çimentolar üretimi ve çeşitleri 1-1 Paki Turgut Kaynaklar 1) Turhan Y. Erdoğan, Beton 2) İlker Bekir Topçu, Beton Teknolojisi, 2006. 3) Domone P, Illston J, Construction Materials, 4th Edition 4) Mindess S et al., Concrete, 2nd Edition 5) Hewlett P, Lea's Chemistry of Cement and Concrete, 5th Edition 6) Mehta PK, Monteiro PJM, Concrete: Microstructures, properties, and materials 7) Portland Cement Association
Beton: Latince bir kelime, concretus: yığın ya da birlikte büyümek anlamında Çağdaş bir yapı malzemesi, günlük yaşamımız direk veya dolaylı bu malzemeye bağlı. Hamur Çimento Su Harç Beton = = Hamur = İnce ve iri agrega + + + İnce agrega Portland çimentosu
İyi ve zayıf yönleri Basınç dayanımı yüksek Kolay kalıplanma EKONOMİK Çekme dayanımı zayıf Gevrek Dayanıklı Şantiyede yapılabilir ESTETİK Yangına dirençli Büzülür Dayanım Ağırlık / oranı küçük
Örnek bir yapı betonunun mühendislik özellikleri Basınç dayanımı: 35 MPa Eğilme dayanımı: 6 MPa Çekme dayanımı: 3 MPa Çelik: 400/1900 Elastisite modülü: 28 GPa Çelik: 210 Poisson oranı: 0.18 Çelik: 0.30 Çatlama birim deformasyonu: 0.001-6 o Isıl genleşme katsayısı: 10x10 / C Çelik: En büyük büzülme deformasyonu: % 0.05-0.1 Yoğunluk Normal beton: 2300 kg/m 3 Hafif beton: 1800 kg/m ENERJİ 3 Çelik: 300 GJ/m Çimento: 22 GJ/m 3 3-6 12x10
İlk dönemlerde alçı ve kireç bağlayıcılar kullanılmıştır. Hidrolik bağlayıcı nedir? Hidrolik olmayan bağlayıcı nedir? 2CaSO. 2H O Isı:130 C 2CaSO. 1/2 H O + 3H O o 4 2 4 2 2 CO 2 CaCO 3 Isı:1000 o C CaO + CaO + 2H O Ca(OH) CO CaCO + H O 2 2 2 3 2
1756 John Smeaton (İngiliz inş. müh.), kireç ve puzolan içeren bağlayıcı üzerine deneyler yaptı. Kalker içindeki kilin avantajını buldu. 1756 James Parker (İngiliz), Doğal Hidrolik Çimento patenti aldı. 1813 Vikat (Fransız) kalker ve kilden bağlayıcı üretti. 1824 Joseph Aspdin (İngiliz) Portland Çimentosunun patentini aldı. 1836 Almanlar çimentonun çekme ve basınç testlerini yaptılar. 1900 Çimentonun test standartları oluşturuldu. 1909 Thomas Edison döner fırın patenti aldı. 1930 Hava sürükleyici katkılar bulundu. Eddystone Lighthouse John Smeaton, 1756
Sondaj Hammaddeler 120 mm, daha sonra 20 mm çapa düşürülür Şist Kalker Hammaddeler: kalker;kil;şist;kum; demir cevheri Konkasör Titreşimli bant Hammaddeler ayrı depolanır. Birinci konkasör İkinci konkasör Hammaddeler değirmene gönderilir.
Havalı ayrıştırıcı KURU SİSTEM Kalker Kil Kum Demir cevheri Hammadde miktarları ayarlanır Değirmen İri İnce Toz toplayıcı Pünomatik pompa Sıcak hava fırını Ham karışım Hava FIRINA YAŞ SİSTEM Kalker Kil Kum Demir cevheri Hammadde miktarları ayarlanır Bu kısımda su katılır İri Değirmen Bulamaç İnce Bulamaç pompaları Titreşimli bant Bulamaç karıştırılır ve harmanlanır Bulamaç pompası Depolama kısımları FIRINA
Fırına Toz toplayıcı Hammadde kısmi füzyon oluşturmak için pişirilir Kömür, petrol, gaz ya da diğer yakıt Klinker Malzemeler ayrı depolanır Alçıtaşı Fan Toz kovası Döner fırın Hava Klinker soğutma Klinker ve alçıtaşı değirmene taşınır
Hammadde girişi Ön ısıtıcı ve klinker soğutucudan gelen sıcak gazlar Önısıtıcı.fırından gelen gazlar farini ısıtır ve farin fırına girmeden önce yaklaşık %40 civarında kalsine olur Toz toplayıcı Bu kısıma yerleştirilen bir cihaz farini fırına girmeden önce %85-95 civarında kalsine eder Üçüncü hava borusu Klinker Malzemeler ayrı depolanır Alçıtaşı Fan Toz kovası Döner fırın Hava Klinker soğutucusu Klinker ve alçıtaşı birlikte öğütülür
Source: PCA, 2003
Havalı ayrıştırıcı Toz toplayıcı Klinker ve alçıtaşı birlikte öğütülür Klinker İri İnce Malzeme miktarları ayarlanır Değirmen Çimento pompası Dökme çimento Paketleme Kamyon makinası
kalker ocağı çimento üretim şeması diğer hammaddeler kil ocağı depolama depolama öğütme ve harmanlama ön ısıtıcı ve ön kalsinasyon depolama ve son harmanlama döner fırın öğütme ve harmanlama alçıtaşı son öğütme depolama dağıtım
egzoz gazı hammadde girişi kuru yöntem döner fırında oluşan reaksiyonlar mesafe, metre 200 150 100 serbest su kilin ayrışması kireçtaşının ayrışması başlangıç bileşenlerinin oluşması C 2 S oluşumu erime oluşumu 50 C 3 S oluşumu 0 gaz o sıcaklığı, C 450 800 1200 dehidratasyon kalsinasyon klinkerleşme soğuma klinker soğutma ızgarası hammadde o sıcaklığı, C 1350 50 1550 600 1100 1350 1450
o 700 C ye kadar Hammaddeler serbest akan toz şeklindedir Fırın kesiti Nodulizasyon süreci Klinkerleşme reaksiyonları Taneler katıdır ve aralarında reaksiyon yoktur Su kaybı vardır Ayrışmış kil tekrar kristalize olur H O 2 H O 2 Kil tanesi Kalker tanesi o 700-900 C Hammaddeler halen serbest akan toz şeklindedir Taneler halen katıdır Kalsinasyon devam ederken, serbest kireç artar CO 2 CO 2 Reaktif silikat ile CaO birleşir ve C2S oluşmaya başlar CO 2 o Kalsinasyon sayesinde malzeme 850 C sıcaklığını korur
1150-1200 o C Taneler birbirini tutmaya başlar (yapışkan gibi) Fırın kesiti Nodulizasyon süreci Klinkerleşme reaksiyonları Katı taneler arasında reaksiyon oluşmaya başlar Serbest kireç Kalsinasyon tamamladığında sıcaklık hızlı bir şekilde artmaya başlar CaO ve silikatların birleşmesiyle küçük belit kristalleri oluşmaya başlar o 1200-1350 C Sıvı eriyik yardımıyla taneler yığın olmaya başlar Fırının dönmesi yığınların kaynaşmasını sağlar Sıvıdaki kapiler kuvvetler taneleri bir arada tutar o 1250 C üzerinde sıvı faz oluşur Oluşan bu sıvı faz yardımıyla, serbest CaO ile belite reaksiyona girerek alite kristalini oluşturur Köşeli alite kristalleri Yuvarlak belite kristalleri Klinkerleşme Sinterleşme Füzyon
Fırın kesiti Nodulizasyon süreci Klinkerleşme reaksiyonları 1350-1450 o C Tanelerin yığılma ve tabaka oluşumu, malzemeler birbiri üzerine düşünceye kadar devam eder Yetersiz sıvı zayıf (tozlu) klinker oluşumuna neden olur Nodüller yeterli miktarda sıvı ile oluşur Belite kristallerinin miktarı azalır, boyutu artar Alite miktarı ve boyutu artar Soğuma Soğuma esnasında klinker nodüllerinin şekli değişmez Soğuma sonrasında C3A ve C4AF sıvı faz içinde kristalleşir Belite kristalleri tabakalı yapıdadır
Önısıtma/ön kalsinasyon kulesi Önısıtma kulesi Döner fırın Kuru Kuru Önısıtıcılı-ön kalsinasyonlu fırın 50 m Önısıtıcılı fırın 90 m Kuru Uzun fırın 130 m Islak Islak fırın 200 m Hammadde o 20-200 C Su ayrılır Üst uç soğuk kısım Kuruma bölgesi o 250-750 C Isıtma Önısıtma bölgesi o 750-1000 C CaCO 3 Kalsinasyon bölgesi CaO CO 2 o 1200-1450 C Sinterleşme ya da pişme bölgesi CaO+SiO +Al O +Fe O 2 2 3 2 3 C3S+ C2S+C3A+C4AF KLİNKER Soğuma bölgesi o 1450-1300 C Yakıcı Klinker soğutucu Alt uç sıcak kısım Yakıt
Klinker yüzeyi Alite Belite SEM Kırılmış klinkerde belite SEM SEM
SEM Alite kristali üzerinde alkali sülfat Klinker içerisinde serbest kireç SEM Alite kristali üzerinde alkali sülfat Tabakalı belite SEM SEM SEM İnce kesit yöntemi Alite C AF 4 Belite Belite C 3 A C 3 A
Normal Portland çimentosunun kompozisyonu % w Trikalsiyum silikat 3CaO. SiO 2 C S 3 55 Dikalsiyum silikat 2CaO.SiO 2 C S 2 18 Trikalkalsiyum alüminat Tetrakalsiyum alüminoferrit Kalsiyum sülfat dihitrat (alçı) 3CaO.Al O 2 3 C A 3 10 4CaO.Al O.Fe O 2 3 2 3 C AF 4 8 CaSO.H O 4 2 CSH 2 6 Toplamın % 100 olmamasının nedeni çok küçük miktarda başkaca oksitlerin bulunmasıdır.
Portland çimentosunun oksit comp. % w CaO C Kireç 64.7 Anabileşen miktarları Bogue formülleri ile bulunur SiO 2 S Silikat 21.03 Al O 2 3 A alüminat 6.16 Fe O 2 3 F demir oksit 2.58 MgO M magnezyum 2.62 K O 2 K alkali 0.61 Na O 2 N alkali 0.34 SO 3 S kükürt trioksit 2.03 CO 2 C karbondioksit - H O 2 H su - CaCO 3 CaO.CO 2 CC CaSO 4.2H2O CaO.SO 3.2H2O CSH 2
Anabileşenlerin hidratasyon özellikleri Reaksiyon hızı C 2 S C 3 S C4AF+CSH2 Açığa çıkan ısı miktarı C 2 S C 3 S C4AF+CSH2 C A+CSH 3 2 C A+CSH 3 2 Isı salınımı C 2 S C 3 S C4AF+CSH2 C A+CSH Dayanıma katkısı 3 2 C AF+CSH 4 2 C A+CSH 3 2 C S 2 C S 3 C S 2
100 Hidratasyon derecesi, % saf anabileşenler C3A _ C A + CSH 3 2 C3S C2S Zaman (gün) 100 100 Hidratasyon derecesi, % tip I çimento C3A Ferrite Belite Alite Zaman (gün) 100
70 Basınç dayanımı (MPa) C3S C2S C A + CSH Zaman (gün) 100 _ 3 2 _ C AF + CSH 4 2
ASTM C150 Tip I-V Portland çimentolarının kimyasal kompozisyonları ve özellikleri I II III IV V C S 3 55 55 55 42 55 ASTM C150 Portland çimentosu çeşitleri I Normal II Sülfata orta dirençli III Erken yüksek dayanımlı IV Düşük ısılı V Sülfata yüksek dirençli C S 2 18 19 17 32 22 C A 3 10 6 10 4 4 C AF 4 8 11 8 15 12 CSH 2 6 5 6 4 4 2 İncelik (Blaine, m /kg) 365 375 550 340 380 1 günlük basınç dayanımı (MPa) 7 günlük hidratasyon ısısı (J/g)) 15 14 24 4 12 350 265 370 235 310
3 Portland Çimentosu= 400 kg/m 70 o Sıcaklık yükselmesi ( C) o Beton döküm sıcaklıklığı 20 C sıcaklık orta noktada ölçülmüş 1 m 0.50 m 0.15 m 1.5 m Adyabatik 3 m 2.5 m 2 m yükselme 10 100 Dökümden sonraki süreler (saat) 1000
60 Kütle betonda adyabatik 0 sıcaklık yükselmesi ( C) Tip I Tip III Tip II Tip IV 50 Basınç dayanımı (MPa) III I II,V IV Zaman (gün) 30 II, IV, V I III 90 1 2 Zaman (gün,yıl)
Minor oksitler ve etkileri nelerdir?
Değiştirilmiş Portland çimentoları nasıl üretilir ve özellikleri nelerdir? Harmanlanmış çimentolar nasıl üretilir? Özellikleri nelerdir? Özgerilimli çimentolar nasıl üretilir? Özellikleri nelerdir?
Genleşen çimentolar + Uzunluk değişimi - nem kürü zaman (gün) 20 30 40 50 60 kuruma + T T C C T T Uzunluk değişimi - nem kürü zaman (gün) 20 30 40 50 60 kuruma
Kalsiyum sülfoalüminatlı çimentolar Kalsiyum fluoroalüminatlı çimentolar
Erken priz alan ve sertleşen çimentolar Beyaz çimento Duvar derzlerinde kullanılan çimento Petrol kuyularında kullanılan çimento Doğal çimento
PORTLAND OLMAYAN İNORGANİK ÇİMENTOLAR Kalsiyum alüminat çimentoları Kompozisyonu ve kimyası Dönüşümü
Basınç dayanımı (MPa) 45 Kür sıcaklığı o 18 C o 38 C 0.60 w/c 0.30 0.40 0.50 1 gün 7 gün 28 gün 1 yıl 5 yıl Kür süresi
Alçı sıva Alçı sıva b-kalsiyum sülfat hemihidrattır: CaSO. 1/2 H O 4 2 CSH2 150 o C CSH 300 o C CS Alçıtaşı 1/2 b-hemihidrat ya da sıva Anhidrit
Çimentolarda incelik 74 mikron/ % 14 Tane boyutları 6.5-90 mikron, çoğu 30 mikron İncelik artarsa, Hidratasyon/dayanım kazanma/ ısı salınım hızı artar Hava sürüklenmemiş betonda su ihtiyacı artar, böylece kuruma büzülmesi miktarı artar Betonun donma-çözülmeye karşı direnci azalır C A için gerekli olan alçıtaşı miktarı artar 3 Su kusma hızı ve miktarı azalır
Wagner türbidimetresi ve çalışma prensibi 2 V=2.g.a (d1-d2)/9.h
Blaine hava geçirgenlik cihazı ve çalışma prensibi 3 1/2 S=14(e.Ai) /(D(1-e).n.Q) 1/2 S=K.t
Çimento hamuru testleri 1 mm çaplı, 50 mm uzunlukta iğne 300gr numune kalıbı 10mm 1 mm Vicat Aleti
Normal kıvam nedir? nasıl tespit edilir?
Priz süreleri nasıl bulunur? Priz başlangıcı Priz sonu Priz süreleri, dakika (Vicat metoduna göre)
Çimento hamuru testleri Dayanıksızlık nedir? nasıl tespit edilir? Le Chatelier Halkası CaO: en fazla 4 mm MgO: en fazla 10 mm
Çimentonun kızdırma kaybı Çimentoda kızdırma kaybı neden kaynaklanır? Nasıl tespit edilir? Tespit edilmesinin pratikteki faydası nedir?
Çimentonun yağunluğu nasıl tespit edilir?
Çimentonun birim ağırlığı nasıl bulunur?
Yalancı priz Ani priz
Harç testleri Harç yayılma testi
Basınç dayanımı testi Eğilme dayanımı testi
Sülfat genleşmesi testi
Portland tipi çimento türleri TS 197-1 Ülkemizde üretilen Portland çimentoları CEM I 32.5 Normal Portland Çimentosu CEM I 42.5 Yüksek Dayanımlı Çimento CEM I 52.5 Yüksek Dayanımlı Çimento Normal Portland Çimentosuna kıyasla daha fazla kalker içerir ve ince öğütülmüşlerdir. Bileşimlerinde C3S fazla olduğundan, CEM I 32.5 kıyasla daha fazla Ca(OH) 2 oluşur. Yüksek yapılarda kullanılırlar. Baraj, deniz yapıları, sülfatlı zeminlerde yapılacak inşaatlarda uygun değildirler. Katkılı çimento üretiminde tras, uçucu kül, silis dumanı, kalker gibi mineral katkı maddeleri kullanılır. Katkılı çimentolar TS EN 197-1 göre CEM II CEM III CEM IV CEM V
Curuflu çimentolar % 12-18 Al O, % 26 SiO, % 42-48 CaO ve az oranlarda MgO, Fe O, MnO, CaS, MnS 2 3 2 2 3 CaO+MgO+Al O /SiO >1 2 3 2
TS EN 197-1 göre çimento tipleri CEM I Portland çimentosu CEM II Portland kompoze çimentosu CEM III Yüksek fırtın cüruflu çimento CEM IV Puzolanlı çimento CEM V Kompoze çimento Ana çimento tipi Alt tip, ikinci ana bileşen (bu örnekte cüruf) N: normal erken dayanım R: hızlı erken dayanım CEM II/A-S 42,5 N Klinker oranı A: çok B: orta C: düşük Standart dayanım sınıfları S Yüksek Fırın Cürufu V SilissiUçucu Kül P Doğal Puzolan (Tras) D Silis Dumanı Q EndüstriyelPuzolan L Kalker W Kalkersi Uçucu Kül T Pişmiş Şist
Çimentoların taşınması, paketlenmesi ve depolanması
Çimentoların taşınması, paketlenmesi ve depolanması