Betonda Alkali Silika Reaksiyonu

Giriş

Betonda oluşan “Alkali Silika Reaksiyonu”, beton bünyesindeki alkali boşluk çözeltisi ve agregadaki reaktif mineraller (reaktif silika ve silikatlar olarak) arasındaki reaksiyon sonucu oluşur. Reaksiyon, suyu absorbe edebilen jel oluşumuna yol açar ve genleşme sonucunda jel, betona kuvvet uygular. Belirli şartlarda, beton bünyesinde oluşan bu reaksiyonlar, betonda hasar oluşturucu genleşme ve çatlamalara yol açabilir. Bu gibi hasar oluşturucu genleşmenin meydana gelmesi için, aşağıda yer alan şartların tamamının aynı anda bulunması gereklidir :

• Reaktif türde kritik miktarda mineral,
• Boşluk çözeltisinde, yeterli yüksek derecede alkali hidroksit konsantrasyonu,
• Yeterli su.

Alkali-agrega ya da bir diğer ifade ile alkali silika reaksiyonu (ASR) 1930’lu yıllardan beri literatürde olan bir dürabilite konusudur. ASR sonucu oluşan beton hasarı çok sık görülmemekle beraber bu durum ön araştırma ve değerlendirme süreçleri için bir mazeret olmamalıdır.

ASR nedeniyle bir hasarın oluşmaması için reaksiyon mekanizmasının iyi bilinmesi gerekmektedir. Böylece gerekli tedbirler alınarak önemli hasarların oluşması önlenebilir.

Türkiye coğrafyası jeolojik açıdan oldukça değişkedir. Bu değişiklik alkali silika reaksiyonu yönünden risklidir. Çünkü çok fazla sayıda volkanik kökenli dağ silsilesine sahip bölgelerde, özellikle derelerde ve ırmaklarda sürüklenerek oluşan doğal şekillenmiş agregalar, kökenleri itibari ile volkaniktirler. Bu nedenle, bu kaynaklara ait agregalara karşı dikkatli davranılması gerekmektedir. Bu durum kırma taş agregalar içinde geçerlidir.

ASR Mekanizması

Beton, çimento pastası matrisi içinde yer alana ince ve iri agregalardan oluşmaktadır. Çimento pastasında birbirlerine bağlı mikro boşluklar ve bu boşluklarda çözünmüş iyonlar yer almaktadır. Boşluk suyu bu iyonlardan dolayı alkalin özelliktedir. pH değeri ortalama 12.5’dir.

ASR’nin oluşumu için 3 temel unsurun varlığı gerekmektedir. Bunlar aşağıdaki şekilde görüleceği gibi reaktif silika içeren agrega, yüksek alkali içeriği ve ortamda suyun bulunmasıdır.

ASR sonucu oluşan jel etrafındaki çimento pastasında suyu emerek şişer. Bu jel suya karşı aşırı hassastır. Şişen jel hacimsel olarak genleşerek çatlakların oluşmasına neden olur. Bu durum aşağıda belirtildiği şekilde gerçekleşmektedir.

ASR sonucu oluşan jel her zaman büyük hasarlara neden olmayabilir. Bazı jellerin su emme kapasitesi düşük olabilmekte ya da yeteri kadar su ortamda olmamaktadır. Ortam sıcaklığı ve boşluk sıvısındaki çözelti yoğunluğu ve geçiş özellikleri jelin şişme kapasitesini etkileyen parametrelerdir.

ASR’nin belirtileri:

• Çatlaklar
• Genleşme
• Deformasyon
• Çatlaklardan jel sızması
• Kapak atma

ASR sonucu oluşan çatlaklar Resim 3’te görüleceği gibi harita çatlaklarıdır. Bu çatlaklar zamanla büyüyerek betonun tamamen dağılması ile sonuçlanır.

ASR’yi Etkileyen Faktörler

Daha önce belirtildiği gibi ASR’nin oluşumu için gerekli olan 3 temel unsur ortamda reaktif silika, yüksek alkali içeriği ve suyun bulunmasıdır. Alkali içeriği çimento, su, agrega, mineral katkı ve kimyasal katkı kaynaklı olmaktadır. Bunlara iç kaynak denmektedir. Ayrıca, betona dış ortamdan da alkali girişi olabilmektedir. En önemli dış kaynak ise buz çözücü tuzlardır.

• Agreganın reaktifliği (minerolojik yapı)
• Reaktif agreganın oranı ve gradasyonu (yüzey alanı arttıkça ASR hızı artar)
• Boşluk suyunun alkali konsantrasyonu,
• Suyun varlığı ve miktarı
• Ortam koşulları (hava sıcaklığı, rutubet)
• Çimento tipi ve miktarı
• Mineral katkılar( uçuuc kül ve yüksek fırın cürufu gibi)
• Dış kaynaklar ( buz çözücü tuzlar, aktif silis içeren yüzey sertleştiricileri )

Reaktif Silika İçeriğinin Kaynağı

Reaktiflik agrega mineral yapısın tür ve formuna bağlı bir fonksiyondur. Agregalardaki silika mineralleri çoğunlukla stabildir yani reaktif değildir. Bu mineraller kristal yapıdadır. Amorf yapıdaki silika mineralleri ise reaktif özellik gösterir. Ancak, her iki durum içinde bazı istisnalar olabilmektedir. Reaksiyon yüzeyi geniş, zayıf kristal dokulu, amorf camsı ve mikro gözenekli agregaların ASR eğilimi fazladır. Agrega minerolojik yapısı petrografik analiz ile tespit edilmektedir. Betonda zararlı mertebede genleşmeye sebep olabilecek mineraller, kayaçlar ve maddeler Tablo 1’de belirtilmiştir.

Çevresel koşullar

Bileşimle ilgili olan gerekli bütün faktörlerin mevcut olması halinde, alkali silika reaksiyonu oluşma ihtimali ve kapsamı, çevresel şartlara bağlıdır. Bu sebeple, uygun bulunan çevresel üç kategorizasyon seviyesi aşağıdaki tabloda belirtilmektedir.

Alkali İçeriğinin Kaynakları

Çimento

Beton bazik yani alkalin özellikli bir malzemedir. Bu durumun ana nedeni de çimento kaynaklı tuzlardır. ASR için en önemli alkali kaynağı Na ve K iyonlarıdır. Diğer alkalin özellikle iyonların ASR’ye etkisi oldukça düşüktür. Bu nedenle alkali eşdeğeri hesaplamasında Na ve K iyonlarının kütlesel oranı kullanılmaktadır.

Alkali içeriği oranı %0.6’nın altında olan çimentolar düşük alkali çimento olarak tanımlanır. Bu oran yukarıdaki eşitlik ile hesaplanmaktadır. Beton bünyesindeki çimento kaynaklı alkalin içeriği aşağıdaki eşitlik ile hesaplanabilmektedir.

Su

ASR için suyun 4 temel rolü bulunmaktadır. Bunlar:

1. Alkali içeriği
2. Jelin şişmesini sağlamak,
3. Alkali iyonlarının çözünmesini sağlamak,
4. Bu iyonları taşımak

ASR’nin beton için hasara neden olması sadece suyun varlığı ile mümkündür. Aksi takdirde reaksiyon ürünü olan jel şişip betonda içsel çekme gerilmelerinin oluşmasına neden olamaz. Reaksiyonun başlayabilmesi için gerekli en düşük nem 20^oC de %85’dir.

Beton karma suyu TS 1008 standardı şartlarına uygun olmak zorundadır. Genelde betonun alkali içeriği ASR için ciddi bir risk taşımaz. Ancak, geri dönüşüm suyunun alkali içeriği daha yüksek seviyede olabilmektedir. Bu durum özellikle ASR riski olan durumlarda limitin aşılmasına neden olabilir. Bu nedenle geri dönüşüm suyunun analiz edilmesinde fayda vardır.

Suyun alkali içeriğine katkısı aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:

Yukarıdaki eşitlikle ile bulunacak değer ile suyun betonun alkali içeriğine etkisi hesaplanabilmektedir.

Mineral katkılar

Uçucu kül, yüksek fırın cürufu, silis dumanı, doğal puzolan(tras) ve metakaolin gibi mineral katkılar beton veya çimento içinde yer alan puzolanik ya da gizli hidrolik malzemelerdir. Bu malzemelerin ASR’na 3 türlü etkisi vardır:

1. Alkali içerikleri
2. Puzolanik reaksiyon ortam pH’ın azalması
3. Çimento dozajının azalması

Mineral katkılar aşağıda gösterildiği gibi çimento hidratasyonu sonucu oluşan Ca(OH)₂ ile tepkimeye girerek hem ortam pH’ını düşürmekte hem de betonun geçirimsizliğini arttırmaktadır.

Kimyasal katkılar

Beton içinde miktar olarak en az yer alan bileşen kimyasal katkılardır Bu nedenle alkali içeriklerinin ASR için önemli bir etkisi yoktur.

Bunun dışında kimyasal katkıların, alkalilerle yer değiştirerek ASR jelinin oluşumunu sınırlandırdıkları ve jelin genleşmeye neden olan yapısını değiştirdikleri yapılan çalışmalarda görülmüştür. Bu konuda en etkili madde lityum tuzlarıdır. Yine de tek başına ASR oluşumunu engellemek için yeterli bir etkiye sahip değildir.

Hava sürükleyici katkı kullanılan betonlarda, oluşan çok küçük çaplı hava boşluklarından dolayı ASR jelinin genleşmesi azalabilmektedir.

Agrega

ASR için agreganın ana rolü reaktif silis içermesi olsa da reaksiyonun diğer tarafı olan alkali içeriğinde de rolü vardır. Agrega hem minerolojik yapısında alkali içerebilir hem de dış kaynaklardan dolayı alkali içeriği taşıyabilir. Özellikle yıkanmamış deniz kumu bu duruma örnektir.

Geri dönüşüm agregası kullanıldığı durumlarda agreganın ASR açısından riskli olup olmadığı inceleneceği gibi alkali içeriğine katkısı da göz önüne alınmalıdır.

TS 13515 Standardı Kapsamında Alkali-Silika Reaksiyonu

Standart alkali silika reaksiyonu ile ilgili aşağıda belirtilen çevresel etki sınıflarını içermektedir.

Standartta aşağıdaki işlem sıralamasının uygulanması tavsiye edilmiştir.

1. EN 932-3’göre detaylı petrografik muayenede, agreganın mineral bileşiminde alkali silika reaksiyonuna neden olabilecek zararlı bir minerale rastlanılmamışsa, herhangi bir önlem almaya gerek yoktur.
2. Agreganın, az miktarda da olsa zararlı mineraller içerdiği tespit edildiğinde, varsa agreganın daha önceki deneysel verilerinden veya arazi tecrübelerinden yararlanılmalıdır. Bu tür veriler yok ise agrega, öncelikle TS 2517’ye göre deneye tabi tutulmalıdır. Bu deney sonucuna göre zararsız bölgede çıkan agregalar büyük olasılıkla betonda zararlı reaksiyona neden olmaz ve zararsız kabul edilir.
3. Agrega, TS 2517’ye göre zararlı bölgede bulunduğunda, betonda alkali silika reaksiyonuna sebep olacağı kabul edilir veya aşağıda (Madde 4’ten itibaren) verilen işlemler uygulanır veya herhangi bir ilave önlem alınmadan önce TS 13516 ve TS 13517’ye uygun olarak hızlandırılmış harç çubukları ve diğer beton deneylerine başvurularak deney sonuçları, alkali silika reaksiyonu bakımından değerlendirilir.
4. Zararlı reaktif mineral içerdiği belirlenen agregalar ile normal beton yapılması durumunda, tüm bileşenlerden gelen toplam alkali içeriği 3,0 kg/m3 değerini aşmamalıdır.
5. Alkali silika reaksiyonu bakımından yapılan inceleme sonucuna göre zararlı agrega içerdiği belirlenen özel beton yapılar için, kabul edilebilecek etki düzeyi belirlendikten sonra bu düzeydeki estetik görüntü hususu da dikkate alınmalıdır.
6. Yukarıda elde edilen bilgilerden yararlanarak özel beton yapıları için ASR’ye karşı alınabilecek önlem derecesi belirlenmelidir.
7. ASR bakımından zararlı olabilecek agrega içerdiği belirlenen özel beton yapılar için uygulanacak işlemlere, öncelikle beton yapının, ASR’yi tetikleme ihtimali olan, rutubetli ortama (XWO, XWF, XWA ve XWS) veya diğer zararlı bir ortama maruz kalıp kalmayacağına göre karar verilmelidir.
8. Normal ve özel beton yapıları için ASR’yi en aza indirmek üzere, ilgili standartlara uygun bir puzolanik malzeme seçilmelidir. Hangi oranda puzolanik malzemenin ASR’yi en aza indirdiği veya önleyeceği TS 13517’ye göre harç ve/veya TS 13519’a göre beton deneyleri ile belirlenmelidir. Beton imalatında, kalkersi uçucu kül (W) içeren katkılı çimentoların kullanımından kaçınılmalıdır.
9. Normal ve özel beton yapılarda, bir puzolanik malzeme, ASR’nin önlenmesinden farklı bir amaç için kullanılacaksa ve agrega reaktif ise, ASR’nin gerekli oranda önlendiği, harç veya beton deneyleri ile ispatlanmalıdır. Belirlenen oran tavsiye edilen en az orandan daha düşük ise puzolanik malzeme içindeki reaktif alkali miktarı tahmin edilmeli ve toplam alkaliye ilave edilmelidir.
10. Normal ve özel beton yapılar için, beton yapı suya veya yüksek oranda rutubete maruz kalacaksa kullanılan agrega karışımı içinde ortama alkali verebilecek tanelerin betona ne miktarda alkali salabileceği belirlenmelidir.

ASR Test Metotları

Kaynaklar

1. Farny, A.J., Kerkhoff, B., Diagnosis and Control of Alkali-Aggregate Reactions in Concrete, PCA
2. Alkali Content of Concrete Mix Water and Aggregates, New Zealand RMC Association Publication
3. TS 13515
4. Alkali-Aggregate Reactivity (AAR) Workshops For Engineers And Practitioners, U.S.Department of Transportation
5. TSE CEN/TR 16349 – “Betonda alkali – silika reaksiyonunun (ASR) oluşturacağı hasarı önlemek için çerçeve şartname”

BetonveCimento.com için Patreon üzerinden destekte bulunmak ister misiniz?