| Agregalardaki Zararlı Maddeler |
|
ALKALİ-SİLİKA REAKSİYONU Betonarme veya beton yapı elemanlarının zamanla bozulup işlevlerini beklenen servis ömürlerine ulaşamadan yitirmelerine birçok faktör sebep olabilir. Yapı elemanının durabilitesini 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 reaksiyonlar yapabildiği, böylece yapının yada yapı elemanının hacim sabitliğinin bozulması nedeniyle zarar görebildiği bilinmektedir. Alkali-Silika Reaksiyonu, bu tür kimyasal bozulma nedenlerinden biridir. [K. TOSUN, H. YAZICI, B. BARADAN,2000] 1920’li ve 1930’lu yıllarda ABD, Kaliforniya’daki beton yapılarda nedeni belirsiz çatlak oluşumlarına bağlı yıkımlar rapor edilmiştir. Beton malzemelerin standartlara uygun olmasına rağmen, yapım yılını takiben birkaç yıl içinde çatlaklar oluşmuştur. Genellikle harita çatlağı şeklinde görülen sorun bazen de çatlaklardan jel çıkışı, betonun patlaması gibi belirtiler de göstermiştir. Stanton, 1940 yılında çatlamanın (daha sonra Alkali-Silika Reaksiyonu olarak adlandırılan) kimyasal bir reaksiyonun sonucu olduğunu açıklamıştır. [F.BEKTAŞ,] Gerek ülkemizde gerekse diğer ülkelerde birçok betonarme yapıda hasarlar meydana getiren ASR, oldukça kompleks kimyasal bir reaksiyondur. Bazı çimentoların içinde fazla miktarda bulunan sodyum oksit (Na20) ve potasyum oksit (K20) 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. Reaksiyonun neden olduğu genleşme belli bir sınırı aştığında beton için potansiyel bir tehlike oluşturur.[A. M. NEVILLE] Çimento, hammaddesi en kolay ve bol bulunan bir ürün olarak bilinir. Özellikle ülkemizde, hemen hemen her bölgede çimento temel hammaddesi olan kalker ve kile rastlamak mümkündür. Ancak doğada bulunan bu maddelerin hiçbiri ideal bir klinker üretimi için istenilen özelliklere uygun olmadığı gibi, hiçbir zaman sürekli bir homojen yapı göstermezler. Bilindiği gibi çimento fabrikalarında günde binlerce ton kalker ve kil kullanılır. Bu çapta bir madde akışı içinde ocaklarda seçme, ayırma ve kontrol olanakları son derece sınırlı kalır. Ocaklardan doğrudan alınan hammaddelerde, içinde klinker üretimi için sakınca yaratabilen birçok bileşen bulunabilir. Genellikle sediman bir oluşum olan kil mineralleri içinde magnezyum oksit, sülfat, klorür, serbest silis (kuvars), sodyum ve potasyum oksitlerine rastlanabilir. Hammadde içinde fırına giren bu bileşimler klinker oluşum reaksiyonlarına katılmazlar. Ancak pişirme, öğütme ve üretilen çimentonun hidratasyonu sırasında çeşitli sakıncalar yaratırlar. Hemen hemen bütün kil mineralleri içinde alkali oksitlerine ve klorür tuzlarına rastlanır. Bu bileşenlerin çimento içinde belli değerlerden fazla bulunması istenilmez. Hatta normal değerlerde bulunması halinde bile, özellikle ön ısıtmalı klinker üretim sistemlerinde büyük sorun yaratırlar. En uygun hammadde kullanımı halinde bile alkali oksit ve klorür etkilerinden tam olarak kurtulmak söz konusu olmadığına göre, bu bileşenlerin zararlı etkilerinden kurtulmak için özel önlemlerin alınması gerekir. Pratikte çimento içinde bulunan alkali oksit yüzdesi büyük önem taşımaktadır. Ülkemiz standartlarında herhangi bir sınır değer bulunmamakla beraber, ASTM standartlarında çimento içindeki toplam alkalinite yüzdesinin % (Na20+0,658 K20) 0,6 ‘dan fazla olmaması şartı bulunmaktadır. [B. Ö. ŞENSÖZ, S. YALÇN,2001] 2. ALKALİ-SİLİKA REAKSİYONU MEKANİZMASI ASR’nin oluşabilmesi için agregada reaktif silika formları, yeterli miktarda alkali ve ortamda nem bulunmalıdır. Bu koşullardan herhangi biri olmazsa ASR nedeniyle bir genleşme de olmayacaktır. ASR basitçe iki aşamada görülebilir; 1. Alkali + Reaktif Silika > Alkali-silika jel ürünleri 2. Alkali-silika jeli + Nem > Genleşme Reaksiyonun oluşabilmesi için çimento alkali içeriğinin “eşdeğer Na20” değeri olarak % 0,6 değerini aşması gerekir. Portland çimentosunun toplam alkali içeriği sodyum oksit eşdeğeri olarak şu ifade ile hesaplanmaktadır; [Thomas Telford Ltd.] (Na20)e = Na20 + 0,658 K20 Çimentoda bulunan sodyum ve potasyum oksitler çimentonun hammaddelerinden (kil, kireçtaşı, şeyl vb) kaynaklanır.Ayrıca alkaliler, çimento dışında; agrega, karışım suyu, beton katkı maddeleri, buz çözücü tuzlar, zemin suyu, beton kür suyu ve endüstriyel atık suları aracılığıyla beton bünyesine girebilirler. [A. M. NEVILLE] Genelde sadece çimento ve çimentolanma özelliği olan malzemelerin alkalinitesi göz önüne alınmaktadır. Ancak, betona katılan kimyasal yada mineral katkılar alkali içeriyorsa gelen ilave alkali miktarı gözönüne alınır. Beton içine alkali girişi sadece çimentodan kaynaklanıyorsa alkali içeriği şu ifade ile hesaplanabilir;[ M.KALMIŞ, N.GUNGOR, S.ERIBOL] [Çimentonun alkali %] x [Çimento dozajı (kg/m3) 1 = Betondaki alkali miktarı (kg/m3) Betonun alkalinitesi arttıkça ASR potansiyeli de artar. Alkali hidroksit çözeltisi, reaktif agregalarla kolayca reaksiyona girer. Yüksek konsantrasyonl u alkali çözeltide, silikanın kararlı formları bile güçlü silikon bağlarının kırılması nedeniyle reaksiyona girebilir. Agreganın reaktifliği arttıkça daha düşük alkalili çözeltilerde bile jel reaksiyonu oluşabilir. Silika mineralleri reaktiflikleri açısından opal, kalsedon, kristobalit, kriptokristal kuartz olarak sıralanabilir. Bu minerallerden bir veya birkaçının birarada bulunduğu kayalar arasında, opal, kalsedon, kuartz çörtleri, silisli kireçtaşları, silisli dolomitler, riyolit ve tüfleri, dazit ve tüfleri, silisli şeyller, filitler, opalli oluşumlar, çatlamış ve boşlukları dolmuş kuartzlar sayılabilir.[ Thomas Telford Ltd.] ASR’nin genel mekanizması bilinmekle birlikte, beton üzerine yapmış olduğu etkiler henüz tam olarak açıklığa kavuşmamıştır. Orneğin çimento alkalinitesi belli bir değere erişince betonda şişme görülmekte, fakat alkalinite ile doğru orantılı olarak artmamaktadır. Buna karşılık çimento dozajının artışı, şişmenin de artmasına neden olmaktadır. ASR için mutlaka suya ihtiyaç olduğu halde, su içinde bekletilen betonlarda şişme meydana gelmemektedir. Maksimum şişme betonun doygun rutubetli atmosferde tutulması halinde görülmektedir. Reaktif agreganın inceliği reaksiyon hızını arttırmakla beraber, yüksek incelikte olan mineraller her zaman aynı derecede şişmeye neden olmamaktadır. Beton yapının poröz olması halinde, oluşan alkali silikat jeli beton boşlukları içine dolarak betonda herhangi bir şişme meydana getirmemektedir.[ B. Ö. ŞENSÖZ, S. YALÇIN,2001] ASR’nin oluşumuna neden olan bir diğer koşul olan nem, bozulmanın ve hacim değişikliğinin şiddeti üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. ASR, yanlızca nem varlığında gerçekleşir. Nem, alkali iyonlarının yayılmasına, oluşan jel ise su emerek şişip genişlemeye ve betonda içsel çekme gerilmelerinin doğmasına böylece agrega ile onu çevreleyen çimento harcının çatlamasına neden olurlar. (Fotoğraf 2.1.) Çatlamadan sonra ortama giren su, jelin emebileceğinden fazla olursa bir miktar jel dışarı sızar, bu durum ileri düzeyde bir hasarın kanıtıdır. Su, ASR’de iki rol üstlenmiştir, taşıyıcılığın yanısıra jelin büyümesini de sağlar. Betonun kurutulması ve ileride su ile temasının önlenmesi reaksiyonun durdurulması için etkilidir. Aksine, tekrarlı ıslanma ve kuruma, alkali iyonlarının göçünü hızlandırarak reaksiyonun şiddetini arttırır.[ Thomas Telford Ltd.] Fotoğraf 2.1. ASRJeIinin Beton İçinde Oluşumu [ACI 221.İR State of the Report on Alcali-Agrigate Reactivity 1
ASR üzerinde beton karışım oranları, agrega boyutu, hava katkısı, mineral ve kimyasal katıkların ve ortam sıcaklığının da etkisi vardır. Reaktif agrega/alkali oranının belirli bir değerde olması maksimum genleşmeye neden olmaktadır. Yapılan araştırmalar bu oranın 3 ile 10 arasında değiştiğini göstermekte, pik genleşmeye neden olan bu değere “pesimum oran” denmektedir. Bu davranış, deneylerde şüpheli kumlar ve reaktif olmayan kırmataş tozu farklı oranlarda kullanılarak belirlenebilmektedir.[ Thomas Telford Ltd.] Şekil 2.1. Silisli Agrega İçeren Bir Betonun İç Yapısı. [GLASSER,1992]
Uygulayıcılar, ASR’nin betonu kendiliğinden tahrip etmediğini doğrulamaktadırlar. Daha ziyade, ASR’ye maruz kalan beton, günden güne ortaya çıkan zararlarla daha erken yıpranarak, güçsüzleşmektedir. ASR’nin yıpratıcı kimyasal reaksiyonlarına dair bilinenler köprü tabliyelerindeki harita şeklinde ve uzunlamasına çatlaklar ile taşıyıcı kolonlardaki uzunlamasına çatiaklardır. ASR’nin sebep olduğu neden-sonuç ilişkileri, ASR’nin betonun AIDS’i “ olarak adlandırılmasına yol açmaktadır.[ T. KUENNEN] 3. ALKALİ-SİLİKA REAKSİYONUNU ETKİLEYEN FAKTÖRLER 3.1. Karışım Oranlarının Etkisi Reaktif agrega içeren bir betonun karışım oranlarını değiştirerek betonun reaktif agrega içeriği ve hidroksil iyonu konsantrasyonu değiştirilebilir. Bu değişim aynı zamanda betonun sonuçtaki genleşme miktarını da etkiler. Genleşmenin reaktif alkali/silis oranına bağlı olduğu Şekil 3.1.’de görülmektedir. Maksimum genleşme, reaktif alkali/silis oranının 3.5 ile 5.5 olması durumunda meydana gelmektedir. Harç ve betonların bu davranışı pratikte önemlidir. Şekil 3.1. ReaktifSilislAlkali Oranına Göre Genleşme Miktarları. [HOBBS, 1988]
Su altında saklanan numunelerin genleşmesi su/çimento oranına altında saklanmayan numunelerde reaksiyon, su buharının difüzyon olarak kontrol edilmektedir. [K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] 3.2. Alkali İçeriğinin Etkisi bağlı iken su hızına bağlı Betonda kullanılan çimentonun alkali içeriğinin değişmesi, betonun hidroksil iyon konsantrasyonunu, betonun alkali içeriğini ve reaktif silis/alkali oranını değiştirir. Suda bekletilen harç çubuklarında çimentonun alkali içeriğinin genleşmeye etkisi Şekil 3.2.’de görülmektedir. Çimentonun alkali miktarı arttıkça pesimum davranış eğrisi genişlemekte ve maksimum genleşme reaktif silis/alkali oranı 4.5 civarında iken meydana gelmektedir. Benzer alkali içeriklerinde, genleşme miktarlarında önemli farklılıklar gözlemlenmiştir. Bu farklılıklar aşağıdaki faktörlere bağlı olabilir;
• Çimentolardan farklı hızlarda alkali açığa çıkması. • Çimentoların sodyum/potasyum oranlarındaki değişimler. • Farklı hızlarda dayanım kazanımı. [ K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] .kLIU h
Şekil 3.2. Çimentonun Alkali İçeriğinin Genleşmeye Olan Etkisi [HOBBS, 1988]
3.3. Reaktif Agreganın Cinsinin ve Tane Büyüklüğünün Etkisi Betonda ASR’nun oluşabilmesi için herhangi bir formda reaktif silisin bulunması gerekmektedir. Reaktif silis oldukça farkı doku ve kristal yapısı sergiler. Silisin doku farklılığı, kayaçlaşma sürecinde azalan soğuma hızına bağlıdır. Agregadaki silisli mineraller kayaç oluşum sürecinde soğuma hızına bağlı olarak amorf veya camsı (kristalleşmemiş) yapıdan kripto kristal, mikro kristal ve kristal yapıya kadar geniş bir aralığa dağılırlar. Kimi durumlarda kuvars kristallerinin oluşumu sırasında içsel gerilmeler oluşur. Bu tür kuvars mineralleri içeren agregalar reaktiftir. 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 • Granitik gnayslar • Deforme olmuş granitik gnayslar • Diğer silis içeren metamorfik kayaçlar • Silisli ve mikalı şist ve filitler • İyi kristalize olmuş volkanik kayaçlar • Pegmatitik volkanik kayaçlar • Silis içermeyen kayaçlar Reaktif agreganın tane büyüklüğü de ASR sebebiyle oluşabilecek zararlar üzerinde etkilidir. Büyüklüğü 75 Mm ile 1 mm arasında değişen, hatta bazen 5 mm’ye kadar çıkabilen boyutundaki reaktif agrega kullanılması durumunda genleşmenin maksimum olduğu görülmektedir.Ancak, 75 Mm altındaki boyutlarda reaktif agreganın fazla miktarda bulunması halinde genleşme oluşmadığı halde reaksiyon delillerinin ortaya çıktığı gözlenmiştir. Reaktif agreganın boyutunun etkisi, reaktif agreganın fiziksel ve mineralojik karakterine de bağlıdır. Gözenekliliği fazla olan agreganın içine boşluk çözeltisinin girişi daha kolay olmakta ve reaksiyon alanı artmaktadır. [K. RAMYAR, H. DONMEZ, 0. ANDIÇ,2002] 3.4. Dış Alkalilerin Etkisi Kar mücadelesinde kullanılan tuz (NaCI), deniz suyu, beton kür suyu ve endüstriyel atık suları aracılığıyla beton bünyesine dışarıdan giren alkaliler, dış alkaliler olarak adlandırılır. Özellikle geçirimli betonlarda ve/veya çatlaklar oluşmuş betonlarda dış alkalilerASR’nun neden olduğu genleşmeleri arttırır. Deniz suyunun sertleşmiş betonda oluşan ASR genleşmelerini arttırıcı etkisi, hidrate C3A ve portlandit bileşenlerinin NaCI ile oluşan reaksiyonu sonucu 0H miktarının artması sebebiyledir. [K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] 3.5. Rutubetin Etkisi Rutubet, silisin çözülmesine, alkali iyonlarının yayılmasına ve reaksiyon bölgesinde jel oluşumuna sebep olur. Oluşan jel ise su emerek şişip genişler ve betonda içsel çekme gerilmeleri oluşmasına yol açar. Araştırmalar, bağıl nem oranı %80’in üzerinde olan betonlarda ASR’nun oluştuğunu göstermektedir. Düşük su/çimento oranlı betonun, ilave çimento, mineral katkı veya herhangi bir başka yolla beton geçirimliliği azaltılırsa; rutubetin betona girişi ve beton içinde dolaşımı azalır. Dolayısıyla beton içinde alkalilerin yayılması da azaltılmış olur. Betonun sürekli olarak suya doygun halde oluşunun mu, yoksa sıkça kuruyup ıslanmasının mı daha çok tahribat yarattığı kesin olarak bilinmemektedir. Ancak sık kuruma-ıslanma tekrarının betonda alkali taşınmasının kolaylaşmasına ve alkalilerin kuruma bölgelerinde yoğunlaşmasına neden olduğundan bu bölgelerde reaksiyonun hızlı gelişimine yol açtığı bilinmektedir. [K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] 3.6. Sıcaklığın Etkisi Sıcak iklim koşullarındaki yapılar, soğuk iklim koşullarındakilere göre ASR’na karşı daha duyarlıdır. Çünkü reaksiyonun hızı sıcaklık arttıkça artar. Sıcaklık artışı, agreganın büyük çoğunluğunda aşırı termal gerilmelere sebep olur. Bazı agregalarda yapılan araştırmalar, 132O0 0 aralığındaki ölçümlerin 38° C’dekinden farklı olduğunu göstermiştir. Yüksek ve düşük sıcaklıkların genleşmeye etkisi agregaya bağlıdır. Agregaların büyük çoğunluğu daha yüksek sıcaklıklarda daha fazla reaktiflik göstermektedir. [K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] 3.7. Sürüklenmiş Havanın Etkisi Reaktif agrega içeren ancak ASR sebebiyle hasar görmeyen yapılar incelendiğinde, jelin hava boşluklarını tamamen veya kısmen doldurduğu görülmektedir. Bundan dolayı, jelin hasar görmemiş betonda hava boşluklarını doldurarak ilerlediğini ve hava sürükleyici katkı kullanımının ASR sebebiyle oluşan hasarı önleyebileceği söylenebilir. [K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] 4. ALKALİ-SİLİKA REAKSİYONUNUN BELİRTİLERİ Betonda ASR ürünleri oluşmadıkça ASR hasarından bahsedilemez. Yapılacak dikkatli incelemelerle tespit edilebilecek ASR belirtileri; genleşme, betonda çatlaklar, yüzey birikintileri, yüzey parçalanmaları-patlamaları ve renk değişimleridir. [M. ARSLAN 2001] ASR varlığının en tipik göstergesi, genleşmelerle ortaya çıkan harita çatlağı tipindeki çatlak desenleridir. Fotoğraf 4.1. ASR çatlaklarının deseni, yapılarda oluşan zemin ve muhtelif yüklerin neden olduğu çatlak düzenlerinden oldukça farklıdır. [M. ARSLAN 2001] Şekil 4.1. ASR’nin neden olduğu harita çatlakları. [ACI 201.2R Guide to Durable Concrete]
Yapılabilecek göz muayenesi ile; çatlakların konumu ve deseni, uzunlukları, genişlikleri, görünür derinlikleri, çatlakların agrega kesitinden mi yoksa çimento hamurundan mı geçtiği saptanabilir. ASR’nin oluşturduğu jelleşme, agrega taneciği içinde veya agrega taneciği çevresinde reaksiyon halkası biçiminde gelişebilir. Bulabildiği ölçüde su emerek enerjisini boşaltan bu jel, su emdikçe hacimsel olarak büyür (şişer). ASR’den kaynaklanan çekme gerilmeleri nedeni ile 3 veya 4 kollu yıldız şeklinde çatlar. Şekil 4.1. ASR jelinin su emerek şişmesi sonucu beton içinde depolanan potansiyel enerji, bu çatlamalar ile boşalır. [M. ARSLAN,2001] Fotoğraf 4.1. ASR’den Kaynaklanan Çatlaklara İlişkin Görünüşler.
Beton çatlakları boyunca beyazdan griye kadar değişen renklerde ASR jeli yada kalsiyum karbonat tortuları görülebilir. Bu birikintilere bazen yüzey tortuları veya salgıları da denir. Çatlaklardan dışarı sızan bu maddeler, beyaz sarımtırak veya renksiz, viskoz, akışkan, mumsu, elastik yapışkan yada sert olabilirler. [M. ARSLAN 2001] Yüzeyde veya yüzeye çok yakın bölgelerdeki parçalanmalar, tipik bir mısır patlaması gibi davranarak beton yüzeylerinde küçük çukurlar oluşturur. Ileri yaşlarda, ASR kopmalarının kaplama betonlarında daha çok görülür. Özellikle rutubetli, ıslak kohezif zeminler üzerinde olan beton kaplamalarda, rutubet yoğunlaşması patlama türü parçalanmaları arttırır. [M. ARSLAN,2001] Yüzeyde renk kaybı veya renklenmeler, genellikle harita çatlağı ile birlikte görülür. Koyu renkli veya kararmış bölgeler genellikle ASR’den kaynaklanmaktadır. Çatlak boyunca olan bölgelerde 2-3 mm genişlikte renk açılması, beyazlaşma, pembeleşme yada kahverengileşme görülebilir. [M. ARSLAN,2001] AKIl .JPG 5. ASR’unu KONTROL ALTINA ALMA YÖNTEMLERİ ASR’unu önlemenin en iyi yolu beton dökülmeden önce gerekli önlemleri almaktır. Bunun için bağlayıcı malzemelerin ve agregaların dikkatlice analiz edilmesi ve malzeme seçiminin verimliliğini ve ekonomikliğini optimize eden bir kontrol stratejisinin seçilmesi gerekir. ASR’unu önlemek için malzeme seçiminde aşağıdaki konulara dikkat edilmelidir; • Aktif silis içermeyen agregaların tercih edilmesi, • Betonun alkali içeriğini sınırlamak, • Ortamın nemini kontrol altında tutmak, • Katkı maddesi kullanımı. [K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] 6. ALKALİ-SİLİKA REAKTİVİTESİNİN BELİRLENMESİ 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 halde, agreganın veya belirli agrega-kombinasyonlarının zararlı alkali-silis reaksiyonu gösterip göstermeyeceğinin tespiti için deneyler yapmak gerekmektedir. Alkali-silis reaktivitesi hakkında günümüzde hala uluslararası kabul görmüş tek bir veya birkaç standart deney yöntemi bulunmamaktadır. Ulkeler, kendilerine en uygun deney metotlarını seçerek uygulamaktadırlar. Laboratuvar deneylerinin bazılarında reaksiyon, anormal yüksek çimento içeriği, alkali ekleme veya yüksek sıcaklıklarda test edilerek hızlandırılmaktadır. Test metotları, bu sebeple iki ana faktör göze alınarak değerlendirilmelidir. Birincisi, bu tür anormal koşullarda bazı silisli bileşenler normal koşullarda olduğundan çok farklı hızlarda reaksiyona girebilirler. İkincisi, reaksiyonun fiziksel etkileri çok farklı olabilir. Bu deneyler ancak, şantiye koşullarıyla veya normal şartlarda kürlenmiş numuneler üzerinde yapılan deneylerle karşılaştırıldığında anlamlı sonuçlara götürebilir. [ K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] 6.1. ASTM C 295- Agregaların Petrografik Analizi Petrografik inceleme, minerallerin cins ve yüzdelerine göre kayacın adlandırılması işlemidir. Agregalardan alınan ince kesitlerin optik mikroskop yardımıyla incelenmesi sonucu içeriklerinde bulunan potansiyel reaktif mineral fazların (reaktif silis) teşhisi mümkündür. X-ışını yayılımı ve tarayıcı elektron mikroskobu gibi yöntemler reaktif silisin saptanmasında faydalıdır. Agregaların yanı sıra, zarar gören beton ve harç numunelerden alınan ince kesitler üzerindeki çalışmalar sonucu, meydana gelen etkinin ASR sebebiyle olup olmadığını ek deneyler yapılması önerilir. Deney sonuçları, kullanılan kabın tipi, fitillerin bulunup bulunmayışı, çimentonun alkali içeriği, su/çimento oranı gibi faktörlerden önemli miktarda etkilenmektedir. Bu yöntemin dezavantajları, uzun süreli olması, kür koşullarındaki farklılıklar sebebiyle değişimler gösterebilmesi ve özellikle bazı yavaş reaktif agregaların reaktivitelerinin saptanamamasıdır. Bu yöntem, ayrıca mineral ve kimyasal katkıların ASR genleşmesindeki azaltmalarını ölçmede de kullanılmaktadır. [ASTM 0 227, K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] tanımlayabilmek mümkündür. Petrografik incelemeyi yapan kişinin bu konudaki deneyimi önemli bir faktördür. ASR üzerinde kimyasal metotlar, beton veya harç numuneleri ile testler uygulamadan önce bu analizin uygulanması zaman kazandırmak ve uygulanacak metodun agrega tipine göre seçimini kolaylaştırmak bakımından önemlidir. [ASTM C- 295, K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] 6.2. ASTM C 289- Kimyasal Metot Bu yöntem çabuk ve görünürde açık sonuçlar verdiği için daha çok kullanılmaktadır. Agregayı temsil eden 25 gr ağırlığında ve 150-300 Mm’ye kırılmış numune, 25 mI 1 M sodyum hidroksit çözeltisinde 80 0 derecede 24 saat boyunca bekletilir. Daha sonra filtre edilir ve asitte titre yöntemiyle çözülmüş silis ile alkalinitedeki azalma analiz edilir. Deney üç kez tekrarlanır. Sonuçlar daha sonra Şekil 4.1. ‘deki eğride işaretlenerek kontrol edilir. Bu şekilde Rc alkalinitedeki azalmayı, Sc ise çözülmüş silisi ifade etmektedir. Eğer tüm sonuçlar eğrinin sol tarafındaki bölgede ise agrega zararsız olarak kabul edilebilir. Bu eğri, yüksek alkali içerikli harç çubuğu genleşmeleri, agregaların petrografik analizleri ve betonda kullanılan agregaların saha performansları dikkate alınarak çizilmiştir. [ASTM 0 289K. RAMYAR, H. DONMEZ, 0. ANDIÇ,2002] Şekil 6.1. Alkalinitedeki Azalma-Çözünmüş Silis Grafiği
Bu metot, belirli şartlarda kürlenen harç numunelerinin belirtilen süre sonucundaki boy değişimlerinin (genleşme yüzdesi) ölçülerek çimento-agrega kombinasyonlarının reaktivitelerinin belirlenmesi esasına dayanır. Belirtilen gradyasyonda agrega elenerek agrega/çimento oranı 2.25 ve akma değeri % 105- 120 arasında olacak şekilde bir harç karışımı hazırlanarak 25x25x285 mm boyutundaki prizmatik kalıplara dökülür. Genellikle, alkali içeriği kütlece % 1.0 ile % 1.2 eşdeğer Na20 olan çimento kullanılır. 24 saat sonunda kalıplardan çıkarılan numunelerin boyları ölçülür. Numuneler, 38 0 derece sıcaklıkta ve kenarlarında ortamı nemli tutan fitil görevi gören kurutma kağıdının bulunduğu kapalı kaplarda nemli ortamda (su üzerinde) saklanır ve periyodik olarak ölçümleri alınır. Genleşme limitleri üç numunenin ortalaması alınarak, 6 ayda % 0.10 veya 3 ayda % 0.05’tir. 6 aylık genleşme limitlerinin sınır değeri aşması halinde oluşan genleşmenin ASR sebebiyle olduğunun kesin değerlendirilmesinin yapılabilmesi için 6.4. ASTM C 441- Mineral Katkıların veya Yüksek Fırın Cürufunun Etkinliklerini Ölçen Standart Deney Metodu Bu metot, mineral katkılarının veya yüksek fırın cürufunun agregalarla çimento alkalileri arasındaki reaksiyon sonucu meydana gelebilecek zararlı genleşmeleri önlemedeki etkinliğini inceler. Pireks camı reaktif agregası ile mineral katkı veya cüruf içeren çimento kombinasyonları kullanılarak hazırlanan harç çubuklarının standart kür koşullarında, belirli periyotlardaki genleşmeleri değerlendirilir. Önce, 400 gr yüksek alkalin çimento ile belirli gradasyondaki 900 gr pireks camı agrega kullanılarak kontrol karışımı hazırlanır. Bu karışımın 14 günlük minimum genleşmesi % 0.250 olmalıdır. Cüruf dışındaki mineral katkılarda 300 gr yüksek alkalin çimento ile mutlak hacmi 100 gr çimentoya eşit miktarda (100 x mineral katkının yoğunluğu / 3.15) mineral katkı kullanılır. Kullanılan katkı cüruf ise mutlak hacmi 200 gr çimentoya eşit miktarda (100 x cürufun yoğunluğu / 3.15) kullanılır. Belli durumlar için şantiyede kullanılacak oranlarda çimento-katkı karışımları ile şantiyede kullanılacak alkalinitede çimento kullanılabilir. Numunelerin döküm, kürleme ve ölçüm işlemleri ASTM 0 227’deki gibidir. Deney süresi sonunda kontrol numunesi ile katkı içeren numuneler arasındaki “genleşme miktarı ndaki azalma” değeri yüzde cinsinden hesaplanır. ASTM’ye göre, genleşme miktarındaki azalma değerinin % 75 veya daha fazla olması halinde kullanılan mineral katkı miktarı uygundur. Belirli bir çimento agrega kombinasyonunun kullanılması halinde ise 14 günlük maksimum genleşme değeri % 0.02 olarak belirlenmiştir. Bu metodun eleştirildiği konular; pireks camı gibi çok yüksek reaktivitedeki bir malzemenin doğal agrega gibi davranmadığı ve bu sebeple gerçekçi sonuçlar alınamayacağı ve pireks camının değişken kompozisyona sahip, ortalama alkali veren bir malzeme olması sebebiyle alkali katkısının deney sonuçlarını etkileyebileceğidir. [ASTM C 441, K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] 6.5. ASTM C 1293- Beton Prizma Metodu Bu deneyin amacı, beton prizmalarının boy değişimi ile agregaların alkali reaktivitesi hakkında fikir edinmektir. Daha önce agregaların petrografisi ile ilgili bilgi edinilmesinde fayda bulunmaktadır. Deney uygulanacak agrega ince agrega ise reaktif olmayan kaba agrega ile karıştırılarak kullanılır. Kaba agreganın reaktivitesi ölçülecek ise reaktif olmayan ince agrega ile karıştırılıp belli gradasyona getirilen malzeme 75x75x287 mm kalıplara dökülür. Numunelerin çimento içeriği 420 kg/m3 olup su/çimento oranı 0.42 ile 0.45 arasında işlenebilirliği sağlayacak şekilde ayarlanmalıdır. Kullanılan çimentonun eşdeğer Na20 içeriği, karışım suyuna NaOH eklenerek çimentonun kütlece % 1.25’ine yükseltilir. 24 saat sonra kaptan çıkarılan numunelerin ilk boy ölçümleri alındıktan sonra 38 0 derece sıcaklıkta, nemli ortamda (su üzerinde) standartta belirtilen şekilde saklanır. Saklama kabında fitil kullanımı bu yöntemde de mevcuttur. Genleşme limitleri üç numunenin ortalaması alınarak, 1 yıllık periyot sonunda % 0.04 olarak belirlenmiştir. Bu metot genelde diğer test metotlarına ek olarak kullanılmaktadır. Direk olarak beton üzerine uygulandığından gerçeğe daha yakın sonuçlar vermekte ve bu sebeple diğer deney metotları yetersiz kaldığında kullanılmaktadır. Yine bu metot, mineral ve kimyasal katkıların ASR genleşmelerine etkisi hakkında en gerçekçi sonuçları vermektedir. [ASTM 0 1293, K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] 6.6. ASTM C 1260- Hızlandırılmış Harç Çubuğu Metodu Bu metot, kür şartlarını ağırlaştırarak reaksiyonu hızlandırmakta ve agregaların reaktivitesinin 16 gün içinde tespitine olanak vermektedir. Uygulamadan önce agregaların petrografik analizinin ve limitlerin üzerinde genleşme görüldüğü taktirde önceki metotlarda belirtildiği şekilde reaktivitenin ASR sebebiyle oluşup oluşmadığının incelenmesi önerilmektedir. Standartta belirtilen gradasyondaki agrega, kütlece çimentonun 2.25 katı kadar kullanılarak su/çimento oranı 0.47 olan harç karışımı hazırlanır. 25x25x285 mm boyutlarındaki kalıplara dökülen harç numuneleri 24 saat sonra kalıplardan alınarak ilk boyları ölçülür. Kalıplarda numune üzerine yapışarak suyun difüzyonunu önleyebilen standart kalıp yağları yerine teflon sprey gibi artık bırakmayan tipte kayganlaştırıcı materyal kullanılır. Kalıp sökümünden itibaren 1 gün süreyle 80 0 derece suda bekletilerek boy ölçümleri alınan numuneler, takip eden 14 gün boyunca 80 0 derece İN NaOH çözeltisinde bekletilir ve periyodik ölçümleri alınır. Standart, çimentonun alkali miktarı hakkında bir değer vermemektedir, bunun nedeni kür koşulları nedeniyle numunelerin boşluk çözeltisi alkalinitesinin artmasıdır. Toplam 16 gün süren deney sonucunda, genleşme yüzdeleri şöyle değerlendirilir; 16 gün sonundaki genleşmeler, % 0.10 değerinin altıdaysa agregalar zararsız davranış göstermektedir. 16 gün sonundaki genleşmeler, % 0.20 değerinin üstündeyse agregalar potansiyel olarak zararlı genleşme gösterirler. 16 gün sonundaki genleşmeler, % 0.10 ile % 0.20 değerinin arasındaysa agregalar, şantiye koşulları altında hem zararlı hem de zararsız davranış gösterebilirler. Karar vermeden önce ek deneylerle genleşme sebebinin araştırılması ve ölçümlerin 28 güne kadar uzatılması önerilmektedir. Bu metot, kür koşulları oldukça ağır olduğundan tatmin edici şantiye performansı gösteren bazı agregaların da reaktif olarak tanımlanabilmesi gibi bir probleme yol açabilmektedir. Yine de deney süresinin kısa olması ve pratikliği sebebiyle araştırmalarda daha çok tercih edilmektedir. [ASTM 0 1260, K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] 6.7. Jel Pat Metodu Bu metotta agrega örneği koyu kıvamda çimento hamurunun içine gömülür ve yüzeyi bilenerek agrega parçalarının açığa çıkması sağlanır. Alkalin çözeltiye batırılan hamur, stereoskopik mikroskop ile periyodik aralıklarla incelenir. Deney, 20 o derece sıcaklıkta veya yükseltilmiş sıcaklıklarda uygulanabilmektedir. Agregada opal silis içeren bileşik olması halinde birkaç gün içinde jel oluşumu gözlenebilir. Bu metot, petrografik mikroskop altında incelenemeyecek kadar ince dağılımlı reaktif silisin ortaya çıkarılmasına imkan verir. Bu deney sonucunda reaktif olabileceği izlenimi veren agrega hakkında yeterli saha performansı olmadığı taktirde beton veya harç prizma yöntemlerinden birinin uygulanması önerilmektedir. [ K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] 6.8. Alman Çözünme Metodu Bu metot, opal ve flint içeren agregaların potansiyel alkali reaktivitesini değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Seçilen tanecik boyutundaki agregalar (1-2 veya 2- 4 mm) 90 0 derecede 4 M NaOH çözeltisinde 1 saat boyunca bekletilir, kurutulup tartılan agregalardaki kütlece kayıp, “alkalide çözülebilir” olarak adlandırılmaktadır. Böylece agreganın alkalin ortamdaki kimyasal kararsızlığını ortaya koymakta fakat çeşitli çimento kombinasyonlarıyla birlikte davranışını ve genleşme yaratıp yaratmayacağını belirleyememektedir. Ayrıca, 1 mm boyutunun altındaki agreganın potansiyel reaktiviteye katkısını gözönüne almamaktadır. [K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002 1 6.9. Ozmotik Hücre Metodu Ozmotik hücre, agrega parçacığı ile çimento ara yüzeyinin modellemesidir. Ozmotik hücre, her biri İN NaOH çözeltisi içeren iki adet odacıktan oluşmaktadır. Odacıklar, su/çimento oranı 0.55 olan çimento hamuru zarı ile birbirlerinden ayrılır. Reaksiyon odası adı verilen odacıkta 150-300 mm boyutlarında 12.40 gr ağırlığında agrega parçacıkları bulunmaktadır. ASR oluştuğunda çözelti, çimento hamuru membranının içinden “havza odacığından” , “reaksiyon odacığına” doğru akar. Her odacığın üst kısmındaki ince borucuklardaki çözelti miktarındaki değişim, bu akışın miktarını ve hızını ölçmeye imkan tanımaktadır. Günde 1.5-2.0 mm gibi bir akış hızı, agreganın potansiyel olarak reaktif olduğunun göstergesidir. Ters bir akış gözlenmesi, agreganın reaktif olmadığının işaretidir. Bu deney normal reaktif bir agregada 30-40 gün devam ederken hızlı reaktif agregada 2-3 günde sonuç vermektedir. Bu metot, reaktivitenin hızlı değerlendirilmesine imkan vermektedir. Gelişme deneyleri ile birlikte kullanılması faydalıdır. [K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002 1 6.10. Otoklav Metotları Bazı araştırmacılar, harç veya beton numuneleri yüksek sıcaklık ve basınç altında alkali çözeltisinde veya suda kaynatarak yada buhar kürüne tabi tutarak agregaların reaktivitesini ölçmek için metotlar öne sürmüşlerdir. Bu konuda standart bir deney yöntemi olmamakta ve numune boyutlarından kullanılan malzeme miktarına ve kür koşullarına kadar pek çok faktör değişiklik göstermektedir. Amaç, boy değişimi ve çatlakların incelenerek agregaların reaktivitesinin belirlenmesidir. [K. RAMYAR, H. DONMEZ, 0. ANDIÇ,2002] Bu
yöntemler dışında pek çok farklı araştırma metodu mevcuttur. Kimyasal büzülme
metodu, Duggan genleşme metodu vb. Onemli olan nokta; agregalar
değerlendirilirken, uygulanan deney yöntemleri öncelikle agreganın saha
performansı verileriyle, veri yoksa diğer deney metotlarıyla karşılaştırmalı
olarak test edilmesi gerekliliğidir. İlk olarak yapılacak petrografik analiz,
agregaların seçimi ve reddinde kullanılacağı gibi, müteakip deney metotlarının
seçimi hakkında da fikir verecektir. Hızlı deney metotları arasında
istatistiksel olarak en güvenilir test metodu, hızlandırılmış harç çubuğu
metodudur. Uzun süreli metotlar arasında en gerçekçi sonuçları ise beton prizma
metodu vermektedir. Tablo 6.1. ‘de ASR test yöntemlerine ilişkin
karakteristikler karşılaştırmalı olarak verilmiştir. [K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö.
ANDİÇ, 20 02] 7. MİNERAL VE KİMYASAL KATKILARIN ASR’YE ETKİLERİ 7.1. Mineral Katkıların ASR’na Etkisi Mineral katkılar, kendi başına bağlayıcı özellik taşımayan, ince öğütüldüğünde ve nemli ortamda çimento hidratasyonu sonucu açığa çıkan kireç ile reaksiyona girerek bağlayıcı özelliğe sahip bileşenler oluşturan silisli veya silisli-alüminli malzemelerdir.
Günümüzde, sertleşmiş betonda ASR sebebiyle meydana gelebilecek zararlı genleşmeleri kontrol etmesi mümkün olan tüm metotlar arasında puzolanik veya mineral katkıların kullanılmasının betonun durabilitesini ve ASR etkilerine karşı direncini arttırması bakımından avantajlara sahip olduğu kabul edilmiştir. Beton imalatında mineral katkıların ana malzemelerden biri olarak kullanımı, kar sağlamasının yanısıra teknik, enerji tasarrufu ve çevrenin korunumu açısından da faydalar sağlamaktadır. Mineral katkıların ASR genleşmesini azaltmasında hangi mekanizmanın baskın olduğu netlikle anlaşılamasada şu teoriler dikkate alınmaktadır; 1. Katkı maddeleri, Portland çimentosundan daha az reaktif oldukları ve daha düşük oranlarda alkali açığa çıkardıkları için seyreltici görevi görürler. Katkı içeren karışımlar, sadece çimento içeren karışımlara nazaran daha yüksek efektif su/çimento oranına sahiptirler ve su da alkali içeriğinin daha da seyrelmesine yol açar. Bazı mineral katkılarda ise çimentodan daha fazla çözünebilen alkali bulunmaktadır. Bu tür katkılar kullanıldığında yararlı etki görülmeyebilir. 2. Mineral katkılar, boşluk ve agrega-çimento arayeri iyileştirmesi yaparak daha düşük geçirimliliğe yol açmaktadır. Bu sayede, alkalilerin reaktif agregaya göçü yavaşlamaktadır. 3. Katkı maddeleri, çimento hamurundaki Ca(OH)2 içeriğini azaltarak pH’ını düşürmektedir. Ancak pH’ın, Ca(OH)2, C-S-H ve boşluk çözeltisi arasındaki denge ile belirlendiği ve bunların tek başlarına miktarlardan bağımsız olduğu belirtilmiştir. 4. Katkı
maddesi içeren sistemler, alkalileri sadece Portland çimentosu ile hazırlanan
karışımlardan daha güçlü bir şekilde bağlarlar. Portland çimentosu hamurunda
C-S-H’ın tipik Ca/Si oranı 1.8 iken mineral katkı kullanıldığında bu oran
düşmektedir. C-S-H’ın yüzeyindeki yük, Ca/Si oranına bağlıdır, bu oran yüksek
olduğu taktirde C-S-H’ın yüzey yükü pozitif olmakta ve C-S-H liflerinde anyonlar
emilmektedir. Bu durumda Na ve K kibi katyonlar boşluk suyunda kalırlar. Ca/Si
oranı 1.2 - 1.3’den düşük olduğunda C-S-H’ın yüzey yükü negatif olur ve C-S-H
ile alkali katyonları birleşir.[ K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002 1 Ortalama Kimyasal Kompozisyonları. [MONTERİO, 1997]
Mineral katkıların etkinliği incelenirken uygulanan deney yöntemleri de önem taşımaktadır. Hızlandırılmış harç çubuğu metodunda harç numunelerinin tabi tutulduğu kür koşulları, doğada betonların maruz kaldığı koşullardan çok daha şiddetlidir. Bu deneye tabi tutularak reaktif olduğu belirlenen bazı agregalar, normal servis koşullarında betonda genleşme göstermemişlerdir. Bu sebeple, anılan yöntemle reaktivitesi belirlenen agregalar üzerinde başka deneylerin de uygulanması önerilmektedir. Ancak mineral katkıların etkinliğini karşılaştırmalı olarak belirlemede, hızlandırılmış harç çubuğu metodu, bu amaç için uygun ve hızlıdır. ASR’nin oluşabilmesi için betondaki alkali miktarı da önem taşımaktadır. Alkaliler; çimentodan, katkılardan ve dış kaynaklardan gelebilirler. Genellikle düşük alkalin mineral katkılar, yüksek alkalilere nazaran boşluk çözeltisi alkali konsantrasyonunu, dolayısıyla da genleşmeyi azaltma bakımından daha etkilidir. Dışarıdan devamlı alkali girişi sözkonusu olduğunda (hızlandırılmış harç çubuğu yönteminde olduğu gibi) mineral katkının alkali içeriği ikinci plandadır ve puzolanik aktivite sonucu geçirimliliğin azalması olayı ön plana çıkar. [ K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] 7.1.1. Uçucu Külün ASR’na Etkisi Termik santrallerde, elektrik enerjisinin üretimi için toz haline getirilmiş kömür yakılmaktadır. Kömürün yakılması sonucu çeşitli gazlar ve yanmamış atıklar ortaya çıkar. Açığa çıkan kömür külünün yaklaşık %80’i baca gazıyla baraber uçar. Bu küller, atmosfere salıverilmeden bacalardaki filtreler tarafından tutulur. Bunlar literatürde “uçucu kül” (UK) olarak adlandırılırlar. Uçucu küllerin ana kimyasal bileşenleri; silis (Si02), alümin (A1203) ve demir oksit (Fe203)’tür. Uçucu küller, çeşitlerine göre farklı miktarlarda kalsiyum oksit (CaO), magnazyum oksit (MgO), sülfürtrioksit (S03) ve yanmamış kömür parçacıkları (karbon, (0)) içerirler. Uçucu kül puzolanik özellik gösterir. Yüksek oranda (%1O’dan fazla) CaO içeren uçucu kül puzolanik özelliğin yanısıra bağlayıcı özellik de gösterir. ASTM 0 618’e göre uçucu kül, 0 sınıfı ve F sınıfı olmak üzere ikiye ayrılır. F sınıfı uçucu külün Si02+A1203+Fe203 içeriği %70’ten fazladır. Antrasit veya bitümlü kömürden elde edilir. Sadece puzolanik özellik gösterir. 0 sınıfı uçucu külün 5i02+A1203+Fe203 içeriği %50’den fazladır. Linyit yada sibbitümlü kömürden üretilir. Kireç içeriği %10’dan fazla olabilir. Puzolanik ve bağlayıcı özellik taşır. Uçucu külün kireç içeriği %10’un üzerindeyse “yüksek kireçli uçucu kül” olarak adlandırılır. Uçucu kül, katkılı çimento üretiminde kullanıldığı gibi betonda belirli oranlarda çimento veya ince agrega yerine de kullanılmaktadır. Taze betonda sabit su/çimento oranında işlenebilirliği arttırır. Sertleşmiş betonda ise dayanım kazanma hızını yavaşlattığından erken yaşlardaki dayanımı düşürürken ileri yaşlardaki dayanımı arttırır. Ayrıca, puzolanik özelliği sayesinde oluşturduğu ikincil C-S-H’larla yapıyı daha yoğun hale getirir, agrega-harç arayerini iyileştirir ve bu sayede betonun geçirimliliğini azaltır. Bu sebeple, çeşitli kimyasal ve fiziksel etkilere karşı betonun durabilitesi artar.[ K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] Şekil 7.1. Değişik Oranlarda Uçucu Kül ve Silika Tozunun Birlikte Kullanıldığı
Harç Çubuğu Örneklerinin Zamana Bağlı Genleşme Değerleri Alkali-silika reaksiyonu, betonda uçucu kül gibi bazı puzolanların yeterli miktarda kullanılmasıyla geciktirilebilmekte veya önlenebilmektedir. Puzolanların ince taneleri içindeki silis çimento hamuru gözenek sıvısındaki alkalileri hızla bağlayarak yoğunlukları ve sıvının pH değerini azaltır. Bu durumda gözenek sıvısında azalan alkalilerin agregadaki reaktif silis ile reaksiyona girmeleri zorlaşır. Ayrıca, katkılı hamurda geçirgenliğin azalmış olması da olumlu etki yapmaktadır.[ A.YEGİNOBALI] 7.1.2. Yüksek Fırın Cürufunun (YFC) ASR’na Etkisi Demir cevherinden demir üretimi esnasında yüksek fırında kireçteşı veya dolomit varlığında erimiş cüruf oluşur. Bu cüruf, erimiş haldeki demirin üzerinden akar ve ayrık halde depolanabilir. 150016000 0 sıcaklığında eriyik cüruf yaklaşık olarak %30-40 oranında 5i02 ve %40 oranında CaO içerir, ki bu Portland çimentosunun kompozisyonuna benzemektedir. Çukurlarda yavaşça soğutulursa kristalleşerek melilit veya mervinit minerallerini oluşturur. Bu mineraller çok az hidrolik değer taşıdığından beton agregası veya yol temel tabakası olarak kullanılabilirler. Suda granüle edilerek hızlıca soğutulduğunda camsı bir yapı oluşturur. Bu camsı yapı kurutularak öğütüldüğünde hidrolik özellik kazanır. Bu yapı, hidrate olmak için alkalin bir ortama ihtiyaç duyar, ancak silis dumanı ve F sınıfı uçucu kül gibi kirece ihtiyaç duymaz.[ K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] Şekil 7.2. Cürufun Camsı Yapısının Şematik Açıklaması.
Yüksek fırın cürufunun bağlayıcı madde olarak betonda kullanımı, istenilen özelliklere bağlı olarak toplam bağlayıcı maddenin %20’si ile %80’i arasında değişebilmektedir. Betonda kullanımın önemli faydaları; işlenebilirliği arttırması, priz süresini geciktirmesi, hidratasyon ısısını ve kanamayı azaltması, 7 günden sonraki dayanımı arttırması, yoğun bir yapı oluşturarak geçirimsizliği arttırması ve sülfat etkisi ile ASR gibi durabilite problemlerine karşı dayanıklı bir yapı oluşturmasıdır. Bunun yanısıra özellikle soğuk havalarda prizin yavaşlaması, daha fazla hava sürükleyici katkıya ihtiyaç duyulması ve erken yaşlardaki dayanım kayıpları yüksek fırın cürufu kullanımının dezavantajlarıdır. Yüksek alkalin (%1.19 eşdeğer Na20) çimento yerine farklı oranlarda yüksek fırın cürufu kullanılarak dökülen harç numuneleri üzerinde yapılan ASTM 0 441 deneyi sonuçları Tablo 7.2.’de görülmektedir. Buna göre, cüruf içeren numunelerde genleşmelerin azaldığı ve %60 oranında kullanımda genleşmelerde dikkate değer azalmalar olduğu anlaşılmaktadır. Tablo 7.2. Farklı Oranlarda Yüksek Fırın Cürufu Kullanılarak Uygulanan ASTM C 441 Deney Sonuçları. [HOOTON, 2000]
En kritik silis/alkali oranında ASR sebebiyle oluşabilecek genleşmeler, betonun birim hacminde bulunan toplam hidroksil iyonu konsantrasyonuna bağlıdır. Bu sebeple yüksek alkalin portland çimentosunun bir kısmının yüksek fırın cürufu ile yer değişimi sonucu betonda mevcut alkali iyon konsantrasyonundaki değişimler genleşmeleri de etkilemektedir. Yüksek fırın cürufunun inceliği, priz süresi, kötü sıkıştırılma sebebiyle hapis olan hava miktarı ve dayanım artışı gibi diğer parametreler de YFC kullanılan betonlarda ASR genleşmelerini etkiler. YFC’nun toplam alkali içeriği (asitte çözünebilir alkali) kütlece %0.3 ile %2.6 eşdeğer sodyum oksit değerleri arasında değişmektedir. Yüksek miktarda alkali içeren bir portland çimentosunu %24 ve %50 oranlarıyla YFC ile ikame edilmesi sonucunda ulaşılan ASR genleşmeleri karşılaştı rılmalı olarak Şekil 7.3.’te verilmiştir. Şekil 7.3. Cüruflu Çimentolarla Portland Çimentolarının ASR Genleşmeleri Bakımından Karşılaştırılması. [M.TOKYAY, K. ERDOGDU, 2002]
7.1.3. Silis Dumanının ASR’na Etkisi Silis dumanı, silikon metali veya ferrosilikon alaşımlarının üretimi esnasında ortaya çıkan, ortalama tanecik çapı 0.1 Mm’den az olan yüksek incelikte (çimentonun inceliğinin yaklaşık yüzde biri kadar) bir üründür. Bu malzemenin silis içeriği %85 ile %98 arasında değişmektedir. Kimyasal yapısındaki ikincil bileşenler karbon, (yanmamış kömür atığı), demir oksit (Fe203), alümin (A1203), magnezyum oksit (MgO) ve alkaliler (Na20 ve K20)’dir. Yapısında fazla miktarda Si02 bulundurması ve çok ince partiküller halinde olması sebebiyle üstün puzolanik özelliklere sahiptir. Toz halinde, yoğunlaştırılarak, sıkıştırılarak, su azaltıcı kimyasal katkılarla işlem görerek veya sulandırılarak piyasaya sunulur. Betonda kullanımı, basınç dayanımını arttırır, kanama, segregasyon, geçirimlilik ve hidratasyon ısısını azaltır, ayrıca buz çözücü tuzlar, sülfatlar gibi çeşitli dış etkilere ve alkali agraga reaksiyonuna karşı durabiliteyi arttırır. Ancak, inceliği sebebiyle su isteğini arttırması, plastik büzülme sebebiyle çatlamaya yakın olması gibi etkiler kullanım esnasında gözönünde bulundurulmalı ve gerekli önlemler alınmalıdır.[ K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002] Fotoğraf 7.1. Silis Dumanının a) Tarayan, b) Geçirgen Işıklı Elektron Mikroskoplarla Çekilmiş Fotoğrafları.[ACI Committee 234, Guide for the use of silica fume in concrete, 2000]
Farklı mineral katkılar ve deney yöntemleri ile yapılan çalışmalarda çimentonun en az %10’u yerine katılan silis dumanı ASR kontrolünde en etkili olmuştur. ASTM 0 441 deneyi uygulanan yüksek alkalili çimentonun en az %10’u yerine silis dumanı katıldığında genleşme 14 günde % 0.02’nin altına çekilebilmiştir. Kullanı!acak silis dumanı ile agreganın önceden birlikte denenmesi önerilmektedir.[ A.YEGINOBALI,2002] Opal türünde bir agrega ile kullanıldığında silis dumanı, çimentonun %20’si gibi yüksek bir oranda katılması halinde genleşmeyi kontrol altına almakta, %5 gibi az miktarda katıldığında ise genleşmeyi artırarak daha zararlı olmaktadır. Silis dumanının yeterli miktarda katılması kadar, uygun bileşimde olması da önemlidir. Puzolanik aktivitesi ile bu reaksiyonu önlemedeki etkinliği arasında güvenilir bir korelasyon bulunmamaktadır. Şekil 7.4. Silis Dumanı Katkısının ASTM C 441 Deneyine göre Harç Çubuklarının Genleşmesine Etkisi. [R.D.HOOTON,1993]
“Puzolan” terimi gerçekte şiddetli yanardağ patlamaları sonucu oluşan camsı piroklastik malzemeler için kullanılır. Literatürde uçucu kül, yüksek fırın cürufu, silis dumanı gibi yapay malzemeler içinde “yapay puzolan” terimi kullanılmaktadır. Kil, şeyl ve zeolit gibi betonda kullanılan doğal malzemeleri de “doğal puzolanlar” olarak gruplandırmak mümkündür. Puzolanların genleşme yaratan reaksiyonlara karşı etkili oldukları bilinmektedir. Kireç-puzolan reaksiyonunda boşluk çözeltisi pH’ının düşmesi sonucu puzolanlar etkili olur. Ayrıca, reaktif puzolanlar alkalilerle reaksiyona girerek alkalileri tüketirler ve genleşme yaratmayan ürünler oluştururlar. Puzolanların ASR’unu azaltmadaki etkisi, puzolanların reaktivitesine bağlıdır ve bu etki çimento yerine kullanılabilecek miktarı belirler. [K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002 1 Şekil 7.5. Puzolanların ASR’una Etkisi. [MEHTA, 1981]
7.2. Kimyasal Katkıların ASR’una Etkisi Belli kimyasal katkılar potansiyel olarak; • Silisin çözünmesini durdurabilir veya azaltabilirler, • Alkali-silis jelinin oluşmasına engel olur ve karakterini değiştirebilirler, • Jelin genleşmesini azaltabilirler. [ K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002 1 Tablo 7.3. ‘de yüksek alkalin çimento ve farklı oranlarda kimyasal katkılar kullanımı ile 8 haftalık periyotta kontrol numunesine kıyasla genleşmelerdeki azalmalar verilmiştir. Tablo 7.3. Bazı Kimyasal Katkıların ASR Üzerindeki Etkileri. [Mc JOY ve CALDWELL, 1951]
7.3. Kimyasal ve Mineral Katkıların Birlikte Kullanımı Mineral ve kimyasal katıkların birlikte veya tek başına ASR üzerindeki etkisi kimyasal ve fiziksel faktörlerin kompleks bir sonucudur. Priz geciktiriciler, hava sürükleyici katkılar ve silis dumanının ASR üzerinde fiziksel etkisi vardır. Priz geciktiriciler, çimento hamurunda rijit bir mikro yapının oluşmasını geciktirirler ve uzun süre plastik kalmasını sağlarlar. Bunun sonucu, erken yaşlarda ASR sebebiyle oluşan genleşme basınçları, çimento hamuru zarara uğramadan karşılanır. Katkılı çimento hamurları daha fazla ince gözenek taşımakta ve toplam gözeneklilik de bu sayede artmaktadır. Silis dumanı içeren çimento hamurlarında, 7 gün gibi kısa bir sürede boşluklar arasındaki devamlılık azalmakta, dolayısıyla hamurun geçirimliliği de azalmaktadır. Bu sayede, alkali reaktivitesi yüksek olan agregaların nemi emmesi de engellenmektedir. Hava sürükleyici katkılar, çimento hamurunda büyüklükleri 10- 1000 Mm arasında değişen boşluklar oluşturmakta ve bu hava boşluklarına jelin yayılması sebebiyle genleşmede azalma olmaktadır. Mineral ve kimyasal katkılar, çimento hamurundaki kimyasal prosesleri de etkilerler. Ca(OH)2’in oluşumunu ve gelişimini engellerler ve erken yaşlarda kalsiyum silikatların hidratasyon hızını düşürerek daha az Ca(OH)2’in oluşmasını sağlarlar. Ayrıca kalsiyumu tüketen etrinjit oluşumunun hızını arttırırlar. Sukroz içeren priz geciktirici katkı kullanıldığında portland çimentosunun boşluk çözeltisindeki Ca/Si oranı düşmektedir. Silis dumanı ise Na, K, Ca ve OH iyonlarını çabucak tüketerek ikincil C-S-H oluşturur, bunun sonucu olarak puzolanik reaksiyon ile ASR, ortamdaki kireç ve alkalileri tüketmek için yarışa girer. Bilindiği gibi kalsiyum, alkali ve hidroksil iyon konsantrasyonlarını düşüren katkılar genleşme potansiyelini de azaltmaktadır. Silis dumanı ve priz geciktiriciler ayrı ayrı kullanıldığında kalsiyum, alkali ve hidroksili tüketerek genleşmeyi azaltmaktadır. Bu iki tip katkı birlikte kullanıldığında genleşmedeki azalma, ayrı ayrı kullanıldığı zamanki ile hemen hemen aynıdır. Bunun sebebi, genleşmeyi azaltma mekanizmalarının aynı olması ve birlikte kullanıldıklarında destekleyici başka bir mekanizmanın oluşmamasıdır. Hava sürükleyici katkılar ise basıncı azaltan hava boşlukları oluşturmalarının yanısıra alkali-silika jelinin yüzey gerilimini ve viskozitesini etkileyerek su emme kapasitesini ve akışkanlığını değiştirirler. Hava sürükleyici katkı, priz geciktirici ve silis dumanı ile birlikte kullanıldığında, ayrı ayrı kullanımlarından daha iyi bir etki gözlemlenmektedir. Bunun sebebi, birlikte kullanılan bu katkıların farklı mekanizmaları yardımı ile ASR genleşmesini azaltmalarıdır. Mineral ve kimyasal katkıların betonda birlikte kullanılmaları halinde katkının etki mekanizmasının farklı olacağı gözönünde tutularak bu malzemelerin betonda kullanım miktarları önceden deneylerle saptanmalıdır. [K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ,2002 ] KAYNAKLAR 1. ACI 201.2R Guide to Durable Concrete; Reported by ACI Committee 201 2. ACI 221.IR State of the Report on Alcali-Agrigate Reactivity; Reported by ACI Committee 221 3. Adiabatically cured, Alkali-Activated Cement-Based Waste Forms Containing High Lavels of FIy Ash Formation of Zeolites and AlSubstituted C-S-H; A.R.BROUGH, A.KATZ, G.K.SUN, R.J.KIRKPATRICK, J.F.YOUNG 4. Agrega Deformasyonunun Alkali-Silika Reaksiyonuna Etkisi; P.J.M. MONTERİO 5. Agregaların Yol Açtığı Kimyasal Reaksiyonlar ve Reaktif Agrega Kullanımı Için Çözümler; ACI Manual of Concrete Practice, Çev. O.AKALIN 6. Alcali-Silica Aggregate Reactions; Appendix D 7. Alcali-Silica Reaction — Proactive Avoidance; Engineering PSU 8. Alcali-Silica Reaction- A Method to Quantify the Reaction Degree; D.BULTEEL, E.GARCIA-DIAZ, C.VERNET, H.ZANNI 9. Alcali-Silica Reaction in Concrete; D.K.DORAN: The Istitution of Structurel Eng i neers 10.Alcali-Silica Reaction, Preventing Damage in Hydraulic Cement Concrete; 5. LANE 11.Alcali-Silica Reaction: Deterioration of Concrete Structures; TNO Building and Construction 12. Alcali-Silica Reaction; G.M.Idorn Consult 13.Alcali-Silica Reactivity; AASHTO Innovative Highway Technologies 14.Alcali-Silica Reactivity; Canadian Strategic Highway Research Program- CSHRP Transportation Association of Canada 15.Alkali Silika Reaksiyonu; M.KALMIŞ 16.Alkali-Silica Reaction in Concrete; Thomas Telford Ltd. 17.Alkali-Silica Reaction in Portland Cement Concrete; R.G.McKEEN: The ATR Institue 18. Alkali-Silika Reaksiyonu ile Mücadelede Lityum Katkıları; T. KUENNEN 19.Alkali-Silis Reaksiyonunun Mineral ve Kimyasal Katkılar Yardımı ile Kontrol Altına Alınması; K. RAMYAR, H. DÖNMEZ, Ö. ANDİÇ 20.ASTM C- 1260; Standard Test Method for Potential Alcali Reactivity of Aggregates (Mortar-Bar Method) 21.ASTM C- 1293; Standard Test Method for Determination of Length Change of Concrete Due to Alcali-Silica Reaction 22.ASTM C- 150; Standard Test Method for Portland Cement 23.ASTM C- 221C 22M; Standard Test Method for Gypsum 24.ASTM C- 227; Standard Test Method for Potential Alkali Reactivity of CementAggregate 25.ASTM C- 294; Standard Test Method for Constituents of Concrete Aggregates 26.ASTM C- 295; Standard Test Method for Petrographic Examination of Aggregates for Concrete 27.ASTM C- 311; Standard Test Method for Sampling and Testing FIy Ash or Natural Puzzolans for Use as a Mineral Admixture in Portland-Cement Concrete 28.ASTM C- 33; Standard Test Method for Concrete Aggregates 29.ASTM C- 618; Standard Test Method for Coal Fiy Ash and Raw or Calcined Natural Puzzolan for Use as Mineral Admixture in Concrete 30.ASTM C- 856; Standard Test Method for Petrographic Examination of Hardened Concrete 31.Beton (Dökümü, Kalıpları, Kusurları ve Dayanıklılığı); M. ARSLAN 32. Betonda Alkali-Agrega Reaksiyonunun Teşhis ve Kontrolü; TC. Karayolları Kurs Programı, M.KALMIŞ, N.GUNGOR, S.ERIBOL 33.Betonlarda Alkali-Agrega Reaksiyonu ve Türkiye Çimentolarının Alkalinite Değerleri; DSl Genel Müdürlüğü, Araştırma Dairesi Başkanlığı 34.Carbonation of High Strength Concrete with Chemical and Mineral Admixtures; 1. R. ALMAIDA 35.Concrete: Microstructure, Properties and Materials; P.K.MEHTA, P.J.M.MONTEI RO 36.Control of Alcali-Silica Reactivity in Recycled Concrete Using FIy Ash; Samuel 5. TYSON 37. Cüruflar ve Cüruflu Çimentolar; M.TOKYAY, K.ERDOGDU 38. Çimento Fırınlarında Alkali K!orür Sirkülasyonunun Kemer Oluşumu Uzerine Etkileri; B. Omür ŞENSOZ, Selçuk YALÇIN 39.Diagnosis of the Alcali-Silica Reactivity Potential by Means of Digital Image Analysis of Aggregate thin Sections; D. GARCIA DEL AMO, B.C.PEREZ 40.Effect of Additives on the Alcali-Silica Reaction Product Examined by Transmission X-ray Microscopy; K.E. KURTIS, P.J.M.MONTEIRO, J.T.BROWN, W.MEYER-ILSE 41.Effect of Ash on Alcali-Aggregate Reaction in Marine Environment; H. OHGA, 5. NAGATAGİ 42.Effect of Zeolite on the Performance of Alcali-Activated Blastfurnace Slag Binder; B. QUINGHAN, Z. HONG, Z. JIJUN 43. Evaluation of Testing Methods Used for Assessing the Effectiveness of Mineral Admixtures in Suppressing Expansion Due to Alcali-Silica Reaction; M. A. BERUBE, J. DUCHESNE 44.High Reactivity Metakolin Engineered Mineral Admixture for Use with Portland Cement; Background the ASR Problem; Povierpozz Advanced Cement Technologies; Technical Bulletin: ASR 45.ln Situ Alcali-Silica Reaction Observed by X-ray Microscopy; K.E.KURTIS, P.J.M.MONTERIO, J.T.BROWN, W.MEYER-ILSE 46. Liflerin Alkali-Silika Reaksiyonunun Neden Olduğu Çatlama Üzerindeki Etkileri; Fatih BEKTAŞ, Dr. Lütfullah TURANLI 47. Materials of Construction; T.Y.ERDOGAN 48. Mitigating Alcali-Silica Reaction; Slag Cement Association 49.Prediction of Concrete Durability; Proceedinds of Stats 2lst Anniversary Conference, J.GLANVILLE, A.NEVI LLE 50. Preventive Measures Against Alkali-Silika Reaction; F.BEKTAŞ 51.Properties of Concrete; A. M. NEVILLE 52.Residual Strength of Reinforced Concrete Beams Damaged by AlcaliSilica Reaction- Examination of Damage Rating lndex Method; L.J.MONETTE, N.J.GARDNER, P.E.GRATTAN-BELLEW 53.Significance of Tests and Properties of Concrete and Concrete-Making Materials; P.KLIEGER, J.F.LAMOND 54.Silis Dumanı ve Çimento ile Betonda Kullanımı; A.YEGINOBALI 55.Strength and Related Properties of Concrete a Quantitave Approach; 5. POPOVI 05 56.Stress Due to Alkali-Silica Reactions in Mortars; C.F.FERRARIS, J.R.CLIFTON, E.J.GARBOCZI, F.L.DAVIS 57. The Alcali-Silica Reaction in Alkali Activated Granulated Siag Mortars with Reactive Aggregate; A.JIMENEZ-FERNANDEZ, F.PUERTAS 58. The Mitigating Effect of Pozzolans on Alcali-Silica Reactions; M. GEİKER, N. THAULOW 59. The Role of Anions and cations of Alcali Component in the Process of Hydration of Alcali-Slag Blend; 5. D. WANG, X. 0. PU 60.The Role of High Volume FIy Ash in Controlling Alcali-Aggregate Reactivity; 5. RAMACHANDRAN, D. JOHNSTON 61.TraslarveTraslı Çimentolar; K.ERDOGDU, M.TOKYAY, P.TÜRKER 62.TS 2517 Alkali Agrega Reaktivitesinin Kimyasal Yolla Tayini 63.TS 706 Beton Agregaları 64. Türk Çimento Standartları; M.TOKYAY 65.Uçucu Kül ve Silika Tozunun Alkali-Silika Reaksiyonuna Etkisinin Incelenmesi; K. TOSUN, H. YAZICI, B. BARADAN
|
