Kendini İyileştiren (Self-Healing) Betonların Yapı Güvenliği Üzerine Etkileri

Erhan BAYTAK
Yüksek İnşaat Mühendisi

Özet

Beton, dünya genelinde en yaygın kullanılan yapı malzemesi olmakla birlikte, çatlak oluşumuna yatkın yapısı nedeniyle dayanıklılık ve güvenlik açısından önemli kısıtlar barındırmaktadır. Çatlaklar; suyun, klorür ve sülfat gibi zararlı iyonların beton içerisine nüfuz etmesine, donatı korozyonuna ve nihayetinde taşıyıcı sistem performansının azalmasına yol açmaktadır (Neville, 2012). Geleneksel bakım-onarım yöntemleri, yüksek maliyetli, iş gücü yoğun ve çoğu zaman reaktif niteliktedir. Bu çerçevede kendini iyileştiren (self-healing) betonlar, çatlakları otonom olarak onarabilen yenilikçi bir malzeme grubu olarak öne çıkmaktadır.

Bu çalışmanın amacı, kendini iyileştiren betonların temel çalışma prensiplerini, kullanılan kimyasal ve biyolojik iyileşme mekanizmalarını, malzeme ve yöntem yaklaşımlarını ve özellikle yapı güvenliği üzerindeki etkilerini ortaya koymaktır. Çalışmada öncelikle beton dayanıklılığı ve çatlak problemi kuramsal olarak ele alınmakta, ardından self-healing beton kavramı ve literatürde öne çıkan kimyasal kapsülleme (mikroenkapsül) ve bakteriyel iyileşme sistemleri incelenmektedir (Jonkers, 2011; Van Tittelboom & De Belie, 2013).

Literatürdeki deneysel çalışmalar, self-healing sistemlerin özellikle 0,1–0,8 mm aralığındaki çatlakları başarıyla doldurduğunu, su geçirgenliğini önemli ölçüde azalttığını ve donatı korozyonunu geciktirdiğini göstermektedir (Alghamri, Kanellopoulos, & Al-Tabbaa, 2016; Pacheco et al., 2022). Bu etkiler, yapı güvenliği ve taşıyıcı sistem performansı açısından kritik öneme sahiptir. Bununla birlikte, yüksek başlangıç maliyeti, standart eksikliği ve büyük ölçekli uygulamalara ilişkin sınırlı saha verisi gibi kısıtlar da mevcuttur.

Sonuç olarak çalışma, self-healing betonların deprem riski yüksek ve ağır çevresel koşullara maruz yapı stokuna sahip Türkiye gibi ülkelerde, uzun vadeli dayanıklılık ve güvenlik odaklı bir stratejik malzeme alternatifi sunduğunu; ancak bunun için mevzuat, standart, üniversite-sanayi iş birliği ve yerli malzeme üretimi alanlarında atılması gereken somut adımlar olduğunu vurgulamaktadır.

Anahtar Kelimeler: Self-healing beton, yapı güvenliği, mikroenkapsül, bakteriyel iyileşme, dayanıklılık

1. Giriş

Betonarme sistemler, modern yapı stoğunun büyük bir kısmını oluşturmaktadır. Betonun basınç dayanımı yüksek olmakla birlikte, çekme dayanımının görece düşük olması ve rötre, sıcaklık farkları, yükleme koşulları gibi etkenler sonucunda çatlak oluşumu kaçınılmazdır. Çatlaklar yalnızca estetik bir sorun olmayıp, betonun geçirgenliğini artırarak çevresel etkilerin iç yapıya nüfuz etmesine imkân tanır; bu da başta donatı korozyonu olmak üzere ciddi dayanıklılık problemlerine zemin hazırlar (Neville, 2012).

Geleneksel yaklaşımda çatlaklar, ortaya çıktıktan sonra enjeksiyon, yüzey kaplama, tamir harcı gibi yöntemlerle onarılmaktadır. Bu yöntemler çoğu zaman yerel, geçici ve reaktif niteliktedir. Yani problem oluştuktan sonra müdahale edilir, üstelik ulaşılması zor bölgelerde (temel, tünel, yer altı yapıları) bu müdahale çoğu zaman pratik değildir. Bakım-onarım maliyetinin yapı ömrü boyunca sürekli artması, altyapı yatırımlarının “sürdürülebilirlik” ve “yaşam döngüsü maliyeti” perspektiflerinden yeniden düşünülmesini zorunlu kılmaktadır.

Kendini iyileştiren beton kavramı bu noktada devreye girmekte ve “çatlağı tamamen engellemek” yerine, kaçınılmaz çatlakların akıllı malzeme sistemleriyle otomatik olarak onarılması fikrine dayanmaktadır. Malzemenin kendisinin, çevresel uyaranlar (su, oksijen, pH değişimi vb.) ile tetiklenen bir iyileşme mekanizmasına sahip olması, yapı güvenliği ve dayanıklılığı açısından paradigma değişimi anlamına gelmektedir (Van Tittelboom & De Belie, 2013).

2. Kuramsal Çerçeve ve Literatür

2.1 Beton Dayanıklılığı ve Çatlak Problemi

Dayanıklılık (durabilite), bir betonun kullanıldığı çevresel koşullarda belirli bir süre boyunca taşıyıcılık ve işlevini sürdürebilme kapasitesi olarak tanımlanır. Çoğu beton yapı, tasarım dayanımına ulaşsa dahi, çevresel etkiler nedeniyle zamanla performans kaybına uğrar. Özellikle karbonatlaşma, klorür iyonu nüfuzu ve donma-çözülme döngüleri, çatlakları ve mevcut mikro kusurları büyüterek donatı korozyon hızını artırır (Neville, 2012).

Çatlak genişliği ve sürekliliği, beton içindeki iyon taşınımını kontrol eden kritik parametrelerdir. 0,1–0,3 mm aralığındaki mikroçatlaklar dahi, süreklilik sağlandığında, zararlı iyonlar için bir “otoyol” işlevi görebilmektedir. Bu nedenle çatlakların yalnızca oluşumunu sınırlamak değil, aynı zamanda oluşan çatlakları kapatacak mekanizmaları devreye sokmak önemlidir.

2.2 Kendini İyileştiren Beton Kavramı

Self-healing beton; çatlaklar meydana geldiğinde, insan müdahalesi olmadan bu çatlakların kısmen veya tamamen doldurulmasını sağlayan içsel bir iyileşme kapasitesine sahip beton olarak tanımlanır (Van Tittelboom & De Belie, 2013). Literatürde iki ana kavram öne çıkar:

• Otogen (autogenous) iyileşme: Çimento hidratasyonunun devamı, kalsiyum hidroksit ve diğer hidratların yeniden çökelmesi gibi, betonun zaten sahip olduğu doğal iyileşme süreçlerini ifade eder.

• Otonom (autonomous) iyileşme: Beton içerisine sonradan eklenen kapsüller, bakteriler, damar ağları veya kimyasal ajanlar sayesinde, tasarlanmış bir iyileşme mekanizmasının devreye girmesini ifade eder.

Otonom sistemler, otogen iyileşmeye kıyasla daha kontrollü, daha büyük çatlak genişliklerini hedefleyebilen ve tasarlanabilir yapıları nedeniyle mühendislik açısından daha caziptir (Huang, Ye, Qian, & Schlangen, 2016).

2.3 İyileşme Mekanizmaları

Self-healing sistemlerinde en çok çalışılan üç temel yaklaşım şunlardır:

1. Kimyasal/Mikroenkapsül Tabanlı Sistemler: Beton içerisine polimer kabuklu, içi iyileştirici madde (ör. epoksi, sodyum silikat) ile doldurulmuş mikro kapsüller yerleştirilir. Çatlak kapsül üzerinden geçtiğinde kabuk kırılır, içteki ajan çatlak yüzeylerine yayılır ve sertleşerek boşluğu doldurur (Naqvi, Ünal, & Özbulut, 2025).

2. Bakteriyel (biyolojik) sistemler: Alkali ortama dayanıklı bakteri sporları ve besin kaynakları beton karışımına dâhil edilir. Çatlak oluştuğunda, içeri giren su ile bakteriler aktive olur; metabolizma sonucu kalsiyum karbonat çökelterek çatlak yüzeylerini doldurur (Jonkers, 2011).

3. Vasküler (damar) sistemler: Beton içinde tıpkı bir damar ağı gibi yerleştirilmiş kanallar bulunur. Çatlak oluştuğunda, bu kanallardan iyileştirici ajan çatlağa taşınır. Bu sistem, daha karmaşık bir üretim süreci gerektirse de, tekrar tekrar iyileşme imkânı sunabilir (Mihashi & Nishiwaki, 2012).

Bu mekanizmaların her biri, çatlak genişliği, çevresel koşullar, hedef yapı tipi ve maliyet gibi parametrelere göre farklı avantaj ve kısıtlar barındırmaktadır.

3. Kendini İyileştiren Betonlarda Malzeme ve Yöntem Yaklaşımları

3.1 Mikroenkapsül Teknolojisi

Mikroenkapsül yaklaşımında, iyileştirici sıvı bir polimer kabukla çevrilerek kapsül hâline getirilir ve taze beton karışımına belirli bir hacim oranında eklenir. Kapsül kabuğunun yeterince dayanıklı olup taze beton karıştırma sırasında kırılmaması, ancak ileride oluşacak çatlaklar altında kırılabilecek hassasiyete sahip olması gerekir (Naqvi et al., 2025). Bu nedenle kabuk malzemesinin türü (ör. PMMA, üre-formaldehit vb.), kalınlığı ve kapsül çapı, tasarımın kritik parametreleridir.

Alghamri, Kanellopoulos ve Al-Tabbaa (2016), hafif agregaların sodyum silikat çözeltisi ile emprenye edilip polimer kabukla kaplanması yoluyla üretilen bir sistemde, su emme oranının ciddi biçimde azaldığını ve eğilme dayanımı geri kazanımının %80’e kadar ulaşabildiğini rapor etmektedir. Bu tür sistemlerde çatlak genişliği yaklaşık 300 μm seviyesinde iken dahi önemli derecede iyileşme gözlenmiştir.

Mikroenkapsül sistemlerinin avantajları arasında, beton dökümü sırasında ek bir imalat gerektirmemesi, sistemin beton matrisine homojen dağıtılabilmesi ve hedeflenen çatlak genişliklerinde tekrarlı iyileşme potansiyelinin bulunması sayılabilir. Buna karşılık, kapsüllerin betonun mekanik özelliklerine (örneğin basınç dayanımı ve elastisite modülü) olumsuz etki etmemesi için optimum kapsül oranının dikkatle belirlenmesi gerekmektedir.

3.2 Bakteriyel İyileşme Sistemleri

Bakteriyel self-healing sistemlerinde, genellikle Bacillus türü spor oluşturan bakteriler tercih edilir. Bu bakteriler, betonun yüksek pH değerine dayanabilmekte ve uygun nem koşullarında aktive olarak kalsiyum karbonat (CaCO₃) kristalleri üretmektedir. Jonkers (2011), bakteriyel beton örneklerinde 0,8 mm’ye kadar olan çatlakların büyük oranda kapanabildiğini ve su geçirimsizliğin belirgin biçimde arttığını göstermiştir.

Bu sistemlerin çevreci olması önemli bir avantajdır; çünkü iyileşme ürünü doğal bir mineral faz olan kalsit formundaki CaCO₃’tür. Ayrıca, bakteriler ve besin maddeleri poröz agregalara veya kapsüllere yerleştirilerek betonun taze hâline olumsuz etki etmeden sisteme dâhil edilebilmektedir (Mors & Jonkers, 2020).

Bununla birlikte, bakteriyel sistemlerde dikkat edilmesi gereken hususlar da vardır: Bakterilerin uzun süre “uykuda” kalabilmesi, besin maddelerinin beton içinde zamansız tüketilmemesi ve çevresel koşullar (sıcaklık, nem) uygun olduğunda aktive olabilmesi gerekmektedir. Ayrıca, bazı besin maddelerinin beton mikroyapısını olumsuz etkilememesi için uygun kimyasal formülasyonların geliştirilmesi önemlidir.

3.3 Diğer Yaklaşımlar ve Hibrit Sistemler

Son yıllarda literatürde, mikroenkapsül ve bakteriyel sistemlerin birlikte kullanıldığı hibrit yaklaşımlar da tartışılmaktadır. Bu tür sistemlerde kimyasal ajanlar hızlı bir ilk iyileşme sağlarken, bakteriyel süreçler uzun vadeli ve tekrar eden çatlaklar için devreye girebilmektedir (Huang et al., 2016; Pacheco et al., 2022).

Vasküler sistemler ise daha çok araştırma düzeyinde olmakla birlikte, özellikle büyük kesitli ve yüksek önem sınıfına sahip elemanlarda (örneğin köprü tabliyeleri, baraj gövdeleri) tekrar tekrar iyileşme potansiyeli nedeniyle ilgi çekmektedir. Ancak bu tür sistemlerin tasarım ve imalat karmaşıklığı, güncel uygulama alanlarını sınırlamaktadır.

4. Yapı Güvenliği Açısından Etkiler

4.1 Çatlak Genişliği, Geçirgenlik ve Korozyon

Yapı güvenliği açısından en kritik konu, self-healing sistemlerin çatlak genişliği ve geçirgenlik üzerindeki etkisidir. Çatlakların kapanması, su ve iyon taşınım yolunu keserek donatı korozyonunu yavaşlatır ve buna bağlı taşıyıcı sistem dayanım kaybını geciktirir.

Van Tittelboom ve De Belie (2013), farklı self-healing sistemlerinde, çatlak genişliğine bağlı olarak su geçirgenliğinin %50–90 arasında azalabildiğini göstermiştir. Bakteriyel sistemlerde 0,5–0,8 mm aralığındaki çatlakların CaCO₃ çökelmesiyle büyük ölçüde kapandığı, böylece su sızıntı hızının ciddi biçimde düştüğü rapor edilmiştir (Jonkers, 2011; Mors & Jonkers, 2020).

Bu sonuçlar, özellikle su yapıları, tüneller, yer altı otoparkları ve su yalıtımının kritik olduğu temellerde, self-healing betonların klasik kaplama ve izolasyon sistemlerine ek bir güvenlik katmanı sağlayabileceğini göstermektedir. Çatlak genişliğinin servis ömrü boyunca belirli bir sınırın altında tutulması, deprem gibi ekstrem durumlar dışında taşıyıcı sistem performansını korumaya yardımcı olur.

4.2 Mekanik Performans ve Taşıyıcı Sistem Davranışı

Self-healing sistemler yalnızca geçirgenliği azaltmakla kalmayıp, çatlak yüzeylerinin tekrar birbirine bağlanması sayesinde mekanik performansta da iyileşme sağlayabilmektedir. Alghamri ve arkadaşları (2016), mikroenkapsül sistemli betonlarda, eğilme dayanımı kaybının önemli bir kısmının iyileşme süreci sonunda geri kazanılabildiğini, bazı örneklerde pre-çatlak dayanımının %80’ine ulaşıldığını bildirmiştir.

Bu tür sonuçlar, özellikle tekrarlı yüklemeye maruz elemanlarda (örneğin köprü döşemeleri, endüstriyel zeminler) kritik öneme sahiptir. Çatlakların her yükleme döngüsünde büyümesi yerine, kısmen kapanması ve sertleşmesi, yorulma ömrünü uzatabilir. Ancak burada önemli olan, self-healing sistemlerinin, taşıyıcı sistemin taşıma gücü hesabına doğrudan dâhil edilmemesi, daha çok ek bir dayanıklılık ve güvenlik rezervi olarak düşünülmesidir.

5. Ekonomik ve Çevresel Değerlendirme

5.1 Yaşam Döngüsü Maliyeti

Self-healing betonların en çok tartışılan yönlerinden biri yüksek başlangıç maliyetidir. Kapsül üretimi, bakteriyel katkıların temini ve özel üretim süreçleri, klasik betona kıyasla m³ başına maliyeti artırmaktadır. Ancak yaşam döngüsü perspektifinden bakıldığında, bakım-onarım ihtiyacının azalması, kullanım dışı kalma sürelerinin kısalması ve yapı ömrünün uzaması, toplam maliyeti düşürebilmektedir (Van Tittelboom & De Belie, 2013).

Özellikle erişimi zor altyapı elemanlarında (köprü ayakları, tüneller, su ile temas hâlindeki yapılar), her onarımın ciddi iş gücü, ekipman ve trafik kesintisi maliyeti olduğu düşünülürse, self-healing sistemlerin uzun vadede ekonomik avantaj sağlayabileceği değerlendirilmektedir.

5.2 Sürdürülebilirlik ve Karbon Ayak İzi

Beton, üretiminde kullanılan çimento nedeniyle küresel CO₂ emisyonlarının önemli bir kaynağıdır. Yapıların ömrünün uzatılması, yeniden inşa ve ağır onarım ihtiyacının azaltılması, dolaylı olarak çimento tüketimini ve dolayısıyla karbon ayak izini düşürür. Self-healing betonlar, dayanıklılığı artırarak bu hedefe katkı sunmaktadır (Li & Herbert, 2012).

Bakteriyel sistemlerin, organik atık kaynaklı besin maddeleri ile entegre edilmesi ve çevrimsel ekonomi ilkeleriyle ilişkilendirilmesi yönünde çalışmalar da literatürde yer almaktadır (Mors & Jonkers, 2020). Bu yaklaşımlar, hem malzeme sürdürülebilirliğini hem de atık yönetimini olumlu yönde etkileyebilmektedir.

6. Türkiye Bağlamında Uygulanabilirlik ve Zorluklar

6.1 Mevzuat, Standartlar ve Tasarım Yaklaşımları

Türkiye’de deprem riski yüksek, çevresel etkilerin yoğun olduğu geniş bir yapı stoğu bulunmaktadır. Özellikle performansa dayalı tasarımın giderek önem kazandığı bu bağlamda, self-healing betonlar dayanıklılık odaklı yeni bir araç seti sunmaktadır. Ancak hâlihazırda ulusal standartlarda bu tür malzemeler için özel bir tasarım yaklaşımı veya dayanıklılık sınıflandırması yer almamaktadır.

Self-healing sistemlerin tasarım güvenlik katsayılarına doğrudan yansıtılmasından ziyade, öncelikle dayanıklılık sınıfları, çevresel etki sınıfları ve bakım stratejileri bağlamında tanımlanması; ardından performans temelli tasarım kılavuzlarına entegrasyonu uygun olacaktır.

6.2 Üniversite-Sanayi İş Birliği ve Yerli Malzeme Geliştirme

Türkiye’de bazı üniversitelerde self-healing betonlar üzerine laboratuvar ölçekli çalışmalar yapılmakta; ancak bu araştırmaların saha uygulamalarına dönüşmesi için inşaat firmaları ve malzeme üreticileri ile daha güçlü iş birlikleri gerekmektedir. Yerli kapsül üretimi, bakteriyel katkı sistemleri ve uygun çimento-bağlayıcı kombinasyonları geliştirilerek maliyetlerin düşürülmesi mümkündür.

Pilot projelerle (örneğin küçük ölçekli köprüler, istinat duvarları, su yapıları) bu malzemelerin hem teknik hem ekonomik performansları test edilebilir. Elde edilen veriler, ileride hazırlanacak ulusal kılavuz ve şartnamelere veri tabanı sağlayacaktır.

6.3 Öneriler

• Self-healing betonlar, ilk etapta kritik dayanıklılık gerektiren ve bakım erişimi zor olan yapılarda (altyapı, su yapıları, yer altı yapıları) pilot olarak uygulanmalıdır.

• Üniversite-sanayi iş birliği ile yerli kapsül ve bakteriyel katkı sistemleri geliştirilerek maliyetler düşürülmelidir.

• Ulusal düzeyde, self-healing betonların deneysel performansını değerlendiren standardize test metotları ve performans sınıfları oluşturulmalıdır.

• Performansa dayalı deprem tasarımı yaklaşımıyla birlikte, dayanıklılık ve çatlak yönetimi boyutunda self-healing sistemler, ek bir güvenlik ve servis ömrü artırıcı unsur olarak proje şartnamelerine dâhil edilebilir.

7. Sonuç

Kendini iyileştiren betonlar, çatlak oluşumunu tamamen engellemek yerine, oluşan çatlakları akıllı malzeme sistemleriyle otomatik olarak onarmayı hedefleyen yenilikçi bir yaklaşım sunmaktadır. Bu çalışma, self-healing betonların kuramsal temelini, kullanılan kimyasal ve biyolojik mekanizmaları, malzeme-yöntem yaklaşımlarını ve yapı güvenliği açısından etkilerini kapsamlı biçimde ortaya koymuştur.

Literatür incelemesi, özellikle mikroenkapsül ve bakteriyel sistemlerin, çatlak genişliğini sınırlama, su geçirgenliğini azaltma, donatı korozyonunu geciktirme ve belirli oranlarda mekanik dayanımın geri kazanılmasını sağlama potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir. Bu etkiler, yüksek önem sınıfına sahip yapıların servis ömrünü uzatmakta ve bakım-onarım gereksinimlerini azaltmaktadır.

Bununla birlikte, yüksek başlangıç maliyeti, standardizasyon eksikliği, saha uygulamalarına dair sınırlı veri ve tasarım yaklaşımlarındaki belirsizlikler, self-healing betonların yaygın uygulamasının önündeki başlıca engellerdir. Türkiye ölçeğinde, deprem riski ve geniş betonarme yapı stoğu dikkate alındığında, bu teknolojinin başta altyapı ve özel yapı projeleri olmak üzere, stratejik bir dayanıklılık aracı olarak değerlendirilmesi mümkündür.

Kaynakça

Alghamri, R., Kanellopoulos, A., & Al-Tabbaa, A. (2016). Impregnation and encapsulation of lightweight aggregates for self-healing concrete. Construction and Building Materials, 124, 910–921. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2016.07.143
https://www.repository.cam.ac.uk/items/638a8bc8-8cbf-44b7-9356-0bcfa8430eef

Huang, H., Ye, G., Qian, C., & Schlangen, E. (2016). Self-healing in cementitious materials: Materials, methods and service conditions. Materials & Design, 92, 499–511.
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127515010245

Jonkers, H. M. (2011). Bacteria-based self-healing concrete. Heron, 56(1/2), 1–12.
https://heronjournal.nl/56-12/1.pdf

Li, V. C., & Herbert, E. (2012). Robust self-healing concrete for sustainable infrastructure. Journal of Advanced Concrete Technology, 10(6), 207–218.
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jact/10/6/10_6_207/_article

Mihashi, H., & Nishiwaki, T. (2012). Development of engineered self-healing and self-repairing concrete—State-of-the-art report. Journal of Advanced Concrete Technology, 10(5), 170–184.
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jact/10/5/10_5_170/_article

Mors, R. M., & Jonkers, H. M. (2020). Bacteria-based self-healing concrete: Evaluation of full-scale demonstrator projects. Cement and Concrete Composites, 104, 103–114.
https://repository.tudelft.nl/file/File_29ac2b5a-6b88-41a6-8b1f-ce4d8287a62f

Naqvi, S. M. O., Ünal, O., & Özbulut, O. E. (2025). Encapsulation technologies in self-healing concrete: A review. Journal of Research on Engineering Structures and Materials, 11(2), 345–370.
https://jresm.org/wp-content/uploads/resm2025-671ma0208rv.pdf

Neville, A. M. (2012). Properties of concrete (5th ed.). Prentice Hall.
Genel bilgi için: https://ascelibrary.org/doi/10.1061/%28ASCE%29CF.1943-5509.0000595

Pacheco, F., et al. (2022). Evaluation of concrete self-healing with different insertion methods and encapsulated solutions. Revista ALCONPAT, 12(1), 1–20.
https://revistaalconpat.org/index.php/RA/article/view/559/1880

Van Tittelboom, K., & De Belie, N. (2013). Self-healing in cementitious materials—A review. Materials, 6(6), 2182–2217.

https://doi.org/10.3390/ma6062182
https://www.mdpi.com/1996-1944/6/6/2182