Beton, günümüzde bazı toplumlar için gelişmenin bir belirtisi olurken bazılarında ise olumsuz çağrışımlara neden olmaktadır. Bakış açısı ne olursa olsun beton şimdiye kadarki en başarılı inşaat malzemesidir. Bunu görmek için sadece yakın zamana değil, iki bin yıl öncesine kadar geri gidilebilir. Birçok medeniyet inşa ettikleri görkemli yapılarla görkemlerini ve kudretlerini göstermek istemiştir. Azteklerin tapınakları, Mısır’ın piramitleri, Roma İmparatorluğu’nun Pantheon’u, Babil’in kulesi, Urfa Göbeklitepe’deki mabet, Ayasofya Camii ve günümüzde ki yüksek katlı gökdelenler, devasa tüneller, köprüler hepsi birer medeniyet göstergesi olarak öne çıkmaktadır. İşte beton da toplumların medeniyetleşme hikâyesindeki başrollerden biri olmuştur.
Pantheon Tapınağı
Betonun üstün özellikleri ile gelişen inşaat sektörü; medeniyetin kalkınmasına, artan nüfusun altyapı ihtiyaçlarının sağlanmasına ve toplumun birçok farklı ihtiyaçlarının karşılanmasına neden olmaktadır.
Beton neden bu kadar popüler sorusunun cevabı oldukça basit. Ekonomik, basit ve kolay erişilebilir. Aslında; dayanımı (gücü) ve dayanıklılığı (servis yeteneği) göz önüne alındığında; beton birçok inşaat sorununa hızlı, etkin ve ekonomik bir çözümler sunmaktadır. Betonun üretim süreci de karmaşık değildir. İhtiyacınız olan tek şey agrega (kum ve çakıl), çimento, su ve kimyasal katkıdır. Ve daha sonra bu malzemeleri doğru oranda karıştırmak ve istenilen özelliklerde ürün tasarlamaktır.
Beton bileşenleri
Küresel olarak yılda yaklaşık 4 milyar ton çimento tüketilmektedir [1] ve bu çimentonun %80’i ile beton üretildiği varsayılırsa karşımıza 10 milyar m3 gibi devasa bir hazır beton üretim miktarı çıkıyor. Bu neredeyse dünyadaki her insan başına yıllık 1.3 m3 beton demektir.
Birleşmiş Milletler, küresel olarak önümüzdeki 40 yıl içinde 230 milyar m2’lik yeni bir alan inşa edileceğini, dünya binalarındaki mevcut taban alanının iki katına çıkacağını tahmin etmektedir. Bunun büyük çoğunluğu Afrika ve Asya’da olacaktır, ancak 2060 yılına kadar 25 milyar m2 yeni inşaat alanı eklenecek olan Avrupa’da da hala önemli bir büyüme beklenmektedir [2]. Pratik bir alternatifi olmayan beton, yeni bina ve altyapı talebini karşılamada önemli bir rol oynamaktadır ve oynamaya da devam edecektir.
Beton, ağırlıkça düşük karbonlu bir malzemedir. Kilogram başına beton, çelikteki gömülü karbonunun sadece %7’sine sahiptir [3]. Bununla birlikte, malzemenin yoğunluğu açısından, bir metreküp betonun karbon ayak izi genellikle 250 kg – 500 kg arasında değişmektedir.
Bu bilgiler ışığında şu soru sorulabilir. Sadece 30 yıl içinde karbon emisyonunu net sıfıra düşürme gerekliliği ile medeniyetin gelişme ihtiyacını nasıl birlikte sağlayabileceğiz?
Bu, betonun karbon emisyonunu azaltmak hatta nötrlemek için beton bileşenlerine ve üretim/taşıma gibi operasyonlara odaklanmayı gerektiren yöntemler ile cevaplanabilecek bir sorudur.
Çimento halen net olarak anlaşılamayan bazı özellikleri ile birlikte beton için adeta sihirli bir malzemedir. Beton içinde çimento olmadığında elimizde sadece bir yığın ıslak taş kalacaktır. Çimentonun aktivasyonu için temel bileşen sudur. Çimento ve su karıştıktan sonra fiziksel ve kimyasal reaksiyonlar sonucunda beton içindeki agregaları yani taşları bağlayacak ve zamanla sertleşmiş bir yapıyı oluşturacak reaksiyon ürünleri oluşur. Bu yapı birkaç saat içinde güçlenmeye başlayacak, gücünün çoğunu günler içinde kazanmaya devam edecektir. Bu kazanım süresi aylar ve hatta yıllar sürebilmektedir.
Madalyonun diğer yüzüne baktığımızda çimentonun bir anahtar kadar bir sorun kaynağı olduğunu da görmekteyiz
Çimento, betonun ağırlıkça ortalama %12’sini temsil eder; ancak betondaki gömülü karbonun %90’ını oluşturur. Büyük resme baktığımızda ise çimento üretiminin küresel karbondioksit emisyonlarının % 8’inden sorumlu olduğunu görmekteyiz [4]. Toplumların konut ve altyapı gibi sosyal ihtiyaçları ile iklimle mücadele hedeflerini birlikte başarılı bir şekilde yönetmek için odaklanması gereken konulardan birisi de çimento üretimi kaynaklı karbon emisyonunu düşürmektir.
Kullandığımız beton miktarını azaltmak göreceli olarak kolay ve etkin bir adımdır ve bu nedenle üzerinde çalışılması gerekmektedir.
Beton nadiren tam potansiyelinde çalışmaktadır; çoğu uygulamada düşük dereceli, düşük stresli bir durumda kullanılmaktadır. Bu hassas ve araştırmaya değer konu özellikle yapı tasarımcılarının üzerinde durması gereken çok disiplinli bir konudur. Eğer aşırı tasarım parametrelerinin optimize edilmesi mümkün olursa bunun sadece ekonomi değil iklim değişikliği ile mücadelede bile önemli bir etkisi olacaktır.
Cambridge Üniversitesi tarafından hazırlanan bir raporda, yapısal elemanların tüm güvenlik faktörleri uygulandıktan sonra tipik olarak kapasitelerinin yalnızca %60-80’ini kullanmak üzere tasarlandığı vurgulanmıştır [5].
Malzemenin performansındaki belirsizlik, beton elemanları ile ilgili olarak bu aşırı tasarımın belki de temel bir nedenidir.
Laboratuvar koşullarında bile, beton karmaşık doğrusal olmayan davranışlar sergiler. Yığın tutarlılığı, agrega performans varyasyonları, ortam sıcaklığı, operatör etkisi ve ek belirsizlikler göz önüne alındığında, tasarımcıların neden dikkatli davrandığı daha iyi görülmektedir. Bu nedenle; betonun davranışının gerçek zamanlı olarak daha iyi anlaşılması, kalite güvencesinin geliştirilmesine ve aşırı tasarımın en aza indirilmesine yardımcı olabilir.
Beton, basınçta güçlü; ancak çekmede zayıf bir kompozit malzemedir. Çekme dayanımı basınç dayanımının kabaca %10’u kadardır. Bununla başa çıkmak için betonun içinde çelik donatılar kullanılmakta ve betonarme oluşturulmaktadır. Bununla birlikte, çelik donatılar betonarme malzemedeki gömülü karbonun yaklaşık %10 – %20’sinden sorumludur. Bu nedenle gereksiz donatı takviyesinden de kaçınmaya dikkat edilmelidir.
Geometri kullanılarak, daha fazla betonun basınç bölgesinde kalması için kalıpları ayarlamak mümkündür. Karmaşık kalıplar gerektiren betonarme yapılar, işçilik maliyetleri ve operasyonel zorluklar nedeniyle son yarım yüzyılda gözden düşmüştür. Ancak bu sorunları, günümüzdeki bilgisayar programlarının gücü ve gelişmiş dijital üretim teknikleri ile çözebilme noktasındayız. ETH Zürih’teki araştırmacılar, gereksiz beton kullanımını önlemek için yenilikçi kalıp teknikleri kullanarak yalnızca basınca dayalı yapıların oluşturulması için hesaplama tasarımının nasıl uygulanacağı üzerinde çalışmaktadır [6]. Bu, görsel olarak çarpıcı ve aynı zamanda malzeme açısından verimli yapılara neden olabilecektir.
Betonu akıllıca kullanmayı öğrendikten sonra, betondaki çimento miktarını da düşürmenin yolları keşfedilmelidir. Sıklıkla, gereksinimleri karşılamak için gerekenden daha fazla çimento kullanılabilmektedir. Bunun nedeni geleneksel bakış açısı, hızlı dayanım kazanma isteği ve karbona odaklı tasarım bilinçsizliğinden kaynaklanmaktadır. İngiltere’de 90 farklı beton karışımı ile yapılan bir çalışmada, aynı beton sınıfından kullanılan çimento miktarının 300 kg/m3 ile 525 kg/m3 arasında değiştiği tespit edilmiştir [7]. Daha fazla çimento kullanmanın çok farklı teknik nedenleri olabilir, ancak bu denli bir varyasyonu açıklamaya yetmeyecektir. Çimento dozajının performansı sağlamak nedeniyle artmasının başlıca nedenleri aşağı belirtilmiştir:
Yanlış veya yetersiz beton tasarımı
Kirli ince ya da iri agrega kullanımı
Hatalı agrega gradasyonu
Yanlış kimyasal katkı seçimi
Karıştırma ekipmanlarından kaynaklı kusurlar
Malzemelerin yoğunluklarının yanlış hesaplanması
Betonun dayanım testindeki hatalar
Küresel olarak kullanılan ana çimento türü Portland çimentosudur. Çimentonun neden olduğu karbon emisyonunun %50’si kalsinasyon yani kireçtaşının ısıl işlem nedeniyle reaksiyona girmesi ve sonucunda serbest kireç ve karbondioksit oluşturması kaynaklıdır. Geri kalan %40 klinkerin pişirilmesi için gerekli yakıt kullanımından, %10 ise kullanılan enerjiden gelmektedir [4].
Bununla birlikte, en çok tüketilen Portland çimentosunun daha çevreci alternatifleri vardır. Portland çimentosu diğer endüstrilerden temin edilen uçucu kül ve yüksek fırın cürufu gibi yan ürünler ile karıştırılabilmektedir. Bu aslında mevcut durumda yapılan bir uygulamadır, ancak daha yoğun bir şekilde uygulanma potansiyeli vardır. Özellikle termik santrallerin atığı olan uçucu kül tüm dünya ülkelerinde çok yüksek miktarlarda açığa çıkmaktadır. Ancak, bunun çok az bir kısmı çimento ya da betonda kullanılabilmektedir. Bu konuda etkin araştırmalar yapılması oldukça önemlidir.
Bunların dışında üretim prosesleri ve bağlayıcılık reaksiyonları farklı yenilikçi çimentolar da günümüzde üretilmektedir. Aktivatör olarak havadaki karbondioksiti kullanan çimentolar, daha düşük pişme sıcaklığında üretilebilen klinker, kalsine kil içeren çimentolar gibi birçok yenilikçi ürün günümüzde hem araştırılmakta hem de bazı bölgelerde pazara sunulmaktadır. Bu yeni alternatifler gelecek vaat eden fırsatlar sunuyor; yine de geleneksel Portland çimentosuna kıyasla ticari olarak uygulanabilir olmadan önce halen yapılması gereken çok iş var.
Çimento fabrikalarında karbon tutma ve depolama potansiyeli de son derece yüksektir. Bu doğrudan Portland çimentosu üretilirken açığa çıkan karbonun dengelenmesini sağlayacaktır.
İnş.Yük.Müh. olan Yasin Engin, lisans ve yüksek lisans eğitimini Boğaziçi Üniversitesi'nde tamamlamıştır. 16 yıldır beton ve çimento sektöründe çalışmaktadır. Web sitesindeki tüm yayınlar Yasin Engin tarafından paylaşım amacıyla hazırlanmıştır. Yayınlar kaynak gösterilerek kullanılabilmektedir.
(yasin.engin@gmail.com)
