A. G. Çelik Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü, BOREN, Ankara. A. M. Kılıç Çukurova Üniversitesi, Maden Mühendisliği Bölümü, Adana

Transkript

1 Ankara (İmrahor) Killerinin Karakteristik Özellikleri ve Yapı Malzemesi Olarak Kullanılabilirliği Characteristic Properties of Ankara (İmrahor) Clays and Its Use as a Construction Material A. G. Çelik Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü, BOREN, Ankara A. M. Kılıç Çukurova Üniversitesi, Maden Mühendisliği Bölümü, Adana ÖZET Killer, sulu alüminyum silikat olup, bu sınıflama içerisindeki tüm mineraller için partikül boyu 1/256 mm veya 4 mikron olarak verilmektedir. Kil terimi hem hidrotermal faaliyetin sebep olduğu bozuşma ürünleri için hem de sedimantasyon yoluyla çökelmiş taneler için geçerli bir kavram olarak sayılmakta olup, bu tür küçük parçacıkları oluşturan minerallere göre sınıflamalar yapılmıştır. Bu sınıflamalar; kilin yapı malzemesi olarak kullanım alanlarının (tuğla, fayans-seramik, sıhhi tesisat, porselen, elektro porselen, karo vd) belirlenmesinde rol almaktadır. Bu çalışmada Ankara (İmrahor) killerinin yapı malzemesi olarak kullanılabilirliğini belirlemek amacıyla mineralojik, petrografik, fiziksel ve kimyasal (XRD, XRF, DTA ve SEM) özellikler belirlenerek sonuçlar değerlendirilmiştir. ABSTRACT The clays, being hydrated aluminium silicate, have particle size of 1/256 mm or 4 microns for all the minerals in this classification. The term clay is used for the decomposed products caused by hydrothermal activity and also for the particles precipitated by sedimentation. The classification is done according to the minerals composed of fine particles. These classifications play a role during the determination of the use (brick, glazed tileceramics, sanitary installations, porcelain, electro porcelain, floor tile etc.) of clay as a construction material. In this study, considering the results of the mineralogical, petrographic, physical and chemical (XRD, XRF, DTA and SEM) properties of Ankara (İmrahor) clays, an evaluation was done to determine the use of it as a construction material. 1 GİRİŞ Kil terimi 2 mm'den daha küçük taneli malzemeler için kullanılmaktadır. Kilin içerisinde en çok kalker, silis, mika, demir oksit olup sarımtırak, kırmızımtırak, esmer gibi renklerde bulunur. Bu özelliğini bileşiminde bulunan yanıcı maddeler verir. Yapısı itibarıyla su çekme özelliği vardır. Kili meydana getiren maddeler sulu alüminyum silikatlardır. Son yıllarda yapılan çalışmalarda kil boyutunun 2 mikrona kadar indiği savunulmaktadır (Grim, 1953; Odin, 1972;Tanışan, 1985). Kil terimi jenezi belirtmez. Terim hem hidrotermal faaliyetin sebep olduğu bozuşma ürünleri için, hem de sedimantasyon yoluyla çökelmiş taneler için geçerli bir kavram olup, bu tür küçük parçacıkları oluşturan minerallere göre kimyasal sınıflamalar yapılmıştır. Çizelge 1 de çeşitli kil minerallerinin kimyasal bileşimleri verilmiştir (Vitra, 2008). Kil mineralleri kimyasal bileşimi ve oluşumuna göre kaolinit, halloysit, illit, klorit, simektit ve atapuljit grubunda yer alır. Önceleri montmorillonit gurubu olarak adlandırılan kil mineralleri simektit olarak adlandırılmaktadır. Simektit mineralleri, iki silika tetrahedra tabakası ile bir Al oktahedra tabakalarından oluşmaktadır.

2 Önemli simektit gurubu mineraller, montmorillonit, baydellit, nontronit, hektorit, saponit ve savkonit dir. Bu guruptaki minerallerin yoğunluğu 2-3 gr/cm 3 ve sertlikleri 1-2 arasındadır (Ogle, 2003). Killer içine karıştırılan su miktarına göre farklı özellik gösterir. Bunlar plastiklik, akıcılık, kolloid ve tiksotropik özelliklerdir. Farklı tipteki bu özellikler, endüstriyel ve mühendislik açısından kil mineralinin kullanımını etkiler (Weaver, 1959). Dünyada seramik, porselen ve özellikle süzülmüş kil üreticisi şirketlerin ürün standartlarının bir ortalaması olarak, fikir vermesi açısından ürün standartları tablosu oluşturulmuştur. Ancak, önemli olan fiziksel özelliklerine göre kil ile birlikte kullanılan hammaddelerin uygun kompozisyonunun sağlanması olmalıdır. Bu nedenle kağıt üstündeki analiz değerlerinden ziyade kullanıcı şirketlerin reçetelerinin fiziksel özellikler bakımından uygunluğu daha önemlidir (Vitra, 2008). Tek pişirime geçildiği bu dönemde kil minerallerinin döküm özelliği, yüzdürme özelliği, ham ve kuru mukavemeti, pişme rengi gibi özellikler her zaman kimyasal özelliklerden daha büyük önem kazanmaktadır. Çizelge 2 de killerin fiziksel özellikleri verilmiştir. Çizelge 1. Çeşitli kil minerallerinin kimyasal bileşimi (Vitra, 2008) Kil SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MgO CaO K 2 O Na 2 O TiO 2 H 2 O Toplam Kaolinit ,92 Nakrit Dikit Halloysit , Anauxit Nontronit Klorit Proklorit Sepiyolit Atapulgit Çizelge 2. Killerin fiziksel özellikleri (Vitra, 2008) Özellik Kaba İnce Karo Seramik Seramik kil Bağlayıcı Al 2 O Fe 2 O Pişme Rengi (1300ºC) Krem Beyaz Kırmızı Beyaz Pişme Küçülmesi %12'den az Kuruma Küçülmesi Kuru Direnç Plastisite Suyu Deformasyon sıcaklığı En az 1500 Ateş Zaiyatı Kil yatakları genellikle, açık işletme usulleri ile işletilirler. Yeraltı işletmeciliği nadir olup, daha çok şiferton yataklarında görülür. Dünya kil üretiminin büyük kısmı, açık işletme ekipmanlarının kullanıldığı, açık işletme yöntemiyle yapılmaktadır. Daha az miktarda kil üretimi ise, yeraltı işletme yöntemleri ile yapılmaktadır. Seramik kili üretiminin yaklaşık %90 ı açık işletme olarak yapılmakta olup, %10 luk çok az bir kısmı kapalı işletme şeklindedir (Çelik, 2010).

3 Üretimi yapılan kilin kalitesine bağlı olarak, kil, tüvanan olarak kullanıldığı gibi kullanım amacına göre kilin zenginleştirilmesi de gerekebilmektedir. Bu amaçla üretilen kil, kırma işleminden sonra havuzlarda su içerisinde karıştırıcıların da yardımıyla çözülür. Daha sonra ilkel yıkama, süzme veya hidrosiklonlar vasıtasıyla zenginleştirme işlemine tabi tutulur yılları arasında dünya seramik ve tuğla kili rezervinin toplam 80 milyar ton civarında olduğu bilinmektedir. Türkiye toplam kil rezervi 2.7 milyar ton ve seramik kili rezervi ise 900 milyon ton civarındadır (Vitra, 2009). Türkiye seramik sektörü için üretilen killerin en büyük tüketim alanı, fayans ve seramik tir. Daha sonra, izolatör, sıhhi tesisat ve porselen sanayileri gelmektedir. Döküm kili ve kumlu killer özel killer olup, fayans ve seramikte tüketilen killerden farklı fiziksel özellikleri nedeniyle ayrılmaktadır (ÖİK, 2001). Türkiye de döküm kili ve kumlu kil üreten en önemli ve en eski bölge Söğüt bölgesi olup, üretim miktarının artması nedeniyle son yıllarda kalite bozulmuştur. Çizelge 3 te killerin belli başlı kullanım alanları verilmiştir(dpt,2001). Çizelge 3. Killerin sektörel kullanım alanları (DPT, 2001) Pişirilen Kil Ürünleri (% 45) Diğer Tüketim (%35) Tuğla, Kiremit Refrakter sanayi, Çimento Drenaj boruları, Sıhhi tesisat İlaç ve Kağıt Sanayi Yapısal Karo, Fayans, Yer karosu Sondaj Çamuru, Cam Elyaf Porselen, Cam, Çini, Çömlek Dolgu Maddesi, Lastik sanayi Elektro Porselen Kaplama malzemesi Türkiye de kil üreten şirketlerin son yıllarda tüvanan olarak Avrupa ya, özellikle İtalya ya kil ihracatları vardır. Bu killer tek pişirim seramiğe uygun mukavemeti yüksek killerdir. Avrupa da kaliteli tek pişirim killerine talep ileride daha da artacaktır. Planlanan bu ihracatlar, tüvanan ihracat olup, mevcut ve tesislerden süzülmüş kil ihracatı daha büyük önem kazanmaktadır. Ülkemizde yılları arasında 2 milyon ton kil ihtiyacına karşılık rezervlerimiz sınırlı sayılacak düzeydedir. Seramik sektörünün kil ihtiyacının artması sonucu, üretim miktarları artmış ve seramik sektöründe kil homojenleşmesinde problemler çıkmaya başlamıştır (Çelik, 2010). 2 ANKARA (İMRAHOR) KİLLERİNİN KARAKTERİSTİK ÖZELLİKLERİNİN BELİRLENMESİ Ankara kent merkezinin güneydoğusunda yer alan İmrahor vadisi arazilerinin bulunduğu bölgedir. Bölgede zengin kil yatakları bulunmaktadır. Yatakların genel jeolojisi incelendiğinde bölgede üç farklı jeomorfolojik gelişim şekli dikkati çekmektedir. Bunlar, vadi tabanı, yamaçlar ve sırtlardan plato düzlükleridir. En genç yaşlı jeolojik formasyon kuvaterner yaşlı alüvyonlardır. Bu kırıntılı birimler vadi boyunca yaygın olarak izlenir. Bu kayaçların üzerinde kireç taşı, marn ve kumtaşlarından oluşan üst miyosen yaşlı Kavaklı formasyonu yer almaktadır. Çalışmada kullanılmak üzere araziyi temsil edecek şekilde örnekler alınmış ve bu örnekler, laboratuvarda (0,2-2 mm) arasındaki eleklerden geçirilerek sınıflandırılmış ve deneylere hazır hale getirilmiştir. 2.1 Kimyasal Bileşim Ankara (İmrahor) bölgesinde bulunan Güven Tuğla A.Ş nin hammadde sahasından araziyi temsil edecek şekilde numuneler alınarak kompozisyonlarını belirlemek amacıyla kimyasal analizler yapılmıştır. Alınan örneklerin kimyasal analizler C de kurutularak, XRF (Siemens SRS 300 X-ray Fluoresans Spectrometer) cihazı kullanılarak

4 MTA nın teknoloji laboratuvarlarında gerçekleştirilmiştir. Analizlerden elde edilen sonuçlar Çizelge 4 de verilmiştir. Analiz değerlendirildiğinde kil içeriğinin büyük oranda (ortalama: %60,74) SiO 2 ve %16,68 Al 2 O 3 den oluştuğu, kil gurubundan simektit minerali olduğu gözlenmekle birlikte, bunun literatürde yapılan çalışmalarla uyumlu olduğu belirlenmiştir. Çizelge 4. İmrahor kil minerallerinin kimyasal analiz sonuçları (%) Örnek No SiO 2 Al 2 O 3 Na 2 O K 2 O Fe 2 O 3 CaO+MgO Diğer 60,6 60,4 61,1 60,7 60,9 16,1 17,8 16,8 16,5 16,2 2,1 2,2 2,0 2,0 2,1 4,6 4,2 3,9 4,4 4,6 5,8 7,1 4,6 8,8 9,7 3,9 3,5 3,6 3,9 4,0 3,4 4,8 2,2 3,3 3,2 Ortalama 60,74 16,68 2,08 4,34 7,20 3,78 3, Petrografik İnceleme Killerden 0,02 mm kalınlığında ince kesitler hazırlanmıştır. Bu kesitler üzerinde polarizan mikroskop (Olympus BH-2) ile incelemeler yapılmıştır. Mikroskop incelemelerinde killerin Si ve Al ca zengin bir çeşit kil minerali olan simektit olduğu belirlenmiştir. Simektit mineralinin içeriğinde amorf silika, kalsit, klorit, kuvars ve illit mineralleri varlığı tespit edilmiştir (Şekil 1). Şekil 1. İmrahor kil örneklerinin ince kesit görünümü 2.3 Mineralojik Bileşim (XRD) Analiz için toz halindeki örnekler üzerinde, MTA laboratuvarlarında Cu X-ışın tüplü Rigaku Geigerflex XRD cihazı kullanılarak mineralojik analizler yapılmıştır. Yapılan faz (mineralojik) analizi sonucunda kil örneklerinin çok büyük oranda Simektit 14 (%85) den oluştuğu görülmekle birlikte, bu kil minerallerine bolluk sırasına göre klorit, illit, feldspat (k-feldspat ve plajiyoklas), hornblent (amfibol minerali), kalsit, kuvars, dolomit ve eser miktarda serpantin eşlik etmektedir (Şekil 2). 2.4 Taramalı Elektron Mikroskop (SEM) Kil numuneleri 0,01-0,004 mm boyutlarında büyütülmüş ve görüntü analiz sistemi ile incelenerek fotoğrafları çekilmiştir (Şekil 3). İncelemelerde kil numunelerinin simektit kil minerali olduğu anlaşılmaktadır. Simektit minerali, düzensiz levhamsı şekilli yapraklardan oluşmakta ve yer yer dalgalı yapraklar halinde peteksi dokuyu göstermektedir. Yüzey kenar dokanaklı bir dizilim sunan yapraklar genellikle volkan camlarının erime boşlukları ve kırıklarında yoğunlaşmıştır. 2.5 Elementel Analiz (EDS) Örneklerin SEM görüntüleri ile beraber EDS (enerji dispersif spektrometre) ile nokta (elementel) analizler yapılmış ve elementlerin dağılımı oransal olarak belirlenmiştir. EDS nokta analizleri EDAX Genesis XM 4i model detektör kullanılarak MTA teknoloji laboratuvarında yapılmıştır.

5 Şiddet (CPS) Kil örneklerinin bünyesinde, oksijen (%47,35), silisyum (%26,9), alüminyum (%7,31) ve demir (%2,59) elementlerinin olduğu tespit edilmiştir (Şekil 4). Sm Sm Sm Pl F Hb I Hb Sp F Q Cl Do Ca Sm : Simektit, I : İllit, Hb : Hormblend, F : Feldispat, Pl : Plajiyoklas, Q : Kuvars, Ca : Kalsit, Cl : Klorit, Sp : Serpantin 2 ( o ) Şekil 2. İmrahor killerine ait X-ışını difraktometre analiz sonuçları (glukollu) 2.6 TG-DTA Analizi Kil (simektit) numunesinin TG eğrisine göre, numune C civarında bünye suyunu kaybetmiştir. DTA analizinde 500 C sıcaklığa kadar ağırlık kaybının kayda değer olmadığı ve C arasında termal bozunmanın görüldüğü 694,5 C sıcaklıktaki endotermik pikle desteklenmektedir. TG eğrisinde 750 C sıcaklıktan sonra ağırlık kaybının olmadığı ve toplam ağırlık kaybının %55 civarında olduğu belirlenmiştir. Sinterleşme 430 C civarında başlamakta 700 C sıcaklıkta tamamlanmaktadır. Bozunma reaksiyonu ise 790 C de başlamakta ve 812,7 C sıcaklıkta endotermik pik yaparak 825 C civarında tamamlanmaktadır (Şekil 5). Şekil 3. İmrahor kil minerali (simektit) SEM görüntüsü 2.7 Fiziksel Özellikler İmrahor killerinin fiziksel özellikleri (gevşek birim hacim ağırlığı, özgül ağırlığı, porozite, su emme ve doluluk oranı) belirlemek için, örnekler, öğütülerek 1mm açıklığa sahip eleklerden elenmiş, safsızlıkları uzaklaştırılmış ve birim hacim ağırlık deneyleri

6 Isı Akışı (micro V) Ağırlık (mg) TS 3529 ve TS 1114 standartlarına uygun olarak gerçekleştirilmiştir. Deneylerden elde edilen sonuçlar. Çizelge 5 de verilmiştir. Şekil 4. İmrahor kil numunelerinin EDS analizi TG C µV DTA C µV C µV Sıcaklık ( 0 C) Şekil 5. Kil örneğinin 20 C/dk ısıtma hızında TG-DTA dönüşüm eğrileri Örnek No Çizelge 5. İmrahor kil minerallerinin fiziksel analiz sonuçları Birim Hacim Ağırlık (gr/cm 3 ) Özgül Ağırlık (gr/cm 3 ) Porozite (%) Su Emme (%) Doluluk Oranı (%) Ortalama 1.238± ± ,4±0, ±0, ±0,03

7 3 YAPI MALZEMESİ ÜRETİMİNE UYGUNLUK DENEYLERİ Yapı ve inşaat sektöründe kullanılacak malzemelerin sınır değerleri, yapı malzemesinin genel yapısal özelliklerinin incelenerek belirlenmesi gerekmektedir. Bu amaçla, imrahor kil mineralinin organik madde içeriği ve kızdırma kaybı analizi yapılarak yapı malzemesi üretimine uygun olup olmadığı araştırılmıştır. 3.1 Organik Madde İçeriği Organik maddelerin hammadde içerisindeki varlığı sakıncalı ve istenmeyen bir durumdur. Özellikle organik bileşiklerin varlığı yapı malzemesinin mukavemetini düşürdüğü gibi zamana bağlı olarak paslanma, yumuşama ve en önemlisi bağlayıcı olarak kullanılan doğal ve kimyasalların malzemelerin bağlayıcılık etkisini kaybettirme özelliğine sahiptir. EN de belirtilen deney kriterlerine göre yapılan deney sonucunda İmrahor killerinde organik madde oluşumuna rastlanmamıştır. Kil üzerinde yapılan kimyasal analiz değerleri, bu deneyden elde edilen sonuçları desteklemektedir. 3.2 Hammaddelerin Kızdırma Kaybı Analizi İnşaat sektöründe, yapı malzemesi üretiminde kullanılan agrega ve doğal bağlayıcı malzemelerin, özellikle yangın gibi yüksek sıcaklık gösteren bölgelerde, agrega ve bağlayıcıların sıcaklık etkisiyle bileşimleri bozulmakta ve kütle kaybına uğramaktadır. Bu amaçla yapı ve inşaat sektöründe kullanılması düşünülen hammaddelerin sıcaklık etkisiyle bir kayıp olup olmadığının belirlenmesi gerekmektedir. Yapılan kızdırma kaybı analizlerinden elde edilen sonuçlara göre, İmrahor killerinin kızdırma kaybı %4,92 olarak belirlenmiştir. EN standardında öngörülen deneylerin sonucunda hammaddedeki kızdırma kaybı ağırlıkça %5 den fazla olmaması istenir. TS 1114 e göre maksimum sıcaklıktaki kütlece kayıp %5 i aşmadığı müddetçe kullanılan hammaddenin tuğla, çimento ve kiremit hammaddesi olarak kullanılabilir olduğu belirlenmiştir. Analiz sonuçlarına göre bölge killerinin yapı malzemesi olarak tuğlası, kiremit, çimento, ve dolgu maddesi olarak kullanılabilir olduğunu ancak seramik, porselen, cam ve karo üretiminde kullanılamayacağı belirlenmiştir. 4 SONUÇLAR Bu çalışmada, Ankara (İmrahor) killerinin yapı malzemesi olarak kullanılabilirliğini belirlemek amacıyla malzeme özellikleri araştırılmıştır. Petrografik ve kimyasal analizlerin sonucunda, killerin Si ve Al ca zengin bir çeşit kil minerali olan simektit olduğu belirlenmiştir. Simektit mineralinin içeriğinde amorf silika, kalsit, klorit, kuvars ve illit mineralleri varlığı tespit edilmiştir. Kalitatif mineralojik (XRD) analizlerinde, örneklerinin çok büyük oranda Simektit 14 (%85) den oluştuğu görülmekle birlikte, bu kil minerallerine bolluk sırasına göre klorit, illit, feldspat (k-feldspat ve plajiyoklas), hornblent (amfibol minerali), kalsit, kuvars, dolomit ve eser miktarda serpantin eşlik etmektedir. SEM incelemelerinde, kil numunelerinin simektit kil minerali olduğu anlaşılmaktadır. Simektit minerali, düzensiz levhamsı şekilli yapraklardan oluşmakta ve yer yer dalgalı yapraklar halinde peteksi dokuyu göstermektedir. Elementel (EDS) analizlerinde, kil örneklerinin bünyesinde, oksijen (%47,35), silisyum (%26,9), alüminyum (%5,31) ve demir (%2,59) elementlerinin olduğu tespit edilmiştir. TG-DTA analizinde, 500 C sıcaklığa kadar ağırlık kaybının kayda değer olmadığı ve C arasında termal bozunmanın görüldüğü 694,5 C sıcaklıktaki endotermik pikle desteklenmektedir. TG eğrisinde 750 C sıcaklıktan sonra ağırlık kaybının olmadığı ve toplam ağırlık kaybının %55 civarında olduğu belirlenmiştir. EN de belirtilen deney kriterlerine göre yapılan çalışmalar sonucunda İmrahor killerinde organik madde oluşumuna rastlanmamıştır. TS 1114 standardına uygun olarak yapılan kızdırma kaybı analizlerinden elde edilen sonuçlara göre, İmrahor killerinin

8 kızdırma kaybı %4,92 olarak bulunmuştur. Sonuçlar incelendiğinde, killerin kızdırma kütle kaybının %5 den daha az olduğu için tuğla ve hafif yapı malzemesi üretiminde agrega hammaddesi olarak kullanılabileceği belirlenmiştir. Sonuç olarak; yapılan çalışmalar ve analiz sonuçları birlikte değerlendirildiğinde, bölge killerinin yapı malzemesi olarak tuğla, kiremit, çimento ve dolgu maddesi olarak kullanılabilir olduğunu ancak seramik, porselen, refrakter, cam ve karo üretiminde kullanılamayacağı belirlenmiştir. 5 KAYNAKLAR Çelik A.G., Bor Katkılı Perlit Karışımlardan Hafif Tuğla Üretimi ve Teknolojik Özelliklerinin Belirlenmesi, Ç.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Maden Mühendisliği Anabilim Dalı Doktora Tezi, 317 s., Adana. DPT, Madencilik Raporu, Endüstriyel Hammaddeler Alt Komisyonu, Sanayii Hammaddeleri (Seramik Killeri-Kaolen-Feldspat- Pirofillit-Wollastonit-Talk) Çalışma Grubu Raporu, Ankara. EN , Agregaların Kimyasal Özellikleri için Deneyler- Bölüm 1:Kimyasal Analiz. Grim, R.B., 1953, Clay mineralogy; 2nd Ed, Mac Graw Hill, New York. Odin, G.S., 1972, Observations on the structure of glcuconite vermicular pellets: Sedimentalogy, 19, p; OGLE, D., Making Lightweight Refractory Ceramic From Perlite and Clay, Aprovecho Research Center, p;2-7. ÖİK., Özel İhtisas Komisyonu, Endüstriyel Hammaddeler Alt Komisyonu Yapı Malzemeleri, Ankara, s; 105. TANIŞAN, H., METE, Z., Seramik Teknolojisi ve Uygulaması, Seramik. Kongresi, s;23-34, İstanbul. TS 3529, Beton Agregalarında Özgül Agırlık ve Su Emme Oranı Tayini, Ankara. TS 4790, Tuğla ve Kremit Topraklarının Deney Metodu, Ankara. TS 1114, Hafif Agregalar Bölüm 1: Beton, Harç ve Şerbette kullanım için, Ankara. VİTRA, R, L., U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, Clays, USA. VİTRA, R, L., U.S. Geological Survey, Mineral Commodity Summaries, Clays, USA. Weaver, C.E., 1959, The clay petrology of sediments: Clays Clah Minerology, 6, p;