Cem III Tipi Çimentoların Betonda Kullanımının Teknik Ve Ekonomik Yönlerinin Değerlendirilmesi

Transkript

1 Cem III Tipi ların Betonda Kullanımının Teknik Ve Ekonomik Yönlerinin Değerlendirilmesi Oktay Kutlu, Meriç Demiriz Adana San.ve Tic.A.Ş.İskenderun Tesisleri 0(326) (Pbx) Öz Öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu ihtiva eden çimentolar dünyada yaygın biçimde mevcuttur. Dürabilitesi yüksek beton elde etmek için yüksek mukavemetle birlikte düşük geçirimlilik özelliği önem arz etmektedir. Bu çalışmada Cem IIIA 42,5N tipi çimento ile üretilmiş betonların Cem I 42,5R ve Cem II/B-S 42,5R tipi çimentolarla üretilmiş betonlara göre su ihtiyaçları, günlük dayanımları, ASTM C 1202 ye göre klor geçirimlilikleri ve TS EN e göre su işleme derinliklerinin tayini karşılaştırmaları yapılmıştır.ayrıca Cem I ve Cem IIIA 42,5N tipi çimentolarla üretilmiş Kendiliğinden Yerleşen ve Sıkışan Betonların (KYB) günlük dayanımları, ASTM C 1202 ye göre klor geçirimlilikleri ve TS EN e göre su işleme derinliklerinin tayini karşılaştırmaları yapılmıştır. Anahtar sözcükler: Granüle yüksek fırın cürufu, dürabilite, geçirimlilik 1.Giriş Betonun dürabilitesini etkileyen esas problemler şunlardır: (Higgins,Uron 1991) Sülfat etkisi Klorür etkisi Alkali silika reaksiyonu Asit etkisi Deniz suyu etkisi Donma - Çözülme etkisi Aşınma duyarlılığı Çelik donatının korunması Isıl çatlaklar Kürleme hassasiyeti Erken yaşta sıcaklık artışı Sülfata mukavemet:genellikle artan öğütülmüş granüle yüksek fırın curufu miktarı nedeni ile, normal portland çimentosundakinden daha az C3A miktarı ve curufta alüminyum oksit miktarının daha az olması ile sülfata olan direnç artar. Öğütülmüş yüksek fırın curufunun miktarı % 65 veya daha fazla olduğunda sülfata dayanıklı çimentoya eşdeğer veya daha mukavim bir çimento oluşumu sağlanır. Ludwig sülfat etkisinin azalmasını sülfat iyonlarının düşük penetrasyonuna ve Ca(OH) 2 nin 447

2 düşüklüğüne bağlamaktadır. Etrenjit oluşumunu engelleyen nedenlerden biri elbette çözünen Ca(OH) 2 miktarının çok azalmasıdır ve bu durum YFC içeren çimentolarda gerçekleşen bir olgudur.(ludwig 1980) Klorüre mukavemet:cemiiia 42,5N tipi çimento ile üretilmiş betonda portland çimentolu betona göre klorür yayılımı azalmıştır. Bunun birinci nedeni öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufunun katılımı ile betonun geçirgenliğinin azalması, ikinci olarak sertleşmiş cüruflu çimento hamurunun önemli miktarda klorürü bağlayabilmesi ve böylece yayılma için gerekli konsantrasyon gradyanının oluşumunu engellemesidir. İyon ve özellikle Cl geçirimliliği betonarme elemanların en tehlikeli hasar nedeni olan donatı korozyonu üzerinde çok etkin zararlı rol oynar. Potasyum iyonlarının(k + ) diffüzyon katsayıları üzerinde Bakker in yaptığı bir araştırmada 103 günlük salt portland ve YFC katkılı harçlarda bulunan sonuçlar sırasıyla 2.96x10 8 cm 2 /s ve 0.04x10 8 cm 2 /s olmuştur, yani YFC içeren harç Portland çimentolu harca göre 100 defa daha fazla geçirimsizdir. (Bakker 1982) Alkali Silika Reaksiyonu:Öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu, dünyaca alkali silika reaksiyonu nedeniyle oluşan hasar riskini azaltan madde olarak kabul edilmektedir. Birçok incelemeler mevcuttur, ve hariç tutulmaksızın hepsi alkali silika reaksiyonunun sebep olduğu zarar verici genleşmeyi önemli ölçüde azaltıcı yeteneğini teyid etmiştir. İngiltere de minimum %50 öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufunun kullanılmasının, alkalinin bağlayıcı maddelerin dışında bir kaynaktan gelmemesi sağlandığı takdirde önleyici bir tedbir olduğu konusunda birleşilmiştir. (Higgins,Uron 1991) Aside mukavemet:genel olarak, öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufundan hazırlanan beton, normal portland çimentosundan veya sülfata dayanıklı çimentodan hazırlanan betona nazaran seyreltik aside daha dirençlidir. Deniz suyuna mukavemet:belçika, Almanya, Norveç, İngiltere ve Fransa daki çalışmalarda uzun süre denizin içinde kalmış betonların performansı üzerine çimento tiplerinin etkisini incelenmiştir. Bu çalışmalarda cüruflu çimentolar(%25-35 öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu ihtiva eden) portland çimentolarından daha uygun davranış göstermiştir ve granüle cürufça zengin cüruflu çimento (%50 den yüksek öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu ihtiva eden) istisnasız daha iyi dayanıklılık göstermiştir. Betonda daha az parçalanma ve betonarmede daha az korozyon olmuştur. (Higgins,Uron 1991). Deniz suyunun sülfatları klor miktarının yüksekliği nedeniyle aşırı genleşme oluşturmazlar, çünkü ilk etaptaki alçıtaşı(jips)oluşumu ve ikinci etaptaki etrenjit oluşumu azalır veya su tarafından yıkanarak giderilirler, öte taraftan YFC C 3 A nın oluşum miktarını düşürerek de etrenjitin meydana gelmesindeki etkinliğini yok eder. Buna karşılık boşluklar içindeki tuzların kristalleşmesi çatlamalara ve dökülmelere yol açabilir. Geçirimliliğin azaltılması ve boşlukların Mg(OH) 2 ile tıkanması bu sorunu çözer. YFC ise bu iki niteliği sağlayan bir malzemedir. Çelik Donatının Korunması: Beton da gömülü çelik, çimento hamurunun alkaliliği nedeniyle oluşacak korozyona karşı korunur. Koruma kaybı ya klorürlerin varlığı nedeniyle veya karbonatlaşma nedeniyle olabilir. Öğütülmüş granüle yüksek fırın cüruflu çimentoyla üretilmiş beton klorür nüfuzuna, normal portland çimentosuyla üretilmiş betondan önemli ölçüde daha mukavim olduğundan klorürlerin etkisi altındaki çevre şartlarında betonarme çeliğine büyük ölçüde artan bir koruma sağlar. Öğütülmüş yüksek fırın cürufunun kullanımı betonun beklenen ömrünü birkaç kat arttırır. Isıl Çatlamalara Mukavemet: Öğütülmüş granüle yüksek fırın cüruflu beton normal portland çimentolu beton kadar süratle ısı oluşturmaz ve bu özelliği betonun erken yaşlardaki ısıl çatlama riskini azaltmak için önemli bir avantaj olarak kullanılabilir. Erken Yaşlardaki Sıcaklık Artışına Duyarlılık:Eğer normal portland çimento betonu katılaşmanın erken safhalarında artan sıcaklığa maruz bırakılırsa (mesela hızlandırılmış 448

3 kürleme veya çimentoca zengin betonlarda veya kütle betonunda sıcaklık artışı gibi) daha sonraki yaşlarda dayanımda düşme ve geçirgenlikte artış olur. Bu durum potansiyel olarak dayanıklılık bakımından bir dezavantajdır. Genellikle öğütülmüş granüle yüksek fırın cüruflu betonun ne dayanımı nede geçirgenliği erken yaşlardaki sıcaklık artışından menfi şekilde etkilenir. 2.1 Malzemeler Deneysel Çalışmalar Çalışmada Adana San.ve Tic.A.Ş.tarafından üretilen Cem I 42,5R, Cem II/B-S 42,5R ve Cem III A 42,5N çimentoları kullanılmıştır.cem II/B-S çimentosu kütlece yaklaşık % 2,5 kalker ve %31 cüruf olmak üzere toplam % 33,5 ve Cem IIIA 42,5N çimentosuda kütlece yaklaşık % 4,5 kalker ve % 51 cüruf olmak üzere toplam %55,5 katkı maddesi ihtiva etmektedir.ların özellikleri Tablo1. de verilmektedir. Tablo1. Cem I 42,5R, Cem II/B-S ve Cem III A tipi çimentoların özellikleri Özellik Cem I 42,5R Cem II/B-S 42,5R Cem III A 42,5N Çözünmeyen Kalıntı(%) 0,24 0,50 0,38 SO3(%) 2,56 2,47 1,83 MgO 1,68 3,48 4,22 Kızdırma Kaybı(%) 2,85 2,08 2,25 Özgül Ağırlık(gr/cm³) 3,10 3,02 2,97 Özgül Yüzey(cm²/gr) Akışkanlaştırıcı Cem III A tipi çimentoyla yapılan deneylerde cüruf katkılı çimentolarla iyi performans sergileyen ve kimyasal içeriğinde Naftalin Sülfonatın ağırlıklı olarak yer aldığı süper akışkanlaştırıcı ve diğer iki tip çimentoyla yapılan deneylerde ise kimyasal içeriğinde Lignin Sülfonatın ağırlıklı olarak yer aldığı süper akışkanlaştırıcı katkı maddesi çimento ağırlığının %1,2 oranında karışım suyuna ilave edilerek beton karışımına katılmıştır.kendiliğinden Yerleşen ve Sıkışan Betonlarda ise sentetik polimer esaslı hiper akışkanlaştırıcı katkı çimento ağırlığının %1,2 oranında karışım suyuna ilave edilerek kullanılmıştır Agrega Normal betonlarda maksimum dane çapı 22 mm. olan 4 çeşit kırma taş agregası ve Kendiliğinden Yerleşen ve Sıkışan Betonlarda ise maksimum dane çapı 15mm.olan 3 çeşit kırmataş agregası kullanılmıştır. Agregalara ait özgül ağırlık ve su emme değerleri Tablo2. de verilmektedir. 449

4 Tablo2.Agregalara ait özgül ağırlık ve su emme değerleri Agrega Türü Özgül ağırlığı(gr/cm³) Su emme kapasitesi(%) 0-2 mm.kırma kum 2,65 2, mm.kırma kum 2,65 2, mm.ince agrega 2,68 1, mm.iri agrega 2,70 1, Agrega karışım miktarları Normal beton karışımlarında %27 oranında 0-2mm.kırma kum, %22 oranında 0-4 mm.kırma kum, %25 oranında 4-15mm.ince çakıl ve %26 oranında 15-22mm.iri çakıl dağılımı seçilmiştir. Kendiliğinden Yerleşen ve Sıkışan Betonlarda ise %24 oranında 0-2 mm.kırma kum,%36 oranında 0-4 mm.kırma kum ve %40 oranında 4-15 mm.ince çakıl kullanılmıştır. 2.2 Yapılan Deneyler Üç farklı çimento tipiyle (Cem I 42,5R, Cem II/B-S 42,5R ve Cem III A 42,5N), 5 farklı çimento dozajında (270 kg/m³,280 kg/m³, 290 kg/m³, 300 kg/m³, 310 kg/m³), çimento ağırlığının %1,2 si miktarında akışkanlaştırıcı kimyasal katkı kullanarak ve 21 cm. sabit çökme değeri hedeflenerek karışım hesapları yapılmıştır. Karışım miktarları Tablo3. de gösterilmektedir. Deney No Tablo3.Beton Karışım Oranları Türü Su/ Oranı Mik.(kg/m³) Kırma kum(kg/m³) Kırma çakıl(kg/m³) 1. CemI 42,5R 0, ,24 2. CemI 42,5R 0, ,36 3. CemI 42,5R 0, ,48 Akışkanlaştırıcı Kim.katkı(kg/m³) 4. CemI 0, ,6 42,5R 5. CemI 42,5R 0, ,72 6. CemII/BS 0, ,24 7. CemII/BS 0, ,36 8. CemII/BS 0, ,48 9. CemII/BS 0, ,6 10. CemII/BS 0, , CemIIIA 0, , CemIIIA 0, , CemIIIA 0, ,48 450

5 14. CemIIIA 15. CemIIIA 0, ,6 0, , Kendiliğinden Yerleşen ve Sıkışan Beton Deneylerinde de Cem I A tipi çimentoyla yapılmış 500kg/m³ çimento dozajlı ve Cem IIIA 42,5N tipi çimentoyla yapılmış 450 kg/m³ çimento dozajlı iki deneme çimento ağırlığının %1,2 si miktarında hiper akışkanlaştırıcı kimyasal katkı katılarak ve su/çimento oranı 0,40 seçilerek karışım hesapları yapılmıştır. Karışım miktarları Tablo4.de gösterilmektedir. Tablo4.Kendiliğinden Yerleşen ve Sıkışan Beton karışım Oranları Deney No Türü 16 CemI 42,5R 17 CemIIIA Su/ Oranı Mik. (kg/m³) Kırma Kum (kg/m³) Kırma Çakıl (kg/m3) Akışkanlaştırıcı Kim.katkı (kg/m³) Yayıl ma (cm.) 0, , , gününü doldurmuş 3 farklı tip çimentoyla üretilmiş 300 kg/m3 çimento dozajlı numuneler ve Kendiliğinden Sıkışan ve yerleşen beton numuneleri üzerinde ASTM C 1202 ye göre klor geçirimlilikleri ve TS EN e göre su işleme derinliklerinin tayini karşılaştırmaları yapılmıştır. ASTM C 1202 standardına göre yapılan deneyde beton numunesi, vakum altında suya doygun hale getirildikten sonra bir tarafında %3 lük NaCl diğer tarafında 0,3M NaOH çözeltileri bulunan hücreler arasına yerleştirilerek 60V doğrusal akım potansiyeli altında altı saat boyunca en az yarım saatte bir akım okumaları yapılmıştır. Zamana bağlı olarak çizilen akım eğrisinin altındaki alan hesaplanmış ve toplam geçen akım miktarı (Coulomb) belirlenmiştir. Basınçlı su geçirimliliği deneyinde ise etüv kurusu haline getirilen numuneler 48 saat 1 atmosfer, 24 saat 3 atmosfer ve 24 saat 7 atmosfer su basıncına maruz bırakılmış, deney sonunda numuneler yarılarak numune içerisine giren suyun derinliği ölçülmüştür.(itü Yapı Malzemesi Laboratuvarı) Elde edilen sonuçlar basınç mukavemetleri ile birlikte Tablo5. de ve Tablo6. da gösterilmiştir. Tablo5. Basınç mukavemetleri, hızlı klor geçirimliliği ve su işleme derinlikleri deney sonuçları (28 günlük numuneler üzerinde) Deney No 2 g.muk. Mpa 7 g.muk.mpa 28 günlük muk.mpa Hızlı klor Geçirimliliği (Coulomb) Su işleme Derinliği (mm.) 1. 12,9 18,7 25, ,2 19,7 27, ,9 21, ,2 22,6 28,5 > ,3 24,4 31,6 451

6 6. 9,5 17,8 27,4 7. 9,7 18,2 28, ,3 18,6 29, ,5 19, ,7 22,8 33, ,4 16,7 26, , , ,5 18,3 27, ,7 18,8 29, ,3 19,4 32,2 Tablo6.Kendiliğinden Yerleşen Betonlar üzerinde basınç mukavemetleri, hızlı klor geçirimliliği ve su işleme derinlikleri deney sonuçları (28 günlük numuneler üzerinde) Deney No 2 g.muk. Mpa 7 g.muk.mpa 28 günlük muk.mpa Hızlı klor Geçirimliliği (Coulomb) Su işleme Derinliği (mm.) ,6 42, ,7 38,9 53, DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ 3.1.Basınç Dayanımı Tablo5.de Cem IIIA 42,5N tipi çimentoyla üretilmiş 300kg./m³ dozajlı örneklerin basınç mukavemetlerinin 2. ve 7. gün sonunda Cem I 42,5R ve Cem II/B-S 42,5R ile üretilmiş örneklere göre bir miktar düşük kaldığı fakat 28.gün sonunda Cem II/B-S 42,5R ile üretilmiş örneğe çok yaklaştığı, Cem I ile üretilmiş örneğin basınç mukavemet sonucunu ise geçtiği görülmektedir. Cem II/B-S ile üretilmiş örneklerin basınç mukavemet sonuçlarının 2. ve 7.günlerde Cem I 42,5R ile üretilmiş beton sonuçlarından geride kaldığı fakat 28.günde geçtiği görülmektedir. Bu durumun da Cem II/B-S tipi çimentonun içeriğindeki % 31 nispetindeki cüruftan kaynaklandığı bilinmektedir. Tablo6.da da Kendiliğinden Yerleşen betonlar üzerindeki basınç mukavemet sonuçları incelendiğinde Cem IIIA 42,5N ile üretilmiş örneklerin 2.ve 7. gündeki basınç mukavemet sonuçlarının Cem I 42,5R li örneklere göre geride kaldığı fakat 28.gün sonunda geçtiği görülmektedir. Yine buradan da öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufunun aktivasyonunun 28.günde ve daha sonrasında devam ettiği örneklerin mukavemet artışlarına bakılarak söylenebilir. 3.2.Hızlı Klor Geçirimliliği Tablo 5.de ve Tablo 6.da da görüldüğü gibi öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu ihtiva eden Cem IIIA 42,5N ile üretilmiş örneklerin klor geçirimlilik değerlerinde Cem I ve Cem II li örneklere göre önemli azalmalar elde edilmiştir. Öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufunun zamanla artan puzolanik reaksiyonuyla birlikte klor geçirimlilikleri de önemli miktarda azalacağı söylenebilir. 3.3.Basınç Altında Su İşleme Derinliği Tayini 452

7 Cem I ve Cem II li örneklerin geçirimlilik derinlikleri Cem III lü örneklere göre daha yüksek çıkmıştır. Bu durum su/çimento oranının bir miktar daha düşük olması ve Cem III lü örneklerin öğütme inceliğinin diğerlerine göre yüksek olmasıyla açıklanabilir. 4. BETON MALİYETLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI 4, 9, 14, 16 ve 17 nolu beton karışım örneklerimizin hammadde maliyetleri, 28 günlük dayanım değerleri ve 1 MPa dayanım değerinin kaç Yeni Türk Lirasına mal olduğu Tablo7.de ve Tablo8.de gösterilmektedir. Tablo 7. Cem I 42,5R, Cem II/B-S 42,5R ve Cem IIIA 42,5N tipi çimentolarla üretilmiş betonların hammadde maliyetleri ve maliyet mukavemet ilişkisi DENEY NO Hammadde Maliyeti (YTL/m³) 28 Günlük Basınç Mukavemeti(MPa) 1 MPa fiyatı (YTL) 4 50,95 28,5 1, , , ,91 29,4 1,60 Tablo 8. Cem I 42,5R ve Cem IIIA 42,5N tipi çimentolarla üretilmiş Kendiliğinden Yerleşen ve Sıkışan betonların hammadde maliyetleri ve maliyet mukavemet ilişkisi DENEY NO Dozu Hammadde Maliyeti (YTL/m³) 28 Günlük Basınç Mukavemeti(Mpa) 1 Mpa fiyatı (YTL) , , ,57 53,5 1,32 Tablo7. ve Tablo8.de de görüleceği üzere öğütülmüş granüle yüksek fırın cüruf katkılı Cem III A tipi çimentolarla üretilmiş gerek 300 kg/m³ dozajlı ve gerekse Kendiliğinden Yerleşen ve Sıkışan beton numunelerinin 28 günlük dayanım değerleri diğer örneklere göre denk ve daha fazla, maliyetlerinin ise daha düşük olduğu görülmektedir. Özellikle Kendiliğinden Yerleşen ve Sıkışan betonlarda m3 te 50 kg. daha düşük çimento kullanımına rağmen daha fazla yayılma etkisi ve 28.gün sonunda daha yüksek mukavemet değerleriyle karşılaşılmıştır. Tablo9.Deneylerde kullanılan çimento tiplerine göre klinker miktarları ve CEM III tipi çimentoya göre miktar farkları DENEY NO Tipi Miktarı kg/m³ Klinker Kullanım % si Klinker Miktarı Kg/m³ CEM III e Göre Fark 4 CEM I 42.5R ,5 9 CEM II/B-S42.5R ,5 199, CEM III/A 42.5N ,5 133, CEM I 42.5R CEM III/A 42.5N ,

8 Tablo9. da görüleceği üzere beton üretiminde CEM III tipi çimento kullanılması, çimento üretim maliyetlerinde en önemli kalem olan klinker kullanımını önemli miktarda azaltmaktadır. CEM III/A 42.5 N tipi çimento ile yapılan 14 ve 17 no.lu karışımlarda diğer çimento tipleri ile yapılan 4,9 ve 16 no.lu karışımlara göre 66 kg/m³ ila 285kg/m³ arasında daha az klinker kullanımına olanak sağlamıştır. Bu durum üretici ve tüketici yönünden çimento ve beton maliyetlerinde tasarruf içermektedir. 5.SONUÇLAR 1. Hızlı klor geçirimliliği ve basınçlı su geçirimliliği deneylerinde çimento cinsinin etkili olduğu ve Cem III tipi çimentolu örneklerin Cem I ve Cem II li örneklere göre çok daha düşük geçirimliliğe sahip olduğu sonucu görülmektedir. Dürabilitenin vazgeçilmez şartlarından biri olan geçirimsizlik açısından cüruflu çimentoyla yapılan betonların çelik donatıyı korumada çok önemli bir görev üstlendiği söylenebilir. 2.Öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu ihtiva eden Cem III tipi çimentolarla yapılan örneklerin basınç mukavemetleri incelendiğinde 2. ve 7. gündeki değerlerin diğer çimento tipleriyle yapılan örneklere göre bir miktar daha düşük, fakat 28.gün değerlerinin ise denk ve/veya daha yüksek olduğu sonucuna varılmıştır gün sonra elde edilen basınç mukavemet değerlerine göre yapılan birim maliyet çalışmasında Cem III tipi çimentoyla yapılan örneklerin Cem I tipi çimentoyla yapılan örneklere göre % 11 daha ekonomik olduğu, Kendiliğinden yerleşen ve Sıkışan beton örneklerinde ise bu farkın %21 e kadar yükseldiği görülmektedir. 4.Küresel ısınmanın dünyamızı tehdit ettiği günümüzde 1 ton klinker üretiminin atmosfere 1 ton karbondioksit gazı vermek anlamına geldiği düşünülürse demir-çelik sanayinin atık malzemesi olan cürufla yapılacak çimentolar hava kirliliğinin ve emisyon değerlerinin azalmasında önemli bir katkı sağlayacak, çimento üretiminde tasarruf edilen klinker miktarı kadar karbondioksit çıkışı azalacaktır. TEŞEKKÜR: Bu çalışmaya verdiği destek ve katkılarından dolayı T.Ç.M.B. AR-GE Direktörü Sn.Prof.Dr.Asım YEĞİNOBALI, AR-GE Laboratuar Müdürü Sn.Tomris ERTÜN ve İ.T.Ü. Yapı Malzemeleri Ana Bilim Dalı Araştırma Görevlisi Sn.Ü.Anıl DOĞAN a teşekkür ederiz. KAYNAKLAR 1.Higgins, Uron(1991) Concrete, September/October 1991,Volume 25,No.6 2.Ludwig,U.(1980) Durability of cement mortars and concrete,durability of Building Materials and Components,ASTM STP 691,pp Bakker (1982) La durabilite des betons de ciment de haut-fourneau, Silicates Industriels,pp