Çimento katkı maddesi olarak pomzaların aktiviteleri

Transkript

1 Çimento katkı maddesi olarak pomzaların aktiviteleri Puzzolanic activity of pumice as a cement admixture Hanifi BINICI a, Mehmet Nuri BODUR b a Kahramanmaraş Sütcü İmam Üniversitesi,Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi İnşaat Mühendisliği Avşar Kampusü, Posta Kodu ve Şehir : , Telefon : , Faks: , b K. S. Ü, Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü, Avşar Yerleşkesi, Kahramanmaras, Türkiye ÖZET: Bu çalışmada, Nevşehir, Van, Kayseri ve Osmaniye-Tüysüz pomzalarının çimento üretiminde kullanılabilirliği deneysel olarak ele alınmıştır. Bunun için pomzalarının puzolanik aktiviteleri incelenmiştir Portland çimentosu ile üretilen örneklerle, Portland çimentosuna değişik oranlarda pomza katılarak üretilen örneklerin karşılaştırmaları yapılmıştır. Puzolanik aktivitenin belirlenmesinde standartlarda yer alan her iki yöntem de kullanılmıştır. Pomza-kireç karışımı ile elde edilen numunelerin 7-28 günlük basınç dayanımları ASTM C618 e göre belirlenmiştir. Çalışmada %10, %20, %30 ve %40 pomza kullanılarak üretilen örneklerin 28, 90 ve 180 günlük basınç dayanımları test edilmiştir. Çalışmada ele alınan bütün pomzaların çimento üretiminde kullanılmaya uygun olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Beton, Pomza, çimento, Dayanım, Tüysüz ABSTRACT: In this study, the puzzolanic activity of Nevşehir, Van, Kayseri ve Osmaniye- Tuysuz tuffs was studied. Both of the standard methods were used for puzzolanic activity. The relationship for the value of 7-28 days with compressive strength connected the lime standards and specific surface has also been developed. The compressive strength of the 7 and 28 days samples with tufa + lime blends were also determined. The compressive strength of the tufa- Portland blends were compared with pure Portland cement samples. The compressive strengths of the 28, 90 and 180 days cement pastes were tested on the specimens containing 10 %, 20 %, 30 % and 40 % Tufa. Comparative studies revealed the suitability of the all tuffs for use in cement production. Keywords: Concrete; Tufa; Cement; Strength; Tuysuz 1. GİRİŞ Puzolan-Kireç karışımının çok eski tarihlerden beri kullanıldığı bilinmektedir. Romalılar zamanında birçok su kemeri, köprü ve deniz yapıtı inşaatında puzolankireç harcı kullanılmıştır. Bu yapıların bir kısmı hala hizmet vermektedir (Massazza F, 1989). Kireç-tuğla toprakları karışımı Bizanslılar ve Romalılar zamanında da kullanılmıştır. Günümüzde hala Hindistan da yaygın olarak kullanılmaktadır (Taylor, 1964). Bileşiminde, doğal veya yapay puzolan bulunan betonlar genellikle su kemeri inşaatlarının duvarlarında, köprü kemerlerinde, set duvarlarında ve Romalılar devrinde yapılan inşaatlarda kullanılmıştır (Lea, 1963). 1

2 2 Tarihte Horasan harcı olarak bilinen malzeme Orta Asya da yaygın olarak kullanılmıştır (Akman, 1994). Bazı gelişmekte olan ülkelerde maliyetlerin düşük olmasından dolayı bu malzeme hala kullanılmaktadır. Örneğin, Endonezya da kireç-puzolan oranı ½ ile ¼ arasında alınarak kireç-puzolan blokları üretilmektedir. Aynı malzeme pişmiş tuğlalar ile harç yapımı, su tankları için astar üretimi gibi değişik inşaatlarda başarılı olarak kullanılmaktadır. Puzolanların tipik özelliklerinden biri kireçle reaksiyona girmeleridir. Değişik tip puzolanlarla-kireç arasındaki tepkimeler farklı reaktiviteye sahiptirler (Binici, 1999). Puzolanların aktifliğini belirlemek için iki ayrı deney yöntemi TS 689 ve ASTM C618 kullanılmaktadır. Kimyasal bileşim, termodinamik kararsızlık ve spesifik yüzeyler puzolanların aktifliklerini etkileyen faktörler arasında sayılmaktadır. Kireç çimentoya göre sabit bir karakteristiğe sahip olduğundan, puzolan-kireç harcı ile yapılan deneyler daha çabuk değerlendirilebilmektedir (Postacıoğlu, 19867). TS 689 da bağlayıcı olarak Portland çimentosu, ASTM C618 de kireç kullanılmaktadır. Çimento içerisindeki kalsiyum hidroksitin puzolan ile reaksiyonu sonunda artı mukavemetler kazandığı da bilinmektedir. Puzolanlar, hem kireçle hem de Portland çimentosu ile karıştırıldığında her iki bağlayıcıda mevcut olan serbest kireçle Ca(OH) 2 birleşerek harca bağlayıcılık özelliği kazandırmaktadır. SiO 2 2CaO ve SiO 2 3CaO, Portland çimentosunun ana bileşenleridir. Bu iki bileşen su ile birlikte olduklarında hidratasyon sonucu serbest kirecin ve Ca(OH) 2 nin oluşmasına neden olmaktadır. Portland çimentosunda Ca(OH) 2 miktarı ortalama %30 civarındadır. Kireç ve Portland çimentosunda serbest kirecin bulunması bu bağlayıcı maddelerin mekanik dayanımlarını azalttığı gibi kimyasal özelliklerini de olumsuz etkilemektedir. Silis bakımından zengin olan puzolanların serbest kireçle birleşmesi neticesinde kirecin zararlı etkileri azaltılabilmektedir. Bu sayede özellikle kimyasal etkilere karşı dayanım yükseltilebilmektedir. Yapılan araştırmalar kristal silisin kireçle birleşmediğini göstermiştir. Bu yüzden bir puzolanda koloidal silis veya aktif silis ne kadar fazla ise o puzolan o oranda yüksek bir bağlayıcılık özelliğine sahiptir. Aktif silisin belli bir değerden az olması halinde bağlayıcılık kabiliyetinin düşük olmasından dolayı, böyle bir maddenin çimento veya kireçle karıştırılarak kullanılması doğru olmaz. Bu yüzden puzolan olarak kullanılması istenilen bir maddenin aktif silis miktarının belirlenmesi gereklidir. Ancak yapılan analizlerde aktif silis miktarı değil bütün silis miktarı belirlenebilmektedir. Aslında bir puzolanda toplam silis miktarının fazla olması aktif silis miktarının da fazla olması olasılığını kuvvetlendirse bile, her zaman bu maddenin puzolanik özelliğe sahip olduğunu göstermez (Czernin,1967). Ülkemiz pomza kapasitesi açısından oldukça zengindir. Ancak, her bölgede bulunan pomza yataklarının tamamının puzolanik aktiviteleri henüz belirlenememiştir. Puzolonlarda kimyasal ve fiziksel tepkime oldukça komplekstir. Puzolan-kireç harcı karışımının, problemin çözümünde bir parametre olarak kabul edilebileceği araştırmalarda yer almaktadır. Çalışmanın amacı ülkemizde bol miktarda bulunan ve değişik illerinden alınan pomzaların çimento hammaddesi olarak kullanılabilirliğinin araştırılmasıdır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Osmaniye, Nevşehir, Van, Kayseri ve Osmaniye-Tüysüz bölgelerinde bulunan 2

3 3 bazalt esaslı pomza ile çeşitli pomzalar ele alınmıştır. Deneylerde kullanılan pomzaların kimyasal element içerikleri Tablo 1 de, fiziksel analizleri ise Tablo 2 de verilmiştir. Tüysüz pomzası ile ilgili resimler, Resim 1 de, çalışmada kullanılan Tüysüz bölgesinin haritası ise Şekil 1 de verilmiştir. Total element içerikleri için deneyler; Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği, Achan Üniversitesi ve İskenderun Çimento Fabrikasında ayrı ayrı yapılmıştır. TS 19 a uygun olarak üretilmiş olan Portland çimentosu kullanılmıştır. Portland çimentosunun kimyasal özellikleri Tablo 3 te, fiziksel özellikleri Tablo 4 te verilmektedir. Deneysel çalışmada kullanılan kireç, bölgede bulunan Kireç Fabrikasından alınmıştır. Bu fabrika kireç taşını Ceyhan Yılankale bölgesinden temin etmektedir. Kullanılan kirecin kimyasal özellikleri Tablo 5 te, fiziksel özellikleri ise Tablo 6 da verilmektedir. TS 819 da belirtilmiş olan boyutlardaki standart kum İskenderun çimento fabrikasından sağlanmıştır. Resim 1. Tüysüz Bazaltik Pomzasının Değişik Profilleri Şekil 1. Tüysüz Pomzasının Haritadaki yeri (Sakarya,1992). Tablo 1. Kullanılan Pomzaların Kimyasal İçerikleri Pomza türü SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO K 2 O Na 2 O SO 3 Yanma Kaybı Nevşehir (N) Van (V) Kayseri (K) Tüysüz (T) Pomza türü Tablo 2. Kullanılan Pomzaların Fiziksel Özellikleri İncelik Özgül yüzey Cm Elek /gr üzerinde alan % Özgül ağırlık Kg/cm 3 90 Elek üzerinde kalan % N V K T Tablo 3. Portland Çimentosunun Kimyasal Özellikleri 3

4 4 SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO K 2 O Na 2 O SO 3 Yanma Kaybı Özgül ağırlık (kg/cm 3 ) Tablo 4. Portland Çimentosunun Fiziksel Özellikleri Özgül yüzey (cm 2 /gr) 200 Elek üzerinde alan % 90 Elek üzerinde kalan % Tablo 5. Deneylerde Kullanılan Kirecin Kimyasal Özellikleri Özellikler MgO+CaO En az Bulunan (%) MgO 3.62 CO 2 En çok 1.82 Asitli çözünmeyen SiO Al 2 O 3 +Fe 2 O 3 En çok 0.8 SO 3 En çok 0.8 Tablo 6. Deneylerde Kullanılan Kirecin Fiziksel Özellikleri Standartlarda İstenen Fiziksel Özellikler Bulunan Fiziksel Özellikler Birim ağırlık standardında kirecin birim ağırlığı 0.6 kg/dm 3, kireç hamurunun birim ağırlığı en çok kg/dm 3 kg/dm 3 Elek açıklığı (mm ) % Kalan 0.63 En çok % En çok % Pomzaların öğütülmesi Pomzalar rutubetli olduğundan 5 kg malzeme etüvde 105 C 0 24 saat bekletildikten ve kırıcıdan geçirildikten sonra bilyeli değirmende öğütülmüştür. Birkaç denemeden sonra öğütme süreleri belirlendi 2.2. Puzolanik aktivitenin belirlenmesi Çalışmada önce ASTM C. 618 şartnamesine göre ağırlıkları belirlenmiş olan kireç ve pomzalar kullanılarak 4 cm x 4 cm x 16 cm boyutlu örnek numuneler üretilmiş, 7 ve 28 günlük basınç dayanımları belirlenmiştir. Daha sonra Pomza ve çimento karışımı TS 24 te verilen 4 cm x 4 cm x 16 cm boyutlu kalıplarda hazırlanmıştır. Üretilen örnekler bir gün sonra kalıplarından alınarak deney gününe kadar 18 C 0 sıcaklıktaki bir kür havuzunda korunmaya alınmıştır. Numunelerin 28, 90 ve 180 günlük basınç dayanımlar test edilmiştir. Çalışmada karşılaştırma yapabilmek için içerisinde pomza katkısı bulunmayan, tamamen çimento ile üretilen numuneler referans( R) olarak isimlendirilmiştir. Pomzaların kimyasal özellikleri TS 687 ye fiziksel özellikleri TS 24 ye göre belirlenmiştir. Normal kıvam ve priz süresi vicat aleti ile, hacim genleşmesi, Le Chatelier aleti ile, özgül ağırlık tayini Le Chatelier balonu ile yapılmıştır. 4

5 5 a. Birinci Grup Örnekler: Standart kum karışımına Portland çimentosu yerine %10, %20, %30 ve %40 puzolan katılarak örnekler üretilmiştir. Ancak tanık numune için su / çimento oranı 0.5 olması sağlanırken, yeni karışımlarda su ihtiyacı daha çok olduğundan bu oran artırılmıştır (Tablo 7). b. İkinci Grup Örnekler:Deneylerde ağırlık olarak; 1/12 kısım kireç, 2/12 kısım puzolan, 9/12 oranlarda standart kum kullanılmıştır(tablo 8). Tablo 7. Birinci Grup Deney Bileşenleri (gr) Numune türü Pomza Çimento Su Kum Referans %10 Pomzalı harç %20 Pomzalı harç %30 Pomzalı harç %40 Pomzalı harç Tablo 8. İkinci Grup Deney Bileşenleri (gr) Kireç Pomza Standart kum Su ARAŞTIRMA SONUÇLARI 3.1 Pomzaların öğütülme süreleri Çimento taneleri 5 mikron ile 90 mikron arasında değişen çaplara sahiptir. Çoğunluk 30 mikron civarındadır. Çimento tanesinin hidratasyonu dıştan merkeze doğru gelişir ve 90 günde %95 oranında tamamlanır. Bu süre zarfında ancak 5,2 mikronluk bir kısmın hidrate olduğu gözlenmiştir. Yani çapı 10 mikron olan tane tümü ile hidrate olur, çap daha büyükse orta kısım hidratlanmadan kalır, yani sertleşmez ve istenilen mukavemet sağlanmaz. Yüksek mukavemetli bir çimentoda taneler çok ince öğütülmelidir. İnceliğin mukavemet dışında, çimentoyu ıslatmak için gereken su miktarını artırması, çimentonun beton içindeki dağılımının kolaylaşması, fiziko-kimyasal bir olay olan ilk ıslanmanın gerçekleşmesi ve taneler inceldikçe daha büyük bir ısı çıkarması gibi etkileri vardır (Akman,1990). Bu çalışmada, Pomzalar öğütülmüş haldeki çimentoya katılarak deneylerde kullanılmıştır. Öğütme süreleri Şekil 2 de verilmiştir. Şekilden T pozasının en kısa zamanda V pomzasının ise en uzun sürede öğütülebildiğini göstermektedir. Ancak klinkere göre bir değerlendirme yapılırsa olduk kısa zamanda öğünebilmişlerdir.. Bu ise enerji tüketimini artırdığından çimento maliyetlerini artırmaktadır. Bu yüzden çimento üretiminde pomza kullanımı yaygınlaşacaktır. Ayrıca Pomzalar genellikle pişmiş olduklarından çimentoya öğütme aşamasında katılmaktadır. Bu da yine çimento maliyetlerini azaltacaktır. 3.2 İncelik (Özgül yüzey) Portland çimentosunun inceliği 3200 cm² / gr, pomzaların incelikleri ise cm² / gr alınmıştır. Aslında pomzaların kolaylıkla öğütülebilen malzemeler olduğunu göstermektedir. 5

6 Öğütme süresi (dakika) R T K N V Numuneler Şekil 2. Numunelerin Öğütme Süreleri 3.3 Priz süreleri Numunelerin priz süreleri Tablo 10 da verilmiştir.deney sonuçları TS10156 da verilen sınır değerler arasında kalmıştır. Priz süreleri Pomza katkı oranları arttıkça azalmaktadır. Tablo 10. Priz süreleri Numune no İncelik Priz süresi (saat) Toplam Başlangıç Bitiş süre R % 100 PÇ %90 PÇ %10 T %80 PÇ 42.5+%20 T %70 PÇ 42.5+%30 T %60 PÇ 42.5+%40 T % 90 PÇ 42.5+%10 N %80 PÇ 42.5+%20 N %70 PÇ 42.5+%30 N %60 PÇ 42.5+%40N %90 PÇ 42.5+%10V %80 PÇ 42.5+%20 V %70 PÇ 42.5+%30 V %60 PÇ 42.5+%40 V

7 7 3.4 Basınç Dayanımları Kireç kullanılarak ASTM C618 e göre yapılan deneylerde örneklerin 7 günlük basınç dayanımları Tablo 11 de, 28 günlük basınç dayanımları Tablo 12 de verilmektedir. Portland çimentosuna değişik oranlarda Pomza katılarak elde Tablo 11. Kireçli Numunelerin 7 Günlük Basınç Dayanımları Pomza türü Basınç dayanımı (MPa) T 4.85 N 5.30 V 4.47 K 4.70 Tablo 12. Kireçli Numunelerin 28 Günlük Basınç Dayanımları Pomza türü Basınç dayanımı (MPa) T 6.85 N 6.63 V 6.47 K 6.34 Tablo 13. %10 Pomzalı örneklerin basınç dayanımları (MPa) Pomza Türü Numune yaşı(gün) ve Referans T N V K R Tablo 14. %20 Pomzalı örneklerin basınç dayanımları (MPa) Pomza Numune yaşı(gün) Türü ve Referans T N V K R edilen örneklerin 28, 90 ve 180 günlük basınç dayanımları bulunmuştur. %10, %20, % 30 ve % 40 oranlarında Pomza katılarak elde edilen örneklerin basınç dayanımları Tablo da verilmektedir. Tablo 15. %30 Pomzalı örneklerin basınç dayanımları (Mpa) Pomza Numune yaşı(gün) Türü ve Referans T N V K R Tablo 16. %40 Pomzalı örneklerin basınç dayanımları (Mpa) Pomza Türü ve Referans Numune yaşı(gün) T N V K R SONUÇLAR Pomzaların serbest kireçle birleşimi ve mekanik dayanımlara etkisi olumlu olmuştur. Bağlayıcı maddeye puzolan karıştırıldığı zaman mekanik dayanımda bir artış olmaktadır. Buna göre puzolanların mekanik dayanım üzerine etkisi açık bir şekilde görülmüştür. Doğal puzolan olan pomzaların serbest kireçle birleşimi ve mekanik dayanımları benzerlik göstermiştir. Dört farklı kaynaktan sağlanarak deneylerde kullanılan pomzaların, harçların basınç dayanımlarını artırdığı gözlenmiştir. Bu 7

8 8 durum puzolanların esas olarak mekanik dayanımları artıran bir etkiye sahip olduğunu açıklamaktadır. Bunlarla birlikte aşağıda verilen sonuçlar sıralanabilir. 1-)Puzolanların karıştırılması ile bağlayıcıların mekanik dayanımında önemli bir artış olmaktadır. 2-) Harçlar üzerinde yapılan deneylerde yağlı kirecin basınç dayanımı 1-2 MPa olmaktadır (28 günde). Halbuki aynı şartlar altında yapılan deneylerde bağlayıcı maddenin kireç-puzolan karışımı olması halinde, 28 günlük basınç dayanımı 6 MPa dolayında olmaktadır. 3-)İnceliğin priz sürelerini artırdığı görülmüştür. 4-)Pomzaların %10-%30 arasında kullanılması durumunda basınç dayanımını önemli ölçüde artırdığı ve %30 dan çok kullanılması halinde ise basınç dayanımını azalttığı gözlenmiştir. 5-)Bütün pomzalarda puzolanik aktivite standart değerlerin üstünde çıkmasına karşılık Tüysüz Pomzanın puzolanik aktivitesi diğer pomzalardan daha yüksek olmuştur. 6-) K pomzasının; priz süresi daha uzun bulunmuştur. Ayrıca 28, 90 ve 180 günlük basınç dayanımları diğerlerine göre düşüktür. 7-)Bütün pomzaların kimyasal kompozisyonları, incelik değerleri ve priz süreleri ilgili standartlara uygundur. 8-)Pomzalarda aktif silis miktarının fazla olmasının basınç dayanımını artırdığı bilinmektedir. Ancak aktif silis pomzası mevcut silis miktarı olmasa gerek. Çünkü T pomzasındaki silis miktarı diğer bazı pomzalardan az olmasına karşılık basınç dayanımları daha yüksek olmuştur. 9-)Çok ince öğütüldüğü ve % 40 dan az oranında kullanılmak koşulu Osmaniye, Nevşehir, Van, Kayseri ve Osmaniye- Tüysüz pomzaları çimento üretiminde kullanılabilir. 10)Pomzalar hem kolay öğütülebildiğinden hem de çimentoya öğütme aşamasında katıldığından son derece ekonomik malzemelerdir. 6.KAYNAKLAR ASTM C618; Amerikan Standardı. Akman M.S, 1994; TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası Yayını, Panel, Aralık, Ankara. Binici, H., Kaplan, H., Kapur, S., Osmaniye Delihalil Trası ile İlgili Deneysel Çalışma, Mühendislik Bilimler Dergisi (Journal of Engineering Science), , 1998, Denizli 1999). Czernin W.,1967; Cement chemistry and phyisic.139s. Publishing, C. Inc, New York. Caijun. S., Day, R., 1996; Acceleration of Strength Gain of Lime-Puzzolan Cements by Thermal Activation, Cement and Concrete Research, Vol:23, p: Erdoğan T., 2002; Betonu Oluşturan Malzemeler (Çimentolar) 121s. Türkiye Hazır Beton Birliği-Ortadoğu Teknik Üniversitesi Basımevi Ankara. Erdoğan, T., 1995; Çimento sempozyumu, 39s, TMMOB kasım, Ankara. Lea F.M, C.B.E, D Sc, F.R.I.C., 1956; The Chemistry Of Cement And Concrete 3 rd Etition, 636s Edward Arnold Ltd. London. Massazza F., 1989; Puzolanlı Çimentolar Ve Kullanım Alanları, Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği, Mayıs, Ankara. Postacıoğlu B.,1986;Beton Cilt1, Bağlayıcı Maddeler, 175s. Matbaa Teknisyenleri Basımevi, İstanbul. Sakarya, N.,Kapur, S., 1992; Bazaltik Pomza Üzerine İnceleme (Tez) Adana, 93s. Taylor H.F.W., 1964; The Cemistry of Cement,Volum 2, 442s, Academic Pres Inc, Ltd, London. TS24,1997;Çimentoların Fiziki ve Mekanik Deneyleri, TS25,1975; Pomza, Ankara. TS26,1983; Traslı Çimento, Ankara. TS689,1975; Uçucu Küller, Ankara. TS19, 1992; Portland Çimentoları, Ankara. TS819,1976;Rilem Cembureau Standart Kumu, Ankara. 8

9 9 9