Çimento Servis Özelliklerini Etkileyen Parametreler

Çimento veya betonun kalitesi hakkında fikir veren servis özellikleri, kimyasal ve mineralojik bileĢimden, tane boyu dağılımı ve incelik gibi diğer fiziksel parametrelerden etkilenmektedir. Birçok parametrenin bir arada etki ettiği bu karmaĢık sistemde, istenen çimento kalitesine ulaĢabilmek için her bir parametrenin planlı ve sistematik kontrolü gerekmektedir (Brüggemann and Brentrup, 1990).

Özellikle dayanım geliĢmesi, su ihtiyacı, priz süresi, hidratasyon ısısı gibi önemli kalite özelliklerini etkileyen tane boyu ve dağılımı, yüzey alanı, mineraloji gibi bir çok parametreyi ayrı ayrı ya da bir arada inceleyen çalıĢmalar literatürde mevcuttur (Frigione and Marra, 1976; Zhang and Napier-Munn, 1995; Tsivilis vd., 1990; Odler and Chen, 1995; Schnatz vd., 1995; Sprung vd., 1985).

2.7.1 Kimyasal bileĢim

Çimentonun kimyasal bileĢimi, mineral faz oluĢumunu etkileyerek, dayanım, priz süresi, hidratasyon ısısı gibi önemli servis özelliklerini değiĢtirebilmektedir. Kimyasal

bileĢimdeki % 1‟lik küçük bir değiĢim öncelikle mineral fazının miktarını değiĢtirir, faz miktarı da servis özelliklerini etkiler. Ana mineral fazları içinde özellikle dayanıma en fazla C3S ve C2S‟in katkısı olduğu bilinmektedir. C3A ve C4AF‟nın ise dayanıma etkileri azdır; belli bir miktardan daha fazla bulunduklarında ise dayanım üzerinde olumsuz etki yaratabilirler. Literatürde mineral fazlarının kimyasal bileĢim yüzdeleri ile dayanım arasında matematiksel iliĢkiler geliĢtirilmeye çalıĢıldığı rapor edilmektedir (Ergin, 1998).

Fakat dayanımın, kimyasal bileĢimden olduğu kadar mineralojik ve morfolojik yapıdan da oldukça etkilendiği gerçeği göz önüne alınmamıĢtır. C3A miktarındaki artıĢ priz süresini kısaltmaktadır. Alçı taĢı kullanılmadığı durumda çimentonun su ile hidratasyon tepkimesi C3A nedeniyle çok hızlı olur, iĢlenebilirliği, taĢınması ve kalıp tutması gibi özellikler olumsuz etkilenir. Hidratasyon ısısının açığa çıkmasındaki en büyük katkı yine C3A ile C3S mineral fazlarından kaynaklanmaktadır. Serbest kireç ve periklasın miktarı fazla olduğunda dayanım daha uzun süreçte etkilenir, zararlı hacimsel genleĢmeler yaratıp, beton yapısında çatlak ve kırık oluĢmasına neden olabilir. Alkali (K₂O ve Na2O) miktarı ise, beton yapımında kullanılan agregadaki silis ile alkalinin etkileĢip tehlikeli genleĢmeye neden olan alkalisilika tepkimelerine yol açması sebebiyle oldukça önemlidir.

2.7.2 Mineralojik yapı

Mineral fazlarının miktarları; o minerallerin iç yapıları, kristal büyüklükleri ve dağılımları ile birlikte yorumlandığında anlam kazanmaktadır. Örneğin kimyasal analizle belirlenen serbest CaO, kalite değerlendirmesinde gerekli, fakat yeterli değildir. Çünkü serbest CaO‟nun kristal boyutu ve dağılımı, hidratasyon sırasında oluĢan portlanditin (Ca(OH)2)‟ne oranda hacimsel genleĢme yaratacağını etkiler. CaO‟nun hidratasyonu kireç doygunluk faktörü yüksek klinkerlerde 28. gün dayanımını olumsuz etkilemektedir. Benzer Ģekilde, MgO yüzdesi kimyasal analiz olarak standartlarda belirtilen değerlerde olsa da, kristallerin betonda hacimsel genleĢmeye sebep olmamaları için kümelenme yerine homojen Ģekilde dağılmaları gerekmektedir. Alit ve belit kristallerinin büyüklüğü klinkerin öğütülebilirliğini, dolayısıyla çimentonun tane boyu dağılımı ile yüzey alanını etkilemektedir. Çimentonun tane boyu dağılımı ve

yüzey alanı ise su ihtiyacını, priz süresini ve dayanımı doğrudan etkileyen önemli parametrelerdir. 20 μm‟dan küçük alit kristallerinin klinkerin öğütülmesini kolaylaĢtırdığı ve erken dayanıma katkıda bulunduğu belirtilmektedir (Altun and Ölmez, 2001). Hatta çimento tane boyu dağılımının yanı sıra her bir klinker mineralinin de tane boyu dağılımının önemli olabileceği belirtilmektedir (Škvára vd., 1981).

Diğer bir çalıĢmada, alit ve belit kristal büyüklüğü, morfolojileri, kümelenmeleri gibi mikroyapı parametrelerinin değiĢik yaĢlardaki çimento dayanımına ne oranda etki ettiği belirlenmeye çalıĢılmıĢtır. Her bir parametre ayrı ayrı incelendiği için düĢük korelasyon gösteren sonuçlar elde edilmiĢtir (Hargave vd., 1985).

Dolayısıyla bu durum; çimento dayanımına birçok parametrenin bir arada etki ettiğinin ifadesidir.

2.7.3 Fiziksel özellikler

Çimento servis özelliklerini etkileyen önemli fiziksel parametreler olarak tane Ģekli, tane boyu dağılımı ve dağılım eğrisinin eğimi, yüzey alanı, su-çimento oranı ve porozite sayılabilir. Tane Ģeklinin çimento hidratasyonu ve dayanımı üzerindeki etkileri karmaĢıktır. Poligon gibi düzensiz Ģekilli tanelerde, taneler birbirine kolay temas ederler ancak, bu taneler arasındaki sürtünme direnci büyük olduğu için çimento pastasının akıĢkanlığı azalır. Belli bir akıĢkanlık elde edebilmek için daha çok su eklemek gerekir ki eklenen fazla su dayanımı olumsuz etkiler. Çizelge 2.12‟de, farklı küresellik derecelerine sahip taneler içeren örneklerde gerçekleĢtirilen dayanım ve standart kıvam test sonuçları verilmektedir. Buna göre yuvarlağa yakın Ģekilli çimento tanelerinin dayanıma daha olumlu katkıları olduğu söylenebilir (Qingyun, 2005).

Çizelge 2.12. Tane Ģekli ile bazı çimento servis özellikleri arasındaki iliĢki

(Çelik, 2006)

Örnek Özgül yüzey Küresellik Standart Basınç dayanımı, Mpa no alanı, m²/kg derecesi, % kıvam,% 3.gün 28.gün

1 345 47 30,4 35,2 59,8

Çimentonun hidratasyon hızını, su ihtiyacını, priz süresini, erken ve geç dayanımını etkileyen en önemli parametre tane boyu dağılımıdır. En iyi sonuçların 3-30 μm tane boyu dağılımına sahip örneklerde alındığı, özellikle 60 μm‟dan iri tanelerin dayanıma herhangi bir katkıda bulunmayıp sadece “dolgu etkisi” yarattıkları bildirilmektedir (Qingyun, 2005; Škvára vd., 1981, Tsivilis vd., 1990).

Ġstenen ürün kalitesine ulaĢabilmek için çimentonun dik tane boyu dağılım eğimine sahip olması ve bu dağılımda 3-32 μm fraksiyonunun % 65‟den fazla, 3 μm‟dan ince tanelerin yaklaĢık %10‟dan az ve en etkili fraksiyonun 16-24 μm olduğunu iddia etmektedirler. Böyle seçimli tane boyu dağılımı oluĢturacak yeni öğütme ekipmanlarının tasarım çalıĢması da yapılmıĢtır (Tsivilis vd., 1987). ASTM‟ye göre portland çimentosunun inceliği 2800 cm2/g ‟dan az olmamalıdır.

Tane boyu dağılımındaki 3-5 μm‟dan ince tanelerin miktarındaki artıĢ, erken dayanımda etkin olsa da prizlenme, istenmeyen hacimsel değiĢiklikler, reolojik özelliklerde bozukluklar gibi problemleri de beraberinde getirmekte ve üstelik bu ince fraksiyonun geç dayanıma bir katkısı olmamaktadır (Škvára, vd., 1981). Tane boyu dağılımının dar ya da geniĢ olması da çimento özelliklerini etkilemektedir. GeniĢ tane boyu dağılımı, su ihtiyacının az ve paketleme yoğunluğunun yüksek olması ile avantajlı olurken, dar tane boyu dağılımında hidratasyon hızı daha yüksektir (Aiqin vd., 1999). RRB dağılım eğrisi eğiminin (n) 1‟e eĢit olduğu durumdaki tane boyu dağılımının en uygun dağılım olduğu Ģeklinde açıklamalar mevcuttur. Tane boyu dağılımının eğimi (n), arttıkça dayanımın arttığı görülmüĢ, bunun da dar tane boyu dağılımı gereği hidratasyon hızının artması nedeniyle olduğu belirtilmiĢtir. (Frigione and Marra, 1976; Kuhlmann vd., 1985). ġekil 2.6‟da dağılım eğrisi ile hidratasyon derecesi ve basınç dayanımı arasındaki iliĢkiler gösterilmektedir. Buna göre basınç dayanımı ile n değeri arasında doğrusal bir iliĢki yoktur, n=2 değerine kadar dayanım artıĢ gösterirken, n değeri 2‟yi aĢtığında, diğer bir deyiĢle daha dik dağılımlarda dayanımda belirgin değiĢimler olmamaktadır (Frigione and Marra, 1976).

ġekil 2.7. Tane boyu dağılım eğimi (n) ile hidratasyon derecesi ve dayanım iliĢkisi