ISSN: 2148-0273 Cilt 5, Sayı 2, 2017 Vol. 5, Issue 2, 2017 Mineral Katkıların Beton Karışımında Kullanılması Özet Yaşar KAYAN 1, Ersin AYHAN 2, Murat DOĞRUYOL 3* Betonu oluşturan en maliyetli malzeme çimentodur. Çimento maliyetinin yanısıra üretimi sırasında çevreye yüksek oranda sera gazı salındığı bilinmektedir. Beton üretiminde bağlayacı malzeme olarak çimento yerinde belli oranda atıl olan mineral katkılar ikame edilerek beton dayanım ve dayanıklılık performanası incelenmiştir. Beton karışımına ağırlıkça çimentonun %20 si oranında uçucu kül (UK) ve %10 u oranında silis dumanı (SD) gibi mineral katkılar eklenerek 15x15x15 cm ölçülerde hazırlanan beton numuneler, %10 sülfat küründe 7, 28 ve 365gün sonunda kırılmak üzere bekletilmiştir. Mineral katkıların betonda kullanılması ile beton maliyetini düşürmenin yanı sıra çevreye daha duyarlı beton üretimi hedeflenmektedir. Anahtar Kelimeler: mineral katkılar, betonda dayanım, dayanıklılık Abstract Use of Mineral Additives in Concrete Mix The most costly material that makes concrete is cement. It is known that in addition to the cost of cement, greenhouse gas is released to the environment during production. In the production of concrete, the concrete strength and durability performance were investigated by substituting the mineral admixtures which are in some places in the cement site as binding material.at this study, sub-industry product mineral additives were used. 15x15x15 cm concrete samples were kept for 7, 28 and 365 days in 10% sulphate cure to be broken after adding mineral additives such as 20% fly ash and 10% silica fume percentage by concrete weight. With the use of mineral admixtures, it is aimed to decrease the cost of concrete and to produce more sensitive concrete around. Keywords: mineral additives, pozzolans, concrete strength, durability 1 Yaşar KAYAN,Öğretim Görevlisi, Siirt Üniversitesi, Teknik Bilimler Meslek Yüksek Okulu, İnşaat Teknolojisi Bölümü, Siirt, e-mail: yasarkayan@siirt.edu.tr 2 Yüksek Lisans Öğrencisi,Dicle Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Siirt, e-mail: ersinayhan@siirt.edu.tr 3* Murat DOĞRUYOL, Yrd.Doç.Dr., Siirt Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü,Siirt, e-mail: mrt.dogruyol@gmail.com
Yaşar KAYAN, Ersin AYHAN, Murat DOĞRUYOL 114 1. Giriş Çeşitli sanayi yan ürünü olarak bilinen mineral katkılar yapay puzolon olarakta adlandırılır. Sönmüş volkanik tüf, ponza, pişirilmiş kil, diatomlu topraklar doğal puzolanlar sınıfına girmektedir. Doğal puzolanlar Antik Roma döneminden beridir yapılarda bağlayıcı malzeme olarak kullanılmıştır. Puzolanlı harçlar Mısır'da homra, Hindistan'da surkhi ve Osmanlı'da horasan harcı olarak adlandırılmıştır (Ramachandran, 1995). Günümüzde ise doğal puzolanlar ABD'de, Hindistan da ve Brezilya'da birçok baraj inşaatında bu tür malzemelerin kullanıldığı bilinmektedir (Ramachandran, 1995). Uçucu kül, silis dumanı, yüksek fırın cürufu ise yapay puzolanlardır. Genellikle termik santral, demir çelik tesislerinde sanayi ürünlerin yan ürünü olarak ortaya çıkan atıl durumdaki ürünlerdir. Silis dumanı, uçucu kül ve yüksek fırın cürufu gibi çok ince taneli atıl ürünler yapay puzolanlar olarak tanımlanmaktadır (Erdoğan, 2007). Puzolanik malzemelerin bağlayıcılık özellikte olabilmesi için ince taneli durumunda olmaları gerekmektedir. Puzolonlarda incelik arttıkça bağlayıcılıkta artmaktadır (Erdoğan 2007). Uçucu kül (UK) ve silis dumanı (SD) gibi malzemeler, yan ürün olarak elde edildikleri halleriyle, ince taneli malzemelerdir. Öte yandan, volkanik tüf, granüle yüksek fırın cürufu (GYFC), pişirilmiş kil gibi bazı malzemelerin beton katkı maddesi olarak kullanılabilmeleri için, öğütülmeleri ve tanelerinin en az portland çimento (PÇ) 'nu tanelerinkine getirilmeleri gerekmektedir (Erdoğan, 2003). Mineral katkı maddeleri beton karışımına doğrudan dahil edilmekte ve temel malzemelerle birlikte karılmaktadır. Çoğu zaman, beton karışımında kullanılacak çimento miktarı azaltılmakta ve azaltılan miktar kadar ince taneli katkı maddesi konulmaktadır (Erdoğan, 2003). Mineral katkılar taze ve katılaşmış betonun birçok özelliklerini etkileyebilmektedir. Bunlar, taze betonun işlenebilmesini artırmak, terleme ve segregasyonu azaltmak, hidratasyon ısısını azaltmak, alkali-silika reaksiyonu nedeniyle oluşacak genleşmeyi azaltmak, su geçirgenliği azaltmak, nihai dayanımı artırmak, sülfatlara karşı dayanıklılığı artırmak ve daha ekonomik bir beton elde etmek gibi özelliklerdir (Erdoğan, 2007).
115 Mineral Katkıların Beton Karışımında Kullanılması Uçucu kül, termik santrallerde pulverize kömürün yanması sonucu meydana gelen baca gazlarıyla taşınarak siklon veya elektro filtrelerde toplanan bir yan üründür. Dünyada uçucu kül üretimi yaklaşık 600 milyon tondur ve bu miktarın % 6 sı çimento ve beton endüstrisinde kullanılmaktadır. Dünyada uçucu kül üretimi yıllık yaklaşık 450 milyon tondur, Türkiye de ise yıllık uçucu kül üretimi 15 milyon ton civarındadır (Başyiğit ve ark., 2007). Üretilen uçucu külün endüstride kullanımı oldukça düşüktür. Bunun iki sebebi vardır: Uçucu kül hakkında yetersiz bilgi edinilmesidir diğer sebep ise uçucu kül özelliklerinin her zaman üniform olmamasıdır (Şengül ve ark.,2003). Uçucu külün termik santrallerden elde edilmesi Şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil 1. Uçucu külün termik santrallerden elde edilmesi Uçucu küllerin beton yapımında mineral katkı olarak kullanımına dair ilk çalışmalar 1932 yılında başlamıştır. 1932 yılından itibaren ABD-Berkeley deki Kaliforniya Üniversitesinde R.E. Davis, R. W. Carlson, J. W. Kelley ve H. E. Davis tarafından ortak olarak yapılan ve sonuçları yayımlanan araştırmada, beton yapımında kullanılacak çimento miktarının %30 - %50 si kadarının yerine uçucu kül konulduğu takdirde istenilen özelliklerdeki betonun elde edilebileceği belirtilmiştir (Erdoğan, 2007). Böylece, 1937 yılından itibaren, uçucu kül, beton yapımında mineral katkı maddesi olarak kullanılmaya başlanmıştır. Uçucu küllü betonun kullanıldığı ilk büyük proje, yapımına 1948 yılında başlanılan ABD-Montana daki Hungry Horse Barajı dır. Bu
Yaşar KAYAN, Ersin AYHAN, Murat DOĞRUYOL 116 barajın betonlarında kullanılan portland çimentosu miktarı, ağırlıkça, %32.4 kadar uçucu külle değiştirilmiştir (Erdoğan, 2007). Uçucu kül, beton maliyetini düşürmesi enerji korunumu sağlaması ve çevresel problemleri azaltması nedeniyle betonlarda geniş bir kullanım alanına sahiptir (Langan ve ark.,2002), (Karaşin ve Doğruyol, 2014). Ayrıca uçucu küllerin birikerek zamanla çevreye zararlı bir atık yığını haline dönüşmesi de Şekil 2 de görülmektedir (Beycioğlu ve ark., 2008). Şekil 2. Uçucu küllerin oluşturduğu bir atık yığını Silis dumanı; silisyum metali veya ferro silisyum alaşımlarının üretimi sırasında kullanılan elektrik ark fırınlarında yüksek saflıktaki kuvarsitin kömür ve odun parçacıkları ile indirgenmesi sonucu elde edilen çok ince taneli tozdur. Silis dumanı tane boyu 1μ dan küçük olup ortalama 0,1 μ civarındadır. Silis dumanının inceliği çimentodan ortalama 100 kere daha incedir (Yeğinobalı, 2007). Malzemenin yoğunluğu 2,2 g/cm 3, birim hacim ağırlığı ise 200-250 kg/cm 3 mertebesindedir. Fırınların düşük sıcaklıktaki üst bölümlerinde SiO gazı hava ile temas ederek hızla okside olur ve amorf SiO2 olarak yoğunlaşarak silis dumanı bileşiminin hemen hemen tamamını oluşturur. Bu malzeme mikrosilis, silis tozu veya silica füme gibi isimlerle de anılmaktadır. Silis dumanı amorf yapıya sahip olduğundan ve yüksek miktarda SiO2 içerdiğinden mükemmel bir puzolanik malzemedir (Yeğinobalı, 2007).
117 Mineral Katkıların Beton Karışımında Kullanılması Silis dumanı, agrega ve çimento hamuru ara yüzeyini geliştirir ve erken puzolanik reaksiyonlar sayesinde betonun dayanımına ve geçirimsizliğine katkıda bulunur. Silis dumanı genelde betonun su gereksimini arttırır (Topçu, 2006). Yüksek dayanımlı beton üretiminde silis dumanı yaygın olarak kullanılır (Erdoğan, 2003), (Topçu, 2006). Süper akışkanlaştırıcı katkılarla silis dumanının birlikte kullanımı betonda su/ çimento oranını azaltırken kaliteli bir içyapı elde edilmesini de sağlar (Aköz, 2002). Silis dumanı kullanılarak üretilen betonların fazla miktarda karışım suyuna ihtiyacı vardır. Bunu karşılayabilmek için su azaltıcı katkılarla birlikte kullanılmaları gerekmektedir. Çok ince taneli olduğundan ve terlemeyi azalttığından beton yüzeyinin düzeltilmesi işlemi güçleşmektedir. Çoğu zaman plastik büzülme çatlaklarına neden olan silis dumanı genellikle betonun koyu renk kazanmasına sebep olur (Topçu, 2006). Silis dumanının beton katkı maddesi olarak kullanılabilirliği, ilk olarak 1950 yılında Norveç Teknoloji Enstitüsünde araştırılmıştır. Araştırmanın olumlu sonuçlarına dayanılarak, bu malzeme, Oslo daki Blindtarmen Tüneli nin betonlarının yapımında kullanılmıştır. O projenin betonlarına %15 civarında silis dumanı katılmıştır (Mehta, 1986). Mineral katkı malzemelerinin optimum kullanılarak çimento ile ikame edilmesi beton dayanımını ve dayanıklılığı artırabildiği gibi ekonomik beton üretimine katkı sağlayabilmektedir (Karaşin ve Doğruyol, 2014). 2. Materyal ve Yöntem Deneyde kullanılan uçucu kül Kahramanmaraş Elbistan Termik santralinden, silis dumanı Mısır da özel işlenmiş olarak getirilmiş İstanbul Aryum firmasından, çimento ise CEM I 42,5 R sınıfı çimento olarak Limak Ergani çimento fabrikasından temin edilmiştir. Diyarbakır karayolları 9.bölge müdürlüğü araştırma ve geliştirme başmühendisliği laboratuarlarında mineral katkısız, %10 silis dumanı ikameli ve %20 uçucu kül ikameli olmak üzere 3 grup halinde 72 adet 150 mm küp numuneler hazırlandı. Beton dayanımları tespiti için 7, 28 ve 1 yıl sonunda 0.6 N/mm 2 /sn lik basınç sağlayan Tecnotest marka beton test aletiyle numuneler kırılarak test edildi.
Yaşar KAYAN, Ersin AYHAN, Murat DOĞRUYOL 118 Betondaki dayanıklılığı tespit edebilmek için numuneler 1 yılsonuna kadar su kürüne ve %10 magnezyum sülfat çözeltisine maruz bırakılmıştır. Her sette 3 adet numune kırılarak dayanım ortalamaları alınmıştır. 3. Araştırma Bulguları ve Tartışma 3.1. Blaine Deneyi (özgül yüzey alanı tayini) Limak Ergani Çimento Fabrikasında TS EN 196:6, ASTM C 204 standartlarına uygun blaine test aleti kullanılarak malzemelerin blaine deneyi ile özgül yüzey alanı tayinleri yapılmış sonuçları Tablo 2. de aşağıda verilmiştir. Tablo 2. Blaine deneyi sonuçları Malzeme Blaine Değeri (cm 2 /gr) Silis dumanı - Uçucu Kül 2172 Portland Çimento 3874 Silis Dumanı çok ince olması sebebiyle Blaine deney aleti hassasiyetiyle ölçülememektir. Özgül yüzey alanı ancak nitrojen emme yöntemi ile yaklaşık değeri ~ 200.000 cm 2 /gr olduğu hesaplanabilmektedir. Silis dumanı çok ince taneli yapısı ile puzolanik aktivitesi yüksek olduğuna işaret etmektedir bu sayede beton dayanımını arttıracağı ön görülmektedir. 3.2. Beton Basınç Değerleri Mineral katkıların betonda etkisinin araştırıldığı çalışmada beton numuneler 7, 28 ve 365 gün sonunda kırılarak test edilmiştir. Numuneler su küründe ve beton dayanıklılığını tespit edebilmek için %10 sülfat çözeltisinde de bekletilmiştir. Basınç dayanım değerleri Şekil 3. te gösterilmiştir.
119 Mineral Katkıların Beton Karışımında Kullanılması Şekil 3. Beton Basınç Değerleri Şekil 3 e göre su kürü ve sülfat çözeltisinde 7, 28 ve 365 gün basınç dayanım değerleri karşılaştırıldığında silis dumanı ikameli beton su küründe ve sülfat çözeltisinde en yüksek performansı göstermiştir. Uçucu kül ikameli beton erken yaşta en düşük dayanımı gösterse de 28 günde mineral katkısız betonun dayanım değerine yaklaşmış olup 365 gün sonra ileri yaş dayanım değeri olarak mineral katkısız beton değerinden yüksek çıkmıştır. Şekil 3 e göre mineral katkılı beton numuneler çimento miktarının azaltılması açısından beton endüstrisinde önemli bir yere sahip olduğunu, mineral katkıların sanayi yan ürünü olduklarını ve bu atıl malzemelerin geri dönüşüm olarak beton endüstrisinde kullanılması durumunda hem beton maliyetini düşürdüğünü hem de beton dayanımını artırdığını söyleyebiliriz. 4. Kaynakça Aköz, F. Fikret, T. Koral, S. Yüzer, N. (1999). Effects of Raised Temperature of Sulfate Resistance of Mortars with and without Silica Fume. Cement and Concrete Research, Vol.29, pp. 537-544. ASTM C 204, 2016. Standard Test Methods for Fineness of Hydraulic Cement by Air- Permeability Apparatus, ASTM International, West Conshohocken, PA.
Yaşar KAYAN, Ersin AYHAN, Murat DOĞRUYOL 120 ASTM C 618, (1994). Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use as a Mineral Admixture in Portland Cement Concrete, Annual Book of ASTM Standards. Beycioğlu A. Başyiğit C. Subaşı S. (2008)."Endüstriyel Atıkların İnşaat Sektöründe Kullanımı İle Geri Kazanılması Ve Çevresel Etkilerinin Azaltılması", Çevre Sorunları Sempozyumu, Kocaeli s. 1387-1394, 14-17. Erdoğan, T. Y. (2003). Beton, ODTÜ Geliştirme Vakfı ve Yayıncılık A.Ş. Ankara, 741s. Erdoğan T. Y. (2007). Beton, O.D.T.Ü. Yayıncılık, Ankara. Karaşin, A., Doğruyol, M. (2014). An Experimental Study on Strength and Durability for Utilization of Fly Ash in Concrete Mix. Advances in Materials Science and Engineering, 2014. Langan, B. W. Weng, K. Ward, M. A. (2002). Effect Of Silica Fume And Fly Ash On Heat Of Hydration Of Portland Cement. Cement And Concrete Research. 1045-1051. Mehta, P. K. (1986). Condensed Silica Fume, Cement Replacing Materials, Vol.3, Surrey University Press, pp.136, 137. Ramachandran, V.S. (1995). Concrete Admixtures Handbook, Noyes Publication, New Jersey. Şengül Ö. Taşdemir M. A. ve Sönmez R. (2003). Yüksek oranda uçucu kül içeren normal ve yüksek dayanımlı betonların klor geçirimliliği, V. Ulusal Beton Kongresi, İstanbul s.75-76 Topçu, İ.B. (2006). Yapı Malzemeleri ve Beton, Şahvar Offset,Eskişehir TS 196 EN 6, 2010. "Çimento deney yöntemleri bölüm 6, incelik tayini", Türk Standartları Enstitüsü, Ankara Yeğinobalı,A. (2007), Silis Dumanı ve Çimento ile Betonda Kullanımı,, Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği Ar-Ge Enstitüsü, Ankara