Puzolanlar

Günümüzde, beton üretiminde, agrega-çimento hamuru arayüzünü ve çimento hamurundaki bo luklar doldurmak için silis duman , uçucu kül ve yüksek f n cürufu gibi puzolanik özellikteki mikro filler malzemelerin süperak kanla katk maddeleri ile birlikte kullan lmas , beton teknolojisinde büyük ilerlemelere yol açm r. Süperak kanla kimyasal katk lar n kullan lmas s/ç oran n dü mesini, ultra ince mineral malzeme kullan lmas bo luklar n doldurulmas ve daha yo un bir malzemenin olu turulmas sa lam r. Sonuç olarak betonun hem bas nç dayan hem de dayan kl artm r (Ta demir ve Akyüz, 1999). da puzolanlar n tan , tarihçesi, özellikleri, puzolanik aktivitenin ara lmas ve betona etkileri genel olarak, çal man n konusu olan yüksek f n cürufunun betonda kullan ve beton özelliklerine etkileri ise etrafl ca aç klanm r.

Puzolanlar, kendi ba lar na ba lay k özelli i olmayan veya az ba lay k özelli i gösterebilen, sönmü kireç veya çimento ile birlikte kullan ld nda ba lay k özelli i kazanan inorganik kökenli malzemelerdir. Bunlar silisli veya silisli ve alüminli malzemelerdir, bile iminde silisin ve alüminin yan s ra demir oksit, kalsiyum oksit, alkaliler ve karbon bulunabilmektedir (Erdo an, 2003; Postac lu, 1986; Neville, 1990; Akman, 1987). Puzolan, ad talya’daki Vezüv yanarda n eteklerinde bulunan “Pozzuoli”

kasabas ndan alm r. Milattan yakla k 100 y l önce eski Romal lar, Pozzuoli kasabas n civar ndaki volkanik kül ve söndürülmü kirecin su ile kar lmas ndan elde edilen malzemenin hidrolik ba lay k özelli i gösterdi ini fark etmi ler, bu malzemeyi yap larda kullanm lard r. Su alt nda da sertle me gösterebilen bu malzeme “puzolan” ad ile an lmaya ba lanm r (Erdo an, 2003).

Puzolanlar n bile iminde yukar da da belirtildi i gibi fazla miktarda kolloidal halde silis ve alümin bulunmaktad r. Puzolan malzeme, bu maddelerin kireç ile reaksiyonu sonunda ba lay k özelli i kazan r, kireci ba lar. Puzolan ile portland çimentosu kar ld nda da SiO2 ve Al2O3 ile çimentonun hidratasyonu sonunda aç a ç kan Ca(OH)2 aras ndaki reaksiyon sonucunda, Ca(OH)2 tespit edilir, ba ka bir deyi ile çözülmez duruma getirilir, böylece çimento, su ve kimyasal etkilere daha dayan kl olur (Postac lu, 1986; Akman, 1987).

Bir puzolan n reaksiyon sonunda tespit etti i kireç miktar ne kadar fazla ise reaktivitesi o kadar büyük, puzolanik özelli i o kadar yüksektir (Postac lu, 1986). Bu özellik “Puzolanik Aktivite” olarak tan mlan r (Erdo an, 2003). Puzolanik reaktiviteyi etkileyen faktörler, kimyasal bile im, amorf yap ve incelik olarak say labilir. Bunlardan inceli in, en önemli faktör oldu u söylenebilir, çünkü ö ütme insan eli ile yap lmaktad r ve inceli in artt lmas mümkündür. Puzolanik özelli i etkileyen di er faktörler, yukar da i aret edildi i gibi puzolan n içerdi i SiO2ve Al2O3 gibi reaktif maddelerin miktar , amorf veya cams ve zeolitik fazda bulunmas r; kristal yap daki alümin ve silisin reaktif özelli i yoktur. Bu aç klamalara göre puzolanik aktivitenin yüksek olmas için puzolan maddelerde fazla miktarda, amorf SiO2 , Al2O3 ve Fe2O3 bulunmal , CaO miktar az olmal , puzolan çok ince ö ütülmelidir. Reaktif maddelerin oran 2.25’te verildi i gibi %70’den fazla, CaO miktar da % 4’ den az olmal r.

SiO2 +Al2O3 +Fe2O3 > 0.70 (2.25)

Bu iki ko ulun sa lanmas o maddenin puzolan oldu unu göstermez, puzolanik özelli e sahip olup olmad deneysel olarak kan tlanmal r (Postac lu, 1986). Puzolanlar do al ve yapay olmak üzere iki büyük gruba ay rmak mümkündür (Postac lu, 1986; Erdo an, 2003).

Do al puzolanlar, volkanik camlar, volkanik tüfler, traslar, diatomeli topraklar ve baz killer ve eyllerdir. Do al puzolanlar, dünyan n belirli bölgelerinde örne in, Almanya’da, talya’da, Yunanistan’da, Türkiye’de bulunur. Almanya’da Ren vadisinden ç kar lan do al puzolanlara Tras ad verilir. Bu puzolan, üstün özelliklere sahip oldu undan birçok ülkede ve ülkemizde tras, puzolan sözcü ünün yerini alm r. kinci önemli puzolan yata , talya’da Roma ve

Napoli aras ndaki bölgede yer almaktad r. Yüksek nitelikli puzolanlar n bulundu u bir di er bölge de Ege Denizi’nde Yunanistan’a ba Santorin adalar r. Ülkemizde, Çorum civar nda Mecitözü’ nde, Kayseri ve Nev ehir civarlar nda geni puzolan yataklar bulunmaktad r (Akman, 1987; Postac lu, 1986; Erdo an, 2003). Yapay puzolanlar, pi mi kil, granüle yüksek f n cürufu, uçucu küller ve silis duman gibi endüstriyel yan ürünlerdir. Yapay puzolan olarak bilinen maddelerin en önemlilerinden biri pi mi kildir. Kil, eyl ve diatomeli toprak, önce l i leme tabi tutulup daha sonra ince taneli duruma getirildi inde puzolanik özellik kazan r (Akman, 1987; Erdo an, 2003). Bu amaçla kil, bile imine ba olarak 600- 900 oC aras ndaki s cakl kta pi irilir, elde edilen madde ö ütülür. Tu la tozu ve kireç kar ndan olu an ve “Horosan Harc ” olarak olarak bilinen bu ba lay madde, Osmanl mimarisinde yayg n olarak kullan lm r. Bu ba lay madde, ya kireçten çok üstün özelliklere sahiptir ve su yap lar nda kullan lmaya elveri lidir. Nitekim çimento icat edilmeden önce 1786 da in aa edilen Cezayir liman nda ba lay madde olarak pi irilmi kil ve kireç kar kullan lm r (Postac lu, 1986). Yapay puzolan olarak kullan lan di er maddeler, uçucu kül, ö ütülmü yüksek f n cürufu ve silis duman gibi endüstri at maddeler ve pirinç kapç külü, bu day sap külü gibi tar m art klar n yak lmas ile elde edilen küllerdir (Torii ve Kawamura, 1992; Mazlum, 1989; Biricik, 1995). Sönmü kireç veya çimento ile birlikte kullan lan do al veya yapay puzolanlar, Ca(OH)2’i ba lamas ve ince bo luklar doldurmas nedeni ile betonun zararl ortama kar dayan kl artt r (Mehta ve Gjorv, 1982; Bonen, 1993). Puzolanlar, söndürülmü kireç ve su ile do rudan kullan labildikleri gibi, çimento üretiminde, portland çimentosunun klinkeri ile birlikte ütülerek veya beton üretiminde çimento ile birlikte katk maddesi olarak kullan lmaktad rlar.

Bilindi i üzere portland çimentosunun dikalsiyum silikat (C2S) ve trikalsiyum silikat (C3S) gibi ana bile enlerinin su ile reaksiyonlar sonucunda 2.26-2.29 ba nt lar ndan görüldü ü gibi ba lay k özelli i olan kalsiyum-silikat-hidrat (CSH) jelleri ve kalsiyum hidroksit olu maktad r (Erdo an, 2003; Postac lu, 1986).

2 (SiO23CaO)+6Su→2SiO23CaO3Su+3Ca(OH)2 (2.26) SiO23CaO+3Su→SiO22CaO2Su+Ca(OH)2 (2.27) 2 (SiO22CaO)+4Su→2SiO23CaO3Su+Ca(OH)2 (2.28) SiO22CaO+2Su→SiO22CaO2Su (2.29)

Puzolanlar su ile kar la nda ilk a amada puzolan ile çimentodaki alkalilerden kaynaklanan alkali hidroksit aras ndaki reaksiyonlar, ikinci a amada ise, çimentonun hidratasyonu ile ortaya ç kan kalsiyum hidroksitle puzolan aras nda güçlü reaksiyonlar olu maktad r. Puzolan ve Ca(OH)2 ‘in reaksiyonu sonucunda C-S-H jelleri gibi çok kuvvetli hidrolik ba lay özellikteki ürünler ortaya ç kmaktad r. Ortam s cakl artt kça, çimentodaki alkali hidroksitlerin çözünebilirli i artmakta ve reaksiyonlar daha erken olu abilmektedir (Erdo an, 2003).

Puzolanik Aktivite

Puzolanlara puzolanik özellik kazand ran SiO2, Al2O3, ve Fe2O3’in miktar , amorf yap ve puzolan n inceli idir. Amorf silis kalitatif olarak X-I difraktometresi ile, kantitatif olarak da kimyasal gravimetrik yöntemlerle belirlenebilir (Bidin vd., 1984). Puzolanik aktivite, kimyasal, mekanik ve fiziksel deneyler ile ara r (Neville, 1990). Puzolanik aktiviteyi belirleyen ya da buna önemli ölçüde katk da bulunan faktörler, maddenin kimyasal bile imi, termodinamik karars zl ve özgül yüzeyidir.

Puzolanik Aktivitenin Kimyasal Deneyler ile Ara lmas

Puzolanik özellik, hidrate çimento ile temas halinde olan sulu çözeltideki kalsiyum hidroksit miktar n, ayn alkalinitedeki çözeltiyi doygun hale getirebilen kalsiyum hidroksit miktar yla kar la lmas ile de erlendirilir. Çözeltideki kalsiyum hidroksit iyonu konsantrasyonu doygun konsantrasyondan daha dü ük ise deney olumlu olarak kabul edilir. Hidroksit iyonu konsantrasyonu ve kalsiyum oksit konsantrasyonu belirlenir. Çözeltideki hidroksit iyonlar ve kalsiyum oksit konsantrasyonlar n ortalamas grafikte i aretlenir. Bu nokta çözeltideki kalsiyum oksitin doygunluk konsantrasyonunu, 400C’deki hidroksit iyonu konsantrasyonunun fonksiyonu olarak gösterir. aretlenen nokta, kalsiyum oksitin doygunluk konsantrasyonunun alt nda ise puzolan, puzolanik özellik deneyini sa lar (TS EN 196-5, 2002).

Puzolanik Aktivitenin Mekanik Deneyler ile Ara lmas

Mekanik deneylerde TS 25 (1975) Trasl çimento standard nda belirtildi i ekilde haz rlanan numunelerde e ilme ve bas nç deneyleri yap r. Bunun için Çizelge 2.4’te TS 25’e (1975) göre, 1 dm³ harç için verilen miktarlarda puzolan malzeme, sönmü kireç, standart kum ve su kar larak elde edilen ve standarda uygun ko ullarda saklanan 4x4x16 cm. boyutundaki harç numunelerde 7. günde TS EN 196-1 (2002)’ye göre e ilme deneyi ve k lan parçalarda

bas nç deneyleri yap r. E ilme mukavemetinin 1 N/mm2 den, bas nç mukavemetinin 4 N/mm2den büyük olmas halinde maddenin puzolanik özelli e sahip oldu u kabul edilir.

Çizelge 2.4: Harç üretimi (1 dm³) için gerekli malzeme miktarlar (TS 25, 1975)

Malzemeler Standart Miktarlar Standart kum 1350 g Sönmü kireç 150 g

Puzolan 2x150x(δp/δk) Su 0.50(150+puzolan)

Puzolanik Aktivitenin Fiziksel Deneyler ile Ara lmas

Puzolanlar n reaktivitesi spektrofotometrik ve kalorimetrik yöntemler ile fiziksel olarak daha zl bir ekilde saptanabilir (Bidin vd., 1984; Massazza, 1989). Puzolanik aktivitenin fiziksel yollar ile incelenmesi için X-Ray Analizi (X-Ray), Diferansiyel Termal Analiz (DTA) ve Taramal Elektron Mikroskobu (SEM) ile incelemeler yap r. X-Ray analizlerinde piklere rastlanmamas yap n amorf oldu unu gösterir SEM incelemesinde ise puzolan maddenin farkl büyütme oranlar nda foto raflar çekilir, bu bölgelerde difraktogram ile kalitatif kimyasal analiz yap r ve difraktogram al r. DTA-TG analizleri, oda s cakl ndan ba lay p, 1100 0C kadar ula an s cakl k aral klar nda, minerallerin veya farkl türdeki kimyasal maddelerin art kar nda göstermi olduklar a rl k ve enerji de imlerini grafiksel olarak belirlemek için kullan r. DTA-TG analizleri yard yla, minerallerdeki kristalografik dönü ümler, eritme, bile imsel bozu ma, su kayb gibi özellikler belirlenir. Analiz edilecek olan maddelerin monomirallik (tek mineralli) olmas tercih edilir. Bu yöntem özellikle seramik hammaddelerinin ara lmas nda yayg n olarak kullan r (www.mta.gov.tr).

Bu çal man n konusu olmas nedeni ile önemli bir endüstri at olan yüksek f n cürufu (YFC) a da ayr nt olarak ele al nm r.