Çimento Üretiminde Kullanılan Mineral Katkılar

Çimentonun ana bileşeni klinkerdir. Klinkerin yanısıra çeşitli mineral katkılar bir başka ifadeyle doğal ya da endüstriyel puzolanlar kullanılarak farklı özelliklerde çimentolar üretilmektedir. Bu çimentolar yapının türü ve çevresel koşullar gözönünde tutularak tercih edilir. Mineral katkıları kullanmanın betona kazandırdığı uzun süreli dayanım ve üstün dürabilite gibi olumlu etkiler dışında en önemli yararı CO2 emisyonunu azaltmasıdır.

Tablo 2:  CEM II/A-S 42.5 R çimentosunun TS EN 197-1’e göre açıklaması

Tablo 1: CEM II/A-S 42.5 R çimentosunun TS EN 197-1’e göre açıklaması

Silis dumanı, uçucu kül, metakaolin ve doğal puzolan gibi malzemeler beton üretiminde çimento ile yer değiştirilerek puzolanik özellikleri nedeniyle mineral katkı malzemesi olarak kullanılmaktadır. Yüksek fırın cürufunun oksit bileşenleri çimentoya benzerdir, aktive edildiğinde kendi başına bağlayıcıdır. Diğer mineral katkılara kıyasla çimento ile en fazla %95’e kadar yer değiştirme özelliğine sahiptir. İleri yaşlarda daha yüksek dayanım ve üstün dürabilite sağlar.

Resim 1: Endüstriyel puzolanlar

Resim 1: Endüstriyel puzolanlar

Yüksek fırın cürufu: Yüksek fırınlarda demir elde edilmesi sürecinde ergimiş metalin üzerinde yüzen bir yan üründür. Öğütülmemiş hali yollarda alt temelde dolgu malzemesi olarak kullanılır.

 

Silis dumanı: Silisyum metali veya ferrosilisyum(FeSi) alaşımlarının üretimi sırasında kullanılan elektrik ark fırınlarında yüksek saflıktaki kuvarsitin kömür ve odun parçacıklarıyla indirgenmesi sonucu elde edilen çok ince taneli toz malzemedir. Fırınların düşük sıcaklıktaki üst bölümlerinde SiO gazı hava ile temas ederek hızlı bir biçimde okside olur ve amorf(camsı) SiO2 oluşur. Alaşımdaki silisyum içeriğine bağlı olarak silis dumanındaki SiO2 miktarı artar.

 

Uçucu kül: Termik santrallerde yakıt olarak kullanılan pulverize kömürün yanması sonucu ortaya çıkan yan üründür. Baca çıkışında elektrostatik veya mekanik yöntemlerle toplanır.

 

Yüksek fırın cürufu, silis dumanı ve uçucu kül endüstriyel yan üründür. Yapılan araştırmalar sonucu bu malzemelerin çimento ve betonda kullanımının mümkün olduğu görülmüş ve ekonomik değer kazanmışlardır.

 

Bunların yanısıra çimento üretiminde ve bazen de betonda tras gibi doğal puzolanlar kullanılmaktadır.

Puzolanik malzemelerin çimentoda kullanılması sonucu betondaki renk değişikliği ya da priz süresindeki uzama kullanıcı tarafından sorun olarak algılanmaktadır. Oysa mineral katkıların taze ve sertleşmiş beton özelliklerine oldukça olumlu etkileri vardır.

 

Mineral katkıların en önemli ortak özelliği betonun ileri yaş basınç dayanımını arttırmaları ve geçirgenliği azaltmalarıdır. Bunun nedeni, mineral katkıların çimento ve su reaksiyonu sonucu oluşan bileşenlerle tepkimeye girmesi ve daha sağlam bir yapı oluşturmasıdır. Çimento ve su arasında gerçekleşen hidratasyon reaksiyonu sonucu betona dayanım sağlayan   C-S-H jeli, Ca(OH)2, etrenjit, monosülfohidrat ve çeşitli hidratlar ortaya çıkar. Mineral katkılar Ca(OH)2 ile ikinci bir tepkime yaparak daha fazla miktarda C-S-H oluşturur. Ca(OH)2 miktarının azalması ve   C-S-H miktarının artması özellikle dayanım, dayanıklılık ve agrega-çimento hamuru aderansı açısından olumludur.

resim7

 Şekil 1 ve 2’de görüldüğü gibi katkılı çimentoyla üretilen betonda C-S-H oranı artmakta ve    agrega—çimento hamuru arasında Ca(OH)2 oranı azalmaktadır. Bunun sonucu daha kuvvetli bir aderans sağlanmaktadır. Mineral katkılar puzolanik özellikte olduğu için kendinden önceki tepkimenin ürünlerine ihtiyaç duyar. Bu nedenle özellikle betonda hidratasyon reaksiyonu daha uzun sürmekte ve  ileri yaşlarda daha sağlam , daha az boşluklu bir yapı oluşmaktadır.

 

Beton dayanımının ve geçirimsizliğinin artması ile dayanıklılık olumlu yönde etkilenir. Klor iyonu  geçirimliliği azalır, sülfat etkisi gibi kimyasal koşullara dayanıklılık artar. Mineral katkı kullanımında alkali-silika reaksiyonu riski de azalır.

 

Mineral katkıların bir diğer önemli faydası da hidratasyon ısısının düşürülmesidir. Özellikle, sıcak hava koşullarında ve baraj ve benzeri kütle betonu uygulamalarında tercih edilirler. Beton kütledeki maksimum sıcaklık ve hidratasyon ısısı düşer.

 
Mineral katkıların hidrolik ve puzolanik özellikleri:

Şekil 3 ve Şekil 4’te kalsiyum oksit (CaO) içeriğinin artmasıyla hidrolik etkinin arttığı görülmektedir.  Silis dumanının puzolanik etki olarak en yüksek değere sahip olduğu görülmektedir. Uçucu kül ise C ve F tipi olarak ayrılmaktadır. C tipi uçucu kül CaO içeriği açısından daha zengindir. Portland çimentosuna hidrolik özellik açısından en yakın malzeme yüksek fırın cürufudur.

Şekil 3: Mineral katkıların kimyasal kompozisyonu

Şekil 3: Mineral katkıların kimyasal kompozisyonu

 

Şekil 4: Mineral katkıların puzolanik ve hidrolik etkileri

Şekil 4: Mineral katkıların puzolanik ve hidrolik etkileri

Sonuç

Çimento üretiminde mineral katkı kullanımının nihai ürün olan beton üzerinde olumlu etkileri olduğu uzun yıllardan beri yapılan araştırmalar sonucu tespit edilmiştir. Dünyada çimento üretiminde katkı kullanımı artmakta olup gelecekte hızla artacağı öngörülmektedir. Ülkemizde de bu konuda kayda değer gelişmeler yaşanmaktadır. CO2 emisyonunun azaltılması çimento sektörünün de başlıca hedefidir ve bu sektörde mineral katkı ile alternatif yakıt kullanımı giderek artmaktadır.
 
 Kaynaklar

1. Kosmatka, Steven H., Kerkhoff, Panarese., William, “Design and Control of Concerete Mixtures Portland Cement Association Publication, 2003.

2. Folliardi, K., “Concrete Durability”, CTR Symposium Presentation, 2002.

3. Erdoğan, Turhan Y., “Beton Malzemeleri” Türkiye Hazır Beton Birliği Yayını., ISBN 975-92122-8, 277s, 2004.

4.  Siddique, R., Khan, Ikbal., “Supplementary Cementing Materials. Springer”, ISBN 978-3-642-17865-8, 304s, 2011.

5.  Hewlett, Peter C., “Lea’s Chemistry of Cement and Concrete”, Elsevier Science&Technolgy Books.,  ISBN 075-06625-65, 1066s, 2004.

Pin It

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir