Doğal Puzolan Katkı Oranının Çimentonun Dayanım, İşlenebilirlik, Katılaşma ve Hacim Genleşmesi Özelliklerine Etkisi

Transkript

1 Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Der. Science and Eng. J. of Fırat Univ. 17 (4), , (4), , 2005 Doğal Puzolan Katkı Oranının Çimentonun Dayanım, İşlenebilirlik, Katılaşma ve Hacim Genleşmesi Özelliklerine Etkisi Şükrü YETGİN ve Ahmet ÇAVDAR Karadeniz Teknik Üni., Gümüşhane Müh. Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Gümüşhane (Geliş/Received: ; Kabul/Accepted: ) Özet: Doğal puzolanlar (tras), çimento üretim sürecine pişirme aşamasından sonra girmekte ve katılım oranına bağlı olarak çimentonun dayanım, katılaşma süresi ve hacim genleşmesi gibi özelliklerine etki etmektedir. Bu çalışmada, doğal puzolan türü ve inceliği sabit tutularak, %0, %10, %20, %25, %30, %35 kütle oranlarında tras içeren çimento üretilmiş olup tras oranı artışının, çimentonun erken yaştaki dayanımını, beklendiği gibi belirgin ölçüde düşürdüğü, bunun yanında betonun, hacim genleşme oranını yaklaşık 2/3 oranında azaltarak beton dayanıklılığına önemli oranda katkı sağlayabilecek bir özellik kazanmış olduğu belirlenmiş bulunmaktadır. Anahtar Kelimeler: Tras, tras oranı, katılaşma süresi, hacim genleşmesi, işlenebilirlik. The Effects of Trass Addition Ratio on Strength, Setting Time, and Soundness Properties of Trass - Cement Abstract: Natural pozzolans (trass) join cement production progress after kiln drying and affect strength and setting time and volume expansion of cement depending on trass ratio. In this study, the cements including 0%, 10%, 20%, 25%, 30%, 35% mass ratios trass had been produced by fixing trass type and trass fineness. It is investigated that the increase in natural pozzolan addition decreases the early age strength of cement significantly as expected and decreases the soundness of mortar by 2/3. It shows that natural pozzolan samples can make an important contribution to concrete durability. Key Words: Trass, trass ratio, setting time, volume expansion, workability. 1. Giriş Doğal puzolanlar, yaygın olarak bilinen adıyla traslar, kendi başlarına bağlayıcılık özelliğine sahip olmasalar da çok ince öğütüldüklerinde, normal sıcaklıklarda, sulu ortamlarda kireçle birleşerek bağlayıcılık özelliği kazanabilen, silis ve alümin oksitlerince zengin tüf çeşidi malzemelerdir. Türkiye doğal puzolan kaynakları bakımından zengin bir ülkedir [1, 2]. Geçen yıllarda ülkemizde üretilen çimentoların yaklaşık 1/3 ü Traslı Çimento dan oluşmaktadır [3]. Nitekim birçok Akdeniz ülkesinde de benzer uygulama söz konusudur [2]. Bu yüzden yazarlar, ülke ekonomisine sağlayacağı katkıyı düşünerek, tras içeren çimentoların özelliklerini inceleyen bir çalışma yapmayı gerekli görmüşlerdir. Yapılan çalışmalar [4, 5], CaO, MgO ve SO 3 gibi bazı zararlı maddelerin hacim genleşmesini tetikleyen etkenler olduğunu ortaya koymaktadır. Bu zararlı maddelerin çimentoda belli sınırların altında tutulmaları gerekmektedir. CaO miktarı kütlece %3, MgO miktarı ise kütlece %4.5 ten fazla olmamalıdır. İşte bu noktada doğal puzolanlar, inceliklerine bağlı olarak bu zararlı maddelerle tepkimeye girmekte ve bunların çimento içerisindeki oranlarını düşürmektedir.

2 Ş. Yetgin ve A. ÇAVDAR Doğal puzolanlar ince öğütülme yetenekleri sayesinde çimento hamurundaki mikro boşluklara kolayca girmekte ve çimento hamurunun iskelet yapısını değiştirerek dayanıklılığını artırmaktadırlar [6, 7, 8]. Buna ilaveten doğal puzolanlar, ince taneli olmaları sayesinde çimento harcı ve beton üzerinde kayganlaştırıcı bir etki de ortaya koymaktadırlar. Bu etki taze betonun kıvamını ve dolayısıyla işlenebilirliğini iyileştirmektedir [6]. Ancak doğal puzolanlar, çimentonun toplam özgül yüzeyini artırdıkları için su ihtiyacını da artırabilmektedirler [9]. Kaynaklar ayrıca, portland çimentosunun ve doğal puzolanın bir karışım halinde uygulandığı harçlarda ve betonlarda katılaşma sürelerinin, puzolanın katılım oranına, inceliğine ve reaktivitesine bağlı olarak gelişme gösterdiğini ifade etmektedirler [10 12]. Bu çalışmada, türü ve tane inceliği göreceli sabit tutularak, portland çimentosuna değişik oranlarda doğal puzolan katılması suretiyle, bu katkının çimentonun dayanım, katılaşma süreleri ve hacim genleşmesi gibi özelliklerine etkilerinin incelenmesi amaçlanmaktadır. Böylece kullanılan doğal puzolan (tras) türünün yararlılığı hakkında da bir sonuca varılmış olunmaktadır. 2. Malzeme Özellikleri ve Deneysel Yöntem 2.1. Doğal Puzolan Deneylerde kullanılan volkanik ürün çeşidi, Alaçam yöresinden (Maçka-Trabzon) alınmış olup, malzemenin kimyasal (Çizelge 1) ve mekanik özellikleri (Çizelge 2) belirlenmiştir. Gerek kimyasal deney sonuçları gerekse mekanik dayanım, malzemenin ilgili standarda (TS 25) göre öngörülen sınırların üzerinde uygunluk gösterdiğini kanıtlamaktadır. Çizelge 1. Doğal puzolanın kimyasal ve mineralojik özellikleri Kimyasal (%) ve Mineralojik Bileşim SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO SO 3 K.K. Na 2 O K 2 O Toplam Mevcut Mineraller Kuvars, pilajiyoklas, amfibol, klorit, illit, kalsit Çizelge 2. Doğal puzolanın Mekanik Özellikleri SiO 2 + Al 2 O 3 + Kızdırma 7. Günde Eğilme 7. Günde Basınç MgO (%) SO Fe 2 O 3 (%) 3 (%) Kaybı (%) Dayanımı(MPa) Dayanımı (MPa) TS 25 >70.00 <5.00 <3.00 <10.00 >1.00 >4.00 Doğal Puzolan Yapılan çalışmalar [1], doğal puzolandaki SiO 2 içeriğinin yüksekliğinin puzolanik aktiviteyi artıran önemli bir etken olduğunu söylemektedir. Nitekim Çizelge 1 de de görüldüğü gibi kullanılan doğal puzolan örneğinin SiO 2 içeriği %70.89 gibi yüksek bir orandadır. Bu ise büyük oranda kuvarz mineralinden meydana gelmektedir Çimento Örnekleri Bu çalışma için, beş farklı oranda doğal puzolan içeren ve ayrıca karşılaştırma yapılabilmesi için de doğal puzolan içermeyen bir çimento (DP00) karışımı hazırlanmıştır. Bu çimentoların karışım oranları ve adlandırmaları klinker:doğal puzolan:alçı için; 97:0:3 (DP00), 87:10:3 (DP10), 77:20:3 (DP20), 72:25:3 (DP25), 67:30:3 (DP30) ve 62:35:3 (DP35) şeklindedir. Her karışım aynı değirmende 90 dakika öğütülerek hazırlanmıştır. Bu çalışmada, sadece tras oranının çimento özelliklerine etkisi inceleneceği için tras inceliğinin bir ölçüde sabit tutulması gerekmektedir. Farklı tras oranlarında örnek çimentolar oluşturulurken, ayrıca %3 kütle oranında alçı da eklemek suretiyle beş farklı oranda tras ve klinker karışımı her seferinde ayrı bir değirmende öğütülmüştür. Ancak özellikle tras oranlarının farklı olması nedeniyle çimento örneklerinin inceliğinin sabit tutulması mümkün olmamıştır (Çizelge 3). Daha önce yapılan çalışmalarda [4, 6, 10, 13] da belirtildiği gibi inceliğin çimentoların, dayanım, hacim genleşmesi ve katılaşma süreleri gibi özelliklerine etki ettiği bilinmektedir. Bu konuya şu şekilde bir açıklama getirmek mümkün 688

3 Doğal Puzolan Katkı Oranının Çimentonun Dayanım, İşlenebilirlik, Katılaşma ve Hacim Genleşmesi Özelliklerine Etkisi gözükmektedir. Tras ve klinkerin öğütülebilme yeteneği farklı olmaktadır. Nitekim normal koşullarda trasların klinkerden daha ince ( 6000 cm 2 /g) öğütülebildiği açık olarak gözlemlenebilmekte olup kaynaklarda da sabittir. Şu halde çimento içindeki tras oranı arttıkça daha ince öğütülen tras, burada çimento inceliğini etkileyen asıl etken olmaktadır. Bu yüzden, bu kısımdaki deneylerde asıl etkili olan, çimento inceliğinden çok, tras oranı olup tane inceliğinin katkısı da yine trasın ince öğütülmesinden kaynaklandığı varsayılmıştır. Belirtilen oranlarda doğal puzolan içeren çimentoların fiziksel (Çizelge 3) ve kimyasal (Çizelge 4) özellikleri çizelgelerde sunulmaktadır. Buradan (Çizelge 4) görüldüğü gibi, doğal puzolan oranı arttıkça toplam CaO miktarı ve dolayısıyla serbest CaO oranı düşmektedir. Bu da kimyasal açıdan daha dayanıklı beton üretilebileceğinin göstergesidir. Buna ilaveten, SiO 2 ve Al 2 O 3 oranı yükselmekte fakat Fe 2 O 3 oranı ise düşmektedir. Ayrıca, Çizelge 3 te görüldüğü gibi doğal puzolan oranı arttıkça özgül yüzeyin arttığı da görülmektedir. Çizelge 3. Örneklerin fiziksel değerleri Fiziksel Özellikler DP00 DP10 DP20 DP25 DP30 DP35 Özgül Kütle (gr/cm 3 ) μ luk elekte kalan (%) μ luk elekte kalan (%) Özgül Yüzey (cm 2 /gr) Litre Kütlesi (gr/l) Çizelge 4. Örneklerin kimyasal analizleri Kütle Oranları (%) DP00 DP10 DP20 DP25 DP30 DP35 Çözünmeyen SiO Toplam SiO Toplam Al 2 O Toplam Fe 2 O Toplam CaO Toplam MgO Toplam SO Kızdırma Kaybı Na 2 O K 2 O Toplam Cl CO Mekanik deneyler EN 196 daki ilkelere göre gerçekleştirilmiştir. Buna göre, deney harçları 450 g çimento karışımı, 1350 g standart kum ve 225 g sudan oluşmaktadır. Kalıplama işlemi sonunda, nemli odada, 23 C de, 24 saat bekleyen örnekler, kalıplardan çıkarılarak deney gününe kadar bekletilmek üzere kür havuzuna konulmuştur. Basınç dayanımı deneyleri 1., 7. ve 28. günler için ayrı ayrı yapılmıştır. EN 196 daki Rilem Cembureau yöntemine göre her test günü için altı örnek olmak üzere basınç dayanımı deneyleri gerçekleştirilmiştir (Çizelge 5). Ayrıca, adı geçen standarttaki Vicat aletiyle katılaşma süreleri ve Le Chatelier yöntemine göre de hacim genleşme değerleri tespit edilmiştir (Çizelge 6). Bunun yanı sıra, EN 196 da belirtilen standart kıvamı elde etmek için gereken su miktarı değerleri de yine aynı çizelgede yer almaktadır. 3. Bulgular 3.1. Doğal Puzolan Katılım Oranın Basınç Dayanımına Etkisi Puzolanlar, betonda klinkerin hidratasyonu sonucu oluşan Ca(OH) 2 ile tepkimeye girer ve bu nedenle betona su karıştırıldıktan sonra, bir süre ortamda Ca(OH) 2 in toplanma süresince portland çimentosuna seyreltici bir etki yapar. Ancak zamanla ortamda Ca(OH) 2 birikmesi, puzolanların da sistemin dayanımını artıran etkilerinin ortaya çıkmasını sağlar. Bu nedenle, puzolan kullanımıyla 689

4 Ş. Yetgin ve A. ÇAVDAR betonun erken dayanımında bir düşüş olması beklenir. Sonuç olarak portland çimentosu ile puzolan karışımı içeren çimentolar, dolayısıyla betonlar özdeş incelikte portland çimentosu içeren betonlara göre daha uzun süre suya (kür) ihtiyaç duyarlar. Buradan da anlaşılacağı üzere traslı çimentolarla üretilen betonların, ancak geç dayanımlarının eşdeğer karşılaştırma örneklerinin sonuçlarına ulaşması hatta bunları geçmesi beklenir [11]. DP00, DP10, DP20, DP25, DP30 ve DP35 çimentolarından hazırlanmış harçlarla basınç dayanımı deneyleri yapılmış ve sonuçlar Çizelge 5 te yer almaktadır. Çizelge 5. Farklı oranlarda tras içeren çimento örneklerinin basınç dayanımları Basınç Dayanımı (N/mm 2 ) Örnek 1 Günlük 2 Günlük 7 Günlük 28 Günlük DP DP DP DP DP DP Basınç dayanımı test sonuçlarından görüldüğü gibi (Çizelge 5), doğal puzolan oranı arttıkça erken dayanım düşmektedir. Bunun sebebi, deney süresinin 28 günle sınırlandırılmış olması ve doğal puzolanın henüz tamamen hidrate olamaması olarak değerlendirilebilir. Yapılan çalışmalar, gereğinden fazla ince öğütülmüş puzolan malzeme içeren çimentoların, portland çimentosu taneciklerinin hidratasyon neticesinde birbirinden fazlaca uzaklaşmaları sonucu, basınç dayanımlarında düşüşe sebep olabileceğini de bildirmektedir [14]. Ancak yeterli (daha uzun) süre sonunda, puzolan taneciklerinin de tepkimeye girmesi sonucu bu dayanım farkının azalmış olduğu görülecektir. Bu bağlamda bir diğer dayanım etkeni de ince öğütülme yeteneğine sahip trasın mikro boşlukları iyi bir biçimde doldurabilmesi olarak ortaya çıkmaktadır. Portland çimentosu ile üretilen harç, kütlece %35 oranında tras içeren çimento ile üretilmiş harca göre, 28 gün sonunda %38 oranında bir dayanım fazlalığı sergilemektedir. Bununla birlikte, bu fark, birinci günde %56 iken, ikinci günde %49 ve yedinci günde ise %45 oranında gerçekleşmiştir. Bu durum traslı çimento örneklerinin dayanım kazanma hızlarının, portland çimentosuna göre daha yavaş olduğunu göstermekte, ancak zamanla bu farkın aşılabileceğinin de ilk işaretini vermektedir. Özellikle puzolan karışımı çimentolarla üretilen betonların ilk günlerden başlamak üzere daha özenli bir bakıma (yüzey kapatması, püskürtme, ıslatma vb.) gereksinme duydukları, bu sayede de sertleşme ve dayanım kazanımlarında belirgin bir çabuklaşma görüldüğü [15] bilinmektedir. Böylece gerçekleşen göreceli çabuk katılaşma aynı zamanda beton elamanın uç kısımlarının da direncini yükseltmiş olmaktadır. Buradan çıkarılan bir diğer sonuç ise, doğal puzolan oranının %35 gibi yüksek bir değere çıkarılmasına rağmen çimento harçlarının EN 196 da istenen en düşük mekanik özelliği (32.5 N/mm 2 ) güvenli bir şekilde sağlamasıdır. Nitekim DP35 çimentosu %35 oranında doğal puzolan içermektedir ve yaklaşık 38.0 N/mm 2 lik bir basınç dayanımına sahiptir. Bu da, özellikle yüksek dayanım gösteren çimentolara göreceli yüksek oranda puzolan katılmak suretiyle, ilk aşamada daha düşük dayanımlı bir standart çimento elde edilebileceğini ve buna göre beton tasarımı yapılması gerektiğini ortaya koymaktadır. Ancak uzun sürede bu yöntemle dayanımdan taviz verilmeden dayanıklılık şartı da sağlanmış olacaktır Doğal Puzolan Katılım Oranının İşlenebilirliğe Etkisi Çimentoya katılan tras oranı arttıkça işlenebilirlik ve dolayısıyla özdeş kıvamın elde edilebilmesi için gereken su miktarının göreceli bir artışı söz konusu olsa da (Çizelge 6), bu artışın tras katılım oranına göre daha düşük bir değer gösterdiği görülmektedir. Örneğin DP35, kütlece %35 tras ilavesiyle ancak %13 oranında bir su fazlasına gereksinim duymaktadır. Bu da trasın, su/çimento oranının fazlaca yükseltilmesine gerek duyulmadan, tane inceliğinden dolayı, özdeş taze beton kıvamının elde edilmesine önemli derecede katkı sağladığını açık bir biçimde göstermektedir. Nitekim 690

5 Doğal Puzolan Katkı Oranının Çimentonun Dayanım, İşlenebilirlik, Katılaşma ve Hacim Genleşmesi Özelliklerine Etkisi bu tane inceliğinin özellikle trasın bünyesinde bulunan SiO 2 oranın yüksek (Çizelge 1) oluşundan kaynaklandığı, bunun da çimentonun kayganlığını artırdığı bilinmektedir. Çizelge 6. Katılaşma süreleri, işlenebilirlik ve hacim genleşmesi değerleri Çimento DP00 DP10 DP20 DP25 DP30 DP35 Katılaşma süreleri Başlangıç Son (dakika) (dakika) Standart kıvamın elde edilmesi için gereken su (%) Hacim genleşmesi (mm) Doğal Puzolan Katılım Oranının Katılaşma Sürelerine Etkisi Çimento hamurunun katılaşma özellikleri, çimento yerine ikame edilen doğal puzolan oranlarından etkilenmektedir. Deney sonuçları (Çizelge 6) katılaşma başlangıcındaki gecikmeyi, bir ölçüde orantılı bir zaman artışı ile göstermektedir. Hatta bu gecikme, katılaşma sonu ile ilgili olarak daha da belirgin bir biçimde ortaya çıkmıştır. Bu da, kullanılan tras örneklerinin kendilerinden beklenen bu önemli işlevi yerine getirdiklerini, böylece katılaşma gecikmesiyle hidratasyon hızını yavaşlattıklarını, hidratasyon ısı ve sıcaklığını düşürerek büzülme tehlikesine karşı etkili olduklarını açık bir şekilde göstermiş olmaktadır. Ancak, bazı kaynaklar katılaşma sürelerindeki bu gecikmeyi, biraz da su/çimento oranındaki artışa isnat ettirmektedirler [16] Doğal Puzolan Katılım Oranının Hacim Genleşmesine Etkisi Daha önce de değinildiği gibi çimentolarda serbest halde bulunan CaO ve MgO bileşikleri şişme etkisi yapmaktadır. Bu nedenle de bunların oranlarının sınırlı tutulması gerekmektedir. Tras oranı arttıkça serbest kireç oranı düşeceği için hacim genleşmesinde de bir düşüş beklenir. Deney sonuçları (Çizelge 6) hacim genleşme farklarını bir azalma sürekliliği ile ortaya koymaktadır. Burada da DP25 ve daha yüksek oranda tras içeren örneklerin hacim genleşmesinde (mm) 2/3 oranında bir düşüş görülmekte olup, böylece kullanılan tras örneklerinin bu özellikleriyle beton dayanıklılığına (durabilite) katkıda bulunabilecekleri açık olarak görülmektedir. 4. Sonuç Bu çalışmadan elde edilen sonuçlara göre, doğal puzolan içeren çimentolar, ilk günlerde portland çimentosundan (DP00) elde edilen çimentoya göre daha düşük bir basınç dayanımı sergilemelerine rağmen, ilerleyen günlerde bu fark gittikçe azalmaktadır. Özellikle, dayanıklılığın (durabilite) dayanımdan daha ön planda tutulduğu uygulamalarda, yüksek dayanımlı çimentolara (DP00) yüksek oranda doğal puzolan ilave edilmesi suretiyle, standartların öngördüğü en düşük dayanımdan (32.5 N/mm 2 ) vazgeçilmeksizin yüksek dayanıklılığa sahip çimentoların üretilebileceği bu çalışmada uygulanan yöntemle görülmektedir. Nitekim bu çalışmada 60.8 N/mm 2 ortalama dayanım ile, 52.5 N/mm 2 anma dayanımına sahip çimentoya (DP00), kütlece %35 oranında doğal puzolan ilave ederek 37.8 N/mm 2 ortalama dayanımla, 32.5 N/mm 2 anma dayanımına sahip çimento (DP35) elde edilmiş bulunmaktadır. Diğer yandan tras oranı arttıkça işlenebilirlik koşularının iyileşmiş olduğu, bu bağlamda özdeş kıvamın elde edilebilmesi için gereken su miktarının göreceli de olsa artmakta olduğu görülmüştür. Ayrıca tras oranının artmasıyla katılaşma başlangıç ve sonlanma sürelerinde belirgin bir uzamanın yanında ( 20 dak.), çimento hamurunun hacim genleşme değeri de yaklaşık 2/3 oranında bir düşüş göstermiştir; bu da tras örneğinin betonun dayanıklılığına (durabilite) katkıda bulunabileceğinin açık bir göstergesidir. 691

6 Ş. Yetgin ve A. ÇAVDAR Kaynaklar 1. A. Çavdar, Ş. Yetgin, Trabzon yöresi tüflerinin çimentoda tras olarak kullanılabilirliği, bazı kimyasal ve mekanik ilişkiler., Sixth International Conference on Advances in Civil Engineering, Bogazici University, Istanbul, Turkey, , A. G. Türkmenoğlu, A. Tankut, Use of tuffs from Central Turkey as admixture in pozzolanic cements assessment of their petrographical properties., Cem. and Conc. Res., 32, , M. Tokyay, I. Munlafalıoğlu, Evaluation of 1996 quality control data of Turkish portland-pozzolan cements, 1. International Symposium on Mineral Admixtures in Cement, TCMA, Istanbul, Turkey, 37-44, A. Çavdar, Ş. Yetgin, Tane inceliğinin traslı çimento özelliklerine etkisi, türkiye inşaat mühendisliği 17. teknik kongresi (CD-ROM), Istanbul, Turkey, , F. Canpolat, K. Yılmaz, M. Köse, M. Sümer, ve M. Yurdusev, Use of Zeolite, Coal bottom ash and fly ash as replacement materials in cement prodiction, Cem. and Concr. Res., 2324, 1-5, S. Pan, D. Tseng, C. C. Lee, C. Lee, Influence of the fineness of sewage sludge ash on the mortar properties, Cem. Concr. Res., 33, , B. Sabir, S. Wild, J. Bai, Metacaolin and calcined clays as pozzolan for concrete: a review, Cem. & Concr. Comp., 23, , M. Shannag, High Strenght Concrete containing natural pozzolan and silica fume, Cem. & Conc. Comp., 22, , D. Vu, P. Stroeven, V. Bui, Strenght and durability aspects of calsined caolin blended portland cement mortar and concrete, Cem. & Conc. Comp., 23, , C. Taşdemir, Combined effects of mineral admixtures and curing conditions on the sorptivity coefficient of concrete, Cem. and Conc. Res., 33, , K. Erdoğdu, M. Tokyay, P. Türker, Traslar ve traslı çimentolar, TCMA, Ankara, Turkey, 9-15, M. Öner, K. Erdoğdu, A. Günlü, Effect of components fineness on strenght of blast furnace slag cement, Cem. and Conc. Res., 33, , W. Czernin, Cement chemistry and physics for civil engineers, London: Crosby Lockwood & Sons, 49-52, Ş. Targan, A. Olgun, Y. Erdoğan, V. Sevinç, Influence of natural pozzolan, colemanite ore waste, bottom ash and fly ash on the properties of portland cement, Cem. and Conc. Res. 33, , E. Kern, Folgerungen aus der betontechnischen Entwicklung der letzten 25 Jahre für die Baustelle, Beton und Stahlbetonbau, 12, , A. Çolak, The long-term durability performance of gypsum - portland cement -natural pozzolan blends, Cement and Concrete Research, 32, Sayfa ,