Sülfatlı ve Jipsli Zeminlerde Çimento Seçimi

Jips (CaSO4·2H2O) ve diğer evaporit mineralleri içeren zeminlerde, yeraltı suyuna geçen sülfat iyonu çimento hidratasyon ürünleriyle tepkimeye girerek genleşmeli bozulmaya yol açar. TS EN 206 bu ortamı XA1-XA3 kimyasal etki sınıflarıyla tanımlar; TS EN 197-1 ise sülfata dayanıklı (SR) çimento cinslerini belirler. Bu rehber, jipsli formasyonların Türkiye'deki yayılımından başlayarak sülfat atağı mekanizmasını, bağlayıcı seçim çerçevesini ve jet grout ile derin karıştırma uygulamalarında alınacak önlemleri açıklar.

TS EN 206'ya göre kimyasal etki (sülfat) maruz kalma sınıfları ve karşılık gelen beton gereksinimleri

Özellik / gereksinim	XA1 (az etkili)	XA2 (orta etkili)	XA3 (şiddetli etkili)
Yeraltı suyunda SO4 (mg/l)	200 - 600	600 - 3.000	3.000 - 6.000
Zeminde suda çözünen SO4 (mg/kg)	2.000 - 3.000	3.000 - 12.000	12.000 - 24.000
Yeraltı suyunda Mg (mg/l)	300 - 1.000	1.000 - 3.000	3.000 ve üzeri (doygunluğa kadar)
pH	6,5 - 5,5	5,5 - 4,5	4,5 - 4,0
Maksimum su/çimento oranı	0,55	0,50	0,45
Minimum dayanım sınıfı	C30/37	C30/37	C35/45
Minimum çimento içeriği (kg/m3)	300	320	360
Sülfata dayanıklı çimento	Genel olarak gerekmez	Sülfat baskın etki ise gerekli	Gerekli

Sınır değerler ve karışım gereksinimleri TS EN 206 kapsamındaki tavsiye değerlerdir (THBB Akademi Teknik Bülten 10, 2023 üzerinden aktarılmıştır); sınıf ataması saha numunelerinin kimyasal analizine dayanmalı ve proje müellifince onaylanmalıdır.

Nerede karşımıza çıkıyor: Çorum ve İç Anadolu jipsli serileri

Sülfatlı zemin sorunu Türkiye'de bölgesel bir jeoloji sorunudur ve haritası bellidir. Çorum bölgesinin jeolojisini tanımlayan çalışmada, bölgede konglomera, gre, marn ve kil tabakalarından oluşan, aralarında jips ve tuz yatakları bulunan Oligo-Miyosen yaşlı jipsli ve tuzlu alacalı serinin tahmini kalınlığı 1.000-1.200 m olarak verilmiştir (Akarsu, Türkiye Jeoloji Bülteni 7(1): 19-29, 1959). Bu, tekil bir jips merceği değil, bölgesel ölçekte kalın bir evaporit istifidir.

Aynı kuşak İç Anadolu'da devam eder. Çankırı jips platosunda 100 km2'lik bir alanda 1.260 adet çözünme dolini haritalanmış, yer yer 50 dolin/km2 yoğunluğa ulaşıldığı belirtilmiştir; bölge, Sivas jips karst alanından sonra jips karst şekillerinin en yoğun görüldüğü alan olarak tanımlanır (Ataol ve Şimşek, 2022). MTA'nın tanımıyla jips, anhidrit ve halit en yaygın evaporit mineralleridir ve kurak-yarı kurak iklimde göl veya sığ deniz buharlaşmasıyla çökelirler.

Mühendislik açısından bunun iki sonucu vardır: birincisi çözünme boşlukları nedeniyle taşıma gücü ve süreklilik problemi, ikincisi yeraltı suyuna geçen sülfat nedeniyle beton ve enjeksiyon harcında kimyasal bozulma. Bu rehber ikincisine odaklanır.

Sülfat atağı nasıl yürür

Çözünmüş sülfat, çimento hidratasyonundan gelen kalsiyum hidroksit ile tepkimeye girerek alçıtaşı oluşturur; oluşan alçı, kalsiyum alüminat hidrat (C-A-H) fazlarıyla tepkimeye girerek etrenjit meydana getirir. Etrenjit oluşumu hacim artışıyla yürüdüğü için sertleşmiş çimento matrisinde iç çekme gerilmeleri, çatlama ve dayanım kaybı ortaya çıkar.

Tepkimenin hızını belirleyen ana bileşen klinkerdeki trikalsiyum alüminat (C3A) miktarıdır; düşük C3A içerikli sülfata dayanıklı çimento kullanılması zararlı etrenjit oluşumunu en aza indirir. Magnezyum ve klorür iyonlarının eşlik ettiği ortamlarda bozulma daha karmaşık hâle gelir, çünkü magnezyum sülfat C-S-H fazını da doğrudan hedef alır.

Pratik sonuç: sülfatlı ortamda alınacak önlem tek başına çimento dozajını artırmak değildir. Bağlayıcı cinsi, geçirimlilik (su/çimento oranı) ve kesitin sülfatlı su ile temas süresi birlikte ele alınmalıdır.

Ölçüm ve sınıflandırma: TS EN 206 XA sınıfları

Bağlayıcı kararı, tahminle değil analizle verilir. Zeminden ve yeraltı suyundan alınan numunelerin sülfat içeriği belirlendikten sonra TS EN 206'ya göre kimyasal etki sınıfı atanır. Standart, doğal zemin ve yeraltı suyu için XA1 (az etkili), XA2 (orta etkili) ve XA3 (şiddetli etkili) olmak üzere üç sınıf tanımlar ve her sınıf için beton karışım sınır değerleri verir.

Rehberin tablosunda bu sınır değerleri ile karşılık gelen su/çimento oranı, minimum dayanım sınıfı ve minimum çimento içeriği bir arada gösterilmiştir. XA2 ve XA3 sınıflarında baskın etkinin sülfattan kaynaklanması hâlinde sülfata dayanıklı çimento kullanımı gerekliliği açıkça belirtilir (Baradan ve Yazıcı, TMH 426, 2003).

Zemin etüt raporunda kimyasal analiz yoksa bu sınıflandırma yapılamaz. Jipsli formasyon bulunan parsellerde sülfat, klorür, magnezyum ve pH analizi teklif öncesi tamamlanmalıdır.

Bağlayıcı seçimi: TS EN 197-1 çerçevesi

TS EN 197-1 (Çimento - Bölüm 1: Genel çimentolar - Bileşim, özellikler ve uygunluk kriterleri), CEM I'den CEM V'e beş ana tip altında genel çimentoları tanımlar ve bunlara ek olarak sülfata dayanıklı çimento cinslerini ayrı olarak listeler.

Standart kapsamındaki sülfata dayanıklı cinsler ve ayırt edici özellikleri şunlardır:

CEM I-SR 0, CEM I-SR 3, CEM I-SR 5: Sülfata dayanıklı portland çimentoları; klinker C3A içeriği sırasıyla %0, en çok %3 ve en çok %5 ile sınırlandırılmıştır.
CEM III/B-SR ve CEM III/C-SR: Yüksek fırın cürufu oranı yüksek, sülfata dayanıklı cüruflu çimentolar.
CEM IV/A-SR ve CEM IV/B-SR: Sülfata dayanıklı puzolanik çimentolar; klinkerin C3A içeriği en çok %9 ile sınırlıdır.
Seçim yalnızca çimento tipiyle bitmez: XA sınıfına karşılık gelen maksimum su/çimento oranı ve minimum çimento içeriği aynı anda sağlanmalıdır; düşük geçirimlilik, düşük C3A kadar belirleyicidir.

Saha kanıtı: sülfatlı suda kazık betonu

Konya II. Organize Sanayi Bölgesinde sülfatlı su içeren zeminlerde oluşturulan betonarme kazıklar üzerinde yürütülen çalışma, sorunun büyüklüğünü sayısal olarak gösterir. Saha suyunda sülfat 3.720 mg/l, magnezyum 2.583,7 mg/l ve klorür 12.656,5 mg/l ölçülmüştür (Yıldız ve Ürün, S.Ü. Müh.-Mim. Fak. Dergisi 25(2), 2010).

Çalışmada 300 kg/m3 dozajlı portland çimentolu (C3A %6,5) ve 350 kg/m3 dozajlı yüksek fırın cüruflu (C3A %0) beton karışımları karşılaştırılmış, 180 günlük süre sonunda her iki çimento türünde de yaklaşık %30 mertebesinde dayanım kaybı bildirilmiştir. Bu sonuç iki şeyi söyler: sülfata dayanıklı bağlayıcı seçimi bozulmayı yavaşlatır fakat tek başına ortadan kaldırmaz; ve tasarımda kimyasal etki, beton dayanım sınıfının seçiminde dikkate alınması gereken bir yük kalemidir.

Bu nedenle şiddetli sülfat ortamlarında bağlayıcı seçimine ek olarak kesit büyütme, örtü betonu artırma, geçirimliliği düşürme ve gerektiğinde yalıtım gibi çok katmanlı bir yaklaşım gerekir.

Jet grout ve derin karıştırmada bağlayıcı kararı

Jet enjeksiyon uygulamaları TS EN 12716 (Özel jeoteknik uygulamalar - Jet enjeksiyon), derin karıştırma uygulamaları ise TS EN 14679 kapsamındadır. Her iki yöntemde de bağlayıcı, zeminle karıştırılarak yerinde bir kolon oluşturur; dolayısıyla harç, hazır betondan farklı olarak sülfatlı zeminle doğrudan ve geniş yüzeyde temas hâlindedir.

Zemin koşullarının kimyasal olarak agresif olduğu durumlarda puzolanik veya yüksek fırın cüruflu çimentoların kullanımı önerilir (Erol ve Çekinmez Bayram, Jet Enjeksiyon Yöntemi, 2018). Aynı kaynakta jet enjeksiyon kolonlarının tek eksenli basınç dayanımının zemin türüne göre geniş bir aralıkta değiştiği, kalite kontrolünün karot örnekleri üzerinde yapılan serbest basınç deneyleriyle yürütüldüğü belirtilir.

Sülfatlı ortamda uygulama öncesi laboratuvar karışım denemesi (saha zemini + aday bağlayıcı, farklı su/çimento oranlarında) yapılmalı ve numuneler 28 gün yerine 90 ve 180 günlük yaşlarda da denenmelidir. Sülfat atağının etkisi erken yaşta görünmez; kısa süreli deney sonucuna göre verilen reçete kararı yanıltıcıdır.

Şartnameye yazılması gereken maddeler ve doğrulama

Jipsli veya sülfatlı olduğu bilinen sahalarda ihale dokümanına şu maddelerin girmesi, sonradan yaşanan uyuşmazlıkların büyük bölümünü ortadan kaldırır: zemin ve yeraltı suyu kimyasal analizinin kim tarafından, hangi derinliklerden yapılacağı; TS EN 206'ya göre atanan XA sınıfı ve buna karşılık gelen minimum çimento içeriği, maksimum su/çimento oranı ile dayanım sınıfı; TS EN 197-1 kapsamında kabul edilen bağlayıcı cinsleri; ve uzun yaşlı (90/180 gün) numune alma programı.

Uygulama doğrulaması için DA Global'in pratiği şudur: karot alma, düşük deformasyonlu süreklilik (PIT) deneyi ve statik yükleme deneyi kendi bünyemizde yürütülür; yüksek deformasyonlu dinamik yükleme (PDA) bağımsız uzman kuruluş tarafından yapılır. Sülfatlı sahalarda karot programının, kolonun sülfatlı su ile en yoğun temas ettiği derinlikleri kapsayacak biçimde planlanması özellikle önemlidir.

Kaynakça