DENĠZ YAPILARI ĠÇĠN BETON TEKNOLOJĠSĠ GÜZ

Transkript

1 DENĠZ YAPILARI ĠÇĠN BETON TEKNOLOJĠSĠ GÜZ HAFTA 3 BAĞLAYICI MADDELER- ÇĠMENTO Betonun içindeki mineral taneli elemanların birbirine bağlanmasını sağlayarak taş oluşumunu sağlayan maddelerdir. İki ana gruptan oluşurlar. Hidrokarbonlu bağlayıcılar (katran, bitüm, asfalt). Bu tip bağlayıcılar asfalt betonunda ve izolasyon işlerinde kullanılırlar. Tamamen sertleşmezler; vizkoelastik özelliklerini korurlar. Bu nedenle yol ve havaalanı inşaatlarında tercih edilirler Mineral esaslı bağlayıcılar (kireç, alçı (aslinda bağlayıcı malzeme olarak sayılmamalıdır) ve çimento çeşitleri) Kireç: Bilinen en eski mineral kökenli bağlayıcı kireçtir. Kireç CaCO3 lı taşların 900 C de ısıtılması ile elde edilir. CaO (aktif kireç) ise su ile söndürülür. Ca(OH)2 kalsiyum hidroksit elde edilir (Sönmüş kireç denir) İnşaatlarda kullanılan bu kireçtir. Toz halinde ya da sıvı (yağlı kireç de denir) halinde bulunur. Günümüzde sadece boya badana işlerinde kullanılır. Kireç havadaki CO2 ile birleşerek CaCO3 a dönüşür. Bu süreç hem uzundur, hem de mukavemet yeterince yüksek değildir. Alçı: Agrega ile karıştırılmaz, esas olarak bağlayıcı eleman olarak kabul etmek yanlıştır. Ancak çimento üretiminde az miktarda kullanılır. Jips taşlarının C ısıtılması ile elde edilir. CaSO4.1/2 H2O (kimyasal formülü) Çok hızlı katılaşır. Suya dayanıklı değildir. Daha çok dekoratif ve taşıyıcı olmayan elemanlarda kullanılır. Tek başına ya da bitkisel/cam elyafları ile takviye edilerek yapı elemanları/duvar panolarında kullanılır. Çimento: XIX. Yüzyılda keşfedilmiştir. Su içinde sertleşebilen hidrolik bir bağlayıcıdır. vardır: Çeşitli türleri Çimento Türleri: 1. Portland Çimento (en yaygın dünya üretiminin % 75 i) Genellikle çimento dendiğinde kastedilen Portland çimentosudur. (PÇ olarak kısaltılır) 2. Katkılı Çimento (Uçucu Küllü, Silis dumanlı, cüruflu) : Özel amaçlar için üretilmiş (yüksek mukavemet, geçirimsizlik vs), fabrikada çeşitli katkılar katılarak üretilmiş Portland çimentolarıdır (KPÇ olarak kısaltılır). Bu katkılara puzolan denir. (aktif silis ve aktif alümin içerir, bunlar kireçle birleştiğinde bağlayıcı nitelik taşır.) Doğal (volkanik tüfler, diatome fosil topraklar) ve yapay olanlar (uçucu kül (termik satralden), yüksek fırın cürüfu(demir-çelik yan ürünü), silis dumanı ( elektronik yan ürünü)) vardır. 3. Yüksek Fırın Cürufu ( Son yıllarda özellikle deniz yapılarında, köprü ayakları inşaatlarındaki katkı oranları % 70 leri bulduğundan YFC leri de bağlayıcı/çimento türü) olarak sayabiliriz. YFC ler demir-çelik fabrikalarının yan ürünüdür. 4. Alüminli Çimento (Hammaddesi boksittir. Yüksek ısılara ve asitli ortamlara ve sülfatlara dayanıklıdır. Ancak fiyatları PÇ nin 4-5 katıdır. Burada Portland çimento ve Yüksek Fırın Cürufunu daha detaylı ele alacağız. 14

2 Portland Çimento Bileşimi: Hammaddesi kil (SiO2 ve Al2O3 bulunur), kalker (CaCO3) ve az miktarda demir oksit (Fe2O3) içeren topraktır. Üretimi:Yüksek sıcaklıkta (1400 C) pişirilir ve bahsettiğimiz oksitler farklı şekillerde birleşerek çimentonun esasını oluşturan klinkeri (ceviz büyüklüğünde koyu gri renkli taş) meydana getirirler. Klinkerin ana maddeleri bileşik karma oksitlerdir: Her bir karma oksitin çimentoya kazandırdığı bir özellik vardır. Bikalsiyum silikat 2CaOSiO2 C2S Trikalsiyum silikat 3CaOSiO2 C3S Trikalsiyum alüminat 3CaOAl2O3 C3A Tetrakalsiyumalüminoferrit 4CaOAl2O3Fe2O3 C4AF dir. Silikatlar sertleşmiş çimentoya mukavemet kazandırırlar. Ancak kimyasal dayanımları düşük ve hidratasyon ısıları yüksektir. Alüminatların mekanik mukavemetleri düşük, prizleri hızlı (şimşek prize neden olabilirler), hidratasyon ısıları yüksektir. Sülfatlı tuzlarla birleştiklerinde etrenjit adı verilen tuzu oluşturular. Bu tuz çok fazla su molekülü içerdiğinden hacmi büyüktür hacim artmasına neden olabilir bu da betonu patlatabilir. (sülfat etkisi) Tetrakalsiyumalüminoferrit in özellikleri alüminatınki gibidir. Çimentoya rengini kazandırır. Daha sonra klinkere % 2-3 oranında jips (alçıtaşı) katılarak öğütülür. Çimentoda yukarıda bahsedilen karma oksitler dışında bazı yan oksitlere de rastlanır. Bunlar MaO (su ile birleşip Mg(OH)2 oluşturur, hacmi artırır), Na2O ve K2O (ortamda aktif durumda silis varsa, bununla birleşip, alkali reaktivitesine (genleşme) yolaçar.) Pişirme sırasında karma oksitlere dönüşmeyen iyonlar da kalabilir. (CaO (hacim sabitliğini bozar), SiO2,(reaksiyona girmez ancak çimentonun dış ortama dayanıklılığını azaltır), SO3 (hacim sabitliğini bozar) gibi) Bunlar da hacim sabitliğini bozar. Tüm bunların belli bir yüzdeden az olması istenir. Çimento üreticilerinin zorunlu olarak çıkarmakla yükümlü oldukları günlük deney raporlarında bu bilgiler yer almalıdır. Özellikleri: Priz: Çimento özelliklerinden biri prizdir. Vizkoz haldeki çimento hamurunun katı hale geçme olayıdır. Kimyasal olarak incelendiğinde priz sırasında karma oksitler su ile reaksiyona girerek, kristal bir yapı oluştururlar. Bu olayın kontrollü olması gerekir. Bu yüzden klinkere alçıtaşı katılarak öğütülmesi önemlidir. Yoksa kontrollü priz oluşmaz. Çeşitli deneyler sonunda tanımlanmış olan priz başlangıcı ve priz sonu süresi vardır. (1 ila 10 saat arası) Taze betonun işlenebilmesi için zaman ihtiyaç vardır ancak inşaatın ilerleyebilmesi için de yeterli sürede sertleşmesi ve taşıyıcılık kazanması gerekir. Çimentonun üretimi sırasında alçıtaşı sıcak klinkere katılırsa, alçıtaşının bir kısmı alçıya dönüşür. Bu durumdaki çimentoya su eklendiğinde, alçı aniden priz yaparak, betonun katılaşmasına yol açar, ancak karıştırılmaya devam edilirse, tekrar yumuşar. Bu olaya yalancı priz denir. Priz dış ortam sıcaklığından etkilenir. Sıcakta priz daha çabuk olur. Bazı durumlarda priz süresini uzatmak gerekebilir. Bu durumda bazı kimyasal katkılar kullanılır. Hidratasyon: karma oksitler su ile reaksiyona girerek, kristal bir yapı oluştururlar. Bu olay ekzotermik (ısı açığa çıkar) Hidratasyon priz ile sınırlı değildir. Yıllarca azalan bir hızla devam eder. Böylece 15

3 betonun sertlik ve mekanik mukavemeti yıllar geçtikçe artar. Hidratasyon C3A nın su içinde çözülmesi ile başlar. Ortamdaki CaO konsantrasyonu artar. Jelleşen C3A nın hidratasyonu azaltılmazsa, silikatların hidratasyonu başlayamadan çimento hamuru katılaşır, oluşan beton düşük mukavemetli olur. Bunu önlemek için alçıtaşı katılır. Alçıtaşı ve C3A etrenjit tuzu oluştururlar. Eğer alçıtaşı miktarı iyi ayarlanmazsa şimşek priz olur. (Bu durumdaki beton kullanılamaz hale gelir). Ortamdaki alçıtaşı sayesinde önce silikatlar su ile birleşerek hidratasyona başlarlar. Böylelikle asıl taşıyıcı ögeler olan silikat hidratlar oluşur. Ortamdaki alçıtaşı bittiğinde ise geri kalan C3A lar da hidrate olur. Ancak taşıyıcı silikat hidratları oluştuğundan zararlı etkiler ortaya çıkmaz. Hidratasyon ısısı sonucu, beton üretilirken sıcaklık artar. Beton sertleştikten sonra ise bu büzüşmeye yol açar.(termik rötre) Büzülmeler serbest olmazsa, çatlaklar vb. olabilir. Bu ısıyı azaltmak için uygun çimento seçmek, betonu uzun sürede üretmek, çimento miktarını azaltmak, agrega ve suyu soğutmak gibi metodlar kullanılır. İncelik: Çimentonun tane büyüklüğü 5-90 mikrondur. Bunun çoğunluğu mikron arasındadır. Yüksek mukavemetli çimentoların, inceliği de yüksektir. ( Çünkü ince tanelerin hidrate olabilecek bölümü fazla olur, iri tanelerin ortası anhidr (hidrate olmamış) kalır. Ancak, ıslanma ısı çıkararak olduğundan, hidratasyon ısısı yüksektir, rötre artar (gerekli su miktarı fazla olduğundan, mukavemet düşer) Rötre Katılaşmaktaki ve/veya sertleşmiş betonun fiziko-kimyasal etkiler altında hacminin küçülmesi. Nedeni çimento. Çeşitli türleri vardır: Termik rötre: Beton üretilirken sıcaklığı yükselir (çimentonun hidratasyonu nedeniyle), ortaya çıkan ısı fazla olursa, betonun iç sıcaklığı çok yükselebilir. Beton sertleştikten sonra tekrar soğur. Bu sırada büzülmeler meydana gelir, hacmi küçülür. Beton çatlayabilir, geçirimsizliğini kaybeder. Termik rötre olan betonlarda plastik erken rötre olma olasılığı da yüksektir. Plastik erken rötre: prizden hemen sonra ortaya çıkar. Beton üstünde terleyen suyun buharlaşan sudan az olması sonucu oluşur. Buharlaşma rüzgar, ortam neminin azlığı, sıcaklığın yüksekliği ve betonun iç sıcaklığının fazla olması sonucu büyük değerler alır. Diğer yandan, terlemenin az olması betonun suyunu bırakmamasına bağlıdır. Bu durumda agregalar çökeltip, üstte su kalıp buharlaşır. Bünyesel (otojen) rötre: Mutlak hacmin (çimento ve suyun toplam hacmi) hidratasyon sonucu azaltılması, önlenemez, düşüktür. Sertleşmiş betonun hidrolik rötresi: Sertleşen çimento jel yapıdadır. Çok ufak kristallerden oluşan oluşan hidrate çimento taneleri yüzeylerinde tuttukları adsorpsiyon suyu nedeniyle bu jel yapıya sahiptirler. Adsorpsiyon suyu kolay kolay buharlaşmaz ve betonun içinde kalır. Ancak, daha geniş ve dışa açık çatlaklardaki (kılcal çatlaklar) su buharlaşınca, jel yapıdaki adsoprsiyon suyunun bir kısmı da bu çatlaklara doğru hareket eder ve bu suyun tabaka kalınlığı azalır. Bu da katı kristallerin birbirlerini daha kuvvetle çekmesine ve beton kütlesinin de büzülmesine neden olur. Beton devamlı su içinde kaldığında ise tersi olur. Karbonatlaşma rötresi: Süzülen CO2 gazı ile bazı tuzların oluşması Hacim sabitliği:kimyasal olaylar sonucu olan bir olay, Çimentodaki bazı bileşenler (MgO, CaO,SO3 gibi) hacimsel genleşmelere yol açarak hacim sabitliğini bozabilir. Bu olaya alkali-agrega reaksiyonu denir. Bir yıl içinde oluşabilir. 16

4 Mekanik Mukavemet: 4x4x16 harç örneklerle bulunur (Standard kum kullanılarak- % 98 silis içeren belli bir granülometriye sahip olan) Belirli bir ağırlık oranı ile hazırlanır. 1 ölçek çimento, 3 ölçek kum, 0.5 ölçek su. Standart biçimde sarsılarak kalıplara yerleştirilir. 1 gün sonra çıkartılır. 6 ve 27 gün süreyle kirece doygun 20 C suda saklanır. Daha sonra parçalar üzerinde eğilme deneyi yapılır. Parçalar üzerinde basınç deneyi yapılır. 7 ve 28. gün değerlerine çimento norm mukavemeti denir. Bu değer çimentoya yazılmak zorundadır. (PÇ325 gibi) Çimento mukavemeti üzerinde etki eden diğer faktörler: karıştırma-yerleştirme koşulları, saklama koşulları ve zaman. YÜKSEK FIRIN CÜRUFU Yüksek fırınlarda demir üretiminde bir yan ürün olarak meydana gelen cürufun bağlayıcı madde teknolojisi açısından önemi 1863 yıllarında Langen in cürufu çimento üretiminde mineral katkı olarak kullanması ile ortaya çıkmıştır. Ancak detaylı araştırmalar ve cüruf üretiminde niteliğin geliştirilmesi sonucu malzemenin daha etkin ve yüksek oranda kullanımı 1970 li yıllarda farklı düzeye varabilmiştir. Günümüzde özellikle beton ve betonarme deniz yapılarının vazgeçilmez bir bağlayıcısı olan Yüksek Fırın Cürufu (YFC), ana maddeleri Portland çimentosu olan kompoze (katkılı) çimentoların katkı malzemesi olmaktan çıkmıştır. Her ne kadar YFC, Portland çimentosu ile karıştırılarak kullanılıyorsa da asıl bağlayıcı kendisidir, % 70 YFC ile üretilen bir bağlayıcıda PÇ nin fonksiyonu YFC nin hidratasyonu için gerekli aktivasyonu sağlamaktır. Yüksek Fırın Cürufu demir üretimi sırasında ortaya çıkan bir atık (yan) malzemedir. Demir üretim sürecinde üç ana hammade vardır, bunlar demir cevheri, kok kömürü ve ergitici maddedir. Demir cevheri doğada saf olarak bulunmaz. Çeşitli işlemlerden geçse de, yüksek fırınlara geldiğinde gayrısaflıklarının tamamından arındırılamamış olur. Magmatik ortamdam gelen cevherlerde bu katışıklıklar çoğunlukla silis, alüminyum oksit, magnezyum oksit, kükürt gibi ögelerdir. Ana mineralin (Fe2O3, Fe3O4,...) bu ögelerden temizlenmesi ve demire dönüşmesi yüksek fırındaki üretimde gerçekleşir. Arıtma görevi bu süreçteki üçüncü ana hammadde olarak saydığımız ergiticiye aittir. Magmatik kökenli cevherde SiO2, Al2O3, MgO, vs.nin arıtılması bunların kalsiyumla birleştirilmesi ile sağlanır. Bu nedenle magmatik cevherli hammaddelerde ergitici olarak kireç veya dolomit kullanılır. Kalsiyum silikat, kalsiyum alüminatların oluşumu çimento endüstrisindeki klinker sürecine benzerdir ve yüksek sıcaklık (1400 o C) şarttır. Yüksek fırındaki üretim sürecinin sonunda demir ile birlikte kalsiyum, magnezyum silikat ve alüminatlardan oluşan cüruf adını verdiğimiz bir yan ürün elde edilmiş olur. Bileşenleri açısından çimentoya benzer olan bu pasif bağlayıcı maddenin kireç veya portland çimentosu katılması ile aktive edilmesi gerekir. Yüksek fırın üretim sürecindeki ikinci ana hammadde olan kok kömürü demir oksitin redüklenmesini sağlar, bunu oluşturduğu karbon monoksit gazı ile gerçekleştirir. Ortamdaki tüm reaksiyonlar için gerekli yüksek sıcaklık da elbette kömürün yanması ile sağlanır. Ayrıca, kömürdeki silis kökenli gayrısaflıklar da kül oluştururlar ve bu kül de cürufa katılmış olur. Yüksek Fırın Cürufunu kullanılır hale getirmek için en güvenli yöntem pelletleştirmedir. Bu süreçte; yüksek fırından ergimiş durumda çıkan YFC önce püskürtme su jetleri ile genleştirilir, sonra döner bir tambura düşürülür, tambur üzerindeki kanatlar düşen YFC leri yaklaşık 15 m. uzaklığa fırlatır, yüzey gerilimi sayesinde YFC parçaları pelletleşir. YFC lerin çok standart bir kimyasal birleşimi yoktur. Bileşimleri kullanılan demir cevherlerinin gayrısaflıklarının ve ergitici maddenin kimyasal yapılarının fonksiyonu olarak farklılıklar gösterir. Ayrıca, yüksek fırındaki sıcaklık ve YFC üretim teknikleri de bu bileşim üzerinde etkilidir. 17

5 YFC lerin bağlayıcılık niteliği kimyasal bileşime bağlı olmakla beraber, minerolojik bileşim ve özellikle camlaşma (vitrification) derecesi, öğütme inceliği ve aktivasyon süreci de hidrolisite üzerinde etkili olurlar. YFC nin hidrolisite (hidrolik bağlayıcılık) kazanmasındaki en önemli faktörün camlaşma olduğu bilinmektedir. YFC incelikleri halen m 2 /kg düzeyinde tutulmaktadır. Reaktiflik açısından incelik artışı elbette gerekli ve yararlıdır, ancak pelletlenmiş cüruf kullanılması zorunludur; inceliğin artırılması ekonomi dışında rötre vb. sorunlara da yol açacaktır ve bu yüzden sınırlamak yoluna gidilmektedir. YFC lerin beton bağlayıcı malzemesi olarak klasik Portland çimentosu ve Kompoze Portland çimentolarından çok farklıdır. YFC ler özellikle beton deniz yapılarının ve sülfatlı ortamdaki beton yapıların önemli ve vazgeçilmez bir malzemesidir. YFC lerin özelliklerini ve davranışlarını genellemek yanlış bir yaklaşımdır. Demir üretiminde kullanılan ana minerallerin ve cevherlerin birleşimleri, yüksek fırınlardaki ergiticilerin terkipleri, fırın içindeki termik süreçler YFC lerin kimyasal ve minerolojik yapılarını büyük oranda etkilerler. Daha sonra uygulanan soğutma süreçleri ve hızları, öğütme yöntemleri de YFC lerin en önemli nitelikleri olan camlaşmayı ve tane inceliğini denetler. Ana fonksiyonu demir üretmek olan yüksek fırınların süreçlerine ve sistemlerine müdahale etmek olanağı elbette yoktur. Ancak daha sonraki aşamada YFC lerin kalitesini yükseltmek amacıyla girişimde bulunmak gereklidir; nitekim pek çok ülkede YFC üretimi çimento endüstrisi düzeyindeki tesislerde yapılagelmektedir. Denizlerle çevrilmiş ülkemizde YFC nin beton deniz yapılarında anlamlı bir düzeyde kullanılmadığı, konunun yeterince araştırılıp incelenmediği kesindir. Yurdumuzdaki üç demir üretim merkezi olan Karabük, Ereğli ve İskenderun da Divriği ve Hekimhan dan getirilen hematit cevherinden yararlanılır. Bu cevherlerin içinde bulundukları ortamın jeolojik yapısı ve içerdikleri gayrısaflıkların türlerinin minerolojik ve kimyasal birleşimlerinin miktar ve istatistiksel dağılımları, elde edilecek YFC lerin hidrolisite niteliklerini etraflı biçimde irdelemeyi sağlar. Bu etütler sonunda camlaşma seviyesini yükseltmek için uygulanacak soğutma, granülasyon ve özellikle aktivasyon süreç ve malzemelerinin daha bilinçli ve doğru saptanması mümkün olur. YFC lerin üretim proseslerinin modernleşmesi doğal olarak ekonomik bir sorundur, ancak bu girişim için önce yukarıda özetle belirttiğimiz minerolojik, kimyasal ve istatistiksel araştırmalar yapılmalı ve teorik öneriler geliştirilmelidir. Bu önerilere göre üretilen YFC lerin kimyasal ve minerolojik yapıları, camlaşma oranları, incelikleri tabiatı ile deneylerle tahkik edilir. Daha sonra beton üretimine geçilir ve istenilen dayanım, işlenebilme ve dürabilite (geçirimsizlik) özelliklerinin sağlanıp, sağlanmadığı saptanır. Bu uzun ve pahalı çalışma, ülkemiz demir cevherlerimizle istenilen düzeyde YFC üretilip, üretilemeyeceğini; üretilebilecekse metod ve süreçlerin ne olacağını kesinlikle saptamamıza imkan verecektir. 18