Pirotin ve Betona Etkisi

Pirotin (Pyrrhotite) mineralinin beton üzerindeki etkisine geçmeden önce bu minerali biraz tanıyalım.

Kimyasal Bileşimi, Fe_1-xS
Kristal Biçimi, Levhamsı veya piramit şeklinde kristaller ve genellikle masif taneli agregalar halinde
Sertlik, 3,5 – 4,5
Özgül Ağırlık, 4,58 – 4,65
Renk ve Şeffaflık, Bronz-sarı, kahverengimsi bronz; opak
Parlaklık, Metalik parlaklıkta
Ayırıcı Özellikleri, Manyetik özelliği ile kalkopiritten, rengi ve sertliği ile piritten ayrılır.
Bulunuşu, Yaygın olarak gabro, peridotit ve norit gibi bazik magmatik kayaçlarda pirit ve diğer sülfitlerle birlikte bulunur. Hidrotermal damarlarda, metamorfik yataklarda ve nadiren pegmatitlerde bulunur.

Pirotin minerali içindeki sülfür, oksitlenerek sülfata dönüşme eğilimindedir. Sülfat ise bilindiği üzere betonda çok ciddi hasarlara yol açacak reaksiyonları tetikleyen bir bileşendir. Sülfatın neden olduğu reaksiyonlar sonucunda oluşan ürünler hacimsel olarak genleşmeye neden olur ve yapısal bütünlüğü bozar. Bu etki bazen birkaç yıl bazen de 5-10 yıl gibi uzun bir süre sonra görülebilmektedir.

Betonda sülfat etkisi dış veya iç ortamdan dolayı kaynaklanır. Bu yazıda bahsedilen sülfat etkisi betonun kendi bünyesinden yani bileşenleri kaynaklı olan bir türdür. Konu literatür açısından yeni olmamasına rağmen ABD’nin iki eyaletinde son yıllarda ilginç gelişmeler yaşanmaktadır.

2020 yılında ABD Jeoloji Araştırma Kurumu (USGS); ABD’nin tüm eyaletlerini kapsayacak şekilde, beton bütünlüğünü tehlikeye sokma potansiyeline sahip bir mineral olan pirotin haritasını yayımladı. Haritanın ABD inşaat endüstrisinin pirotin içeren kayaçlardan kaçınmasına yardımcı olacağı umulmaktadır.

ABD genelinde pirititin bulunmasının muhtemel olduğu yerler

USGS haritalama projesini yöneten yazar ve jeolog Jeff Mauk, “Bu proje bizim için biraz sıra dışıydı, çünkü tipik olarak insanlara istemedikleri mineralleri değil, istedikleri mineral yataklarını bulmalarına yardımcı olmaya çalışıyoruz” diyor.

Betondaki pirotin minerali, Connecticut ve Massachusetts’in bazı bölgelerindeki ev sahipleri için muazzam sorunlara neden olmaktadır. Sadece Massachusetts eyaletinde bu mineral yüzünden temelleri hasar gören 2000 adet evin onarılması için 350 milyon dolar gerektiği tahmin edilmektedir.

Bir demir sülfür minerali olan pirotin, yaygın olarak ‘aptal altını’ olarak bilinen pirit ile ilişkilidir ve piritin yeniden kristalleşmesi sırasında kükürt kaybetmesiyle oluşur. Bununla birlikte, piritin aksine, pirotin hem daha nadir hem de daha reaktiftir. Suya ve oksijene maruz kaldığında, sülfürik asit ve alçı taşı gibi çeşitli ikincil mineraller oluşturmak için tepkimeye girer. Bu oluşan maddeler bir nevi yerine geçtikleri pirotin mineralinden daha büyük hacim kaplarlar. Ulusal Standartlar ve Teknoloji Enstitüsü’ne göre bu durum, Massachusetts ve Connecticut’ta binlerce evin hasar görmesine neden olmuştur.

Pirotin minerali içeren kayaçların beton üretiminde agrega veya dolgu maddesi olarak kullanılması durumunda, betonda hacimsel genleşme, betonun çatlaması ve bozulması gibi ciddi sorunlar görülebilmektedir.

Mauk ve meslektaşları, çalışmalarında birçok eyalete ait jeolojik haritaları ve anket çalışmalarını veritabanı olarak kullandı. Mineral nadir olduğu ve tüm ABD’deki kesin dağılımı bilinmediği için, araştırmacılar bunun yerine, pirotin oluşması için orta ila yüksek derecede metamorfize edilmiş jeolojik ortamlarda kükürt açısından hangi zengin kayaların oluştuğunu belirlediler. Özellikle piritin bulunabileceği kükürt açısından zengin deniz çökeltilerinden oluşan metamorfik kayaçlar ilgi çekicidir.

Araştırmacılar, pirotin mineralinin çoğunlukla Appalachian Dağ zinciri boyunca metamorfik kayaçlarda ve batı ABD’deki küçük ceplerde bulunduğu sonucuna vardı. Ekip haritanın sıkıntılı minerallere sahip olduğu bilinen kaya oluşumlarını açığa çıkarmayacağının, ancak risk altında olanların bulunabileceği konusunda uyarıyor.

Aşağıdaki resimde Connecticut eyaletindeki bir ocak görülmektedir. Bu ocaktan çıkarılan agregalarda beton için son derece zararlı olan pirotin minerali yer almaktadır. 1983 yılından beri inşa edilen 34.000 adet evde bu malzeme ile üretilen hazır beton kullanıldığı tahmin edilmektedir. 2016 yılında ocak ile eyalet arasında pirotin içeren agregaların beton sektörüne satışının yapılmaması için bir anlaşma imzalanmıştır.

Loughborough Üniversitesi’nde çalışan bir inşaat mühendisi olan Sergio Cavalaro, haritanın elbette yardımcı olacağını düşünüyor. Bununla birlikte, Cavalaro, betona zarar verecek mineralleri içeren agregaların tanımlanması için bu değerli bilginin tek başına yeterli olmayacağını; belirlenmiş limitleri kontrol edebilmek için uygun test ve doğrulama yöntemlerinin gerekli olduğunu ifade ediyor.

Hem AB hem de Kanada beton üretimi için toplam agreganın sülfür içeriği için standartlar belirlemiş, ancak ABD belirlememiştir.

Gerçi Connecticut eyaleti 2019 yılı sonunda “Testing Structural Concrete Aggregate for Pyrrhotite” isimli bir araştırma raporu yayınlamıştır. https://www.cga.ct.gov/2019/rpt/pdf/2019-R-0225.pdf

Sonuç

Bu fenomen, coğrafi olarak sınırlı gibi görünse de potansiyel olarak çok sayıda ev zaten şimdiden etkilenmiş veya risk altındadır. Etkilenen betonun iyileştirilmesi bir seçenek gibi görünmemektedir. Sorunun tek çözümü evlerin temellerinin tamamen çıkarılması ve pirotin agregası içermeyen yeni betonla değiştirilmesidir.

Etkilenen bodrum katlarının nasıl düzeltileceğini anlamanın yanı sıra, uygun agrega test prosedürlerinin uygulanması da gerekebilir. Testlerin sadece taş ocaklarında bu tür bir agregaya sahip olduğu bilinen alanlar için mi yoksa tüm alanlar için mi yapılması gerektiği halen çözülmüş değil.

Araştırmacılar sorunu anlamak için çalışmaya devam etmekte ve beton endüstrisinde farkındalığın artırılması için eğitimler ve bilgilendirmeler yapmaktadır.