2/19/2019. Ham karışımı çimento klinkerine dönüştüren tipik pişirme işlemi:

Transkript

1 ÇİMENTO: GİRİŞ Bugünkü anlamda ilk çimento üretimi 1824 yılında Joseph Aspdinadında bir duvarcı ustası tarafından ince taneli kil ve kalker karışımının pişirilmesi ve öğütülmesi ile gerçekleştirilmiştir. 1835'de C. Johnson ise pişirme sıcaklığını yükselterek ve öğütmeye daha çok önem vererek günümüz Portland çimentosunun mucidi olmuştur. Çimento üretimi ancak, sırasıyla Fransa'da 1848, Almanya'da 1852, Belçika'da 1855, ABD'de 1871 yıllarında başlamıştır. F. Ransome'nin1885 yılında ilk döner fırını bulması çimento üretimine büyük bir kolaylık getirmiştir. Türkiye'de ilk çimento fabrikası 1914 de Darıca ve Eskişehir de kurulmuş, bunu 1933'te Zeytinburnu ve Kartal fabrikaları izlemiştir. ÇİMENTO Belli oranlarda karıştırılan kil (msi0 2.nAI pH 2 0), Fe 2 O 3 (demir oksit) ve kalker (CaC0 3, kalsiyum karbonat) karışımının yüksek sıcaklık derecelerinde ( o C) kilnadı verilen döner fırınlarda pişirilmesi sonucu elde edilen, havada ve suda katılaşma özelliği gösteren gri veya beyaz renkli, inorganik esaslı bir bağlayıcı malzemedir. Kil ve kalkerin belirli oranlarda birbiriyle karıştırılarak pişirilmesi sonucu kalkerdeki kireç, kildeki silis, alümin ve demir oksit ile birleşerek klinker adı verilen ara ürün elde edilmektedir. Klinker yaklaşık olarak 1-25 mm çapında pürüzlü ve gözenekli yüzeye sahip, sert ve yuvarlak şekildedir, karakteristik olarak, parlak ve yeşilimsi-koyu gri (veya gri-siyah) renktedir. 1 2 Fırından çıkan klinker soğutulduktan sonra priz hızını ayarlamak için %3-6 oranında alçıtaşı (CaSO 4.2H 2 O) katkı maddesi ilave edilerek çimento değirmenlerinde çok ince öğütülmesi sonucu toz halinde temel yapı malzemesi olan portlandçimentosu elde edilir. Çimentolar, hidrolik bağlayıcı maddeler olup, su ile karıştırılıp hamur haline getirildikten sonra gerek havada gerekse su içinde yavaş sertleşerek suni taş haline dönüşür. 3 ÜRETİM YÖNTEMİ: Karışımın hazırlanması: Kil ve kalkerin belirli oranlarda (yaklaşık %70 kalker+%30 kil) homojen bir karışımını elde etmek amacıyla yaş ve kuru olmak üzere iki yöntem kullanılır. a) Yaş yöntem: Önce kil büyük havuzlara gönderilerek burada malzemenin su içinde dağılması sağlanır. Sonra granül (taneli) halde bulunan kalkerle birlikte ıslak olarak değirmende öğütülür ve buradan tekrar havuzlara gönderilir. Bu havuzlarda büyük kanatların döndürülmesi ile karışım homojen hale getirilir. Yapılan analizlerle istenilen bileşim bulununca, karışım fırına gönderilmek üzere sulu bir kıvamda depolanır. b) Kuru yöntem: Kalker ve kil önce ayrı ayrı kaba bir şekilde öğütülerek belirlenen miktarlarda birbirine karıştırılır. Öğütme işlemi, hammaddelerin uygun oranlarda karışımını daha hassas yapabilmek, hem de bunların fırında daha iyi ve üniform pişirilmelerini sağlamak için yapılır. 4 1

2 Karıştırma işleminde basınçlı hava kullanılarak homojen bir karışım elde edilir. Ancak bu yöntemde karışımın içinde %10-12 su bulunur. İlkel malzemelerin yumuşak olması halinde yaş yöntem, sert olması halinde kuru yöntem önerilir. Yaş sistemde karışımın içinde önemli oranda (~%35) su içerdiğinden, fırındaki pişirme işlemi için daha fazla enerji gerekir ve kuru yönteme kıyasla yaklaşık iki kat yakıt harcanır. Yaş sistemin önemli bir avantajı toz kontrolünün daha kolay olması nedeni ile ekolojik yönden sağladığı faydadır. Ancak yakıt maliyetleri işletme masraflarının %30-40 ını teşkil ettiğinden günümüzde daha çok kuru yöntem kullanılmaktadır. 5 6 İlkel (Ham) Karışımın pişirilmesi (kalsinasyon): Çimento üretiminde hammaddelerin döner fırına girmeden önceki öğütülmüş ince haline Fransızca daun anlamına gelen farine(farin) denilmektedir. Gerek yaş, gerekse kuru yöntemle hazırlanan farinadı verilen bu karışımlar döner fırınlara gönderilerek pişirilir. Kuru yönteme göre hazırlanan karışımlar için m uzunluğunda, yaş yöntemde ise m uzunlukta fırınlar kullanılır. %3-7 arasında eğime sahip bu fırınların iç çapları, 2-4 m arasında değişir ve içi ateş tuğlası kaplıdır. Genellikle yaş sistemdeki döner fırınlarda boy/çap oranı yaklaşık 30 civarında iken, kuru sistemde ise bu oran yaklaşık 15 dir. Homojen hale getirilmiş ilkel malzeme eğim dolayısıyla kendi ekseni etrafında dönen ( devir/saat) fırında aşağı doğru hareket ederek gittikçe daha yüksek sıcaklığın etkisinde kalır. Fırına girecek hammadde karışımı, fırının üst ucundan konmaktadır. Fırındaki sıcaklık fırının alt ucundan püskürtülen yakıtla sağlanır. Yakıt olarak fuel-oilve doğalgaz kullanılabilmekle beraber, son yıllarda ekonomik nedenlerle daha çok toz kömürden yararlanılmaktadır. Döner fırında ateşleme bölgesini geçerek daha alt bölgeye ulaşan malzeme biraz soğumakta ve fırının alt ucundan klinker olarak (oldukça yüksek sıcaklıkta) dışarı çıkmaktadır. Fırın çıkışında soğutulan klinker bir kırıcıdan/öğütücüden geçirilerek depolanır. Yüksek sıcaklık altında daha önce ilkel malzemenin ayrışması sonucu oluşan; kireç, silis, alümin, demir oksit aralarında birleşerek, çimentonun kimyasal bileşimleri olan silikatları ve aluminatları meydana getirir

3 Ham karışımı çimento klinkerine dönüştüren tipik pişirme işlemi: Portlandçimentosunda kil ve kalkerin pişirilmesi sırasında meydana gelen kimyasal değişimler : o C : Nem kaybolur o C : Kilin kristal suyu bünyeden ayrılır. SiO 2, Al 2 O 3 ve Fe 2 O 3 açığa çıkar o C : Kalker ısı ile ayrışır, CaOve CO 2 açığa çıkar. 900 o C : SiO 2.CaO, Al 2 O 3.CaO ve Fe 2 O 3.CaO meydana gelir o C : 2CaO.SiO 2 (C 2 S) oluşur ve ilk erime başlar o C : 3CaO.Al 2 O 3 (C 3 A) ve 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 (C 4 AF) bileşikleri meydana gelir. Kristal sistem oluşur o C : 3CaO.SiO 2 (C 3 S) meydana gelir o C : Soğuma sonucu klinker oluşur Klinkerin Öğütülmesi: Soğutucudan çıkan klinker, boyutları 1-3 cm arasında değişen, pürüzlü, gözenekli bir yüzeye sahip, sert, yuvarlak, koyu gri tanelerden oluşur. Klinker taneli haliyle su ile herhangi bir reaksiyon yapmaz ve bu maddenin bağlayıcılık özelliği yoktur. Klinker ancak ince bir şekilde öğütüldükten sonra bağlayıcı özelliği kazanır. Klinkere çimentonun priz süresini düzenlemek için az oranda (%3-6) alçıtaşı eklenir. Alçı taşı olmaması halinde çimento çok hızlı sertleşeceğinden betonu rahatça yerine yerleştirme olanağı kalmaz. Katkılı Portlandçimentosu üretiminde ise; puzolanolarak kullanılan hammadde bu aşamada klinkere katılır. Klinker ve diğer katkılar çelik bilyalıöğütücülerde boyutları 90 mikron ile 6.5 mikron arasında değişen tanelere dönüştürülerek çimento elde edilir. Öğütülen çimento silolara gönderilerek gerekli süre bekletilip soğuması sağlanır. 11 Portland çimentosunu oluşturan oksitler (ana bileşen) ve miktarları 12 3

4 Çimentonun dayanım kazanabilmesi için reaktif kalsiyum oksit (CaO) ve reaktif silisyum oksit (SiO 2 ) oranları toplamı kütlece en az %50 ve CaO/ SiO olmalıdır. Çimento içindeki magnezyum oksit (MgO) oranı %0.1-%4 arasında olması gerekir. Eğer magnezyum oksit (MgO) oranı %5' den fazla olursa taze veya sertleşmiş betonda aşırı genleşme meydana getirebilmektedir. Bu nedenle MgO < %5 olmalıdır. Çimentolarda mevcut olabilen Na 2 O, K 2 O gibi alkali oksitlerinin agregada bulunabilecek aktif silis (opal vb.) gibi minerallerle birleşerek (alkali-agrega reaksiyonu) şişme ve genişleme eğiliminde olan bir silikat jeli oluşturarak betonda hasar oluşumuna neden olabilmektedir. Çimento alkalitesi, portlandçimentosu içinde bulunan sodyum oksit ile potasyum oksidin eşdeğer toplamına (Na 2 O+O,658K 2 O) göre değişmektedir. Bu alkaliler, (Na 2 O + 0,658K 2 O) çimento içinde en fazla %0.6 olmalıdır. Eğer Na 2 O + 0,658K 2 O çimento içinde %0.6'dan az ise düşük alkaliliçimento olarak tanımlanır. 13 Çimentonun karma bileşenleri (karma oksitler): Kilin ve kalkerin ayrışmasıyla oluşan oksitler asit ve bazik durumlarına göre birbiriyle birleşerek Portlandçimentosunun ana bileşenlerini oluştururlar. Bunlar dışında birleşmemiş CaO, SiO 2, MgO, Na 2 O, K 2 O gibi maddeler çok az miktarda saf olarak klinker içinde kalırlar. Portlandçimentosu klinkerinin öğütüldükten sonra dayanım kazanabilmesi için C 3 S +C 2 S %66.7 olması istenir. 14 Çimentonun karma bileşenleri (karma oksitler): Çimento karma oksitlerinin etkileri: Çimentoyu meydana getiren oksitlerin döner fırında yüksek sıcaklık altında birbiriyle kimyasal reaksiyonları sonucu çimento karma oksitleri oluşur. Çimentoya bağlayıcılık ve dayanım özelliği kazandıran bu karma oksitlerin en önemlileri: a) Kalsiyum silikatlar: Silisin kireçle kimyasal reaksiyonu ile oluşur. Çimentonun esas kimyasal yapısını oluştururlar ve dayanım sağlayan öğelerdir. 1) C 3 S (%25-%60-Alite): En önemli özelliği hızlı reaksiyona girmesi, priz alması, dayanım kazandırması ve yüksek ısı açığa çıkarmasıdır. 15 C-S-H jeli + Sönmüş kireç (portlandit) (Kalsiyum silikat hidrate) 16 4

5 Reaksiyon ısısının fazla oluşu da soğuma sırasında kütlenin büzülürken çatlamasına yol açar. Böyle bir beton, suyu geçireceğinden su yapılarında uygun değildir. Bu durum C 3 S miktarı yüksek çimentolarda meydana gelmektedir. C 3 S in reaksiyonu ile çıkan Ca(OH) 2 ürünü C 2 S e göre üç kat daha fazladır. Ca(OH) 2 su içinde çözündüğü için iç yapıda boşluk oluşturur. Bu durumda su ve zararlı kimyasallar, beton içine kolaylıkla girer ve hasara yol açar. Betonun dayanımı azalır. Bu nedenle C 3 S miktarı fazla çimentoları su yapılarında kullanmak uygun değildir. 2) C 2 S (%15-%40-Belite): En önemli özelliği yavaş reaksiyona girmesi, düşük hidratasyonısısı açığa çıkarması ve sürekli dayanım kazandırmasıdır. Kimyasal etkilere dayanıklılığı artırır. C-S-H jeli + Sönmüş kireç (portlandit) (Kalsiyum silikat hidrate) 17 b) Kalsiyum alüminatlar: Alüminin, kireçle kimyasal reaksiyonu ile oluşur. 1) C 3 A (%2-%15): Prize ilk başlayan ve hızla priz yapıp yüksek hidratasyonısısı açığa çıkarır. Başlangıç sertleşmesinin ve dayanım artışının oldukça hızlı olmasını sağlar. C 3 A sertleştikten sonra oldukça zayıf dayanımlı bir hidrat oluşur. C 3 A nın hızlı prizi kontrol altına alınmazsa, çimento tümüyle katılaşır ve silikatların oluşmasına olanak kalmaz. Priz hızı üretim aşamasında klinkere katılan alçı taşı ile yavaşlatır. Uygun miktarda alçı taşı kullanıldığında, aluminatların yüzeyinde ince iğneler şeklinde etrenjit(candlottuzu) kristalleri meydana gelir. Bu kristaller o kadar incedir ki hidratasyonunilk zamanlarında bunlar rijitbir yapı meydana getirmediğinden 18 dolayı priz olayı gerçekleşmez. C 3 A'nın ile başlayan reaksiyonlar ettrenjitoluşumu ile durur. Ancak silikatlar oluşmaya başlaması ile priz başlar, bu da çimentonun dayanımlı karma oksitlerin oluşumu demektir. Etrenjitkristalleri içerdiği yüksek miktardaki (32 molekül) hidrat suyu nedeniyle büyük bir hacim (%227 hacim artışı) kaplar. Taze betonda ortam sıvı (plastik) halde olduğundan bu durum sakıncalı değildir. Çimento hamurunun elektron mikroskobu görüntüsü 19 C 3 A'nın sülfatlarla oluşturduğu reaksiyon sertleşmiş çimentoda/betonda da meydana gelebilir. Bu durumda C 3 A nın çevresel ortamdan gelen CaSO 4 ile reaksiyonu sonucu Candlot tuzu oluşur. Bu reaksiyon sonucu oluşan genleşen tuz sertleşmiş betona hasar verir. Bu nedenle C 3 A içeriği yüksek çimentoların sülfatlı sularla temas halinde olan yerlerde kullanılması sakıncalıdır. Deniz suyu da içerdiği MgSO 4 nedeniyle zararlı bir su olmaktadır. MgSO 4, CaSO 4 'den daha da zararlı etki göstermektedir. Bunun sonucunda esas dayanım kazandıran kimyasal yapıyı oluşturan kalsiyum silikatlar da çözülürler. C 3 A nın çimentoya sağladığı olumlu bir etki klor (Cl) iyonlarını bağlama yeteneğine sahip olması nedeniyle betonarme yapılarda donatıyı kloritkorozyonuna karşı korumasıdır. 2) C 4 AF: Hidratasyonu, su ile reaksiyon hızı daha düşük olmakla birlikte C 3 A nın hidratasyonu gibidir. Reaksiyon ürünleri çok büyük miktarda genleşmeye yol açmazlar. Çimentoya gri rengi verir ve reaksiyon hızı düşük olduğu için sertleşmeyi yavaşlatır. 20 5

6 Çimento karma oksitlerinin bazı özellikleri: Portlandçimentosu karma oksitlerinin zamanla dayanım artışı: ÇİMENTO ÖZELLİKLERİ VE ETKİLERİ: Çimento kullanıldığı yapı türü ve bölge iklimine göre farklı özelliklerde olması gerekir. Normal bir yapı için uygun olan çimento türü bir deniz yapısı için uygun olmayabilir. 1) Çimentonun İnceliği: Klinker ve alçıtaşı ne kadar ince taneli olarak öğütülürse, elde edilen çimento tanelerinin yüzeylerinin toplamı o kadar artmaktadır. Böyle bir durumda, su ile temas eden tanelerin yüzeyi daha fazla olmakta, kimyasal reaksiyonlar daha hızlı ve daha iyi gelişebilmekte ve daha yüksek dayanımlar elde edilmektedir. 10 mikrondan küçük olan tanelerin varlığı çimento hamurunun plastik ve geçirimsiz olmasını da sağlar. Çimento taneleri ne kadar ince olursa o kadar çok su ihtiyacı olmaktadır. Ayrıca taneler inceldikçe daha büyük ısı açığa çıkmaktadır. 23 Çimentolarda tane boyutları genel olarak mikron arasında bulunur. Çoğunluğu 30 mikron civarındadır. Hidratasyonolayının gelişebilmesi ve bağlayıcılık özelliğinin artması için çimentolarda boyutları 90 mikrondan büyük tanelerin oranının % 14'ü geçmemesi istenir. Çimentoda incelik, zaman ve dayanım ilişkisi; 24 6

7 İnceliğin etkileri; Çimento tanelerinin aktifliği ve hidratasyonsonucudaha yüksek dayanımlar verebilmesi ince öğütülmelerine bağlıdır. Çimento ne kadar ince olursa özgül yüzey alanları toplamı artacağından o kadar çok su ihtiyacı olacaktır. Taneler inceldikçe reaksiyon hızı arttığı için daha büyük hidratasyon ısısı açığa çıkar. İnceliğin artması üretim masraflarını artırır. İncelik artıkça erken (1-2 gün) ve nihai yaştaki (28. gün) çimento dayanımı artar. İncelik artıkça taze betonda su kusma (terleme) olayı azalır. Fakat rötreninve sertleşme sonrası çatlamaların artmasına neden olur. İncelik arttıkça reaksiyon hızının artması nedeniyle priz süresi azalacağından bunu önlemek için üretim aşamasında kullanılan alçı taşı miktarının artırılması gerekir. 25 İnceliğin belirlenmesi: İncelik deneysel olarak iki yöntemle belirlenebilmektedir. a) Mekanik eleme yöntemiyle: 45 ve 90 mikron elek üstünde kalan malzeme oranlarına göre belirlenmektedir. b) Özgül yüzey alanı yöntemi: Özgül yüzey alanı, 1 gr toz çimentoda bulunan tanelerin toplam yüzey alanı ile belirlenir. Birimi cm 2 /gr dır. İnceliğin özgül yüzey alanına göre belirleyebilmek için en çok kullanılan yöntem, Blainealeti denilen bir cihaz yardımıyla belirlenen Blaindeney yöntemidir. Blaindeneyi, standart koşullarda sıkıştırılmış belirli kalınlıktaki çimento tabakasından havanın geçme zamanını ölçme esasına dayanır. Portlandçimentosunda Blaineözgül yüzey alanı (incelik) değerinin 2800 cm 2 /g'dan az olmaması istenmektedir. Türkiye'de üretilen çimentoların inceliği cm 2 /g 26 arasındadır. 2) Çimentonun Hidratasyonu: Çimento karma oksitlerinin hidratasyonusonucu, Kalsiyum silikat hidrate(c-s-h jeli), Serbest kireç (Ca(OH) 2 ), Etrenjit kristalleri ve diğer (monosülfat) hidrateürünleri meydana gelmektedir. a) C-S-H bileşimleri (kristali, jeli):iç yapı olarak genellikle lif ve ince levha veya yaprak halinde olmak üzere iki değişik şekle sahiptir. Bu bileşimler fazla boşluk içerdiğinden bünyesine fazla su alırlar. Yapısındaki suyu kaybetmeleri halinde dayanımlarında azalma olurken su tekrar iç yapıya girdiğinde dayanımı yeniden kazanırlar. C-S-H kristallerinin dağılımında bir düzen yoktur. Bir dantel veya dokuma parçası gibi iç içe büyümüş tarzda oluşmaktadır. C-S-H kristallerinin yüzeylerinde adsorbesu yer almaktadır. Ayrıca jel yapısındaki iç tabakalar arasında çok küçük jel boşlukları bulunmaktadır. 27 Kalsiyum silikat hidratların (C-S-H) iç yapısı: (C-S-H jel tabakaları) CSH jeli C-S-H jelinin elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri 28 7

8 C-S-H jeli/kristali moleküler büyüklükte olup çimento taneciklerinden yaklaşık 1000 kat daha küçüktür. C-S-H kristalleri büyüyerek birbiri içine girerek ve birbirine kimyasal olarak bağlanarak çimento hamurunun zamanla dayanım kazanmasına neden olmaktadır. C-S-H jeli: Çimento hamurunun %70 ini oluşturur. Dayanımı sağlar. Agrega ile aderansı sonucu beton matrisini oluşturur. Çimento hidratasyon sinetiğinin şematik gösterimi: A) Su ile karıştırdıktan hemen sonra B) Hidratasyon başlangıcı C) Priz başlangıcı D) Sertleşme ve dayanım kazanma sonrası Çimento tanesindeki hidratasyon sürecinin şematik gösterimi Çimento tanesinin hidratasyonu: Hidratasyonolayının üç önemli özelliği: a) Çimentonun klinker halinde, yani öğütülmemiş iken su ile reaksiyon yapmamasıdır. b) Çimentodaki karma oksitlerin su ile yaptıkları kimyasal reaksiyonlar kısa zamanda sona eren bir reaksiyon değildir. Zaman içinde gelişmekte olan bu olaya hidratasyonsinetiğidenilmektedir. Hidratasyonsinetiğininhızlanması dayanım artışının hızlanmasına yol açar. c) Hidratasyonekzotermik bir olaydır. Isı çıkışı hidratasyonunbaşında fazla olup zamanla, ısı artış hızı azalarak devam eder

9 b) Serbest (sönmüş) kireç (portlandit-ca(oh) 2 -CH): Çimentonun mekanik dayanımına etkisi olmayan ancak dayanıklılığını (durabilitesini) etkileyen en önemli hidratasyon ürünüdür. Su etkisi ile çözünen zayıf yapısı ve agrega ile aderansızayıflatıcı etkisi nedeniyle fazlası istenmeyen bir üründür. Hidrateolan ürünlerin yaklaşık %20 sini oluşturur. CH düzgün altıgen şeklinde tabakalı bir yapıdadır. C-S-H bileşimine oranla oldukça büyük boyuttadır. Serbest kireç (CH) genelde boşluklarda ve çimento hamuru-agrega ara yüzeylerinde birikir. Çimentonun boşluklu yapısının çoğunluğunu oluşturur. Boşluk oluşumunu azaltmanın yollarından biri çimento ile birlikte mineral katkıların kullanılmasıdır. 33 9