Yapı Malzemeleri Portland Çimentosu

Transkript

1 Yapı Malzemeleri Portland Çimentosu Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc.

2 TS EN Çimentonun Tanımı Çimento su ile karıştırıldığında hidratasyon reaksiyonları ve prosesler nedeniyle priz alan ve sertleşen bir hamur (pasta) oluşturan ve sertleşme sonrası suyun altında bile dayanımını ve kararlılığını koruyan, inorganik ve ince öğütülmüş hidrolik bağlayıcıdır. 2

3 Portland Çimentosu İngiltere nin güneyinde bulunan Portland adasındaki kireçtaşı & tebeşir kayalıklarından adını alan PÇ ilk defa 1800 lü yılların başlarında üretilmiştir. Portland Çimento sunun patenti Joseph Aspdin tarafından 1824 yılında alınmıştır. Adapted from Fig. 1.2, Lea's Chemistry of Cement and Concrete by Peter Hewlett ISBN: British Patent 5022 (21 October 1824) granted to Joseph Aspdin Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 3

4 Portland Çimentosu Çok çeşitli çimento tipleri vardır, fakat PÇ çok yaygın olduğundan yapılarda kullanılan çimentonun PÇ olduğu varsayılır. O devirlerde Portland taşı yüksek dayanım ve dayanıklılığı ile ünlüydü ve bu nedenle bu isimle adlandırılmıştır. 4

5 Çimento hamuru (pastası) = çimento + su Yapıştırıcı (veya bağlayıcı); beton yapmak için agregayı birarada tutarak bağlar Harç = çimento hamuru + kum Beton = çimento + su + kum + iri agrega: Portland çimentosu (hacimce % 7,5 %15) Su Agrega (hacimce % 60 - % 75) Hava boşluğu (hacimce % 1- % 15) Bazen katkılar Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 5

6 6.1 Çimento Üretimi 1. Ham maddenin kırılması ve öğütülmesi Kalsiyum oksit (kalkerli (kireçli) malzeme) kireçtaşı, tebeşir, veya istiridye kabukları Silis & Aluminyum oksit (killi malzeme) kil, şist, yüksek fırın cürufu o C lik fırında ısıtıp eritilerek klinker oluşturulur Klinker: kireçtaşı+kil+demir cevheri içerir ceviz büyüklüğündedir (C, Si, Al, Fe, N, K.) Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 6

7 6.1 Çimento Üretimi 3. Klinkere alçı eklenir (priz süresini geciktirir) ve ince toz haline getirmek için öğütülür 15 x tanecik / kg Küçük tanecikler hidratasyon için önemli olan daha büyük yüzey alanına sahiptir Alçı klinkere priz süresini dengelemek için ilave edilir. Ağırlıkça klinkerin % 3 üdür. Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 7

8 Virtual cement plant tour: Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 8

9 Kuru üretim veya yaş üretim? -Yaş üretimde daha homojen bir karışım elde edilir. Bununla birlikte, yakıt tüketimi daha fazladır. -Yaş üretimde, karışımın öğütülmesi ve homojenleştirilmesi %30-%40 oranlarında su içeren bulamaç haline getirilerek gerçekleştirilir. -Modern çimento fabrikaları, daha fazla enerji tasarrufu sağlayan kuru üretim metodunu yaş metoda göre daha çok tercih ederler. Çünkü, bulamaç için kullanılan suyun klinker işlemlerinden önce buharlaştırılması gerekmektedir. 9

10

11 11

12

13 6.2 PÇ nun Kimyasal Kompozisyonu Kalsinasyon (yakma) işlemi bileşenlerin moleküler yapısını değiştirir. Ana bileşenler: İkincil bileşenler: az oranlarda bulunur fakat kuvvetli etkileri Trikalsiyum silikat vardır: (C 3 S=3CaO.SiO 2 ) magnezyum oksit Dikalsiyum silikat titanyum oksit manganez oksit (C 2 S=2CaO.SiO 2 ) sodyum oksit potasyum oksit Trikalsiyum aluminat (C 3 A=3CaOAl 2 O 3 ) Tetrakalsiyum alumino ferrit (C 4 AF=4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 ) Alkaliler (Na 2 O, K 2 O) silis ile reaksyona girerek betonun genleşmesine ve ayrışmasına neden olurlar Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 13

14 Oksitler ve Klinker Bileşenleri İçin Kısaltmalar CaO: C SiO 2 :S Al 2 O 3 :A Fe 2 O 3 :F MgO:M SO 3 : S H 2 O:H C 4 ASH 12 Ca 4 Al 2 (OH) 12.SO 4.6H 2 O (Monosülfat:AFm) C 6 AS 3 H 32 Ca 6 Al 2 (OH) 12.(SO 4 ) 3.26H 2 O (Etrenjit:AFt) 14

15 Portland Çimentosunun Bileşeni Selit (C 3 A) Belit (C 2 S) Su-çimento hamurunun uzun dönem dayanımına katkı sağlar Alit (C 3 S) Priz başlangıcını hızlandırır (PÇ-su hamurunda genellikle 2 ila 6 saat arasında olur) ve nerdeyse 7 güne kadar olan erken dayanıma katkı sağlar Bileşen Tipik oranları ağırlıkça (%) C 3 S C 2 S C 3 A 6-12 C 4 AF

16 Portland Çimentosunun Kimyasal Analizinden Elde Edilen Veriler Ana bileşenler belirlenebilir CaO: % SiO 2 : % Al 2 O 3 : % 3-8 Fe 2 O 3 : % MgO: % Na 2 O+K 2 O: % SO 3 : %

17 MgO ve SO 3 : Serbest kireçle hacim artışına neden olur ve bu durum çatlakları artırır Na 2 O ve K 2 O: Bu alkali oksitler aktif silis ile reaksiyona girer (agregalar aktif silis içerebilir) ve bir jel oluştururlar. Bu jelin hacmi şiştiğinde yavaşça ama büyük oranlarda artar. Böylece, betonda yoğun bir çatlak yapısı gözlenebilir. Çözünmeyen kalıntı: HCl de çimentonun çözünmeyen kısımlarını bulmada kullanılır. Bu sonuç bize döner fırındaki reaksiyonların yeterli olup olmadığını gösterir. Kızdırma kaybı: Uçucu bileşenler (H 2 O, CO 2 ) C de buharlaşır. Çimento havayla temas ettiğinde bozulur ve bu test çimentonun kalitesini belirlemede kullanılır. 17

18 Bogue formülleri Portland Çimentosunun mineralojik bileşenleri Bogue formülleri kullanılarak hesaplanabilir a) 18

19 Bogue formülleri b) 19

20 Alkali-Silika Reaksiyonu Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 20

21 6.3 İncelik Küçük çimento tanecikleri suyla reaksiyona girecek daha fazla yüzey alanına sahiptir İncelik hidratasyon hızını kontrol eder (ısı&dayanım kazanımı) Çok ince pahalıdır ve zararlı olabilir Yüzey alanı dolaylı olarak ölçülür (cm 2 /g) Blaine testi Standart bilinen bir malzemeye göre hava geçirgenliği ölçülür Wagner Turbidimetresi Kerosen de asılı kalan tortu oranı ölçülür ince taneler daha yavaş yerleşir Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 21

22 6.4 Özgül Ağırlık G çimento 3.15 gr/cm 3 Hava boşlukları hesaba katılmadan çimento tanecikleri için ölçülür. Kütlesel birim ağırlık (hacmi bilinen bir kabı doldurmak için gereken ağırlık) çok değişkendir. Bu yüzden, çimento hacim olarak ölçülmemelidir. Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 22

23 6.5 Hidratasyon Çimentonun suyla kimyasal reaksiyonu Sertleşme priz alma veya kuruma ile aynı değildir Kuruma = buharlaşma = suyun uzaklaşması reaksiyonlar durur Mekanizmalar: Çözelti-içinde: hidratasyonun ilk aşamalarında baskındır Topo-kimyasal: çimento yüzeyinde katı haldeki reaksiyon Hidratasyon hızı: aluminatlar > silikatlar dengelenmesi gerekir Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 23

24 C 3 S & C 2 S in hidratasyonu: C-S-H (kalsiyum-silikat-hidrate) üretir hamuru daha sağlam yapar Çimento hamurunun sertleşmesini sağlayan ana kimyasal reaksiyonlardır Başlangıçta hızlıdır fakat uzun zaman alır (barajlarda on yıllar sürer) Isı yayar, eğer çok fazla olursa problem olabilir Çimento hamurunda yapının gelişmesi Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 24

25 Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 25

26 Isı yayılımı Hidratasyon Isısı -Çimentonun hidratasyonu ekzotermik (ısı yayan) bir reaksiyondur Zaman Aşama I : Hızlı Isı Yayılımı (<15 dakika) Aşama II: Uyku Periyodu (taşıma için önemli) (2-4 saat) Aşama III: Hızlanan Aşama (prizin başlamasıyla başlar) (4-8 saat) Aşama IV: Yavaşlayan Aşama (işlenebilirlik kaybolmuştur) (12-24 saat) Aşama V : Kararlı durum

27 6.6 Hidrate Çimentoda Boşluklar a) Hidratasyon ürün katmanları arasındaki boşluklar Atomik katmanlar arasındaki boşluklar Nem <11% olursa rötreye (büzülmeye) neden olur b) Kılcal boşluklar s/ç oranı çok yüksek Dayanımı düşürür ve geçirimliliği artırır c) Hapsedilmiş boşluklar Yerleştirme sırasında oluşan büyük ceplerdir Dayanımı düşürür ve geçirimliliği artırır d) Sürüklenmiş hava Katkılar tatafından oluşturulan mikroskobik hava kabarcıklarıdır Dayanıklılığı artırır Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 27

28 6.7 Hidrate Çimentonun Özellikleri Priz alma Katılaşma: plastik halden katı hale geçme (başlangıç ve bitiş) Dayanım kazanma olan sertleşme ile aynı şey değildir İşleme, yerleştirme & sıkılaştırma priz başlamadan bitirilmelidir Yüzey işlemleri priz başlangıcı ile bitişi arasındaki sürede yapılmalıdır Yalancı priz: birkaç dakika içerisinde olan erken katılaşma Çimentonun saklanması sırasında nem alması Su eklemeden yeniden karıştır Ani priz & şimşek priz farklıdır düzeltilemez Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 28

29 Priz Başlangıcı ve Bitişini Tespit Etmek İçin Testler İğne batırılarak Vicat Gillmore Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 29

30 Kararlılık Priz bittikten sonra hacmini koruyabilme yeteneği 420 o F & 2 MPa basınç altında otoklav testinde prizden sonraki genleşmenin ölçülmesi Otoklav la işlemden geçirmeden önce ve sonra numunenin uzunluğunu ölçmede kullanılan çerçeve Otoklav Örnek kalıpları Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 30

31 ASTM C109 Harçların Basınç Dayanımı Üç adet 2 inch (50 mm) harç küplerin basınç dayanım ortalaması Silindirlerin basınç dayanımları ile orantılıdır Betonun basınç dayanımı, çimento dayanımından kesin bir şekilde belirlenemez Kalıp Numune hazırlama Basınç testi Tipik kırılma Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 31

32 6.8 Su-Çimento Oranı Hidrate çimentonun en önemli özelliğidir Hidratasyon için gerekli su, s/ç = 0,22-0,25 Ekstra su işlenebilirlik için gereklidir fakat boşluklara neden olur Dayanımı düşürür Dayanıklılığı düşürür Katmanlar arasındaki bağı zayıflatır Beton ve donatının bağını düşürür Geçirimliliği artırır Islanma-kuruma çevrimine bağlı hacim değişimini artırır Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 32

33 Basınç dayanımı Basınç dayanımı s/ç oranı w/c Ratio Hava Air Entrained sürüklenmiş Concrete beton s/ç oranı w/c Ratio Non-air Hava sürüklenmemiş Entrained Concrete beton Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 33

34 6.9 PÇ tipleri Standard PÇ tipleri (ASTM C150) I Normal II Orta derecede Sülfat Direnci Tip I/II nin her ikisi de normal & orta derecede sülfata dirençlidir III Yüksek Erken Dayanım Giderek daha ucuz & yaygın olmaktadır Erken kalıp sökmeyi ve üretimi hızlandırmayı sağlar IV Düşük Hidratasyon Isısı Büyük kütle betonlarında hidratasyon ısını kontrol altında tutmak için V Yüksek Sülfat Direnci Diğer çimento tipleri: özel kullanımlar için Mamlouk/Zaniewski, Materials for Civil and Construction Engineers, Third Edition. Copyright 2011 Pearson Education, Inc. 34

35 Tip II & Tip V Sülfata Dirençli Çimentolar

36 Dışarda Sülfat Testi Tip V Çimento s/ç=0,65 Tip V Çimento s/ç=0,39

37 Orta ve Düşük Isılı Çimentolar

38 Tip III Erken Dayanımı Yüksek Çimentolar

39 Beyaz Portland Çimentosu

40 TS EN : Çimento - Bölüm 1: Genel çimentolar - Bileşim, özellikler ve uygunluk kriterleri Çimento Tipi Klinker K Yüksek Fırın Cürufu S Silis Dumanı D Doğal Puzolan P Endüstriye l Puzolan Q Silisli Uçucu Kül V Kalkersi Uçucu Kül W CEM I Portland Çimento CEM I CEM II CEM III CEM IV CEM V Adı Portland Cüruflu Çimento Portland Silis Dumanlı Çimento Portland Puzolanlı Çimento Portland Uçucu Küllü Çimento Portland Pişmiş Siştli Çimento Portland Kalkerli Çimento Portland Kompoze Çimento Yüksek Fırın Cüruflu Çimento Puzolanik Çimento Kompoze Çimento Notasyon Ana Bileşenler (Kütlece % olarak) Pişmiş Şist T Kalker (Kireç Taşı) L Kalker (Kireç Taşı) LL Minör İlave Bileşenle r CEM II/A-S CEM II/B-S CEM II/A-D CEM II/A-P CEM II/B-P CEM II/A-Q CEM II/B-Q CEM II/A-V CEM II/B-V CEM II/A-W CEM II/B-W CEM II/A-T CEM II/B-T CEM II/A-L CEM II/B-L CEM II/A-LL CEM II/B-LL CEM II/A-M CEM II/B-M CEM III/A CEM III/B CEM III/C CEM IV/A CEM IV/B CEM V/A CEM V/B

41 41

42 Çimento tipi Katkı miktarı Kullanılan katkı Dayanım sınıfı Dayanım hızı S: Granüle Yüksek Fırın Cürufu P: Doğal puzolan (tras) Q:Doğal kalsine edilmiş puzolan V: Silissi uçucu kül W: Kalkersi uçucu kül T: Pişmiş şist L: Kalker (kireçtaşı) D: Silis dumanı A: Düşük katkı B: Yüksek katkı C: Çok yüksek katkı Dayanım sınıfları: R 32,5; Yüksek 42,5; erken 52,5 mukavemet R: Yüksek özelliğini Erken gösterir Dayanım (hızlı) N Yüksek erken mukavemet N: Normal özelliği Erken olmadığını Dayanım gösterir (normal)