Beton Çatladığında: Bilim Binaları Nasıl Kurtarabilir?

Beton, dünyada sudan sonra en çok kullanılan ikinci malzemedir. O kadar yaygın olmasına rağmen, insanlar onu gri, yavan ve sıkıcı bularak hafife alırlar ancak beton hiç de sıkıcı değildir. Yüksek Roma su kemerlerinden Sidney Opera Binası’nın yelkenlerine kadar bu “sıvı kaya” insanlık tarihi boyunca akmış ve modern toplumun gerçek temellerini oluşturmuştur.

Betonun antik olması, onu hâl öğrenmediğimiz anlamına gelmez. Amerikan Ulusal Standart ve Teknoloji Enstitüsündeki (NIST) araştırmacılar, 100 yılı aşkın süredir beton üzerinde çalışmaktadır. Betonun her alanında, tüm binaların büyük ölçekli yapılarından temel moleküllere ve bunların nasıl etkileşime girdiğine kadar NIST uzmanları bulunmaktadır. Bu uzmanlık, NIST’i beton ve performansı hakkındaki bilimsel soruları ele alma konusunda benzersiz bir yetkinliğe kavuşturmaktadır.

Son araştırmalardan bazıları, betonun çatlamasına neden olan istemsiz kimyasal reaksiyonlara odaklanmıştır. Bu reaksiyonların nasıl işlediğini ve bunları önlemek için neler yapılabileceğini yeni yeni anlamaya başlıyoruz. Ev sahiplerinin evlerinin temellerindeki pahalı çatlakları gidermelerine yardımcı olmak için çalışmalar sürmektedir.

Beton aslında nedir?

Betonun temel tarifinde sadece üç bileşen bulunur: Çimento, su ve agrega.

Çimento, bu üç bileşenin en karmaşık olanıdır. Doğada bulunmaz; kireç taşı ve kilin ısıtılmasıyla elde edilir. Daha sonra diğer minerallerle karıştırılıp ince bir toz hâline getirilerek nihai ürün çimento elde edilir. Bu tozun inanılmaz bir kimyasal özelliği ise su eklediğinizde sertleşmeye başlar.

İnsanlar taze çimento hamurunun “ıslak”, sertleşmiş çimento hamurunun ise “kuru” olduğunu söyleseler de su aslında bünyeden asla ayrılmıyor. Sudaki hidrojen ve oksijen, çimento tozuyla reaksiyona girerek yeni sert çimento molekülleri oluşturuyor.

Çimentoya dolgu maddesi olarak agrega, yani kaya ve kum eklenebilir. Bu “agrega”, nihai betonu tek başına çimentodan daha ucuz ve daha güçlü hâle getiriyor. Tipik olarak betonun %60-80’i agregadır.

Çimento, su ve agregalar kulağa basit bir formül gibi gelse de, işlerin ters gitmesinin birçok ihtimali var. Agregayı kontrol etmek özellikle zordur. Agrega olarak kullanılan kayalar neredeyse her zaman şantiye yakınındaki taş ocaklarından çıkarılır ve içlerinde istenmeyen birçok mineral bulunur. Genellikle çeşitli mineral bileşikler sorun teşkil etmez, ancak bazen betonun çatlamasına neden olan kimyasal reaksiyonları başlatabilir. Beton kanseri, bu reaksiyonların en bilinenlerinden biridir.

Beton Kanseri

Beton kanserinin teknik adı “alkali-silika reaksiyonu” veya ASR’dir. Belirli bir agrega türü içeren beton uzun süre nemli kaldığında meydana gelir.

Taze çimento hamuru, çamaşır suyu kadar yakıcıdır. Dikkatli kullanılmazsa cildinizi kimyasal olarak yakabilir. Bilimsel açıdan çimento, asidik olmanın tam tersi olan çok alkalidir. Çimento sertleştikten sonra daha az zararlıdır ve dokunulması güvenlidir ancak sertleşmiş çimento bir süre ıslak kalırsa, bu nem çimentodan iyonları sızdırabilir ve betondaki küçük boşluklarda çok alkali su oluşturabilir. Bazı agrega türleri bu yakıcı suyla reaksiyona girerek suyu emen ve betonun içinde yavaşça genişleyen berrak, beyaz veya sarımsı bir jel oluşturabilir. Bu, beton kanserinin başlangıcıdır.

Genişleyen jel dışarı doğru bastırır. Beton yüzeyindeki ince çatlaklar adeta bir örümcek ağı oluşturabilir. Çatlakların etrafındaki alan bazen jelden dolayı sarı bir renk alabilir. Kontrol altına alınmadığı takdirde, ciddi beton kanseri vakaları yapının parçalanmasına neden olabilir.

Çalışmaya liderlik eden yapı mühendisi Long Phan, “Bu, yıllar hatta on yıllar süren yavaş bir süreç, ancak zamanla kötüleşiyor ve hasar geri döndürülemez.” diyor.

Bilim insanları beton kanserini 1950’lerden beri biliyorlardı, ancak yeterince incelenmemişti.

2009 yılında uzmanların bu soruyu acilen yanıtlaması gerekiyordu. New England’ın en büyük enerji kaynağı olan Seabrook Nükleer Santrali, beton kanserinin erken belirtilerini gösterdi. Nükleer Düzenleme Komisyonu (NRC), santralin güvenli olup olmadığını ve reaksiyonu yavaşlatmak için ne yapılabileceğini öğrenmek üzere NIST’ten bu olguyu incelemesini istediler.

Sonraki birkaç yıl boyunca NIST, laboratuvarda beton kanserini yeniden yarattı. Araştırmacılar büyük beton örnekleri oluşturdular ve bu örnekleri ASR’ye neden olacak doğru türde agrega ile kasıtlı olarak birleştirdiler. Ardından, örnekleri yaklaşık 24 santigrat derece ve %95 nem oranına sahip özel bir odada tutarak kimyasal reaksiyonu hızlandırdılar, böylece reaksiyon yıllar yerine aylar içinde gerçekleşti. Ardından, farklı miktarlardaki ASR’nin betonun mukavemetini nasıl etkilediğini görmek için enfekte örnekleri büyük hidrolik preslerle sıkıştırıp gerdiler. Büyük ölçüde NIST araştırmaları sayesinde NRC, Seabrook’taki nem dikkatlice yönetilirse ASR’nin herhangi bir soruna yol açmayacağını belirledi. NRC, santrali 20 yıl daha hizmet vermesi için yeniden sertifikalandırdı. Sadece 10 yıl daha faaliyete devam etmek bile Massachusetts eyaletinde elektrik maliyetleri ve ekonomik faaliyetlerde 2 milyar dolardan fazla tasarruf sağlayacaktır.

Pirotin Sorunu

2015 yılı civarında, Connecticut’taki binlerce ev sahibi evlerinin temellerinde çatlaklar bulmaya başladı. Pirotin (pirotit olarak telaffuz edilir) adı verilen bir mineralin eser miktardaki kalıntıları, evlerin inşasından yıllar sonra çatlaklara neden olduğu farkedildi. Birçok evde bu çatlaklar yıkıcıydı ve bunları düzeltmenin tek yolu, tüm evi krikolarla kaldırmak, eski betonu sökmek ve tüm temeli yeniden dökmekti. Çevredeki binlerce ev ve diğer yapıda da aynı sorun tespit edildi, bir temeli yenilemek evin toplam değerinden daha pahalıya mal oluyordu.

Pirit, demir ve kükürtten oluşan bir mineraldir. Suyla temas ettiğinde demir iyonlarına ve sülfürik aside dönüşür. Her iki kimyasal da beton için zararlıdır. Demir, öncekinden biraz daha büyük bir katıya dönüşerek betonu iter. Sülfürik asit, beton araştırmacılarının “sülfat saldırısı” dediği şeyi başlatabilir. Bu, betonun içinde daha fazla genleşen katı madde oluşturur ve betonu bir arada tutan çimentoyu aşındırır.

Stephanie Watson liderliğindeki NIST araştırması, pirotinin etkilerini tespit etmenin etkili yollarını bularak azaltıyor.

Watson, “Pirotini tespit etmek gerçekten zor, birkaç farklı yaklaşım denemek zorunda kaldık. Örnekleri yaktık, kimyasallarla sindirdik, cama gömdük ve içlerinden X-ışınları geçirdik ancak her yöntemde aynı örnek için farklı miktarda pirotin bulduk. Zorluklardan biri, %1’in altında bir oranda, çok küçük bir konsantrasyon aramaları oldu. Reaksiyonu başlatmak için gereken minimum pirotin seviyesini hâlâ bilmiyoruz.” dedi.

Watson’ın ekibi, minerali tespit etmek için en iyi yaklaşımın “X-ışını floresansı” adı verilen bir işlem olduğuna karar verdi. Bir X-ışını floresansı cihazı, bir örneğe X ışınları gönderir. Numunedeki atomlar bu enerjinin bir kısmını emer ve ardından farklı bir frekansta yeni X-ışınları olarak salar. Her atom kendine özgü bir X-ışını deseni yayar. Bu, atomlar için bir tür barkod tarayıcısı gibidir ancak X-ışını floresansının çalışması için, makineleri kalibre etmek üzere pirotinle kaplanmış standartlaştırılmış beton numunelerine ihtiyaçları vardır.

Watson’ın ekibi, referans materyallerini oluşturmak için laboratuvarda saf pirotin üretme yöntemine öncülük etti. Aylarca süren deneme yanılma sürecinin ardından, demir ve kükürdü bir cam şişede bir araya getirip tüm oksijeni emdikten sonra bir tüp fırında aşırı sıcaklıklara ısıtarak mineralin oluşmasını sağlayabileceklerini keşfettiler. Referans materyal, pirotin hasarı olan evlerden alınan beton numunelerinin bileşimini taklit etmek için dört bileşenden oluşur: Çimento, agrega, kum ve saf pirotin. Bu referans materyal, geliştirme sürecinin son aşamalarındadır ve yakında başkalarının kullanımına sunulacaktır.

Araştırmacıların ve şirketlerin, beton dökülmeden önce beton yapımında kullanılan farklı bileşenlerde pirotin bulunup bulunmadığını görmek için basit bir test yapmalarına olanak tanıyacak. Ayrıca, ev sahiplerinin de talepte bulunmalarına olanak tanıyacak.

Kaynak: www.nist.gov/blogs/taking-measure/when-concrete-cracks-how-science-can-save-buildings