, on the mechanism and testing mehods to identify of alkali silica reaction are investigated. Alkali silica reaction can cause expansion and cracking in concrete. Therefore, studies for alkali silica reaction detection and prevention are important. Various methods are used in determining the ASR. The most well-known of these methods are chemical methods, accelerated mortar bar method, petrographic analysis, and aggregates in concrete prism. It is concluded according to test results of lots of researchers that the most used test methods are accelerated mortar bar method and mortar bar method. Key words: Alkali Silica Reaction, accelerated mortar bar test, mortar bar test, concrete prism test, chemical test method. 1. GIRIŞ Alkali Silis Reaksiyonu, beton agregalarında bulunan reaktif silis ile betonun boşluk çözeltisinde bulunan hidroksil alkali iyonlarının bir reaksiyonu olarak tanımlanmaktadır. Alkali silis reaksiyonu sonucu oluşan alkali silis jeli, yüksek oranda su tutma kapasitesine sahip olup, betonda genleşmeye, çekme gerilmelerine ve çatlakların oluşmasına sebep olmaktadır [1]. Günümüzde üç farklı alkali agrega reaksiyonu bilinmektedir. Bunlar arasında en yaygın olanı alkali silis reaksiyon olup diğer iki çeşidi ise alkali karbonat reaksiyonu ve alkali silikat reaksiyonu olarak adlandırılmaktadır [2]. Alkali silis reaksiyonunun oluşabilmesi için agregada reaktif silis bulunması ve çimento alkali içeriğinin Na 2 O değeri olarak %0.6 sınırını aşması gerekmektedir. Alkali içeriği sodyum eşdeğeri olarak %0.6 nın altında kalan çimentolar alkali silis oranı düşük olan çimentolar grubuna girerler ve genellikle ASR oluşumuna neden olmazlar [3]. Ancak beton üretiminde çok düşük alkali içeren çimento kullanılsa bile dikkat edilmesi birkaç husus söz konusudur. Bunlar; Betonda su nemim hareketi sonunda belli noktalarda alkali konsantrasyonu oluşturuyorsa, 2080

2 Agrega aşırı derecede reaktif ise, Betonda kullanılan mineral ve kimyasal katkılar, karma suyu ve agregadan yeterli miktarda alkali ilavesi söz konusu oluyorsa, Çimento miktarının yüksek olması nedeniyle beton alkali seviyesi yükseliyorsa, Alkali Silis Reaksiyonu olma ihtimali söz konusudur [4]. Alkali silis reaksiyonu dünyada ilk olarak 1920 li ve 1930 lu yıllarda ABD nin Kaliforniya eyaletinde bulunan betonarme yapılarda nedeni belli olmayan çatlaklara bağlı yıkımlar rapor edilmiştir. Bu raporlarda beton malzemelerin standartlara uygun olmasına rağmen, yapım yılından birkaç yıl sonra çatlakların ortaya çıktığı belirtilmiştir. Bunun yanı sıra, genellikle harita çatlağı (Şekil 1) şeklinde görülen çatlaklardan dışarı jel çıkışı, betonda patlamalar gibi belirtiler de raporda belirtilmiştir [5]. Stanton 1940 yılında bu çatlakların kimyasal bir reaksiyon neticesinde olduğunu açıklamıştır [6]. Şekil 1: ASR Kaynaklı Harita Tipi Çatlak [7] Stanton nun bu açıklamasından kısa bir süre sonra 1941 yılında Parker Barajı nın betonunda çatlak oluşumları gözlemlenmiştir. Yapılan araştırmalar neticesinde, betonda alkali silis reaksiyon ürünlerinin bulunduğu ve bu reaktif ürünlerin toplam agreganın %2 sini oluşturan altere andezit ve riyolit olduğu belirtilmiştir [8]. Alkali silis reaksiyonu ile ilgili olarak günümüze kadar çok önemli çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalardan bazılarını şu şekilde sıralayabiliriz; Fookes, 1980; Gillott, 1975; Hobbs, 1990; Grattan-Bellew, 1987; Wakizaka ve ark. 1987; Wakizaka ve ark [9]. Şekil 2: Türkiye de ASR ye neden olabilceği tespit edilmiş agregaların bulunduğu bölgeler [1] Ülkemizde alkali silis reaksiyonu sonucu ilk hasar, 1995 yılında İzmir yöresindeki bazı karayolu köp- 2081

3 rülerinde görülmüş olan, yaygın çatlakların oluşması ile ortaya çıkmıştır. Yapılan detaylı araştırmalar neticesinde, beton üretiminde kullanılan Gediz ve Nif Nehri yataklarındaki doğal iri ve ince agregaların içerdiği % 3 ün üzerindeki reaktif camsı riyolitin ASR ye sebep olduğu kanısına varılmıştır [4]. Türkiye de ASR ye neden olabileceği tespit edilmiş agregaların bulunduğu konumlar Şekil 2 de gösterilmiştir [1]. 2.ALKALİ SİLİS REAKSİYONU Çimento içerisinde bulunan alkali hidroksitlerle agregalarda bulunan bazı reaktif minerallerin reaksiyonu sonucu oluşan alkali silis reaksiyonu beton yapılarda jel oluşumu yoluyla çatlamalara ve şişmelere sebep olmaktadır. Oluşan bu jel, su emerek genleşen ürünler meydana getirmektedir. Beton içerisinde meydana gelen şişme sebebiyle oluşan 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 miktarı birim deformasyonu betonun çatlamasına yeterli olacaktır [10]. Alkali silis reaksiyonu (ASR) neden olduğu hasarların aşamaların şematik olarak gösterimi Şekil 3 te gösterilmiştir. Şekil 3: ASR kaynaklı meydana gelen hasarların şematik gösterimi [11] Şekil 4: Alkali Silis Reaksiyonunun oluşabilmesi için gerekli üç koşul 2082

4 Alkali silis reaksiyonunun oluşumu için üç koşul gereklidir (Şekil 4). Bu koşullar; Agregada reaktif silika (SiO 2 ) Sodyum ve Potasyum Alkalileri (Na +, K + ) Nem (H 2 O) dir. Bu üç koşuldan birinin eksik olması alkali silis reaksiyonunun oluşumuna engel olmaktadır. Alkali silis reaksiyonunu, kimyasal olarak şu şekilde formülüze edebiliriz; SiO 2 +2NaOH+H 2 O Na 2 SiO 3.2H 2 O (1) Alkali silis reaksiyonunda, reaksiyonu etkileyen birçok mineral vardır. Yapılan çalışmalarda, özellikle volkanik kayaçlarda bulunan volkancamı ve kuvars (Stanton, 1940; Rhodes, 1942; Ineson, 1990), opal (Stanton, 1941; Ineson, 1990), tridimit (Hornibrook et al., 1943; Ineson, 1990) kalsedon (Stanton, 1941; Ineson, 1990), kristobalit (Landgren and Sweet, 1952) bu minerallerden en aktif olanlarıdır. Reaktivite, agregaların içerdikleri kristal yapısındaki silis miktarına bağlıdır [12]. Reaktivite seviyelerine göre mineral ve kayaçlar Tablo 1 de gösterilmiştir. Tablo 1. Reaktivite seviyelerine göre mineral ve kayaçlar [13] Reaktivitedeki azalmaya göre silis mineralleri Amorf silis Opal Stabil olmayan kristalin silis Çört Kalsedon Silisin diğer kriptokristalin formları Metamorfik olarak ayrışmış ve bozulmuş kuvars Deforme olmuş kuvars Yarı kristalleşmiş kuvars Saf kuvars Reaktivitedeki azalmaya göre kayaçlar Tüfler dahil volkanik camlar Metakuvarsit metamorfize kumtaşları Granit gnayslar Deforme olmuş granit gnayslar Diğer silis içeren metamorfik kayaçlar Silisli ve mikalı şist ve filitler İyi kristalize olmuş volkanik kayaçlar Pegmatik volkanik kayaçlar Silis içermeyen kayaçlar 2.1 Alkali Silis Reaksiyonunu Belirlemek Amacıyla Kullanılan Deneysel Metotlar Alkali silis reksiyonunun belirlenmesi amacıyla birçok standart geliştirilmiştir. Bunlardan bir kısmı, BS 7943 (1999) [14], TS 2517 (2010) [15], TS (2012) [16], ASTM C 289 (1994) [17], ASTM C 295 (1994) [18], ASTM C (1994) [19], CSA A (1994) [20] tür. Alkali silis reaksiyonunu belirlemek amacıyla; hızlandırılmış harç çubuğu yöntemi, harç çubuğu, kimyasal yöntem, petrografik analiz ve beton prizma metodu gibi pek çok yöntem kullanılmaktadır. Bu yöntemlerden en yaygın olanları; hızlandırılmış harç çubuğu yöntemi ve harç çubuğu yöntemidir. Aşağıda, Alkali silis reaksiyonunun tayininde en sık kullanılan bu yöntemler açıklanmıştır Kimyasal Yöntem Kimyasal yöntem ASTM C 289 standardına uygun olarak yapılmaktadır. Bu deney metodu hızlı harç çubuk metodu ile benzerlik gösterir. Deney için hazırlanan alkali ortam her ikisinde de aynıdır. Fark kimyasal yöntemde, agreganın reaktivitesini ölçmek için harç çubuğu yapılmaz ve direk olarak agrega, alkali ortama maruz bırakılır. Alkali silis reaksiyonunun kimyasal yöntemle tayini iki metodla yapılır. Bunlar; çözünmüş silisin tayini (kolorimetrik metot) ve alkalinite azalmasının tayini (titrasyon metodu) dir [17] Hızlandırılmış Harç Çubuğu Deneyi Hızlandırılmış harç çubuğu deneyi ASTM C 1260 standardına uygun olarak yapılmaktadır. Bu deney, agregalar kullanılarak hazırlanan harç çubuklarının yüksek alkali çözeltide, yüksek sıcaklıkta saklanması sonucunda boyca genleşmelerinin ölçülmesi esasına dayanan bir yöntemdir. Standartta belirtilen elek açıklarından elenen agregalar, kütlece çimentonun 2.25 katı kadar kullanılarak su/çimento oranı 0.47 olan harç çubukları hazırlanır. 25x25x285 mm boyutlarda kalıplara dökülen harç numuneleri 24 saat 2083

5 sonunda kalıplardan alınarak ilk boy ölçümleri yapılır. Kalıp sökümünden itibaran 14 gün boyunca 80 o C NaOH çözeltisinde bekletilen harç çubuklarının 3, 7, 14. günlerde periyodik boy ölçümleri yapılır. 14. gün sonunda maksimum %0.1 gibi bir genleşme değeri temel alınır. Bu değerin altında harç çubuklarının hazırlanmasında kullanılan agregalar Zararsız Agregalar sınıfında yer alırken, % 0.1 genleşmeden daha büyük çıkan harç çubuklarının hazırlanmasında kullanılan agregalar Zararlı Agregalar sınıfında yer alırlar [19, 21]. ASTM C 1260 ın ağır deney koşulları yavaş reaksiyon gösteren ve ASTM C 227 ile saptanaması mümkün olmayan agregaların saptanmasında kullanılır [22] Beton Prizma Deneyi Beton prizma deneyi ASTM C 1293 standardına uygun olarak yapılmaktadır. Bu deney, ASR nedeniyle betonda oluşan boyca genleşme ile agregaların reaksiyonu hakkında bilgi vermektedir. 75x75x285 mm boyutlarında hazırlanan harç çubukları sızdırmaz kap içerisinde su üzerinde %100 bağıl nemde ve 37.8 o C de saklanır. Kullanılan numunelerin su/çimento oranları 0.42 ile 0.47 arasında değişebilmektedir. Belirli koşullarda saklanan numunelerin boyca genleşme miktarları birinci gün alınan ölçümlerle kıyaslanır ve % lik hata payı ile ölçümler yapılır. Ölçümler 7, 28, 56 gün ardından 3, 6, 9, 12 ay sonra tekrar alınır. 12 ay sonundaki boyca uzama miktarı %0.04 veya daha fazla ise potansiyel tehlike söz konusudur. Bu yöntem beton üzerinde uygulandığından, gerçeğe daha yakın sonuçlar vermektedir ancak deneyin uzun sürmesi ise bir dezavantajdır [7] Agregaların Petrografik Analizi Petrografik analiz, kayacın içerdiği minerallerin cins ve yüzde değerlerine göre kayacın adlandırılması işlemi olup, deney ASTM C 295 standardına uygun olarak yapılmaktadır. Agregalardan alınan ince kesitlerin optik mikroskop ile incelenmesi sonucunda kayaç içerisinde bulunan potansiyel reaktif silis minerallerinin varlığını teşhis etmek mümkündür. Bunun yanı sıra çatlama meydana gelen betonlardan alınan ince kesit örneklerinin incelenmesi neticesinde betonda meydana gelen çatlamanın ASR kökenli olup olmadığı anlaşılabilmektedir [18] Harç Çubuğu Yöntemi Harç çubuğu deneyi ASTM C 227 standardına uygun olarak gerçekleştirilmektedir. Deney, belirli şartlarda kürlenen harç çubuklarının, belirtilen süre sonundaki boy değişimlerini ölçülmek suretiyle yapılmaktadır. Hazırlanan numuneler %100 bağıl nem ortamında, 37,8 o C de ve kenarlarında ortamı nemli tutan fitil görevi gören kurutma kağıdının bulunduğu kapalı kaplarda su üzerinde bekletilir ve periyodik olarak boy ölçümleri yapılır. Standarda göre; agregada potansiyel reaktivite olmadığı kabul edilen en yüksek genleşme, üç ay sonunda maksimum %0.05 altı ay sonunda ise maksimum %0.10 değerini aşmamalıdır. Bu deneyin en büyük dezavantajı bazı yavaş reaktif agregaların reaktivitelerinin ölçülememesidir [7]. 3. SONUÇ Bu bildiride betonda oluşan alkali silis reaksiyonunun kısa bir tarihçesi, reaksiyonun oluşma mekanizması ve bu reaksiyonun belirlenmesi için en sık kullanılan deneylerden söz edilmiştir. Betonda kalitenin en önemli iki unsuru dayanım ve bu dayanıklılığın sürekli olmasıdır. Alkali silis reaksiyonu betonda genleşmelere yol açarak, çatlaklar oluşmasına ve betonarme yapı elemanının zaman içerisinde bozulup, işlevini yitirmesine sebep olmaktadır. Bu nedenle, beton içeriğinin yaklaşık olarak %70 ini oluşturan agreganın özelliklerinin iyi bilinmesi ve agregada var olan serbest silis içerikli zararlı minerallerin tespit edilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada da alkali silika reaksiyonunun belirlenmesinde, kullanılan yöntemler karşılaştırılmış olup, en çok kullanılan yöntemlerin hızlandırılmış harç çubuğu yöntemi ve harç çubuğu yöntemi olduğu sonucuna varılmıştır. REFERANSLAR [1] Ramyar, K. (2013). Betonda Alkali Silis Reaksiyonu: Bir Derleme. Hazır Beton Kongresi, İstanbul, Sayfa [2] Andiç, Ö. (2007). Alkali Agrega Reaksiyonunun Tespitinde Kullanılan Deney Metotlarının İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, Sayfa 252. [3] Aköz, F. ve Çakır, Ö. (2004). Alkali Agrega Reaksiyonunun Betonda Neden Olduğu Hasarların Deneysel 2084

6 Olarak Araştırılması. İMO 17. Teknik Kongre, İstanbul. [4] Yıldırım, K. ve Tekin, İ. (2014). Alkali Silis Reaksiyonu Açısından Sakarya Nehri ve Çoruh Nehri Agregalarının Araştırılması. ISITES 2014, Karabük, Türkiye. Sayfa [5] Kurt, D. (2009). Alkali Silis Reaksiynunu Önlemek İçin Betonda Puzolanik ve Kimyasal Katkı Kullanmanın Etkilerinin Araştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Kırıkkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kırıkkale, Sayfa 104. [6] Çapuroğlu, O., Andiç, Ö., Broekmans, M., Kühnel, R. (2009). Mineralogy, Geochemistry and Expansiyon testing of an Alkali-Reactive Basalt From Western Anatolia, Turkey. Materialscharacterization. Sayfa [7] Çullu, M., Subaşı, S. Bolat, H. (2010). Beton Kanseri-Alkali Silika Reaksiyonu. e-journal of New World Sciences Academy. Volume: 5, Number: 3, Article Number: 1A0103. [8] Bektaş, F. (2002). Preventive Measures Against Alkali-Silica Reaction. Middle East Tecnical University, Ankara, Turkey. [9] Korkanç, M. Ve Tuğrul, A. (2004). Beton Agregası Olarak Kullanılacak Bazaltların Alkali-Silis Reaksiyonu Yönünden İncelenmesi. İstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Yerbilimleri Dergisi. Cilt 7, Sayı 2, Sayfa [10] Aydın, E. G. (2012). Çeşitli Mineral Katkıların Betonda Alkali Silika Reaksiyonuna Etkisi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Sayfa 84. [11] Bağdiken, M. Y. (2013). Betondaki Alkali-Silika Reaksiyonunu Önlemek İçin Kireçtaşı Tozu ve Uçucu Kül İçeren İkili ve Üçlü Karışımların Kullanılması. Yüksek Lisans Tezi, Harran Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Şanlıurfa, Sayfa 62. [12] Tapan, M., Özvan, A., Oyan, V., Muvafık, M., Subaşı, Direk, Y. (2012). Van Yöresinde Beton Üretiminde Kullanılan Agregaların Alkali Silika Reaksiyonunun (ASR) Belirlenmesi. Yüzüncü Yıl Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi. 17 (1) S: [13] Dinçdemir, İ. (2015). Alkali Silika Reaksiyonunun İyileştirilmesinde Mineral ve Kimyasal Katkıların Kullanımı. Yüksek Lisans Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon. Sayfa 63. [14] BS (1999). Guide to the İnterpretation of Petrographical Examinations for Alkali-Silica Reactivity. British Standarts Institution. [15] TS 2517 (2010). Agregaların Potansiyel Alkali Reaksiyonunun Tayini (Kimyasal Yöntem) [16] TS (2012). Agregaların Potansiyel Alkali Reaksiyonunun Tayini (Harç Çubuğu Yöntemi) [17] ASTM C 289 (1994). Potantial Alkali-Silica Reactivity of Aggregates (Chemical Metod) [18] ASTM C 295 (1994). Petrographic Examination of ASTM Standarts, ASTM, ASTM Publication [19] ASTM C (1994). Standart Method for Potantial Alkali-Silica Reactivity of Aggregates (Mortar Bar Metod). Annual Book of ASTM Standarts [20] CSA A (1994). Test Metod for Detection of Alkali-Silica Reactive Aggregate By Acclerated Expansion of Mortar Bars Methods of Test for Concrete. Canadian Standarts Associaion, Ontario, Canada. [21] Bal, S. (2010). Kayaçlarda Fiziko-Mekanik ve Mineralojik Özeliklerin Betonda Alkali Silika Reaksiyonuna Etkisi. Yüksek Lisans Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon, Sayfa 107. [22] Tosun, K. (2001). Uçucu Kül ve Silis Dumanının Alkali Silika Reaksiyonu Üzerine Etkisi. Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, Sayfa