YÜKSEK FIRIN CURUFU KATKISININ ÇİMENTOYA ETKİSİ

Transkript

1 YÜKSEK FIRIN CURUFU KATKISININ ÇİMENTOYA ETKİSİ T. BULGAN, C.B. EMRULLAHOĞLU, Ö.F. EMRULLAHOĞLU Afyon Kocatepe Üniversitesi, Afyon Mühendislik Fakültesi Seramik Mühendisliği Bölümü/ AFYON ÖZET Bu çalışmada Ereğli Demir ve Çelik Fabrikaları T.A.Ş de yan ürün olarak ortaya çıkan yüksek fırın cürufunun portland çimentosuna katılabilirliği üzerine yapılan deneyler ve sonuçları sunulmuştur. Çalışmalar üç aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamada Portland Çimentosu ve yüksek fırın ndan öğütme sonrası temsili numune alımı ve bunların karakterizasyonu, ikinci aşamada katkılı çimentoların karışımların hazırlanması, karakterizasyonu ve bunlardan standartlara uygun olarak harç hazırlanması, kalıplanması gerçekleştirilmiş, üçüncü aşamada da hazırlanan numunelere fiziksel ve mekanik testler uygulanmıştır. Yapılan incelemeler sonucunda katkı miktarı artışı ile birlikte özğül ağırlık, normal kıvam suyu miktarı, hacim genleşme değerleri azalmıştır. Priz başlama ve priz bitiş süreleri ile bunlar arasındaki fark artmıştır. Basma dayanım değerleri ise katkı miktarı arttıkça 2 ve 7 günlük değerlerde azalma görülürken 28 günlük değerlerin normal P.Ç sundan daha yüksek olduğu görülmüştür. Normal P.Ç sunun 28 günlük basma dayanımı 51 N/mm 2 iken % 10 yüksek fırın katkılı numunelerde bu değer 56 N/mm 2 olarak gerçekleşmiştir. Tüm değerler TS de verilen değerlerin üzerinde gerçekleşmiştir.. Bu çalışma sonucunda yüksek fırın nun P.Ç suna % 40 lara varan oranda katılabileceği anlaşılmıştır. Bu katkı sayesinde hem çimentonun teknik özellikleri iyileşmekte ve hem de çimento maliyetini düşürmektedir. Anahtar kelimeler; Portland çimentosu, Curuf katkı 1. GİRİŞ Hidrolik yapı malzemelerinin başında gelen dolayısı ile inşaat ve altyapı yatırımlarının temel girdisi olan çimentonun sektörel gelişimi ülkelerin ekonomik kalkınma süreçlerinin en önemli göstergelerinden birisidir{1]. Çevre korunmasına ve enerji tasarrufuna verilen önemin de etkisi ile son yıllarda Avrupa da ve paralel olarak Türkiye de katkılı çimento türlerinde artış meydana gelmiştir [2,3]. Yaygın olarak kullanılan katkılar; granüle yüksek fırın, puzolanik maddeler, uçucu küller, pişmiş şist, kalker, silikafüm ve çeşitli kimyasal katkılardır [4-6], Yüksek fırın demir-çelik üretiminin yan ürünü olup özellikle Portland Çimentosuna (PÇ) karıştırılması ve birlikte öğütülmesi halinde mükemmel bağlayıcı özellikler göstermektedir. Yüksek fırın nun bağlayıcı özelliği 1862 yılında Almanya da Emil Langen tarafından bulunmuş ve kireçle aktifleştirilen öğütülmüş yüksek fırın nun ticari üretimine 1865 de Almanya a başlanılmıştır yılında curuf, yüksek fırın curuflu PÇ üretmek üzere PÇ ile birlikte öğütülmüş ve bu birleşimin potansiyeli özellikle aşındırıcı ortamlara karşı direnç göstermesi ile dikkat çekmiştir yılında ise yüksek fırın curuflu portland çimentosu (YFCPÇ) Fransa da metro inşaatında kullanılmış, 1990 lı yılların başında ise YFCPÇ Avrupa da kabul edilmiş ve çok yaygın olarak kullanılmaya başlanılmıştır [7]. Yüksek fırın hammaddeleri gang mineralleri, kok külü ve flakslarla birlikte kireç ve magnezya içerir. Temel mineral oksitler alumina ve silikadır. Bunlar flaks eklenerek atılır. Sonuçta oluşan sıvı curuf erimiş demir içinde çözünmez ve daha hafif olduğu için yüzeyde toplanır. Bu tabaka alınır ve yavaş veya ani soğutulması sonucu yüksek fırın elde edilir [8]. Yüksek

2 fırınlarda bazik ve asidik olmak üzere iki çeşit curuf elde edilir. Bazik curufta CaO/SiO 2 oranı arasında olup çimento üretimine uygun olan curuflar bunlardır. Asidik curuflarda ise CaO/SiO 2 oranı 1.10 dan azdır bu nedenle bu curuflar çimento üzetiminde kullanılamaz. Curuflar soğutma işlemine göre de snıflandırılır. Yavaş soğutulmuş curuflar n yüksek fırından çıkışı sonrası herhangi bir yerde yavaş soğumaya bırakılması ile elde edilir ve bu curuflar yol yapımında, hafif beton üretiminde agrega olarak kullanılır. Ani soğutulmuş granüle curuf ise n yüksek fırından çıktıktan sonra ani olarak bir su havuzunda soğutulması ve bu esnada hidrolik özellik kazanması ile elde edilir. Bu curuf curuflu çimento üretiminde, çeşitli aglomera ve tuğla yapımında, boşluklu ve hafif olması nedeni ile hafif tuğla ve hafif beton üretiminde ve curuf yünü halinde yalıtım maddesi olarak kullanılmaktadır [9]. Çizelge 1 de yüksek fırın ve diğer sektörlerden elde edilen curufların karşılaştırma amacı ile kimyasal bileşimleri sunulmuştur. Çizelge 1. Çeşitli Curufların Kimyasal bileşimleri [4] Yüksek fırın (Demir) curufları Diğer curuflar Oksit % Fransa Japonya Türkiye Çelik Türkiye Pb-Zn İngiltere Nikel Kanada Bakır Curufu Afrika Fosfor A.B.D SiO CaO MgO Al 2 O Fe 2 O Karçimsa (Karçimsa Çimento Sanayi ve Tic. A.Ş.) tesislerinde; Akçansa dan satın alınan klinker ile Kardemir den (Karabük Demir Çelik Fabrikaları) satın alınan yüksek fırın nun öğütülmesi sonucunda CÇ 42.5 curuflu çimento üretilmektedir. Tesisin yıllık üretim programı tondur [10]. Bu çalışmada önce Türkiye de ağır sanayi kuruluşlarından birisi olan ERDEMİR T.A.Ş. (Ereğli Demir ve Çelik İşletmeleri) nin tesislerinde açığa çıkan yüksek fırın cürufu ile katkı yapılacak olan PÇ su incelenmiştir. Daha sonra yüksek fırın cüruflu çimento için tasarlanan laboratuar deneyleri gerçekleştirilmiştir. Laboratuar deneyleri ; öğütme ve eleme işlemleri, portland çimentosuna belirli oranlarda katkı yapılarak yüksek fırın cüruflu çimento üretim deneylerinden oluşmaktadır. 2. DENEYSEL ÇALIŞMALAR 2.1 Çalışmada Kullanılan Malzemeler Portland Çimentosu Deneylerde kullanılan PÇ Bolu Çimento Sanayi T.A.Ş. den alınmıştır. Değirmende öğütülen çimentoyu siloya besleyen havalı bantta bulunan numune alıcıdan her yarım saatte bir deney numunesi alınmıştır. Numune miktarının toplamı 5 kg a ulaşıncaya kadar işlem tekrarlanmıştır. P.Ç klinkerinin kimyasal analizi Çizelge 2 de verilmiştir Yüksek Fırın Curufu Yüksek fırın cürufu deney numunesi hazırlanması Ereğli Erdem Çimento T.A.Ş. nde yapılmıştır. Erdem çimento yüksek fırın cüruflu çimento üretimi yapmaktadır [11]. Yüksek

3 fırın cürufunu Ereğli Demir ve Çelik Fabrikaları T.A.Ş. inden almaktadır. Cüruf granüle halde olduğu için kırma işlemi yapılmadan öğütülmektedir. Değirmende öğütülen cürufu, çimento değirmenine besleyen bantta bulunan numune alıcısından her yarım saatte bir deney numunesi alınmıştır. Numune miktarının toplamı 3 kg oluncaya kadar işlem tekrarlanmıştır.çalışmamızda kullandığımız yüksek fırın cürufunun kimyasal analizi, Erdem Ereğli Çimento T.A.Ş. nin kimya laboratuvarında yapılmıştır. Yüksek fırın cürufunun komple kimyasal analizi çizelge 2 de görülmektedir. Çizelge 2. Çalışmada Kullanılan Malzemelerin ve Katkılı Çimentoların Özellikleri Bileşen A0 B0 A10 A20 A30 A40 % (P.Ç) (Y.F.Curufu) SiO Fe 2 O Al 2 O CaO MgO SO Ç.K A.Z KST SM AM C 2 S C 3 S C 3 A C 4 AF S.G.(gr/cm 3 ) Ö.Y.(cm 2 /gr) H.G.(mm) Deney Numunesinin Hazırlanması Harcın Bileşimi Harç, ağırlıkça 1 kısım çimento, 3 kısım. TS 819 da verilen kum ve ½ kısım suyun karıştırılması ile hazırlanmıştır. Su olarak içilebilen bir su kullanılmıştır Harcın Hazırlanması ve Kalıplanması Çimento numunelerinden elde edilecek beton prizmalar için, hazırlanacak harcın karıştırılması otomatik karıştırma cihazında yapılmıştır. Harcın kalıplara yerleştirilmesi içinde sarsma cihazı kullanılmıştır. Üç numune için 450 gr. çimento, 1350 gr kum ve 225 gr su alınmıştır. Harç, sıcaklığı 20 C ± 2 C olan bir odada hazırlanmıştır. Çimento, kum, su, kalıplar ve karıştırıcının da aynı sıcaklıkta olması için bu oda içinde en az 12 saat bekletilmiştir. Deney yapılan odanın nispi nemi % arasında tutulmuştur. Karıştırma kabına 225 gr su konduktan sonra bunun üzerine 450 gr çimento ilave edilmiştir. Karıştırıcı düşük hızda 30 saniye çalıştırıldıktan sonra 1350 gr kum, karıştırma devam ederken, yavaş yavaş eklenmiştir. Kumun katılması 1 dakika sonunda bitmiş ve 1 dakika sonunda karıştırıcı yüksek hıza ayar edilerek 30 saniye daha karıştırılmıştır. Toplam 90 saniyelik karıştırmadan sonra karıştırıcı durdurulmuştur. Karıştırıcı

4 durduktan sonra 15 saniye içinde, karıştırma kabının cidarlarına ve karıştırıcıya bulaşmış olan harç kauçuk başlı bir çubuk ile kabın içine kazınmıştır. Kabın üzeri örtülerek 75 saniye beklenmiştir. Bu süre sonunda karıştırıcı yüksek hızda yeniden bir dakika daha çalıştırılmıştır. Böylece toplam 4 dakika sonra harç kalıplarına konulmak üzere hazır hale getirilmiştir. Kullanılan kalıbın boyutları; uzunluk = 160 mm ± 0,4 mm, genişlik = 40 mm ± 0,1 mm, yükseklik = 40 mm ± 0,1 mm, et kalınlığı = 10 mm, açılar = 90 ± 0,5 dir. Kalıpların içi ince bir yağ ile hafifçe yağlandıktan sonra kalıplar sarsma aletine yerleştirilmiş, kalıp bölmelerinden her biri içine yaklaşık olarak kalıp hacimlerinin yarısı kadar harç doldurulmuş ve kaşık ile ileri geri yayılarak harcın kalıp içinde aynı kalınlıkta dağılması sağlanmıştır. Sarsma aleti çalıştırılarak ve 60 saniye içinde 60 sarsma yaptırılmıştır. Alet durduktan sonra harcın ikinci tabakası da aynı şekilde yerleştirilerek yeniden 60 sarsma yaptırılmışttır. İşlem tamamlandıktan sonra kalıplar numaralanmış ve daha sonra nem odasına alınmıştır Portland Çimentosuna Yüksek Fırın Cürufu Katılması Portland çimentosu ile yüksek fırın cürufunun karışımları ile elde edilecek yeni tip çimentoların miktarları, fiziksel ve mekaniksel testlere yetecek kadar hesaplanmıştır. Portland çimentosuna uygulanan cüruf dozajlaması Erdem Ereğli Çimento T.A.Ş. inde yapılmıştır blaine öğütülmüş yüksek fırın cürufunun portland çimentosuna katkı oranları % olarak 0, 10, 20, 30 ve 40 olarak seçilmiştir Numunelere Uygulanan Testler Portland çimentosu ve yüksek fırın na ; özgül ağırlık, özgül yüzey ve tane büyüklüğü, yüksek fırın katkılı çimentolara ise : özgül ağırlık, özgül yüzey, normal kıvam, priz başlama ve bitiş süreleri, hacimce genleşme ve basınç dayanım testleri yapılmıştır. Fiziksel testlerin tamamı Lafarge Ereğli Çimento T.A.Ş. nin fizik laboratuarın da yapılmıştır. 3. DENEY SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ 3.1. Katkılı Çimentoların Özellikleri Çizelge 2 de görüldüğü; P.Ç ve YFC nun silis modülleri aynı olduğu için katkılı çimentoların silis modüllerinde de 2.03 olarak sabit kalmıştır. YFC nun alumin modülü 7.33 iken P.Ç sunun 1.31 dir. YFC nun alumin modülü P.Ç ninkinden yüksek olduğu için katkılı çimentolarda katkı miktarı arttıkça alumin modülü artarak sırasıyle 1.61, 1.95, 2.33 ve 2.76 olmuştur. YFC nun özgül ağırlığı 2.87 iken P.Ç sunun 3.01 dir. YFC nun özgül ağırlığı P.Ç ninkinden düşük olduğu için katkılı çimentolarda katkı miktarı arttıkça özgül ağırlık azalarak sırasıyle 3.09, 3.06, 3.04 ve 3.02 olmuştur. YFC nun özgül yüzeyi, çimentonun özgül yüzeyinden düşük olduğu için katkılı çimentolarda katkı miktarı artışı ile beraber özgül yüzey de düşecektir. Katkısız P.Ç sunda 3 mm olan hacimce genleşme, katkı miktarı artışı ile önce 2 ye sonra 1 e düşmüştür Yüksek Fırın Curufu Katkısının Normal Kıvama Etkisi Normal P.Ç ve yüksek fırın katkılı çimentolar için gerekli kıvam su miktarları Çizelge 3 de verilmiştir. Çizelge 3. Normal P.Ç ve yüksek fırın katkılı çimentolar için gerekli kıvam su miktarları Numune kodu A0 A10 A20 A30 A40 Su miktarı (ml)

5 Çizelge 3 de görüldüğü gibi YFC katkılı numunelerde katkısız P.Ç suna göre daha fazla kıvam suyu gerekmiş fakat katkı miktarı arttıkça normal kıvam için su miktarı azalmıştır Yüksek Fırın Cürufunun Priz Başlama ve Sona Erme Sürelerine Etkisi Katkılı çimentoların priz başlama ve sona erme sürelerinin Türk Standartlarına uygunluğunu kontrol etmek için TS.24 e göre testler uygulanmıştır. Çimentoların priz sürelerinin tayini için manuel sistemli vikat aleti ve vikat iğnesi kullanılmıştır. Deney sonuçları Çizelge 4 de sunulmuştur. Çizelge 4. Yüksek Fırın Curuf Katkılı Çimentoların Özellikleri Karışımlar Piriz süreleri Basma dayanım (N/ mm 2 ) Başlama(dk) Bitiş (dk) 2 günlük 7 günlük 28 günlük A A A A A Erdem Çim TS min 60 max Çizelge 4 de görüldüğü gibi tüm çimento karışımlarının priz süreleri TS na uygundur. Fakat katkı miktarları artışı ile birlikte priz başlama ve priz bitiş süreleri de artmıştır. Ayrıca katkı miktarı artışı ile birlikte priz başlangıç ve bitiş süreleri arasındaki farkta da artış meydana gelmiştir Yüksek Fırın Cürufunun Basınç Dayanımına Etkisi Katkılı çimentoların basma dayanım değerlerini belirlemek için yapılan deneylerin sonuçları Çizelge 4 de verilmiştir. Çizelge 4 de görüldüğü gibi katkı miktarı artışı ile birlikte hem 2 günlük ve hem de 7 günlük basma dayanımlarında azalma görülmektedir. Tüm katkılı çimentoların 2 ve 7 günlük basma dayanım değerleri TS de belirtilen değerlerin üzerindedir. Katkılı çimentoların tümünün 28 günlük basma dayanım değerleri katkısız P.Ç nun 28 günlük basma dayanımından yüksek olup katkı miktarı artışı ile birlikte genelde azalma görülmektedir. Bu durum piriz süresi artışı ile birlikte katkılı çimentoların basma dayanımının katkısız çimentodan daha fazla olduğunu göstermektedir. 4. SONUÇLAR P.Ç ve YFC nun silis modülleri aynı olduğu için katkılı çimentoların silis modüllerinde de 2.03 olarak sabit kalmıştır. YFC nun alumin modülü 7.33 iken P.Ç sunun 1.31 dir. YFC nun alumin modülü P.Ç ninkinden yüksek olduğu için katkılı çimentolarda katkı miktarı arttıkça alumin modülü artarak sırasıyle 1.61, 1.95, 2.33 ve 2.76 olmuştur. YFC nun özgül ağırlığı 2.87 iken P.Ç sunun 3.01 dir. YFC nun özgül ağırlığı P.Ç ninkinden düşük olduğu için katkılı çimentolarda katkı miktarı arttıkça özgül ağırlık azalarak sırasıyle 3.09, 3.06, 3.04 ve 3.02 olmuştur. YFC nun özgül yüzeyi, çimentonun özgül yüzeyinden düşük olduğu için katkılı çimentolarda katkı miktarı artışı ile beraber özgül yüzey de düşecektir.

6 Katkısız P.Ç sunda 3 mm olan hacimce genleşme, katkı miktarı artışı ile önce 2 ye sonra 1 e düşmüştür. YFC katkılı numunelerde katkısız P.Ç suna göre daha fazla kıvam suyu gerekmiş fakat katkı miktarı arttıkça normal kıvam için su miktarı azalmıştır. Tüm çimento karışımlarının priz süreleri TS ye göre uygundur. Fakat katkı miktarları artışı ile birlikte priz başlama ve priz bitiş süreleri de artmıştır. Ayrıca katkı miktarı artışı ile birlikte priz başlangıç ve bitiş süreleri arasındaki farkta da artış meydana gelmiştir. Katkı miktarı artışı ile birlikte hem 2 günlük ve hem de 7 günlük basma dayanımlarında azalma görülmektedir. Tüm katkılı çimentoların 2 ve 7 günlük basma dayanım değerleri TS de belirtilen değerlerin üzerindedir. Katkılı çimentoların tümünün 28 günlük basma dayanım değerleri katkısız P.Ç nun 28 günlük basma dayanımından yüksek olup katkı miktarı artışı ile birlikte azalma görülmektedir. Bu durum piriz süresi artışı ile birlikte katkılı çimentoların basma dayanımının katkısız çimentodan daha fazla olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak Yüksek fırın nun çimentoya % 40 lara varan oranlarda ilave edilebileceği anlaşılmıştır. Bu durum hem çimentonun teknik özelliklerini olumlu yönde etkilemekte ve hem de maliyetleri düşürme yönünden avantaj sağlamaktadır. SEMBOLLER A0 : Katkısız portland çimentosu B0 : 3500 Blaine öğütülmüş yüksek fırın A10 : % 10 curuf katkılı portland çimentosu A20 : % 20 curuf katkılı portland çimentosu A30 : % 30 curuf katkılı portland çimentosu A40 : % 40 curuf katkılı portland çimentosu Ç.K : Çözenmez kalıntı S.G : Özgül ağırlık Ö.Y : Özgül yüzey H.G : Hacim genleşmesi TEŞEKKÜR Yazarlar Ereğli Erdem Çimento T.A.Ş yetkililerine bu çalışma olanağını sağladıkları ve destekleri için teşekkür ederler. KAYNAKLAR [1] DTM İhracat Verileri The Global Cement Report Second and Third Edition, ICR OAİB Dünyada Çimento Sektörü Raporu [2] Cumhuriyetimizin 75. Yılında Türk Çimento Sektörü, Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği ARGE, (1998) [3] Baron J,, Douvre C., Technical and Eonomical Apects of the Use of Limestone Filler Addition in Cement Vol. 18, No.3, 1987 [4] Cüruflar ve Cüruflu Çimentolar Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği ARGE, (1997) [5] Çimento-Portland Cüruflu TS 12139, Türk Standartları Enstitüsü, (1992) [6] Uçucu Küllerin Karakterizasyonu Türkiye Çimento Müs. Birliği ARGE, (1998) [7] World Cement, June 1995 [8] Ereğli Demir ve Çelik Fabrikaları T.A.Ş. i Yayınları [9] Kocaçıtak S. Yüksek Fırın Curufunun Özellikleri ve Curuflu Çimentolar, D.S.İ Araştırma Dairesi Başkanlığı, [10] AKÇANSA ÇİMENTO T.A.Ş. İnternet yayınları (2001) [11] Ereğli Erdem Çimento Yayınları