Uçucu Kül İnceliği ve Kullanım Oranının Alkali-Silis Reaksiyonuna Etkisi K.Ramyar *, Ö. Andiç * GİRİŞ Alkali silis reaksiyonu (ASR), beton agregalarında bulunan reaktif silis ile betonun boşluklarında eriyik halde bulunan hidroksil ve alkali iyonlarının reaksiyonudur. Bu reaksiyon, betonda nem etkisiyle genleşen bir jelin oluşmasına neden olur. Beton içerisinde oluşan hacim artışı çekme gerilmelerinin doğmasına sebep olarak betonda çatlamalara yol açar. Uçucu kül gibi mineral katkıların alkali-silis reaksiyonu (ASR) genleşmelerini azaltıcı etkisi olduğu bilinmektedir. Uçucu küllerin ASR genleşmeleri üzerindeki etkileri, çimentonun ve uçucu külün kimyasal ve mineralojik özelikleri ile agreganın reaktivite derecesine bağlı olarak değişkenlik gösterir. Nixon ve Gaze (1983), Nixon vd. (1986) ve Stark (1978) yavaş reaksiyona giren agregalar için çimentonun kütlece %2-3 oranında uçucu külle yer değiştirmesi halinde ASR sebebiyle betonda oluşabilecek genleşmelerin azaldığını belirlemişlerdir. Stark vd. (1993), NBRI hızlandırılmış harç çubuğu deneyine tabi tuttukları üç farklı uçucu kül, bir çeşit yüksek fırın cürufu ve üç farklı agrega için buldukları sonuçları yorumlamışlardır. ASTM F sınıfı uçucu küller için tavsiye edilen minimum kullanım yüzdeleri, 15 ile 25 arasında değişmektedir ki bu değerler pratikte uygulamada kullanılan değerlere yakındır. ASTM C sınıfı uçucu kül için ise %6 ın üzerinde kullanım gerekmektedir. Fakat bu değerin üzerinde kullanılması halinde de ASR sebebi ile oluşan genleşmeleri önleyebileceğine dair kesin bir gösterge yoktur. Dunstan (1981), çimentonun alkalinitesine bağlı olarak, çimento yerine kütlece %25 oranında uçucu kül kullanımının genleşmeyi azaltırken, kütlece %5-1 oranında kullanımın genleşmeyi arttırabildiğini gözlemiştir. Nagataki vd. (1991), yüksek alkalin çimento ve sekiz çeşit uçucu kül ile birlikte agrega olarak pireks camı kullanmış ve ASR genleşmesinin, uçucu külün çözünebilir alkali ile amorf silis yüzdesine ve inceliğine bağlı olduğunu, ancak, uçucu külün toplam alkali miktarına bağlı olmadığını belirtmiştir (Shayan, 1995). * Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, E.Ü. Kampüs, Bornova, İzmir Tel: 232388626 Faks: 2323425629 e-mail: kramyar@bornova.ege.edu.tr, ozgeandic@yahoo.com
Sprung ve Adabian (1976) ve Hobbs (1982), uçucu külün inceliği arttıkça performansının iyileştiğini belirtmişlerdir. Perry vd. (1986); uçucu külün Blaine özgül yüzey alanının artması ile etkinliğinin azaldığını, ancak veriler arasında güçlü bir korelasyon bağıntısı olmadığını bildirmişlerdir. Araştırmamızda, uçucu külün kullanım oranının ve inceliğinin ASR genleşmeleri üzerindeki etkisini belirlemek amacıyla bir tip agrega, iki tip uçucu kül ve bir tip çimento kullanılarak harç çubukları hazırlanmıştır. Uçucu küller üç farklı Blaine inceliğinde öğütülmüş ve beş farklı oranda çimento yerine kullanılmıştır. Hazırlanan harç numuneleri ASTM C126 standardına göre kürlenerek 14-günlük standart süre sonunda genleşmeleri katkı içermeyen kontrol numunesi ile kıyaslanmıştır. Çalışmanın sonucunda, genleşmeyi kabul edilebilir limit değerinin altına düşüren minimum uçucu kül kullanım oranı ile uçucu kül inceliği ve ASR genleşmeleri arasındaki bağıntılar yorumlanmıştır. Malzemeler: ÇALIŞMA YÖNTEMİ Gediz nehri yatağından temin edilen ve Izmir yöresinde ASR sebebiyle zarar görmüş bazı karayolu köprülerinde kullanılmış olan bir tip reaktif agrega ile bir tip PÇ 42.5 Portland çimentosu kullanılmıştır. İki tip uçucu külün biri Seyitömer termik santraline (UK1) diğeri ise Turyağ tesislerine (UK2) aittir. Küller, 4, 6 ve 8 (±2)cm 2 /g Blaine özgül yüzeylerine gelecek şekilde öğütülerek kullanılmıştır. Bu incelikler sırasıyla I1, I2, I3 olarak adlandırılmıştır. Portland çimentosu ve uçucu küllerin bazı kimyasal özelikleri Tablo 1 de verilmektedir. Tablo 1 Çimento ve zeolit tozunun kimyasal özelikleri Kimyasal Miktar (%) Kompozisyon Çimento UK1 UK2 SiO 2 2.13 52.34 49.29 Al 2 O 3 5.15 18.91 25.14 Fe 2 O 3 3.12 9.3 6.6 CaO 62.85 7.47 7.1 MgO 1.94 5.75 1.49 SO 3 2.33 2.25 2.2 Serbest CaO.75.2.18 Na 2 O.3.88.78 K 2 O.92 2.17 2.1 Na 2 O (eşdeğer).91 2.31 2.1 Kızdırma Kaybı -.92 3.84
Katkı içermeyen kontrol numunesi ile farklı oranlarda ve inceliklerde uçucu kül içeren numunelerin ASR genleşmelerini belirlemek amacıyla ASTM C126 deney yöntemi kullanılmıştır. Her karışımdan üçer adet harç çubuğu numunesi hazırlanarak deney süresince.2 mm hassasiyette boyları ölçülmüş ve ortalamaları alınarak genleşmeler hesaplanmıştır. Uçucu külün inceliği arttıkça harcın akma değerleri azalmıştır. ASTM C126, harcın su/çimento oranını sabit alarak akma değerindeki azalmayı göz önüne almamaktadır. Bu sebeple işlenebilirliği düşen harcın kalıplara yerleştirilmesine itina gösterilmiştir. ASTM C126, 14- günlük standart genleşme limitini %.1 olarak önermektedir. Kontrol numunesi (K), %1 oranında reaktif agrega kullanılarak hazırlanmıştır ve katkı içermemektedir. Agreganın reaktivitesinin tespitinde önceden pesimum oran gösterip göstermediğinin belirlenmesi açısından reaktif olmayan agrega ile farklı oranlarda karıştırılarak denenmiştir. Agreganın maksimum genleşmeyi %1 oranında kullanıldığında gösterdiği belirlenmiştir (Ramyar, 22). Kontrol numunesine ilaveten, üç farklı Blaine inceliğinde iki tip uçucu kül, beş farklı oranda (%5, 1, 2, 3 ve 4) çimento yerine kullanılarak toplam 31 karışım hazırlanmıştır. BULGULAR Farklı inceliklerde ve kullanım oranlarında UK1 ve UK2 içeren numunelerin kür süresigenleşme grafiği Şekil 1, 2, 3, 4, 5 ve 6 da gösterilmiştir. Genel olarak, uçucu külün kullanım oranı arttıkça, genleşmeler azaltmatadır. Genleşmeler, kullanım oranı %2 ve daha fazla olduğunda çarpıcı mertebede azalmakta ve standart limitin altına inmektedir. Uçucu kül %5 ve %1 oranında kullanıldığında ise standart limit değerinin üzerinde genleşmeler görülmüştür. Özellikle inceliği düşük olan numunelerde %5 oranında kullanımda, kontrol numunesinin üzerinde genleşmelere de rastlanmıştır. Şekil 7 ve 8 de her iki uçucu kül için çimento yerine kullanım yüzdesi-14 günlük genleşme grafikleri görülmektedir. Genel olarak, incelik arttıkça genleşmeler azalmaktadır. İnceliğin etkisi özellikle %2 nin altındaki kullanım oranlarında göze çarpmaktadir. Özellikle düşük kullanım oranlarında UK2 için incelik etkisi daha barizdir.
,35,3,25,2,1 Kontrol UK1-I1-5% UK1-I1-1% UK1-I1-2% UK1-I1-3% UK1-I1-4% ASTM C126 standart limit 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 Şekil.1 Farklı oranlarda I1 inceliğinde UK1 içeren numunelerin genleşme-zaman grafiği,35,3,25,2,1 Kontrol UK1-I2-5% UK1-I2-1% UK1-I2-2% UK1-I2-3% UK1-I2-4% ASTM C126 standart limit 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 Şekil.2 Farklı oranlarda I2 inceliğinde UK1 içeren numunelerin genleşme-zaman grafiği,35,3,25,2,1 Kontrol UK1-I3-5% UK1-I3-1% UK1-I3-2% UK1-I3-3% UK1-I3-4% ASTM C126 standart limit 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 Şekil.3 Farklı oranlarda I3 inceliğinde UK1 içeren numunelerin genleşme-zaman grafiği
,35,3,25,2,1 Kontrol UK2-I1-5% UK2-I1-1% UK2-I1-2% UK2-I1-3% UK2-I1-4% ASTM C126 standart limit 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 Şekil.4 Farklı oranlarda I1 inceliğinde UK2 içeren numunelerin genleşme-zaman grafiği,35,3,25,2,1 Kontrol UK2-I2-5% UK2-I2-1% UK2-I2-2% UK2-I2-3% UK2-I2-4% ASTM C126 standart limit 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 Şekil.5 Farklı oranlarda I2 inceliğinde UK2 içeren numunelerin genleşme-zaman grafiği,35,3,25,2,1 Kontrol UK2-I3-5% UK2-I3-1% UK2-I3-2% UK2-I3-3% UK2-I3-4% ASTM C126 standart limit 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 Şekil.6 Farklı oranlarda I3 inceliğinde UK2 içeren numunelerin genleşme-zaman grafiği
UK1-I1 UK1-I2 UK1-I3,35 14 lük genleşme (%),3,25,2 ASTM C126 standart limit,1 % 1% 2% 3% 4% 5% Çimento Yerine Kullanım Oranı Şekil 7 Farklı inceliklerde UK1 içeren numunelerin çimento yerine kullanım yüzdesi- 14 günlük genleşme grafiği,35 UK2-I1 UK2-I2 UK2-I3 14 lük genleşme (%),3,25,2 ASTM C126 standart limit,1 % 1% 2% 3% 4% 5% Çimento Yerine Kullanım Oranı Şekil 8 Farklı inceliklerde UK2 içeren numunelerin çimento yerine kullanım yüzdesi- 14 günlük genleşme grafiği KAYNAKÇA Dunstan, Jr, E.R., 1981, The Effect of Fly Ash on Concrete Alkali-Aggregate Reaction, Cement, Concrete and Aggregates, 3, pp.11-14. Hobbs, D.W., 1982, Influence of Pulverised Fuel-Ash and Granulated Blast Furnace Slag upon Expansion Caused by Alkali-Silica Reaction, Magazine of Concrete Research, 34 (119), pp.83-94.
Nagataki, S., Ohga, H., and Inoue, T., 1991, Evaluation of Fly Ash for Controlling Alkali- Aggregate Reaction, Proc. 2nd International Conference on Durability of Concrete, Montreal, Canada, pp. 955-972. Nixon, P.J., Gaze, M.E., 1983, The Effectivenss of Fly Ashes and Granulated Blast-Furnace Slags in Preventing AAR, Proc. 6th International Conference on Alkalis on Concrete, Copenhagen, pp. 61-68. Nixon, P.J., Page, C.L., Bollinghaus, R., Canham, I., 1986, The Effect of Pfa with a High Total Alkali Content on Pore Solution Composition and Alkali-Silica Reaction, Magazine of Concrete Research, 38, pp.3-35. Perry, C., Day, R.L., Joshi, R.C., Langan, B.W., Gillott, J.E., 1986, The Effectiveness of Twelve Canadian Fly Ashes in Suppressing Expansion due to Alkali-Silica Reaction, Concrete Alkali- Aggregate Reactions, Ed. Grattan-Bellew, P.E., Proceedings of the 7th International Conference, Ottowa, Canada, p.51. Ramyar, K., 22, Alkali-Silis Reaksiyonun Mineral ve Kimyasal Katkılar Yardımıyla Kontrol Altına Alınması, Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği adına hazırlanan rapor, No: 9, p. 9. Shayan, A., Diggins, R., and Ivanusec, I., 1995, Effectiveness of Fly Ash in Preventing Deleterious Expansion due to Alkali-Aggregate Reaction in Normal and Steam-Cured Concrete, Cement and Concrete Research, vol.26, no.1, pp. 153-164. Sprung, S., Adabian, M., 1976, The Effect of Admixtures on Alkali-Aggregate Reactions in Concrete, Proc. 3rd International Conference on Effects of Alkali on the Properties of Concrete, ed. A.B. Poole, Cement and Concrete Association, London, England, pp. 125-137. Stark, D., 1978, Alkali-silica Reactivity in the Rocky Mountain Region, Proceedings of the 4th International Conference on the Effect of Alkalies in Cement and Concrete, Purdue University, pp.235-243. Stark, D., Morgan, B., Okamoto, P., 1993, Eliminating or Minimizing Alkali-Silica Reactivity, Strategic Highway Research Program, National Research Council, Washington, DC, p.266. Stark, D., Morgan, B., Okamoto, P., 1993, Eliminating or Minimizing Alkali-Silica Reactivity, Strategic Highway Research Program, National Research Council, Washington, DC, p.266.