2/21/2018. Kalsiyum silikat hidratların (C-S-H) iç yapısı: C-S-H jelinin elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri

Transkript

1 2) Çimentonun Hidratasyonu: Çimento karma oksitlerinin hidratasyonusonucu, Kalsiyum silikat hidrate (C-S-H), Serbest kireç (Ca(OH) 2 ), Etrenjit kristalleri ve diğer (monosülfat) hidrate ürünleri meydana gelmektedir. a) C-S-H bileşimleri (kristali, jeli): İç yapı olarak genellikle lif ve ince levha veya yaprak halinde olmak üzere iki değişik şekle sahiptir. Bu bileşimler fazla boşluk içerdiğinden bünyesine fazla su alırlar. Yapısındaki suyu kaybetmeleri halinde dayanımlarında azalma olurken su tekrar iç yapıya girdiğinde dayanımı yeniden kazanırlar. C-S-H kristallerinin dağılımında bir düzen yoktur. Bir dantel veya dokuma parçası gibi iç içe büyümüş tarzda oluşmaktadır. C-S-H kristallerinin yüzeylerinde adsorbesu yer almaktadır. Ayrıca jel yapısındaki iç tabakalar arasında çok küçük jel boşlukları bulunmaktadır. 1 Kalsiyum silikat hidratların (C-S-H) iç yapısı: (C-S-H jel tabakaları) CSH jeli C-S-H jelinin elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri 2 C-S-H jeli/kristali moleküler büyüklükte olup çimento taneciklerinden yaklaşık 1000 kat daha küçüktür. C-S-H kristalleri büyüyerek birbiri içine girerek ve birbirine kimyasal olarak bağlanarak çimento hamurunun zamanla dayanım kazanmasına neden olmaktadır. C-S-H jeli: Çimento hamurunun %70 ini oluşturur. Dayanımı sağlar. Agrega ile aderansı sonucu beton matrisini oluşturur. Çimento hidratasyon sinetiğinin şematik gösterimi: A) Su ile karıştırdıktan hemen sonra B) Hidratasyon başlangıcı C) Priz başlangıcı D) Sertleşme ve dayanım kazanma sonrası Çimento tanesindeki hidratasyon sürecinin şematik gösterimi 3 4 1

2 Hidratasyonolayının üç önemli özelliği: a) Çimentonun klinker halinde, yani öğütülmemiş iken su ile reaksiyon yapmamasıdır. b) Çimentodaki karma oksitlerin su ile yaptıkları kimyasal reaksiyonlar kısa zamanda sona eren bir reaksiyon değildir. Zaman içinde gelişmekte olan bu olaya hidratasyonsinetiğidenilmektedir. Hidratasyonsinetiğininhızlanması dayanım artışının hızlanmasına yol açar. c) Hidratasyonekzotermik bir olaydır. Isı çıkışı hidratasyonunbaşında fazla olup zamanla, ısı artış hızı azalarak devam eder. b) Serbest (sönmüş) kireç (portlandit-ca(oh) 2 -CH): Çimentonun mekanik dayanımına etkisi olmayan ancak dayanıklılığını (durabilitesini) etkileyen en önemli hidratasyon ürünüdür. Su etkisi ile çözünen zayıf yapısı ve agrega ile aderansı zayıflatıcı etkisi nedeniyle fazlası istenmeyen bir üründür. Hidrate olan ürünlerin yaklaşık %20 sini oluşturur. CH düzgün altıgen şeklinde tabakalı bir yapıdadır. C-S-H bileşimine oranla oldukça büyük boyuttadır. Serbest kireç C-S-H kristalleri Serbest kirecin elektron mikroskobu (SEM) görüntüsü 5 6 Serbest kireç (CH) genelde boşluklarda ve çimento hamuru-agrega ara yüzeylerinde birikir. Çimentonun boşluklu yapısının çoğunluğunu oluşturur. Boşluk oluşumunu azaltmanın yollarından biri çimento ile birlikte mineral katkıların kullanılmasıdır. Hidratasyonolayının üç önemli özelliği: a) Çimentonun klinker halinde, yani öğütülmemiş iken su ile reaksiyon yapmamasıdır. b) Çimentodaki karmaşık bileşimlerin su ile yaptıkları kimyasal reaksiyonlar kısa zamanda sona eren bir reaksiyon değildir. Zaman içinde gelişmekte olan bu olaya hidratasyonsinetiğidenilmektedir. Hidratasyonsinetiğininhızlanması dayanım artışının hızlanmasına yol açar. c) Hidratasyonekzotermik bir olaydır. Isı çıkışı hidratasyonunbaşında fazla olup zamanla, ısı artış hızı azalarak devam eder. 7 3) Çimentonun Katılaşması (Priz): Çimentonun su ile birleştirildiği an ile çimento hamurunun katılaşarak plastik özeliğini kaybettiği an arasındaki süre, priz alma süresi olarak tanımlanmaktadır. Priz alma süresi iki şekilde tanımlanmaktadır. a) Priz başlama süresi: Çimentoyla suyun birleştirildiği zaman ile çimento hamurunun fiziksel değişiklik göstererek plastik özelliğini kaybedip katılaşmaya başladığı zaman arasında geçen süredir. b) Priz sona erme süresi: Çimento ve suyun birleştirildiği zaman ile çimento hamurundaki katılaşmanın tamamlanıp sertleşmenin başladığı zaman arasında geçen süredir. Standartlarda portland çimentoları için priz başlama ve priz sona erme süreleri, sırasıyla, 1 saatten az ve 10 saatten çok olmaması istenmektedir. Daha erken ve geç priz alması istendiğinde genellikle çimento 8 ile birlikte kimyasal katkı maddeleri kullanılmaktadır. 2

3 Priz özelliğine bağlı olarak çimentoların kullanım yerleri farklıdır. Örneğin, su sızıntılarını önlemek amacıyla hızlı priz yapan çimentolar kullanılır. Klinker içine alçı taşı konulmadan üretilen bazı çimentolar çok kısa sürede (8-15 dakika) priz yaparlar. Çimentonun priz sürelerini etkileyen faktörler: a) Sıcaklık: Sıcak ortamlarda priz süresi, hidratasyonolayı hızlandığı için kısalır. Ortamdaki sıcaklığın düşmesi ise reaksiyonların hızını azaltması nedeniyle priz süresini uzatır. b) Karıştırma/karışım suyu miktarı: Çimento da gereğinden fazla miktarda su kullanmak priz süresinin uzamasına yol açar. c) Çimentonun bekletilme süresi: Uzun süre bekletilmiş çimentolarda dış ortamdan alınan nem nedeniyle priz geç başlar. Çimento hamurunun (dolayısı ile çimento harcının ve betonun) çok kısa sürede katılaşması ve şekil verilemez bir duruma gelmesi istenmemektedir. Çimento hamurunda çok kısa sürede oluşabilecek katılaşma olayları iki türlüdür: a) Ani (flash) priz: Priz süresini kontrol edebilmek (geciktirmek) amacıyla, çimento üretimi esnasında belirli oranda alçıtaşı, klinker ile birlikte öğütülmektedir. Alçıtaşının, C 3 A ve C 4 AF karma oksitleri ile hidratasyonusonucu bu karma oksitlerin su ile çok hızlı reaksiyon göstermeleri engellenmektedir. Çimento üretimi esnasında alçıtaşı kullanılmadığı veya yeterinden çok daha az kullanıldığı takdirde, C 3 A ve C 4 AF nin su ile çok hızlı reaksiyona girerek çok kısa süre içerisinde katılaşması olayına ani priz denilmektedir Çok çabuk katılaşma (ani priz) gösteren çimento hamurunun özellikleri; Şekil verilemez duruma gelmekte, Yeterli dayanımı kazanamamakta Yüksek hidratasyon ısısı açığa çıkmakta, Karıştırma işlemine devam edilse bile tekrardan plastik durum elde edilememektedir. b) Yalancı priz: Çimento üretiminde yeterli miktarda alçıtaşı kullanılmış olsa dahi klinkerin öğütülmesi safhasında, öğütme değirmenin oluşabilen yüksek sıcaklık etkisiyle az miktarda alçıtaşı, alçı (CaSO 4 veya CaSO 4.1/2H 2 O) haline dönüşmektedir. Çimento içindeki bu alçının su ile reaksiyonu sonucu çok kısa sürede (3-5 dakika) aniden oluşan bu katılaşma olayına yalancı priz denir. Bu yalancı priz esnasında alçı miktarı az olduğundan fazla miktarda hidratasyonısısı açığa çıkmamakta ve katılaşma kısmi 11 oluşmaktadır. Yalncıpriz meydana gelen çimento hamurunun karıştırma işlemine devam edilirse katılaşma olayı ortadan kalkmakta, dayanım kaybı olmamaktadır. 4) Hidratasyon Isısı: Katılaşmanın ve sertleşmenin nedeni olan hidratasyon çimentolarda ekzotermik (ısı çıkaran) bir reaksiyon şeklinde gelişir. Hidratasyonısısı kalori/gram (cal/g) veya joule/gram (j/g) birimleriyle ifade edilir. Portlandçimentolarının hidratasyonısısı yaklaşık olarak cal/g arasındadır. Hidratasyonısısının açığa çıkma hızı, çimento bileşenleri ile su arasında yer alan kimyasal reaksiyonların hızına bağlıdır. 12 3

4 Çıkan ısı nedeniyle betonun sıcaklık derecesi artar. Hidratasyonun bu ekzotermik davranışı, hidratasyonısısının açığa çıkma hızı ve miktarı bakımından bir çok sakıncalı durum oluşturabilir. Özellikle beton barajlar gibi büyük kütle betonlarının üretiminde, iş gereği yapılan hızlı beton üretimi beton iç sıcaklığını artırır. Büyük kütle betonlarında iç sıcaklık yükselirken, hava ile temasta olan dış kısım soğur ve büzülür. Sıcaklık düşmesi/değişimi ile oluşan bu büzülmeye termik rötre denir. Büyük içteki beton kütle dış kısımdaki betonun büzülmesini önlemeye çalışacağından sıcaklık farklarının yol açtığı gerilmeler sonucunda çatlaklar oluşur ve betonun geçirimliliği artar. Hidratasyonısısının yayınımı ve bunun sonucu kütledeki sıcaklık değişimi aşağıdaki gibi gösterilebilir Hidratasyonısısını artıran faktörler arasında çimento inceliği dışında çimentonun karma oksit bileşiminin miktarı da önemlidir. Genel olarak hidratasyon ısı çıkışı: İlk 1-3 gün sonunda toplam ısının %50 si İlk 7 gün sonunda toplam ısının %75 i İlk 6 ay sonunda toplam ısının %90 ı oranında meydana gelmektedir. 15 Hidratasyon ısısına karşı alınacak önlemler: a) Uygun çimento seçimi (birleşim, incelik, katkılı) b) Yavaş beton dökümü (özellikle kütle betonlarında) c) Betondaki çimento miktarını (dozaj) azaltma d) Betondaki agrega ve suyu soğutma 5) Büzülme ve şişme/genleşme: Çimentonun jel dokusu bulunduğu ortama göre hacim küçülmesine ve genişlemesine uğrar. Kuru ortamda C-S-H jel suyunun ağırlıkça eksilmesi sonucu meydana gelen büzülmenin (rötre) değeri, her zaman jel suyunun ağırlıkça artması sonucu meydana gelen genleşmenin değerinden daha yüksektir. Genleşme miktarı, büzülmeden 1/3-1/10 oranında daha azdır. Bu nedenle çimento hamurunu nemli ortamda muhafaza etmek gerekir. Rötrenedeniyle meydana gelen çatlaklar malzemede dayanım azalmasına ve geçirimliliğe neden olmaktadır. 16 4

5 28 günde meydana gelen rötre miktarı: Çimento hamurunda: % Çimento harcında: % değerindedir. 6) Çimento Hacim Sabitliği: Çimentonun bünyesinde serbest şekilde CaO(sönmemiş kireç) ve MgO(magnezi) bulunması zararlıdır. Bu oksitlerin hidratasyonolayı sonucunda ilave olarak Ca(OH) 2 ve Mg(OH) 2 oluşturması çimento hacminin önemli derecede artmasına neden olmaktadır. Bu nedenle bu oksitlerin çimento içinde belirli orandan fazla olmaması istenir. Bu oksitlerin hidratasyonusonucu meydana gelen hacimce artışı tespit etmek için Le Chatalierdeneyi yapılır. Bu deneyle bulunan hacim sabitliği değerinin 10mm den az olması istenir. 7) Çimentonun (Norm) Dayanımı: Hidratasyonolayının seyrini değiştiren bütün faktörler çimentonun dayanımı üzerine de etkilidir. Çimentonun dayanımını etkileyen faktörleri üç grup altında toplayabiliriz: a) Zamana ait faktörler: Dayanım zamana bağlı olarak parabolik bir artış göstermektedir. b) Çimento özelliklerinin dayanım üzerindeki etkileri: Çimento tipi, inceliği. c) Ortam koşulları ile ilgili faktörler: Sıcaklık, bağıl nem ÇİMENTO ÇEŞİTLERİ: Genel olarak çimentolar, ana malzemelerine (bileşenlerine) göre isim almaktadırlar. Çimentolardan istenilen düzeyde yararlanabilmek için kullanılacağı yapının özelliğine ve maruz kalacağı çevresel koşullara göre çimento seçmek gerekir. Sülfatlı zemin veya su ile temas eden yapılarda sülfata dayanıklı çimento, kütle betonlarında ise hidratasyon ısısı düşük çimento kullanılması, betonun dayanım ve durabiltesi açısından gereklidir. TS EN 197-1'e göre üretilen çimentolara CEM çimentosu adı verilmekte ve 5 ana sınıfa ayrılmaktadır. 1) CEM I: Potland Çimentosu 2) CEM II : PortlandKompoze Çimento 3) CEM III : Yüksek Fırın Cüruflu Çimento 4) CEM IV : PuzolanlıÇimento 5) CEM V : Kompoze Çimento 19 5