Portland çimentosu, kalker ve kil karışımı. hammaddelerin pişirilmeleri ile ortaya çıkan ve klinker

Transkript

1 ÇİMENTOLAR Portland çimentosu, kalker ve kil karışımı hammaddelerin pişirilmeleri ile ortaya çıkan ve klinker olarak adlandırılan malzemenin çok az miktarda alçıtaşı ile birlikte öğütülmesi sonucunda elde edilen bir üründür. Su ile birleştirildiğinde hidrolik bağlayıcılık özelliği kazanmaktadır. Su ile birleştirildiğinde sertleşen ve su içinde erimeyen bağlayıcıya hidrolik bağlayıcı ismi verilmektedir. Alçı ve kireç gibi maddeler hidrolik bağlayıcı değildir. Portland çimentosu toz halindedir ve tane boyutları mikron arasında değişir. Portland çimentosunun özgül ağırlığı kadardır. Torbalanmış halde birim ağırlığı 1.5 ton/m3 tür. Çimento, su ve agreganın karılmasıyla elde edilen beton, ilk zamanlarda plastik bir yapıdadır. Birkaç saat içerisinde katılaşmakta ve daha sonra sertleşmektedir. Sertleşen beton, zaman ilerledikçe daha da büyük 1

2 dayanım kazanmaktadır. Bu durum, çimentonun hidratasyonundan kaynaklanmaktadır. Sertleşmiş betonda zamanla meydana gelecek olan büzülme ve sünme deformasyonları, çimento hamurunda yer alan hacim değişiklikleridir. Bu nedenle, çimentonun ne miktarda beton içinde kullanıldığı, sadece taze betonun özelliklerini ve sertleşmiş betonun dayanımını değil aynı zamanda betonun dayanıklılığını da önemli derecede etkilemektedir. Portland çimentosunun tarihi gelişimi 1824 yılında, İngiltere nin Leeds kentinde Joseph Aspdin isimli bir duvar ustası, hazırladığı ince taneli kalker ve kil karışımını pişirdikten sonra öğüterek çimento üretmiştir. Üretilen çimentonun rengi ve diğer özellikleri, Leeds kentine yakın olan Portland isimli küçük bir adadan getirilen doğal yapı taşına benzediği için adına Portland Çimentosu denmiştir. Joseph Aspdin in yapmış olduğu Portland çimentosu yeterli sıcaklıkta pişirilemediği için bazı aksak tarafları 2

3 olmuştur yılında, Isaac Johnson isimli bir İngiliz Portland çimentosunun özelliklerini iyi bir pişirmeden sonra iyileştirmiştir. Bugün dünyanın her tarafında bu çimentoya Portland çimentosu ismi verilmektedir. Portland çimentosunun üretimi Şekil Portland çimentosunun üretimi 3

4 Portland çimentosu üretebilmek için, önce kalkerli ve killi malzemelerden oluşan hammadde karışımı yüksek sıcaklıklarda pişirilerek klinker adı verilen bir ürün elde edilmektedir. Daha sonra, sıcaklığı çevre sıcaklığına düşerek azalmış olan klinkere %3 6 arasında alçıtaşı (CaSO 4.2H 2 O) katılarak bu iki malzeme birlikte öğütülmektedir. Özetle; Klinker + (%3 6) Alçıtaşı (öğütme)= Portland çimentosu Klinker üretiminde kullanılan hammaddeler ve hammadde karışımının hazırlanması Klinker üretiminde kullanılan hammaddeler, portland çimentosu üretiminde kullanılan hammaddelerin önemli bir kısmını oluşturmaktadır. Bu hammaddeler, kalkerli ve killi malzemelerdir. Saf kalkerin yapısının tümünde CaCO 3 (kalsiyum karbonat) bulunmasının yanında, bazen çok az miktarda MgCO 3 (magnezyum karbonat), silika, demir oksit, alümin, kükürt ve alkaliler yer almaktadır. 4

5 CaCO 3, 900 C ye kadar pişirildiği takdirde, kalsiyum oksit (söndürülmemiş kireç) ve karbondioksit olarak ayrışmaktadır. Şayet kalkerin içerisinde bir miktar MgCO 3 varsa, pişirilme esnasında magnezyum oksit ve karbondioksit olarak ayrışmaktadır. Bu durumlar aşağıda gösterilmektedir; Killi malzemeler esas olarak silika ve alüminden oluşmaktadır. Kil, yaklaşık C sıcaklığa kadar pişirildiği takdirde, SiO 2 (silika) ve Al 2 O 3 (alümin) gibi oksitlere ayrışmaktadır. Killerde çok küçük miktarlarda demir oksit ve başka yabancı maddeler de bulunabilmektedir. Çimento üretimi için gereken oksitlerin kompozisyonu kullanılan kalkerli ve killi malzemelerden tam olarak sağlanamadığı durumlarda, bazen kum ve demir oksit 5

6 içeren malzemelerde hammadde olarak kullanılmaktadır. Pişirilme işlemine tabi tutulacak hammadde karışımında uygun oranlarda CaO, SiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3 gibi oksitlerin yer almış olması gerekmektedir. Bu karışımların hazırlanmasında aşağıda belirtilen bir takım oksit oranlarının hesaplanmasından yararlanılmaktadır; Çimentoya gri rengi demir oksit verdiği için, beyaz çimento üretiminde kullanılacak hammaddede çok az miktarda demir oksit bulunması gerekmektedir. Böyle bir karışımdaki demir modülü çok yüksektir. Pişirilme işlemine tabi tutulacak hammaddelerin karışımı, çok ince boyutlara getirilmiş kalkerli ve killi bir karışımdır. Hammadde karışımın hazırlandığı yönteme göre; 6

7 Kuru sistem; Hammadde kuru olarak pişirilir. Bu işlem ucuzdur. Fakat çok toz açığa çıkar. Yaş sistem; Hammaddenin içerisine %35 oranında su katılır ve çamur durumuna getirilir. Suyu kurutmak için fazla enerji gerektiğinden, pahalı bir sistemdir. Ancak toz kontrolü iyidir. Çevre dostu bir sistemdir. Yarı kuru sistem; Hammaddenin içerisinde %12-14 arasında su bulunmaktadır. Son yıllarda çimento üretimi için genellikle kuru sistem kullanılmaktadır. Hammaddenin pişirilmesi ve klinker oluşumu Hammadde döner fırında pişirilmektedir. Fırın, içi boş ve bir ucu diğer ucuna nispetle daha yüksek olan (eğimi yaklaşık %3 4 arasında) içi boş bir silindirdir. İç yüzü ateşe dayanıklı tuğlalarla astarlanmıştır. Çapı 2-6m, boy/çap oranı kadardır. Hammadde karışımının kuru sistemle hazırlanıp, ön ısıtıcı fırınlarda yaklaşık 900 C sıcaklığa kadar ısıtıldıktan sonra beslendiği döner fırınlar daha kısadır. Boy/çap oranı yaklaşık 7

8 olarak 15 civarındadır. Kendi ekseni etrafında saatte devir yapabilmektedir. Fırına girecek hammadde fırının üst ucundan beslenmektedir. Fırındaki sıcaklık fırının alt ucundan püskürtülen yakıtla sağlanmaktadır. Yakıt olarak, fuel oil, doğal gaz veya toz kömür kullanılabilmektedir. Fırının alt ucu en sıcak kısımdır (yaklaşık 1500 C). Yaş sistem için kullanılan döner fırınların üst ucu yaklaşık 100 C dir. Hammaddelerin ön ısıtıcılarla pişirildikten sonra beslendiği döner fırınların üst ucu yaklaşık 900 C dir. Hammadde karışımı fırının üst ucundan yavaş yavaş aşağı doğru hareket etmektedir. Böylece daha yüksek sıcaklıklarla karşılaşmaktadır. Karışımın içinde bulunan kil C sıcaklıkta ayrışarak SiO 2 ve Al 2 O 3 gibi oksitlere dönüşmektedir. Kalker, 900 C sıcaklıkta CaO ve CO2 ye dönüşmektedir. Sıcaklık etkisi ile hammadde karışımından açığa çıkan CaO, SiO 2, Al 2 O 3 ve Fe 2 O 3 gibi oksitler, sıcaklık 8

9 arttıkça (yaklaşık 1200 C de) kendi aralarında kimyasal reaksiyona başlamaktadır C sıcaklıkta, hammadde karışımının %20-30 u sıvılaşmakta ve klinker ismi verilen irili ufaklı katı tanecikler haline dönüşmektedir. Oksitlerin C sıcaklıktaki kimyasal reaksiyonları sonucunda ortaya birbirinden farklı özellikteki ana bileşenler çıkmaktadır. Klinkerin yapısı bu ana bileşenlerden oluşmaktadır. Döner fırındaki ateşleme bölgesini geçerek daha alt bölgeye ulaşan malzeme birazcık soğumakta ve fırının en alt ucundan klinker olarak dışarı çıkmaktadır. Klinker, gri-siyah renkte, oldukça sert ve boyutları susam tanesi ile fındık veya ceviz taneleri arasında (1-25mm) değişen parçacıklardan oluşmaktadır. 9

10 Şekil Kuru sistemde tipik bir çimento döner fırınında olaylar ve reaksiyonların şematik gösterimi 10

11 Oksitler ve ana bileşenler Oksitler Portland çimentosunun içerisindeki oksitler ve yaklaşık miktarları tabloda verilmektedir. Tablo Oksitler ve miktarları Genel ismi Oksit Sembol Miktarı, % Kireç Silis Alümin Demir Magnezi Alkaliler Kükürt anhidriti CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MgO Na 2 O+K 2 O SO 3 C S A F M N+K Çimentolarla ilgili formüllerde yer alan su, kalsiyum hidroksit, alçıtaşı, karbon dioksit ve kalker gibi bazı maddelerin çimento kimyasındaki sembolleri aşağıdaki gibidir; Su, (H 2 O) Kalsiyum hidroksit, CaOH 2 H CH Alçıtaşı, CaSO 4.2H 2 O C H 2 Karbon dioksit, CO 2 11

12 Kalker, CaCO 3 C Tabloda yer alan SO 3 dışındaki bütün oksitler çimento klinkerini de oluşturan oksitlerdir. Klinkerin içerisinde SO 3 bulunmamaktadır. Çimentonun içerisinde yer alan SO 3, çimentonun üretimindeki klinkerin yanı sıra kullanılan alçıdan (CaSO 4 =CaO.SO 3 ) gelmektedir. CaO, SiO 2, Al 2 O 3 ve Fe 2 O 3 gibi oksitler, çimentonun ana bileşenlerini oluşturan oksitlerdir. Çimentonun yapısında yer alan MgO ve alkalilerin yararlı bir fonksiyonu yoktur. Bunlar hammaddelerde yer alır. Çimento hamurunda ve betonda genleşmeye neden olan zararlı etkileri vardır. Anabileşenler Hammadde karışımının döner fırında pişirilmesi sonucunda ortaya çıkan ve klinkerin yapısını oluşturan anabileşenler tabloda verilmektedir. Çimentonun yapısını oluşturan anabileşenler, klinkerdekinin aynısıdır. 12

13 Tablo Çimentonun ana bileşenleri Anabileşenler Dikalsiyum silikat, 2CaO.SiO2 Trikalsiyum silikat, 3CaO.SiO2 Trikalsiyum alüminat, 3CaO.Al2O3 Tetrakalsiyum alüminoferrit, 4CaO.Al 2 O 3.Fe 2 O 3 Sembol C 2 S C 3 S C 3 A C 4 AF Oksitler ve ana bileşenler Çimento ile su bir araya getirilir getirilmez, her ana bileşen ile su ayrı ayrı reaksiyona girmekte ve her anabileşenin reaksiyon hızı, reaksiyon esnasında açığa çıkan ısı ve reaksiyon sonucunda oluşan ürünün çimento hamurunun bağlayıcı özelliğine (dayanımına) katkısı farklı olmaktadır. Tabloda, anabileşenlerin özellikleri relatif olarak belirtilmektedir. Tablo Bileşenlerin özellikleri Özellik C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF Reaksiyon hızı Hidratasyon ısısı Dayanıma katkısı İlk günlerde Sonunda Orta Orta Yüksek Yüksek Yavaş Düşük Düşük Yüksek Hızlı Yüksek Düşük Düşük Orta Orta Düşük Düşük 13

14 Çimento hamurunun kazanacağı nihai dayanım, C 3 S ve C 2 S gibi kalsiyum silikatlı anabileşenlerin hidratasyonu sonucu oluşmaktadır. C 2 S nin çimento hamuruna ilk günlerdeki katkısı az, sonradan daha çoktur. C 3 A nın çimento hamurunun dayanımına katkısının hem ilk günler hem de son günler için çok düşük olduğu belirtilmiştir. Aslında ilk birkaç saat içerisinde dayanıma katkısı oldukça fazladır. Yukarıdaki tabloda, C 3 A ve C 4 AF nin özellikleri belirtilirken, çimentonun kompozisyonunda bulunan bir miktar alçıtaşının etkisi de göz önünde tutulmuştur. C 3 A ve C 4 AF nin su ile birleşmelerinde oluşan kimyasal reaksiyonlarda alçıtaşı da görev almakta, bu reaksiyonları yavaşlatmaktadır. Alçıtaşı olmadığı zaman C 3 A çok hızlı reaksiyon yapmakta ve dayanımı da katkısı olmamaktadır. Alçıtaşının etkisi de göz önüne alındığında çimento hamurundaki anabileşenlerin 14

15 reaksiyon hızları arasında şöyle bir sıralama olmaktadır. Şekil Anabileşenlerin gösterdiği dayanım artışı Çimentoyu oluşturan anabileşenlerin su ile birleşerek başlattıkları kimyasal reaksiyonlar açığa ısı çıkaran türdendir. Çimentonun hidratasyon ısısı, hidratasyon sonuna kadar açığa çıkan ısı miktarıdır. Hidratasyon ısısı, kalori/gram veya joule/gram dır. 1 kalori/gram=4.19 joule/gramdır. 15

16 Portland çimentosunu oluşturan anabileşenlerin her biri farklı hidratasyon ısısına sahiptir. Tabloda, anabileşenlerin hidratasyon ısıları gösterilmektedir. Tablo Anabileşenlerin hidratasyon ısıları Anabileşen Hidratasyon ısısı, kal/gr C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF Portland çimentosunun ortalama ve en yüksek hidratasyon ısısı değerleri, sırasıyla yaklaşık olarak 100 ve 120 kal/g olarak belirtilmektedir. Aslında bir çimentonun ne miktarda hidratasyon ısısı açığa çıkaracağı, çimento hamurunda yer alan anabileşenlerin miktarlarına ve hidratasyonun ne kadar süreyle yer almış olmasına bağlıdır. Aşağıda 3 gün ve 1 yıl sonunda çimento hamurunda açığa çıkan hidratasyon ısılarının joule/gram cinsiden hesaplanabilmesi gösterilmektedir. Hidratasyon ısısı (3 gün)= 240(%C 3 S)+50(%C 2 S)+880(%C 3 A)+290(C 4 AF) 16

17 Hidratasyon ısısı (1 yıl)= 490(%C 3 S)+225(%C 2 S)+1160(%C 3 A)+375(C 4 AF) Barajlarda kullanılan kütle betonlarında hidratasyon ısısı çok önemli olmaktadır. Betonun sıcaklığı artmakta ve büzülme meydana gelmektedir. Dış ortamla temasta olan betonun dış yüzeyi zamanla soğuyarak büzülmektedir. Ancak sıcaklığını henüz kaybetmeyen iç kısım böyle davranamamakta ve dış kısmın büzülmesini önlemeye çalışmaktadır. Böylece betonda farklı sıcaklıklardan dolayı iç gerilmeler oluşmakta, bunun sonucunda iç kısımda gerilme yığılmaları ve çatlamalar oluşmaktadır. Öte yandan hidratasyon ısısının yüksek olması, soğuk havalarda dökülen betonlar için bir avantajdır. Çimentonun anabileşenlerinin miktarlarının değişiklik göstermesi, değişik özelliklerde portland çimentosu üretimine olanak tanımaktadır. Aşağıdaki tabloda anabileşenlerin miktarları değiştirilerek üretilen çimentolar verilmektedir. 17

18 Tablo ASTM ye göre çimento tipleri ve anabileşen miktarları Tip I II III IV V Açıklama Normal portland çimentosu (Genel amaç için kullanılmakta) Değiştirilmiş portland çimentosu (Tip I e göre daha az hidratasyon ısısına ve daha çok sülfat dayanıklılığına sahip) İlk dayanımı yüksek portland çimentosu Düşük ısılı portland çimentosu (kütle betonlarında kullanılır, hidratasyon ısısı az) Sülfata dayanıklı portland çimentosu Anabileşenler, % C 3 S C 2 S C 3 A C 4 AF Tabloda görüldüğü gibi, çimento hamurunun kazanacağı nihai dayanımın C 3 S ve C 2 S anabileşenlerinin hidratasyonu sonucunda elde edildiği ve bu iki anabileşenin toplamının belirli bir düzeyden daha az olmaması gerektiği görülmektedir. Bu iki anabileşenin değerleri toplamı birbirine yakın olurken, değişik tip çimentolarda bu iki bileşenin değerinin birbirinden farklı oldukları görülmektedir. 18

19 Daha önce belirtildiği gibi, C 3 S nin çimento hamurundaki hem ilk günlerdeki hem de nihai dayanıma katkısı yüksektir. C 2 S nin nihai dayanıma katkısı yüksek olmakla beraber, ilk günlerde azdır. Bu nedenle, Tip III- erken dayanımı yüksek portland çimentosunun kompozisyonundaki C 3 S miktarı, Tip I- normal portland çimentosunun kompozisyonundaki C 3 S miktarından daha yüksektir. Yine, Tip IV-düşük ısılı portland çimentosunun kompozisyonundaki C 3 S miktarı, Tip I-normal portland çimentosunun kompozisyonundaki C 3 S miktarından daha azdır. C 3 S nin hidratasyon ısısı, C 2 S ninkinden daha fazladır. Düşük ısılı çimento için C 3 S miktarı daha az tutulmakta fakat C 2 S miktarı daha yüksek olmaktadır. Oksitler ve anabileşenlerin miktarının bulunması Oksit miktarlarının tayini ve değerlerin önemi Oksit miktarları kimyasal analizlerle bulunmaktadır. Bu konuda TS 687 ve ASTM C 114 standartları bulunmaktadır. Aşağıdaki tabloda tipik portland 19

20 çimentosunun kimyasal analizinden elde edilen değerler verilmektedir. Tablo Portland çimentosunu tipik analizi Oksitler ve diğer değerler Miktarları, % (ağırlıkça) CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 SO 3 MgO Na 2 O K 2 O Çözünmeyen kalıntı Kızdırma kaybı Serbest CaO Cl En fazla 0.1 CaO, SiO 2, Al 2 O 3 ve Fe 2 O 3 miktarlarının önemi Oksitlerin ne miktarda çimento içerisinde yer aldıkları, anabileşenlerin miktarlarını etkilemektedir. Anabileşenlerin miktarları da, çimentonun bağlayıcılık kazanma hızını, hidratasyon hızını, hidratasyon ısısı gibi özellikleri etkilemektedir. SO 3 miktarının önemi 20

21 Çimentonun çok erken priz yapmasını önlemek için, çimento üretiminde klinker ve az miktarda alçıtaşı birlikte öğütülmektedir(caso 4.2H 2 O). Yeterli miktarda kullanılmadığında çimentonun priz süresi kısa olmakta, çok fazla kullanıldığında ise, çimento hamurunun genleşip hasar görmesine neden olmaktadır. CaSO 4 =CaO.SO 3 olarak yer alan kalsiyum sülfatın yapısındaki CaO, kimyasal analizlerde toplam CaO nun bir parçası olarak elde edilmektedir. Kimyasal analiz yöntemi ile sadece çimentodaki SO 3 miktarı tayin edilebilmektedir. Ca, S ve O için atom ağırlıkları sırasıyla 40, 32 ve 16 dır. Bu nedenle, CaSO 4 /SO 3 =1.7 dir. Yani, kimyasal analizde bulunan SO 3 miktarı (% olarak ağırlığı) 1.7 ile çarpıldığında çimentoda bulunan CaSO 4 miktarı hesaplanabilmektedir. SO 3 değerinin belli bir miktardan fazla olması istenilmez. ASTM standardında sınır %3 tür. 21

22 MgO miktarının önemi Hammadde olarak kullanılan kalkerde bulunabilecek MgCO 3 ten kaynaklanmakta ve pişirme işlemi sonucunda açığa çıkmaktadır. Çimento yapısında yer alan MgO, hidratasyon yaparak sertleşmiş olan çimento hamurunda önce su ile reaksiyona girerek Mg(OH) 2 ye ve daha sonra havadan alınan CO 2 ile MgCO 3 haline dönüşmektedir. MgO nun su ile reaksiyonu sonucunda hem ısı açığa çıkmakta hem de hacim genleşmesi meydana gelmektedir. Çimento içerisindeki MgO, fırında pişirme işlemi sırasında yüksek sıcaklığa maruz kalmakta ve çimento hamuru sertleştikten sonra su ile zamanla reaksiyona girmektedir. Çimento hamuru içerisinde genleşmeye sebep olup, betonun çatlamasına sebep olmaktadır. %5 ten fazla olması istenmez. Na 2 O ve K 2 O miktarının önemi Çimento üretiminde kullanılan hammaddelerde bulunabilecek olan Na 2 O ve K 2 O (alkaliler), üretilen çimentonun yapısında da yer almaktadırlar. 22

23 Beton yapımında kullanılan agregalar reaktif silis veya reaktif karbonat içerdiğinde, alkalilerle agrega arasında alkali-agrega reaksiyonu olarak adlandırılan kimyasal olaylar gelişmektedir. Sonuç olarak çok büyük su emme kapasitesine sahip olan alkali-silika jelleri oluşmakta ve betonda çok büyük genleşmelere yol açmaktadır. ASTM Standartlarına göre, Na 2 O+ 0.66K 2 O miktarının %0.6 dan fazla olmaması tavsiye edilmektedir. Çözünmeyen kalıntı miktarının tanımı ve önemi Hidroklorik asit içerisine konulan çimento numunesinin asit içinde çözünmeyen kısmına çözünmeyen kalıntı denmektedir ve numune ağırlığının yüzdesi olarak ifade edilir. Çimentonun anabileşenleri normal olarak hidroklorik asit içinde çözünmektedir. Fakat anabileşenlerin döner fırın içerisinde oluşumu esnasında görev almamış bir miktar silis mevcut ise, bu silis asit içinde 23

24 çözünmemekte ve çözünmeyen kalıntı miktarının büyük bir kısmını oluşturmaktadır. ASTM standardına göre, %0.75 i geçmemelidir. Kızdırma kaybının tanımı ve önemi Ağırlığı önceden bilinen (1±0.05gr) bir çimento numunesinin çok yüksek sıcaklıkta (975 C) kızdırılması sonucunda meydana gelen ağırlık kaybına kızdırma kaybı ismi verilir. Yüksek sıcaklıkta çimentoyu terk edecek maddeler, nem ve karbondioksittir. Çimentonun bünyesinde bulunan nemin önemli bir kısmı havadan alınmakta ve çimentoyu ön hidratasyona uğratmaktadır. Böylece, çimentonun bağlayıcılık özelliği azalmaktadır. Bir miktar nem de, klinkere katılan alçıtaşından oluşmaktadır. Çimentonun içerisindeki serbest CaO ve MgO, havadaki nem ile birleşerek Ca(OH) 2 ve Mg(OH) 2 oluşmakta ve 24

25 havadaki CO 2 ile birleştikleri zaman da, CaCO 3 ve MgCO 3 oluşmaktadır. İçerisinde nem veya CaCO 3 ve MgCO 3 bulunduran çimento numunesi yüksek sıcaklıkta kızdırıldığı zaman, nem ve CO 2 kaybolmakta ve çimentonun ağırlığında azalma meydana gelmektedir. Kızdırma kaybı %3 ü geçmemelidir. Serbest CaO nun önemi Hammaddede bulunan CaO nun tamamının, çimentonun anabileşenlerinde görev alması gerekmektedir. Ancak bazen bir miktar CaO çimento içerisinde yer alabilmektedir. Serbest CaO, çimento hamurunun içerisindeki su ile birleşerek Ca(OH) 2 oluşturmakta ve havadaki CO 2 ile birleşerek CaCO 3 haline dönüşmektedir. Serbest CaO nun, Ca(OH) 2 oluşturması esnasında açığa ısı çıkmakta ve hacim genleşmesi olmaktadır. Serbest CaO, çok yüksek sıcaklıklara tabi tutulduğu için, CaO ile su arasındaki reaksiyon hemen 25

26 başlamamakta, çimento hamuru sertleştikten bir süre sonra yer almaktadır. Bu durumda, sertleşmiş çimento hamuru çatlamaktadır. %1 den fazla olamaz. Cl - miktarının önemi Klor iyonu, beton içerisindeki çelik çubukların korozyonunu artıran çok önemli bir faktördür. %1 den az olması gerekmektedir. Anabileşenlerin miktarının tayini Üç yöntemden herhangi birisi kullanılarak tayin edilir; X ışını kırılma yöntemi Elektron tarama mikroskobu ile Hesap yöntemi (Bogue Formülleri) Bogue denklemleri ile anabileşen miktarı tayini Al 2 O 3 /Fe 2 O ise; yüzde olarak C3S=4.071CaO-7.600SiO Al 2 O Fe 2 O SO 3 C2S=2.876SiO C 3 S C3A=2.650Al 2 O Fe 2 O 3 C4AF=3.043Fe 2 O 3 Al 2 O 3 /Fe 2 O 3 <0.64 ise; yüzde olarak 26

27 Bu durumda, çimentonun içeriğinde bir miktar alümino ferrit katı eriyiği, ss(c 4 AF+C 2 F) oluşmaktadır. %ss(c 4 AF+C 2 F)= 2.100Al2O Fe 2 O 3 %C3S=4.071CaO-7.600SiO Al 2 O Fe 2 O SO 3 Bu komposizyondaki çimentolarda, C3A oluşmamakta ve C2S oranı tayini için yukarıdaki denklem aynen kullanılmaktadır. Bu denklemlerin kullanılmasında şu kabuller yapılmıştır; Anabileşimlerin oluşumuna yol açan kimyasal reaksiyonlar denge durumuna gelmiştir ve soğuma koşulları bu dengeyi değiştirmemektedir. Hammaddede bulunan oksitlerin tamamı, anabileşenlerin oluşumunda yer almaktadır. Kalsiyum silikatlı ana bileşenler saf haldedir ve içerlerinde tali oksitler yer almamaktadır. Bogue denklemlerinde kullanılan CaO miktarı, toplam CaO-serbest CaO olarak alınmaktadır. Katkılı çimentoların anabileşenlerinin bulunmasında Bogue formülleri kullanılmamaktadır. 27

28 Portland çimentosunun hidratasyon ürünleri Çimento su ile birleştirilir birleştirilmez, her ana bileşen su ile ayrı ayrı reaksiyona girmekte ve hidratasyon sonunda her anabileşen tarafından değişik hidratasyon ürünleri oluşmaktadır. Çimento hamurunun özellikleri, hidratasyon ürünlerinin çimento hamuru içerisinde ne miktarda yer almış oldukları tarafından belirlenmektedir. Çimento ve suyun karılmasıyla elde edilen çimento hamurunun hacmi, kullanılan çimentonun ve suyun hacimlerinin toplamına eşittir ve anabileşenlerin hidratasyonu sonucunda çıkan ürünlerin bu hacim içerisinde yer aldıkları, yani çimento hamurunun hacminin değişmediği varsayılacaktır. C 3 S ve C 2 S nin hidratasyonu ve hidratasyon ürünleri Bu anabileşenlerin su (H) ile reaksiyonları şöyledir; 2C S+6H C S H +3CH C S+4H C S H +CH

29 C 3 S ve C 2 S nin bir miktar su ile birleştiğinde ortaya çıkan hidratasyon ürünleri aynıdır. Bunlar C 3 S 2 H 3 ve CH dır. CH, kalsiyum hidroksittir. (CaO.H 2 O=Ca(OH) 2 ). C 3 S 2 H 3 (yani 3CaO.2SiO 2.3H 2 O), tobermorit olarak adlandırılmaktadır. Bu ismin verilmesinin sebebi, doğada aynı isimle anılan bir minerale benzediğinden dolayıdır. Kalsiyum-silikat-hidrat olarak adlandırılır ve C-S-H jeli olarak ta isimlendirilir. Burada jel sözcüğü, koloidal katı malzeme topluluğunu ifade etmektedir. C3S ve C2S anabileşenlerinin hidratasyonu sonucunda oluşan C 3 S 2 H 3 ve CH miktarları farklıdır. Ca, O, Si ve H için atom ağırlıklarının sırasıyla 40, 16, 28 ve 1 olduğu göz önüne alınacak olursa, hidratasyon sonucunda oluşacak ürünlerin miktarları aşağıdaki gibi belirlenmektedir; 2C3S + 6H C3S2H 3 + 3CH (100) (24) (75) (49) 29

30 2C2S + 4H C3S2 H 3 + CH (100) (21) (99) (22) Birinci sırada yer alan rakamlar atom ağırlıklarını, ikinci sırada yer alan rakamlar ise, 100 kısım C 3 S veya C 2 S anabileşenin ağırlık olarak kaç kısım hidratasyon ürünü meydana getirdiğini belirtmektedir. Buradan görüleceği gibi, anabileşenlerin hidratasyonları için gereken su miktarları yaklaşık olarak aynıdır. Ancak C 3 S anabileşenin hidratasyonu sonucunda ortaya çıkan CH (kalsiyum hidroksit) miktarı, C 2 S anabileşenindeki CH miktarının iki katından biraz fazladır. Kalsiyum hidroksitin çimentoya kazandırdığı dayanım çok fazla değildir. Yani çimento hamurunun kazandığı dayanım C-S-H jelleri tarafından sağlanmaktadır. Kalsiyum silikat kısmı çimentoya dayanım kazandırmaktadır. C-C-H jellerinin özellikleri şunlardır; Çimento hamurunun kazandığı dayanım, C-S-H jellerinin miktarına bağlıdır. 30

31 C-S-H jelleri bir anda meydana gelmemekte, hidratasyon devam ettikçe C-S-H jellerinin üretimi de devam etmektedir. C-S-H jelleri, zayıf kristalli (amorfa yakın) koloidal boşluklardan oluşmaktadır. C-S-H kristalleri tipik olarak 1x0.1x0.01 mikrondan daha küçüktür. C-S-H jellerinin (liflerin) dağılımında herhangi bir düzen yoktur. C-S-H jelleri bir dantel veya dokuma parçası gibi iç içe büyümüş tarzda yer almaktadır. C-S-H jelleri, üzerinde küçük dikenleri olan bir kese görünümündedir. C-S-H jellerinin bir parçası olarak, koloidal tabakaya absorbe durumda su yer almaktadır. Katı koloidal tabakaların arasında çok küçük boyutlu jel boşlukları bulunmaktadır. 31

32 Şekil C-S-H fiberleri, uzun çubuklar etrenjit Şekil C-S-H; CH; uzun çubuklar etrenjit 32

33 C 3 A nın hidratasyonu ve hidratasyon ürünleri C 3 A ile su (H) arasındaki reaksiyonlar çok büyük hızda yer almakta ve kalsiyum-alümino-hidratların oluşmasına yol açmaktadır. 2C A+21H C AH +C AH Yukarıdaki kalsiyum-alumino-hidratlar kararlı değildir ve kısa sürede kararlı formdaki kübik hidrogarnet (C 3 AH 6 ) durumuna dönüşmektedir. C 3 A ile su arasındaki reaksiyonlar çok büyük miktarda ısı açığa çıkartacak tarzda ve büyük bir hızla oluştuğundan, çimento hamurunun ani prizine yol açmaktadır. Ani priz sonunda çimento hamuru aniden sertleştiği gibi, dayanıma da önemli bir katkı sağlamamaktadır. 33