ÇİMENTO HARCINDA YÜKSEK FIRIN CÜRUFUNUN BASINÇ DAYANIMINA ETKİSİ. Bülent Çınar ÇAVUŞ YÜKSEK LİSANS TEZİ İLERİ TEKNOLOJİLER

Transkript

1 i ÇİMENTO HARCINDA YÜKSEK FIRIN CÜRUFUNUN BASINÇ DAYANIMINA ETKİSİ Bülent Çınar ÇAVUŞ YÜKSEK LİSANS TEZİ İLERİ TEKNOLOJİLER GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ MAYIS 2008 ANKARA

2 ii Bülent Çınar ÇAVUŞ tarafından hazırlanan ÇİMENTO HARCINDA YÜKSEK FIRIN CÜRUFUNUN BASINÇ DAYANIMINA ETKİSİ adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Yrd. Doç. Dr. Sadrettin ZEYBEK Tez Danışmanı, Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı. Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile İleri Teknolojiler Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Yrd. Doç. Dr. Meltem DOĞAN. Kimya Mühendisliği, Gazi Üniversitesi Yrd. Doç. Dr. Sadrettin ZEYBEK. Kimya Mühendisliği, Hitit Üniversitesi Yrd. Doç. Dr. Osman ŞİMŞEK. Yapı Eğitimi, Gazi Üniversitesi Tarih: 05/ 05 / 2008 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Nermin ERTAN Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü.

3 iii TEZ BİLDİRİMİ Tezin içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Bülent Çınar ÇAVUŞ

4 iv ÇİMENTO HARCINDA YÜKSEK FIRIN CÜRUFUNUN BASINÇ DAYANIMINA ETKİSİ (Yüksek Lisans Tezi) Bülent Çınar ÇAVUŞ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Mayıs 2008 ÖZET Günümüzde portland çimentoları birçok yapının inşaatında kullanılan yapı malzemesidir. Bir yapıda aranan en önemli özellik ise basınç dayanımıdır. Özellikle su ile temas halinde olan deniz yapıları (köprü ayakları gibi ve yer altı su seviyesinin altında kalan yapılar), ve amonyum nitrat çözeltisi etkisine maruz kalan yapılar (fabrika ve depolar) hasara uğramaktadırlar. Bu çalışmada harçlı çimentonun basınç dayanımına, deniz suyu, amonyum nitrat çözeltisi ve standart kür ortamında %0, %10, %15 ve %20 oranlarındaki yüksek fırın cürufunun etkisi araştırılmıştır. Yapılan deneylerden elde edilen sonuçlara göre, yüksek fırın cürufunun standart kür ortamında erken yaşlarda dayanımı düşürdüğü, deniz suyu ve amonyum nitrat çözeltisi ortamında ise %10 oranında kullanılan yüksek fırın cürufunun basınç dayanımını arttırdığı, %15 ve %20 oranlarında kullanılan cüruflu numunelerin basınç dayanımlarının düştüğü gözlenmiştir. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Yüksek fırın cürufu, çimento, basınç dayanımı deniz suyu, amonyum nitrat Sayfa Adedi : 70 Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. Sadrettin ZEYBEK

5 v EFFECT OF BLAST FURNACE SLAG IN CEMENT INGREDIENTS ON COMPRESSIVE STRENGTH (M.Sc. Thesis) Bülent Çınar ÇAVUŞ GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY May 2008 ABSTRACT Portland cement is the constraction material which is widely used in constructions at the present day. The most significant property of the concrete is the compressive strength. Especially water touched sea structures and the structures which effected by ammonium nitrate solution are damaged. In this work, the effect of addition of blast furnace slag on the ammonium nitrate, on the sea water and standard cure ambience proportion by 0%, 10%, 15%, 20% of ordinary cement ingredients has been researched. By the experiment results, at the standard cure ambience blast furnace slag is decreasing its compressive strength early ages, at the sea water and ammonium nitrate solution ambience 10% used blast furnace slag is increasing its compressive strength, by 15% and 20% slagged samples are decreasing their compressive strength. Science Code : Key Words : Blast furnace slag, cement, compressive strength, sea water, ammonium nitrate Page Number : 70 Adviser : Assist. Prof. Dr. Sadrettin ZEYBEK

6 vi TEŞEKKÜR Bu tez çalışmasında; bilgi ve tavsiyeleri ile araştırmalarımı yönlendiren, tez danışmanım Sayın Yrd. Doç. Dr. M. Sadrettin ZEYBEK e, deneysel çalışmalarımda yardımcı olan Karçimsa A.Ş. de Kimyager, sayın Selma CESUR a ve Yrd. Doç. Dr. Osman Şimşek e, bana yardımlarını esirgemeyen iş arkadaşlarıma, manevi destekleriyle beni yalnız bırakmayan değerli eşime teşekkür ederim.

7 vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET...iv ABSTRACT... v TEŞEKKÜR... vi İÇİNDEKİLER...vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ... ix ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xi RESİMLERİN LİSTESİ...xii SİMGELER VE KISALTMALAR...xiii 1. GİRİŞ KURAMSAL Çimento Çimentonun özelliklerine ana karma bileşenlerin etkileri Çimentolarda minör bileşenler ve bunların etkileri Priz süresi İncelik ve etkileri Hidratasyon ısısı ve termik rötre Çimentoların mekanik dayanımları ve fiziksel özellikleri Çimentonun havayla sertleşmesi Türkiye de çimento üretimi Puzolanlar Puzolanların tarihçesi ve genel sınıfları Puzolanların kullanım yöntemleri Yüksek fırın cürufu Yüksek fırın cürufu üretimi Granüle yüksek fırın cürufunun yapısı Zararlı Ortamların Betona Etkisi Portland çimentosunun sülfata dayanımı Portland çimentosunun nitrata dayanımı... 32

8 viii Sayfa 3. MALZEME VE YÖNTEM Malzemeler Çimento Yüksek fırın cürufu Standart kum Su Çözeltiler Yöntem Blaine (özgül yüzey) tayini Özgül ağırlık tayini Priz süresi tayini Genleşme tayini Dayanım tayini DENEYSEL BULGULAR Programın 1. Aşamasında, Standart Kür Havuzunda Gerçekleştirilen Deneysel Bulgular Basınç dayanımları Priz süreleri İncelik sonuçları Blaine (özgül yüzey) sonuçları Programın 2. Aşamasında Deniz Suyu ve Amonyum Nitrat Çözeltileri İçerisinde Gerçekleştirilen Deneysel Bulgular SONUÇLAR VE ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ... 70

9 ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Çimento çeşitleri... 5 Çizelge 2.2. Çimento içinde bulunabilecek bileşikler... 6 Çizelge 2.3. Portland çimentosu kimyasal bileşimi... 7 Çizelge 2.4. Çimentoların mekanik dayanımları ve fiziksel özellikleri Çizelge yılı çimento üretim ve satış miktarları Çizelge 2.6. Puzolanların sınıflandırılması ve türleri Çizelge 2.7. Çeşitli cürufların kimyasal kompozisyonlarına örnekler Çizelge 2.8. Sülfat eriyiklerinin içinde saklanan numunelerin kıyasla % cinsinden dayanımları Çizelge 3.1. Betonda kullanılan portland çimentosunun kimyasal analizi Çizelge 3.2. Betonda kullanılan yüksek fırın cürufunun kimyasal analizi Çizelge 3.3. CEN referans kumun tane dağılımı Çizelge 3.4. Deniz sularında bulunan başlıca iyonlar Çizelge 3.5. Deniz sularında bulunan başlıca tuzlar Çizelge 4.1. Standart kür havuzundaki basınç dayanımları Çizelge 4.2. Standart kür havuzundaki priz süreleri Çizelge 4.3. Standart kür havuzundaki incelik sonuçları Çizelge 4.4. Standart kür havuzundaki blaine sonuçları Çizelge 4.5. Standart kür havuzundaki özgül ağırlık sonuçları Çizelge 4.6. Amonyum nitrat çözeltisindeki farklı cüruf oranlarının zamana bağlı eğilme ve basınç mukavemetleri... 57

10 x Çizelge Sayfa Çizelge 4.7. Deniz suyu çözeltisindeki farklı cüruf oranlarının zaman bağlı eğilme ve basınç mukavemetler Çizelge 4.8. Farklı curuf oranları kıyas denemeleri... 64

11 xi ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Yüksek fırın şeması Şekil 2.2. Granülasyon yönteminin şematik gösterimi Şekil 2.3. Peletleme yönteminin şematik gösterimi Şekil 2.4. Cürufun camsı yapısının şematik açıklanması Şekil 2.5. Deniz suyunun etkisinde beton korozyonunun gelişim Şekil 3.1. Blaine cihazı içindeki düzenek Şekil 3.2. Özgül ağırlık (Yoğunluk) Le Chatelier balonu Şekil 4.1. Standart kür havuzunda kür edilen farklı cüruf oranlarının zamana bağlı mukavemet gelişimi Şekil 4.2. Amonyum nitrat çözeltisindeki farklı cüruf oranlarının zamana bağlı mukavemet gelişimi Şekil 4.3. Deniz suyu çözeltisindeki farklı cüruf oranlarının zamana bağlı mukavemet gelişimi Şekil 4.4. Katkısız numunelerin farklı ortamlardaki basınç dayanımları Şekil 4.5. % 10 cüruf katkılı numunelerin farklı ortamlardaki basınç dayanımları Şekil 4.6. % 15 cüruf katkılı numunelerin farklı ortamlardaki basınç dayanımları Şekil 4.7. % 20 cüruf katkılı numunelerin farklı ortamlardaki basınç dayanımları... 62

12 xii RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 3.1. Blaine cihazı Resim 3.2. Mikser Resim 3.3. Şok cihazı Resim 3.4. Basınç dayanım cihazı... 50

13 xiii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler d D e F m n p t T V 1 V 2 Açıklama Özgül ağırlık Çimento yoğunluğu Porozite katsayısı Blaine cihaz faktörü Çimento kütlesi Viskozite Varyansların eşitlik değeri Zaman Bulk içine konan numune tartımı İlk okunan hacim Son okunan hacim Kısaltmalar GYFC TS-EN YFC Açıklama Granüle Yüksek Fırın Cürufu Türk Standartları Enstitüsü Yüksek Fırın Cürufu

14 1. GİRİŞ Çimento üretim ve kullanım teknolojilerinin, birlikte bir yüzyılı aşan gelişmesi sonunda, günümüz değişik ihtiyaçlarını karşılayan çeşitli cinslerde çimentonun üretildiği büyük bir endüstri dalının oluştuğu bir gerçektir. Bu gerçeğin, ülkemizde de, 1950 lerden sonra başlayan ve halen devam etmekte olan hızlı bir gelişme sürecinin içerisinde bulunduğu bilinmektedir. Çimentolar bilindiği gibi değişik yapılarda, farklı şekillerde kullanılmaktadır. Bu nedenle kullanıldığı yere bağlı olarak çimentoların farklı özelliklere bağlı olması istenir. Örneğin; bir çimento türü normal bir bina için uygun olabilir, ancak bir deniz yapısı için ise uygun olmayabilir. Bir çimentonun hangi cins yapılarda kullanılmaya elverişli olduğu ve ne gibi hallerde kullanılmaması gerektiği özelliklerinin incelenmesi sonucu ortaya çıkar. Bu değişik ihtiyaçlar çerçevesinde Türkiye deki çimento fabrikalarında Puzolan katkılı çimentolarların normal portland çimentolarına göre daha nitelikli bir malzeme olmaları nedeniyle, normal portland çimentosundan ziyade, genellikle her çimento fabrikasının yakınında bulunan puzolanik özelliklere sahip katkılı portland çimentoları üretilmektedir. Araştırmalar göstermiştir ki portland çimentoları ile optimum miktarlarda kullanılan yüksek fırın cürufu betonun özelliklerini olumlu yönde geliştirebilmektedir [1]. Ayrıca cüruf, uçucu kül ve silis dumanı gibi puzolanlar standartların izin verdiği ölçüde öğütülüp çimentoya katılarak hem endüstriyel atıkları değerlendirmek hem de çimento maliyetini düşürmek amacıyla önemli rol oynamaktadırlar. Çalışmamızda kullanılan Yüksek Fırın Cürufu demir çelik fabrikalarında kullanılan atık bir malzemedir. Bu malzemelerin kullanım alanları sınırlı olmakla birlikte depolanmaları da sorun teşkil etmektedir. Özellikle su ile temas halinde olan yapılar, örneğin köprü ayakları, yer altı su seviyesinin altında kalan yapılar deniz yapıları sülfatlı suların etkisi altında

15 2 kalmaktadır. Öte yandan gübre fabrikalarında nitrat bazlı gübrelerin üretildiği ve depolandığı yerlerdeki betonlarda nitrat etkisini maruz kalıp hasara uğramaktadırlar. Bu çalışmada yüksek fırın cürufunun harçlı çimento üzerindeki basınç dayanımı incelenmiş ve daha sonra yine aynı oranlarla ikame edilen yüksek fırın cüruflu harç numunelerinin sülfata ve nitrata karşı dayanıklılığının hangi düzeyde olduğu araştırılmıştır. Öncelikle YFC ile üretilen harç numuneleri 2, 7, 28 ve 45 gün suda kür edilmiş numunelerin basınç dayanımları ve fiziksel özellikleri incelenmiştir. Daha sonra yine aynı oranlarda YFC ile üretilen harç numuneleri 2, 7, 28 ve 45 gün deniz suyu ve amonyum nitrat çözeltileri içerisinde kür edilerek, her iki durumdaki basınç dayanımları karşılaştırılmıştır.

16 3 2. KURAMSAL 2.1. Çimento Çimento, killi ve kalkerli kütlelerin belirli miktarda karıştırılıp boyutu belirli bir orana gelinceye kadar kırıldıktan sonra C arasında pişirilmesi sonucunda ortaya çıkan klinker adlı malzemeye % 3-6 arasında alçı ilave edilip öğütülerek elde edilen üründür. Su ile birleştiğinde hidrolik bağlayıcılık özelliği kazanmaktadır [2]. Türkiye de, (TS EN 197-1) e uygun olarak üretilen çimentoların ana çeşitleri ve genel çimento tipleri çizelge 2.1 de verilmiştir. TS EN e göre üretilen çimentolara CEM çimentosu adı verilmektedir. Çimento içinde bulunabilecek bileşikler ve sınır değerleri çizelge 2.2 ve çizelge 2.3 de görülmektedir. çizelgede görüldüğü gibi CEM I Portland Çimentosu, CEM II Portland Kompoze, CEM III Yüksek Fırın Curufu Çimentosu, CEM IV Puzolanlı Çimento ve CEM V Kompoze Çimento olarak ana sınıfa ayrılmıştır. CEM çimentosunda, reaktif kalsiyum oksit (CaO) ve reaktif silisyum aksitin (SiO 2 ) oranlarının toplamı kütlece en az % 50 olmalıdır. Çimento içindeki magnezyum oksit (MgO) oranı % 0,1 ile % 4 arasında olması gerekir. Eğer magnezyum oksit (MgO) oranı % 5 den fazla olursa taze veya nemli betonlarda aşırı genleşme meydana getirebilir. Betonun hacim genleşmesine etki eden diğer bir çimento bileşeni ise serbest kireçtir (CaO). Hacim genleşmesi, aylar bazen de birkaç yıl sürebilir. Çimento kimyasal analizlerinde kızdırma kaybı ve çözülmeyen kalıntı sıkça rastlanan bir ifadedir. Kızdırma kaybı; ağırlığı önceden bilinen (1 0,05 g) çimento numunesinin yüksek sıcaklıkta (yaklaşık 1000 o C) kızdırılması sonucunda meydana gelen ağırlıkça % olarak ifade edilen kayba denir. Çözülmeyen kalıntı ise, çimento veya agreganın, standartlarda öngörülen hidroklorik asit konsantrasyonu etkisinde kaldığı halde çözünmeyen kısmın oranıdır [4]. Bu kayıp çimento içindeki üretim esnasında bünyesine aldığı nem ve öğütme sırasında havadan aldığı karbondioksittir. Kızdırma kaybı çimento cinsine bağlı olmak üzere en fazla % 4 olmalıdır.

17 4 Genellikle çimento çeşitlerine veya tiplerine bağlı olarak çimentonun içinde az da olsa potasyum, fosfor, sodyum ve manganez gibi maddeler bulunmaktadır. Çimento içinde bulunan sodyum oksit ve potasyum oksit miktarları beton için tehlikeli maddelerdir. Bu maddeler alkali-agrega reaksiyonu gibi beton için tehlikeli olan reaksiyonlar başlatan ana maddelerdir. Çimento alkalitesi ise portland çimentosu içinde bulunan sodyum oksit ile potasyum oksidin sodyum oksit içinden eşdeğerinin toplamının çimento miktarına oranıdır (Na 2 O+0,658K 2 O).

18 5 Çizelge 2.1. Çimento çeşitleri [4] Ana tipler CEM I CEM II CEM III CEM IV Genel Tipleri CEM I CEM 80- II/A-S 94 CEM 65- II/B-S 79 CEM 90- II/A-D 94 Portlant Çimento Portlantcuruflu Çimento Portlantsilis Dumanlı Çimento Portlant- Puzolanlı Çimento Portlant- Uçucu küllü Çimento Portlant- Pişmiş Şistli Çimento Portlant- Kompoze Çimento Yüksek fırın Curuflu Çimento Puzolanik Çimento Çimento 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-M CEM II/B-M CEM III/A CEM III/B CEMIII/ C CEM IV/A CEM IV/B Bileşim ( kütlece 1) % olarak) Ana Bileşenler K S D P Q V W T L LL 2) Minör ilave Bile şenler

19 6 Bu alkaliler, Na 2 O + (0,658K 2 O) çimento içinde en fazla % 0,6 olmalıdır. Eğer Na 2 O + (0,658K 2 O) oran % 0,6 dan az ise düşük alkalili çimento olarak tanımlanmaktadır. Bu çimentolarda mevcut olabilen Na 2 O, K 2 O gibi alkali oksitlerinin agregada bulunabilecek aktif silis (kristobalit, opal, kaseduvan vb.) gibi minerallerle birleşerek bir Ca-Na-K silikat jeli oluşturduklarını biliyoruz. Bu jel şişme ve genişleme eğilimindedir ve betonda hasar oluşturur. Çizelge 2.2. Çimento içinde bulunabilecek bileşikler Malzeme Kısaltma Sınırlamalar PÇ Klinkeri K C 3 S+C 2 S % 66,7 CaO/SiO 2 2,0 MgO % 5 Granüle Yüksek Fırın Cürufu Doğal puzolan Silisli Uçucu Kül Kireçli Uçucu Kül Pişirilmiş Şeyl Kalker Silis Dumanı S P V W T L D Camsı faz miktarı % 66,7 CaO+SiO 2 +MgO % 66,7 (CaO +MgO) / SiO 2 % 66 Reaktif SiO 2 % 25 KK % 5 Reaktif CaO % 5 Reaktif SiO 2 % 25 %5 Reaktif CaO % 15 Reaktif SiO 2 %25 KK % 5 Hacim Genişlemesi 10 mm N/mm 2 Hacim Genişlemesi 10 mm CaCO 3 % 75 Kil miktarı 1,2 g/100 g Organik madde miktarı % 0,2 %5 Reaktif CaO % 15 Amorf SiO 2 % 85 KK % 4 Özgül yüzey (BET) 15 m 2 /g Reaktif CaO % N/mm 2 KK % 5 Hacim Genişlemesi 10 mm Bu olayın yer alması ortama çimentodan yeterince Na +, K + iyonlarının geçebilmesine ve jelin oluşabilmesi de ortamda yeterli miktarda Ca ++ iyonu bulunmasına bağlıdır. Uçucu kül kireci tespit ederek adı geçen iyonların ortama geçmelerini kısıtlar. Bu bakımdan alkali agrega reaksiyonunu durdurur. Ancak bunu söylerken ihtiyatlı olmak gerekir. Açıklanan yararlı etki uçucu külün belli bir orandan fazla bulunması

20 7 halinde mümkündür. Eğer uçucu kül az ise uçucu kül aktif silis miktarını arttıracağı için, reaksiyon daha da şiddetlenebilir [4]. Portland çimentoları (CEM 1) Çimentolar içinde en yaygın olarak bilinen çimentodur. Günümüzde diğer çimentolara göre üretim maliyetinin yüksek olmasından dolayı çok az veya özel istek üzerine yapılmaktadır. Diğer çimento türlerinin birçoğunun bileşimlerinde yer almaktadır. Portland çimentosunun kimyasal bileşimi yaklaşık olarak %63 CaO, %20 Si0 2, %6 A , %3 Fe 2 O 3, %2 MgO ve %1S0 3 tür. Çimentoda, reaktif CaO ve reaktif SiO 2 toplamları en az kütlece %50 olmalıdır. Analizler Çizelge 2.3 de gösterilmiştir [4]. Çizelge 2.3. Portland çimentosu kimyasal bileşimi Bileşenler Sınır değerler % min - % max Tipik Bileşim CaO SiO Al2O Fe2O3 0,5 6,0 3 MgO 0,1 0,4 2 Na2+K2O 0,2 1,3 2 SO3 1,0 3,0 1 Kızdırma Kaybı 1,0 2,0 2 Çözünmeyen Kalıntı 1,0 2,0 1 Portland çimentosunda pişme esnasında 4 ana bileşen teşekkül eder: Trikalsiyum silikat, 3CaO - Si0 2 C 3 S (Mit) Dikalsiyum silikat 2CaO - Si0 2 = C 2 S (Belit) Tetrakalsiyum alümine ferrit, 4CaO, A , Fe = C 4 AF (Felit) Trikalsiyum alüminat 3CaO - M203 = C3A (Celit)

21 Çimentonun özelliklerine ana karma bileşenlerin etkileri Doğal olarak bu maddelerin taze ve sertleşmiş betonun özelliklerinde, davranışlarında farklı etkileri mevcuttur. Bunları kısaca özetleyelim: C 2 S ve C 3 S, yani kısaca silikatlar sertleşmiş çimentonun taşıyıcı iskeletini meydana getirirler.c 3 S daha hızlı sertleşir ve dayanım kazanır, yüksek dayanımlı çimentolarda özellikle ilk dayanımı yüksek çimentolarda miktarı fazladır. Sertleşme sırasında daha çok ısı çıkarır, bu ise kusurdur. C 2 S ve C 3 S in hidratasyonu sırasında kireç (Ca(OH) 2 ) açığa çıkar. Bu sönmüş kireç miktarı C 3 S de daha fazla olur. Bu kireç, çelik donatının paslanmasını geciktirir, yararlıdır, ancak zamanla yıkanır, yeri boş kalır ve beton geçirimli olur. C 3 A, yani kalsiyum alüminat (trikalsiyum alüminat) çimentonun kimyasal dayanıklılığında en önemli rolü oynar. Sertleştikten sonra bu bileşen en düşük dayanıma sahiptir, hidratasyon sırasında büyük ısı çıkarır ve asıl önemlisi kalsiyum sülfatla, yani alçı veya alçıtaşı ile birleşerek çok büyük hacimli bir tuz (Etrenjit veya Candlot tuzu) oluşturur. Bu tuz kristalleşmiş, yani hidrate olmuş C 3 A durumunda da oluşur ve asıl kötüsü de budur. Zira bu yüksek dereceli genleşme betonu patlatır, tahrip eder. Sülfatlı ortamlarda kalacak çimentolarda, C 3 A miktarı düşük çimento seçmek zorunludur 3. C 4 AF in etkisi C 3 A nınkilere benzer, fakat etki daha düşük düzeydedir Çimentolarda minör bileşenler ve bunların etkileri Minör bileşenlerden CaO ve MgO, zamanla su alıp hidroksit haline gelirler, bu dönüşüm hacim artması ile olur ve zararlıdır. Na 2 O ve K 2 O ise, beton agregalarının opal, kalseduvan, tiyplit gibi aktif silis içermeleri durumunda hacim artışına yol açabilirler. Beton teknolojisinde çok önemli sayılan bu olaya alkali - agrega reaktivitesi adı verilir. Uzun yıllar sonra dahi ortaya çıkan bu genişleme, önemli hasarların sebebidir [3].

22 9 CEM IV ve CEM V çimentolarında, portland çimento klinkeri ve alçıtaşında puzolan veya tras adını verdiğimiz doğal aktif silis içeren maddeler vardır. Bunlar çimento fırınında pişirilmeden katıldığından çimento üretiminde büyük ekonomi sağlarlar. Ülkemiz doğal puzolan yönünden zengindir. Çimento sanayinde bu maddelerden yararlanılması kaçınılmaz ve akılcı bir yaklaşımdır. Bu maddeler, silikatların hidratasyon ürünü olan kireçle birleşerek sertleşir ve dayanım kazanır. Bu özellikleri betonun geçirimliliği üzerinde yararlıdır, öte yandan kirecin donatıyı pastan koruma niteliğini azalttıklarından zararlıdır. Etrenjit oluşumunda da sülfat iyonu dışında gerekli olan kireç bileşimini azalttıklarından yararlı bir etki meydana getirirler. Doğal puzolanlar çok farklı kökenli olabilirler:bazaltik, riyolitik vb.. gibi. Bu farklılık, tüm CEM IV ve CEM V çimentolarının aynı dayanıklılığa sahip olmayacaklarını, en azından farklı zararlı ortamlarda farklı davranış gösterebileceklerini açıklar [3] Priz süresi Beton teknolojisinde çimentonun iki özelliği fazla zamana gerek kalmadan etkilerini gösterirler. Bunlar priz ve incelik özellikleridir. Priz, çimento hamurunun veya betonun sıvı kıvamdan katı hale geçmesini tanımlar. Bu geçişin başlaması 2 ile 4 saat zarfında, sona ermesi 2.5 ile 6 saat zarfında olur. Burada standartta verilen değerler yerine, uygulamada rastlanan değerler verilmiştir. Uygulamada rastlanan en sakıncalı durumlar, prizin beklenenin dışında çok ani olarak meydana gelmesidir. Ani priz iki şekilde oluşur. Bunlar şimşek priz ve yalancı prizdir [3]. Şimşek priz Şimşek priz, C 3 A bileşeninin alçıtaşı ile denetime alınmamasından kaynaklanır. C 3 A priz olayını başlatan öğedir, ancak başlamadan sonra işlevi durdurulmazsa ortamdaki bütün suyu çekerek silikatların hidratasyonlarını tamamen önler, sertleşen çimento düşük dayanımlı, kırılgan, işe yaramayan bir madde olur. Şimşek prizi önlemeye ve meydana gelen kötü durumu gidermeye imkan yoktur. Buna karşılık, yalancı priz bazı önlemlerle geçiştirilir [3].

23 10 Yalancı priz Yalancı priz, sıcak klinkere katılan alçıtaşının istenmeyerek alçıya dönüşmesi sonucu oluşur. Islatılan çimentoda miktarı çok düşük olan bu alçı, tekrar alçıtaşına dönüşür; sertleşen alçıdır, çimento değildir. Betonyerde karıştırma işlemi uzatılarak bu geçici etkiden kurtulunur [3] İncelik ve etkileri İncelik çimentonun önemli bir özelliğidir. Çimentoya aktivite kazandıran husus onun ince olarak öğütülmesidir. Çimento ne kadar ince ise dayanımı o kadar yüksek olur. PÇ 42.5, PÇ 52.5 gibi çimentolar ince öğütülmüş çimentolardır. Bunlarda ince olan, klinker bileşiminde olan bölümdür. Bu incelik hidratasyon ısısını yükselten bir diğer faktör olmaktadır. CEM IV ve CEM V çimentolarında da kolay öğütülebilen bazı doğal puzolanlar kullanıldığında incelik fazlalaşır. Ancak bu ince bölüm, öğütülmüş klinker gibi aktivitesi belirgin olan bir bölüm değildir, yani hidratasyon ısısını yükseltmesinde fazla etkinliği yoktur. Bunlar çimentonun su tutma, su kusma ve erken rötre kapasitesi üzerinde negatif etki meydana getirir. İncelik Blaine özgül yüzeyi büyüklüğü ile nicelendirilir. Hava geçirgenliği ölçülerek saptanan bu büyüklük, bir gram çimentodaki tanelerin yüzeylerinin toplamı olarak tanımlanır (cm 2 /g ve m 2 /kg). Çimentolarda bu değer cm 2 /g arasında değerler alır [3] Hidratasyon ısısı ve termik rötre Çimentolardaki diğer önemli bir sorun hidratasyon ısısıdır. Çimentonun katılaşması, sertleşmesi fiziksel bir olaydır, ancak bu olayın kökeni kimyasal bir olaya, hidratasyona dayanır. Hidratasyon, toz çimentoyu oluşturan karma oksitlerin moleküllerine su alarak kristalleşmeleri şeklinde, basitleştirilerek açıklanabilir. Bu kimyasal reaksiyon ekzotermiktir, yani ısı çıkararak meydana gelir. Çıkan ısı fazla olursa betonun iç sıcaklığı çok yükselir; dökümü izleyen daha sonraki saatlerde ise soğuma başlar ve betonun hacmi küçülmeye başlar. Bu sırada beton katılaşmış ancak, yeterince dayanım kazanmamıştır (yeşil beton aşaması); büzülme betonun çatlamasına yol açar. Bu olaya termik rötre adı verilir. Özellikle kütlesi fazla

24 11 betonlarda (baraj betonları) olay çok zararlıdır, oldukça derin olan bu çatlaklar su geçirimliliğine neden olur. Hidratasyon ısısıyla sıcaklığı yükselen betonda plastik rötre (erken rötre) ihtimalide yüksektir. C 3 A ve C 3 S yönünden zengin ve ince öğütülmüş Portland çimentolarında (PÇ 42.5 ve PÇ 52.5) hidratasyon ısısı genellikle fazla olur. Buna karşılık CEM IV ve CEM V çimentolarında bu değer yavaş gelişir ve bu yüzden dayanım kazanma da yavaştır [5] Çimentoların mekanik dayanımları ve fiziksel özellikleri Çimentoların genel olarak dayanımları 3 sınıfta toplanmıştır. Bu çimento sınıfları dayanım kazanma sürelerine göre Normal dayanımlı(n), Yüksek erken dayanımlı olanlar (R) gruplandırılmıştır. Çimentolar bu sınıflara göre yaşlarına bağlı olarak göstermesi gereken en az dayanımlar ve priz süresi ve hacim genleşmesi Çizelge 2.4 de verilmiştir. Çizelge 2.4. Çimentoların mekanik dayanımları ve fiziksel özellikleri Dayanım Sınıfı Basınç Dayanımı Erken Dayanımı Standart Dayanım Priz başlama süresi 2 günlük 7 günlük 28 günlük (dakika) 32,5 N 16,0 32,5 52, ,5 R 10,0 Genleşme (mm) 42,5 N 10,0 42,5 R 20,0 52,5 N 20,0 52,5 R 30,0 42,5 62, ,

25 Çimentonun havayla sertleşmesi Depolanan çimento torbaları havaya maruz kaldığı zaman nem ve karbondioksit çekerek topaklaşır ve kullanılamaz hale gelir. Bu durum eğer torbalar sıkışık durumda ise daha da vahim bir hal alır, birkaç sıra torba yığınlarında bu daha da belirginleşir. Çimentoda havayla sertleşme olayı yavaş cereyan eden bir olaydır, öyle ki çoğu kez problem olmaz. Yüksek alkalili, yüksek klinker sülfatlı çimentolarda ise klinkerde mevcut potasyum sülfat ve alçı taşı olarak katılan CaSO 4 arasında meydana gelen reaksiyon nedeniyle bir sorun olarak ortaya çıkar. Bu reaksiyon sonucu Syngenile adı verilen bir hidrate çift sülfat meydana gelir. (K 2 SO 4.CaSO 4 ) bunun oluşmasıyla torba içinde sıkışan çimento partikülleri arasında bir bağ oluşarak sertleşme ve topaklaşma meydana gelir. Bu reaksiyonun başlaması için biraz suya ihtiyaç vardır. Eğer kalsiyum sülfatta yeterince hidrat suyu varsa reaksiyon kendi kendine meydana gelir. Serbest kireç, reaksiyonu inhibe eden kalsiyum sülfatın mevcudiyetinde reaksiyon hızını etkiler, öyle ki fazla miktarda potasyum sülfat içeren bir çimentoda eğer yeterince çok miktarda serbest kireç bulunuyor ve çimentoda ki kalsiyum sülfat miktarı da yeterince düşükse havayla sertleşme tehlikesi çok az söz konusu olmaktadır [6] Türkiye de çimento üretimi Türkiye'de Çimento sanayinin başlaması ve gelişmesi oldukça eski bir geçmişe sahiptir. İlk Çimento Fabrikası 1912 yılında işletmeye açılmıştır. Ancak bu tarihe kadar hidrolik bağlayıcı olarak geçmişi 1885 yılına inen su kireci fabrikaları mevcut idi ve su kireci üretimi çimento üretiminden daha fazla olmuştur. İlk Çimento fabrikaları ton /gün ve ton/gün kapasiteli inşa edilmiştir. Ülkenin cüz-i bir çimento ihtiyacını karşılayan bu fabrikalar, büyük miktarlarda ithalatın yapıldığı 1920 yılına kadar yıpratıcı bir iç piyasa rekabetine girmişlerdir. Bu

26 13 devrede milli bir sanayi kolu mahiyeti taşıyan çimento sanayine Devlet müdahalesi mevzubahis olmamış ve çimento fiyatları düşmüştür. Fabrikaların kuruluş yerlerinin askeri bölgelerde bulunması, ülkenin I. Dünya Savaşından yıpranmış olarak çıkması, Dünya İktisadi Buhranının etkisini Türkiye üzerinde göstermesi ve Devletin bu sanayi koluna müdehale ve yardım etme imkânını bulamaması çimento sanayi nin 1925 yılına kadar herhangi bir gelişme göstermesini önlemiştir yılından itibaren modern Çimento Fabrikaları kurulmaya başlanmıştır yılında ton/yıl olan çimento üretim kapasitesi 1940 yılında ton/yıl'a yükselmiştir. Dünya çapında ilk 10 içinde yer alan Türk çimento sektörü, 2007 yılında 42 milyon tonluk klinker, 52,5 milyon tonluk çimento kapasitesiyle üretim açısından Avrupa'da üçüncü sırada yer alıyor. İhracatta dünya ikincisi olan sektör, Avrupa'da ise birinci konumdadır [7]. Çizelge yılı çimento üretim ve satış miktarları Çimento Üretim Çimento İç Satış Klinker Üretim

27 14 Çizelge 2.5 de görüleceği üzere sektör, üretim ve iç satışta 2001 yılından bugüne devamlı gelişen bir trend izledi [7] Puzolanlar Kendi kendine bağlayıcılık özelliği olmayan CEM I dışında üretilen çimentolarda kullanılan doğal ve yapay puzolanik özellik gösteren silisli ve alüminli mineral katkı maddeleridir Puzolanların tarihçesi ve genel sınıfları Puzolan ismi, İtalya daki Vezüv yanardağının eteklerinde bulunan Pozzuoli isimli kasabanın isminden alınmıştır. Milattan yaklaşık 100 yıl önce, eski Romalılar, Pozzuoli kasabasının civarında volkanik kül ile söndürülmüş kirecin suyla birlikte karılmasıyla elde edilen malzemenin hidrolik bağlayıcılık özelliği gösterdiğini fark etmişlerdir. O nedenle, su altında sertleşme gösterebilen bu malzeme, puzolan ismiyle anılmaya başlanmıştır [8]. ASTM C618 e göre kendi kendine bağlayıcılık özelliği çok az olan veya hiç olmayan, ancak uygun rutubet şartlarında ve normal ortam sıcaklığında kireç ile kimyasal reaksiyona girip bağlayıcı özelliği olan ürünler açığa çıkaran, ince toz halindeki silisli veya alüminli maddelere puzolan denilmektedir. Bu tanıma uygun birçok malzeme olduğu gibi, birçok endüstri atığı mineral madde de puzolanik özellikler göstermektedir. Çizelge 2.6 da puzolanların sınıflandırılması ve türleri görülmektedir [9,10]. Puzolanik maddelerin beton teknolojisinde kullanılabilmesi için bazı fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip olmaları gerekmektedir. Kimyasal bileşim, puzolanik aktivite, incelik, ısınma kaybı veya karbon miktarı, nem yüzdesi gibi puzolanlarda aranan özellikler, deney yöntemleri ve sınır değerler çeşitli standartlarda belirtilmiştir.

28 15 Çizelge 2.6. Puzolanların snıflandırılması ve türleri Doğal Puzolanlar Volkanik cüruflar Volkanik tüfler Kalsine kil ve şeyl Opalin silika Yapay Puzolanlar Yüksek fırın cürufu Uçucu kül Silis dumanı Pirinç kapçığı külü Demirli olmayan cüruflar Puzolanların kullanım yöntemleri Mineral katkı maddelerinin beton teknolojisinde kullanım yöntemleri puzolanın türüne göre değişebilmektedir. Doğal puzolanlar çoğunlukla katkılı portland çimentosu üretiminde kullanılmaktadır [11]. Bu tür çimentoların kullanılmasıyla betonda önceden belirlenmiş oranlarda puzolan kullanılmış olmaktadır. Yapay puzolanlardan yüksek fırın cürufu ve uçucu küller beton üretiminde iki yoldan kullanılmaktadırlar. Birinci yöntemde puzolan, belirli oranda uçucu kül veya cüruf içeren, katkılı portland çimentosu kullanımıyla betona katılmış olur. İkinci yöntemde ise uçucu kül veya ince öğütülmüş cüruf, betona karıştırma sırasında, çimentoya ilave ya da ikame olarak katılır [12] Yüksek fırın cürufu Yüksek fırın cüruflarının bağlayıcı özelliklere sahip olduğunun belirlenmesiyle birlikte dünyada 19. yüzyılın ikinci yarısından itibaren bu malzemeyi içeren bağlayıcıların ticari olarak üretimine başlanmıştır. Yüksek fırın cüruflarının gerek portland çimentosu hammaddesi gerekse mineral katkı maddesi olarak kullanılması, sırasıyla 1883 ve 1892 yıllarına rastlamaktadır [13].

29 16 Cüruflar çeşitli metalürji tesislerinden elde edilen atık madde gruplarından birisidir. Kimyasal kompozisyonları ve özellikleri elde edildikleri sanayi kuruluşlarının ürettiği ana ürün tipine ve üretim yöntemine bağlı olarak birbirinden çok farklılık gösterir. Örneğin, yüksek fırın cüruflarının kendi başına bağlayıcı özelliği olmasına karşın nikel ve bakır cüruflarının yalnızca puzolanik özellikleri vardır. Çeşitli cürufların kimyasal kompozisyonlarına örnekler Çizelge 2.7 de verilmiştir [14]. Çizelge 2.7. Çeşitli cürufların kimyasal kompozisyonlarına örnekler Demir Cürufları Diğer Cüruflar Oksit (%) Yüksek Fırın Cürufları (Fransa) (Japonya) (Türkiye) Linz Dona witz Cüruf u (Alm Kurşun- Çinko Cürufu (İngiltere) Nikel Cürufu (Kanada) Bakır Cürufu (Güney Afrika) Fosfor Cürufu (ABD) anya) SiO , CaO , MgO 8 8 9, Al 2 O Fe 2 O 3 0,4 0,7 0, Cürufların çimento ve beton sektörlerinde çok çeşitli kullanım olanakları bulunmaktadır. Konvansiyonel çelik üretim teknikleriyle elde edilen cüruflar kristal yapıya sahip kütleler olarak ortaya çıkar. Bu tür cüruflar ya hiç kullanılmaz ve atılırlar ya da yol malzemesi veya beton agregası olarak kullanılırlar. Buna karşılık, modern teknolojiyle çelik üretimi yapılan tesislerde camsı yapıya ve bir miktar hidrolik özelliklere sahip olan cüruflar elde edilir. Bunları çimentolu sistemlerde kullanmak mümkün olmaktadır.

30 17 Tüm cüruflar arasında en önemlisi ve en yaygın kullanım alanına sahip olanı yüksek fırın cüruflarıdır (YFC) Yüksek fırın cürufu üretimi Ham demir üretiminde atık malzeme olarak elde edilen YFC yüksek fırınlarda, daha hafif olmasından dolayı, ham demirin üstünde yer alır. Demir filizi gangı, kok ve kireçtaşının yanma sonrası artıkları YFC yi meydana getirirler. Yüksek fırındaki süreç basit olarak Şekil 2.1 de gösterilmiştir. YFC nin oluşum sıcaklığı C dir. Şekil 2.1. Yüksek fırın şeması YFC yavaş soğutulduğu takdirde kristal bir yapıya sahip olur. Bu haliyle bazalta benzer mekanik özelliklere sahiptir ve beton agregası olarak kullanılabilir. Öte yandan, hızlı soğutma uygulanması sonucunda ise camsı yapıda cüruf elde edilir. Bu tür cüruflar granüle yüksek fırın cürufu (GYFC) olarak adlandırılırlar. GYFC bir miktar hidrolik özelliğe sahiptir [14].

31 18 Erimiş haldeki cüruf yüksek fırından çıktığında hızlı olarak soğutulduğu takdirde akışkanlığındaki ani azalma kristal yapılaşmayı engeller ve camsı yapıda bir katı eriyik elde edilmesini sağlar. Bu, yarı-kararlı camsı malzeme sodyum hidroksit veya kalsiyum hidroksit gibi aktivatörler kullanılarak ya da ince öğütülmek ve portland çimentosunun hidratasyonuyla ortaya çıkan Ca(OH) 2 yi kullanmak suretiyle, hidrolik özelliğe sahip olur. Aktivasyon sonucunda, kalsiyum silikat hidratlar meydana gelir [15] yılında Emil Largens yüksek fırın cürufunun suyla granülasyonu sonucunda elde edilen malzemenin kireçle karıştırılmasıyla bağlayıcı özelliğe sahip olduğunu gözlemlemiştir [16]. Yüksek fırın cürufunun ani soğutulması için iki yöntem uygulanmaktadır. Bunlardan birincisi Granülasyon Yöntemi (Şekil 2.2), ikincisi ise Peletleme Yöntemi (Şekil 2.3) dir. Granülasyon yönteminde soğutma işlemi için çok miktarda (100m3/ton cüruf) su kullanılması zorunluluğu vardır. Bu işlem sonucunda cürufun içerdiği su miktarı yaklaşık %30 civarındadır. Bu su ya kurutucu değirmenler veya filtreli havuzlarda cüruftan uzaklaştırılır. Elde edilen GYFC nin özellikleri bakımından en iyi yöntem olmakla birlikte çok pahalı olması bu yöntemin kullanımını sınırlamaktadır [16].

32 19 Şekil 2.2. Granülasyon yönteminin şematik gösterimi Şekil 2.3. Peletleme yönteminin şematik gösterimi

33 20 Öte yandan, Kanada da geliştirilmiş, daha yeni bir yöntem (Peletleme) daha yaygın kullanım alanı bulmuştur. Bu yarı-kuru proseste erimiş haldeki cüruf önce suyla soğutulur daha sonra dönen (dakikada 300 tur) bir tambur vasıtasıyla havaya fırlatılır. Bu yöntemde kullanılan su miktarı 1 ton cüruf için yaklaşık 1 m3 tür. İşlem sonucunda cüruf içinde kalan su miktarı ise %1O un altındadır. Peletleme yöntemi sonucunda birkaç değişik boyda malzeme elde edilir. Büyük boyutlu (4-15mm) olanlar çok gözenekli ve kısmen kristal bir yapıya sahiptir. Bunlar daha çok hafif beton agregası olarak kullanılabilirler. 4mm den küçük boyutlu olanlar ise camsı yapıya sahiptirler ve çimento üretiminde katkı maddesi olarak kullanılırlar yılında Langens in YFC lerin bağlayıcı özelliklere sahip olduğu gözleminin ardından 1865 yılında ilk kez YFC-kireç karışımından elde edilen bağlayıcılar ticari olarak üretilmeye başlamıştır. YFC nin çimento hammaddesi olarak kullanımı ise ilk kez 1883 yılındadır. Portland çimentosu klinkerini GYFC ile birlikte öğüterek Portland Yüksek Fırın Cürufu çimentosunun üretimi de 1892 yılında Almanya da başlamıştır [17] Granüle yüksek fırın cürufunun yapısı Yüksek fırın cürufunun camsı yapısını önce kristal yapıdaki silika olan kuartzın yapısından yola çıkarak açıklamak mümkündür (Şekil 2.4). Şekil 2.4 a da kuartzın Si0 4 tetrahedronlarından oluşan düzgün kristal yapısı şematik olarak gösterilmiştir. Bu yapıyı oluşturan tetrahedronların her köşesi birer başka tetrahedronla ortaktır. Camsı silikada, yukarıda belirtilen yapı, tetrahedronların düzgün ve birbirini düzenli olarak tekrarlayan şekilde dizilmesinin bazı Si-O-Si bağlarının kırılması ve araya bazı metal katyonlarının girmesi nedeniyle bozulmuştur (Şekil 2.4 b). Kristal yapıdaki her tetrahedronun dört köşede birer tetrahedrona komşu olması durumu camsı silikat yapısında 1-4 komşu tetrahedron bulunması haline dönüşmüştür (Şekil 2.4 c). Artık, üç boyutlu bir kafes yapıdan söz etmek mümkün değildir. Son olarak Şekil 2.4 d de görülen camsı cüruf yapısında ise bazı Si konumları diğer atomlar tarafından işgal edilmiştir. Örneğin, Si 4 yerine Al 3 nın gelmesi bir Si0 2 nin bir AlO 2

34 21 ile yer değiştirmesi anlamına gelmektedir. Bu durumda, nötr olan elektriksel yük eksi hale dönüşür. Nört yapıyı sağlayabilmek için de araya magnezyum ve kalsiyum katyonları girer [16]. SiO4 tetrahedronu a) b) c) d) Şekil 2.4. Cürufun camsı yapısının şematik açıklanması a) Kristal yapı (Kuvartz) b) Camsı yapıdaki silika c) Camsı yapıdaki silikat d) Cüruf

35 22 Camsı faz miktarı GFYC nin hidrolik özelliklerini belirleyen en önemli unsurlardan birisidir. Lea nin belirttiğine göre, camsı faz miktarıyla dayanım arasında, kabaca da olsa doğrusal bir ilişki söz konusudur [17] Zararlı Ortamların Betona Etkisi Beton çeşitli etkiler altında bir takım kimyasal reaksiyonlar nedeniyle sahip olduğu mukavemeti zamanla kaybedebilir. Bu durumda yapı betonun maruz kaldığı kuvvetlere dayanamamanın bir sonucu olarak, kısmen veya tamamen yıkılır veya kullanılamaz hale gelir. Betonun bulunduğu bu tür ortamlara zararlı ortamlar denmektedir Portland çimentosunun sülfata dayanımı Sülfatlar genellikle sodyum, potasyum, kalsiyum veya magnezyum tuzu olarak toprakta, yeraltı suyunda, atık sularda, deniz suyunda, yağmur suyunda, kirli havada ve beton agregalarında bulunurlar [18]. Bunun dışında, düşük seviyeli nükleer atıklar da (Low level nuclear waste) sülfat içermekte olup, içerisinde saklandıkları betonarme yeraltı depolarını sülfat korozyonuna uğratabilmektedir. Sülfatın betona etkisi, hidrate Portland çimentosu ile sülfat iyonları arsında meydana gelen kimyasal reaksiyonlar yoluyla olur. Bu etki genelde iki ayrı şekilde meydana gelir: 1. Genişleme, 2. Mukavemetin zaman içinde giderek düşmesi ve bu olayla birlikte kütle azalması. Sülfatlarla, çimento arasındaki önemli bir etkenin de sülfatın katyonunun cinsinden kaynaklandığı unutulmamalıdır. Öte yandan beton genişleyince çatlamaya başlar. Bu çatlamalar sonucunda betonun geçirgenliği çoğalır ve böylece agresif suyun içeriye girişi daha kolaylaşmış olur.

36 23 Sülfat etkisi olayında, C 3 A ve alçıtaşının hidratasyonu sırasında ortaya çıkan çözünebilir sülfatlar ve Kalsiyumhidroksidin dış ortamdan gelen sülfatlarla birleşmesi söz konusudur [18]. Çimentonun hidratasyonu sırasında C 3 A(3CaO-Al 2 O 3 ) oranı %5 ten fazla olan Portland çimentolarında bu Sülfoaluminatların çoğu Monosülfoaluminat (C 3 A.CS.H 18) olarak meydana gelir.eğer C 3 A oranı %8 den fazla ise hidratasyon ürünleri ayrıca C 3 A.CS.H18 içereceklerdir.çimento hamurunda CH(Ca(OH) 2, kireç bulunması halinde bu hamur,sülfat iyonları ile karşılaşırsa, alüminat içeren her iki hidrat, etrenjite (C 3 A.CS.H32) dönüşür. Aşağıda bu kimyasal reaksiyonlar gösterilmiştir. C 3 A.CS.H CH + 2S + 12H C 3 A.CS.H 32 (2.1) C 3 A.CH.H CH + 3S + 11H C 3 A.CS.H 32 (2.2) ( C : CaO, A : Al 2 O 3, S : SO 4, H : H 2 O ) Burada C 3 A oranı ve çimentonu inceliği de önem kazanmaktadır. Çimentoda C 3 A oranı %10 dan büyük ve SO 3 miktarı yüksek ise, çimentonun incelik faktörü diğer faktörlerin üzerinde bir önem kazanır. Buradan, çimento ne kadar az SO 3 içeriyorsa ve çok ince de-ğilse, sülfata karşı o kadar dayanıklıdır sonucu çıkarılabilir. Mehta; sülfatlarla ilgili olarak oluşan genişlemelere etrenjitin neden olduğuna ait bir fikir birliği olmakla birlikte, etrenjit formasyonunun genişlemeye sebep olma şekillerinde tam bir anlaşma yoktur, demektedir [19]. Çoğu araştırmacılar genişlemeye sebep olan faktörleri genellikle iki farklı nedene dayandırmaktadırlar: 1. Etrenjit kristallerinin büyümesi ile ortaya çıkan basınç, 2. Nispeten az kristalize olmuş etrenjit tarafından alkalin ortamda suyun adsorbe edilmesi ve bunun sonucunda meydana gelen şişme. Bunlara ek olarak katyon değişim reaksiyonlarından doğan alçı oluşumu da nispeten düşük düzeyde genişlemelere neden olur. Mehta nın kimyasal reaksiyonlar ile ilgili

37 24 yaptığı gözlemlere göre sertleşmiş çimento hamurunun alçı tarafından hasara uğratılması, sertliğin ve mukavemetin azalması ve bunları genişlemenin ve kırılmanın izlemesi şeklinde olmaktadır [19]. Sülfatların sertleşmiş çimento hamuru içerisine yaptıkları difüzyonun oranı, hamurun difüzyon karakteristiklerine ve sülfat iyonlarının konsantrasyonuna bağlıdır. Hamurun difüzyon karakteristikleri onun fiziksel ve kimyasal yapısına bağlıdır. Gözenek boyutu olarak açıklanabilen fiziksel yapı bir takım permeabilite testleri ile karakterize edilebilir. Fakat ölçülen permeabilite değerleri ile gözenek boyutları arasındaki ilişki tartışılabilir bir olaydır. Kimyasal yapı ise doygun ve düzensiz gözenekler arasındaki difüzyon olayında önemlidir [18]. Sülfat katyonlarının, sülfat korozyonundaki etkileri Sülfat eriyiklerinde CaSO4 dışında çoğunlukla mevcut olan iki katyonu ( Na ve Mg ) ele alalım ve bunların kireç ve silikatlarla olan reaksiyonlarını izleyelim [19]: NaSO 4 + Ca(OH) 2 + 2H 2 O CaSO 4. 2H 2 O + 2NaOH...(2.3) MgSO 4 + Ca(OH) 2 + 2H 2 O CaS 4. 2H 2 O + Mg(OH) 2.(2.4) 3MgSO 4 +3CaO.2SiO 2. 3H 2 O + 8H 2 O 3(CaSO4.2H 2 O) + 3Mg(OH) SiO 2. H 2 O..(2.5) Yukarıda gösterilen iyon değiştirme reaksiyonlarında, reaksiyon ürünü olarak alçıtaşı (CaSO 4 2H 2 O) çıkmakta. Hacim genişlemesi ile meydana gelen alçıtaşı sülfat etkimesinin birinci aşamasıdır; alçıtaşı sonradan daha büyük bir hacim genleşmesine yol açan etrenjite dönüşebilir. Alçıtaşının su içerisinde nispeten çözülebilir karaktere sahip olması ve sağlam yapılı silikatların dahi MgSO4 durumunda çözünür bir maddeye dönüşmeleri ve çimentonun esas taşıyıcı öğelerinin bozulması hasarın nedenleridir. Öte yandan MgSO 4 ile CSH arasındaki reaksiyondan meydana çıkan Mg(OH) 2 beton yüzeyini ve gözenekleri erimeyen bir jel meydana getirerek tıkar ve zararlı sülfat

38 25 sularının beton içerisine nüfuzunu önlemek suretiyle etrenjit oluşumunu önler. Fakat uzun vadede Mg(OH) 2 (Diğer adıyla brüsit) reaksiyonunun ortaya çıkardığı 2SiO 2. H 2 O (silis jeli) ile birleşerek magnezyum silikata dönüşür. Magnezyum silikat ise, kalsiyum silikatın aksine bağlayıcı nitelikten yoksundur [20]. (2.4) Reaksiyonunda da görülebileceği gibi MgSO 4, kireçle reaksiyona girerek alçıtaşı oluşturmaktadır. Ancak kirecin az olduğu ortamlarda MgSO 4 kireç yerine direkt olarak sili-katlarla reaksiyona girebilecek ve esas yapıyı bozmak suretiyle betona zarar verecektir. Örneğin, puzolanlı çimentolarda, puzolan kireci bağladığından dolayı, kendiliğinden kireç fakiri bir ortam doğar. Bu da MgSO 4 ün silikatlarla reaksiyona girmesine sebep olacağından, MgSO 4 ün silikatlarla reaksiyona girmesine sebep olacağından, MgSO 4 ün var olduğu ortamlarda puzolanlı çimentonun kullanılması kaçınılması gereken bir husus kabul edilmelidir. Buna karşılık (2.3) reaksiyonunda gösterilen Na2SO 4 etkisi, MgSO 4 e oranla salt etrenjitli sülfat etkisi yönünden daha zararlıdır. Burada oluşan NaOH suda çözülebilen bir bileşiktir. Erimeyen Mg(OH) 2 jeli gibi betonu tıkamaz ve geçirimliliği azaltarak bir koruma sağlamaz [20]. Madej (1983) yaptığı çalışmalarda Normal Portland Çimentosundan imal edilmiş harç numunelerinin, sülfat etkisine bırakıldıkları zaman temel özelliklerinde önemli değişiklikler meydan geldiği gözlemlemiştir [20]. Bunlar ağırlık artışı, genişleme, elastisite modülünde ve basınç mukavemetlerinde ki büyük değişimlerdir. Ayrıca numunelerdeki gözeneklerin alçı kristalleri tarafından doldurulmuş oldukları da Madej in gözlemlediği diğer bir konudur. Madej, yaptığı deneyler sonucunda sülfat çözeltilerinin etki derecelerini aşağıdaki sıraya sokmuştur. Sodyum Sülfat < Magnezyum Sülfat < < Ammonium Sülfat Madej ayrıca sülfat korozyonu olayında, kullanılan çimentonun cinsinin ve reaksiyona girilen sülfat katyonunun ( Na, Mg, NH 4 ) önemli iki öğeyi teşkil ettiğini bildirmektedir.

39 26 Sülfat korozyonu Rus bilim adamı V.M.Moskvın araştırmasında [22] korozyonu 3 tipe ayırmıştır: Hidrolik Yapılardaki Korozyon konulu 1.Tip: Düşük sertlikteki suyun hareketiyle yapının yüzeyindeki çimento fazının çözülüp yıkanmasıyla oluşan korozyon. 2.Tip: Bir takım kimyasal maddelere sahip suyun, betonun içerisindeki çimento fazının bazı ana maddeleri ile reaksiyona girerek bunları eritmesi. 3.Tip: Düşük çözünebilirliğe sahip tuzların betonun gözeneklerinden ve kapilar boşluklarından girerek oluşturdukları genişleme sonucundaki korozyon. 1. Korozyondan etkilenmeyen bölge 2. 1.Tip korozyon 3. 3.Tip korozyon 4. Magnezyum-tuz korozyonu 5. Karbonatlaşmış beton tabakası. Şekil 2.5. Deniz suyunun etkisinde beton korozyonunun gelişimi 3.Tip korozyona incelemekte olduğumuz sülfat korozyonu da dahildir. Şekil 2.5 de görüldüğü gibi, sülfat etkisi sonucunda, oluşan korozyon betonun yüzeyinden ziyade daha iç tabakaları etkilemektedir. Biczok (1968), özellikle sudaki sülfatlı tuzlardan korozyonda suyun durağan veya hareketli olmasının önemini vurgulamıştır [23]. Durgun suda suyun içinde çözülmüş olarak bulunan tuzlar, betonun yüzeyi ile reaksiyona girerler. Örneğin bu şekilde suyun içindeki sodyum sülfat, çimentonun kalsiyumhidroksidi ile reaksiyona girer. Bu reksiyonun, beraberinde alçıtaşı oluşumunu getirdiğini daha önce belirtmiştik.

40 27 Ortaya çıkan bu alçı, betonun gözeneklerini belirli ölçüde tıkar ve sonuçta agresif suya karşı, beton yüzeyinde bir koruyucu tabaka oluşturur. Buna benzer şekilde beton yüzeyindeki karbonatlaşma da aynı etkiyi yapmaktadır. Bu doğal koruma, suyun harekete geçmesine kadar devam eder. Harekete geçen su ise, oluşmuş olan tabakayı yıkamak suretiyle inceltir ve agresif suyun içeriye sızmasını mümkün kılar. Portland Çimentosuna karşı en çok tehlike arz eden bileşimler arasında ammonium sülfat, kalsiyum sülfat, magnezyum sülfat ve sodyum sülfat sayılabilir. Daha az tehlike arz edenler ise potasyum sülfat ve alumiopnyum sülfat sayılabilir. Barium sülfatve kurşun sülfat suda çözülmediklerinden dolayı beton için bir tehlike arz etmezler. Ammonium sülfat, diğerlerine kıyasla betona daha değişik bir etki yapar. Sudaki bakterilerle reaksiyona giren ammonium sülfattan sülfirik asit ve nitrik asit oluşur. Bu şekilde artık bir sülfat etkisinden çok bir asit etkisi söz konusudur. Ammonium sülfat etkisine maruz kalacak betonun yüzeyi muhakkak suretle koruyucu bir malzeme ile kaplanmalıdır. Çizelge 2.8. Sülfat eriyiklerinin içinde saklanan numunelerin kıyasla % cinsinden dayanımları SAKLAMA SÜRESİ ÇÖZELTİLER SÜLFATA DAYANIKLI PORTLAND ÇMENTOSU NORMAL ÇIMENTOSU PORTLAND 6AY 1 YIL 2 YIL 6 AY 1 YIL 2 YIl SU % 5 MgSO % 0,5 MgSO % 0,5 Na2SO Parçal. % 0,5 Na2SO Doygun CaSO

41 28 Çizelge 2.8 de Department of Scientific & Industrial Research-England ta yapılmış deneylerin sonuçları görülmekte. Tablodan, Na 2 SO 4 ün zararlı olduğu görülmekle birlikte, düşük konsantrasyonlarda MgSO 4 ün daha zararlı olduğu anlaşılmaktadır [23]. Sülfat etkisine karşı korunma çareleri Sülfatlı bileşenlerin, betona olan zararını en aza indirgemek için çeşitli araştırmalar yapılmış ve sülfat etkisinden korunmak için bir takım sonuçlara varılmıştır. Bu sonuçlara varabilmek için sülfat ataklarını etkileyen faktörlerin bilinmesi gerekmektedir. Bu faktörler aşağıdaki gibi sıralanabilir [24]: 1. Mevcut sülfatın miktarı ve doğası, 2. Su seviyesinin yüksekliği ve bunun mevsimlere göre değişimi, 3. Yeraltı suyunun akışı ve toprak porozitesi, 4. Yapının şekli, 5. Betonun kalitesi. Burada en önemli faktör betonun kalitesidir. Özellikle geçirgenliği az olan betonlar, sülfata karşı en iyi korunmayı teşkil ederler. Yeterli beton kalınlığı, yüksek çimento miktarı, düşük su/çimento oranı, doğru sıkıştırma ve taze betonun iyi bir küre tabi tutulması geçirgenliğin düşük olmasına etki eden faktörlerdir. Kurumadan doğan büzülmelere, don etkisine ve donatı korozyonuna karşı ek bir korunma olarak sülfata dayanıklı çimentolar kullanılabilir [24]. %5 ten daha az C 3 A oranına sahip Portland Çimentoları ortalama şartlarda sülfat ataklarına karşı yeterli koruma sağlarlar. Fakat 1500 mg/lt tutarındaki yüksek konsantrasyonlarda alçı oluşumu ile ilgili katyon değişimi reaksiyonlarını önlemekte yetersiz kalırlar. Özellikle C 3 A oranları bu iş için çok yüksektir. Yapılan araştırmalar hidratasyon sırasında çok az veya hiç kalsiyumhidroksit içermeyen çimentoların sülfata karşı stabil bir davranış gösterdikleri ortaya çıkarmıştır. Örneğin, Aluminli

42 29 Çimentolar, %70 ten fazla cüruf içeren Yüksek Fırın Cürufu Çimentoları ve en az %25 oranında puzzolan (doğal veya düşük kalsiyumlu uçucu kül) içeren çimentolar bunlar arasında sayılabilir. Bunların dışında Yüksek Sülfatlı Çimentolar da (%85 yüksek fırın cürufu + %15 anhidrit alçı) sülfat etkilerine karşı dayanıklıdırlar [24]. Paillre ve Raverdy (1981), çimentoların deniz suyuna ve dolaysıyla sülf atlara karşı dayanıklıklarının puzzolanların varlığı halinde iyileşme gösterdiklerine dair bulgular elde etmişlerdir [25]. Bu iki araştırmacıya göre, bu iyileşme puzzolanların özgül yüzeylerinin ve C 3 A dozajının bir fonksiyonu olarak ortaya çıkıyor. Örneğin, C 3 A miktarı %9 un altında ve kullanılan puzzolan çok inceyse, (9000 cm2/gr) deniz suyuna dolaysıyla sülfat etkisine dayanıklılık tersine dönmektedir. İki araştırmacının vardığı sonuca göre, C 3 A oranı %8 in altına inerse puzzolanik katkılar büyük kabarmalara yol açarken, C 3 A oranının %10 u aşması durumunda, bu kabarma giderek azalmakta. Ayrıca, yararlı puzzolan etkisi, puzzolan 6000 cm2/gr ın altında öğütüldüğünde ortaya çıkmakta. US Bureau of Reciamation tarafından sülfat etkisi dört şiddet derecesine ayrılmıştır [24]. 1. İhmal Edilebilir Etki: Sülfat oranı %0.l in altında veya suda 150 mg/litre den az ise çimento tipi ve su/çimento oranı ile ilgili hiçbir kısıtlama yoktur. 2. Ortalama Etki: Sülfat oranı toprakta %0.1-%0.2 arasında veya su da mg/litre arasında ise ASTM Tip II çimentosu veya Yüksek Fırın Cürufu Çimentosu 0.5 ten az bir su/çimento oranıyla kullanılmalıdır. 3. Şiddetli Etki: Sülfat oranı toprakta %0.2-%2 arasında veya suda mg/litre ise ASTM Tip V çimentosu0.45 ten daha az bir su/çimento oranıyla kullanılmalıdır. 4. Çok Şiddetli Etki Sülfat oranı toprakta %2 denfazla veya suda 10000mg/litre den fazla ise ASTM Tip V çimentosuna ilaveten puzolonik bir karışım,0,5 ten az bir su/çimento oranıyla kullanılmalıdır.

43 30 Başka kaynaklara göre [24], sülfat etkisi üç sınıfa ayrılabilir: S03 rng/litre < 300 az derecede agresif So3 mg/litre orta derecede agresif So3 mg/litre > 1000 yüksek derecede agresif Deniz suyu ise burada önemli bir istisna teşkil eder. Deniz suyu yukarıdaki sınıflandırmaya göre içerdiği yüksek sülfat ve magnezyum oranı nedeniyle Yüksek derecede agresif olarak sınıflandırılabilir. Buna karşılık deniz suyunun yüksek klorit içeriği, Etrenjit ten daha az zararlı Trikalsiyumaluminat klorit hidratının oluşmasına neden olduğundan, deniz suyu bu açıdan Orta derecede agresif olarak sınıflandırılmalıdır. Beal ve Brantz yaptıkları çalışmada deniz suyuna ve sülfata karşı korunmak açısından üç ayrı madde ile karıştırılmış (Normal Portland Çimentosu, Yüksek Fırın Cürufu ve Uçucu Kül) çimento ile imal edilen betonların normal betona göre sülfatı içlerine daha az geçirdiklerini saptamışlardır [24]. Osborne (1991) ise yaptığı araştırmalar sonucunda, betonun agresif ortama maruz kalmadan evvelki kürünün sülfat dayanımına etkisini vurgulamıştır [24]. Osborne, 27 gün boyunca 20 C sıcaklık ve %65 lik nem oranına sahip bir ortamda açık hava kürüne tabi tutulan numunelerin sülfat etkisine bırakıldıktan sonra iyi bir fiziksel görünüme, mukavemet artışına ve düşük sülfat geçirimliliğine sahip olduklarını gözlemlemiştir. Almeida (1991), süperpiastifiyanlarla ürettiği ve sonra da sülfat etkisine bıraktığı numunelerin diğerlerine kıyasla daha dayanıklı olduğunu gözlemlemiştir [24]. Uygun koşullarda yapılmış yüksek basınçlı buhar kürü de sülf ata karşı dayanıklılığı arttırmaktadır. Lea ya göre böyle bir kür, betonları sodyum sülfat ve kalsiyum sülfat etkisine karşı tamamen dayanıklı yapmakta, magnezyum sülfat a karşı ise dayanımını arttırmaktadır. Öte yandan 100 C nin altında bir sıcaklığa sahip atmosfer basıncındaki buhar kürü sülfat dayanımını arttırmaktan ziyade, düşürmektedir.

44 31 İnşaat uygulamalarında sülfat etkisi Aşağıda, inşaat uygulamalarında sülfat etkisi ile ilgili şu üç örnek verilmiştir [24]: 1. Magdeburg kentindeki Elbe köprüsünün ayaklarının inşaatı sırasında projelendirme safhasında dikkate alınmamış bir kaynak suyuna rastlanmıştır. Bu kaynak suyu, 3020 mg/litre lik. Bir Na 2 SO 4 oranına sahipmiş. Temel ayağının taze betonuna karşı etkili olan bu su, betonun 4 yıl içerisinde 8 cm havaya kalkması sonucunda, kırılmaların meydana gelmesine sebeb olmuştur. Sonuçta, bozulan bölümler tamamen kırılıp baştan yapılmış ve tamirat içinse Ferrocement ve Yüksek Fırın Cürufu Çimentosu kullanılmıştır. 2. Bellport, Wyoming, Montana, Güney Dakota, Kolorado ve Kaliforniya da ki bazı hidrolik yapılarda sülfat etkisinden dolayı edindikleri tecrübeleri anlatmıştır. Birçok olayda toprağın sülfat oranı % 4.55 ten yüksek, suyun sülfat oram ise 9900 mg/litre dolaylarındaymış yaşlarındaki beton yapılarda çeşitli zararlar gözlenmiş. Yapılan çalışmalar sonucunda %1-%3 arası C 3 A içeren çimentoların %10 C 3 A ve yüksek miktarda trikalsiyumsilikat (%58- %76 arası) içeren çimentolara kıyasla daha iyi performans gösterdikleri bulunmuştur. 3. İnşaat uygulamalarında olağandışı bir olay da Yeni Zelanda da ortaya çıkmış. Bu ülkenin demiryolu şebekesine hizmet veren üç tüneldeki beton astarlarda zemin kotundan m üzerinde ve inşaat derzleri çevrelerinde malzeme korozyona uğramış. Yerinde yapılan incelemelerde zarara uğramış bölgelerde ince, iğnemsi kristallere rastlanmış. Bu kristaller incelenmeye alındığında, bunların mirabilit (Na 2 SO 4 10H 2 0) oldukları anlaşılmış. Buna karşılık, beton yüzeyinin iç kısımlarında mirabilite rastlanmamış. Yapılan incelemede gerek kimyasal etkiye maruz kalmış betonda, gerekse sağlam bölgelerde normalin üzerinde alçı dışında anormal miktarlarda Sülfoalüminata rastlanmamış. Demiryolunun altındaki ballast taşlarında yapılan incelemelerde bunların kalsit kökenli olduğu, daha alttaki toprakta ise önemli miktarda kalsit, alçı ve kil bulunduğu anlaşılmış. Kötü drenajdan ötürü tünel içerisinde ve dışarısında biriken

45 32 sular incelendiğinde, özellikle tünel içindekilerin, yüksek miktarda S04 içerdiği görülmüş. Buradan da zeminden gelen bu yüksek sülfatlı suyun ballast taşlarını da aşarak buharlaşma yoluyla betona etki edip, burada sodyum sülfat hidratlarımn ve diğer tuzların oluşmasına yol açtığı anlaşılmış den beri hizmet vermekte olan bu beton astarlarda zararın ancak 1982 de ortaya çıkması, bu gibi bir sülfat etkisinin yavaş yavaş ortaya çıktığını göstermektedir. Mehta ayrıca toprak, yeraltı suyu, deniz suyu ve endüstriyel suların yanında hava kirliliğinin ve yağmur suyunun da bir sülfat kaynağı olarak görülmesi gerektiğini belirtmektedir [19] Portland çimentosunun nitrata dayanımı Sülfatların aksine nitratlar deniz suyundan veya yeraltı suyundan ziyade daha çok endüstriyel sularda ve yapılarda bulunurlar. Nitrik asit tuzlan, şu da kolaylıkla çözülebilirler. Bu tuzların bazıları betona zarar vermezler. Bu zararsız tuzlar arasında aşağıdakiler sayılabilirler: Sodyum Nitrat (NaNO 3 ), Potasyum Nitrat (KNO 3 ), Kalsiyum Nitrat (Ca(N0 3 ) 2 ), Nikel Nitrat (Ni(N0 3 ) 2 ), Kurşun Nitrat (Pb(N0 3 ) 2 ). Nitrat reaksiyonları Nitrat reaksiyonlarına örnek olarak en tehlikeli Ammonium bileşiği olan Ammonium Nitrat ı ele alalım. Arnmoniun Nitrat, nitrojen bazlı bir gübredir. Ammonium Nitrat gübresi, %75 NH 4 NO 3 ve %25 CaCO 3 ihtiva eder. Bu tip gübrelerin imal edilip, depolandığı yapılarda beton elemanlar korozyondan etkilenirler [24]. Ammonium Nitrat ın Portland Çimentosuna yaptığı tesir, çok iyi bilinen sülfat etkisinden daha değişiktir. Nitrat iyonu, serbest kireçle reaksiyona girerek, kolaylıkla çözülebilen nitrat tuzlarını oluşturur. Oluşan Kalsiyum Nitrat, Trikalsiyumaluminat

46 33 Nitrat ile reaksiyona girer ve etrenjit e nazaran daha az bir hacim büyümesi ile çift bir tuz oluşturur. Ca(OH) 2 + 2NH 4 N H 2 0 Ca(NO 3 ) 4H NH 3...(2.6) 3CaOAI 2 O 6H Ca(NO 3 ) 4H 2 O 3CaO M 2 O Ca(N0 3 ) 2 10H (2.7) (2.6) ve (2.7) reaksiyonlarından yola çıkarak, betonun Ammonium Nitrat a karşı dayanımının, çimentoda ki serbest kireç miktarının Tras veya Yüksek Fırın Cürufu Çimentosu ekliyerek ayarlanması suretiyle arttırılabileceği söylenmektedir. İlginç bir araştırma olarak Goncalves ve Rodrigues (1991), 14 yı1 süren araştırmaları gösterilebilir [25]. İki araştırmacı bu çalışmalarında çimentoların Ammonium Nitrata karşı dayanımlarını incelemişlerdir. Çalışmada, Normal Portland Çimentosu, Puzzolanlı Çimento, Aluminli Çimento ve Silisli Çimento kullanılarak üretilmiş 4 cm x 4 cm x 16 cm lik harç numuneleri (Su/Çimento oranı = 0.5) %0, %0.5, %5 ve %50 Ammoniurn Nitrat içeren çözeltilerin içine konmuş ve bu numuneler periyodik olarak tartılmış ve eksenel deformasyonları belirlenmiştir. 14 yıllık deney süresi sonunda numunelerin eğilme ve basınç mukavemetleri bulunmuştur. Goncalves ve Rodrigues (1991), yaptıkları çalışmada şu sonuçları elde etmişlerdir [25]: 1. Ammonium Nitrat çözeltilerinde saklanmış numunelerin hepsi, ağırlık kaybına uğramışlardır. %0.5 lik çözeltide bazı ağırlık artışları olmuş olsa da, 14 yılsonunda en çok ağırlık kayıpları da bu çözeltide olmuştur. 2. %5 lik ve %50 lik çözeltide saklanan numunelerde gözenek oluşumu, Portland Çimentosundan imal edilmiş numuneler hariç, diğer numunelerde üçüncü ayda başlamıştır. 3. Deneye başlandıktan 14 yıl sonra belirlenen mekanik mukavemetler açısından tüm harç numuneleri Ammonium Nitrat tan etkilenmişler ve %90 ın üzerinde mukavemet

47 34 düşüşleri göstermişlerdir. Bu konuda en dayanıklı çimento ise Aluminli Çimento olmuştur. Aluminli Çimentodan sonra en dayanıklı çimento olarak Yüksek Fırın Cürufu Çimentosu gözükmektedir. 4. Yapılan kimyasal analizler sonucunda özellikle Portland Çimentosunda Aluminin ve Silisin daha az nitrat etkisinde kaldığı görülmüştür. CaO oranındaki eksilme ise daha büyük boyutlarda gerçekleşmiş (%95 oranında). İki araştırmacının, Ammonium Nitrat a karşı en dayanıklı çimentonun Aluminli Çimento olduğu ve diğer çimentolar içerisinde ise en dayanıklısının Yüksek Fırın Çimentosu olduğu sonucuna varmışlardır. M.S. Akman ve M. Yıldırım (1987), Doğal Puzzolanlar ile karıştırılmış Portland Çimentolarının Ammonium Nitrat etkisi altında Durabilite Kayıpları adlı çalışmalarında, Ammonium Nitrat etkisini incelemişler ve doğal puzzolanların, Normal Portland Çimentosunun Ammonium Nitrat a karşı dayanımını arttırdıklarını destekleyen bir sonuca varamamışlardır [26].

48 35 3. MALZEME VE YÖNTEM Deney Programının Tanıtımı Deneyler iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Programın birinci aşamasında farklı cüruf oranları, portland çimentosuna katılarak uygun TS-EN standartlarında harç numuneleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Harç betonun araştırılan özellikleri ise; - Blaine (Özgül yüzey) tayini - özgül ağırlık tayini - Priz süresi tayini - Genleşme tayini - Basınç dayanımı Programın ikinci aşamasında ise, aynı oranlardaki yüksek fırın cürufu katkılı harçlı çimento numuneleri, deniz suyu ve amonyum nitrat çözeltileri içerisinde bekletilerek, zararlı ortamların, numuneler üzerine etkisi incelenmiş ve iki durumdaki basınç dayanımları karşılaştırılmıştır. Programın 1. Aşamasındaki deneyler Karabük Karçimsa A.Ş. laboratuarlarında, 2, 7, 28 ve 45 gün bekletilerek yapılmıştır. 2. Aşamadaki deneyler ise, Gazi Üniversitesi Yapı Eğitim Fakültesi Labaratuarlarında 2, 7, 28 ve 45 gün bekletilerek yapılmıştır Malzemeler Çimento Deneylerde kullanılan çimento PÇ 42,5 olup, Ankara Set Çimento Fabrikasından, fiziksel, kimyasal ve mekanik analizini kapsayan raporla birlikte alınmıştır. Analiz sonuçları Çizelge 3.1 de verilmektedir.

49 36 Çizelge 3.1. Betonda kullanılan portland çimentosunun kimyasal analizi Özellik Portland Çimentosu (PÇ 42,5) Blaine inceliği, cm 2 /g 3597 Özgül Ağırlık, g/cm 3 3,07 Basınç Mukavemeti, N/mm 2-2 gün - 7 gün - 28 gün - 45 gün 29,9 40,0 53,1 55,8 SiO2 19,80 Al2O3 5,61 Fe2O3 3,42 Cao 62,97 MgO 1,76 SO3 2,95 Na2O 0,47 K2O 0,87 Kızdırma kaybı 2, Yüksek fırın cürufu Karabük Demir-Çelik Fabrikasından alınan yüksek fırın cürufunun fiziksel ve kimyasal analizini gösteren raporda numune ile birlikte alınarak Çizelge 3.2 de verilmektedir.

50 37 Çizelge 3.2. Betonda kullanılan yüksek fırın cürufunun kimyasal analizi NUMUNE CİNSİ : CURUF ALINIŞ TARİHİ : SAHA KODU : B ANALİZ TARİHİ: KİMYASAL BİLEŞİMİ Çözünmeyen Kalıntı (%) Rutubet ( 13) % 7,80 SiO2 (%) 39,62 Hidrolik Modül (HM) Al2O3 (%) 11,54 Silikat Modülü (SM) Fe2O3 (%) 1,50 Alümin Modül (TM) CaO (%) 33,28 Kireç Standardı (KST) MgO (%) 7,60 S= (%) 0,64 C3S = Na2O (%) C2S = K2O (%) C3A = Cl- (%) C4AF = Ateş Zayiatı (%) +0,90 TOPLAM = 94,18 CaO + SiO2 + MgO (> 66,7) (CaO + MgO) / SiO2 (> 1,0) = 80,50 = 1,03 Hidrolik index [(CaO+1,40*MgO+0,56*Al2O3)/SiO2 ] = 1,27

51 Standart kum Agrega olarak Trakya Set Çimento Fabrikasından temin edilen, Karçimsa laboratuarlarında kullanılan TS EN e uygun CEN standart kum kullanılmıştır. CEN referans kumu; genellikle doğal ve yuvarlak taneli aynı zamanda en az % 98 silisyum dioksit miktarı içeren silis kumudur. Tane dağılımı Çizelge 3.3 de gösterilmiştir. Çizelge 3.3. CEN referans kumun tane dağılımı [27] Kare göz açıklığı (mm) Yığışımlı elekte kalan (%) Tolerans , , , , , Su Karışım suyu olarak şehir şebekesi suyu kullanılmıştır Çözeltiler Deneyler için iki ayrı konsantrasyonda deniz suyu ve ( %10 ) amonyum nitrat çözeltileri hazırlanmıştır. Deniz suyu çözeltisinin kimyasal yapısına bakıldığında Çizelge 3.4 de görüldüğü gibi bütün deniz sularında, Cl, Na, SO 4 ve Mg iyonları daha fazla oranlarda bulunmaktadır. Bunlar betona olumlu veya olumsuz etki edebilecek iyonlardır.

52 39 Çizelge 3.4. Deniz sularında bulunan başlıca iyonlar İyonlar(g/lt) Akdeniz Karadeniz Atlantik Dünya ortalaması Na 11,56 4,9 9,95 11,00 K 0,42 0,23 0,33 0,40 Mg 1,78 0,64 1,50 1,33 Ca 0,47 0,24 0,41 0,43 Cl 21,38 9,50 17,83 19,80 Br 0,07-0,06 - SO 4 3,06 1,36 2,54 2,76 Deniz suyundaki tuzlara bakıldığında sodyum klorürün (NaCl) daha çoğunlukta olduğu görülürken bunu magnezyum klorür (MgCl 2 ), Magnezyum sülfat (MgSO 4 ) ve kalsiyum sülfat (CaSO 4 ) tuzları izlemektedir. Betona olumlu ve olumsuz etki edebilecek tuzlar bunlardır. Deniz suyunda bulunan başlıca tuz oranları Çizelge 3.4 de görülmektedir. Çizelge 3.5. Deniz sularında bulunan başlıca tuzlar (g/lt) Tuzlar NaCl MgCl 2 MgSO 4 CaSO 4 CaCl 2 Akdeniz 30,0 4,8 2,3 1,6 - Okyanus Orta. 26,0 3,2 2,2 1,3 0, Yöntem Blaine (özgül yüzey) tayini Alındığı kaynak: TS EN [30]. Spesifik yüzey: Toz halinde bulunan maddelerin 1 gr nın kapladığı rolatif yüzeydir. Blaine: Toz halindeki maddeleri, belirli porozitede önceden tespit edilen şartlarda sıkıştırıldıktan sonra ve yine önceden tespit edilmiş bir miktar havayı emdirerek, bu maddeden geçirtmek ve bu suretle maddelerin tane inceliğinin tespit edilmesidir. Hava akımına karşı madde tarafından gösterilen direnç, aynı şartlar altında bu maddenin tane inceliğine bağlıdır. Blaine denemesi ile çimentonun spesifik yüzeyi tayin edilir, dolayısıyla incelik hakkında bir fikir edinilir.

53 40 Spesifik yüzey sadece çimento taneciklerinin tane büyüklüğüne değil, şekline (yassılığı, yuvarlaklığı, kertikli oluğu vb.) ve çeşitli irilikteki taneciklerin yüzde oranlarına bağlıdır. Porozite; bir madde içine sıkışmış havanın o maddenin toplam hacmine oranıdır. Resim 3.1. Blaine cihazı [34]

54 41 Şekil 3.1. Blaine cihazı içindeki düzenek A - U borusu (içinde elektrik enerjisini geçiren sıvı bulunmaktadır) B - Ölçüm başlangıç elektrodu C - Ölçüm bitiş elektrodu D - Seviye, bekleme elektrodu E - Bulk kapağı (iki yanında hava girişi sağlayan oluklar bulunur) F - Bulk G - Emiş cihazı H - Bulk bağlantı yeri (ortası hava emişi için deliktir) K - Kalibrasyon ayar vidası L - Değerin okunduğu gösterge, numaratör M - Düzeltme çubuğu S - Start Özgül ağırlık tayini Deneyin Esası ve Alındığı Kaynak: Bu metod numunenin özgül ağırlık (yoğunluk) tayini metodunu kapsar (TS EN 196 6) [30].

55 42 Kullanılan Cihazlar Şekil 3.2. Özgül ağırlık (Yoğunluk) Le Chatelier balonu Deneyin Yapılışı Le Chatelier şişesi; terebentin veya gazyağı ile 0 1 mm aralığına doldurulur. Balon ve içindekiler yaklaşık yarım saat laboratuvar şartlarında bekletilir, (terebentinin balon cidarından akması sağlanır), hacim okunur (V 1 ). 64 g (m) çimento numunesi balon içine konulur. Balon hacim sabitlenene kadar bekletilir. Sıvı hacmi tekrar okunur (V 2 ).

56 43 Hesaplama m D = V 2.-V 1 D:Çimento yoğunluğu m:çimento kütlesi V 1 :ilk okunan hacim V 2 :son okunan hacim Açıklamalar: Bu metod Girdi, Ara ve Nihai ürünlere uygulanır Priz süresi tayini Deneyin Esası ve Alındığı Kaynak: Bu metot priz süresi tayin metotlarını kapsar. TS EN [29]. Laboratuar ve Cihazlar Numunelerin hazırlandığı ve deneye tabi tutulduğu laboratuvarın sıcaklığı o C ve nisbi nem en az % 65 olacaktır. Rutubet odası, (20 1) C de tutulan ve bağıl nemi %90 dan dan az olmayan. Terazi, en az 1 gr. doğrulukta tartım yapabilen. Dereceli mezür ya da büret, hacmi en az % 1 doğrulukta ölçebilen. Karıştırıcı, TS EN standardına göre düşük hızda harç karıştırma makinesi. Vicat kalıbı, sert lastikten ya da metalden yapılan 40,0 + 0,2 mm. derinlikte, üst iç çapı mm ve alt iç çapı mm. olan kesik konik. Vicat cihazı, hareketli parçalarının toplam ağırlığı gr. olan ve düşey mümkün olduğu kadar sürtünmesiz hareket eden sondası bulunan aparat. Priz başlangıç süresi için iğne; mm etkili uzunlukta ve 1,13 + 0,05 mm çaplı

57 44 Priz sona erme süresi için iğne; mm etkili uzunlukta ve 1,13 + 0,05 mm çaplı Standard Kıvam Tayini Numunelerin hazırlanmasında ve deneye tabi tutulmasında kullanılan çimento, su ve cihazlar 20 2 C olmalıdır. 1 gr. doğrulukta 500 g çimento ile yeterli miktarda su mezürle alınır ve tartılır. Su karıştırma kabına konulur. Çimento suyun üzerine 5 ile 10 saniye içinde yavaşça konulur ve ilavenin tamamlandığı an 0 zaman olarak kayıt edilir. Karıştırıcı düşük hızda 90 saniye karıştırılır. Durduktan sonra 15 saniye içinde kaşık ile kabın çeperleri sıyrılarak yeniden 90 saniye düşük hızda karıştırılır. Aynı sonucu almak kaydı ile 400 gr. çimento ile yeterli miktarda su mezürle alınıp tartılarak manuel mala ile karıştırma da yapılabilmektedir. Çimento hamuru konmadan önce vicat halkası ince bir yağ ile yağlanır. Çimento pastası altına cam plaka konulmuş vicat kalıbına sıkıştırma ve vibrasyon yapmadan hemen yerleştirilir. Kalıbın üzerinden çimento pastasının fazlası bir spatula ile testere hareketi yapılarak alınır ve düzeltilir. Vicat cihazına takılan sonda taban plakasının üzerine kadar indirilir ve taksimatlı gösterge üzerinde 0 okunacak şekilde ayarlanır. Sonda yukarı kaldırılarak duruş konumuna alınır. Vicat kalıbı ve taban plakası vicat cihazına yerleştirilir ve sondanın ucuna göre merkezlenir. Sondanın pasta üzerine hızlı inmesi engellenerek, temas edinceye kadar 1 2 saniye tutularak daha sonra serbest bırakılır ve düşey olarak sondanın pastanın merkezine kendi ağırlığı ile girmesi sağlanır. Sondanın serbest bırakılması başlangıç zamanından 4 dakika sonra olmalıdır. Sondanın serbest bırakılmasından 30 saniye sonra okuma yapılır. Sonda her batırılıştan sonra hemen temizlenir. Sondanın alt yüzü ile taban plakası arasındaki mesafeyi veren değer okunur. Bu değer çimentonun kütlesi cinsinden yüzde olarak ifade edilmek suretiyle pastanın su muhtevası ile birlikte kaydedilir.

58 45 Deney değişik miktarlarda su içeren pastalarla, sonda ve taban plakası arasındaki mesafe (6 1) mm. oluncaya kadar tekrar edilir. Standard kıvama gelen pastanın su miktarı % 0,5 lik doğrulukla standard kıvam için gerekli su miktarı olarak kaydedilir. Priz Başlama Süresinin Tayini Vicat kalıbına standard kıvamdaki çimento pastası doldurulur ve yüzeyi düzeltilir Deney sırasında vicat halkası içindeki hamur her türlü sarsıntıya karşı korunmalıdır. Vicat kalıbı taban plakası ile birlikte rutubet odasında numunenin priz başlama tahmini süresine göre bir süre bekletilir. Bu kez vicat aletinden sonda çıkarılarak priz başlangıç süresi için iğne takılır. Vicat kalıbı vicat cihazına ve iğnenin altına yerleştirilir. İğne pasta ile temas edinceye kadar yavaşça indirilir. Sonra hareket eden parçalar birden bırakılır ve iğnenin düşey olarak pastaya girmesi sağlanır. İğnenin serbest bırakılmasından 30 saniye sonra taksimatlı göstergede okuma yapılır. İğnenin ucu ile taban plakası arasındaki mesafeyi veren bu değer sıfır anından itibaren geçen süre ile birlikte kaydedilir. Priz başlangıç süresinin tesbiti için iğne en fazla 10 dakikada bir kenardan en az 10 mm boşluk kalacak şekilde hamura batırılır, iğnenin bir defa girdiği yere bir daha girmemesi için vicat halkasının durumu değiştirilir ve iğne temizlenir. Çimento hamuruna batan iğne 3 5 mm tabana uzak kaldığı an priz başlamış olur. Sıfır olarak kabul edilen zamandan, prizin başlangıç anına kadar geçen süre priz başlama süresidir.

59 46 Priz Sonu Süresinin Tayini Taban plakasının üzerinde bulunan dolu kalıp priz süresinin sonu için ters çevrilir. Priz sona erme süresi için iğne ve bağlantıları vicat cihazına takılır. Her batırma işleminden sonra iğne hemen temizlenmelidir. Numune batırma işlemleri arasında rutubet odasında tutulur. Pastaya batırma işlemleri arasındaki zaman aralıkları önceleri 30 dakikaya kadar arttırılabilir. Daha sonra en fazla her 15 dakikada bir batırılmalıdır. İğnenin girdiği yere bir daha girmemesine dikkat edilir, iğnenin hamura en çok 0,05 mm girebildiği kıvam hâsıl oluncaya kadar işlem devam eder. İğnenin ilk 0,05 mm battığı an ile sıfır olarak kabul edilen zaman en yakın 15 dakikaya yuvarlatılarak priz sona erme süresi tayin edilir Genleşme tayini Deneyin Esası ve Alındığı Kaynak: Genleşme, standart kıvamdaki çimento pastasının, iki iğnenin bağıl hareketi ile belirlenen hacim genleşmesini gözlemek suretiyle tayin edilir. TS EN Priz Süresi ve Genleşme Tayini [29]. Laboratuar ve Cihazlar Rutubet odası; C de ve bağıl nemi en az % 98 olan, Le Chatelier cihazı; Prinçten yapılmış kalıp, esnek olmalı ve kalıbın açılması için 300 gr lık bir ağırlık uygulandığında çubuk şeklindeki göstergenin uçları arasındaki mesafe kalıcı deformasyon oluşturmaksızın 17,5 + 2,5 mm. olmalı. Plakalar; kalıp yüzeyini örtecek şekilde en az 75 gr. olmalı. Deneyin Yapılışı Standard kıvamda çimento pastası hazırlanır. Vicat tayininde hazılanmış olan çimento pastası kullanılabilir. Çimento pastası hafif yağlanmış plaka üzerine konulmuş Le Chatelier kalıbının içine sıkıştırılmaksızın doldurulur.

60 47 Doldurma sırasında kalıbın açılmaması için parmak ile hafifçe sıkılır. Doldurma işlemi bitince yüzeyi düzeltilerek kalıbın üstü hafif yağlanmış plaka ile örtülür. Rutubet odasına konulan kalıp burada ,5 saat muhafaza edilir (veya plaka üzerine konulmuş olan ilave ağırlıklarla birlikte su içine de konulabilir, burada C de ,5 saat muhafaza edilir). Süre sonunda gösterge uçları arasındaki mesafe en yakın 0,5 mm ye yuvarlatılarak ölçülür (A). Kalıp su banyosuna konularak, kaynama sıcaklığına ulaştıktan sonra 3 saat 5 dakika bekletilir. Süre sonunda gösterge uçları arasındaki mesafe en yakın 0,5 mm ye yuvarlatılarak ölçülür (B). Kalıbın 20 2 C ye soğuması beklenir ve oda sıcaklığına geldikten sonra gösterge uçları arasındaki mesafe en yakın 0,5 mm ye yuvarlatılarak ölçülür (C). (C A) değerinin aritmetik ortalaması en yakın 0,5 mm ye yuvarlatılarak hesaplanır. B ve C aynı çıkıyorsa (B A) değeri kullanılarak deney süresi kısaltılabilir. Açıklamalar: Genleşme deneyinin esas amacı bağlanmamış (serbest) kalsiyum oksit ve/veya magnezyum oksit hidratasyonu sebebiyle sonradan ortaya çıkabilecek genleşme riskinin değerlendirilmesidir. Bu sebeple (C-A) farkı rapor edilir. Bu metod ara ve nihai ürün numunelerine uygulanır Dayanım tayini Deneyin esası ve alındığı kaynak: Bu metod (40 mm X 40 mm x 160 mm) olan prizmatik deney numunelerinin basınç dayanımlarını tayin eder. TS EN Dayanım tayini [28]. Laboratuar ve cihazlar Numunelerin hazırlandığı beton odasının sıcaklığı 20 o C + 2 o C ve bağıl nemi en az % 50 olacak şekilde iklimlendirilmiş olup,

61 48 Rutubet odasının bağıl nemi en az % 90 ve sıcaklığı sürekli o C olacak şekilde çalıştırılmaktadır. Kür suyu sıcaklığı o C olacak şekilde iklimlendirilmiş olup, değerleri günde en az 1 kez kayıt edilir. Karıştırıcı; 5 litrelik olan kap ile palet arasındaki boşluk, paletin kaba en yakın yerinde mm olacak şekilde düzenli olarak kontrol edilmektedir. Paletin kendi etrafında dönme hızı düşük ve yüksek olarak dakikada ve , yörüngesel dönme hızları ise ve dur. Kalıplar; kalıp et kalınlığı en az 10 mm, 400 Vickers sertliğinde ve yüzeylerin taban yüzeyine ve bitişik iç yüzeylerin birbirine diklik toleransı ISO 1101 madde 14,8 e göre 0,2 mm ve ISO 1302 standardına göre N8 den daha az pürüzlü olacak şekildedir. Aşağıdaki toleranslar dâhilinde ölçüleri kontrol edilir; Uzunluk; ,8 mm Genişlik; 40,0 + Derinlik; 40,1 + 0,1 mm Kalıp başlığı; dik kenarları 20 ile 40 mm. yükseklikte, içe doğru 1 mm den fazla taşmayan ve dış kenarları kalıp üzerine uygun şekilde yerleştirilebilmektedir. 2 adet yayıcı ve 1 adet sıyırıcı metal mastar Sarsma Cihazı (Şok Cihazı) ; Basınç dayanımı cihazı; TS EN standardına uygun. Hassas terazi; 0.01gr. Hassasiyette

62 Resim 3.2. Mikser [31] 49

63 50 Resim 3.3. Şok cihazı [32] Resim 3.4. Basınç dayanım cihazı [33]