Genel olarak çimento kelimesinden, mineral malzemeleri birbirine bağlayarak yapay taş oluşumuna imkân sağlayan malzemeler algılanmaktadır. Bu tanım tüm değişik bağlayıcıları kapsar.
Bileşimine bağlı olarak bağlayıcılar organik ve inorganik olarak sınıflandırılırlar. Polimer ve asfalt en çok kullanılan organik bağlayıcılardır. İnorganik bağlayıcılara ise alçı, kireç, puzolanlar ve Portland çimentosu (PÇ) örnek verilebilir.
Portland çimentosu yapı malzemesi olarak en çok kullanılan bağlayıcı türüdür. Ham madde ve sınırlı üretim sürecinden kaynaklı Portland çimentosunun bazı içsel yetersizliklerini gidermek hâlâ tam anlamıyla mümkün değildir. Sürdürülebilirlik açısından iki çok önemli sakınca bulunmaktadır [34];
1 ton PÇ üretimi için 1.5 ton hammaddeye ihtiyaç duyulur ve bu üretim sürecinde 1 ton karbon dioksit (CO2) salımı gerçekleşir. Dünyadaki çimento üretimi her geçen yıl
artmaktadır (1.4 milyon ton 1995, 3 milyon ton 2009) ve bu nedenle PÇ üretimi son derece kaynak ve enerji yoğun bir işlemdir [34].
PÇ ile yapılan betonlar hem normal hem de sert çevresel koşullara maruz kaldığında bozulmalar oluşur. Çatlak ve korozyonun hizmet ömrü, tasarım ömrü ve güvenliğe anlamlı etkisi vardır [34].
13
2.1.1 Portland Çimento Üretimi
Portland çimentosunun hammaddeleri kalker, kil ve demir filizidir. Portland çimentosu üretimindeki kalsinasyon sürecindeki birincil tepkimeler aşağıda görülmektedir [34].
Kil, az bir miktar Al2O3 ve Fe2O3 ile birlikte esas olarak silis (SiO2) sağlar. 600 C
civarından başlayarak kilde aşağıdaki şekilde ayrışma oluşur; Kil ( 600 C )
Si02 (+) Al2O3 (+) Fe2O3 (+) H2O
Kalker (CaCO3) esas olarak kireç (CaO) sağlar ve 1000 C civarında ayrışma oluşur;
CaCO3 (1000 C ) CaO+C02
Demir cevheri ve boksit eklenmesi klinkerleşme (füzyon) sıcaklığını düşürerek kalsiyum silikatın oluşumuna yardımcı olacak demir oksit (Fe2O3) ve alümina (Al2O3)
sağlar.
Döner fırında üç farklı sıcaklık bölgesi vardır. 1000 C - 1450 C arasındaki değişik sıcaklıklarda farklı kimyasal bileşikler oluşur.
2 2 (1 4 5 0 C ) Y ü k sek sıcak lık 2 3 2 3 2 3 2 C aO .S iO K alk er 3C aO .S iO K il 3C aO .A l O D em ir cevh eri, b o k sit
4 C aO .A l O .F e O
Döner fırında oluşan sonuç ürüne klinker denir. Klinkere çimento değirmeninde %3-5 oranında alçı taşı katıldıktan sonra öğütülerek çimento elde edilir. Alçı taşı 3CaO.Al2O3
nedeniyle oluşacak ânî prizi önlemek ve priz sürelerini ayarlamak için katılır.
Oksitler, çimento bileşenleri ve diğer bileşenlerin çimento kimyasında kullanılan kısaltmaları ve tipik portland çimentosu ana bileşenlerin kütlece yaklaşık oransal değerleri Çizelge 2.1’de verildi [35, 36, 37].
Çizelge 2.1 Çimento kimyasında kullanılan kısaltmalar ve tipik portland çimentosu bileşenlerinin kütlece yaklaşık oransal değerleri [35, 36, 37]
Oksit Kısaltma Bileşen Kısaltma Kimyasal adı Kütlece %
CaO C 3CaO.SiO2 C3S Trikalsiyum silikat 50
SiO2 S 2CaO.SiO2 C2S Dikalsiyum silikat 25
Al2O3 A 3CaO.Al2O3 C3A Trikalsiyum alüminat 12
14
Çizelge 2.1 Devam
MgO M 4CaO.Al2O3.SO3 C A S4 3 - -
SO3 S 3CaO.2SiO.3H2O C3S2H3 - -
Ca(OH)2 CH CaSO4.2H2O C S H2 Kalsiyum sülfat dihidrat 3.5
Karma oksitlerin ana özelikleri aşağıda belirtilmektedir [38].
C3S: Hızlı bir şekilde sertleşir, priz başlangıç süresini ve erken yaş dayanımını önemli
düzeyde etkiler.
C2S: Sertleşmesi yavaştır ve büyük oranda bir haftadan daha büyük yaşlardaki dayanım
artışı üzerine etkilidir.
C3A: Erken yaşlardaki dayanımın gelişimi üzerine etkisi çok azdır. Klinkerin öğütülmesi
sırasında katılan alçıtaşı C3A’nın hidratasyon hızını yavaşlatır. C3A içeriği düşük
çimentolar genelde özellikle sülfat ihtiva eden su ve zemine karşı dayanıklıdırlar.
C4AF: Klinkerleşme sıcaklığını düşürerek çimento üretimine yararlı olur. C4AF oldukça
süratlı bir şekilde hidrate olmasına rağmen dayanım kazanımında etkisi çok azdır. Çimento ana bileşenlerine ait özelikler Çizelge 2.2’de verilmiştir [39, 36].
Çizelge 2.2 Portland çimentosu ana bileşenlerinin özelikleri [39, 36]
Bileşen Reaksiyon hızı Hidratasyon ısısı İlk dayanıma katkısı Son dayanıma katkısı
Trikalsiyum silikat, (C3S) Orta Orta Yüksek Yüksek
Dikalsiyum silikat, (C2S) Yavaş Düşük Düşük Yüksek
Trikalsiyum alüminat, (C3A) Hızlı Çok yüksek Düşük Düşük
Tetrakalsiyum alüminoferrit, (C4AF) Yavaş Düşük Düşük Düşük
2.1.2 Çimento Hidratasyonu
Hidratasyon, kimyasal ve fiziksel süreçleri içerisinde barındıran çimento taneleri ile su arasında meydana gelen tepkimedir. Taze beton özelikleri dolaysız olarak hidratasyon sonuçlarına bağlıdır. Sertleşmiş beton özelikleri de hidratasyon sürecinden önemli düzeyde etkilenir.
Çimentonun suyla temas etmesiyle birlikte başlayan hidratasyon tepkimeleri aşağıdaki şekilde gerçekleşir [40].
15
2 2 2 2 2
( T o b erm o rit Jeli ) ( K alsiyu m H id ro k sit )
2 2 2 2 2 2 3 2 2 2 3 2 2 2 3 2 3 2 (3 C aO .S O ) 6 H O 3 C aO .2S iO .3H O 3 C a (O H ) 2 ( 2 C aO .S O ) 4 H O 3 C aO .2S iO .3H O 2 C a (O H ) 3 (C aO .A l O ) 1 2 H O C a (O H ) 3 C aO .A l O .C a (O H ) .1 2 H O 4 C aO .A l O .F e O 1 0 2 2 2 3 2 3 2 2 3 2 4 2 2 3 4 2 H O 2 C a (O H ) 6 C aO .A l O .F e O .1 2 H O 3 C aO .A l O 1 0 H O C aS O .2 H O 3 C aO .A l O .C aS O .1 2 H O
Hidrate çimentonun dayanımı ve diğer özelikleri esas tobermorit jeline bağlı iken, kalsiyum hidroksit tobermorit jelinin kimyasal kararlılığını sağlayan fakat hidrate çimentonun zayıf unsuru veya yanı olarak ortaya çıkar [38].
2.1.3 Çimentoların Genel Özelikleri
Çimentoların fiziksel, mekaniksel ve kimyasal yönlerden beklenen bazı özelikleri vardır. Bunlar bütün mineral kökenli çimentolarda aranan ve standardlarla [32] sınırlandırılmış malzeme özelikleridir.
İncelik
Çimento taneleri 5-90 mikron çapındadır. Büyük çoğunluk 20-30 mikron arasındadır. Taneler ne kadar ince olursa tanenin hidrate olabilecek bölümü o kadar fazla olur. İri bir tane içinde suyun difüzyonu yeterli düzeye varmaz, tanenin orta kısmı anhidr (hidrate olmamış) kalır. Hidrate olmuş bölüm ise mukavemeti artıran bir etmendir. Yüksek mukavemetli çimentoların genelde inceliği de yüksektir [41]. Farklı çimento inceliğine göre beton basma dayanımındaki değişim Şekil 2.1’de görülmektedir [42]. Mukavemet açısından yararlı olan incelik bazı sakıncalara neden olur: Islanma ve hidratasyon tepkimeleri ısı çıkararak meydana gelir, bu ise hidratasyon ısısını yükseltir ve büzülme artar; çimento tanelerini ıslatmak için gereken su fazladır, dolayısıyla betonun belirli bir işlenebilme düzeyini sağlamak için gerekli karıştırma suyu da artar, bu da dayanımın azalmasına yol açabilir [41].
16
Şekil 2.1 Farklı yaş ve çimento inceliğine göre beton basma dayanımındaki değişim [42] Priz
Toz haldeki çimentonun suyla karıştırılmasıyla oluşturulan hamurun katılaşması olayıdır. Çimento+su hamurunun sıvı halden katı hale geçişi priz deneyi ile çimento hamurunun priz başlama ve sona erme süreleri [43] ile belirlenir.
Hidratasyon ısısı
Hidratasyon ısısı nedeniyle üretim sırasında sıcaklığı yükselen betonun, sertleştikten sonra soğuması ısıl kısalmalara, büzülmelere neden olur. Bu büzülmelerin serbestçe oluşmadığı durumlarda beton çatlar ve geçirimsiz olma özeliğini kaybeder. Hidratasyon sürdükçe hidratasyon ısısı oluşmaya devam eder, ancak mikdarı giderek azaldığından beton kütlesinin bütününün sıcaklığını artırmaya yetmez [41]. Bu nedenle dış ortam sıcaklığı düşük olduğu ve beton yüzeyi yalıtılarak korunmadığı takdirde sıcaklık gradyanı sonucu ısıl büzülme farkları çatlakların oluşmasına yol açar.
Hidratasyon ısısı, TS EN 196-8, TS EN 196-9 ile BS 4550: 1978, ASTM C 186-5 standardlarında açıklanan yöntemlerle belirlenmektedir [44-47]. Hidratasyon ısısı ile anabileşenlerin bağlayıcılık özelikleri arasında herhangi bir ilişki yoktur [48].
Rötre - büzülme
Fiziko-kimyasal etkiler altında katılaşmakta olan ve/veya sertleşmemiş haldeki betonun hacminin küçülmesine rötre veya büzülme denir. Rötre, termik rötre, plastik erken rötre, bünyesel rötre, sertleşmiş betonun hidrolik rötresi ve karbonatlaşma rötresi olarak beş türe ayrılır [41]. Rötrenin kaynağı çimentodur. Ancak agregaların varlığı ve
17
özelikleri betonun rötresi üzerinde azaltıcı veya bazı durumlarda artırıcı yönde etki oluştururlar [41].
Mekaniksel özelikler
TS EN 197-1 “Çimento-Bölüm 1: Genel Çimentolar-Bileşim, Özelikler ve Uyumluluk Kriterleri” standardında çimento mekaniksel özelikleri “standard dayanım ve erken dayanım” olarak belirtilmiştir [32]. Çimentonun standard dayanımı ve erken dayanımı TS EN 196-1 [49]'e göre tayin edilmektedir. 28 günlük basma dayanımı standard dayanım ve 2 veya 7 günlük basma dayanımı erken dayanım olarak belirtilmektedir [32]. Üç standard dayanım sınıfı belirlenmiştir: 32,5 sınıfı; 42,5 sınıfı; 52,5 sınıfı [32].