Chapter.2. PART5 CEMENT BÖLÜM 5 - ÇĐMENTO 30.07.2007 2 1
30.07.2007 3 30.07.2007 4 2
ÇĐMENTO Çimento, kireçtaşı(caco 3 ) ve kil mineralinin(sio 2.Al 2 O 3 ) 1400-1600 C gibi çok yüksek bir sıcaklıkta birlikte pişirilmesiyle elde edilen bileşiklerin bir karışımıdır. ÇĐMENTO Özel kullanımları olan çeşitli çimentolar üretilmektedir. Biz burada Portland çimentosundan ve onun özelliklerinden söz edeceğiz. 30.07.2007 5 30.07.2007 6 3
ÇĐMENTO ÇĐMENTO Portland çimentosunun üretimi, kireçtaşının (CaCO 3 ) taşocağında çıkarılması ile başlar. Büyük değirmenlerde kireçtaşı kırılır ve küçük parçalar elde edecek şekilde öğütülür. Küçük parçalı kireçtaşı (CaCO 3 ), kil ya da killi şist [ (Ca, Na, H)(Al, Mg, Fe, Zn) 2 (Si, Al) 4O 10(OH) 2 - xh 2 O] kum(sio 2 ) ve demir oksit(fe 2 O 3 ) cevheri ile karıştırılır ve heterojen ince bir toz haline gelene kadar öğütülür. Karışım, 6 metre çapında 180 metre uzunluğunda eğimli döner bir çelik fırında ısıtılır. Hammadde karışımı silindirin üst kısmından aşağıya doğru yavaş yavaş hareket ederken, silindir sabit hızla kendi etrafında döner. Fırının alt kısmından yakıt püskürtülüp, yakılarak, sıcaklık 1400-1600 C ye yükseltilir. Hammadde karışımının fırını boydan boya geçmesi yaklaşık 2 saat alır. Karışımın silindir içindeki hareketinde dönüşüm 4 basamakta gerçekleşir. Dehidrasyon Kalsinasyon Klinkerleşme Soğutma 30.07.2007 7 30.07.2007 8 4
DÖNER FIRIN R a w M a te ria ls H a m m a d d e le r fre e w a te r s e r b e s t s u c la y d e c o m p o s e s k il b o z u n u r lim e s to n e d e c o m p o s e s k ir e ç ta ş ı b o z u n u r fo rm a tio n o f in itia l c o m p o u n d s Đ lk b ile ş ik le r in o lu ş m a s ı D e h y d ratio n z o n e D e h id r a s y o n ( s u y u n u ç u r u lm a s ı) b ö lg e s i c a lc in a tio n z o n e k a ls in a s y o n b ö lg e s i C lin k e rin g z o n e K ilin k e r le ş m e b ö lg e s i in itia l fo rm a tio n o f d ic a lc iu m s ilic a te D ik a ls iy u m s ilik a tın o lu ş m a s ı fo rm a tio n o f tric a lc iu m s ilic a te T r ik a ls iy u m s ilik a tın o lu ş m a s ı te m p. s ıc a k lık Þ C 4 5 0 8 0 0 1 2 0 0 1 3 5 0 1 5 5 0 H e a t Is ıtm a c o o lin g z o n e s o ğ u m a b ö lg e s i C lin k e r K lin k e r PORTLAND ÇĐMENTOSUNUN BĐLEŞĐMĐ C: CaO S: SiO 2 A: Al 2 O 3 F: Fe 2 O 3 H: H 2 O Cement Compound Weight % Chemical Formula Kısaltma Tricalcium silicate 50 % 3CaO. SiO 2 C3S Dicalcium silicate 25 % 2CaO. SiO 2 C2S Tricalcium aluminate 10 % 3CaO. Al 2 O 3 C2A Tetracalcium aluminoferrite 10 % 4CaO. Al 2 O 3. Fe2 O 3 Q C4AF Gypsum 5 % CaSO 4. 2H2 O Portland cement was named for the Isle of Portland, a peninsula in the English Channel where it was first produced in the 1800's. Since that time, a number of developments and improvements have been made in the production process and cement properties. 30.07.2007 9 30.07.2007 10 5
ÇĐMENTO Cement Energy Use & Emissions (Çimento Üretiminde Enerji Kullanımı Ve Emisyonlar) Soğutulup, öğütülen klinkere az miktarda alçıtaşı katılarak, Portland çimentosu elde edilir. Alçıtaşı beton oluşumunda hızlı katılaşmayı önler. Ürünün tane iriliği 200 µm den küçüktür. CO 2 output: 5% 40% 50% 5% chemical process energy 4.6% of global GHG emissions Raw materials preparati on Clinker production Finish grindi ng Energy input: heat electricity 10% 10% 70% 10% 30.07.2007 11 30.07.2007 12 6
BETON Beton, dolgu maddesi ile bağlayıcıdan oluşan bir kompozittir. BETONUN BĐLEŞENLERĐ Bağlayıcı olarak Portland Çimentosu Su Çimento+su=çimento pastası Agrega dolgu maddesi olarak ince ya da kaba taneli agrega kullanılır. kum, çakıl, kırılmış kaya parçaları( sand, gravel, crushed rock) Katkı maddeleri(admixtures - when necessary) 30.07.2007 13 30.07.2007 14 7
BETONUN ÖZELLĐKLERĐ BETONUN ÖZELLĐKLERĐ Đyi kalitede betonun avantajları Đçerdiği malzemeler kolayca elde edildiği sürece ekonomiktir. Uzun ömürlü olması ekonomik yararını arttırır. Diğer inşaat malzemeleri (ahşap, metal ve metal alaşımları gibi) ile karşılaştırıldığında çürümez, paslanmaz. Kalıplayarak ya da dökme yöntemi ile şekil verilir. Bu da çoğunlukla inşaat sahasında yapılabilir. Böylece maliyet daha da düşer. Yanmaz bir malzeme olarak, yangına karşı emniyetlidir. Yüksek sıcaklıklarda erimez. Rüzgara, suya, kemirgenlere ve böceklere karşı dayanıklıdır. 30.07.2007 15 30.07.2007 16 8
Grand Coulee Dam 30.07.2007 17 30.07.2007 18 9
BETON AGREGALAR Diğer yapı malzemeleri ile karşılaştırıldığında ÇEKME DAYANIMI (Tensile Strength) oldukça düşüktür. ince tel haline getirilme yeteneği yoktur. Betonun hacimce 70-80% ni agregalar oluşturur. Agregalar kimyasal olarak reaktif olmayan, farklı şekil, büyüklük ve malzemelerden oluşur: Đnce ya da kaba taneli kum, çakıl, taş vs. Agrega yoğunluğu genelde betonun yoğunluğunu belirler. Yumuşak, gözenekli agregalar dayanımı düşük zayıf beton elde edilmesine neden olur, sert agregalar aşınmaya dayanıklı kuvvetli beton elde edilmesini sağlar. Agregalar temiz ve sert olmalıdır. Bunun için toz, kil, organik madde gibi yabancı malzemeleri ulaştırmak üzere yıkanır, daha sonra elenerek tane iriliğine göre ayrılır. 30.07.2007 19 30.07.2007 20 10
Su BAZI KATKI MADDELERĐ TYPE FUNCTION AIR ENTRAINING improves durability, workability, reduces (hava sürükleyiciler) bleeding, reduces freezing/thawing problems (e.g. special detergents) Kaliteli beton için temiz su gerekir.(good water is essential for quality concrete.) It should be good enough to drink--free of trash, organic matter and excessive chemicals and/or minerals. The strength and other properties of concrete are highly dependent on the amount of water and the water-cement ratio. SUPERPLASTICIZERS increase strength by decreasing water needed (süperakışkanlaştırıcılar) for workable concrete (e.g. special polymers) RETARDING delays setting time, more long term strength, (geciktiriciler) offsets adverse high temp. Weather (eg. sugar ) ACCELERATING speeds setting time, more early strength, (ivmelendiriciler) offsets adverse low temp. weather (e.g. calcium chloride) MINERAL ADMIXTURES improves workability, plasticity, strength (mineral katkılar) (e.g. fly ash) PIGMENT adds color (renkverici maddeler) (e.g. metal oxides) 30.07.2007 21 30.07.2007 22 11
Fly Ash (Uçucu kül) Fly Ash What is fly ash? Fly ash is the finely divided residue that results from the combustion of pulverized coal and is transported from the combustion chamber by exhaust gases. Over 61 million metric tons (68 million tons) of fly ash were produced in 2001. Where is fly ash used?currently, over 20 million metric tons(22 million tons) of fly ash are used annually in a variety of engineering applications. Typical engineering applications include: portland cement concrete (PCC), soil and road base stabilization, structural fill and asphalt filler. What makes fly ash useful? Fly ash is most commonly used as a pozzolan in PCC applications. Pozzolans are siliceous or siliceous and aluminous materials, which in a finely divided form and in the presence of water, react with calcium hydroxide at ordinary temperatures to produce calcum slicates. 30.07.2007 23 30.07.2007 24 12
BAZI KATKI MADDELERĐ PORTLAND ÇĐMENTOSUNUN HĐDRATASYONU 30.07.2007 25 30.07.2007 26 13
PORTLAND ÇĐMENTOSUNUN HĐDRATASYONU PORTLAND ÇĐMENTOSUNUN HĐDRATASYONU Çimento, su ve agregalar ile karıştırılarak pasta haline getirildikten sonra, hidratasyon ile katılaşma ve sertleşme başlar. Đlk bir kaç günde silikat ve alüminatların hidratasyon hızları trikalsiyum aluminat > trikalsiyum silikate > tetrakalsiyum aluminoferrit > dikalsiyum silikat Trikalsiyum silikat ilk 7 günde hidratlaşarak başlangıç dayanımını sağlar.30 gün içinde de alacağı son mukavemetin %70 ine ulaşır. 2 C 3 S + 7 H 2 O ---> 3 CaO.2SiO 2.4H 2 O + 3 Ca(OH) 2 + 173.6kJ Dikalsiyum silikatın sertleşmesi daha yavaş ilerler. 6 ayda son mukavemetinin 2/3 üne erişir. 2 C 2 S + 5 H 2 O---> 3 CaO.2SiO 2.4H 2 O + Ca(OH) 2 + 58.6 kj Trikalsiyum aluminatın prizlenme süresi çok kısadır. 2 C 3 A + 6 H 2 O---> 3 CaO.2Al 2 O 3.6H 2 O + Büyük miktarda ısı Ve hızla betonun sertleşmesine neden olur. Ayrıca, büyük beton kütlelerinde, sertleşme sürecinde sıcaklığın yükselmesi, daha sonra azalması beton yapıda genleşme ve büzülmelere ve giderek çatlamalara neden olur. 30.07.2007 27 30.07.2007 28 14
ERKEN ETRĐNJĐT OLUŞUMU BETON KARIŞIMLARIN ÖZELLĐKLERĐ Trikalsiyum aluminat ile alçıtaşının tepkimesi sonucu oluşan etrinjit. Üretimde klinkere alçıtaşı katılması ile hızlı prizi önler. C 3 A + 3 ( CaSO 4.2H 2 O ) + 26 H 2 O ---> C 3 A 3 CŠ. 32 H Etrinjit Bu tür etrinjit normal etrinjit olarak da adlandırılır. 1. Sağlam bir yapı elde etmek için agrega tane iriliği dağılımının uygun olması gerekir. Böylece çimentodan tasarruf edilirken, daha az geçirimli, dolayısı ile daha dayanıklı malzeme elde edilir. 2. Kum / çakıl (ya da kırma taş ) oranı hacimce genellikle ½ ile 1/1 aralığında seçilir. 3. Beton üretiminde çimentoya katılan su, bir yandan hidratlaşmaya neden olurken, diğer yandan agreganın kayganlaşmasını, dolayısı ile betonun iyi işlenmesini sağlar. 4. Ancak su / çimento oranı, betonun kalitesini belirleyen çok önemli bir etkendir. 5. Oran düşükse, işlenebilme azalır, tanecikler arası hava boşlukları artar, mukavemet düşer. 6. Oran yüksekse, yani su miktarı fazla ise akıcılığın artması betonun işlenmesini kolaylaştırırken, fazla su zamanla buharlaştıkça kılcal boşluklar meydana gelir. Mukavemet azalır. 7. Su / çimento oranı kütle cinsinden genellikle 0.4 0.7 arasında alınır. 8. Betona değişik özellikler kazandırmak için ç,imento kütlesinin % ya da %o biri mertebesinde katkı maddeleri katılır. 9. Örneğin hava sürükleyici katkılar işlenebilirliği ve dona dayanıklılığı arttırır.oluşacak boşluklar genellikle birbirinden bağımsız, küçük kürelerdir. Dayanıma olumsuz etkisi ihmal edilebilir. 10. Betonun istenen özelliklere sahip olması için kullanılan çimento ve agregaların standartlara uygun olması gerekir. 11. Dozaj: Yerleştirilip, sıkıştırılmış 1 m 3 betondaki çimentonun kg cinsinden miktarına dozaj denir. Betonda geçirimsizliği sağlamak, çelik konstrüksiyonun paslanmasını önlemek için dozaj en az 300 kg m -3 olmalıdır. 30.07.2007 29 30.07.2007 30 15
BASINÇ DENEYĐ GEÇ ETRĐNJĐT OLUŞUMU Sertleşmiş beton kalitesi 15 cm çapında 30 cm boyundaki silindirik ya da 20x20x20 cm 3 lük küp numuneler üzerinde basınç deneyi yapılarak saptanır. Dış sülfat atağı: beton geçirgenliğinin yüksek olması, sülfatça zengin ortam( Na, K ve Mg tuzları) su CH ve CSH üzerine etki ederek alçıtaşı oluşturur.mukavemeti ve adhezyonu azaltır. Numuneler sertleştikten sonra kalıptan çıkarılır, 20 o C ta doygun kireçli su içinde saklanarak, üretiminden 28 gün sonra kırılır. Ya da kalsiyum alüminyum hidratlara etki ederek etringit oluşturur. Bu da yapıda genleşmeye bağlı çatlak ve kırıklara neden olur. Đç sülfat atağı: Standartlarda betonlar basınç mukavemetlerine göre sınıflandırılmıştır. 28 günlük basınç mukavemeti esas alınır. mikrokırık ve çatlaklar, erken oluşan etrinjitin ısıl bozunması ile ortama sülfat iyonu salması su Türk Standartları ( TS 500 ) Beton sınıflarını ve mukavemetlerini verir. Örnek: BS xx Beton sınıfı silindir mukavemeti 12 N/ mm 2 ya da küp mukavemeti 150 kg / cm 2 olmalı... 30.07.2007 31 30.07.2007 32 16
GEÇ ETRĐNJĐT OLUŞUMU DENEY: KENDĐ BETONUNU KENDĐN YAP Materials: Empty soda bottle (2 liters) 4 containers Spoon w/ long handle Portland Cement Water Sand (fine aggregate) Gravel (coarse aggregate) Ingredient Metric Portland Cement 150 g Water 90 g Sand (fine aggregate) 365 g Gravel (coarse aggregate) 570 g Procedure Place the correct amount of each material in one of the four containers, as given by Table 1. Cut off the neck of the bottle so there is a wide area to pour into. Be careful that you don't cut off too much of the bottle or the concrete will overflow your container. Mix the dry ingredients together in the bottle so they are evenly distributed. Slowly add the water to the mixture, making sure to keep the mixture consistent by stirring. When all of the water has been added and the mixture is consistent (i.e. there are no pockets of water or areas with a lot of one ingredient), allow it to sit, undisturbed, for 48 hours. Be careful handling the bottle. Once the reaction has begun to take place the CONCRETE CAN BECOME VERY HOT. When the concrete has cooled cut the bottle to remove the block of concrete. 30.07.2007 33 30.07.2007 34 17