AĞIR BETONLAR

[Medeniyet Mühendisi]

AĞIR BETONLAR

1. Tanım ve Önemi
Doğal veya yapay agregalar kullanılarak üretilen ve etüv kurusu birim ağırlığı 2600 kg/m3’den büyük olan betonlar ağır beton olarak tanımlanmaktadır . Önceleri bazı özel yapıların kayma veya devrilmeye karşı güvenliğini sağlamak amaçlı kullanılan ağır betonlar günümüzde nükleer enerji santrallerinde, tıp birimlerinde ve nükleer araştırma ve deney laboratuvarlarında radyasyona karşı koruyucu olarak kullanılmaktadırlar. Bu amaçla kullanabilecek başka malzemeler olsa da beton ekonomik olması ve bazı avantajları nedeniyle daha çok tercih edilmektedir. Normal beton kullanımında etkin koruma için elemanların kalınlıklarının çok büyük olması gerekirken, ağır agregalar ile üretilen ve birim ağırlıkları 3360-3840 kg/m3 aralığında olan ağır betonlar ile kalınlıklar önemli oranda azaltılabilmektedir.

2. Radyasyona Karşı Koruyucu Malzeme Olarak Beton
Biyolojik korumada iki tip radyasyon etkisi önemlidir. Yüksek enerji ve frekanslı elektromenyetik dalgalar olan x- ve Gama-ışınları yüksek nüfuz etme yetenekleri nedeniyle ancak birim kütlesi yüksek olan malzeme tarafından emilip durdurulabilmektedirler. Elektrik yükü taşıyan ve atom çekirdeğinin ağır parçacığı olan yüksek hızlardaki nötronlar demir gibi yüksek atom ağırlıklı malzemeler ile elastik olmayan çarpışma sonunda yavaşlatılırlar; hidrojen gibi hafif elemanlar orta hızdaki nötronlar ile elastik çarpışma yaparak daha da yavaşlamalarına neden olurlar; yavaş hareket eden nötronlar ise yine hidrojen atomu ya da bor minerali tarafından tamamen emilerek yok edilirler. Beton dayanımına olumsuz etkisi olmaması için suda çözünmeyen boron kullanılmalıdır.
Nötron ve Gama-ışınlarını yavaşlatabilme karakterinin yanında yeterli mekanik özelliklere sahip ve ilk maliyeti ve bakım masrafları düşük olan beton bu amaç için en ideal malzemedir. Karma suyunun bünyesindeki hidrojen ve oksijen gibi hafif atomlu cisimlerin yanında içerdiği yüksek özgül ağırlıklı agregalar ve parçacıklar ile ağır beton yüksek enerjili Gama-ışınlarını ve nötronları pratik koşullar altında durdurmaya yeterli olmaktadır.

3. Malzemeler ve Karışım Oranları
TS EN 206 standardına göre özgül ağırlıkları 3,00’dan büyük olan agregalar ağır agregalar olarak tanımlanmaktadır. Türk standardında ağır agregalar ile ilgili bir standart yoktur, ancak ASTM C637 ve ASTM C638 standartları ağır betonlarda kullanılan ağır agregalar ile ilgili detaylı bilgileri vermektedir.

Ağır beton üretiminde genellikle barit, limonit, magnetit, hematit, ilmenit, viterit, geotit gibi doğal agregalar ile demir saçmaları, kurşun parçacıkları, ferrosilikon ve ferrofosfor gibi yapay agregalar kullanılmaktadır (Çizelge 1). Ayrıca bor minerali de bu amaçla kullanılmaktadır. En yaygın olarak kullanılan baryum sülfat esaslı barit minerali stabil olması nedeniyle betona zarar vermez ve betonun birim ağırlığı 3600 kg/m3’e kadar çıkabilmektedir. Magnetit ve limonit ile üretilen betonların birim ağırlıkları da 3400–3600 kg/m3 arasında olabilmektedir. Demir parçacıkları tek başlarına ya da diğer ağır agregalar ile kullanıldıklarında betonların birim ağırlıkları 5500–6500 kg/m3 değerlerine yükselmektedir.

Çizelge 1. Bazı ağır agregalar ve fiziksel özellikleri.


Ağır beton, üretiminde kullanılan ağır agregalar dışında diğer malzemeler ve karışım oranları açısından normal betonlardan pek farklı değildir. Kullanılan agreganın granülometrisi taze betonda ayrışmaya neden olmayacak ve sertleşmiş betonun boşluk oranını en aza indirecek uygunlukta olmalıdır. Mümkün olan en yüksek birim ağırlığı sağlamak ve de taze betonda ayrışmayı önlemek için hem ince hem de iri agreganın yüksek özgül ağırlıklı kayaç ve minerallerden olması tercih edilmelidir. Ağır kırma agregaların genellikle düzgün olmayan şekillerde ve yüzeyleri çok pürüzlü olduğu için taze betonda kıvamı sağlamak için kumun inceliği arttırılmalı ve çimento dozajı 350 kg/m3 değerinin üzerinde olmalıdır. Süperakışkanlaştırıcı kullanımı ile istenen akışkanlıkta, su/çimento oranı 0,40’ın altında ve boşluk oranı ve çatlama riski en düşük düzeyde beton üretmek mümkündür .




4. Üretimi ve Yerleştirilmesi
Ağır betonların taze haldeki işlenebilmesi sorun olabilmekte ve yerleştirme sırasında ayrışma oluşabilmektedir. Bu nedenle ağır betonların pompalanabilmesi ya da oluklar ile akıtılarak yerleştirilmesi ancak kısa mesafeler ile sınırlı kalmaktadır. Ayrışma sorununu çözebilmek için bazı durumlarda prepakt tekniği uygulanabilmektedir. Dikkat edilmesi gereken önemli hususlar arasında karıştırma sürelerinin kısa tutulması, en fazla 25 cm kalınlığında tabakalar halinde dökülmesi, yerleştirme sırasında kısa süreli güçlü vibrasyon uygulanması ve kalıpların daha rijid olması sayılabilir. Diğer taraftan bazı bor minerali türevleri çimentonun hidratasyonunu yavaşlatıp priz sürelerini uzatabildiklerinden dolayı kullanımlarında dikkatli davranmak gerekmektedir.


5. Önemli Özellikleri
Radyasyona karşı koruma amaçlı olarak taşıyıcı olmayan kalın kütle beton duvarlar kullanılması durumunda beton basınç dayanımlarının yaklaşık 14 MPa olması yeterli görülmekteyken, taşıyıcı beton duvarlar kullanılması durumunda ise beton dayanımları 20-35 MPa arasında olması gerekmektedir. Diğer taraftan nükleer enerji santrallerinin beton reaktör silolarında özellikle ağır beton perdeler ve öngermeli beton reaktör siloların kullanımı tercih edilmektedir. Bu betonlar 0,30-0,35 su/çimento oranında 7 günlük dayanımları 50–65 MPa ve 28 günlük dayanımları ise 60–75 MPa olacak şekilde üretilmelidirler. Ayrıca bu betonların normal şartlarda 70C ve kaza anında çok daha yüksek sıcaklıklara dayanıklı olacak şekilde üretilmeleri gereklidir.

Radyasyona karşı koruma amaçlı olarak barit agregası ile üretilen ağır betonların elastisite modülleri kırmataş agregalı normal betona göre daha yüksek bulunurken, barit agregası kullanımı betonun ultrases hızı ile Schmidt sertliği değerlerini etkilememiştir. Barit agregalı ağır betonların Gama-ışınlarını absorbe etme katsayısının kullanılan malzemeler ve karışım oranları ile değişimi birçok araştırıcı tarafından incelenmiş ve -ışını absorbe etme katsayısının beton birim ağırlığı ile doğrudan arttığı, su-çimento oranı ve basınç dayanımının önemli etkisinin olmadığı gözlenmiştir. Sakr ve El-Hakim çakıl, barit ve ilmenit agregaları ile yapılmış betonların radyasyon ve yüksek sıcaklık (25-550C) etkisi altında fiziksel ve mekanik özellikleri ile Gama-ışını absorbe etme katsayısını incelemişler ve ilmenit agregası ile üretilen betonların birim ağırlıklarının, basınç, çekme ve eğilme dayanımları ile elastiklik modüllerinin diğerlerine göre daha yüksek olduğunu ve ayrıca ilmenit agregalı betonların Gama-ışınlarını absorbe etme katsayısının yüksek sıcaklıklardan barit agregalı betonlara göre daha az etkilendiğini gözlemişlerdir. Kan ve diğerleri  demir cevheri ve çelik bilyeler ile ürettikleri ağır betonlarda, ağır agrega oranının artmasıyla beton basınç ve eğilme dayanımlarının pek fark etmediğini, ancak elastiklik modülünün arttığını gözlemişlerdir. Radyasyona karşı en iyi korumanın kırılma tokluğu en fazla, dolayısıyla çatlama riski en az, olan %40 oranında metal agrega içeren karışımlarda sağlanabileceğini ileri sürmektedirler.




Medeniyet Mühendisleri Forum ekibi