Alkali Agrega Reaksiyonunun Betonda Neden Olduğu Hasarların

Alkali Agrega Reaksiyonunun Betonda Neden Olduğu Hasarların
Deneysel Olarak Araştırılması
Prof. Dr. Fevziye AKÖZ(*)
(*)
Araş. Gör. Özgür ÇAKIR(*)
Yıldız Teknik Üniversitesi İnşaat Fakültesi İnşaat Mühendisliği BölümüYapı Malzemeleri ABD
Beşiktaş/İSTANBUL
e.posta1: [email protected]
Tel: 212-2597070/2765
e.posta2: [email protected] Tel: 212-2597070/2764
GİRİŞ
Başarılı bir yapının projelendirilmesi ve yapımı; dayanım, dayanıklılık, işlevsellik, ekonomi
ve estetik gibi beş ana ilkenin birlikte ele alındığı bir optimizasyon probleminin doğru
çözülmesi demektir. Yapı, servis yüklerini ve deprem gibi etkilerden kaynaklanan yükleri
belirli bir güvenlikle taşıyabilmeli, planlanan hizmet ömrü süresince dıştan ve içten
kaynaklanan yıpratıcı etkilere karşı dayanıklı (kalıcı) olmalıdır. Bunun için taşıyıcı sistemin
seçimi, projelendirilmesi ve yapımı çok önemlidir ancak yeterli değildir. Yapının uzun
ömürlü olması, 20.yüzyılın en önemli yapı malzemesi olan betonun ve betonarmenin
bozulmasına neden olan etkenlerin iyi bilinmesi ve bunlara karşı gereken önlemlerin alınması
ile mümkündür. Betonarme yapıların işlevselliğini kısa sürede yitirmesi sadece ekonomik ve
teknik bir problem olarak düşünülmemeli, kıt kaynakların verimsiz kullanıldığı anlamı da
çıkarılmalıdır. İnşaat sektörü tüm dünyada, hem mali hem de kaynak kullanımı açısından çok
büyük bir paya sahip olduğundan, bu sektörde doğal kaynakların verimsiz kullanımı, çok
büyük çevresel ve ekolojik problemlere yol açar.
Yapı sektörünün en önemli malzemesi olan betonun basınç dayanımı, kalitesi hakkında genel
bir fikir verir, ancak bazı durumlarda dayanıklılık, geçirimsizlik gibi özellikler daha fazla
önem kazanabilir. Betondan beklenen özelliklerin sağlanabilmesi için bileşimine giren
malzemelerin ve karışım oranlarının amacına uygun olarak seçilmesi gerekir.
Betonda çatlak oluşumuna ve zaman içinde hasarlara neden olan alkali-agrega reaksiyonu,
agregada bulunan aktif silika ile çimento içindeki alkali oksitler arasında meydana gelen
kimyasal reaksiyondur. Reaksiyonun oluşabilmesi için agregada reaktif silika bulunması ve
çimento alkali içeriğinin eşdeğer Na2O değeri olarak %0.6 değerini aşması gerekir. Portland
çimentosunun toplam alkali içeriği, sodyum oksitin eşdeğeri olarak aşağıdaki bağıntı yardımı
ile hesaplanabilir.
(Na2O)e= Na2O+0.658 K2O
Alkali içeriği, sodyum eşdeğeri olarak %0.6’nın altında kalan çimentolar, alkali oksit oranı
düşük çimentolar grubuna girerler ve genellikle ASR’na yol açamazlar. Ancak agreganın
reaktifliği arttıkça alkali oranı daha düşük çözeltilerde de reaksiyonun gelişebilir. Alkaliagrega reaksiyonunda agregaların türü ve çimentonun kimyasal bileşiminden başka betonun
boşluk yapısı, betonda kullanılan mineral katkılar ve ortamın bağıl nemi önemli rol oynar.
Ortamda su bulunması durumunda, boşluk çözeltisindeki OH- iyonları, agregalardaki aktif
silika ile reaksiyona girer, silikat jeli oluşturur. Bu jelin hacmi su emdikçe arttığından, deniz
yapısı, karayolu sanat yapıları gibi suya ve atmosfer etkilerine maruz yapılarda olayın daha
belirgin ve zararlı olacağı açıktır. Yavaş gelişen bu olayın etkileri yapımdan 1-2 sene sonra
ortaya çıkmakta, beton kütlesinde önemli çatlaklar meydana gelmekte ve dayanım belirgin bir
şekilde azalmaktadır. Örneğin İzmir’de son 15-20 yılda inşa edilmiş bazı betonarme köprü ve
viyadüklerde ASR sonucu oluşan harita şeklinde tipik çatlaklar tespit edilmiştir. Çatlakların
sebebinin bulunması için 1995 yılında Karayolları Genel Müdürlüğünce yöre kumları
kullanılarak Japonya’da bazı deneyler yaptırılmış, deneyler sonucunda Gediz nehri
yatağından ve teraslarından alınan doğal kumun bazı örneklerinde, reaksiyonun gelişimi
bakımından tehlikeli sayılabilecek oranlarda reaktif silis bulunduğu ifade edilmiştir.
Japonya’da yakın zamana kadar betonda alkali silika reaksiyonunun çok nadir olduğu
düşünülmekte idi ancak
1982 yılından beri Osaka ve Kobe bölgelerinde alkali silika
reaksiyonu sonucu hasar görmüş betonarme yapılar tespit edildiğinden bunun önemli bir
sorun
olduğu
ve
kullanılan
kayaçların
reaktif
olup
olmadığının
tespiti
önem
kazanmıştır.Yapılan deneyler sonucunda bazalt, andezit, dazit, riyolit gibi volkanik kayaçlar
ile kumtaşı ve tüflerin zarar verici kayaçlar olduğu belirlenmiştir.
ASR’den etkilenmiş yapılarda genellikle jel nedeni ile genleşme, çatlak oluşumu,
deformasyonlar, çatlaklardan jel sızması ve kapak atmaları görülmektedir. ASR ile ilgili en
yaygın saha gözlemi beton yüzeyindeki çatlakların gelişimidir. Beton eleman ilave bir
gerilmeye maruz kalmadıysa çatlak görünümü ASR’nin karakteristik özelliği olan harita
çatlağı şeklinde olmaktadır. Önceleri yüzeyde örümcek ağı şeklinde görülen kılcal çatlaklar,
zamanla büyüyerek, betonun zamanla tamamen dağılmasına yol açabilmektedir.
Agregalarda alkali silika reaksiyonuna yol açabilen minerallerin belirlenmesine yönelik
petrografik deneyler yapılması yararlıdır ancak petrografik deneyler tek başına yeterli
değildir. Bu nedenle birkaç deneyin karşılaştırmalı olarak uygulanması gerekir. AAR’nin
betonda neden olduğu hacim artışı, farklı sıcaklık ve bağıl nemde tutulan harç çubuklarında
boy artışı ölçülerek araştırılır. Bu metot bir yıldan daha uzun zaman aldığından, hızlı sonuç
almak için bazı deney teknikleri geliştirilmiştir. Bu deneylerde, karışıma alkali katılmak
suretiyle eşdeğer Na2O oranı arttırılarak reaksiyon hızlandırılır, sonuçlar yine çubuk yöntemi
ile kontrol edilir. Hızlı sonuç alınan bir diğer yöntemde beton numuneler, sabit basınçta
kaynayan suda tutulur, ortam sıcaklığına kadar soğutulur, gözle çatlak kontrolü yapılır, ses
geçiş hızı ölçülür ve dinamik elastisite modülü belirlenir, sonuçlar çatlak oluşumu bakımından
değerlendirilir. Bu deney tekniği henüz standartlara girmemiş olmasına karşın, yaklaşık 3 gün
gibi çok kısa sürede sonuç alınması bakımından diğer deney tekniklerinden daha olumlu
karşılanmaktadır. Alkali agrega reaksiyonu ile ilgili olarak ASTM C227-C1293-295-2891260, Danimarka Metodu, Kuzey Afrika Metodu, Çin ve Japon Metotları olmak üzere farklı
uzun süreli ve hızlandırılmış deney teknikleri uygulanmaktadır.
ÇALIŞMA YÖNTEMİ
Bu çalışmada, hacim artışı nedeni ile betonda zaman içinde çatlak oluşumuna ve hasara yol
açan alkali-agrega reaksiyonu, silis, kalker ve andezit esaslı olmak üzere üç farklı agrega için
uzun süreli ve hızlandırılmış deneyler ile araştırılmıştır. Harç üretiminde agregaların
granülometrisi sabit tutulmuş PÇ 42.5 çimentosu, çimento ağırlığının %0, %30 ve %60
oranlarında ikameli olarak öğütülmüş yüksek fırın cürufu, modifiye polikarboksilat esaslı
süperakışkanlaştırıcı katkı maddesi kullanılmıştır. Alkali-agrega reaksiyonunu hızlandırmak
amacı ile, eşdeğer Na2O oranı %0.787, %1.237, %2.474, %3.711 olacak şekilde NaOH
çözeltisi katılmıştır. Deneyler için karışımı farklı 30 grup harç ile toplam 270 adet 40x40x160
mm boyutlu prizma numune üretilmiştir. Üretimden 24 saat sonra kalıptan çıkarılan
numunelerin bir grubu uzun süreli deneyler için 20±3 0C sıcaklıktaki kirece doygun suda, bir
grubu sıcaklığı 40 0C, bağıl nemi %100 olan nem kabininde 300. güne kadar tutulmuştur.
Diğer bir grup, reaksiyonun hızlandırılması amacı ile, 2 saat süre ile sıcaklığı 140 0C, bağıl
nemi %100 olan otoklavda 0.15 MPa buhar basıncı etkisinde bırakılmıştır. Suda ve nem
kabininde bekletilen uzun süreli deneyler için
harçlarda 14 gün ara ile boy değişimi
ölçümleri, otoklavda kısa süreli etkiye maruz bırakılan numunelerde ise boy değişimi ve
ultrases geçiş süresi ölçümleri, eğilme ve basınç deneyleri yapılmıştır.
BULGULAR
Farklı agregalar ve farklı alkali içeriği ile üretilen harçlarda yapılan uzun süreli ve
hızlandırılmış deneylerden alınan sonuçlara göre, çimento ile %0, %30, %60 oranlarında
yerdeğiştirmeli olarak öğütülmüş yüksek fırın cürufu (ÖYFC) kullanılmasının, alkali agrega
reaksiyonu nedeni ile oluşan genleşme ve buna bağlı olarak çatlak oluşumunu önemli ölçüde
azalttığı görülmüştür. Yüksek fırın cürufunun inceliğinin çimentodan daha fazla olması ve
puzolanik aktiviteye sahip olması, harcın boşluğunu ve geçirimliliğini azaltarak, ASR sonucu
oluşan jel ürününün neden olduğu genleşmeyi azaltmıştır.
KAYNAKLAR
1. A.M. Neville, “Properties of Concrete”, Longman Scientific&Technical, Third
Edition, 1990, pp 158-163.
2. B. Baradan, H.Yazıcı, H. Ün, “Betonarme Yapılarda Kalıcılık-Durabilite”, Dokuz
Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Yayınları, Yayın No: 298, ISBN: 975-441189-1,Nisan 2002, sayfa 104-121.
3. C. Zhang, A. Wang, M.Tang, B. Wu, N.Zhang, “Influence of aggregate size and
aggregate size grading on ASR expansion”, Cement and Concrete Research 29 (1999)
1393-1396.
4. Y.Wakizawa, “Alkali-silica reactivity of Japanese rocks” Engineering Geology 56
(2000) 211-221.
5. S.A.Marfil, P.J. Maiza, “Deteriorated pavements due to the alkali-silica-reaction. A
petrografic study of three cases in Argentina”,Cement and Concrete Research 31
(2001) 1017-1021.
6. J.Duchesne, M.A. Berube, “Long-term effectiveness of supplementary cementing
materials against alkali-silica reaction”, Cement and Concrete Research 31 (2001)
1057-1063.
7. K.Kishitani, M. Kobayashi, H.Tamura,” The rapid test JIS A 1804”, Cement and
Concrete Composites 16 (1994), pp 169-175.
8. M.A. Berube, J. Frenette, “Testing concrete for AAR in NaOH and NaCl solutions at
38 0C and 80 0C”, Cement and Concrete Composites 16 (1994), pp 189-198.
9. T.Bakharev, J.G. Sanjayan, Y. B. Cheng, “Resistance of alkali-activated slag concrete
to alkali-aggregate reaction”, Cement and Concrete Research 31 (2001) 331-334.
10. B.Mather, “How to make concrete that will not suffer deleterious alkali-silica
reaction”, Cement and Concrete Research 29 (1999) 1277-1280.