Beton Alkali-Silika Reaksiyonu (ASR)

1. Tanım ve Reaksiyon Mekanizması

1.1 Kimyasal Mekanizma

Reaksiyon iki aşamada gerçekleşir.

1. Aşama — Jel Oluşumu:

$\text{Reaktif SiO}_2 + \text{NaOH/KOH} \rightarrow \text{Alkali-Silika Jeli (Na/K-Si-H}_2\text{O)}$

2. Aşama — Genleşme: Oluşan jel suyu emerek hacmini artırır (osmotik şişme). Bu genleşme beton içinde çekme gerilmesi yaratarak makro çatlak ağına (harita çatlaması, map cracking) yol açar.

$Na_2O_{esd.} = Na_2O + 0{,}658 \cdot K_2O \quad \text{[kutle \%]}$

Saha Notu: Alkali kaynağı yalnızca çimento değildir. Karışım suyu, kimyasal katkılar, dışarıdan sızan deniz suyu veya buz çözücü tuzlar da betondaki toplam alkali miktarını artırır. Özellikle kıyı yapılarında ve tuz spreyi maruziyetinde dışarıdan gelen alkali katkısı göz ardı edilmemelidir.

Dikkat: ASR oluşması için üç koşulun aynı anda bulunması şarttır; bu koşullardan biri ortadan kalkarsa reaksiyon durur veya yavaşlar.

1.2 ASR için Üçlü Koşullar

Tablo 1: ASR için Üçlü Koşullar

1.3 Türkiye'de Reaktif Agrega Kaynakları

Tablo 2: Türkiye'de Reaktif Agrega Kaynakları

Saha Notu: Türkiye'nin güneyinde yaygın kireçtaşı agregaları genellikle zararsız iken Karadeniz, Doğu Anadolu ve Güneydoğu Anadolu'daki volkanik agrega ocakları için petrografik analiz zorunludur.

2. Tanı ve Test Yöntemleri

2.1 TS 2517 — Kimyasal Deney (Türkiye Ulusal Standardı)

TS 2517, Türkiye'de agregalarda alkali-silika reaktifliğini belirlemek için kullanılan kimyasal yöntemdir. TS 13515:2014 prosedürüne göre petrografik muayeneden sonra ilk tarama olarak uygulanır. Reaktif bölgede çıkan agrega için ASTM C1260 veya TS 13516 ile teyit gereklidir.

2.2 TS 13516 / ASTM C1260 — Hızlandırılmış Harç Çubuğu Testi

Agrega harç çubuğu haline getirilerek %1 NaOH çözeltisinde 80°C'de bekletilir ve 14 günlük genleşme ölçülür.

Tablo 3: TS 13516 / ASTM C1260 — Hızlandırılmış Harç Çubuğu Testi

Saha Notu: ASTM C1260/TS 13516'nın agresif koşulları, gerçek uygulamadaki reaksiyon hızını abartabilir. Yavaş reaktif agregaları (andezit bazı türleri) gerçekte zararsız olup C1260'ta yanlış "reaktif" sonucu verebilir. Bu nedenle sınır değerde çıkan agreganın ASTM C1293 ile teyit edilmesi zorunludur.

2.3 TS 13517 / ASTM C1293 — Beton Prizmatik Bar Testi

Gerçek beton karışımı ile yapılır; 38°C'de 1 yıl bekleme gerektirir. Sınır değer: ≥ %0,04 → Reaktif. TS 13515:2014 prosedüründe tamamlayıcı test olarak kullanılır.

Dikkat: TS 13515:2014 Madde 3'e göre zararlı agrega için TS 13516 ve TS 13517'nin her ikisi de uygulanabilir; yalnızca biri kullanılması halinde karar riskli olabilir.

2.4 Petrografik Analiz (ASTM C295 / EN 932-3 ve ASTM C856)

Agrega kesiti veya sertleşmiş beton çekirdeği ince kesit olarak hazırlanarak polarize ışık mikroskobu altında incelenir. Opal, kalsedon, kripto-kristalin kuvars mineralleri tespit edilir. ASTM C856 sertleşmiş beton için uygulanır ve ASR jelini doğrudan kanıtlar. Tarama elektron mikroskobu (SEM/EDS) ile jelin bileşim analizi yapılabilir.

3. Önleme Yöntemleri

3.1 TS 13515:2014 Prosedürüne Göre Karar Sırası

TS 13515:2014, Türkiye'de beton yapılarda ASR'yi önlemek için aşağıdaki hiyerarşik prosedürü öngörür:

1. EN 932-3 / ASTM C295 petrografik muayene: Zararlı mineral yoksa önlem gerekmez.
2. TS 2517 kimyasal deney: Zararlı bölgede çıkarsa sonraki adıma geç.
3. TS 13516 / TS 13517 deneyleri: Hızlandırılmış ve beton prizma testleri ile doğrula.
4. Beton hacminde toplam alkali ≤ 3,0 kg/m³ koşulunu sağla (TS EN 206:2013+A2:2021 Md. 5.2.3.4).
5. Zararlı agrega kullanılıyorsa kabul edilebilir hasar düzeyi belirle.

3.2 Düşük Alkali Çimento Kullanımı

$Na_2O_{esd.} \leq 0{,}60\% \quad \text{(TS EN 197-1 — LA cimentolar)}$

TS EN 197-1'e göre "düşük alkali çimento (LA)", Na₂Oeşd. ≤ %0,60 (kütlece) şartını içerir. Türkiye'de bazı çimento fabrikalarında Na₂Oeşd. = 0,25–0,60% aralığında klinker elde edilmektedir.

Saha Notu: Türkiye piyasasındaki standart CEM I 42,5 N çimentoların alkalisi genellikle %0,70–0,90 aralığındadır. Proje ASR açısından hassas bir bölgedeyse teknik şartname açıkça "LA çimento" talep etmelidir.

Dikkat: Düşük alkali çimento, reaktif agreganın tamamen zararsız hale gelmesini garanti etmez. Dışarıdan alkali girişi (deniz suyu, buz çözücü) söz konusu olduğunda tek başına yeterli olmayabilir.

3.3 Mineral Katkı Maddesi (SCM) Kullanımı

Puzolan ve cüruf katkılar ASR'yi üç mekanizma ile engeller: (1) Ca(OH)₂ tüketimi, (2) gözenek çözeltisi alkalisi seyreltme, (3) gözeneklilik azaltma.

Tablo 4: Mineral Katkı Maddesi (SCM) Kullanımı

Saha Notu: Türkiye'de tras üretimi Kütahya (Gediz yöresi), Samsun ve Nevşehir bölgelerinde yapılmaktadır. Tras, ASR baskılayıcı etkisi kanıtlanmış ekonomik bir puzolandır; Doğu Anadolu projeleri için yerel temin avantajı sağlar. Afşin-Elbistan, Seyitömer ve Yatağan termik santral atık külleri F/C sınıfı olarak belgelenmiştir.

3.4 LiNO₃ Katkısı

Lityum nitrat (LiNO₃) jel oluşumunu engeller; oluşan jelin higroskopik genleşme karakterini değiştirir.

$\text{Onerilen doz: } 0{,}7–1{,}0 \text{ mol LiNO}_3 / \text{mol } Na_2O_{esd.}$

ASTM C1567 ile etkinlik testi yapılmalıdır. Türkiye'de lityum bazlı katkı piyasası sınırlıdır; maliyet artışı %20–35 aralığında olabilir.

Dikkat: Lityum katkısının etkinliği reaktif agreganın türüne ve alkali içeriğine bağlıdır. ASTM C1567 ile karışım özgül test zorunludur.

4. Mevcut Yapılarda Tamir ve Önlem

Tablo 5: Mevcut Yapılarda Tamir ve Önlem

Saha Notu: Silane kaplamaların ASR genleşmesini durdurduğuna dair saha kanıtı yetersizdir. Auburn Üniversitesi'nin Bibb Graves Köprüsü çalışması (2014), silane uygulamasının genleşmeyi durdurmadığını göstermiştir. Türkiye'deki köprü ve karayolu yapılarında mevcut ASR hasarının yönetiminde yapısal izleme programı birincil araç olmalıdır.

5. Hasarın Görsel Belirtileri

• Map cracking (harita çatlama): Rastgele yönlü poligonal çatlak ağı — donatısız betonda en tipik belirti
• Çatlaklarda beyaz/sarımsı jel sızması (pH > 12 alkali jel)
• Yüzey genleşmesi, kabarma ve dilatasyon derzlerinin kapanması
• Donatılı betonda çatlaklar donatı yönünde ilerler (harita çatlamasından farklı)
• Demir donatı korozyonu ile birlikte ilerleme (çatlak açıklığı > 0,3 mm olduğunda)

6. Türkiye'ye Özgü Koşullar ve Yasal Zorunluluklar

6.1 İklim ve Ortam Koşulları

Tablo 6: İklim ve Ortam Koşulları

6.2 Yasal Zorunluluklar

Tablo 7: Yasal Zorunluluklar

6.3 Birim Fiyat Referansları

Tablo 8: Birim Fiyat Referansları

Saha Notu: Uçucu kül ikamesi, hem ASR riskini azaltır hem de karışım maliyetini düşürür. Proje bölgesine yakın santral atık kül değerlendirmesi ekonomik avantaj sağlayabilir.

7. Örnek Problemler

Problem 1 — Kolay 🟢

Veriler:

• CEM I 42,5 N çimento: Na₂O = 0,35%, K₂O = 0,75%
• Çimento dozajı: C = 320 kg/m³

İstenen: Beton hacmindeki toplam alkali içeriğini hesaplayın. TS EN 206:2013+A2:2021'e göre ASR riski var mı?

Çözüm:

Adım 1 — Na₂O eşdeğer alkalisi:

$Na_2O_{esd.} = 0{,}35 + 0{,}658 \times 0{,}75 = 0{,}35 + 0{,}493 = 0{,}843\%$

Adım 2 — Beton hacmindeki alkali:

$A_{beton} = \frac{0{,}843}{100} \times 320 = 2{,}70 \; \text{kg/m}^3$

Adım 3 — Değerlendirme:

$A_{beton} = 2{,}70 \; \text{kg/m}^3 < 3{,}0 \; \text{kg/m}^3$

Sonuç: TS EN 206:2013+A2:2021 Madde 5.2.3.4 alkali eşiğinin altında → ASR riski yok (agrega reaktif değilse). Na₂Oeşd. = 0,843% > 0,60% → LA çimento tanımını karşılamıyor; ancak beton hacminde sınırın altında kaldığı için reaktif agrega kullanılmayacaksa kabul edilebilir. Agrega reaktifse SCM ikamesi veya LA çimento önerilir.

Problem 2 — Orta 🟡

Veriler:

• C40/50 köprü tabliyesi betonu
• CEM I 52,5 N: Na₂O = 0,42%, K₂O = 0,78%
• Çimento dozajı: 400 kg/m³
• Agrega: ASTM C1260 14 gün genleşme = %0,16 (belirsiz)

İstenen: (a) Mevcut ASR riski? (b) %30 Sınıf F uçucu kül ikamesiyle alkali miktarı? (c) Yeterli mi?

Çözüm:

(a) Mevcut durum:

$Na_2O_{esd.} = 0{,}42 + 0{,}658 \times 0{,}78 = 0{,}933\%$

$A_{beton} = \frac{0{,}933}{100} \times 400 = 3{,}73 \; \text{kg/m}^3 > 3{,}0 \; \text{kg/m}^3$

Agrega C1260 = %0,16 (belirsiz). ASR riski mevcut → ASTM C1293 + önlem planlaması gerekli.

(b) %30 FA ikamesi (FA Na₂Oeşd. ≈ 0,50%):

$C_{yeni} = 400 \times 0{,}70 = 280 \; \text{kg/m}^3, \quad m_{FA} = 120 \; \text{kg/m}^3$

$A_{toplam} = \frac{0{,}933}{100} \times 280 + \frac{0{,}50}{100} \times 120 = 2{,}61 + 0{,}60 = 3{,}21 \; \text{kg/m}^3$

Hâlâ > 3,0 kg/m³. LA çimento (Na₂Oeşd.≤0,60%) + %25 FA kombinasyonu denenir:

$A_{toplam,LA} = \frac{0{,}60}{100} \times 300 + \frac{0{,}50}{100} \times 100 = 1{,}80 + 0{,}50 = 2{,}30 \; \text{kg/m}^3 < 3{,}0 \quad \checkmark$

(c) ASTM C1567 ile doğrulama: ASTM C1567 testi kritik son adımdır. LA + %25 FA ikameli harç çubuğu 14 gün C1260 protokolü ile test edilir; ≤ %0,10 → zararsız olarak onaylanır.

Sonuç: LA çimento + %25 FA kombinasyonu alkali sınırını karşılar; ASTM C1567 ile kesin onay alınmalıdır. TS 802:2016'ya göre yüksek FA oranlı karışımda 56 günlük referans dayanım benimsenmelidir.

Problem 3 — Zor

Veriler:

• Van–Ağrı otoyol köprüsü, C35/45, 100 yıl servis ömrü
• CEM I 42,5 N: Na₂O = 0,45%, K₂O = 0,61% → Na₂Oeşd. = 0,85%
• Çimento dozajı: 380 kg/m³
• Agrega: ASTM C1260 = %0,35 (reaktif), ASTM C1293 1 yıl = %0,07 (reaktif onaylandı)
• Ortam: Dış ortam, yüksek nem (BN > %80, 6–8 ay/yıl), TBDY 2018 Deprem Bölgesi I
• Kısıt: %35 FA ikamesi dayanım kaybı riski; LA çimento temin edilemiyor

İstenen: (a) ASR riski doğrulayın. (b) LiNO₃ + silis dumanı kombinasyon tasarımı yapın. (c) 100 yıl izleme programı kurgulayın.

Çözüm:

(a) ASR Riski:

$A_{beton} = \frac{0{,}85}{100} \times 380 = 3{,}23 \; \text{kg/m}^3 > 3{,}0 \; \text{kg/m}^3$

C1260 = %0,35 ≥ %0,20 → Reaktif. C1293 = %0,07 ≥ %0,04 → Reaktif teyit. ASR riski yüksek; önlem zorunludur.

(b) SF + GGBFS + LiNO₃ Kombinasyonu:

Silis dumanı %7 + GGBFS %23 → toplam ikame %30 (dayanım korunur, SF yüksek erken dayanım):

$C_{yeni} = 380 \times 0{,}70 = 266 \; \text{kg/m}^3$

$A_{toplam} = \frac{0{,}85}{100} \times 266 + 0{,}05 \approx 2{,}26 + 0{,}05 = 2{,}31 \; \text{kg/m}^3 < 3{,}0 \; \text{kg/m}^3 \quad \checkmark$

LiNO₃ dozu (ek güvence, trakit agregada jel oluşumu beklendiğinden):

$n_{Na_2O} = \frac{2{,}31 \; \text{kg/m}^3}{62{,}0 \; \text{g/mol}} = 37{,}3 \; \text{mol/m}^3$

$m_{LiNO_3} = 0{,}80 \times 37{,}3 \times 68{,}95 \; \text{g/mol} \approx 2{,}06 \; \text{kg/m}^3$

ASTM C1567 testi: 7%SF + 23%GGBFS + LiNO₃ karışımı 14 gün genleşme ≤ %0,08 → Zararsız onaylandı.

(c) 100 Yıl İzleme Programı:

Tablo 9: Problem 3 — Zor

TBDY 2018 Etkileşimi: ASR'nin deprem güvenliğine etkisi kritiktir. TBDY 2018 Madde 15.3 Mevcut Yapılar bağlamında: ASR hasarı beton kiriş ve kolon kesitlerinde etkin bölümü azaltır, etriye kapasite kayıplarına yol açar. Yapısal değerlendirmede hasarın enine doğrultudaki dağılımı modellenmeli; donatı-beton arasındaki aderansın azaldığı kesimlerde kapasite azaltma katsayısı uygulanmalıdır.

Sonuç: 7%SF + 23%GGBFS + 2,06 kg/m³ LiNO₃ kombinasyonu hem alkali hem de kimyasal önleme koşullarını karşılar; 100 yıllık izleme programı ile güvence altına alınır.

8. Sık Yapılan Hatalar

1. Agrega test edilmeden temin edilmesi — Her yeni kaynak için TS 13516 (ASTM C1260) zorunludur; "bu bölgeden daha önce aldık, sorun olmadı" yaklaşımı risklidir.
2. Yalnızca alkali hesabı ile karar vermek — Alkali sınırını karşılamak yeterli değildir; ASTM C1567 ile karışım özgül test gereklidir.
3. C1260 "belirsiz" sonucunu ihmal etmek — %0,10–0,20 arası sonuç "zararsız değil"; ASTM C1293 ile teyit zorunludur.
4. Dışarıdan alkali girişini dikkate almamak — Kıyı yapılarında deniz suyu, yollarda buz çözücü tuz toplam alkalii artırır; bu katkılar tasarım aşamasında hesaba katılmalıdır.
5. %56 FA ikamesini doğrudan uygulamak — Yüksek FA oranında (> %35) standart 28 günlük dayanım yetersiz kalabilir; TS 802:2016'ya göre 56 veya 90 günlük referans dayanım benimsenmelidir.
6. Silane uygulamasını ASR çözümü saymak — Silane su girişini azaltır, ancak halihazırda yüksek nem içeren hasarlı betonda genleşme durdurmaz.

Kaynakça

1. İlgili Türk Standartları (TS) ve Avrupa Normları (EN)
2. TBDY 2018 — Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği
3. İlgili ders kitapları ve teknik kaynaklar

Not: Bu makale eğitim amaçlıdır. Projelerde güncel yönetmelik ve standartlara başvurunuz.

Kaynaklar

1. TS EN 206:2021 — TSE — Türk Standardları Enstitüsü. https://www.tse.org.tr
2. TS EN 1992-1-1:2012 — CEN — Avrupa Standardizasyon Komitesi (Eurocode). https://eurocodes.jrc.ec.europa.eu
3. Yapı Malzemeleri.

İlgili Hesaplama Araçları

Bu konuyla ilgili ücretsiz mühendislik hesaplama araçlarımızla ön tasarım ve kontrol yapabilirsiniz:

• Beton Metrajı Hesaplama
• Pas Payı Hesaplama

Önemli Mühendislik Uyarısı: Bu içerik yalnızca bilgilendirme amaçlıdır; nihai tasarım, hesap ve uygulama kararları, güncel yönetmelikler ile proje koşulları çerçevesinde yetkili bir inşaat mühendisinin denetiminde alınmalıdır. Sayısal örnekler ve formüller genel mühendislik pratiğini yansıtır; her projenin kendine özgü zemin, yük ve çevre koşulları proje müellifince ayrıca değerlendirilmelidir.