Beton, Dayanımını Kaybetmeden Kendi Çatlaklarını İyileştirebilir mi?

Güney Kaliforniya Üniversitesi (University of Southern California) araştırmacıları, düşük maliyetli ve orijinal malzemenin yapısında var olan dayanımı koruyan, kendi kendini iyileştiren betona yönelik alternatif bir yaklaşım oluşturdu.

Beton, ağır yükleri taşımasına olanak tanıyan yüksek basınç dayanımı nedeniyle dünyada sudan sonra en çok kullanılan ikinci malzemedir, ancak betonun çekme dayanımı düşüktür, yani çekme gerilmeleri altında kolayca parçalara ayrılabilir ya da çatlayabilir. Sıcaklık ve nemdeki değişiklikler de betonun çatlamasına neden olabilir. Çatlamayan beton üretebilmek zor olduğundan, bu konuda araştırma yapan bazı uzmanlar kendi kendini iyileştiren beton geliştirmeye çalışmaktadır.

USC Viterbi Mühendislik Fakültesi (University of Southern California Viterbi School of Engineering) araştırmacıları, betondaki doğal agregaları (kum ve kayaç parçaları) bazı iyileştirici maddeler içeren mühendislik ürünü agregalarla değiştirerek kendi kendini onaran beton geliştirmek için yeni bir yöntem buldu. Bu yöntemin son 20 yılda izlenen yöntemlerden farkı, maliyetleri düşük tutmaya, betonun dayanım ve üretim şeklini korumaya öncelik vermektedir.

İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü Doçenti Bora Gençtürk ve doktora öğrencisi Xiaoying Pan betondaki boşlukları iyileştirebilmek için kimyasal reaksiyonlarla etkinleşen bakterileri beton çatlaklarına ekleyerek kendi kendini iyileştiren beton yöntemini geliştirdi. Bu yönteme, iyileştirici maddeler içeren mikrokapsüllerin yerleştirilmesini de dâhil edebiliriz. Pan, bu yöntemlerin aşırı derecede pahalı olduğunu ve gerçek dünyadaki uygulamalarda pratik olmadığını söyleyerek “Normalde betonun metreküp fiyatı 150 dolar civarındadır, ancak bakteri aşılanmış kendi kendini iyileştiren beton kullanıldığında, bu fiyat metreküp başına 6.000 dolara çıkabilir.”dedi.

Pan ayrıca; “Uygulamada sadece maliyet değil, aynı zamanda inşaat süreçlerini yavaşlatan ve karmaşıklaştıran, betonu uygun şekilde hazırlamak için teknik bilgi ve üst düzey uzmanlık gerektiren dezavantajları da bulunuyor. Ayrıca bu tür malzemelerin ilave edilmesi betonun orijinal basınç dayanımını zayıflatmasına neden olabilecek yapısal sorunları da ortaya çıkarmaktadır.” diye ekledi.

Araştırmacılar, bu dezavantajlarla mücadele etmek ve endüstri tarafından kolayca uygulamaya alınabilecek kendi kendini iyileştiren beton için gerçekçi bir seçenek sunmak üzere, betonun içinde zaten mevcut olan agrega yapılarını anımsatan bir takviye oluşturmayı önerdiler. Bu mühendislik ürünü agregalar, içlerinde onları kırarak açan çatlaklarla karşılaştıklarında etkinleştirilen iyileştirici maddeler içerir. Ekibin yakın zamanda yayımlanan araştırmasında ana hatlarıyla belirtilen süreçte ilk adım, çeşitli çatlak türlerinde etkili iyileştirme sonucunu sağlamak için bu mühendislik ürünü agregaların en iyi tasarımların ne olduğunu bulmaktır.

Tasarlanmış agregalar gerilim altında betonla birlikte nasıl çatlar?

Örneğin köprüler ve diğer yapılarda, betondaki çatlaklar hâlihazırda oldukça büyük veya yaygın olana kadar hemen fark edilmez. Bu noktada onarım maliyetlidir, işçilerin çatlak(lar)ı belirlemesi ve ölçmesini gerektirir. Beton hasarını değerlendirmek için en iyi iyileştirme yöntemi tasarlanmalı, beton onarım için hazırlanmalı ve tamamen kürlenmesi gereken bir tutkal polimerinin enjeksiyonu yapılmalıdır.

Pan, kendi kendini iyileştiren betonun yeni bir konu olmasa da önceki yöntemlerin geniş ölçekte pratik ya da sürdürülebilir olmadığını belirtti. Pan, “Temel reaksiyonlar, birkaç mikrometre büyüklüğündeki çatlakları iyileştirebilir, ancak daha büyüğünü iyileştiremez. 20 yıl kadar önce, malzeme bilimcileri kendi kendini iyileştiren malzemeler içeren bakteri ya da mikrokapsüllerin betona karıştırılmasına ve gerilme/darbe üzerinde aktif hâle getirilmesine neden olacak yeni yöntemler geliştirmeye başladı. Bununla birlikte, bu yaklaşımlar sadece pahalı olmakla kalmıyor, aynı zamanda betonda delikler açtığınızda, doğal olarak zayıf noktaların oluşmasına neden oluyor.” dedi.

USC Viterbi araştırmacıları, beton içindeki kaya benzeri agrega yapılarının betonun stabilitesini oluşturmaya yardımcı olduğunun, bu yapıları farklı şekilde yeniden yaratmanın, kendi kendini iyileştiren malzemenin içine aşılanabileceği, kendi kendini iyileştiren bir beton elde etmeye yardımcı olabileceğinin farkına vardı. İnşaat ve Yapı Malzemeleri ile ilgili son makalelerinde araştırmacılar, değişen boyutlardaki çatlaklar için hangi şekil ve boyutta mühendislik kapsamında tasarlanmış agreganın en uygun olduğunu belirlemeye yardımcı olan bir hesaplama modeli oluşturdular.

Pan, “Farklı beton yapı konfigürasyonlarımız olduğunda, bu yapılar farklı çatlak boyutlarına sahip olma eğilimindedir. Bu durumda, optimal bir iyileştirme etkisi yaratmak üzere mühendislik ürünü agrega için en iyi büyüklük ve şekli nasıl seçeceğimizi bilmek istiyoruz.” dedi.

Pan, araştırmanın sadece tercih ettikleri mühendislik ürünü toplu yaklaşım için değil, diğer kendi kendini iyileştiren beton yaklaşımları için de geçerli olduğunu söyledi. “Bu matematiksel bir model ve bu nedenle iyileştirici malzemeleri yapısına yerleştiren diğer kendi kendini iyileştiren beton malzemelere uygulanabilir.” diye ekledi.

Model, bir büyük çatlağa karşı çok sayıda küçük çatlak ya da daha büyük ihtimalle birbirine bağlı bir grup çatlak gibi farklı durumlarda optimum mühendislik ürünü agrega oluşumu için öneri olarak sunabilir.

Pan, araştırmalarındaki bir sonraki adımın, betonun genel dayanımının mühendislik ürünü agregalarının farklı boyut ve şekillerinden nasıl etkilendiğini bulmak olduğunu söyledi. Umarız ki iki model, betonda orijinal olarak bulunan yapısal bütünlüğü ve dayanımı korurken, optimum iyileştirme etkileri sağlayan önerilerle sonuçlanacaktır.

Bunun ardından Pan, çalışılacak malzeme türleri hakkında ek araştırma yapacaklarını, poliüretan ve sodyum silikat gibi malzemeler iyileştirici olabileceğini belirtti. Bu arada Pan, mühendislik ürünü agrega malzemesi için çimentonun da iyi bir aday olduğunu ifade etti. Pan, “Çimento ucuz ve betonun fiyatını büyük ölçüde artırmayacak” diye ekledi.

Ekip şimdiye kadar laboratuvarda, içinde sadece bir ya da iki mühendislik ürünü agrega olan daha küçük bazı numuneleri test etti. Asıl önemli test, büyük bir çatlaktan su akışıyla ne olduğunu görmek olacaktır. Betonda iyileşme olup olmadığını göstermek üzere, iyileşme varlığı ya da suyun boşlukta kolayca akıp akmadığı izlenecektir. Bu aynı zamanda, çatlakları daha sonra değil, daha önce düzeltmenin neden önemli olduğunun göstergesidir. Pan, “Beton çatladığında, su içinden çok hızlı akabilir ve beraberinde agresif ve aşındırıcı maddeler getirebilir. Bu da daha fazla hasara yol açabilir.” dedi.

Pan, kendi kendini iyileştiren betonun, su kaynaklarına yakın ya da nemli iklimlerde yapıların ömrünü artırmaya ve işlevlerini sürdürmelerine yardımcı olabileceğini söyleyerek sözlerini sonlandırdı.

Kaynak: https://viterbischool.usc.edu/news/2022/03/can-concrete-heal-its-own-cracks-without-losing-its-strength/