1
2
Portland Çimentosu ve Kalsiyum Alüminat Çimentosu Mineral Fazlarının Yapı Kimyasalı Ürünlerinin Performansına Etkileri Eylül,2017 İstanbul 3
Düşünmek bilmekten daha ilginçtir; ama incelemekten daha ilginç değildir. Wolfgang Van Goethe Araştırmacılık, herkesin daha önce gördüklerini görüp bunlardan kimsenin düşünmediklerini bulup çıkarmaktır. Albert Szent Gyorgyi 4
Uygulamalar Ar-Ge Merkezi Süreç Şeması 5
Kimyasal Analizler XRD XRF FTIR Optik Mikroskop Fiziksel Analizler PSD Renk Analizi Mekanik Analizler Priz Süresi Basınç Dayanımı Su emme, Çekme Yapışma Flow, Kayma Boyutsal Kararlılık Ar-Ge Merkezinde Yapılan Analizler 6
C 3 S C 2 S Sıvı faz Optik Mikroskop İncelemeleri Hammaddeden son ürüne kadar gelen süreçteki numunelerin görüntüleri sağlanabilir. Özellikler, klinker aşamasındaki ürünlerde renklendirme yapıldıktan sonra software yardımıyla faz analizi yapılabilmektedir. Faz analizi yapılması; Rietveld, FT-IR gibi karakterizasyon yöntemleriyle karşılaştırma ve doğrulama yapılma olanağı sağlamaktadır. 7
FT-IR Analizi ile Nitel Ölçümlemeler Hammadden son ürüne kadar, her tür numuneyi (organik-anorganik) karakterize etmek için kullanılacak bir cihazdır. Farklı tür çimentolardaki fazların ve hidratasyon ürünlerinin tayini için kullanılabilir. Kullanılan katkı malzemelerinin karakterizasyonu için de kullanılabilir. 8
Rietveld Metodu ile Mineral Faz Nicel Ölçümlemeleri Fazların kristal yapı parametrelerine bağlı olarak, XRD desenini kullanarak nicel analiz sonuçları elde edilebilen bir metottur. Bu metodun uygulanabilmesi için XRD deseni, kristal yapısı bilgisi ve kimyasallar arası reaksiyon sonucu çıkan ürün bilgisi gerekmektedir. XRD desenleri (parmak izleri) sayesinde numuneler arasında farklılıklar ortaya çıkarılabilir. 9
Albit Çimento Uygulama Albit Silikon oksit C 3 S C 2 S C 3 A Triklinik Monoklinik Rombohedral Amorf faz CSH CH Etrenjit Hammadde- Çimento- Uygulama 10
Bogue Formülleri & Rietveld Analizi Oksitler Al 2 O 3 CaO Fe 2 O 3 K 2 O MgO SO 3 SiO 2 SO1 3.94 70.20 0.19 0.18 0.25 0.00 23.36 SO2 3.66 70.22 0.14 0.18 0.25 0.00 24.28 SO3 3.95 70.56 0.17 0.18 0.25 0.10 23.75 SO4 3.83 69.85 0.25 0.16 0.25 0.04 24.39 SO5 3.95 70.00 0.24 0.17 0.27 0.00 24.40 SO6 4.08 70.04 0.31 0.18 0.27 0.00 24.46 Faz BOGUE FORMÜLLERİ SO1 SO2 SO3 SO4 SO5 SO6 C 3 S-alite 69.0 85.5 66 58.5 70.4 74.3 3 S = 4.0710[CaO]-7.6024[SiO 2 ]-4297[Fe 2 O 3 ]-6.7187[Al 2 O 3 ] C 2 S-belite 17.8 2.8 22.7 27.6 19.4 16.3 C 32 A-aluminate-cubic S = 8.6024[SiO 2 ]+1[Fe 2 O 3 ]+5.0683[Al 7.8 6.4 2 O 3 ]-3.0710[CaO] 6.7 7.4 8.3 7.8 CaO 8 4 3.8 0.5 0.2 0.3 C 3 A = 2.6504[Al 2 O 3 ]-6920[Fe 2 O 3 ] Ca(OH) 2 -portlandite 3.2 2.2 3.1 5.8 0.5 0.7 MgO-periclase C 4 AF = 3.0432[Fe 2 O 3 ] 0.4 4 2.0 0.2 2 0.5 11
Kalsiyum Alüminat Çimentosu Rietveld Analizi 12
Kalsiyum Alüminat Çimentosu 13
Kalsiyum Alüminat Çimentosu Hızlı tamir harçlarında, Kendiliğinden yayılan şaplarda, Derz dolgularında, Seramik yapıştırıcılarda ve Sızdırmazlık malzemelerinde kullanılmaktadır. 14
Kristal & Amorf Faz Kristal Fazlar: Uygulamanın mekanik özelliklerini belirleyen yapılardır. Tüm kimyasal reaksiyonlar fazlar üzerinden gerçekleşir. Amorf faz: Kimyasal olarak kristal fazlarla aynı elementleri içermesine rağmen, çimento hidratasyonunda davranışı tamamen farklıdır. 15
Kalsiyum Alüminat Çimentosu Ana Fazlar CA (Monocalciumaluminate) C 12 A 7 (Mayenite) C 2 AS (Gehlenite) C 4 AF (Brownmillerite) 16
Kalsiyum Alüminat Çimentosu Minör Fazlar C 2 S (Larnite) CT ( Calcium Titanate) C 3 FT ( Tricalcium Titanium Diiron (III) Oxide) Hematite Q Fazı (Pleochroite) Spinel 17
CA- Monokalsiyum Alüminat CAC içerisindeki en önemli fazdır. Genel olarak klinkerin %50- %55 lik kısmını bu faz oluştur. CaO+Al 2 O 3 CA Çimentonun özelliklerinden sorumlu olan ana reaktif fazdır. 18
CA- Monokalsiyum Alüminat- Uygulamalara Etkisi Uygulamalarda basınç dayanımdan sorumlu fazdır. Etrenjit hesabı yapılırken, CA fazı yüzdesi önemlidir. Kontrollü genleşme, alkali ve sülfat direnci için alt sınır değeri olmalıdır. 19
C 12 A 7 - Mayenite Önemli fazlardan biridir. Priz süresinde ektin rol oynamaktadır. 12CaO+7Al 2 O 3 C 12 A 7 Çimentonun en reaktif fazıdır. 20
C 12 A 7 Mayenite- Uygulamaya Etkisi Alçılı sistemlerde etrenjit oluşumundan ve işlenebilirlik süresinden sorumludur. Çok reaktif olduğu için alt ve üst sınır değerleri belirlenmelidir. İlk hidrate olan malzeme olduğu için erken dönemde hidratasyon ısısının yükselmesine ve yüzey çatlaklarının oluşmasına neden olabilir. 21
CA- C 12 A 7 Fazları 22
C 2 AS- Gehlenite Hammaddeden gelen SiO 2 varlığında ortaya çıkan fazdır. 2CaO+Al 2 O 3 +SiO 2 C 2 AS Çimentonun erken hidratasyonuna negatif yönde etkisi vardır. 23
C 2 AS- Gehlenite- Uygulamaya Etkisi Gehlenite fazı çok yavaş hidrate olur ve ya hiçbir zaman hidrate olmayabilir. 3 lü sistemeler de re-aktivite performansını düşürmemek adına çimento içerisindeki oranı sınırlandırılmalıdır. Yüksek miktarda oluşması çimentonun re-aktivitesini de düşüşe sebep olabilir. 24
C 4 AF- Brownmillerite Ferrite fazıdır. 4CaO+Al 2 O 3 +Fe 2 O 3 C 4 AF Fırın içi yükseltgen olduğu durumlarda oluşan fazdır. Fe 3+ iyonu içerir. 25
C 4 AF- Brownmillerite- Uygulamaya Etkisi 3 lü bağlayıcı sistemlerde CA ile birlikte uzun dönem dayanımda görev alır. Çimentoya dolayısıyla uygulamaya rengini veren fazdır. 26
Minör Fazlar C 2 S (Larnite), hammaddede SiO 2 varlığında oluşan fazdır. CT ( Calcium Titanate) ve C 3 FT ( Tricalcium Titanium Diiron (III) Oxide) fazları, hammaddede TiO 2 varlığında oluşan fazlardır. Q* fazı, majör fazların oluşumunu azaltmaktadır. Hematite,Fe 3+ iyonu içerir. 27
Etrenjit Oluşumu 3CA + 3CsH x + (38-3x)H C 3 A.3CsH 32 + 2AH 3 C 12 A 7 + 12CsH x + (137-12x)H 4C 3 A.3CsH 32 + 3AH 3 Gerekli olan kalsiyum sülfat miktarı x=0, x=0.5 ve x=2. 28
Etrenjit Etkisi Etrenjit hesabı doğru yapılmazsa; İlerleyen dönemlerde genleşme miktarı harcın büzülme miktarından fazla olacağı için çatlaklara sebep olmaktadır. 29
Portland Çimentosu 30
Portland Çimentosu Ana Fazları C 3 S - Alite C 2 S - Belite C 3 A - Alüminat C 4 AF -Brownmillerite 31
Farklı Türdeki Klinker Fazlarının Oluşum Yüzdeleri Klinker Tipi Alit-C 3 S Belit-C 2 S Aluminat-C 3 A Aluminoferrite-C 4 AF Genel 65 15 8 9 Düşük Isılı 25 55 3 14 Sulfata Dayanıklı 73 9 2 13 Beyaz 73 14 11 0 32
C 3 S- Alite Farklı polimorfları vardır, Rombohedral>Monoklinik>Triklinik Su ile tepkimesinden C-S-H ve Ca(OH) 2 oluşmaktadır. Harcın erken ve nihai dayanımı için gerekli olan fazdır. Yüksek erken dayanımı kristal yapısına bağlıdır. Polimorflarının re-aktivitesine göre dayanıma katkısı değişkenlik gösterir. Hidratasyon ısısı orta derecedir. 33
C 2 S- Belite Farklı polimorfları bulunmaktadır, α-belite> α high-belite> β-belite> α low-belite> γ-belite Su ile tepkimesinden C-S-H ve Ca(OH) 2 oluşmaktadır. Harcın nihai dayanımı için gerekli olan fazdır. İlk günlerde dayanıma katkısı azdır, fakat uzun dönemde alite ile aynı dayanım değerine ulaşır. Hidratasyon ısısı düşük derecedir. 34
C 3 A- Alüminat Farklı polimorfları vardır, Ortorombik> Kubik 6Ca 2+ +2Al 3+ + 12 OH - +3 SO 4 2- + 26 H 2 O = Ca 6 Al 2 (OH) 12 (SO 4 ) 3 26H 2 O (etrenjit) Harcın nihai dayanıma etkisi azdır. Hidratasyon ısısı yüksek derecedir. Polimorflarına göre hacim kararlılığı değişmektedir. 35
C 4 AF- Ferrite Harcın nihai dayanıma katkısı azdır. Çimentoya dolasıyla harca doğal rengini veren fazdır. Hidratasyon ısısı düşük derecedir. 36
Portland Çimentosunun Fazlarının Uygulamaya Etkisi C 3 S: alite oranını artarsa erken ve geç dayanımlar artar C 2 S: belit oranı artarsa geç dayanım artar C 3 A: C 3 A oranı artarsa erken dayanım artar, alkaliler C 3 A nın aktivitesini artırır. (Hidratasyon ısısı artışına ve erken donmaya dikkat edilmeli) C 4 AF: geç dayanıma çok az etkisi var, düşük re-aktiviteli fazdır. 37
Yapı kimyasalı uygulamalarında kullanılan çimentoların mineral faz miktarı ve polimorfları direk olarak uygulama performansına da etki eder. Özellikle 3 lü sistem dizaynları yapılırken, etrenjit yapısına katılan faz yüzdesi bulunarak kullanılacak olan kalsiyum sülfat yüzdesi ve türü belirlenmektedir. 38
Formülhane iletişim: T: 0(324) 454 00 60 C: +90(533) 156 33 24 M: m.severoglu@cimsa.com.tr 39