ALKALİ SİLİKA REAKSİYONU (ASR) NEDİR?
Betonda meydana gelen Alkali Silika Reaksiyonu, beton bünyesindeki alkali boşluk çözeltisi ve agregadaki reaktif silika ve silikatlar gibi reaktif mineraller arasındaki tepkimesi sonucu oluşur. Reaksiyon, suyu emebilen jel oluşumuna yol açar ve genleşme sonucunda jel, betona kuvvet uygular. Belirli koşullarda, beton biçerisinde meydana gelen bu reaksiyonlar, betonda genleşme ve çatlamalara neden olabilir. Bu tip hasarların meydana gelmesi için reaktif türde yeterli miktarda mineral, boşluk çözeltisinde yeterli yüksek derecede alkali hidroksit konsantrasyonu ve yeterli miktarda suyun aynı anda bulunması gereklidir.
Alkali silika reaksiyonu (ASR) 1930’lu yıllardan beri literatürde olan bir durabilite konusudur. ASR nedeniyle bir hasarın oluşmaması için reaksiyon mekanizmasının iyi bilinmesi gerekmektedir. Böylece gerekli tedbirler alınarak önemli hasarların oluşması önlenebilir. Türkiye coğrafyası jeolojik açıdan oldukça değişkendir. Bu değişiklik alkali silika reaksiyonu yönünden risklidir. Çünkü çok fazla sayıda volkanik kökenli dağlara sahip bölgelerde, özellikle derelerde ve ırmaklarda sürüklenerek oluşan doğal şekillenmiş agregalar, kökenleri itibari ile volkaniktirler. Bu yüzden, bu kaynaklara ait agregalara karşı temkinli olunması gerekmektedir. Bu durum kırma taş agregalar içinde geçerlidir.
Beton, çimento pastası içinde yer alan ince ve iri agregalardan oluşmaktadır. Çimento pastasında birbirlerine bağlı mikro boşluklar ve bu boşluklarda çözünmüş iyonlar yer almaktadır. Boşluk suyu bu iyonlardan dolayı alkalin özellikte olup 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 çevresindeki çimento pastasında suyu absorbe ederek 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 ve ASR’yi etkileyen faktörler
Çatlaklar, genleşme, deformasyon, çatlaklardan jel sızması AlkalicSilika Reaksiyonunun belirtileri arasında yer almaktadır. 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. Alkali Silika Reaksiyonunu etkileyen faktörler şu şekilde sıralanabilir.
- 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 )
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.
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. Reaktif silika, ancak yüksek pH’lı çözeltide çözündüğü için ASR, yüksek hidroksit iyonu konsantrasyonunda gerçekleşir. Ancak, agreganın reaktifliği arttıkça daha düşük alkali seviyelerinde bile reaksiyonun oluşabildiği görülmüştür. Bu nedenle şüpheli agrega kullanılması zorunlu olduğu durumlarda düşük alkali çimento kullanılması faydalı olmaktadır.
Su
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°C 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.
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 Alkali Silika Reaksiyonuna Alkali içerikleri, Puzolanik reaksiyon ortam pH’ın azalması, Çimento dozajının azalması gibi etkileri vardır. Mineral katkılar 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.