çimento notları

ÇĠMENTO NOTLARI
 Çimento ve su arasında kimyasal reaksiyon sonucunda çimento jelleri
oluşur. Bu jeller çimento hamurunun bağlayıcılığını sağlar. Hidratasyon
devam ettikçe çimento hamurundaki kapiler boşluk oranı azalır.
Çimento hamurunun (ve betonun) kazanacağı dayanımın hızı ve
miktarı, hidratasyonun ne ölçüde gerçekleşmiş olmasına bağlıdır.
 Hava sıcaklığının yüksek olması, rüzgar hızının yüksek olması,
havadaki rölatif nem miktarının düşük olması beton içindeki suyun
önemli bir miktarının buharlaşma yoluyla kaybolmasına yol açar.
 Betonun içerisindeki sıcaklığın düşük olması durumunda da
hidratasyonun oluşumu çok yavaşlamaktadır.
HĠDROLĠK BAĞLAYICI: Su altında sertleşebilen ve suya karşı
dayanıklı olan (suda erimeyen) bağlayıcıdır.
KLĠNKER: Kireç, alümin, demiroksit ve silika bileşimli
hammaddelerin uygun oranda karıştırılıp 1350-1450 °C sıcaklıkta
pişirilmeleri sonucunda elde edilen ürüne denir.
Hammaddeler= kalker+kil (Not: Gerektiğinde, bu karışımın içerisinde
bir miktar kum ve demir cevheri gibi malzemelerde katılmaktadır.)
Klinker: 1-25 mm çapındaki tanelerdir. Yüzeyleri gözenekli, taneleri
sert ve yuvarlak, yeşilimsi koyu gri renktedir.
Klinker üretebilmek amacıyla hammaddelerin pişirildiği fırına “döner
fırın” adı verilir.
Döner fırın, çelikten yapılmış ve içi boş bir silindire benzeyen uzun bir
fırındır. Fırının iç yüzü ateşe dayanıklı tuğlalarla astarlanmıştır.
Döner fırın, boyu yatay eksende yer alacak tarzda fakat yaklaşık % 3-%
4 eğime sahip bir konumda yerleştirilmiştir.
Döner fırınların çapı 2 m- 6 m arasında değişir.
Boy/çap oranı 15-30 civarındadır.
Fırına beslenecek hammadde karışımı, yaş durumda ise boy/çap oranı
30 civarındadır.
Fırına beslenecek hammadde karışımı kuru durumda ise önce ön
ısıtıcılardan geçirilir. Daha sonra boy/çap oranı 15 olan döner fırına
beslenilir.
Fırındaki sıcaklık, fırının alt ucundan püskürtülen yakıtla
sağlanmaktadır. Yakıt olarak fuel oil ve doğal gaz kullanılabilmekle
beraber,
ekonomik
nedenlerle,
genellikle
toz
kömürden
yararlanılmaktadır.
Fırının alt ucu fırının en sıcak kısmıdır. Buradaki sıcaklık yaklaşık 1500
°C’dir. Fırının en soğuk kısmı ise üst ucudur.
Fırına girecek hammadde karışımı, fırının üst ucundan beslenmektedir.
Üst uçtan beslenen hammadde karışımı, fırının dönme işlemi ve eğimi
nedenleriyle, aşağıya doğru yavaş yavaş hareket ederek gittikçe daha
yüksek sıcaklıklarla karşılaşmaktadır. Pişen malzeme fırının alt
ucundan klinker olarak çıkarak soğutucuya dökülmektedir.
Döner fırına girecek hammaddelerin karışımı ince boyutlara getirilmiş
kalkerli ve killi maddelerdir.
Klinker üretimi için kullanılan hammaddeler döner fırında
piĢirilmeden önce, neden öğütülmüĢ duruma getirilmektedir?
1.) Hammaddelerin uygun oranlarda karıştırılmasının daha kolay ve
hassas şekilde yapılabilmesi için,
2.) Hammaddelerin fırındaki pişirilmesi işleminin daha kolay olması ve
üniform bir pişirilmenin sağlanabilmesi için
Portland çimentosunun üretimi için hammadde olarak kullanılan
kalker tamamen saf durumda olmamakta bazen küçük bir miktarda
magnezyum karbonat da içermektedir. Döner fırının içerisindeki
sıcaklığın etkisiyle magnezyum karbonat magnezyum oksit ve
karbondioksit haline dönüşmektedir:
MgCO3
MgO+CO2
Portland çimentosunun üretiminde hammadde olarak kullanılan
kalker (CaCO3) yaklaşık 900 °C sıcaklıkta kalsiyum oksit (CaO) ve
karbondioksit olarak ayrışmaktadır. Daha sonra fırındaki sıcaklığın
etkisiyle kalsiyum oksit ve diğer oksitler reaksiyona girerek C3S,
C2S, C3A ve C4AF gibi anabileşenlerin oluşmasında görev
almaktadır.
Hammaddelerin içerisindeki CaO’in tamamı anabileşenlerin
oluşumunda yer almadığı takdirde üretilen klinkerin içerisinde
serbest olarak çok küçük bir miktarda CaO yer alabilmektedir.
Ayrıca çok küçük miktardaki CaO klinkerin öğütülmesi safhasında
kullanılan alçıtaşından da kaynaklanabilmektedir.
“Farin” sözcüğü çimento üretiminde ne anlama gelmektedir?
Farin kelimesi Fransızca’da “un” anlamına gelen “farine” sözcüğünden
alınmıştır. Türkiye’de çimento üretiminde hammaddelerin döner fırına
girmeden önceki öğütülmüş, ince durumunu tanımlamaktadır.
Yaş sistemle hazırlanan karışımın pişirildiği fırınların üst ucu yaklaşık
100-150 °C sıcaklığında, alt ucu ise 1500 °C sıcaklığındadır.
Yaş sistemle hazırlanan hammaddeler döner fırının üst ucundan
beslendiğinde, önce hammaddelerdeki serbest su buharlaşmaktadır.
Hammaddelerin fırının aşağı ucuna doğru hareketleriyle fırının 500-600
°C sıcaklıktaki bölgesine geldiklerinde, killi maddelerdeki oksitler
halinde ayrışmaktadır. Böylece silika (SiO2), alümin (Al2O3) ve bir
miktar demir oksit (Fe2O3) gibi oksitler oluşmaktadır.
Hammaddelerin fırının aşağı ucuna doğru hareketinin devam etmesi ile,
600-650 °C sıcaklıkta, kalkerde bulunabilecek bir miktar magnezyum
karbonat (MgCO3), MgO ve CO2 haline dönüşmektedir.
Hammaddelerin fırının ortasına doğru gelmesiyle yaklaşık 900 °C
sıcaklıkta, kalker (CaCO3), CaO ve CO2 olarak ayrışmaktadır. Böylece,
bu sıcaklığa gelindiğinde, hammaddeler, CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 gibi
oksitlere ayrışmış olmaktadır.
Hammaddelerin fırının biraz daha aşağı ucuna doğru hareketiyle, 9001200 °C sıcaklıklarda, oksitler arasında kimyasal reaksiyonlar yer
almaya başlamaktadır. 1250-1280 °C sıcaklıkta fırındaki karışım
kısmen eriyik hale dönüşmeye başlamaktadır ve 1280 °C sıcaklıktan
daha yüksek sıcaklıklarda klinkerin ana bileşenleri oluşmaya
başlamakta, hammadde karışımı taneli duruma gelmektedir.
Fırındaki maddeler biraz daha aşağıya doğru hareket ettiklerinde,
klinkeri oluşturan anabileşenler meydana gelir.
1 ton klinker üretimi için yaklaşık 1600 kg hammadde kullanılmaktadır.
Bu miktarın yaklaşık % 80’ini kalkerli malzemeler oluşturmaktadır.
Geriye kalan malzemenin çok büyük bir miktarını killi malzemeler
oluşturmaktadır.
Kalkerli malzemeler, döner fırının içerisindeki sıcaklık nedeniyle,
ağırlıklarının % 44’ünü oluşturan karbondioksiti kaybederler.
CaCO3
CaO + CO2
Hammaddelerin ağırlığındaki diğer kayıplar, hammaddelerdeki
özellikle killi malzemedeki suyun kaybolmasından ileri gelmektedir.
Alçıtaşı, klinkerin öğütülmesi safhasında katılır ve klinker ile birlikte
öğütülür. Klinkere katılan alçıtaşı miktarı % 3- % 6 arasındadır.
PORTLAND ÇĠMENTOSUNDAKĠ OKSĠTLER VE YAKLAġIK
MĠKTARLARI
Oksit
CaO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
MgO
Na2O+K2O
SO3
Genel İsmi
Kireç
Silika
Alümin
Demir
Magnezyum oksit
Soda ve Potas
Kükürt anhidriti
Miktarı, %
60-67
17-25
3-8
0.5-6.0
0.1-4.0
0.2-1.3
1-3
Soda ve potas, “alkaliler” olarak anılmaktadır.
SiO2 ve Al2O3, kilin pişirilmesiyle elde edilir.
Hammaddelerin içerisinde (özellikle kilin içerisinde) bir miktar demir
de yabancı madde olarak yer almaktadır. O nedenle Fe2O3, genellikle
kilden elde edilmektedir.
CaO, hemen hemen tamamı hammadde olarak pişirilen kalkerden elde
edilmektedir.
CaCO3
CaO + CO2
PORTLAND ÇĠMENTOSUNDAKĠ ANA OKSĠTLER
CaO, SiO2, Al2O3 ve Fe2O3
PORTLAND ÇĠMENTOSUNDAKĠ MĠNÖR OKSĠTLER
Hammadde olarak kullanılan kalker her zaman % 100 saf olmamakta,
çok az bir miktar magnezyum karbonat da içermektedir. Çimentoda yer
alan MgO, döner fırındaki sıcaklığın etkisiyle magnezyum karbonattan
elde edilmektedir:
MgCO3
MgO + CO2
Hammadde olarak kullanılan kilde, genellikle bir miktar Na2O ve K2O
gibi alkaliler de yabancı madde olarak yer almaktadırlar. O nedenle,
Na2O ve K2O, kilden elde edilmektedir.
SO3 dışındaki bütün oksitler, klinkerde de yer alan oksitlerdir.
Çimentodaki SO3 miktarı, öğütülme işlemi esnasında kullanılan
alçıtaşından elde edilmektedir: CaSO4 = CaO.SO3
Klinkeri oluşturan ana bileşenler şunlardır:
Dikalsiyum silikat
Trikalsiyum silikat
Trikalsiyum alüminat
Trikalsiyum alüminoferrit
2CaO.SiO2
3CaO.SiO2
3CaO.Al2O3
4CaO.Al2O3.Fe2O3
Klinkeri oluşturan anabileşenlerle Portland çimentosunu oluşturan
anabileşenler aynıdır.
OKSĠTLERĠN, SUYUN VE KARBONDĠOKSĠTĠN KĠMYASAL
FORMÜLLERĠ
VE
ÇĠMENTO
KĠMYASINA
GÖRE
SEMBOLLERĠ
İsmi
Kireç
Silika
Alümin
Demir
Magnezyum oksit
Soda
Potas
Kükürt anhidriti
Su
Karbondioksit
Kimyasal formülü
CaO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
MgO
Na2O
K2O
SO3
H2O
CO2
Sembolü
C
S
A
F
M
N
K
H
ÇĠMENTONUN
ANABĠLEġENLERĠNĠN,
HĠDRATASYON
ÜRÜNLERĠNĠN, ALÇITAġININ VE KALKERĠN ÇĠMENTO
KĠMYASINA GÖRE SEMBOLLERLE GÖSTERĠLĠġLERĠ
İsmi
Dikalsiyum silikat
Trikalsiyum silikat
Trikalsiyum alüminat
Tetrakalsiyum
alüminoferrit
Tobermorit
Kalsiyum hidroksit
Etrenjit
Kalsiyum
alüminomonosülfohidrat
Alçıtaşı
Kalker
Kimyasal formülü
2CaO.SiO2
3CaO.SiO2
3CaO.Al2O3
Sembolü
C2 S
C3 S
C3 A
4CaO.Al2O3.Fe2O3
C4AF
3CaO.2SiO2.3H2O
Ca(OH)2
6CaO.Al2O3.3SO3.32H2O
C3S2H3
CH
C6A 3H32
4CaO.Al2O3.SO3.12H2O
C4A H12
CaSO4.2H2O
CaCO3
C H2
C
KALSĠYUM SĠLĠKATLI ANABĠLEġENLERĠN
HĠDRATASYONU
Kalsiyum silikatlı anabileşenler ile su arasındaki reaksiyonlar şu şekilde
yer almaktadır:
2C3S+6H
2C2S+4H
CH
C3S2H3
alınmıştır).
C3S2H3+3CH
C3S2H3+CH
Kristal yapıya sahip kalsiyum hidroksit
Tobermorit (Bu ürün doğadaki bir mineralin isminden
Jel: Kolloidal büyüklükteki katı parçacıklar
Kalsiyum-silika-hidrat jel taneciklerinin büyüklüğü moleküler
mertebededir. Bu ürünün oluşması ile parçacıklar arasında çekim
kuvveti meydana gelmekte ve çimento hamuru bağlayıcılık
kazanmaktadır.
TRĠKALSĠYUM ALÜMĠNAT ANABĠLEġENĠNĠN
HĠDRATASYONU
Trikalsiyum alüminat ve suyun birleşmesi çok çabuk gelişen bir
reaksiyona yol açmakta ve çok hızlı tarzda ısı çıkarmaktadır. Bu iki
maddenin birleşmesiyle muhtemelen kübik kristalli C3AH6 meydana
gelmektedir.
Çimento hamurunun katılaşması çok kısa sürede yer almaktadır. Bu
şekildeki katılaşmaya “ani priz” denilmektedir.
Ani priz sonucunda ortaya çıkan kalsiyum-alüminosülfat ürünlerinin
çimento hamurunun bağlayıcılığına (dayanımına) önemli bir katkısı
olmamaktadır. Üstelik, bu ürünlerin hemen oluşmasıyla, çimento
hamuruna bağlayıcılık sağlayan C-S-H jeli rahatça oluşmamaktadır.
Çimento hamurunun ani katılaşmasını önlemek amacıyla, klinkerin
öğütülme safhasında bir miktar alçıtaşı da katılmakta, dolayısı ile,
üretilen çimentonun içerisinde alçıtaşı da yer almış olmaktadır.
“C3A+alçıtaşı+su” arasındaki reaksiyonlar, “C3A+su” arasındaki
reaksiyonlardan daha yavaş olmakta, daha yavaş tempoda ısı
çıkarmaktadır.
Yani, alçıtaşının kullanılmış olması, ani prizi önlemektedir, çimento
hamurunun priz alma süresini uzatmaktadır.
“C3A+alçıtaşı+su” arasındaki reaksiyonlar sonucunda ortaya iki tür
hidratasyon ürünü çıkmaktadır:
(1) C6A 3H32
(2) C4A H12
Etrenjit (C6A 3H32)
İğne gibi ince ve uzun şekilli, hekzagonal
kesitli kristal yapıdır. Bu ürünün oluşması çimento hamurunda çok
büyük genleşme yaratmaktadır.
Kalsiyum-alümino-monosülfohidrat isimli ürün (C4A H12) plaka
şeklindedir, kitap sayfaları gibidir. Bu ürün, yarı kararlıdır. Yani,
ortamdaki sülfat miktarı arttıkça, C4A H12 ürünü C6A 3H32 ürününe
dönüşmektedir.
TETRAKALSĠYUM ALÜMĠNOFERRĠT’ĠN HĠDRATASYONU
“C4AF+alçıtaşı+su” arasındaki reaksiyonlar “C3A+alçıtaşı+su”
arasındaki reaksiyonlara benzerdir. Ancak, bu reaksiyonlar
“C3A+alçıtaşı+su” arasındaki reaksiyonlar kadar ısı çıkarmamakta ve
elde edilen hidratasyon ürünleri çok büyük miktarda genleşme yaratan
türde olmamaktadır.
Çimento ve su arasındaki kimyasal reaksiyonlar dışarıya ısı çıkartan
(ekzotermik) reaksiyonlardır.
ÇĠMENTONUN HĠDRATASYON ISISI
Çimentonun hidratasyona başladığı andan hidratasyonun sonuna kadar
açığa çıkardığı ısı miktarıdır.
Hidratasyon ısısı, kalori/gram (kal/g) veya joule/gram (j/g) birimleriyle
ifade edilmektedir.
1 kal/g = 4.19 j/g’dır.
Portland çimentosundaki ortalama ve en yüksek hidratasyon ısıları
sırasıyla 100 kal/g ve 120 kal/g kadardır.
Portland çimentosunu oluşturan anabileşenlerin herbirinin farklı
hidratasyon ısısı çıkarma kapasitesi vardır. Bu anabileşenlerin saf
olmaları durumunda;
Portland çimentosundaki anabileĢenlerin hidratasyon ısıları
Anabileşenler
C3 S
C2 S
C3 A
C4AF
Hidratasyon ısısı
(kal/g)
120
62
207
100
Her anabileşenin hidratasyonu sonucunda meydana gelecek
reaksiyonların hızı, açığa çıkacak ısı miktarı, elde edilen hidratasyon
ürünlerinin çimentodaki bağlayıcılığa (dayanıma) etkisi farklı
olmaktadır;
Portland çimentosundaki anabileĢenlerin çimento özelliklerine
göreceli olarak etkileri
Anabileşenlerin çimento özelliklerine etkileri
Çimento özellikleri
Reaksiyon hızı
Hidratasyon ısısı
Bağlayıcılık değeri
 İlk
zamanlarda
 Sonunda
C3 S
C2 S
C3 A
C4AF
orta
orta
yavaş
az
hızlı
çok
orta
orta
yüksek
düşük
düşük
düşük
yüksek
yüksek
düşük
düşük
Çimento hamurundaki hidratasyonun hızı önemlidir. Hidratasyon
hızının artması, çimento hamurunda kazanılan dayanım hızının daha
yüksek olmasına ve daha kısa zamanda açığa çıkan ısının daha çok
olmasına yol açmaktadır. Yani, çimento hamuru daha kısa sürede
dayanım kazanmakta, kısa süre içerisinde açığa çıkardığı ısı daha çok
olmaktadır.
Çimento hamurundaki hidratasyonun hızını etkileyen faktörler
1.) Çimentoyu oluşturan her anabileşenin miktarı: C3A ve C3S
miktarları çok olduğu takdirde daha hızlı hidratasyon olur.
2.) Çimentonun öğütülmüş olduğu incelik: Aynı ağırlıktaki iki
çimentodan daha ince taneli olarak öğütülende daha çok çimento
tanesi bulunmaktadır. Yani, çimentonun inceliği arttıkça, tanelerin
yüzey alanlarının toplamı artmaktadır. Hidratasyon olayı, çimento
tanelerinin yüzeyinden başlamaktadır. O nedenle, daha ince taneli
çimento daha hızlı hidratasyon yapmaktadır.
3.) Ortamdaki sıcaklık: Çimento hamurunun sıcaklığı arttıkça,
kimyasal reaksiyonlar daha hızlı olarak yer almaktadır. Öte yandan,
+10 °C sıcaklıktan daha az sıcaklıklara inildikçe, hidratasyon
yavaşlamaktadır. Sıfır derece sıcaklığın altında (-10 °C gibi),
hidratasyon tamamen durmaktadır.
4.) Çimento hamurunun yaşı: Hidratasyon olayı çimento tanelerinin
yüzeyinden başlamakta ve ortamda uygun miktarda su ve yeterli
sıcaklık bulunduğu takdirde çimento tanelerinin tamamı hidratasyon
yapıncaya kadar devam etmektedir.
Hidratasyon, ilk zamanlarda daha hızlı biçimde yer almakta, zaman
ilerledikçe azalan hızla devam etmektedir.
İlk 1-3 gün sonunda toplam ısının % 50’si
İlk 7 gün sonunda toplam ısının % 75’i
İlk 6 ay sonunda toplam ısının % 90’ı
Çimento hamurundaki hidratasyon ısısının açığa çıkma hızı ve
miktarı, toplam ısı miktarından daha önemlidir.
Çimentonun hidratasyonu esnasında açığa çıkan ısının hızı ve
miktarı, çimentonun kullanılmış olduğu betonda oluşan sıcaklığı ve
bu sıcaklığın ne kadar süre içerisinde oluşmuş olduğunu
etkilemektedir. Özellikle, barajlarda olduğu gibi, kütle (masif)
yapılarda kullanılan betonlarda açığa çıkan ısının kolayca
kaybolabilme olasılığı azdır. Hidratasyon ısısının etkisi ile betonun
sıcaklığı artmakta ve genleşme meydana gelmektedir. Zamanla,
hava ile temasta olan kütle betonun dış kısmı soğumakta ve
büzülmektedir. Ancak, sıcaklığını kaybetmeyen iç kısım aynı
şekilde hareket edememekte ve dış kısmın büzülmesini önlemeye
çalışmaktadır. Böylece, sıcaklık farklarının yol açtığı değişik
miktardaki büzülmeler nedeniyle, betonda çatlaklar oluşmakta ve su
geçirimli bir malzeme ortaya çıkmaktadır.
Öte yandan, soğuk havalarda dökülen betonlar için kullanılan
çimentoların hidratasyon ısısı hızlarının yüksek olması yararlı
sonuçlar yaratmaktadır. Soğuk havanın hidratasyonu yavaşlatma
etkisi bir ölçüde önlenmiş olmaktadır.
ASTM Tipi Portland Çimentolarındaki AnabileĢenlerin
YaklaĢık Oranları
Çimento
tipi
I
II
III
IV
V
Genel açıklama
Normal Portland
Çimentosu (Genel
amaç için
kullanılmakta)
Değiştirilmiş
Portland Çimentosu
(Tip I’e göre daha az
hidratasyon ısısına ve
daha çok sülfat
dayanıklılığına sahip)
İlk dayanımı yüksek
Portland çimentosu
Düşük ısılı Portland
çimentosu
(Barajlarda olduğu
gibi kütle betonlar
için kullanılmakta;
hidratasyon ısısı az)
Sülfata dayanıklı
Portland çimentosu
Anabileşenlerin kompozisyonu, (%)
C3 S
C2S
C3 A
C4AF
49
25
12
8
46
29
6
12
56
15
12
8
30
46
5
13
43
36
4
12
Portland çimentolarındaki anabileşenler arasında çimentonun
bağlayıcılığını sağlayan anabileşenler trikalsiyum silikat (C3S) ve
dikalsiyum silikat (C2S)’dır. Her iki bileşen de uzun vadede (28 gün
ve daha sonrasında) çimentonun bağlayıcılığının yüksek olmasını
sağlamaktadır. C2S anabileşeninin çimentonun bağlayıcılık
özelliğine katkısı ilk günlerde az fakat daha sonraları çok yüksektir.
C3S anabileşeni ise, hem ilk zamanlarda hem de uzun vadede
çimentonun bağlayıcılık özelliğini artırmaktadır.
Portland çimentoları incelendiğinde, bütün çimento tiplerindeki
kalsiyum silikatlı anabileşenlerin toplamının (yani “C3S+C2S”
miktarının) yaklaşık olarak % 75 civarında olduğu görülmektedir.
Çimentoya bağlayıcılık kazandıran kalsiyum-silika-hidratlar (C-SH), C3S ve C2S anabileşenlerinin hidratasyonu sonunda
oluşmaktadır.
Çimentolardaki kalsiyum silikatların miktarının % 70-% 80
arasında olması gerekmektedir.
Düşük ısılı Portland çimentosunda (Tip IV’de), hidratasyon ısısının
az olması gerektiğinden, bu tip çimentodaki C3S oranı, normal
Portland çimentosundakine (Tip I’dekine) göre daha azdır. O
nedenle, Tip IV çimentodaki toplam kalsiyum silikat miktarı Tip
I’dekine yakın olmakla birlikte, Tip IV çimentonun içinde yer alan
ve yüksek hidratasyon ısısı hızına sahip olan C3S oranı daha az
tutulmaktadır.
C3A’nın reaksiyon hızı ve hidratasyon ısısı çok yüksektir. O
nedenle, düşük ısılı çimentonun içerisinde bu anabileşenin miktarı
az olmalıdır. ASTM standardlarına göre Tip IV çimentodaki C3A
miktarı % 7’yi geçmemelidir.
SORU
“Normal Portland çimentosu-Tip I” ile “İlk dayanımı yüksek
Portland çimentosu-Tip III” arasında anabileşenlerin oranları
bakımından ne gibi önemli farklılıklar vardır?
CEVAP
Portland çimentolarının anabileşen kompozisyonları incelendiğinde,
her çimentodaki toplam kalsiyum silikat miktarlarının (yani
C3S+C2S) birbirine yakın ve % 75 civarında olduğu görülmektedir.
Çimentoların bağlayıcı özelliği, C3S ve C2S anabileşenlerin
hidratasyonu sonucunda oluşan kalsiyum-silika-hidrat (C-S-H)
jellerinin miktarına bağlıdır. O bakımdan, kalsiyum silikatlı toplam
miktarının belli bir orandan az olmaması gerekir. Ancak, toplam
kalsiyum silikat miktarını yaklaşık olarak aynı tutarak fakat C3S ve
C2S bileşenlerinin oranlarını değiştirerek, değişik özellikte çimento
tipleri elde edebilmek mümkün olmaktadır.
C3S anabileşeni, C2S’e göre daha hızlı hidratasyon yapmakta, daha
çok hidratasyon ısısı açığa çıkarmakta ve ilk günlerde daha yüksek
bağlayıcılık göstermektedir. C2S’in bağlayıcılığı ilk günlerde az,
fakat 28 gün ve daha sonraki günlerde en az C3S’inki kadardır. Bu
nedenle, Tip III çimentosundaki C3S oranı, Tip I çimentosundakine
oranla daha fazladır.
SORU
“Sülfata dayanıklı Portland çimentosu-Tip V’de yer alacak
trikalsiyum alüminat miktarının neden az olması gerekmektedir?
CEVAP
C3A ile su arasındaki reaksiyonlar çok hızlı ve çok fazla ısı çıkartan
türdendir. Çimento hamurunun çok kısa sürede katılaşmasını
önlemek üzere bilindiği gibi çimento üretimi esnasında bir miktar
alçıtaşı da kullanılmaktadır.
“C3A+su+alçıtaşı” arasındaki reaksiyonlar C4A H12 ve etrenjit
olarak adlandırılan C6A 3H32 ürünlerinin oluşmasına yol açar.
Çimento üretiminde kullanılan alçıtaşı miktarı çok fazla ise (yani,
sülfat miktarı arttıkça) ortaya çıkan etrenjit miktarı daha fazla
olmaktadır.
Betonun kullanıldığı ortam sülfatlı bir ortamsa (yani, sülfatlı
sulardan veya sülfatlı topraklardan betonun içerisine sızıyor ise),
betonun içerisine giren sülfat ile yarı-kararlı durumda olan C4A H12
reaksiyona girmekte ve etrenjit oluşumuna yol açmaktadır. Çok
büyük genleşme kapasitesine sahip etrenjitin oluşması ile de
sertleşmiş durumdaki betonda kırılmalar olmaktadır.
Sülfatlı ortamlarda kullanılacak betonların içerisinde C4A H12 ve
C6A 3H32 miktarlarının çok olmaması gerekir. Bu ürünlerin daha az
miktarlarda yer alabilmesi için, çimentonun bünyesinde daha az
miktarda C3A bileşeninin olması ve çimento üretiminde çok fazla
miktarda alçıtaşı kullanılmaması gerekmektedir.
Çimento içerisindeki potansiyel anabileşen oranlarının tayininde en
çok kullanılan ve en basit olan yöntem “hesap yöntemi”dir. Hesap
yöntemi dışında kullanılmakta olan yöntemler, “X-ışını kırılma
yöntemi” ve “optik ve elektron mikroskopla inceleme yöntemi” dir.
HESAP YÖNTEMĠ
Hesap yöntemini uygulayabilmek için önce çimentoda yer alan
oksitlerin ağırlıkça yüzdelerinin bilinmesi gerekmektedir.
Çimentoda yer alan oksitlerin tayini kimyasal analiz deneyleri
sonucunda elde edilebilmektedir.
Anabileşenlerin oranlarının tayininde kullanılan Bogue denklemleri
aşağıdaki gibidir:
% C3S= (4,071 x % CaO)-(7,600 x % SiO2)-(6,718 x % Al2O3)(1,430 x % Fe2O3)-(2,852 x % SO3)
% C2S= (2,876 x % SiO2)-(0,7544 x % C3S)
% C3A= (2,650 x % Al2O3)-(1,692 x % Fe2O3)
% C4AF= (3,043 x % Fe2O3)
Yukarıdaki denklemleri kullanabilmek için Al2O3 / Fe2O3 ≥ 0,64
koşulunun sağlanması gereklidir.
Eğer Al2O3 / Fe2O3 < 0,64 ise, çimento içerisinde bir kalsiyum
alüminoferrit katı eriyiği, ss (C4AF+C2F), oluşacaktır ki, bu
durumda aşağıdaki denklemlerin kullanılması gerekmektedir:
% ss (C4AF+C2F) = (2,100 x % Al2O3)+(1,072 x % Fe2O3)
% C3S= (4,071 x % CaO)-(7,600 x % SiO2)-(4,479 x % Al2O3)(2,859 x % Fe2O3)-(2,852 x % SO3)
Al2O3 / Fe2O3 oranı 0,64’den az olan çimentolarda C3A
oluşmamakta ve C2S oranının tayininde yukarıda verilen denklem
aynen kullanılmaktadır. Bogue denklemlerinde kullanılan CaO
miktarı, “toplam CaO-serbest CaO” miktarıdır.
Basit ve popüler bir yöntem olan “Bogue denklemleriyle
anabileşenlerin oranlarının hesaplanması yöntemi”nde aşağıdaki
varsayımlar yapılmıştır:
(1) Anabileşenlerin oluşumuna yol açan kimyasal reaksiyonlar
denge durumuna gelmiştir ve soğuma şartları bu dengeyi
değiştirmemektedir.
(2) Hammadde olarak kullanılan oksitler anabileşenlerin
oluşumunda tam olarak yer almakta ve hammaddelerin
içerisindeki tali miktardaki maddeler ihmal edilmektedir.
(3) Kalsiyum silikatlı bileşenler saf haldedir ve içlerindeki tali
oksitler bulunmamaktadır.
Bogue denklemleri, katkılı çimentolardaki anabileşenlerin
oranlarının hesaplanabilmesinde kullanılamamaktadır.
Çimento hammaddesinin oksit kompozisyonundaki küçük
değişiklikler çimentonun anabileşenlerinin oranlarında önemli
değişikliklere yol açmaktadır.
OKSĠT KOMPOZĠSYONUNDAKĠ DEĞĠġĠKLĠĞĠN
ANABĠLEġENLERĠN KOMPOZĠSYONUNA ETKĠSĠ
Oksit
CaO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
Diğer
Bileşen
C3 S
C2 S
C3 A
C4AF
A-çimentosu
(%)
64,9
22,2
5,8
3,1
4,0
B-çimentosu
(%)
63,9
23,2
5,8
3,1
4,0
A-çimentosu
(%)
52,0
24,5
10,0
9,5
B-çimentosu
(%)
40,5
36,0
10,0
9,5
A çimentosunun oksit kompozisyonunun B çimentosununkine göre
farkı sadece CaO miktarının % 1 daha fazla ve SiO2 miktarının da
% 1 daha az oluşudur. Buna karşın anabileşen oranlarında büyük
farklılıklar vardır ve tamamen ayrı ayrı özellikte iki değişik çimento
tipi ortaya çıkmaktadır.
PORTLAND ÇĠMENTOSUNUN KĠMYASAL ANALĠZĠ NEYĠ
BELĠRLER?
1.)
2.)
3.)
4.)
Çimento içerisindeki oksitlerin yüzdeleri
Çimentodaki kızdırma kaybı
Çözünmeyen kalıntı
Serbest kireç
PORTLAND ÇĠMENTOSUNUN TĠPĠK KĠMYASAL ANALĠZ
SONUÇLARI
Anaoksitler ve
diğer
bulunanlar
CaO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
SO3
Na2O
K2O
%
(ağırlıkça)
Anaoksitler ve
diğerleri
%
(ağırlıkça)
63,6
20,7
6,0
2,4
2,1
0,1
0,9
MgO
Serbest CaO
Kızdırma kaybı
2,6
1,4
1,4
Çözünmeyen
kalıntı
0,2
Çimentoda yer alan en büyük oksit yüzdeleri kireç ve silikaya aittir.
Ayrıca kireç, silika, alümin ve demir oksit miktarlarının toplamı,
çimento içerisindeki tüm maddelerin yüzde doksanından fazlasını
oluşturmaktadır. Bu dört oksit çimentonun anabileşenlerini
oluşturan oksitlerdir.
Klinkerle birlikte öğütülmek üzere kullanılan alçıtaşının miktarı çok
küçük olduğu için CaSO4 içerisinde yer alan CaO miktarı da çok
azdır. Çimentonun kimyasal analizi ile elde edilen toplam CaO
miktarının içerisinde, alçıtaşında yer alan CaO miktarı da
bulunmaktadır. Özetle, kimyasal analizle CaSO4 miktarı
bulunamamakta sadece SO3 miktarı elde edilebilmektedir.
SORU
Çimentonun kimyasal analizi sonucunda SO3 miktarı tayin edildiği
takdirde, çimentonun içerisinde yer almakta olan alçıtaşı miktarı
yaklaşık olarak hesaplanabilirmi?
CEVAP
Ca, S, O için atom ağırlıkları sırasıyla 40, 32 ve 16’dır. CaSO4’ün
atom ağırlığı 136, SO3’ün atom ağırlığı ise 80’dir. Yani,
CaSO4/SO3= 1,7’dir.
SO3 miktarı bilindiği takdirde, bu miktarın 1,7 ile çarpılması
sonucunda çimentodaki CaSO4 miktarı elde edilebilmektedir.
SORU
Çimentodaki SO3 miktarının çok yüksek olması ne ifade
etmektedir?
CEVAP
Portland çimentolarında en fazla ne kadar SO3 bulunması gerektiği
çimento standardlarında belirtilmektedir. SO3 miktarı çok yüksek
olduğu takdirde “C3A+su+alçıtaşı” arasındaki reaksiyonlar
sonucunda çok miktarda etrenjit oluşabilir. Böyle bir çimentoyla
yapılan çimento hamuru ve betonlarda büyük miktarda genleşme
yer alabilmektedir.
SORU
Çimentonun içerisinde yer alan “Na2O+K2O” miktarının yüksek
olmasının ne önemi vardır?
CEVAP
Alkali miktarı yüksek olan çimentolar bünyesinde reaktif silika
bulunan agregalarla birlikte beton yapımında kullanıldıklarında
alkali-silika reaksiyonu yer almaktadır. Bu reaksiyon sonucunda,
betonun içerisinde su emme kapasitesi çok yüksek olan ve çok
büyük genleşme kapasitesine sahip olan alkali-silika jelleri
oluşmaktadır. Alkali-silika jellerinin oluşması bazen aylar hatta
yıllar almaktadır. Yani bu jeller oluştuğunda çimento hamuru veya
beton sertleşmiş durumdadır. Sertleşmiş betonun içerisinde çok
büyük genleşmelerin meydana gelmesi betonun çatlamasına yol
açmaktadır.
SORU
Portland çimentosunda fazla miktarda MgO ve serbest CaO
bulunmasının ne zararı vardır?
CEVAP
Çimento ve su birleştirildiğinde MgO, magnezyum hidroksit haline
dönüşmektedir. CaO ise kalsiyum hidroksit haline dönüşmektedir:
MgO+H2O
CaO+H2O
Mg(OH)2
Ca(OH)2
Yukarıdaki iki reaksiyonda da ısı ortaya çıkmakta ve hacim
genleşmesi olmaktadır.
Portland çimentosunda bulunan MgO ve serbest CaO, fırındaki
sıcaklık etkisiyle fazla pişmiş durumdadırlar. O nedenle bu oksitler
suyla birleştiklerinde reaksiyonlar normal durumdaki gibi hemen
başlamamakta belirli bir süre almaktadır. Bu süre içerisinde ise
çimento hamuru sertleşmiş olmaktadır. Sertleşmiş çimento
hamurunda magnezyum hidroksitin ve kalsiyum hidroksitin
oluşması nedeniyle meydana gelen genleşme çatlaklara yol
açabilmektedir.
SORU
Çimentonun kimyasal analizi sonucunda bulunan “kızdırma kaybı”
değeri nasıl elde edilmektedir ve böyle bir kayıp nereden
kaynaklanmaktadır?
CEVAP
“Kızdırma kaybı”nı bulabilmek için ağırlığı önceden bilinen
(1±0,05 gram) çimento numunesi çok yüksek sıcaklıkta (975±25
°C) kızdırılmakta ve daha sonra hassas olarak tartılmaktadır. Ortaya
çıkan ağırlık kaybına “kızdırma kaybı” denilmektedir. Bu değer %
olarak ifade edilmektedir.
Yüksek sıcaklıkta pişirilme sonucunda çimento numunesini terk
edebilecek ve ağırlık kaybına yol açabilecek maddeler çimento
numunesinde bulunabilecek nem ve karbondioksittir.
Çimentoda bulunabilecek çok az miktardaki nem, çimento üretimi
sırasında kullanılan küçük bir miktardaki alçıtaşının (CaSO4.2H2O)
bünyesinden kaynaklanan nemdir. Havadan da bir miktar nem
emilmiş olabilmektedir.
Öte yandan, çimentonun havadan nem alması sonucunda çimentoda
bulunan MgO ve serbest CaO önce magnezyum hidroksit ve
kalsiyum hidroksit oluşturmaktadırlar.
MgO+H2O
Mg(OH)2
CaO+H2O
Ca(OH)2
Daha sonra havadaki karbondioksitle birleşen bu hidroksitler
magnezyum karbonat ve kalsiyum karbonat haline dönüşmektedir:
Mg(OH)2+CO2
MgCO3+H2O
Ca(OH)2+CO2
CaCO3+H2O
Çimento numunesinin yüksek sıcaklıklara kadar pişirilmesi
sonunda, magnezyum karbonat ve kalsiyum karbonat ayrışmakta ve
içerdikleri karbondioksiti kaybetmektedirler.
Kızdırma kaybı deney esnasında çimento numunesine uygulanan
çok yüksek sıcaklığın etkisiyle, çimentonun içerisindeki nem ve
karbondioksit miktarının kaybolmasından kaynaklanmaktadır.
Kızdırma kaybı olarak bulunan değer yüksek ise çimentoda çok
fazla miktarda nemin ve karbondioksitin yer aldığı ortaya
çıkmaktadır.
Kızdırma kaybı, çimentonun iyi korunamayarak uygun olmayan
koşullarda saklanmış olduğunu veya çok uzun süreyle saklandığı
durumlarda havadan bir miktar nem alarak vaktinden önce
hidratasyon (prehidratasyon) yaptığını, havadan bir miktar
karbondioksit alarak karbonatlaşma yaptığını işaret etmektedir.
Özet olarak kızdırma kaybı çimentonun bağlayıcılık kapasitesinden
bir miktar kayıp olup olmadığını yani çimentonun bayatlamış olup
olmadığını işaret etmektedir.
SORU
Çimentonun kimyasal analizi sonucunda elde edilen “çözünmeyen
kalıntı” nereden kaynaklanmaktadır ve “çözünmeyen kalıntı”
miktarı neyi işaret etmektedir?
CEVAP
Hidroklorik asit içerisine konulan çimento numunesinin asit
içerisinde çözünme göstermeyen kısmına “çözünmeyen kalıntı”
denilmektedir. Bu değer numune ağırlığının yüzdesi olarak ifade
edilmektedir.
Hidroklorik asit içerisine konulan çimento numunesinde
bulunabilecek bir miktar SiO2 dışındaki bütün maddeler bu asit
içerisinde çözünmektedir.
Çözünmeyen kalıntı miktarı, döner fırının içerisinde kalsiyum
silikatlı anabileşenlerin oluşumu sırasında bir miktar SiO2’nin görev
almamış olmasından kaynaklanmaktadır.
“Çözünmeyen kalıntı” miktarı döner fırının içerisindeki
reaksiyonların tam olarak yer almadığını işaret etmektedir.
SORU
Korozyon nedir? Tanımlayınız?
CEVAP
Betonun içerisinde çelik çubukların kullanıldığı betonarme
yapılarda ve betonun içerisinde çelik tellerin gerilmiş olarak yer
aldığı öngerilmeli beton yapılarda çelik malzemenin korozyondan
(paslanmadan) uzak tutulması önemlidir. Korozyon durumunda
çelik malzemenin üzerinde oluşan korozyon ürünleri hacimce
büyümeden dolayı çelikle temasta bulunan betonda genleşme
yaratarak betonun çatlayıp kırılmasına yol açmaktadır. Ayrıca çelik
çubuk ve çelik tellerin etkili kesit alanlarında da küçülmeler
olacağından metal malzemenin taşıması gereken yükün daha küçük
kesitli çelikler tarafından taşınması durumu ortaya çıkmaktadır.
Yani korozyon nedeniyle kesit alanı küçülen çelik çubuk ve tellere
giderek daha büyük gerilme binmektedir ki sonuç olarak yapının
kırılması kaçınılmaz olmaktadır. Betonun içerisinde fazla miktarda
kalsiyum klorür olduğu takdirde betonarme yapılardaki çelik
çubukların korozyonu daha hızlı olmaktadır.
SORU
Çimento hamurunun “priz alma”sı ile “sertleşme”si arasında ne fark
vardır?
CEVAP
Priz alma ile sertleşme durumlarını birbirinden kesin olarak
ayırdetmek çok güçtür. Ancak “priz alma” çimento hamurunun
katılaşmasını ifade ederken, “sertleşme”, çimento hamurunun
kaydadeğer bir dayanım kazandığı durumu ifade etmektedir.
SORU
Ani priz ve yalancı priz nedir? Tanımlayınız?
CEVAP
Ani priz: Çimento ve suyun birleştirilmesiyle oluşan çimento
hamurunun çok kısa bir süre içerisinde gösterdiği katılaşma “ani
priz” olarak anılmaktadır. Bu tür prize “çabuk priz” veya “flaş priz”
de denilmektedir.
Ani priz, çimentodaki C3A anabileşeni ile su arasında yer alan çok
hızlı ve şiddetli hidratasyon sonucunda oluşmaktadır. Bu reaksiyon
esnasında ortaya çok büyük miktarda ısı çıkmaktadır.
Ani priz yapan çimento hamurundaki katılık, çimento hamuruna
ilave su katarak veya hamurun daha uzun süreyle karıştırılma
işlemine tabi tutulmasıyla ortadan kaldırılamamaktadır. Ani priz
sonucunda çimento hamuru önemli bir dayanım kazanmadan
katılaşmış ve kullanılamaz duruma gelmiş olmaktadır.
Çimento üretiminde gerekenden daha çok alçıtaşı kullanılması
durumunda hidratasyon sonucu ortaya çıkan kalsiyum alümino
sülfohidratların miktarı daha fazla olmaktadır. Böyle bir durum ise
çimento hamurunun ve betonun genleşmesine ve kırılmasına yol
açmaktadır. “Yalancı priz” betonun karılma işleminden hemen
sonra (yaklaşık 3-5 dakika) içerisinde yer alan katılaşmadır.
“Yalancı priz” olayında kaydadeğer miktarda ısı çıkmamaktadır.
Oysa “ani priz” olayında çok büyük miktarda ısı açığa çıkmaktadır.
“Yalancı priz” olayında betonun karılma işlemine fazladan su
katmaksızın devam edildiği takdirde katılaşma ortadan
kalkmaktadır ve betonda dayanım kaybı olmamaktadır. Öte yandan
“ani priz” olayı ile betonda görülen katılaşma betonun karılma
işleminin devam etmesiyle ortadan kalkmamaktadır ve betonda
dayanım kaybı olmaktadır.
Yalancı priz olayının nedenleri:

Klinkerin öğütülmesi safhasında ilave edilen alçıtaşının (CaSO4.2H2O)
öğütme değirmenindeki yüksek sıcaklık nedeniyle suyunun bir kısmını
veya tamamını kaybederek CaSO4.1/2H2O veya CaSO4 haline geçmesi

Çimento ile su birleştiğinde bu alçı kısa sürede sertleşerek çimentonun
çok erken katılaşmasına sebep olmaktadır. Çimento içerisinde bu
durumda yer alan alçı miktarı çok az olduğundan betonu karma
işlemine devam edilirse katılaşma ortadan kalkmakta ve çimento
hamuru normal plastik durumuna gelmektedir. Klinker ve alçıtaşı
birlikte
öğütülürken
öğütme
değirmeni
içerisinde
alçıtaşının
dehidrasyon yapmaması için öğütücülerin soğutulması ve alçıtaşının
dehidrasyonuna yol açacak derecenin altında tutulması gerekmektedir.
Uygulamada klinker öğütücüye gönderilmeden önce soğutulmaktadır.

Yalancı prizin bir başka muhtemel nedeni de çimento içerisindeki
alkalilerin havadan karbondioksit alarak Na2CO3 ve K2CO3 gibi alkali
karbonat oluşturması ve daha sonra çimentonun hidratasyonu sırasında
açığa çıkan kalsiyum hidroksitle reaksiyona girerek kalsiyum
karbonatlara dönüşmesi ve katılaşma yaratmasıdır.
Hazırlayan: Dr. Kadir Kılınç