ALKALİ-AGREGA REAKSİYONU

1940 yılında Stanton tarafından rapor edilen, mühendislik yapılarında büyük problemler yaratan çimento-reaktif agrega etkileşimi problemine halen tam olarak pratik ve ekonomik bir çözüm bulunamamıştır. Genelde beton imalinde alkali agrega reaksiyonun meydana gelmemesi için silis içermeyen kireçtaşı agregalarından faydanılmaktadır. Ancak kireçtaşı ocakların az bulunduğu veya inşa sahasına çok uzak olduğu bölgelerde alternatif agrega türleri araştırılmaktadır. Ülkemizde ise son yıllarda enerjiye duyulan ihtiyaçtan dolayı özellikle Doğu Karadeniz ve Güneydoğu Anadolu bölgelerinde baraj yapımları hızlanmış ve doğal malzemeye duyulan ihtiyaç büyük oranda artmıştır. Son yıllarda, inşa edilen barajlarda, toprak veya kaya dolgu malzemesi yerine beton barajlar veya ön yüzü betonla kaplı barajlar yapılmaya başlanmıştır.

Betonda alkali-agrega reaksiyonu nedeniyle hasar(çatlak), agrega tanelerindeki reaktif bileşenlerle çimento hidratasyonu sonucu ortaya çıkan alkali hidroksitler arasındaki kimyasal reaksiyonlar sonucudur. Alkali agrega reaksiyonun bilinen 2 oluşum şekli vardır;

1) Alkali-Karbonat reaksiyonu(AKR)

2) Alkali-Silika reaksiyonudur(ASR).

Bu iki reaksiyon oluşumunun herbir sınıfında farklı tiplerde reaksiyonlar meydana gelebilir. Ama bu reaksiyonların tümünde olumsuz etki meydana çıkmayabilir (Swamy, 1992). Karbonat reaksiyonları; kalsitik kireçtaşı, dolomitik kireçtaşı veya kalsit, kil içeren ince taneli dolomitik kireçtaşı agregalarından oluşur. Alkali silika reaksiyonu ise aşağıda anlatılmıştır.

Bu iki tip reaksiyonun en yaygın olanı alkali-silika reaksiyonu (ASR) dur. ASR, beton gözenek suyunda bulunan hidroksil (OH^-) iyonları ile beton agregası bünyesindeki bazı reaktif silis içeren malzemeler arasında oluşan kapalı reaksiyondur (Eşitlik 1).

SiO₂ + 2NaOH + H₂O Þ Na ₂SiO₃ . 2H₂O (Eşitlik 1)

Silika Alkali Su Alkali-Silika Jel

Reaksiyon sonucu, bünyesinde yüksek oranda su tutabilen bir jelin oluşumu nedeniyle genleşmenin neden olduğu basınç sonucun da betonda çatlaklar oluşur. Bazı durumlarda betondaki şişme (genleşme) hacimce %2-3 mertebesine kadar ulaşır. ASR’de diğer alkali-agrega reaksiyonları gibi birçok faktörün etkisi altındadır ve tipik olarak ASR diğer reaksiyonlar gibi yavaş ilerleyen bir reaksiyon olduğu için, genleşme nedeniyle betonun iç yapısında oluşan hasar (çatlak) birkaç yıl sonra görünür hale gelir.

ASR, beton bünyesinde oluşan ve genleşmeye neden olan bir reaksiyon olması nedeniyle,ASR’nin görünür dış belirtisi harita şekilli çatlaklardır (Şekil 1).

Harita

şekilli

çatlaklar

Çevreden gelen kireçin etkisiyle ASR sonucu oluşan jellerde beyazlaşma

Şekil 1.Hong Kong şehrinde beton kaplama duvarlarda alkali - silika reaksiyonu sonucu gelişmiş harita şekilli çatlaklar (Wen, 1998).

Genelde betonda çekme birim deformasyon kapasitesi 150-200.10^-6 düzeyindedir. Bu değer nadiren 500.10^-6 düzeyine kadar çıkabilir. Demir donatısız kütle betonlarında veya kaplama betonlarında, genleşme sonucu meydana gelen deformasyonun çekme dayanımını aşması sonucu, betonda çatlak meydana gelir. Sabit ve hareketli yüklemelere maruz kalan betonlarda daha farklı mekanizma geçerlidir: Bu tür betonlar proje yükleri nedeniyle gözle görülmeyecek mertebede zararsız çatlak potansiyeline sahiptirler. Fakat daha ileri yükleme durumunda birim deformasyonun %0.05 - %0.10 mertebesine kadar çıkmasıyla çatlaklar zararlı mertebeye ulaşır ve betonun uzun süreli davranışında olumsuz etkiye neden olurlar (Şekil -2).

Şekil 2. Avusturalya'da Köprü ayağında ASR etkisi sonucu gelişen çatlaklar (Wen, 1998)

ASR ile ilgili silisin reaktivite potansiyeli, oluşumlarının tanımlanması ve belirlenmesi karmaşık ve zor bir işlemdir. Silisli bileşenlerin yapısı ve dokusu genellikle amorf, kriptokristalli, mikrokristalli ve kristalli olarak tanımlanır. Silika mineralleri büyük oranda normal hava sıcaklığında kararlı olmayan polimorfik oluşumlara sahiptir. Bileşiminde silika bulunan ve en yaygın olan mineraller kuvars, tridimit, kristobalit, opal ve kalsedon gruplarıdır (Ineson,1990).

Değişik silis minerallerinin reaktiviteleri kristal yapıdaki silika miktarına bağlıdır. Opal düzensiz kristal yapısına sahiptir ve en yüksek reaktiviteye sahip silika içerir. Diğer taraftan doğal halde (dengede-gerilmesiz) bulunan kuvars, çok düzenli bir kristal yapısına sahiptir ve normal olarak reaktif değildir. Camlar, mikrokristalli ve kriptokristalli kuvarslar, deforme olmuş kuvarslar, kalsedon, tridimit, kristobalit gibi diğer silika oluşumları orta derecede reaktivite gösterirler (Şekil 3).

OPAL

Şekil 3. Opallerde gelişen ASR etkisi, İngiltere (Wen,1998)

Xray-analizi, elektron misroskopu ve diğer cihazların kullanımıyla desteklenen, petrografik incelemeler ve ince kesit çalışmaları, agrega minerallerinin belirlenmesinde yeterli bilgi sağlayabilir. Agreganın, porozitesi, tane boyu dağılımı, beton içinde reaktif parçacık miktarı ve çevre koşulları, alkali-agrega reaksiyonu sonucu ortaya çıkan genleşmeler üzerinde önemli etkiye sahip nedenlerdir (Swamy,1992).

ASR’nin belirgin ve görünür etkisi harici çatlak oluşumudur. Ancak betonun bazı fiziksel ve mikroyapısal özelliklerinin de ASR’den etkilendiği petrografik incelemelerle ortaya konmuştur. Bu etkiler agrega taneleri yüzeyince reaksiyon bölgeleri oluşumu, reaksiyon ürünleri ile doldurulmuş boşluklar, agrega tanelerinde çatlaklar ve agrega ile çimento hamuru arasındaki bağ kaybı şeklinde ortaya çıkar. Bazı özel durumlarda, jel, hafif lekeler, patlamalar(popup) şeklinde ve çatlaklardan dışarı sıvı akışı ve beton yüzeyinde sızma şeklinde görülebilir, jel bu durumda kireç ile reaksiyona girerek beyaz ve opak renkli olarak beton yüzeyinde belirginleşir (Şekil 1). Diğer taraftan bazen dışarıya jel çıkışının olmadığı durumlara da rastlanabilir. Bu nedenle beton yüzeyinde herhangi bir belirtinin olmaması, ASR nedeniyle çatlak meydana gelme ihtimalini ortadan kaldırmaz (Tordoff,1990).

Alkali Silika Reaksiyonunu Etkileyen Faktörler

ASR’nin meydana gelmesi ve hasara neden olması için aşağıdaki koşulların sağlanması gerekir;

ü Betonda yeterli alkali (%0.6 fazla alkali içerik)

ü Agregada zararlı etkiye neden olacak miktarda reaktif silika

ü Yeterli nem

Yeterli miktarda nem bulunmasının önemi, kimyasal reaksiyon sırasında ortaya çıkan alkali-silika jelin bünyesine su emme kabiliyeti ile genleşme basıncı oluşturması ve böylece çekme gerilime neden olmasıdır. Bu nedenle ASR nedeniyle önemli ölçüde hasar, ıslak muhafaza koşullarında ve gerçek uygulamada nemli çevre koşullarında meydana gelir. Diğer tarafan kütle betonunda, nem kaybının az olması nedeniyle, bünyede, zararlı oranda genleşmeye neden olabilecek düzeyde nem bulunabilir. Geniş boyutlu yapısal elemanlarda da, çoğu beton karışımlarında, ASR’nin oluşması ve genleşme meydana getirmesi için gerekli su ve karışım suyu, hidratasyonda kullanılmayan kısmı olarak bulunur. Bu nedenlerle jel nispeten kuru çevre şartlarında da oluşabilir, ancak daha ileri düzeyde genleşme ve hasara neden olabilmesi için ilave suya ihtiyaç vardır. Nemli betonun bina iç kısımlarında kuru ortamda (atmosferdeki bağıl nem < %75) bulunması durumunda muhtemelen ASR nedeniyle hasara karşı emniyetlidir, ancak yağmur, deniz suyu veya yeraltısuyuna etkisinde kalan betonlarda daima ASR nedeniyle hasar riski mevcuttur (Swamy,1992).

Bu nedenle, zemin kaplamaları, istinat duvarları, temeller ve barajlar ASR tarafından kolaylıkla etkilenebilir. Nem ile birlikte yüksek sıcaklık etkisi genellikle ASR yi hızlandırır.

ASR ile ilgili olarak alkali terimi genellikle, portland çimentosu bünyesinde bulunan sodyum ve potasyum alkalileri ifade etmek üzere kullanılır. Portland çimentosu, beton bünyesinde mevcut alkalileri önemli bir kaynağıdır, ancak betona, karışım suyu veya agrega gibi diğer bileşenler yoluyla da alkaliler girebilir. Gerçekte alkali taşıyan agregalar ASR ye neden olan alkaliler için önemli diğer bir kaynak olabilir ve yüksek alkaliye sahip çimento kullanılan betonda, agregadan gelenle birlikte çok daha yüksek alkali seviyeleri meydana gelir. Düşük alkaliye sahip çimento kullanılmış bazı döşeme betonlarında da ASR nedeniyle hasar meydana gelme nedeni olarak agrega da mevcut alkalinin katkısıyla reaksiyon sonucunda hasara neden olacak miktarda jelin meydana gelmesi olarak gösterilmiştir (Stark,1985).

Çoğu uygulamalarda yeterli görülmesine karşın, çimentonun düşük alkaliye sahip olması tek başına ASR nedeniyle hasarı önlemede, agregadan da alkali gelme olasılığı nedeniyle garantili değildir. Na₂O eşdeğeri olarak %0.6 veya daha az alkali muhtevasına sahip çimentolar düşük alkalili olarak değerlendirilirler. Bu tür çimentolar ve benzeri çimentoların kullanımıyla normal şartlarda ASR nedeniyle hasar oluşumu önlenebilir, bununla birlikte buz çözücü tuzlar gibi harici kaynaklı alkalinin ortama girmesiyle, ASR nedeniyle hasar oluşumunu arttırıcı etki oluşturur. Bu tür alkaliler sertleşmiş betona dışardan nüfuz etme yoluyla zarar verir (Swamy,1992).

ASR’nin belirgin ve görünür etkisi harici çatlak oluşumudur ancak betonun bazı fiziksel ve mikroyapısal özelliklerinin de ASR’den etkilendiği petrografik incelemelerle ortaya konmuştur ve dünyanın birçok yerinde köprülerde ve beton yollarda görülen hasarın çoğu ASR nedeniyledir (Şekil 4). Bu hasar çok düşük reaktiviteye sahip agrega ihtiva eden betona buz çözücü tuzun nüfuz etmesiyle meydana geldiği belirtilmiştir.

(a) (b)

	(b)
(a)

Şekil 4. a) Beton yollarda görülen ASR etkisi (Amerika), b) Köprülerde görülen ASR etkisi (Amerika) (SHRP,1999)

Genellikle, betonda kullanılan her tür agreganın değişik seviyede reaktif olduğuna inanılır, ancak petrografik incelemeler sonucu reaktif olduğu anlaşılan birçok agrega kullanılmış betonların tatmin edici performans gösterdiği gözlenmiştir. Reaksiyon, betonda çatlak oluşumuna neden olacak seviyede genleşmeye yol açıyorsa zararlı kabul edilir. Opal, tridimit, kristobalit, volkanik camlar birçok reaktif agrega yarı kararlı silika mineralleri içerir. Kalsedon az, kuvars ise çok daha az reaktifdir. Ancak sıcaklık ASR’yi etkileyen önemli bir faktördür ve kuvars gibi reaktif olmayan agregalar bile 35 – 40° sıcaklık ve yeterli rutubet şartlarında zararlı genleşmeye yol açar (Swamy,1988). Reaktif silika, alkaliler ve nem ASR nedeniyle hasar meydana gelmesi için gerekli unsurlardır. Bu üç unsur reaksiyonu etkileyen faktörler halinde aşağıdaki şekilde ifade edilebilir;

ü Reaktif silika taneciklerin yapısı, boyutu ve miktarı

ü Çimentonun alkali içerik ve betonun çimento içeriği

ü Agregadan çözünerek gelme ihtimali olan alkali miktarı

ü Harici alkali kaynakları

ü Sıcaklık ve nem bulunması gibi çevre şartları

Bütün diğer zararlı etkilerde olduğu gibi, beton kalitesi ve özellikle porozitesi, sonuçta oluşan hasar şekli ve derecesi üzerinde oldukça büyük etkiye sahiptir. Karışım oranları ve su/çimento oranı bu nedenle, ASR yi ve kuruma rötresini etkileyen önemli faktörlerdir. Beton eleman boyutu da ASR oluşumunda önemli bir etkendir. Çok fazla etki altında olması nedeniyle ASR tahmini ve tanımlanması oldukça zor bir işlemdir. Yukarıda verilen parametrelerin çoğu kontrol altına alınabilir ve zararlı olmayacak seviyede tutulabilir. Ancak süre ve çevresel şartları kontrol altına almak mümkün değildir. Normal şartlarda reaktif olmayan bazı agregalar sıcaklığın 35-45°C ye çıkmasıyla zararlı genleşme reaksiyonları meydana getirebilirler. Birçok yapı kullanım ömrü boyunca zaman zaman bu tür çevre şartlarına maruz kalabilir. Bu nedenle ASR oluşumu için biraraya gelmesi gerekli olumsuz bazı koşulların yapının ömrü boyunca herhangi bir anında mevcut olması kaçınılmaz olabilir. Genellikle ASR oluşumu birkaç yıl hatta birkaç 10 sene boyunca ortaya çıkmayabilir ancak risk taşımayan beton yapılarda bile uzun sürede hasar oluşabilir.

Betonun ASR Nedeniyle Genleşmesi

Beton yapılarda ASR’nin hasara neden olan etkisi genleşme deformasyonudur. Bu nedenle reaksiyon hızı ve toplam uzama (genleşme) miktarı beton yapının kritik parametreleridir. Bunlardan her ikiside, reaktif agreganın tip, hacim ve tane büyüklüğüne ve daha önce bahsedilen değişik faktörlere bağlıdır. Orta derecede reaktif agregalarla,çimento içeriği 2.5 kg/m³ miktarında, düşük alkali muhtevasına sahip betonda tahrip edici genleşme meydana gelebilir (Şekil 5).Büyüklüğü, konumu ve maruz kaldığı şartlar nedeniyle, ASR nunun zararlı olabilecek düzey altında tutulması için alkali seviyesinin, genelde "Güvenli seviye" (%0.6 dan az) olarak kabul edilen seviyenin altında tutulması gerekebilir.

Şekil 5. Çimento içeriğinin, ASR genleşmesi üzerine etkisi (Beton karışımda orta derecede reaktif agrega kullanılmıştır) (Swamy,1992)

ASR'nin Beton Özellikleri Üzerindeki Etkisi

Genleşmenin gerçek büyüklüğü dışında, ASR’nunun betonun diğer mühendislik özellikleri üzerindeki etkileri de mühendisler açısından önemlidir. Genleşme hızı ve toplam genleşme (uzama) nın agrega reaktivitesi, çimento tipi, çimento dozajı ve çevre etkilerine büyük oranda bağlı olması nedeniyle, ASR’nunun betonun mühendislik özellikleri üzerindeki etkileri genelleştirilemez. Bununla birlikte, ASR 'nunun beton dayanımı ve elastik özelliklerini ne şekilde etkilediği Çizelge 1‘de gösterilmiştir. Çizelgede iki farklı reaktiviteye sahip agrega etkisi gösterilmiştir. Bunlardan birisi hızlı ve yüksek reaktiviteye sahip (Opal), diğeri de yavaş ve orta derecede reaktiviteye sahip (kaynaşmış silika) agregalardır (Swamy,1988). Sonuçlar, dayanımda ve elastisite modülünde, ASR den dolayı önemli düşüşler(kayıplar) meydana geldiğini açıkça göstermektedir. Bu kayıpların tüm parametrelerde aynı oranda olmaması veya ASR etkisiyle genleşme(uzama) ile aynı oranda (paralellikte) gerçekleşmemesi önemli bir husustur. Çizelge 1' den, sıkışma dayanımında, reaktif agrega tipine bağlı olarak%40 dan %60 a kadar artan oranda, çekme dayanımında %65 den %80 'e kadar değişen oranda azalma gösterdiği görülmektedir (Şekil 6).

Çizelge 1.ASR nunun beton özellikleri üzerine etkisi

			Deney Süresi (Gün)
Özellikler	Karışım	1		7	28	365
Genleşme (%)	a - Kontrol b - 4½% Opal c - 15% Kaynaşmış Silika	0.0 0.0 0.0		0.0 0.071 0.0	0.003 0.316 0.023	0.021 1.644 0.623
Tek Eksenli Basınç Dayanımı (MPa)	a - Kontrol b - 4½% Opal c - 15% Kaynaşmış Silika	26.7331.1 -		48.6 44.4 -	60.1 44.5 52.5	73.5 27.5 44.5
Dolaylı Çekme Dayanımı (Brazilian) (MPa)	a - Kontrol c - 15% Kaynaşmış Silika	2.61 -		3.58 -	3.90 3.29	4.29 1.83
Kırılma Modülü (MPa)	a - Kontrol c - 15% Kaynaşmış Silika	3.52 -		4.88 -	52.25 4.58	5.58 1.30
Dinamik Elastisite Modülü (GPa)	a - Kontrol b - 4½% Opal c - 15% Kaynaşmış Silika	35.6 33.9 -		41.0 32.7 39.5	42.5 20.8 40.8	45.4 10.4 18.9
Ultrasonik Puls Hızı (km / s)	a - Kontrol b - 4½% Opal c - 15% Kaynaşmış Silika	4.28 4.12 -		4.60 4.02 4.57	4.67 3.48 4.61	4.78 2.70 3.64

Şekil 6. ASR etkisiyle tek eksenli basınç dayanımı ve çekme dayanımındaki azalma (Swamy,1992)

Şekil 7. ASR etkisiyle Dinamik Elastik modülündeki ve Ultrasonik Puls hızındaki azalma (Swamy,1992)

Dinamik modül kaybı %60 dan, %80 düzeyinde yüksek oranda gerçekleşmiştir (Şekil 7). Bu nedenle, betonun ASR nundan etkilenen iki önemli özelliği kırılma ve elastisite modülüdür. Bunların her ikisi de yapı elemanının bükülme rijitliğini etkileyen parametrelerdir.

Çizelge 1 ve Şekil 7'de verilen deneysel sonuçlardan uzamanın artışıyla puls hızında düşme görülmektedir. Sonuçlar dikkatli analiz edilirse, bükülme dayanımı gibi, dinamik modül ve puls hızının da ASR nedeniyle beton iç bünyesindeki değişime karşı oldukça duyarlı olduğu görülür (Şekil 7) (Swamy,1988). Bütün bu özellikler, yeni betonda henüz görünür düzeyde çatlak oluşmamış iken, düşük genleşmede ölçülebilir parametrelerdir. Bu nedenle, bu özellikler ASR nedeniyle yapısal bozulmanın izlenmesinde kullanılabilir.

Çizelge 1'de görülen diğer bir özellik, beton mühendislik özelliklerindeki kayıbın aynı seviyede veya genleşmeye oranla meydana gelmemesidir. Bu sonuç bütün yapı tipleri için aynı genleşme sınırının belirlenmesindeki tehlikeyi göstermektedir.

Zararlı genleşme oranı için kritik sonuçların, beton yapının tipi ve çevre ortamına bağlı olarak tespit edilme gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle ASTM C 227'de verilen sınır değerlerde, uygulama şartlarına göre değiştirilme ihtiyacı duyulabilir (Boyca uzama %0.20 fazla ise zararlı).

Çizelge 1 ve Şekil 7'deki verilerden çıkan diğer önemli bir sonuç, puls hızı ve dinamik modül ölçümü gibi tahribatsız deney yöntemleri, alkali-silika reaksiyonu nedeniyle betonda hasar başlangıç ve ilerlemesini tespit ve izlemede başarıyla kullanılabilmesidir (Mullick,1988). Bu deneyler kaynaklarda, farklı parametrelerin etkilerinin değerlendirilmesinde kullanılmıştır; bu farklı tip reaktif agregalar, farklı çevre şartları, betona uçucu kül, ince öğütülmüş çuruf, silika tozu ve benzeri mineral katkı ilavesi, donatılı ve donatısız beton kirişlerdir. Sonuçlar, ASR nedeniyle malzemede oluşan hasar ve yapısal bütünlüğün bozulmasına karşı puls hızı ve dinamik modül değerlendirmesinin hassas olduğunu göstermiş ve ilk çatlak oluşumu ile zamana bağlı olarak hasarın ilerleme göstergesi olarak yeterli güvenlikte gösterge oluşturmuştur. Ancak tahribatsız yöntemlerde tespit edilen sonuçların değerlendirilmesinde mühendislik deneyimi ve yorumlama kabiliyetinin gerektiği de gözönünde tutulmalıdır.

Kaynaklar

ASTM C-227-97a,1997,Standard Test Method for Potential Alkali Reactivity of Cement-Aggregate Combinations (Mortar Bar Method),Annual Book of ASTM Standards, 04.02 Concrete and Mineral Aggregates,American Society for Testing and Materials, Philadelphia,PA,USA,126-130.

Ineson,P.R.,1990,Siliceous Components in Aggregates,Cement and Concrete Composites, V.12,No.3,185-190.

Mullick,A.K.,1988,Distress in a Concrete Gravity Dam due to Alkali Silica Reaciton, Int.J.of Cement Composites and Lightweight Concrete,V.10,No.4,225-232.

SHRP,1999, Alkali Silica Reactivity Library Handbook for Identification of ASR,AASHTO web page.

Stark,D. and Bhatty,M.S.Y.,1985,Alkali Silica Reactivity:Effect of Alkali in Aggregate on Expansion, Alkalies in Concrete, ASTM Pub.,STP 930,16-30.

Swamy, R.N., 1988, Expansion of Concrete due to Alkali-Silica Reaction, ACI Materials Journal,V.85,No.1,33-40.

Swamy, R.N., 1992, Alkali-Aggregate Reactions in Concrete: Material and Structural Implications, Sciences in Concrete Technology, Energy,Mines and Resources, Ottawa, Canada,533-581.

Tordoff, M.A., 1990, Assesment of Prestressed Concrete Bridges Suffering from Alkali-Silika Reaction, Cement and Concrete Composites,V.12,No.3,203-210.

Wen, H.X., 1998,Alkali Aggregate Reaction in Concrete, Lecture Notes, Civil Engng. Dept., Hong Kong Unv. 7 pages.