Upload
others
View
4
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
YAPI MALZEMELERİ
Uzm. Dr. Zekeriya DOĞAN
INS 214
EDU+
DERSİN İÇERİĞİ
• 9 SEANS TEORİK DERS ANLATIM
• 3 SEANS LABORATUVAR ÇALIŞMASI (ÇİMENTO, AGREGA ve BETON)
• LABORATUVAR GİRİŞLERİDE QUİZ (3 %5)
• 3 LABORATUVAR ÇALIŞMASININ SONUÇLARI İÇİN 1 RAPOR (%5)
• 1 ARA SINAV (%40) 1 YIL SONU SINAVI (%40)
• LABORATUVAR DERSLERİNE KATILIM ZORUNLULUĞU
• HARÇ KUM ÇİMENTO TOZ TOPRAK KİRLENME GARANTİSİ
• MÜMKÜN OLURSA 1 TEKNİK GEZİ
2
Google Classroom p5vw6kf
YAPI NEDİR?
Karada veya suda, *bayındırlık veya *iskan amacıyla
kurulan bina, köprü, yol, tünel, baraj gibi tesisler ile
bunların yer altı ve yer üstü inşaatları yapı olarak
adlandırılır.
3
*bayındırlık, bir bölgenin veya bir yerleşim yerinin gelişmesi, hayat standartlarının yükselmesi ve güzelleşmesi için yapılan faaliyetler.
*iskan, insanları bir yere yerleştirme, yurtlandırma.
YAPI MALZEMESİ NEDİR?
Bir yapının inşasında kullanılabilecek her türlü *malzeme genelidir.
4
*malzeme, işlev katılmış maddedir.
BETON
5
Temel yapı malzemesidir.
Taze beton donmadan önce bir kil hamuru kadar yumuşak ve
akışkandır. Buna karşın sertleştikten sonra doğadaki taşlar kadar
sert ve sağlamdır. Bu özelliklerinden ötürü ahşap ve çelik gibi
diğer yapı malzemelerinden daha kullanışlıdır.
Kullanım sıklığının sebebi ekonomik oluşudur. Beton üretiminde
sadece çimento için enerji harcanır ki bu betonun %10-15 i
kadardır. Agrega hemen her yerde bulunabilir ve maliyete çok az
etki eden bir bileşendir.
BETONNARME
6
Beton ve çeliğin birlikte kullanılması sonucu elde
edilen kompozit malzemedir.
Betonarme yapıların kalıcılığı bu iki bileşenin
birbirleri ile sergiledikleri uyumdan ötürüdür.
Sertleşmiş beton ve içerisine konulan çelik tek bir
malzeme gibi hareket ederler.
BETON ve ÇİMENTO
7
Özel bir bakım onarım gerektirmez, çelik gibi paslanmaz veya
ahşap gibi biyokimyasal olarak çürümez, boya istemez.
En büyük dezavantajı çekme-dayanımının çok düşük oluşudur
(basma dayanımının onda biri kadar). Bu sebeple yapılarda
çekme ve eğilmeye maruz kalan kısımlar için çelik çubuklar
(betonarme demirleri) kullanılır.
Betonun temel bileşeni çimentodur ve çimentonun temel
mantığı hidrolik bağlayıcı maddelerin su ile verdiği
reaksiyonlar üzerinedir.
BAĞLAYICI MADDELER
8
Kalsiyum esaslı inşaat malzemeleri…
Boncuğum..
BAĞLAYICI MADDELER - BİLİNESİ KAVRAMLAR
• Puzolan
• Tüf
• Kül
• Kalsine Kil
• Şist
• Opalin
• Silika
• Cüruf
• Silis Dumanı
• Priz
• Rötre
• Sönmüş kireç
• Sönmemiş kireç
• Kireç yağı
• Kalker
• Dolamit
• Kalsinasyon
• Kaolin
• Asit Baz
• CH
• C-S-H
9
• CaCO3 kalsiyum karbonat (kalker)
• CaO kalsiyum oksit (C)
• Ca2SiO3 kalsiyum silikat
• CaO·Al2O3 kalsiyum alüminat
• Ca(OH)2 kalsiyum hidroksit
• SiO2 silisyum oksit (S)
• Al2O3 alüminyum oksit (A)
• Fe2O3 demir(III) oksit (F)
• MgO magnezyum(II) oksit (M)
• Ca·Mg(CO3)2 dolamit
BAĞLAYICI MADDELER - CAEMENTUM
İnce toz halinde olan ve su eklenmesi ile hamur haline gelerek zamanla plastikliğini
kaybedip sertleşen malzemelere bağlayıcı maddeler denir.
Toz bağlayıcı maddeler: (Kireç, Alçı, Çimento vb.)
Sıvı bağlayıcı maddeler: Hidrokarbon temelli bağlayıcılar, (Zift, Katran vb.)
Hidrolik bağlayıcılar: Havada ve suda priz yapma özelliği olan ve suda erimeyen
bağlacılardır. (Çimento, Puzolanlar vb.)
Airobik bağlayıcılar: Yalnızca havada priz yapan bağlacılardır. (Yağlı kireç, Alçı)
10
İLK BAĞLAYICILAR
Toprak, kireç, alçı, pişmiş kil tozu, doğal puzolanlar, toprak + kireç taşı karışımları, ilk
bağlayıcı maddelerdendir.
Yapılan araştırmalara göre bağlayıcı maddelerin kullanımı mezolitik çağlara kadar
gitmektedir. Çeşitli tarihi bağlayıcı örneklerine İsrail, Mısır, Türkiye ve İtalyada rastlamak
mümkündür.
11
*mezolitik dönem (epipaleotik dönem) taş devri içinde paleolitik ve neolitik dönemler arasında yer alır.
TARİH ÖNCESİ ÇAĞLAR
Eski Taş Çağı (Kaba Taş veya Paleolitik dönem) M.Ö 60.0000-10.000
Orta Taş Çağı (Yontma Taş veya Mezolitik dönem) M.Ö 10.000-8.000
Yeni Taş Çağı (Cilalı Taş veya Neolitik dönem) M.Ö 8.000-5.500
Bakır Çağı (Kalkolitik dönem) M.Ö 5.500-3.000
Tunç Çağı M.Ö 3.000-1.800
Demir Çağı M.Ö 1.800-1.200
12
Maden Çağı
Taş Çağı
HORASAN HARCI
Selçuklu ve Osmanlı yapılarında duvar harcı olarak,
Horasan harcı adı verilen bir bağlayıcı kullanıldığı
görülmektedir. Bu harcın bileşiminde, pişmiş toprak
tozu, kuvarz kumu, bir sene bekletilmiş kireç, kül
hatta yumurta akının kullanıldığı söylenmektedir.
13
PRİZ
İnce toz halindeki bağlayıcı maddelerin su ile reaksiyonu sonucu şekil verilebilen plastik bir
hamur elde edilir. Belirli bir süre sonra, hamur katılaşmaya başlar.
Bu katılaşma olayına priz denir.
14
GÜNÜMÜZDE BAĞLAYICILAR
Günümüzde bir çok bağlayıcı, çimentoya dayanım katmak amaçlı kullanılmaktadır.
Dayanım arttırıcı bu bağlayıcıları sınıflarsak:
Doğal dayanım arttırıcılar: Puzolanlar (Traslar), Volkanik Tüfler, Killi Şist, Diatome Toprağı,
Ponza
Atık malzeme dayanım arttırıcılar: Uçucu Kül, Yüksek Fırın Cürufu, Silis Dumanı
Özel dayanım arttırıcılar: Metakaolin
Bu malzemeler çimento hidratasyonunun atığı olan CH (kalsiyum hidroksit) ile reaksiyon
verebilen malzemelerdir.15
ALÇIPişirilmiş alçı taşı
16
ÖNCELİKLE HİDRAT SUYU NEDİR…
Kristal yapıya bağlanmış su molekülleridir.
Kimi kristal yapılı kimyasalların çözgen halden katı hale geçerken yapılarına su molekülleri
girer. Kristal örgüye katılan bu su, molekül sayısı kadar bir katsayıyla gösterilir.
Na2SO4·10H2O (10 hidrat sulu sodyum sülfat)
CuSO4·5H2O (5 hidrat sulu bakır sülfat)
CaSO4·2H2O (2 hidrat sulu kalsiyum sülfat)
Al2O3·H2O (1 hidrat sulu alüminyun oksit)
17
ALÇI – PİŞİRİLMİŞ ALÇI TAŞI
Alçı taşı (jips) doğal olarak oluşan ve bileşiminde iki molekül su bulunduran bir kalsiyum
sülfat mineralidir. (CaSO4·2H2O)
Alçı taşının bünyesinde yarım molekül su kalacak şekilde ısıtılması ve öğütülmesi ile alçı
elde edilir. (CaSO4·1/2H2O)
𝐶𝑎SO4 · 2𝐻2𝑂125°𝐶
𝐶𝑎SO4 · ൗ12𝐻2𝑂 + ൗ
32𝐻2𝑂 ↑
18
𝑎𝑙ç𝚤 𝑡𝑎ş𝚤125°𝐶
𝑎𝑙ç𝚤 + 𝑠𝑢
ALÇININ SERTLEŞMESİ
Alçı suyla karıştırılınca tekrar katılaşarak bağlayıcılık özelliği taşıyan bir yapı malzemesine
dönüşür. Yapıda bulunması gereken hidrat suyu (kristal suyu da denir) eklenen sudan kristal
örgüye geçer. Yapı yeniden kristallenir ve kararlı hale geçer.
𝐶𝑎SO4 ·1/2𝐻2𝑂 +
3/2H2O 𝐶𝑎SO4 · 2𝐻2𝑂
19
alç𝚤 + su alç𝚤 taş𝚤 (yeniden kristallenme)
ALÇI KULLANIMI
• Alçı bilinen en eski bağlayıcı maddelerdendir
• Eski Mısırda piramitlerin inşasında bağlayıcı olarak
• Roma ve Yunan yapılarında sıva ve mermer taklidi olarak (Stükko)
• Osmanlı devrinde pencerelerde ve duvar süslemelerinde
• 17. yy da Fransada sıva olarak (Paris Alçısı)
• 18. yy da kalsiyum ve kükürt sağlayıcı gübre olarak
• Döşeme ve duvar panosu olarak kullanılmıştır
20
YAPI MALZEMESİ OLARAK AVANTAJLARI
• Düşük birim hacim ağırlık
• Düşük ısı iletkenlik katsayısı
• Ortam nemini düzenleyebilme
• Yangına dayanıklılık
• Rötre (büzülme) yapmaması
• Kür ihtiyacı olmaması
• Kısa sürede dayanım kazanma
• İsçilik kolaylığı, düzgün yüzey
• Üretiminde az enerji gereksinimi21
ALÇI ÜRETİMİ
CaSO4·2H2O Kalsiyum Sülfat Dihidrat (iki hidratlı alçı taşı Jips olarak adlandırılır)
CaSO4·1/2H2O Kalsiyum Sülfat Yarım Hidrat
CaSO4 Kalsiyum Sülfat Anhidrat (bu yapı alçı taşı olarak adlandırılır)
β-alçı Üretimi: Öğütme, 110-200°C kalsinasyon (en geç yarım saate kadar donar)
α-alçı Üretimi: Öğütme, ≈120°C yüksek buhar basıncı (birkaç haftaya kadar donar)
22
*kalsinasyon, oksit bileşenleri elde etmek için sıcaklığın etkisiyle karbonat ve hidratların parçalanmasıdır
α ve β alçı formları
α ve β alçının ikisinin de kimyasal içerik olarak aynıdır. Bu iki alçı
yapısının kristalografik farkları bulunur.
Beta cinsi alçıda kristal yapı iğne tipi ve amorf şekillidir.
Alfa alçıda bu yapı daha rafine ve geometrik şekillerdedir.
Uygulamada ise bu fark, α alçının β alçıya göre çok daha az su ile
karıştırılınca belli bir akışkanlığa gelmesiyle kendini gösterir. Alçının belli
bir akışkanlığa gelmesi için gereken su miktarı üretim tekniğine bağlı
olarak (alçı/su) 1 den 5 e kadar değişebilir.
α alçısının mukavemet değeri daha yüksektir.23
TS 13279 YAPI ALÇILARI
Adi alçı 200 μm üzerinde ≤%35, piriz süresi ≥ 10 dak.
Katkılı adi alçı 1,25 mm üzerinde ≤%1, piriz süresi ≥ 20 dak.
Susuz alçı 1,25 mm üzerinde ≤%1, piriz süresi ≥ 20 dak.
Katkılı susuz alçı 1,25 mm üzerinde ≤%1, piriz süresi ≥ 20 dak.
Basınç dayanımı 7MPa 70,7 mm küp numune 40°C etüv
Alçı ve su karışımından oluşan hamurun hacmi sertleşme esnasında iki üç misli genleşme
göstermektedir.
24
TS EN 13279 güncel kullanılan yapı ve sıva alçıları isimli standarttır. TS 370 geçerli değildir
ALÇI ÇEŞİTLERİ
Adi Alçı: 120°C- 160°C arası ısıtma sonucu elde edilen yarım hidrat sulu CaSO4 yapısıdır. Dış
atmosfer etkilerine dayanıksızdır.
Katkılı Adi Alçı: priz süresini uzatabilmek adına içerisine şekerli su, sönmemiş kireç, sıcak
su, sodyun nitrat gibi katkılar eklenmiş adi alçıdır.
Susuz Alçı: pişirilme sıcaklığının 800°C- 1000°C arası tutularak tüm hidrat suyunun
uçurulduğu alçı taşıdır. Aşınma ve basınç dayanımı yüksektir. Dış koşullara dayanıklıdır. Piriz
süresi 6 ila 20 saat arasıdır.
Katkılı Susuz Alçı: susuz alçının çabuk pirizlenmesi için modifiye edilmiş halidir.
25
YAPAY ALÇI
Tartarik asit üretimi, Sitrik asit üretimi, Borik asit
üretimi, TiO2 Üretimi, Hidroflorik asit üretimi,
NaCl üretimi, Fosforik asit üretimi gibi
endüstrilerinde yan sanayi ürünü olarak suni
alçıtaşı üretimi vardır.
26
KİREÇHava kireci ve Su kireci
27
KİREÇ – Ca(OH)2
Kireç suyla karıştırıldığında tipine göre havada veya suda katılaşma özelliği gösteren beyaz
renkli bir bağlayıcıdır.
Bilinen en eski bağlayıcılardan birisi olan kireç, eski Babil, Mısır, Finikeliler, Hitit ve Persler
tarafından hava kireci olarak yapıda kullanılmıştır.
Romalılar devrinde ise su kireci bulunmuş ve
su içi inşaatlarında kullanılmıştır.
28
HAVA KİRECİ OLUŞUM REAKSİYONU
Kireçtaşı yeryüzü karalarının %10 u kadardır. Doğada kalker ve dolamit şeklinde bulunur.
Kalker (kireçtaşı): CaCO3
Dolamit: içinde %10 %35 kadar MgCO3 içeren kireçtaşıdır.
Kireç, kalker veya dolamitin ısıl işlemi sonucu elde edilir.
𝐶𝑎𝐶𝑂3850°C−1400°C
𝐶𝑎𝑂 (aktif kireç) + 𝐶𝑂2 ↑
𝐶𝑎𝑂 + 𝐻2𝑂 𝐶𝑎 𝑂𝐻 2 (sonmüş kireç) + 𝚤𝑠𝚤
29*gerek öğütme gerekse pişirme sırasında sorun yarattığı için kalkerin içinde silisin bulunması istenmez.
AKTİF KİREÇİN SÖNDÜRÜLMESİ
Kireç taşının pişirilmesi ile (kalsinasyon) sönmemiş kireç oluşur (CaO).
𝐶𝑎𝐶𝑂3Δ
𝐶𝑎𝑂 + 𝐶𝑂2 ↑
Sönmemiş kirecin su ile reaksiyon sonucu sönmüş kireç Ca(OH)2 elde edilir. Kireç dediğimiz yapı budur. Hava kireci veya Yağlı kireç de denmektedir.
𝐶𝑎𝑂 + 𝐻2𝑂 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 + 𝚤𝑠𝚤
𝑀𝑔𝑂 + 𝐻2𝑂 𝑀𝑔(𝑂𝐻)2 + 𝚤𝑠𝚤
Bu sönme reaksiyonun gerçekleşebilmesi için kirecin ağırlığının 1/3 ü kadar suya ihtiyaç vardır.
30*kireç fazla su ile söndürüldüğünde ürün yağlı kireç olarak adlandırılır.
SÖNMEMİŞ KİREÇ – CaO (YANMIŞ KİREÇ)
Söndürülmemiş kirecin bağlayıcı malzeme olarak kullanılabilmesi için suyla birleştirilerek
hidrate edilmesi gerekmektedir. Söndürme işlemi sırasında sönmemiş kireç suyla
ekzotermik reaksiyona girer. Yarım kilo sönmemi kireç, 0°C deki 1 litre suyun sıcaklığını
100°C ye çıkaracak büyüklükte bir reaksiyon ısısı vermektedir. Isı ile birlikte hacmi 2,5 kat
artar.
Eğer kireç tamamen söndürülmezse, bu olay yapıda tamamlanır ve kirecin kullanıldığı
yerlerde çatlak vb. kusurlar oluşur.
Bu nedenle Kireç taşları, şantiyelerde açılan kireç havuzlarında, en az 15 gün su içinde
bekletilmelidir.31
SÖNMÜŞ KİREÇ – Ca(OH)2
Sönmüş kireç ve su karışımının içerisine kum da ilave edilerek, kireç harcı elde edilmektedir.
Kireç harcı, taş veya tuğlalarla yapılan duvarlarda bağlayıcı malzeme olarak görev
yapmaktadır. Kireç harçlarının su altında sertleşebilme özeliği yoktur.
Kireç kullanarak elde edilen ürünler suya karşı pek dayanıklı değillerdir; suyun etkisiyle
zamanla bir miktar erime göstermektedirler.
Özgül ağırlığı 2,20 - 2,45 g/cm³ ; Birim ağırlığı 0,60-0,75 g/cm³ arasındadır.
32
KİRECİN SERTLEŞMESİ
Kirecinin sertleşmesi 3 aşamada gerçekleşir.
Kuruma
Ca(OH)2 formülünde kristalleşme
Karbonatlaşma*
Kuruma ve kristalleşme geçicidir. Suyla karışınca kireç tekrar yumuşar. Asıl sertleşme
karbonatlaşma sonucu oluşur. Hava kirecini su ile karıştırdıktan sonra elde edilen hamur
havada bırakıldığında, havanın CO2 sini alarak suda erimeyen kalsiyum karbonata dönüşür.
33*dekalsinasyon
KARBONATLAŞMA
Kireç su ile karıstırdıktan sonra elde edilen hamur havada bırakılınca, havadaki
karbondioksiti alarak aşağıda görülen reaksiyon sonucu, suda erimeyen kalsiyum karbonata
dönüşür.
𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 + 𝐶𝑂2 𝐶𝑎𝐶𝑂3
𝑘𝑖𝑟𝑒ç + karbondioksit 𝑘𝑖𝑟𝑒ç𝑡𝑎ş𝚤
34
HAVA KİREÇİNİN DEZAVANTAJLARI
Hava kireci ile yapılan çok kalın sıvalar, alt tabakaların CO2 ile reaksiyona girmesini engeller.
Su ile etkileşimi sonucu sertleşmiş (karbonatlaşmış) kireç çözünür. Su ile reaksiyonu şu
şekildedir;
𝐶𝑎𝐶𝑂3 +𝐻2𝑂 + 𝐶𝑂2 𝐶𝑎 𝐻𝐶𝑂3 2
35
𝑘𝑖𝑟𝑒ç𝑡𝑎ş𝚤 + su + karbondioksit kalsiyum bikarbonat
Hava Kireci Türleri
Kireçtaşı pişirilirken sıcaklık 1000°C yi geçmezse elde edilen kirece
‘çalı kireci‘ denir. Su ile işleminde kolay ve iyi söner çünkü gevşek ve
gözeneklidir.
Eğer kireç taşı uzun zaman 1400°C civarında pişirilirse ‘kömür kireci’
elde edilir. Kömür kireci geç söndüğü ve dağılmadığı için uzun ulaşım
yollu işlerde tercih edilir.
36
KİRECİN YAPIDA KULLANIMI
• Yol yapımında killi zeminlerin stabilizasyonunda
• Sıcak asfaltta çok yönlü fayda sağlayan asfalt katkısı olarak
• Gazbeton üretiminde
• Kalsiyum silikat tuğla üretiminde
• Beton blok ve elemanlar üretiminde
• Harç ve sıva yapımında bağlayıcı olarak
• Sıvaya işlenebilirlik vermek için
• Badana malzemesi olarak
37
KİRECİN BETONA ETKİSİ
Kireç, harçlara plastisite kazandırmak amacıyla eklenir.
Çoğunlukla Melez harç adı verilen bu harçlar;
1 kısım çimento
1-2 kısım kireç ve
5-6 kısım kumdan
oluşur.
38plastisite: işlenebilirlir, yoğrulabilirlik
DİKKAT EDİLECEK HUSUSLAR
1. Kireç ile fazla kalın harç sıvası yapılmamalıdır. Aksi takdirde CO2 harcın içine fazla oranda
giremeyeceğinden, orta kısımlar plastik durumunu korur.
2. Su ile temas eden yapılarda kullanılmamalıdır. Kireç su içinde erir.
3. Taşıyıcı elemanların yapımında bağlayıcı madde olarak kullanılmamalıdır. Kirecin her
türlü yapı malzemesine iyi yapışma yeteneği olmasına karşın, mekanik özellikleri zayıftır.
4. Kireçle elde edilen harçların plastik özellikleri fazladır. Şekil değişimi yapabilme
yeteneğinin fazlalığı nedeniyle duvar sıvaları için çok uygundur. Kireçle yapılan sıvalar
çimento harcı ile yapılan sıvalara kıyasla daha az çatlar.
39
SU KİREÇİ (HİDROLİK KİREÇ)
İçerisinde %10-25 miktarında kil bulunduran kalker taşından elde edilir. Pişirme sırasında
oluşan sönmemiş kireç silis ve alüminle birleşir. Yapıda dikalsiyumsilikat oluşur (2CaO·SiO2).
Yine de yapıda en az % 10 CaO bulunmalıdır.
Su içerisinde kullanılabilir ve yine su içerisinde piriz alabilir.
Yüzey dayanımı hava kirecine göre daha yüksektir. 20-250 Kg/cm2
(yapısında kalsiyum silikat, kalsiyum alüminat ve kalsiyum hidroksit ihtiva eden kireç)
40
PUZOLONLARSilikatlı ve Alüminatlı basit bağlıyıcılar…
41
PUZOLANLAR
Puzolan maddeler; kendi kendine bağlayıcılık özelliği çok az olan veya hiç olmayan ancak
uygun rutubet şartlarında ve normal ortam sıcaklığında bağlayıcı özelliği olan ürünler açığa
çıkaran maddelerdir.
Tek başlarına su ile karıştıklarında sertleşme özelliği göstermedikleri halde, ince
öğütüldüklerinde (normal sıcaklıklarda) kalsiyum hidroksit ile reaksiyona girerek sertleşen
ve mukavemet oluşturan maddelerdir.
Puzolanlar silisli veya silis-alüminli amorf yapılardır.
42
SİLİS SiO2 ve ALÜMİN Al2O3
Kendi başlarına işlem görmeksizin bağlayıcılık özellikleri ya çok azdır ya da hiç yoktur.
Puzolanlar içinde fazla miktarda kolloidal eleman, özellikle aktif silis içeren maddelerdir.
Ancak başka bir bağlayıcı ile örneğin kireç veya çimento ile karıştırılınca bağlayıcılık özelliği
kazanırlar.
Reaksiyonun oluşabilmesi için bağlayıcının kalsiyum hidroksit içermesi gerekir.
43*kalsiyum hidroksit: sönmüş kireç
PUZOLANLAR
Puzolanlar yapay puzolanlar ve doğal puzolanlar olarak ikiye ayrılır. Doğal puzolanlar
volkanik kökenli (piroklastik) tortul kayaçlardan oluşurlar. Değişik orjinli maddeler ve kırıntı
taşlar olarak sınıflandırılmaktadır.
Yapay Puzolanlar pişmiş kil, uçucu kül, silika-tozu, pirinç kabuğu külü, yüksek fırın
cüruflarıdır. Genelleştirirsek piroklastik kayalardır.
Puzolanların içindeki serbest kireç miktarının %4 den fazla olmaması istenir.
44Piroklastik (volkanoklastik) volkanik faaliyetler esnasında volkandan çıkan her çeşit parçalı-kırıntılı malzeme
45
İtalya da Pozzuoli kasabasından ismini alır.
Almanya nın Ren bölgesinde tras ismi verilen üstün nitelikli puzolan, İtalya da Napoli puzolanları, Yunanistan ın
Santorinadası puzolanları en önemli yataklardır. Ayrıca Libya nın Trablus kenti civarında bulunurlar. Yurdumuzda ise
Kayseri-Nevşehir yöresinde bulunmaktadır.
PUZOLAN REAKSİYONU
Eski çağlarda kireç taşları ile birlikte öğütülerek kullanıldığında yapılarda bağlayıcı özellik
gösterdiği keşfedilmiştir.
Kireçle suda erimeyen kalsiyum silikat tuzlarına dönüşürler.
𝑆𝑖𝑙𝑖𝑘𝑎 + 𝐾𝑎𝑙𝑠𝑖𝑦𝑢𝑚 𝐻𝑖𝑑𝑟𝑜𝑘𝑠𝑖𝑡𝑠𝑢
𝐾𝑎𝑙𝑠𝑖𝑦𝑢𝑚 𝑆𝑖𝑙𝑖𝑘𝑎𝑡
𝑆𝑖𝑂2 + 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 𝐶𝑎𝑂 · 𝑆𝑖𝑂2 · 𝐻2𝑂
46
ASİT BAZ REAKSİYONU OLARAK PUZOLANLAR
Silis ve Alümin asit karakterlidir. Kireç ise baziktir. Puzolanlar aktif hale geçmek için kireçle
asit–baz reaksiyonuna girerler.
Puzolanlar yapılarında yüksek miktarda silika ve alümina, düşük miktarda demir oksit,
kalsiyum oksit, magnezyum oksit ve alkaliler içerirler.
47
PUZOLAN ÇEŞİTLERİ
Kaynağına göre bir çok puzolan çeşitleri vardır;
• Uçucu küller
• Yüksek fırın cürufları
• Silika tozu
• Volkanik kül
• Volkanik tüf
• Volkanik cam
• Pişmiş kil
• Diatomitler48
UÇUCU KÜLLER
Termik santraller de elektrik enerjisi eldesinde kullanılan
kömürlerin yakılmasıyla baca filtreleriyle elde edilirler. Linyit
yakılmasıyla elde edilenlerde daha fazla CaO bulunur ve
bunlar kalkersi C tipi küllerdir. Taş kömürlerinin yakılmasıyla
elde edilen SiO2 bulunan silisli F tipi küllerdir.
Kullanıldığı yerler: hafif agregalı beton yapımı, çimento katkı
malzemesi olarak, tuğla ve yol yapımında
49
YÜKSEK FIRIN CÜRUFLARI
Demir üretiminde kullanılan yüksek fırında,
cevherden demir alındıktan sonra kalan kısımdır.
Buna cüruf (letiye) denilmektedir. İçinde alümin,
silis ve kireç bulunmaktadır.
50
SİLİKA TOZU (SİLİS DUMANI) SiO2
Elektrik ark fırınlarında hammadde olarak kullanılan kuvartz taneden elde edilen
üründür. Hava filtrelerindeki ince taneciklerdir. Amorf silis içermektedir.
51*amorf, kendine özgü bir şekli olmayan
Akışkanlaştırıcı katkı maddeleri ile
birlikte kullanıldığında betonun
mekanik özelliklerini olumlu derecede
yükseltmektedir.
VOLKANİK KÜL
Volkanik püskürme sırasında silisli ve alümünli
malzemelerden oluşan küldür.
İnce formda elde edilir.
52
VOLKANİK TÜF
Volkanik cüruf da denir. Küllerinin tabakalar halinde
birikmesi sonucunda oluşur.
Puzolan olarak kullanabilmek için uygun tane boyutuna
öğütülmelidir.
53
VOLKANİK CAM
Obsidyen, lavın hızlıca soğuması ve
kristalleşmeye yetecek kadar zaman
geçmeden donmasıyla oluşur.
Puzolan olarak kullanabilmek için uygun tane
boyutuna öğütülmelidir.
54
PİŞMİŞ KİL
Pişmiş kil de diğer puzolanlar gibi nem çekici özelliğe sahiptir.
Puzolan olarak kullanabilmek için uygun tane boyutuna öğütülmelidir.
55
DİATOMİTLER
Diatomitler, hücre duvarları silikadan oluşmuş,
opal ve hidrate silika içeren, mikroskopik su
bitkisi olan diatomların kalıntılarıdır. Bazı
topraklarda bulunan bu organik kalıntılar %94
oranında silis içerirler. Diatomitlerin sahip
olduğu puzolanik aktivite, içerdiği amorf silis
miktarına bağlıdır.
56
BİR YAPAY PUZOLAN OLARAK METAKAOLİN
Kaolin (𝐴𝑙2𝑂3·𝐻2𝑂·2𝑆𝑖𝑂2)·𝐻2𝑂 alüminyum oksit, silisyum dioksit ve sudan oluşur. Kaoline ısı
uygulanmasıyla (kalsinasyon) öncelikle 200°C yüzeysel suyunu kaybeder. Isıtma işlemi
devam ettikçe 700°C sonrasında kimyasal formüldeki bağıl suyunu bırakarak metakaoline
dönüşür.
𝐴𝑙2𝑂3 · 2𝑆𝑖𝑂2 · 2𝐻2𝑂700°𝐶
𝐴𝑙2𝑂3 · 2𝑆𝑖𝑂2+ 2𝐻2𝑂
Bu noktadan sonra kaolin esnek plastik özelliğini kaybederek puzzolonik bir yapıya bürünür.
Metakaolinin puzzolonik özelliği onu çok etkili bir beton katkısı yapmaktadır.
57
PUZOLAN AKTİVİTELERİNİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER
1. SiO2+ Al2O3+ Fe2O3 içeriği
Kaynakları ne olursa olsun puzolanların esasını, silis oluşturur. Puzolanik özelliklere sahip
olan puzolanlar %40 dan %90 a kadar SiO2 içerebilir.
2. Amorf yapılı olmalıdırlar.
3. Parçacık boyutu (puzolanik aktivite için malzemenin çok ince öğütülmesi gerekmektedir).
58
SiO2+ Al2O3+ Fe2O3 içeriği
ASTM C 618 & TS 25 2011 (doğal puzolanın sahip olması gereken özelliklerini kapsar)
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 doğal puzolanlar > %70
MgO en çok %5
SO3 en çok %3
rutubet en çok %10
Uçucu Küller – ASTM
C Sınıfı SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 >50%
F Sınıfı SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 >70%
Silika dumanı SiO2≈ 85-98%
Fırın Cürufları SiO2 ≈ 30-40% Al2O3 ≈ 7-19% CaO ≈ 30-50%59
AMORF YAPI
Kimyasal reaksiyonlarda puzolanlar amorf yapıdadırlar.
Volkanik kül, volkanik tüf, uçucu kül, silika dumanı doğal olarak amorf yapıdadır.
Killer yapılarında yüksek miktarda silika & alümina bulundururlar. Kristal yapıdadırlar.
60
*amorf yapı kendine özgü bir biçimi olmayan yapılardır. *kristal yapılar düzenli bir dizgiye sahiptir.
PUZOLANLARIN KİMYASAL YAPISI
61
Yapay Puzolanlar Doğal Puzolanlar
F uçucu kil C uçucu kil Fırın Curufu Slika Dumanı Volkanik Kül Volkanik Cürüf
SiO2 % 52 % 35 % 35 % 90 % 58 % 50
Al2O3 % 23 % 18 % 12 % 0,4 % 29 % 20
Fe2O3 % 11 % 6 % 1 % 0,4 % 4 % 8
CaO % 5 % 21 % 40 % 1,6 % 1 % 8
SO3 % 0,8 % 4,1 % 9 % 0,4 % 0,5 % 0,4
Na2O % 1,0 % 5,8 % 0,3 % 0,5 % 0,2 -
K2O % 2,0 % 0,7 % 0,4 % 2,2 % 2 -
Na eq alk % % 2,2 % 6,3 % 0,6 % 1,9 % 1,5 -
PUZOLANLARIN FİZİKİ YAPISI
62
Yapay Puzolanlar Doğal Puzolanlar
F uçucu kil C uçucu kil Fırın Curufu Slika Dumanı Volkanik Kül Volkanik Cürüf
Boyut m2/Kg 420 420 400 20.000 990 730
Yoğunluk g/cm3 2,38 2,65 2,94 2,40 2,50 2,63
BAĞLAYICILARIN BETON İÇİNDEKİ MİKTARI
C Sınıfı Uçucu kül 15% ile 40%
F Sınıfı Uçucu kül 15% ile20%
Fırın cürufu 30% ile 45%
Silika dumanı 5% ile10%
Volkanik kül 15% ile35%
Volkanik tüf 15% ile 35%
63
BOYUT ETKİSİ ve İNCELİK
Puzolan aktivitesi incelikle artar. Volkanik kül,
uçucu kül, silika dumanı ince taneler olarak
elde edilirler.
Volkanik tüf, fırın cürufları, pişmiş kil çimento
inceliğinde öğütülürler.
64
PUZOLANLARIN FAYDALARI
• Taze betonun işlenebilirliğinde artış
• Su kusmada (terleme) azalma
• Segregasyonda azalma (kohezyonda artış)
• Çimento miktarından tasarruf (Enerji tasarrufu, min CO2)
• Atık malzeme olarak Puzolan kullanımı halinde çevresel fayda
• Hidratasyon ısısında azalma
• Beton dayanımının yavaş ama uzun süreli artması
• Su ve klorür geçirgenliğinde azalma
• Kimyasal etkilere dayanıklılıkta artış
• Bağlayıcı matris-agrega bağının kuvvetlenmesi
• Kuruma büzülmesinde ve termal büzülmede azalış
65
PUZOLONİK AKTİVİTE
Bir puzolanın bağlayabileceği en fazla Ca(OH)2 (kireç) miktarı ve bağlanma işleminin hızıpuzolanik aktivite olarak ifade edilir.
Puzolanik aktivite ölçüm yöntemleri genel olarak ikiye ayrılır.
1. Kimyasal yöntem:
a) puzolanik reaksiyon sonucu alkaliler veya asitler içerisinde çözülebilen SiO2 + Al2O3 +Fe2O3 toplamı ölçülür.
b) puzolan doymuş kireç çözeltisine konulduğunda, belirli bir süre içinde ortamdakikalsiyum iyonları azalması tespit edilir.
2. Mekanik yöntem:
Puzolan karışımlarının, basınç dayanımlarının ölçülmesi esasına dayanır.
66
PUZOLANİK AKTİVİTENİN BELİRLENMESİ
Puzolanik aktivite dayanım aktivite indeksi (SAI) ile belirlenir. ASTM standartlarına göre 6
küp numune hazırlanır.
Deney karışımı (A)
400 g çimento + 100 g puzolan + 1375 g kum + kıvamı sağlayacak su
Kontrol karışımı (B)
500 g çimento + 1375 g kum + 242 ml su
67
*SAI: Strength Activity Index*ASTM: American Society For Testing And Materials
PUZOLANİK AKTİVİTENİN BELİRLENMESİ
Basınç dayanımı deneyi (7 veya 28 günlük kür)
𝑆𝐴𝐼 =𝐴
𝐵× 100
A= Deney karışımı dayanımı
B= Kontrol karışımı dayanımı
ASTM C 618 standardına göre SAI ≥ 75% olmalıdır.
68
ÇİMENTOModern Hidrolik Bağlayıcılar
69
ÇİMENTO İÇİN BİLİNESİ KAVRAMLAR
• Portland
• Farin
• Klinker
• Kalsinasyon
• Sinterleşme
• Hidratasyon
• Tobermorit
• Silikat modülü
• Hidrolik modül
• Alümin modülü
• Ton modülü
• C3S Alite
• C2S Belite
• C3A Celite
• C4AF Ferite
• Aluminate
• Kireç Doygunluk Faktörü (LSF)
70
ÇİMENTO
Çimento teknik olarak keşfi antik çağlara uzanan bir
materyaldir. Genel olarak yapı inşasında kullanılan
malzemelerin genel ismidir.
Portland Çimentosu modern çağda 19. yüzyılda
keşfedilen bağlayıcı madde çeşididir.
71
ÇİMENTO
Çimento kelimesi, yontulmuş taş kırıntısı anlamındaki Latince caementum kelimesinden
türemiştir. Daha sonra bu kelime bağlayıcı anlamında kullanılmaya başlamıştır.
TS EN 206 ya göre Çimento Su ile karıştırıldığında, hidratasyon reaksiyonları ve işlemleriyle
priz alarak sertleşebilen hamur meydana getiren ve sertleştikten sonra dayanım ve
kararlılığını su içerisinde bile sürdürebilen öğütülmüş inorganik malzemedir.
Basit olarak ise Çimento kil içeren kireçtaşının pişirilmiş halidir.
72
TS EN 206:2013+A1: Bu Standard, yerinde döküm ve ön dökümlü (prefabrik) yapılar ile binaların ve inşaat mühendisliği alanına giren yapıların ön dökümlü yapısal elemanlarında kullanılan betonları kapsar.
PORTLAND ÇİMENTOSU
Portland çimentosu esas olarak kalkerli maddelerin (%76-
78) kil ile karıştırılması ve yaklaşık 1400-1500°C sıcaklıkta
sinterleşinceye kadar pişirilmesi sonucu katı parçacıklar
halinde elde edilen klinkerin uygun oranda alçı taşı ile
birlikte öğütülmesiyle elde edilir.
73Sinterleşme: malzemenin ergime sıcaklığına çıkmadan daha düşük sıcaklıklarda yoğunlaştırılması
YAŞ SİSTEM vs KURU SİSTEM ÇİMENTO
Başlangıçta çimento yaş sistemle üretilmekteydi. Hammadde
ancak çamur halinde öğütülerek homojenize edilebilmekteydi.
Bu sebeple hammadde karışımı fırına yaş olarak yaklaşık %35
oranında su bulunan çamur halinde girmekteydi. Karışımdaki
nemi uçurabilmek için fazladan enerji ihtiyacı doğmaktaydı.
Günümüzde kuru halde hammaddeler öğütülerek homojenize
edilebilmekte ve enerji tasarrufu sağlanmaktadır.
74
Çimento üretimi dünyadaki CO2 üretiminin %8 inin sorumlusudur.
75
ÜRETİMİ AŞAMALARI…
76
Hammadde Kırma Öğütme Karıştırma Pişirme Klinker
Pişirme işleminde sıcaklık 1500°C ye kadar çıkar. Bu yüksek sıcaklık altında ayrışma ürünleri
olan; kireç, silis, alumin, demir oksit aralarında birleşerek, çimentonun karmaşık bileşimleri
olan silikatları ve aluminatları meydana getirir. (bkz: karma oksitler)
YAKMA ÖNCESİ İŞLEMLER
77
YAKMA İŞLEMİ
78
1500°C de kireç, silis, alumin, demiroksit aralarında birleşerek, çimentonun karmaşık bileşimleri olan silikatları ve aluminatları meydana getirir.
ÇİMENTO ANA HAMMADDELERİ
KİREÇTAŞI ve KİL + ALÇI TAŞI
CaCO3 ve (Al2O3 + SiO2 + Fe2O3) + CaSO4·2H2O
79
HAMMADDE GRUPLARI
1. Grup karbonatlı hammaddeler: kalker (kireç taşı), marnlı kalker, marn, tebeşir, mermer.
2. Grup kili hammaddeler: kil, kil taşı, şeyl, cüruf, uçucu küller, killi şist, alüminyum cevheri
atıklırı, kaolin.
3. Grup silisli hammaddeler: kum, kalsiyum silikatlar, kuvarsit, diyatomit, pozolanik toprak.
4. Grup demirli hammaddeler: hematit, pirit külü, demir oksit.
80
ÇİMENTO ANA HAMMADDELERİ
Kalker: kireçtaşı da denir içerisinde % 90 a kadar kalsiyum karbonat vardır.
Marn: %50-70 kalker ve %30-50 oranında kil karışımından oluşmuş kayaçlardır. Çimento
üretiminde genellikle %70 kalker %30 kil içeren marnlı kalker kullanılır.
Kil: ikincil temel hammaddedir. Kil tanımı genel bir kavramdır ve mineral içeriği oran
anlamında değişkendir. Esas olarak denilen sulu alüminyum silikatlardan oluşur
(mAl2O3·nSiO2·pH2O). Kaolin ise kilin çok saf yapıdaki Al2O3·2SiO2·2H2O halidir.
Alçı Taşı: kalsiyum sülfat mineralidir. İki hidrat suyu içeren hali Jips olarak anılır. Çimento
üretiminde genellikle jips kullanılır. Klinker içerisine %3-5 oranında katılır.
81
FARİN – ÖN ISITMA ÜRÜNLERİ
İstenilen kimyasal bileşimde ve istenilen inceliğe öğütülmüş hammadde karışımları döner
fırında ön ısıtma işlemine tabi tutulur. Ön ısıl işlemin sebebi yapıdaki kaba suyun
uzaklaşması, mevcut organik materyallerin yanması ve kısmen kalsinasyonun
başlatılmasıdır. Hammaddelerin bu karışım hallerine farin denir.
Bu çimento üretiminin temel adımıdır. 600°C gibi kil içerisindeki bağlı su uzaklaşır.
Sonrasında CaCO3 ve MgCO3 büyük ölçüde kalsine olur ve CO2 ortamdan uzaklaşır. Fırın
girişindeki kuru ağırlığın 1/3 ü su buharı ve karbondioksit olarak uzaklaşır.
82
Kalsinasyon: yapının oksit bileşiğine dönüşmesi, genellikle CO2 nin yapıdan uzaklaştırılmasıdır.
KLİNKER – PİŞİRME
800°C de ön ısıl görmüş farin döner fırına girer (0,5 – 1,0 rpm). Fırın sıcaklığı 1450-1600°C
aralığındadır. Fırının iki ucu arasında sıcaklık farkı vardır ve hammadde fırında ilerledikçe daha da
ısınarak erir ve kilinker oluşum reaksiyonları gerçekleşir. İlkel maddelerin pişirilmesi sonucu elde
edilen ürüne kinker denir. Değişimleri ve reaksiyonları sıralarsak:
1. Serbest suyun buharlaşması
2. Kilin kristal suyunu kaybetmesi
3. CaCO3 ve MgCO3 ayrışması (kalsinasyon)
4. Kireç ile silis ve alüminyum oksidin birleşmesi
83
Ön ısıtma işlemi sırasında (sonuç farin)
Temel ısıtma işlemi sırasında (sonuç klinker)
ÇİMENTO TEMEL OKSİTLERİ
Kalker, Kil, Kaolin, Marn, Alçı Taşı gibi doğal kaynaklardan
portland çimentosunun temel oksitleri elde edilir.
Bunlar kalsinasyon ürünleridir.
Kireç taşından gelen CaO
Kilden gelen SiO2 ,Al2O3 ve Fe2O3
84
Fe2O3
𝐾𝑖𝑙600°𝐶
𝑆𝑖𝑂2 + 𝐴𝑙2𝑂3 + 𝐹𝑒2𝑂3 + 𝐻2𝑂
𝐶𝑎𝐶𝑂31000°𝐶
𝐶𝑎𝑂 + 𝐶𝑂2
ÇİMENTO KARMA OKSİTLERİ
Klinkerin pişmesi sonucu temel oksitler birleşir ve
çimentonun karma oksitlerini oluşturur. Klinkerin %
90 ı bu karma oksitlerdir.
Çimentonun tüm kimyasal karakterini veren
bileşikler bu karma oksitlerdir.
85
ÇİMENTO KARMA OKSİTLERİ
3CaO·SiO2 Alite C3S Hızlı Dayanım
2CaO·SiO2 Belite C2S Yavaş ve Sürekli Dayanım
3CaO·Al2O3 Celite C3A Kimyasal Etkilere (Sülfata) Dayanıksızlık
4CaO·Al2O3·Fe2O3 Ferrite C4AF Priz Sıcaklığını Düşürme
86
*Ders içeriğinde çimento karma oksitleri, kısaltmaları olarak kullanılacaktır.Yani C kalsiyum oksidi, S silisyum oksidi, F demir oksidi ve A alüminyum oksidi simgeleyecektir.Bu bölümde silikatlardan C3S kırmızı, C2S mavi ; alüminatlardan C3A yeşil , C4AF mor olarak gösterilecektir.
CA ve C2AS ve C3A ve C4AF
. Fırında gerçekleşen ilk reaksiyonlardır. 800°C altında karbonatların ayrışması ile
oluşan CaO (ki biz bu kalsiyum oksitten bundan sonda C diye bahsedeceğiz) alüminyum
oksit ile birleşerek (buna A diyeceğiz) CaO·Al2O3 oluşur (CA). 1000-1100°C aralığında
silisyum dioksit (buna da S diyeceğiz) ve alüminyum oksit (A) ile birleşerek dikalsiyum
alüminyum silikat (C2AS, gehlenit) oluşur. Kararsız bir yapıdır.
Benzer şekilde 1100-1200°C sıcaklıkta trikalsiyum alüminat (C3A) ve tetrakalsiyum
alüminyum ferrat (C4AF) oluşur.
Halen katı fazda çok miktarda serbest kireç mevcuttur.
87
CS ve C3AS2
CaO·SiO2 ve 3CaO·2SiO2 yapılarıdır. Fırında
oluşan yan ürünlerdir. Çimentonun pirizine
etkileri yoktur.
88
C2S ve C3S
Karbonatların ayrışması ile oluşan CaO (C) silisyum dioksit ile
birleşerek dikalsiyum silikat (C2S) oluşur (800°C).
Sıcaklık 1250°C ye varınca malzeme karışımının %20-30 kadarı
erir. Sıvı fazda CaO ile C2S birleşerek C3S i oluştururlar. Portlant
çimentosunun esas içeriği de işte bu C3S dir.
Bu iki reaksiyon sonucu serbest kirecin (C) konsantrasyonu
büyük ölçüde azalır.
89
Ergime sıcaklığının hemen altında gerçekleşen bu reaksiyonlara sinterleşme reaksiyonu denir.
SIRALARSAK …
800°C altında
CaO·Al2O3 (CA) ve 2CaO·SiO2 oluşumu başlar (C2S).
800°C - 900°C
C2AS oluşur tekrar ayrışır. C3A ve C4AF oluşumu başlar. Serbest kireç
miktarı maksimum değere ulaşır.
1100°C - 1200°C
C3A ve C4AF büyük ölçüde tamamlanır. C2S maksimum değere varır. Sıvı
faz oluşmaya başlar.
1260°C - 1450°C
C3S oluşumu ile serbest kireç azalır.
90
BİR DE TABLO OLARAK
91
Sıcaklık Tane yapısı Klinker işlemleri
700°C ye kadar hammaddeler serbest hareket
eden toz haldedir.
Tanecikler katıdır, aralarında reaksiyon yoktur. Su tamamen buharlaşmıştır. Dehidrate kil
tanecikleri vardır.
900°C ye kadar hammaddeler hala serbest
hareket eden toz haldedir.
Tanecikler katıdır, aralarında reaksiyon yoktur. Kalsinasyon devam ettikçe serbest kireç miktarı
artar. Reaktif silis CaO ile reaksiyona girerek C2S
oluşturur. Kalsinasyonun devam etmesi sıcaklığı
850°C de tutar.
1150-1200°C tanecikler yapışkan hale gelmeye
başlar
Katı tanecikler arasında reaksiyon oluşmaya
başlar.
Kalsinasyon Serbest CaO sona erince sıcaklık
hızla artmaya başlar
1200-1350° Agglomerasyon olayı başladığında
malzemeler sıvı ile bir arada tutulur. Fırının
dönüşü Agglomeraların bütünleşmesini
tabakalanmasını başlatır.
Kapiler kuvvetler tanecikleri bir arada tutar 1250°C’nin Yuvarlak belit kristalleri üzerinde
sıvı faz oluşur. Sıvı C2S CaO reaksiyona girerek
C3S oluşturmalarına olanak sağlar
1350-1450°C parçalıkların tepeden birlikte
düşmeleri nedeniyle Agglomeralaşma ve
parçacıkların tabakalanması devam eder.
Sıvı faz yeterli ise topaklanma oluşur. Sıvı faz
yetersiz ise tozlu klinker oluşur.
C2S kristalleri miktar olarak azalır, boyut olarak
büyür. C3S kristalleri miktar ve boyut olarak
artar.
Soğuma Soğuma sırasında topaklar şekilleri aynen
korur.
Soğuma ile birlikte C3A ve C4AF sıvı fazda
kristalleşir. Soğuma sırasında topaklar şekilleri
aynen korur.
ÇİMENTO REAKSİYONLARI
92
650-1050°C
𝐴𝑙2𝑂3 · 2𝑆𝑖𝑂2 · 2𝐻2𝑂 + 5𝐶𝑎𝐶𝑂3CA ve C2S oluşumu
𝐶𝑎𝑂 · 𝐴𝑙2𝑂3 + 2𝐶𝑎𝑂 · 𝑆𝑖𝑂2+ 2𝐻2𝑂 ↑ + 5𝐶𝑂2 ↑
𝐹𝑒2𝑂3 + 2𝐶𝑎𝐶𝑂3C2F oluşumu
2𝐶𝑎𝑂 · 𝐹𝑒2𝑂3 + 2𝐶𝑂2 ↑
𝐶 + 𝑂2organik yanma
𝐶𝑂2 ↑
𝑆𝑖𝑂2 + 2𝐶𝑎𝐶𝑂3C2S oluşumu
2𝐶𝑎𝑂 · 𝑆𝑖𝑂2 + 2𝐶𝑂2 ↑
𝐶𝑎𝐶𝑂3 𝐶𝑎𝑂 + 𝐶𝑂2 ↑
1250-1450°C
2𝐶𝑎𝑂 · 𝐹𝑒2𝑂3 + 𝐶𝑎𝑂 · 𝐴𝑙2𝑂3+ 𝐶𝑎𝑂C4AF oluşumu
4𝐶𝑎𝑂 · 𝐴𝑙2𝑂3 · 𝐹𝑒2𝑂3
𝐶𝑎𝑂 · 𝐴𝑙2𝑂3 + 2𝐶𝑎𝑂C3A oluşumu
3𝐶𝑎𝑂 · 𝐴𝑙2𝑂3
2𝐶𝑎𝑂 · 𝑆𝑖𝑂2 + 𝐶𝑎𝑂C3S oluşumu
3𝐶𝑎𝑂 · 𝑆𝑖𝑂2
KLİNKERİN SOĞUTULMASI VE ÖĞÜTÜLMESİ
Klinker fırın içerisinde sinterleşme sıcaklığından sonra hızla soğutulmalıdır. Sıcaklık 1250°C nin altına
yavaş düştüğünde C3S tersinir bir reaksiyon göstererek C2S ve CaO ya ayrışır.
3𝐶𝑎𝑂 · 𝑆𝑖𝑂2yavaş soğuma
2𝐶𝑎𝑂 · 𝑆𝑖𝑂2 + 𝐶𝑎𝑂
Azalan C3S miktarı çimento için istenmeyen bir durumdur, mukavemet azaltıcı etkisi vardır. Ayriyeten
oluşan serbest kireç de betonda tehlikeli genleşmelere neden olur. Bu reaksiyon hızlı soğutma ile
önlenmeye çalışılır.
93
KLİNKERİN ÖĞÜTÜLMESİ
94
Klinker fırının ağzından gri kürecikler halinde çıkar.
Fırından 1000°C ye yakın bir sıcaklıkta çıkan klinkerin
genel olarak hızlı bir şekilde soğutulması gereklidir.
Soğutucudan çıkan klinker, boyutları 1-3 cm arasında
değişen, pürüzlü, gözenekli bir yüzeye sahip, sert,
yuvarlak, koyu gri tanelerdir.
KLİNKERDEN ÇİMENTOYA
Klinker su ile herhangi bir reaksiyon yapmaz ve bu maddenin bağlayıcılık özelliği yoktur.
Klinker ancak ince bir şekilde öğütüldükten sonra bağlayıcı özelliği kazanır.
95
değirmen öğütücü bilyaları
Soğumuş klinker içine ihtiyaca göre ≈%5 alçı taşı
katılarak bilyeli değirmenlerde kuru olarak öğütülür.
Oluşan ürün çimentodur.
ÇİMENTO
96
Klinkere çimentonun priz süresini düzenlemek için alçıtaşı eklenir.
Alçı taşışı olmaması halinde çimento çok hızlı sertleşir.
Katkılı Portland çimentosu üretiminde ise; puzolan olarak kullanılan
hammaddeler bu aşamada klinkere katılır.
Klinker + Alçıtaşı PÇ (portland çimentosu)
Klinker + Alçıtaşı + %19 Puzolan KÇ (portland puzolanlı çimento)
Klinker + Alçıtaşı + %40 Puzolan TÇ (portland puzolanlı çimento)
ÇİMENTO
97
Klinker ve diğer katkılar çelik bilyalı öğütücülerde boyutları 90 mikron ile 6,5 mikron arasında
değişen tanelere dönüştürülerek çimento elde edilir.
Öğütülen çimento silolara gönderilerek gerekli süre bekletilip soğuması ve kararlı bir durum alması
sağlanır. Kullanım öncesi sıcaklık en az 75°C ye düşmelidir.
Klinker + Alçıtaşı CEM I (portland çimentosu)
Klinker + Alçıtaşı + Puzolan CEM II (portlant kompoze çimento)
Klinker + Alçıtaşı + Puzolan CEM III (yüksek fırın cüruflu çimento)
Klinker + Alçıtaşı + Puzolan CEM IV (puzolanlı çimento)
Klinker + Alçıtaşı + Puzolan CEM V (kompoze çimento)
CEM dip not
98
CEM I genel amaçlı portland çimentosudur. Erken dayanımın yüksek olması durumunda R normal
betonda N kodu alır.
CEM II portland çimentosunun iki tipi vardır. A tipinde %6-20; B tipinde %21-35 oranında uçucu kül,
cüruf, tras gibi puzolanlar içerir.
CEM III portland çimentosunda A tipi %35-65 B tipi %66-80 C tipi %81-95 cüruf içerir. Hidratasyon
ısısı düşük ve kimyasal etkilere dayanıklıdır.
CEM IV puzolanik çimentolar hidratasyon ısısı düşük olduğundan kimyasal etkilerin olduğu deniz içi
yapılarda ve kütle beton dökümünde kullanılır.
CEM V hem fırın cürufu hem tras ve uçucu kül içeren puzolanik çimentolardır. Agrasif ortamlarda
kullanılırlar.
ÇİMENTO
99
• Çimentonun dört aydan fazla bekletilmemesi gerekir.
• Uygun depolama koşullarında bile çimentolar ortamdan
nem alıp dayanım kaybına uğrayabilirler.
• Kuru ambarlarda veya hava almayan, ağzı kapalı silolarda
saklanmalıdır.
ÇİMENTO KARMA OKSİTLERİ
100
Kalsiyum Silikatlar Kalsiyum Aluminatlar Sülfatlar
3CaO·SiO2 2CaO·SiO2 3CaO·Al2O3 4CaO·Al2O3·Fe2O3 CaSO4·2H2O
C3S C2S C3A C4AF CതS
Trikalsiyum Silikat Dikalsiyum Silikat Trikalsiyum AlüminatTetrakalsiyumAluminoferrit
Alçı Taşı
KARMA OKSİTLERDEN C3S ALİT
101
Alit çimento hacminin yaklaşık %40-70 ini oluşturur. Priz sürelerini, erken
ve nihai dayanımı etkiler. C3S yüzdesi arttıkça çimentonun ilk yaşlardaki
dayanımı daha yüksek olur. Su ile hidratasyonu yüksek ısı verir.
C3S in su ile yaptığı reaksiyon sonucunda C-S-H sembolü ile gösterilen
kalsiyum silikat hidrate ile serbest kireç 3Ca(OH)2 oluşmaktadır.
Çimentonun kalitesi alit miktarı ile ölçülür. Bu da soğutma hızına bağlıdır.
Rekasiyon hızı Hidratasyon ısısı Bağlayıcılık (erken) Bağlayıcılık (geç) Renk
orta 120 cal/g yüksek yüksek beyaz
KARMA OKSİTLERDEN C2S
102
Belit çimentonun hacmen %15-45 ini oluşturur. Reaksiyona girmesi
yavaştır ve genel olarak bir haftadan sonraki dayanımda etkilidir.
C2S in su ile yaptığı reaksiyon sonucunda C-S-H sembolü ile gösterilen
kalsiyum silikat hidrate ile serbest kireç Ca(OH)2 oluşmaktadır. C3S e göre
daha az reaktiftir.
Rekasiyon hızı Hidratasyon ısısı Bağlayıcılık (erken) Bağlayıcılık (geç) Renk
yavaş 62 cal/g düşük yüksek beyaz
KARMA OKSİTLERDEN C3A
103
Kinkerin %1-15 i arasında olabilir. Celit reaksiyonda ilk çözünen bileşendir. Büyük miktarda
ısı artışına neden olur. Klinkerin öğütülmesi sırasında katılan alçıtaşı (CതS · 2H) C3A nın
hidratasyon hızını yavaşlatır. Alçıtaşı ilave edilmemiş C3A lı bir çimento hızla katılaşır. Bu
nedenle çimento içerisinde fazla bulunması istenmez. Hacim değişimine ve çatlamalara
neden olur. Sülfata karşı dayanıksızdır.
Rekasiyon hızı Hidratasyon ısısı Bağlayıcılık (erken) Bağlayıcılık (geç) Renk
hızlı 207 cal/g düşük düşük beyaz-gri
KARMA OKSİTLERDEN C4AF
104
Ferrite klinkerleşme sıcaklığını düşürerek çimento üretimine etki eder. Çimentoya rengini
veren bileşendir.
Rekasiyon hızı Hidratasyon ısısı Bağlayıcılık (erken) Bağlayıcılık (geç) Renk
orta 100 cal/g düşük düşük siyah
ÇİMENTO KARMA OKSİTLERİ
105
C3S Erken dayanımı etkiler.
C2S Geç dayanımda etkilidir.
C3A Büyük miktarda ısı artışına neden olur. Sülfatla reaksiyona girer.
C4AF Çimentoya rengini veren bileşendir.
ÇİMENTO HİDRATASYONU
106
HİDRATASYON İÇİN BİLİNESİ KAVRAMLAR
• C3S Alite
• C2S Belite
• C3A Celite
• C4AF Ferite
• C-S-H tobermorit
• CH portlandit
• C-A-തS-H etrenjit
• Solvatasyon: yapıya solventin katılması
• Solvent: çözücü
• Hidratasyon: yapıya hidratın katılması
• Hidrat: H2O (H)
• Sülfat: SO3 (തS)
• Karbondioksit: CO2 (തC)
• Sodyum oksit: Na2O (N)
• Magnezyum oksit: MgO (M)
• Potasyum oksit: K2O (K)
107
ÇİMENTO HİDRATASYON
108
Çimentodaki karma bileşenler termal işlem sonrasında yüksek *entropili hale gelirler.
Yapılarına tekrar su katıldığında *egzotermik bir reaksiyon vererek bu enerjiyi tekrar
salarlar.
Çimentonun karma bileşenlerinin su ile ayrı ayrı kimyasal reaksiyona girdikleri varsayılır
ve hidratasyon sonunda her ana bileşen tarafından değişik hidratasyon ürünleri oluşur.
Ç𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 + 𝑆𝑢∆ (𝚤𝑠𝚤)
Ü𝑟ü𝑛
*entropi (S): sistemin düzensizliği*egzotermik: ısı veren reaksiyon
SİLİKATLARIN HİDROTASYONU C3S ve C2S
109
C3S ve C2S klinkerin yaklaşık %70 ila %80 ini oluşturur. Bu kalsiyum silikatların hidratasyonusonucu kristal yapıyı kuran tobermorit (C3S2H3) yapısı oluşur. Bu reaksiyonun tamamlanması 3aşamada gerçekleşir.
1. Hidratasyon: Bileşenlerin su ile yaptığı kimyasal reaksiyon.2. Katılaşma: Priz yapma3. Sertleşme: Dayanım kazanma
Silikatların Hidratasyon Reaksiyonları
2(3𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝑆𝑖𝑂2) + 6𝐻2𝑂5−6 kat daha hızlı
3𝐶𝑎𝑂 ∙ 2𝑆𝑖𝑂2 · 3𝐻2𝑂 + 3𝐶𝑎(𝑂𝐻)2
2 2𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝑆𝑖𝑂2 + 4𝐻2𝑂 3𝐶𝑎𝑂 ∙ 2𝑆𝑖𝑂2 · 3𝐻2𝑂 + 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2
C-S-H(tobermorit)
CHportlandit
ÇİMENTO KARMA OKSİTLERİ
110
ÇİMENTO HİDROTASYONU & SÖNMÜŞ KİREÇ
111
C3S (alite) 2 3𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝑆𝑖𝑂2 + 𝑛𝐻2𝑂 3𝐶𝑎𝑂 ∙ 2𝑆𝑖𝑂2 (𝑛 − 3)𝐻2𝑂 + 3𝐶𝑎(𝑂𝐻)2
C2S (belit) 2(2𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝑆𝑖𝑂2) + 𝑛𝐻2𝑂 3𝐶𝑎𝑂 ∙ 2𝑆𝑖𝑂2 (𝑛 − 1)𝐻2𝑂 + 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2
• Oluşan sönmüş kireç yapının su içinde bulunduğu süre zarfında sürekli bir şekilde çözünecektir.Çözünen Ca(OH)2 gittikçe boşluklu bir yapı oluşturacaktır ve dayanımının büyük ölçüdeazalmasına sebep olacaktır.
• Bu dezavantajın yanında Ca(OH)2 varlığı ortamın pH sını bazikleştireceği için çelik donatınınoksitlenmesini engelleyici etkisi olacaktır.
• C3S silikatının en önemli özelliği çimentonun prizini çabuklaştırması ve hızlı dayanımkazandırmasıdır.
• C2S silikatının en önemli özelliği yavaş ama sürekli dayanım kazandırmasıdır.
KİREÇ OLUŞUMU OLUMLU OLUMSUZ YÖNLERİ
112
Devamlı su içinde bulunma Ca(OH)2 nin sürekli
bir şekilde çözünmesi demektir. Beton boşluklu
bir hal alacaktır. Dayanımının büyük ölçüde
azalmasıyla yapının emniyeti tehlikeli bir duruma
girecektir.
Serbest kirecin varlığı nedeniyle oluşan bazik
ortam da çelik donatının paslanması
engellemektedir.
ÇİMENTO HİDROTASYONU C3A
113
3𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝐴𝑙2𝑂3 + 6𝐻2𝑂 3𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝐴𝑙2𝑂3 ∙ 6𝐻2𝑂 + ∆
3𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝐴𝑙2𝑂3 ∙ 6𝐻2𝑂 + 𝐶𝑎(𝑂𝐻)2 + 6𝐻2𝑂 4𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝐴𝑙2𝑂3 ∙ 13𝐻2𝑂
C3A hidrotasyon ürünü oldukça zayıf dayanımlıdır. Prize ilk başlayan öğe olan C3A hızla priz yapıp
yüksek hidratasyon ısısı açığa çıkarır. C3A nın hızlı prizi denetim altına alınmazsa, çimento tümüyle
katılaşır ve silikatların oluşmasına olanak kalmaz. C3A nın priz hızı klinkere katılan alçı taşı ile
yavaşlatılır.
Çimentoya alçı taşı katılmadığı zaman C3A hızlı bir şekilde hidratasyon yaparak, küçük plaklar
şeklinde priz yapar. Büyük bir ısının açığa çıkmasıyla oluşan bu olaya ani priz denilir.
SÜLFAT
114
SO3 çimento içine hammaddelerden, katkılardan veya kullanılan yakıttan gelmektedir.
Ayrıca klinkere eklenen alçı taşından kaynaklanan SO3 , sülfo-aluminat tuzlarının oluşmasına neden
olmaktadır.
Bu maddenin CEM I, CEM II, CEM IV ve CEM V için % 3,5 den CEM III için ise % 4 den fazla olmaması
istenir.
Sülfat iyonları, çimento içindeki C3A ile reaksiyona girer. Bu reaksiyonu önlemek için çimento
bileşimindeki trikalsiyum alüminatın düşük olması (C3A < %6) gerekmektedir. Sülfat reaksiyonları,
Na2SO4, K2SO4, CaSO4, MgSO4, (NH4)2SO4 gibi tuzlarla görülebilir,
3𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝐴𝑙2𝑂3 ∙ 𝐶𝑎𝑆𝑂4 ∙ 18𝐻2𝑂 + 2𝐶𝑎 𝑂𝐻 2 + 2𝑆𝑂3 + 12𝐻2𝑂 3𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝐴𝑙2𝑂3 ∙ 3𝐶𝑎𝑆𝑂4 ∙ 32𝐻2𝑂
SÜLFAT – SO3
115
Doğada bulunan sülfat iyonları betona nüfuz ederek hidratasyon ürünü kalsiyum hidroksit
(CH) ve kalsiyum aluminat hidratlarla (C-A-H) reaksiyona girer. Sırasıyla alçı ve etrenjit adı
verilen ürünler oluştururlar. Bu ürünlerin her ikisi de betonda genleşmelere ve dolayısıyla
çatlama ve bozulmalara yol açarlar.
Sülfat etkisinin azaltılması için iki önlem türü bulunur. Bunlardan birincisi, çimentodaki C3A
miktarının azaltılması, ikincisi ise çimento hidratasyonu sonucunda oluşan kalsiyum
hidroksitin çeşitli mineral katkılar içeren çimentolar kullanılarak azaltılmasıdır.
C3A + ALÇI TAŞI = ETRENJİT
116
Etrenjit (𝐶4𝐴 ҧ𝑆3𝐻31) betonda yer alan C3A karma oksitinin erken priz yapmasını engellemek
amacıyla, çimentoya konulan az miktarda alçı taşının yine C3A içinde bulunan aluminatların
üzerinde oluşturduğu iğne şeklindeki kristallere denir.
C3A ve Alçıtaşı birleşiminden oluşan etrenjit krislalleri (candlot tuzu) priz olayını engeller. İçerdiği
çok miktardaki hidrat suyu nedeniyle büyük bir hacim kaplar. (%227 hacim artışı) Taze betonda
ortamın yeterince su bulundurmasından ötürü bu hacim artışı problem oluşturmaz.
3𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝐴𝑙2𝑂3 ∙ 6𝐻2𝑂 + 3 𝐶𝑎𝑆𝑂4 ∙ 2𝐻2𝑂 + 19𝐻2𝑂 3𝐶𝑎𝑂 ∙ 𝐴𝑙2𝑂3 ∙ 3𝐶𝑎𝑆𝑂4 ∙ 31𝐻2𝑂
C-A-തS-H(etrenjit)
C3A, ALÇITAŞI ve YALANCI PİRİZ
117
Klinkere katılan alçıtaşı eğer klinker sıcakken eklenirse alçıtaşının bir kısmı alçıya dönüşür.
Suyla karışan alçı aniden sertleşir. Ancak alçı miktarı az olduğundan tüm kütle
sertleşmez.
Bu duruma yalancı piriz denir.
Uzun süre betonun karıştırılmasıyla tekrar yumuşama sağlanabilir. Yalancı priz yapma
özelliğine sahip çimentolarla dökülen betonlar çok çabuk katılaşma eğilimi gösterip,
beton işçiliğinde zorluklar yaratır. Ayrıca pompa betonlarında borularda tıkanıklıklar
yaratır.
ÇİMENTO OKSİTLERİ C3A ve KLOR
118
C3A nın çimentoya sağladığı olumlu bir etki Cl- iyonlarını bağlama yeteneğine sahip
olmasıdır.
C3A Cl- iyonları ile reaksiyona girerek friedel tuzu oluşturur.
3CaO·Al2O3·CaCl2·10H2O
SERBEST KLOR
119
Beton içerisinde asidik etki göstererek
donatıların korozyonunu arttırıcı etkisi vardır.
Miktarının %1 den fazla olmaması gereklidir.
𝐶𝑙2 +𝐻2𝑂 𝐻𝑂𝐶𝑙 + 𝐻+ + 𝐶𝑙−
𝐻𝑂𝐶𝑙 𝐻+ + 𝑂𝐶𝑙−
ÇİMENTO OKSİTLERİ C4AF HİDRATASYONU
120
C4AF nin (4CaO·Al2O3·Fe2O3) hidratasyonu, hızı daha küçük olsa da C3A nın hidratasyonu
gibidir.
Hidratasyon reaksiyonu sonunda, alçı miktarının belirli bir değerin altında olmaması
halinde sülfo-ferritler elde edilir.
Bunlar sülfo-aluminatlarda alumin yerine Fe2O3 in konulmasıyla elde edilen yapılardır.
Ayrıca alçıtaşının az miktarda olması halinde, C4AF nin hidratasyonu sonunda
(3CaO·Fe2O3·H2O), (CaO·Fe2O3·H2O), (3CaO·Al2O3·H2O) gibi hidrate bileşimlerin meydana
gelme olasılığı vardır.
KARMA OKSİTLER
121
Bileşen Hidratasyon HızıBağlayıcılık
Değeri
Hidratasyon
Isısı
Kimyasal
Dayanıklılık
C3S İlk hafta hızlı, sonra yavaş Kuvvetli Orta Az
C2S İlk hafta yavaş sonra sürekli artım Kuvvetli Az İyi
C3A Ani (İlk dakika) Zayıf Çok Kötü
C4AF Ani (İlk dakika) Zayıf Orta İyi
KALSİYUM SİLİKATLAR
122
Kalsiyum monosilikat: CaO·SiO2 doğada wollastonit olarak bilinen bir mineraldir. İnce
öğütülse de priz yapmaz.
Trikalsiyum disilikat: 3CaO·2SiO2 monoklinik kristal yapılıdır. Bu yapının da bağlayıcı özelliği
yoktur.
Dikalsiyum silikat: 2CaO·SiO2 trikalsiyum silikatan sonra klinker içinde en çok bulunan
bileşiktir. C2S nin hidratasyon hızı C3S in hızına göre çok yavaştır.
Trikalsiyum silikat: 3CaO·SiO2 en önemli klinker bileşenidir. Su ile reaksiyona girerek piriz
yapabilme kabiliyeti yüksektir.
KALSİYUM ALÜMİNATLAR
123
Trikalsiyum pentaalüminat: C3A5 1450°C de oluşur. Priz yapma yetisi vardır.
Monokalsiyum alüminat: CA su ile hızla katılaşır. Çimento içindeki en hızlı piriz yapan
bileşiktir.
Pentakalsiyum trialüminat: C5A3 priz yapma özelliği vardır.
Trikalsiyum alüminat: C3A klinkerde en çok bulunan alüminattır. Fazlası sülfat korozyonuna
neden olur. Çimentodaki işlevi kalsiyum sülfat ile reaksiyona girerek klinker tanecikleri
üzerinde bir kabuk oluşturur. Bu kabuk su içinde çözünme hızını kontrol eder.
Tetrakalsiyum alüminoferrit: C4AF hidrotasyonu C3A ile benzerdir fakat daha yavaştır.
SAF KLİNKER BİLEŞİKLERİNİNİ HİDRATLAŞMA YÜZDELERİ
124
Na2O ve K2O
125
Hammaddede bulunabilecek Na2O ve K2O gibi alkali safsızlıkların agrega içeriğindeki reaktif
silis ve karbonatlarla büyük su emme kapasitesi olan alkali silika jelleri oluşturma riskleri
vardır. Buna alkali-agrega reaksiyonu denir. Bu jel yapılar büyük hacim genleşmelerine
sebep olur.
Bu nedenle ASTM standartlarına göre 𝑁𝑎2𝑂 + 0,66 × 𝐾2𝑂 miktarının %0,6 dan fazla
olmaması istenir
SERBEST CaO
126
Hammaddede bulunan CaO nun tamamının çimentonun ana bileşenlerinde görev alması
beklenir. Serbest CaO çimento hamuru içerisindeki su ile birleşerek Ca(OH)2 oluşturmakta
ve havadaki CO2 ile birleşerek CaCO3 haline dönüşmektedir. Bu reaksiyonlar ısı ve genleşme
açığa çıkarmaktadır.
Miktarının %1 den az olması istenir.
MgO
127
Dolamitde bulunan magnezyum karbonatın kalsinasyonu sonucu oluşan magnezyum oksit
su ile reaksiyona girerek önce Mg(OH)2 daha sonra da havadaki CO2 ile tekrar MgCO3 haline
gelir. CaO benzeri bu reaksiyonlar sonucu ısısal ve genleşme problemleri doğar.
Çimento içerisinde %5 den fazla olmamalıdır.
KIZDIRMA KAYBI
128
Çimentonun yüksek sıcaklıkta (975±25°C) kızdırılması sonucu çimentoyu terk eden nem ve
karbondioksitten ileri gelir.
Çok az miktardaki su, çimento üretiminde kullanılan alçı taşının (CaSO4·2H2O) bünyesinden
ve havadan bir miktar nem alınmasından kaynaklanır. Karbondioksit ise, çimentonun
havadan karbondioksit alarak karbonatlaşma yapmasından kaynaklanır.
1±0,05 g çimentonun 1000°C de pişirilmesiyle ölçümlenir. Ağırlıkça kütle kaybının %4 den
büyük olmaması beklenir.
ÇÖZÜNMEYEN KALINTI
129
• Çimento bileşenlerinin oluşumunda görev almayan silis miktarını ifade eder.
• Normal olarak çimento bileşenleri hidroklorik asit (HCl) içerisinde çözünmesine rağmen,
sadece silis bu asit içerisinde çözünmez.
• Çözünmeyen kalıntı yüzdesi, çimento üretiminde kimyasal reaksiyonların tam olarak
gelişip gelişmediğini göstermesi bakımından önemlidir.
HİDRATASYONDA OLUŞAN BOŞLUKLAR
130
Plastik kıvamını kaybederek katılaşan çimentoda
hidratasyon sonucu iki çeşit boşluk oluşur. Jel boşluklar
(küçük) ve Kapiler boşluklar (büyük).
Kapiler boşluklar hidratasyon esnasında oluşan ürünler ile
doldurulamayan boşluklardır. Uygun su/çimento oranı
sonucunda kapiler boşluklar oluşmaz. Su/çimento oranı
arttıkça kapiler boşluklar daha geç dolar. Kılcal boşluk
hacmi toplamın %8 i kadardır.
JEL BOŞLUKLAR
131
Karma suyu olarak gereğinden fazla su kullanılmış ise bu suyun
buharlaşması sonucu jel boşluklar oluşur. boyutu 0,5 - 10 nm
arasındadır.
Su çimento oranı 0,40 civarında olacak şekilde tasarlanmış bir
çimento hamurunun tüm jel boşlukları toplanı çimento hamuru
hacminin %28 i kadardır.
KAPİLER BOŞLUKLAR
132
Çoğunlukla bünyeden su kaybı ile meydana gelir. Su kaybı
nedeniyle oluşan kapiler boşlukların boyutu 10 nm ile 10 μm
arasındadır.
Jel boşluklarının durabilite ve dayanım üzerine etkisi çok büyük
değilken kapiler boşlukların önemi büyüktür.
HİDRATASYONDA HARCANAN SU
133
Serbest su hidratasyon sonucu oluşan bileşiklerin boşlukları su ile
doludur. Buharlaşma yoluyla uzaklaşabilirler.
Adsorpsiyon suyu hidrate bileşiklerin yüzeyinde van der Waals
kuvvetleri ile tutunan sudur. (zeolitik su)
Kristal suyu yapıya girmiş olan sudur. Kristal formülünden sonra
nokta koyarak gösterilir.
Oluşum suyu klinker içindeki oksitlerle birleşerek hidroksit haline
dönüşmüş harcanmış sudur.
HİDRATASYONDA HARCANAN SU HESABI
134
Klinker bileşikleri hidrate olabilmek için kendi ağırlıklarına göre C3S için %24, C2S için %21, C3A için
%40, C4AF için %37 suya ihtiyaç duyarlar. Bu hesaplar kullanılarak toplam su ihtiyacı teorik olarak
hesaplanabilir ancak daha güvenilir sonuçlar deneysel verilerden gelmektedir.
Deneysel veriler çimentonun su ihtiyacının kendi ağırlığının %23 ü kadar olduğunu göstermektedir.
Hidrate çimentonun hacmi Vh, başlangıçtaki anhidrit çimento hacmi V0 ve kullanılan suyun hacmi Vs
Beklenilenden farklı olarak bunların arasında doğru bir orantı yoktur. 𝑉0+ 𝑉𝑠 ≠ 𝑉ℎ
yapılan deneyler hidrate çimento hacminin anhidrit çimento ve su toplamından %25,4 oranında az
olduğunu gösterir.
HİDRATASYONDA HARCANAN SU HESABI
135
𝑉ℎ = (𝑉0+ 𝑉𝑠) × 1 − 0,254
Kullanılan çimento yoğunluğu 3,15 g/cm3 alındığında hacmi kütleye çevirirsek.
𝑉ℎ = 𝑚/3,15 + 𝑉𝑠 × 1 − 0,254
su ihtiyacını deneysel olarak çimento miktarının %23 ü bulmuştuk
𝑉ℎ = 𝑚/3,15 + 𝑚 × 0,23 × 0,746
𝑉ℎ = 𝑚 × 0,317 + 0,171
𝑉ℎ = 0,489𝑚
Burada Vh hidrate çimento boşluksuz hacmi ; m ise çimento kütlesidir.
HİDRATASYONDA HARCANAN SU HESABI
136
Oysa hidrate çimento boşluksuz bir yapıda değildir. İçinde kapiler ve jel boşluklar vardır. Jel boşluk
hacmi toplam hacmin %28 i olduğuna göre (bkz: jel boşluklar)
𝑉𝐽/𝑉𝑇 = 0,28
Buradan jel boşluk hacmi
𝑉𝐽/(𝑉𝐽 + 𝑉ℎ) = 0,28
𝑉𝐽/(𝑉𝐽 + 0,489𝑚) = 0,28
𝑉𝐽 = 0,19𝑚
Jel boşlukların tamamının su dolu olduğunu düşünürsek hidratasyon için de %23 oranında su ihtiyacı
düşünülürse
𝑚𝑠𝑢 = 0,23𝑚 + 0,19𝑚 = 0,42𝑚
HİDRATASYONDA HARCANAN SU HESABI
137
Buradan şu sonuca varılır. Özel katkı maddesi kullanılmamış bir çimento hamurunda su/çimento
oranı 0,42 değerinden daha az olmamalıdır. Aksi taktirde su jel boşluklarda tutulacağından
hidratasyon için yeterli su sağlanamayacak anlamı çıkmaktadır.
𝑚𝑠𝑢𝑚ç𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜
= 0,42
Bu hesaplar kullanılan çimento yoğunluğu 3,15 g/cm3 alındığında geçerlidir.
TEMEL OKSİT MİKTARLARININ ÖNEMİ
138
CaO, SiO2, Al2O3 ve Fe2O3 gibi temel oksitlerin ne
miktarda çimento içerisinde yer aldıkları ana
bileşenlerin miktarını etkilemektedir. Bu miktarlar
çimentonun davranış karakterini etkiler.
PORTLANT ÇİMENTOSUNUN BİLEŞİMİ
139
Ana Oksitler Sınır değerler % Tipik bileşim %
Kireç (CaO) 60-67 63
Silis (SiO2) 17-25 20
Alumin (Al2O3) 3-8 6
Demir oksit (Fe2O3) 0,5-6 3
Magnezit (MgO) 0,5-3 2
Kükürt trioksit (SO3) 1-2 1
Diğer maddeler 0,5-2 1
KARMA OKSİT MİKTAR HESABI
140
Çimentonun basit oksit değerlerinin bilinmesi davranışı
hakkında yeterli bilgi vermez.
Çimentonun davranışını etkileyen karma bileşenler
Bogue formülleri kullanılarak hesaplanır.
Kesin sonuç vermeyen bu formül dışında, çimento karma
bileşenleri X ışını kırılma, optik yöntemler veya elektron
mikroskobu ile inceleme yoluyla da belirlenebilir.
BOUGE FORMÜLLERİ
141
Al2O3/Fe2O3 ≥ 0,64 olması durumunda
𝐶4𝐴𝐹(%) = 3,043 × 𝐹𝑒2𝑂3
𝐶3𝐴 % = 2,650 × 𝐴𝑙2𝑂3 − 1,692 × 𝐹𝑒2𝑂3
𝐶3𝑆 % = 4,071 × 𝐶𝑎𝑂 − 7,600 × 𝑆𝑖𝑂2 − 6,718 × 𝐴𝑙2𝑂3− 1,43 × 𝐹𝑒2𝑂3 − 2,852 × 𝑆𝑂3
𝐶2𝑆 % = 2,687 × 𝑆𝑖𝑂2− 0,7544 × 𝐶3𝑆
𝐴𝑙2𝑂3/𝐹𝑒2𝑂3 < 0,64 𝑖𝑠𝑒 𝐶3𝐴 𝑜𝑙𝑢ş𝑚𝑎𝑧.
Daha koyu renkteki Ferrari Çimentosu oluşur (sülfata dayanıklı çimento).
Ayrıca Bogue formüllerini puzolan katkılı çimentolar için kullanmak doğru değildir.
BOUGE FORMÜLÜ
142
𝐶4𝐴𝐹 = 3,043𝐹
𝐶3𝐴 = 2,650𝐴 − 1,692𝐹
𝐶3𝑆 = 4,071𝐶 − 7,600𝑆 − 6,718𝐴 − 1,43𝐹 − 2,852 ҧ𝑆
𝐶2𝑆 = 2,687𝑆 − 0,7544𝐶3𝑆
F:Fe2O3 A: Al2O3 C:CaO S: SiO2 തS: SiO3
143
Verilen kimyasal bileşimi ve incelikleri kullanarak A ve B çimentolarının
a) Karma oksit değerlerini BOGUE formülleri ile hesaplayınız.
b) Her iki tip çimentonun zamanla dayanım kazanma kabiliyetlerini
tartışınız.
c) Söz konusu çimentolardan hangisinin diğerine kıyasla sülfata karşı
daha dayanıklı olduğunu nedeni ile açıklayınız.
d) Hangi tip çimentonun hidratasyon ısısının daha yüksek olması
beklenir?, neden?
% A % B
CaO 61 65
SiO2 23 21
Al2O3 6 9
Fe2O3 4 3
MgO 0,5 0,5
SO3 1 1
Diğer 4,5 0,5
incelik 2880 3160
144
% A % B
CaO 61 65
SiO2 23 21
Al2O3 6 9
Fe2O3 4 3
MgO 0,5 0,5
SO3 1 1
Diğer 4,5 0,5
incelik 2880 3160
𝐴 𝑖ç𝑖𝑛𝐴𝑙2𝑂3𝐹𝑒2𝑂3
=6
4= 1,5 ≥ 0,64 𝐵 𝑖ç𝑖𝑛
𝐴𝑙2𝑂3𝐹𝑒2𝑂3
=9
3= 3 ≥ 0,64
A
%𝐶4𝐴𝐹 = 3,043 × 𝐹𝑒2𝑂3 = 3,043 × 4 = 12,17
%𝐶3𝐴 = 2,650 × 𝐴𝑙2𝑂3− 1,692 × 𝐹𝑒2𝑂3 = 2,650 × 6 − 1,692 × 4 = 9,13
%𝐶3𝑆 = 4,071 × 𝐶𝑎𝑂 − 7,600 × 𝑆𝑖𝑂2− 6,718 × 𝐴𝑙2𝑂3− 1,43 × 𝐹𝑒2𝑂3− 2,852 × 𝑆𝑂3
%𝐶3𝑆 = 4,071 × 61 − 7,6 × 23 − 6,718 × 6 − 1,43 × 4 − 2,852 × 1 = 24,651
%𝐶2𝑆 = 2,687 × 𝑆𝑖𝑂2− 0,7544 × 𝐶3𝑆 = 2,687 × 23 − 0,7544 × 24,65 = 43,20
B
%𝐶4𝐴𝐹 = 3,043 × 𝐹𝑒2𝑂3 = 3,043 × 3 = 9,13
%𝐶3𝐴 = 2,650 × 𝐴𝑙2𝑂3− 1,692 × 𝐹𝑒2𝑂3 = 2,650 × 9 − 1,692 × 3 = 18,77
%𝐶3𝑆 = 4,071 × 𝐶𝑎𝑂 − 7,600 × 𝑆𝑖𝑂2− 6,718 × 𝐴𝑙2𝑂3− 1,43 × 𝐹𝑒2𝑂3− 2,852 × 𝑆𝑂3
%𝐶3𝑆 = 4,071 × 65 − 7,6 × 21 − 6,718 × 9 − 1,43 × 3 − 2,852 × 1 = 37,41
%𝐶2𝑆 = 2,687 × 𝑆𝑖𝑂2− 0,7544 × 𝐶3𝑆 = 2,687 × 21 − 0,7544 × 37,41 = 28,21
145
% A % B
C3A 9,1 18,8
C3S 24,7 37,4
C2S 43,2 28,2
C4AF 12,2 9,1
İncelik (cm2/g) 2880 3160
b) Her iki tip çimentonun zamanla dayanım kazanma kabiliyetlerini tartışınız.
B çimentosunda C3S ve incelik fazla olduğundan erken dayanımı yüksektir
c) Söz konusu çimentolardan hangisinin diğerine kıyasla sülfata karşı daha dayanıklı olduğunu nedeni ile
açıklayınız.
A çimentosu daha dayanıklıdır çünkü C3A miktarı daha düşüktür (C2S te daha düşük Ca(OH)2 çıkışı var; kimyasal
dayanıklılık artar)
d) Hangi tip çimentonun hidratasyon ısısının daha yüksek olması beklenir, neden?
B Çimentosunda C3A, C3S ve incelik fazla olduğu için hidratasyon ısısı yüksektir.
146
a) Soğuk hava koşullarında beton üretimi
b) Sıcak hava koşullarında beton üretimi
c) Sülfat ortamında kullanılacak beton üretimi
d) Kanalizasyon sularına maruz kalacak beton boru
Oksit % A % B % C
CaO 64,5 63 66
SiO2 21 22 20
Al2O3 6 7,7 5,5
Fe2O3 2,5 3,3 4,5
Diğer 663 4 4
3 adet farklı klinkere ait oksit kompozisyonları verilmiştir. Bu klimkerlere ait ana
bileşenleri hesaplayarak aşağıdaki durumla için en uygun çimentonun hangi klinker ile
üretilebileceğini belirtiniz. Çimentolar aynı incelikte üretilecektir.
147
a)
%𝐶4𝐴𝐹 = 3,043 × 2,5 = 7,6
%𝐶3𝐴 = 2,650 × 6 − 1,692 × 2,5 =11,67
%𝐶3𝑆 = 4,071 × 64,5 − 7,600 × 21 − 6,718 × 6 − 1,43 × 2,5 − 2,852 × 0 = 59,09
%𝐶2𝑆 = 2,687 × 21 − 0,7544 × 59 = 11,91
b)
%𝐶4𝐴𝐹 = 3,043 × 𝐹𝑒2𝑂3 = 10,04
%𝐶3𝐴 = 2,650 × 𝐴𝑙2𝑂3− 1,692 × 𝐹𝑒2𝑂3 = 14,82
%𝐶3𝑆 = 4,071 × 𝐶𝑎𝑂 − 7,600 × 𝑆𝑖𝑂2− 6,718 × 𝐴𝑙2𝑂3− 1,43 × 𝐹𝑒2𝑂3− 2,852 × 𝑆𝑂3 = 32,82
%𝐶2𝑆 = 2,687 × 𝑆𝑖𝑂2− 0,7544 × 𝐶3𝑆 = 34,35
b)
%𝐶4𝐴𝐹 = 3,043 × 𝐹𝑒2𝑂3 = 3,043 × 3 = 13,69
%𝐶3𝐴 = 2,650 × 𝐴𝑙2𝑂3− 1,692 × 𝐹𝑒2𝑂3 = 6,96
%𝐶3𝑆 = 4,071 × 𝐶𝑎𝑂 − 7,600 × 𝑆𝑖𝑂2− 6,718 × 𝐴𝑙2𝑂3− 1,43 × 𝐹𝑒2𝑂3− 2,852 × 𝑆𝑂3 = 73,30
%𝐶2𝑆 = 2,687 × 𝑆𝑖𝑂2− 0,7544 × 𝐶3𝑆 = 1,56
148
a) Soğuk hava koşullarından beton dökümü için üretilecek bir
çimento için klinker A en uygundur. Çünkü yüksek C3S içeriğinden
dolayı yüksek hidratasyon ısısı açığa çıkarması beklenir.
b) Sıcak hava koşullarında beton dökümü için en uygun klinker B dir.
B nin düşük C3S ve yüksek C2S içeriği sıcak hava koşulları için
gereken düşük hidratasyon ısısı ve yavaş dayanım gelişimi
şartlarını sağlar.
c) Klinker C nin C3A
ÇİMENTO MODÜLLERİ
149
Kimyasal raporlarda kireç standardı, silis modülü, hidrolik modül, alumin modülü gibi bazı modüller
verilir.
𝐾𝑖𝑟𝑒ç 𝑆𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟𝑑𝚤 =𝐶𝑎𝑂 − (𝑆𝑒𝑟𝑏𝑒𝑠𝑡 𝐶𝑎𝑂 + 0,7 × 𝑆𝑂3)
2,8 × 𝑆𝑖𝑂2 + 1,1 × 𝐴𝑙2𝑂3 + 0,7 × 𝐹𝑒2𝑂3× 100 İ𝑆𝑇𝐸𝑁İ𝐿𝐸𝑁 %90 − 95
𝑆𝑖𝑙𝑖𝑠 𝑚𝑜𝑑ü𝑙ü =𝑆𝑖𝑂2
𝐴𝑙2𝑂3+ 𝐹𝑒2𝑂3İ𝑆𝑇𝐸𝑁İ𝐿𝐸𝑁 2,2 − 2,6
𝐴𝑙𝑢𝑚𝑖𝑛 𝑚𝑜𝑑ü𝑙ü =𝐴𝑙2𝑂3𝐹𝑒2𝑂3
İ𝑆𝑇𝐸𝑁İ𝐿𝐸𝑁 1,5 − 2,0
MODÜLLER
150
Silikat modülü: silis yüzdesinin alüminyum oksit ve demir oksit miktarına oranıdır. Yüksek
modül değeri klinker için pişirme güçlüğü anlamı taşır.
Alümin modülü (Ton modülü): alüminyum oksidin demir okside oranıdır. Düşük alümin
modülü klinker bileşiklerinin daha düşük sıcaklıklarda oluşumunu sağlar. Bu daha az fırın
yakıtı anlamına gelir. Yüksek modül oranı sert ve yoğun bir klinker oluşumunu destekler.
Kireç Doygunluk Faktörü (LSF): portland çimentosu içinde ne miktarda CaO bulunması
gerektiği teorik hesabıdır.
HİDROLİK İNDEKS
151
Asit nitelikteki bileşenlerin (SiO2 Al2O3 Fe2O3) Bazik nitelikli bileşenlere (CaO MgO)
oranına Hidrolik indeks denir.
ℎ𝑖𝑑𝑟𝑜𝑙𝑖𝑘 𝑖𝑛𝑑𝑒𝑘 =2,8 × 𝑆𝑖𝑂2 + 1,1 × 𝐴𝑙2𝑂3 + 0,7 × 𝐹𝑒2𝑂3
𝐶𝑎𝑂 + 1,4 × 𝑀𝑔𝑂
İdeal bir Portland çimentosu hidrolik indeksin 1 veya biraz daha büyük olmalıdır. Çimento
yapımında kalkerin yakılması ile oluşan CaO, silis ve alüminyumla tam olarak birleşmesi
ve ortamda kireç kalmaması istenir.
ÇİMENTODA İZİN VERİLEN DEĞERLER
152
TS EN 197-1 e göre
Klorür muhtevası % 0,1 den
SO3 miktarı % 3,5 veya %4 den
Çözünmeyen kalıntı miktarı % 5 den
Kızdırma kaybı % 5 den (içeriğindeki organik bileşikler, karbondioksit ve su)
MgO muhtevası kütlece %5 den
fazla olmamalıdır.
TS EN 197-1 Standardı genel çimento sınıflarının bileşimini, özelliklerini ve uygunluk kriterlerini içeren tanımlayıcı bir standarttır. 2012 yılının Şubat ayında revize edilmiştir
KAYNAKLAR
153
• Beton; Turhan Y. Erdoğan; ODTÜ Yayınları
• Çimento ve Beton; Prof. Dr. Hayri Yalçın, Prof. Dr. Metin Gürü; Palme Yayıncılık
• Yapı Malzemesi; Doç. Dr. Osman Şimşek; Seçkin Yayınları
• Kimyasal Proses Endüstrileri; R. Norris Shreve, Joseph A. Brink; İnkılap Yayınevi
• Yapı Malzemeleri Ders Notları; Doç. Dr. Halit Yazıcı; Dokuz Eylül Üniversitesi
• Yapı Malzemeleri Ders Notları; Doç. Dr. Kamile Tosun Felekoğlu
• Malzeme Bilgisi; Prof. Dr. Bülent Baradan; Dokuz Eylül Üniversitesi
• Malzeme Bilgisi; Prof. Dr. İlker Bekir Topçu; Eskişehir Osmangazi Üniversitesi