ALKALĐ SĐLĐKA REAKSĐYONU VE BETON DURABĐLĐTESĐNE ETKĐLERĐ a Ahmet BEYCĐOĞLU, a Dilek DOĞAN b Mustafa ÇULLU, a Ayhan ŞAMANDAR a Düzce Üniversitesi Kaynaşlı, Meslek Yüksekokulu, Yapı Ressamlığı Programı DÜZCE b Gümüşhane Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Đnşaat Mühendisliği Bölümü - GÜMÜŞHANE abeycioglu@gmail.com dilek.dogan_20@hotmail.com mcullu@hacettepe.edu.tr ayhansamandar@duzce.edu.tr ÖZET Betonun içerisinde alkaliler genellikle çimentonun içerisinde bulunan Na 2 O ve K 2 O gibi alkalilerden kaynaklanmaktadır. Agregadaki reaktif silikaya hücum eden bu alkaliler betonda alkali silika reaksiyonu oluştururlar.. Bu reaksiyonun sonucu olarak agrega tanelerinin yüzeyinde alkali silika jeli denilen jeller oluşur. Yüksek oranda su emme kapasitesine sahip olan bu jeller suyu emdikçe şişip betonda içsel çekme gerilmeleri oluşturarak betonun genleşmesine ve agrega ile onu çevreleyen çimento pastasının çatlamasına neden olurlar. Bu reaksiyon betonun uzun süreli performansında çok tehlikeli sonuçlar doğurur. Bu çalışmada alkali silika reaksiyonu, bu reaksiyona neden olan faktörler, oluşan reaksiyonun betonun uzun süreli performansına etkileri ve alınabilecek önlemler araştırılmıştır. Sonuç olarak alkali silika reaksiyonunun çok uzun yıllar sonra bile ortaya çıkabildiği, en önemli belirtisinin sertleşmiş beton yüzeyinde oluşan harita biçimindeki çatlaklar olduğu ve en çok suyla temas halinde bulunan betonlarda görüldüğü belirlenmiştir. Bu reaksiyonu önlemek için reaktif silis içeriği düşük olan agregaların kullanılması gerektiği, uçucu kül ve silis dumanı gibi betonda boşlukları doldurabilen puzolanik malzemelerin kullanılmasının uygun olduğu ve bu önlemlere ilave olarak kimyasal katkı malzemelerinin de kullanılabileceği görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Beton, alkali silika reaksiyonu, durabilite 1.GĐRĐŞ Betonarme veya beton yapı elemanlarının zamanla bozulup işlevlerini beklenen servis ömürlerine ulaşamadan yitirmelerine birçok faktör sebep olabilir. Yapı elemanının dayanıklılığını belirleyen etkenler arasında beton bileşimini oluşturan malzemelerin fiziksel ve kimyasal yapısından kaynaklanan iç etkiler ve çevreden kaynaklanan dış etkiler sayılabilir. Bazı durumlarda, beton bileşimini oluşturan malzemelerin kendi aralarında veya çevreden gelen zararlı maddelerle kimyasal reaksiyonlara girebildiği, böylece beton hacim sabitliğinin bozulması nedeniyle yapı elemanının zarar gördüğü bilinmektedir. Betonda meydana gelen önemli bir kimyasal reaksiyonda alkali silika reaksiyonudur.[1] Bileşiminde belirli mineraller bulunan agregalar, betonda oluşan alkali hidroksitlerle reaksiyona girer. Reaksiyonun neden olduğu beton genleşmesi, belirli sınırları aştığı zaman beton içerisinde potansiyel bir tehlike oluşturur. Alkali agrega reaksiyonu (AAR) olarak algılanan bu reaksiyonlar; alkali-silika reaksiyonu (ASR) ve alkali karbonat reaksiyonu (AKR) olmak üzere iki şekilde oluşabilmektedir. Yaygın olarak kullanılan beton agregalarının bünyesinde reaktif silis mineralleri bulunma olasılığının daha fazla olması nedeniyle ASR nin AKR ye göre karşılaşılma olasılığı daha fazladır. Bu nedenle, ASR daha önemli görülmektedir. Dolamitli kalkerlerin (Kalsiyum magnezyum karbonatların) çok ender olarak karşılaşılan özel kompozisyonlarının AKR ye neden olduğu bilinmektedir. 1920 li ve 1930 lu yıllarda ABD de, Kaliforniya daki beton yapılarda nedeni belirsiz çatlak oluşumlarına bağlı yıkımlar rapor edilmiştir. Bu raporlarda beton malzemelerin standartlara
uygun olmasına rağmen, yapım yılını takiben birkaç yıl içinde çatlaklar olduğu açıklanmıştır. Ayrıca, genellikle harita çatlağı şeklinde görülen çatlaklardan jel çıkışı, betonda patlamalar gibi belirtiler de işaret edilmiştir. Stanton, 1940 yılında bu tür çatlakların (daha sonra Alkali- Silika Reaksiyonu olarak adlandırılan) kimyasal bir reaksiyonun sonucu olduğunu açıklamıştır.[2,3] Bu çalışmada betonda durabilite ve alkali silika reaksiyonu kavramları tanımlanarak, alkali silika reaksiyonunun oluşumu, beton durabilitesine etkileri ve alınabilecek önlemler incelenmiştir. 2.BETONDA DURABĐLĐTE KAVRAMI Beton teknolojisinde dayanım ve dayanıklılık genellikle karıştırılan kavramlardır. Mekanik olarak yüklemeler karşısında betonun gösterdiği karşı koyma kabiliyeti dayanım, betonun uzun süreli fiziksel veya kimyasal etkilere karşı bozulmadan ve özelliklerini kaybetmeden durabilme kabiliyetine ise dayanıklılık veya durabilite denir. Yapı malzemelerinin ve yapıların işlevlerinin uzun yıllar boyu bozulmadan yerine getirebilmelerine dayanıklılık, kalıcılık veya durabilite adı verilir. Değişik türdeki yapılarda kullanılmakta olan beton, hizmet süresi boyunca, bünyesinde yıpranmaya yol açabilecek birçok kimyasal ve fiziksel etkenle karşılaşmaktadır. Betonun içerisine sızan su, karbon dioksit, oksijen, sülfat, asit ve klor gibi maddeler, betonda değişik türlerdeki kimyasal olayların yer almasına neden olmaktadır. Betonun içerisindeki alkalilerle reaktif agregalar arasında gelişen ve sertleşmiş betonun genleşerek yıpranmasına yol açan reaksiyonlar da kimyasal olaylar sonucunda yer almaktadır. Donma-çözülme, ısınma-soğuma gibi olaylar betonun yıpranmasına yol açacak nitelikteki fiziksel olaylardır. Betonda yer alan kimyasal ve fiziksel olaylar sonucunda, beton daha boşluklu bir malzeme durumuna gelebilmekte, içerisindeki demir donatılar paslanabilmekte, beton aşınabilmekte ve betonun içerisinde çok büyük gerilmeler oluşabilmektedir. Bütün bu olaylar, betonun hasar görmesine, hizmet edemez duruma gelmesine yol açmaktadır. Betonun, hizmet gördüğü süre boyunca karşılaştığı kimyasal ve fiziksel olaylar karşısında yeterli direnci gösterebilmesi, yani, yeterince dayanıklı olması, en az, betonun dayanımı kadar, hatta çoğu zaman beton dayanımından daha da önemlidir.[4,5,6] 3.ALKALĐ SĐLĐKA REAKSĐYONU OLUŞUMU VE ETKĐLERĐ Alkali-silika reaksiyonu (ASR) çimentodan kaynaklanan alkali oksitlerle (Na 2 O ve K 2 O) reaktif silika formları içeren agregalar arasında oluşan ve betonda genleşme etkisi yaratan bir reaksiyondur. ASR basitçe iki aşamada gerçekleşir. Birinci aşamada alkalilerle reaktif silikanın birleşmesiyle ASR jel ürünleri oluşur ve daha sonra ikinci aşamada alkali-silika jelleri ortamdaki nem ile birleşerek genleşmeleri oluşturur. Oluşan bu genleşmeler de zamanla betonun çatlamasına ve bozulmasına neden olur. Bilindiği gibi agregalar betonun yapısında en çok bulunan ve en önemli bileşenlerinden birisi olan doğal veya yapay malzemelerdir. Genel olarak beton agregaları atıl (kimyasal etkisi olmayan tembel) malzemeler olarak kabul edilmektedir. Ancak reaktif silika ve reaktif karbonat içeren bazı agregalar zamanla betonun içerisindeki alkalilerle reaksiyona girebilmekte ve çok büyük genleşmelere yol açabilmektedir. Reaktif silika içeren agregalarla alkaliler arasındaki reaksiyon alkali silika reaksiyonu olarak adlandırılır.
Basitçe ASR tanımlanacak olursa; Opalinli çörtler kalkodonik çörtler kuvarsik çörtler silisli kalkerler silisli dolomitler dasitler ve tüfleri andezitler ve tüfleri ve silisli şeyler reaktif silika içeren kaya türleridir. Betonun içerisindeki alkaliler genellikle betonda kullanılan çimentonun içerisinde isinde bulunan alkaliden (Na 2 O ve K 2 O) kaynaklanmaktadır. Alkali silika reaksiyonu alkalilerin agregadaki reaktif silikaya hücum etmesiyle başlar. Bu reaksiyonun sonucu olarak agrega tanelerinin yüzeyinde alkali silika jeli denilen jeller oluşur. Alkali silika jeli büyük miktarda su içermektedir. Bir başka deyişle büyük miktarda su emme kapasitesine sahip olan bu jelin oluşmasıyla betonun içerisinde çok büyük genleşmelere yol açmaktadır. Su emme özelliği olan bu ürünler, suyu emdikçe şişip betonda içsel çekme gerilmeleri oluşturarak betonun genleşmesine ve agrega ile onu çevreleyen çimento pastasının çatlamasına neden olurlar. Bazı durumlarda betondaki hacimce genleşme miktarı %2-3 oranına kadar ulaşır. ASR de diğer alkali-agrega reaksiyonları gibi birçok faktörün etkisi altındadır. ASR diğer reaksiyonlar gibi yavaş ilerleyen bir reaksiyon olduğu için, genleşme nedeniyle betonun içyapısında oluşan hasar (çatlak) birkaç yıl sonra görünür hale gelmektedir. ASR nin betonda meydana getirdiği çatlakların yüzeye ye yansıması harita şekilli çatlaklar biçimindedir (Şekil1).[7] Şekil 1. ASR den kaynaklanan çatlaklara ilişkin görünüşler
Ayrıca alkali silika reaksiyonu nedeniyle ile oluşan bozulmalara ilişkin literatürden elde edilen bazı örnekler Şekil 2 ve 3 de görülmektedir. Şekil 2. ASR ile zarar görmüş betonda agrega, jel oluşumu ve çatlak görüntüsü Şekil 3. ASR ile çatlak oluşumu
ASR nin belirgin ve görünür etkisi harici çatlak oluşumudur. Ancak betonun bazı fiziksel ve mikro yapısal özelliklerinin de ASR den etkilendiği petrografik incelemelerle ortaya konmuştur. 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. Bazı özel durumlarda, jel, hafif lekeler, patlamalar (popout), çatlaklardan dışarı sıvı akışı ve beton yüzeyinde sızma şeklinde görülebilir. Jel bu durumda kireç ile reaksiyona girerek beyaz ve opak renkli olarak beton yüzeyinde belirginleşir (Şekil 4).[8] Şekil 4. ASR ile çatlak oluşumu 3.1. ALINACAK ÖNLEMLER ASR yi betonda zararlı etkilerini gösterebilmesi için temel olarak ortamda üç şartın varlığı gerekmektedir, Yeterli nem, Yeterince yüksek miktarda alkali hidroksit (Alkaliler), Agregada kritik miktarda reaktif silika.[9] Alkali-silika reaksiyonunun yer almaması için, betonun içerisinde bulunan alkali miktarının çok az olması veya agregaların böyle bir reaksiyonu başlatacak miktarda reaktif silika içermemesi gerekmektedir. ASTM standartlarına göre, beton yapımında kullanılacak çimentodaki Na 2 O + 0.66 K 2 O miktarının % 0.6 dan fazla olmamalıdır. Yukarıdaki önlemlerin yanı sıra, beton üretiminde ince taneli puzolonik katkı kullanılması, sertleşmiş betondaki alkali-silika genleşmesinin az olmasına yol açmaktadır. Bunun nedeni, puzolonik katkı maddeleri içeren betonlarda çok fazla alkali bulunmuyor olmasıdır. ASR nedeni ile oluşacak genleşmelerin önlenmesi için bağlayıcı maddelerin alkali içeriği düşük olmalı ve dış kaynaklardan alkali gelmesi önlenmelidir. Bir başka deyişle boşluk suyunun
ph ının çok yüksek olması engellenmelidir. Bunun için uçucu kül, silis dumanı ve yüksek fırın cürufu gibi puzolonik katkılar kullanılmalıdır. Ayrıca son yıllarda lityum bazlı lityum karbonat, lityum nitrat ve lityum florür gibi katkılarda ASR reaksiyonlarının azaltılmasında kullanılmaya başlanmıştır. Beton üretiminde düşük bir s-ç oranı ve betonun geçirimsiz olmasının da, ASR yi azaltıcı etkisi bulunabilmektedir. Geçirimsiz betonlara daha az su girmesi sonucunda, alkali-silika jellerinin emebileceği su miktarı azaltılmış olmaktadır.[10,11,12] 4.SONUÇ VE ÖNERĐLER Beton yapı elemanlarının zamanla bozulup işlevlerini beklenen servis ömürlerine ulaşamadan yitirmelerine birçok faktör sebep olabilir. Yapı elemanının dayanıklılığını belirleyen etkenler arasında beton bileşimini oluşturan malzemelerin fiziksel ve kimyasal yapısından kaynaklanan iç etkiler ve çevreden kaynaklanan dış etkiler sayılabilir. Bazı durumlarda, beton bileşimini oluşturan malzemelerin kendi aralarında veya çevreden gelen zararlı maddelerle kimyasal reaksiyonlara girebildiği, böylece beton hacim sabitliğinin bozulması nedeniyle yapı elemanının zarar gördüğü bilinmektedir. Beton bileşimini oluşturan malzemelerin kendi aralarında oluşturdukları reaksiyonlarla betonun zarar görmesine neden reaksiyonların başında Alkali Silika Reaksiyonu gelmektedir. Alkali-silika reaksiyonu, çimento içerisindeki sodyum ve potasyum gibi alkali metaller ile aktif silis bileşenleri içeren agregalar arasındaki kimyasal bir reaksiyondur. Bazı çimentoların içinde fazla miktarda bulunan sodyum oksit (Na 2 O) ve potasyum oksit (K 2 O) gibi alkali oksitler beton gözenek suyunda çözülerek sodyum hidroksit (NaOH) ve potasyum hidroksit (KOH) oluştururlar ve aktif silis içeren agregalarla reaksiyona girerek, zamanla betonu çatlatan bir jel oluşumuna sebep olurlar. ASR nin oluşturduğu reaksiyon ürünleri aşırı derecede su emme özelliği olan ürünlerdir. Su emme özelliği olan bu ürünler, suyu emdikçe şişip betonda içsel çekme gerilmeleri oluşturarak betonun genleşmesine ve agrega ile onu çevreleyen çimento pastasının çatlamasına neden olurlar Sonuç olarak bu çalışmadaki literatür taramaları yorumlanacak olursa, ASR nin çimentonun alkalinitesine ve agregadaki silis içeriğine bağlı olarak genellikle 2-5 yıl içerisinde betonda hasar olarak ortaya çıktığı, ASR yi önlemenin en iyi yolunun ise beton dökülmeden önce gerekli önlemlerin alınması olduğu sonucuna varılabilir. Bunun için bağlayıcı malzemelerin ve agregaların dikkatlice analiz edilmesi ve malzeme seçiminin doğru yapılması gerekir. Sonuç olarak ASR yi önlemek için malzeme seçiminde aşağıdaki konulara dikkat edilmelidir; Aktif silis içermeyen agregaların tercih edilmesi, Betonun alkali içeriğini sınırlamak, Ortamın nemini kontrol altında tutmak, Çeşitli puzolanik katkı malzemeleri kullanımı
5.KAYNAKLAR MYO-ÖS 2010- Ulusal Meslek Yüksekokulları Öğrenci Sempozyumu, [1] Đpek M., Yılmaz K., Sert G., Determınıng The Alkalı Aggregate Reactıvıtıy Of The Broken Stone Aggregates At Sakarya Regıon, 5. Intenational Advanced Technologies Symposium (IATS 09), 13-15 Mayıs 2009, Karabük, Türkiye. [2] Arslan, M., Beton (Dökümü, Kalıpları, Kusurları, Dayanıklılığı), Atlas Yayınevi, 167-216, Đstanbul, 2001. [3] Arslan, M., M., Ankara Yöresindeki Bazı Agrega Ocaklarının Alkali Silika Reaktivitesi Açısından Đncelenmesi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. J. Fac. Eng. Arch. Gazi Ünv. Cilt 21, No 4, 613-620, 2006 Vol 21, No 4, 613-620, 2006. [4] Erdoğan T.Y., Beton, ODTÜ Geliştirme Vakfı Yayını, s. 741, Ankara, 2003. [5] B. Baradan, H. Yazıcı, H. Ün, Betonarme Yapılarda Kalıcılık (Durabilite), DEÜ, Müh. Fak Yayını, No.298, ss. 22-27, 2002. [6] Topçu Đ.B., Yapı Malzemesi ve Beton, Eskişehir, 2006. [7] Erdoğan, T.Y. BETON. ODTÜ Geliştirme Vakfı Yayıncılık Ve Đletişim A.Ş. 2003 ANKARA [8] Çullu, M. Ankara Yöresindeki Bazı Agrega Ocaklarının Alkali Silika Reaktivitesi Açısından Đncelenmesi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yapı Eğitimi Anabilim dalı Yüksek Lisans Tezi. 2004 [9] Çullu M., Subaşı S., Bolat H., Beton Kanseri-Alkali Silika Reaksiyonu e-journal of New World Sciences Academy 2010, Volume: 5, Number: 3, sayfa 526-540. [10] Aköz F., Çakır Ö., Alkali Agrega Reaksiyonunun Betonda Neden Olduğu Hasarların Deneysel Olarak Araştırılması, ĐMO, 17. Teknik Kongre, Đstanbul, Nisan 2004. [11] Çakır Ö., Aköz F., Alkali Agrega Reaksiyonunun Hızlandırılmış Deney Yöntemleri ile Araştırılması, TMMOB, ĐMO Đstanbul Şubesi, 5. Ulusal Beton Kongresi, 1-3 Ekim 2003, ss. 175-184, Đstanbul. [12] Topçu Đ.B., Boğa A.R, Prefabrik Elemanlarda Alkali-Silika Reaksiyonunun Đncelenmesi, ĐMO, Antalya Yöresinin Đnşaat Mühendisliği Sorunları Kongresi, 22-23-24 Eylül 2005, Antalya.