Beton üretiminde uçucu kül kullanımının geçmişi Portland çimentosu ve yüksek fırın cürufu kadar eski değildir. Amerika’da uçucu kül kullanımı 1930’lu yıllara denk gelmektedir. İlk kapsamlı çalışma R.E.Davis tarafından 1937 yılında yayınlanmıştır. Amerika’da uçucu külün kullanıldığı ilk proje yapımına 1931 yılında başlanan Hoover Barajı’dır[1]. Türkiye’de ise ilk çalışmalara 1964 yılında DSİ tarafından başlanmıştır. Yapımı 1967-1971 yılları arasında süren Gökçekaya Barajı’nda ilk kez uçucu kül kullanılmıştır. İlgili standart ise 1968 yılında TSE tarafından yayınlanmıştır[2]. Günümüzde Türkiye’de yıllık 15 milyon ton civarında uçucu kül açığa çıkmaktadır. Bunun yaklaşık %25’i betonda kullanılabilir niteliktedir. Bu oran tamamen tecrübeye ve çok güvenilir olmayan verilere dayanmaktadır. 2013 yılında ülkemizde hazır beton üretiminde 2 milyon ton uçucu kül ve yüksek fırın cürufu kullanılmıştır. Bunun 1-1.5 milyon ton arası uçucu küldür[3]. Dünyada en çok uçucu kül Hindistan, Çin ve Amerika’da kullanılmaktadır. Uçucu kül sadece hazır beton üretiminde mineral katkı olarak kullanılmaz. Ayrıca, çimento içerisinde bileşen olarak da yer alabilmektedir.
Uçucu külün beton performansına birçok olumlu katkısı vardır, ancak bu yazıda madalyonun diğer yüzüne bakılacaktır. Bu nedenle daha önce yayınlanan dokümanları incelemenizde fayda var.
Uçucu kül kendi başına bağlayıcı olmayan, ancak çimento hidratasyon ürünü olan Ca(OH)2 ile tepkimeye girebilen ve bunun sonucunda dayanımı sağlayan C-S-H jeli oluşturan bir malzemedir. Aşağıdaki formüllerde bu durum gösterilmiştir. C-S-H oluşumu ne kadar faydalı ise zayıf bir ürün olan ve dürabilite açısında sorun yaratabilen Ca(OH)2 miktarının azalması da bir o kadar faydalıdır. Bu durum zaten uçucu kül gibi mineral katkıların kullanılmasındaki en önemli nedenlerden biridir.
Uçucu külün uzun vadede beton dayanımını arttırdığı şüphe götürmez. Ancak, özellikle yüksek miktarda uçucu kül kullanılan betonlarda hidratasyon sonucu ne kadar Ca(OH)2 açığa çıktığı ve buna karşılıklı ideal olarak ne miktarda uçucu kül gerektiği net olarak bilinmemektedir. Teorik olarak Ca(OH)2 miktarının %20-30 oranında olduğu bilinse de Ca(OH)2 ve uçucu kül için teorik olarak verimli bir oran hesaplanamamaktadır.
Elbette uçucu külün tek olumlu katkısı basınç dayanımına olan etkisi diğer bir deyişle “puzolonik etkisi” değildir. Uçucu külün “morfolojik etkisi” de oldukça önemlidir. Uçucu kül pürüzsüz kürecik şeklindedir. Vitreous yani camsıdır. Suyu adsorbe etme yani yüzeyinde bağlama özelliği zayıftır. Bunun sonucunda betonda su ihtiyacında azalma ve erken kuruma rötresinde iyileşme meydana gelir. Bir diğer önemli etki de tanecik boyutu nedeniyle “boşlukları doldurma” etkisidir. Unutulmaması gereken bir konu da uçucu külün çimentoyu bire bir oranda ikame edememesidir. Genelde eşdeğerlik katsayısı olarak 0.4 kullanılmaktadır. Bu nedenle toplam bağlayıcı diğer bir ifade ile toplam çok ince malzeme miktarı artmaktadır.
Tüm bu belirtilen etkiler genel anlamda bilinen ve kabul edilen gerçeklerdir. Ancak, bu etkilerin etkinliği toplam bağlayıcıdaki uçucu kül oranına bağlıdır. Yüksek oranda uçucu kül içeren karışımlarda teorik kabullerin açıklanması daha karışık bir durum olarak ortaya çıkmaktadır.
Türkiye’de uçucu kül kullanımı çok yaygın olmasa da genelde 1 m3 hazır betonda 30-70 kg arasında değişmektedir. Oysa dünyada bazı ülkelerde ortalama 120-150 kg ortalama dozajlar görülmektedir.
Çimentonun özgül ağırlığı cinsine göre değişmektedir. En çok kullanılan CEM I 42.5 R çimentosunda bu değer 3-3.15 gr/cm3 civarındadır. Uçucu kül için bu değer 2-2.5 gr/cm3’tür. Bir diğer mineral katkı olan yüksek fırın cürufunda ise 2.8-3 gr/cm3 arasındadır. Çimento ile uçucu külün özgül ağırlıkları arasındaki bu fark aslında bir sorunu da neden olmaktadır. Düşük yoğunluklu uçucu kül tanecikleri ile daha yoğun çimento tanecikleri ayrışmaktadır. Beton kütlesinin yüzeyinde daha fazla uçucu kül konsantrasyonu oluşmaktadır. Özellikle yüksek oranda kül kullanılan karışımlarda yüzeye yakın tabakanın dayanımı olumsuz etkilenir. Ayrıca, plastik rötre çatlağı oluşumu da artar.
Çin’de bir hava alanı apronu – %40 oranında uçucu kül kullanımına bağlı yüzey problemi
Uçucu külün hem puzolonik hem de boşluk doldurma özelliği sonucu hava içeriği daha düşük bir yapı oluşur. Aslında bu bir avantaj gibi gözükse de donma-çözünme etkisine maruz yapılarda ters bir etki oluşturur. Tabi ki bu tür durumlarda hava sürükleyici katkı kullanımı ile bu durum engellenebilir. Ancak, uçucu kül dozajının yüksek olması ve karbon içeriğinin de fazla olması hava sürükleyici katkının etkisini azaltabilmektedir.
Çok net bir açıklaması olmasa da yüksek oranda uçucu kül içeren betonlar buzlanmaya karşı uygulanan tuzlama çalışmalarından daha çok olumsuz etkilenmektedir.
Sonuç
Uçucu kül yıllardır yapılan çalışmalar ve edinilen tecrübeler sonucunda beton performansına olumlu katkıları olan bir mineral katkı olarak kabul görmüştür. Özellikle deniz yapıları, arıtma tesisleri, kimyasal etkilere maruz yapılarda betonun dürabilitesini iyileştirir. Bu tür projelerde genelde toplam bağlayıcının %20-50’si oranında uçucu kül kullanılmaktadır. Yüksek oranda uçucu külün sadece teorik ve pratik kabüllere göre uygun görülmesi yanlıştır. Bu nedenle bu durumlarda önceden detaylı test ve analizlerin yapılması ve optimum oranın tespit edilmesi gerekmektedir.
İnş.Yük.Müh. olan Yasin Engin, lisans ve yüksek lisans eğitimini Boğaziçi Üniversitesi'nde tamamlamıştır. 16 yıldır beton ve çimento sektöründe çalışmaktadır. Web sitesindeki tüm yayınlar Yasin Engin tarafından paylaşım amacıyla hazırlanmıştır. Yayınlar kaynak gösterilerek kullanılabilmektedir.
(yasin.engin@gmail.com)
Yasin Bey,
Emeklerinize sağlık. Faydalı bir web sitesi olmuş. Başarılı çalışmalarınızın devamını dilerim.
Atiye TUĞRUL