Beton bileşenleri karıştırıldıktan birkaç saat sonra plastik özeliği kaybolmuş katı bir yapı oluştururlar. Buna neden olan ve çimento ile suyun tepkimesi sonucu oluşan kimyasal reaksiyona “hidratasyon” denir. Önceleri yumuşak plastik durumunda olan çimento hamuru, zaman ilerledikçe daha az plastik duruma gelir ve katılaşıp, sertleşir. Çimento hamurunun içerisindeki su ve çimento arasındaki kimyasal reaksiyonlar uygun sıcaklık ve nemlilik ortamı mevcut olduğu sürece devam eder, kazanılan dayanım miktarında artma oluşur.
Portland Çimentosunu Oluşturan Oksitler Nelerdir?
Portland çimentosu, kalker ve kilin yüksek sıcaklıkta pişirilmesi ve bu işlem sonucu oluşan klinkerin alçıtaşıyla birlikte öğütülmesiyle meydana gelir.
Hidratasyon süreçlerinden bahsetmeden önce bu süreçlerde başrol oynayan çimentonun anabileşenlerini oluşturan ana oksitleri bilmek gerekir.
Portland çimentosunda yer alan oksitlerden CaO hammadde karışımındaki kalkerden, SiO2 ve Al2O3 ise kilden elde edilir. Hammadde içerisinde bir miktar da Fe2O3 bulunur. Bu dört oksit, çimentonun anabileşenlerini oluşturan ana oksitlerdir. Portland çimentosunun içerisinde yer alan oksitler ve yaklaşık miktarları Tablo 1’deki gibidir.
Tabloda yer alan SO3 dışındaki bütün oksitler çimento klinkerini oluşturan oksitlerdir. Çimento içerisinde yer alan SO3, çimento üretimi için kullanılan alçıdan gelir.
Çimentonun yapısında yer alan MgO ve alkalilerin yararlı bir fonksiyonu yoktur. Bu oksitler kullanılan hammaddelerde yer alan oksitlerdir. Fazla miktarlarda yer aldıkları takdirde çimento hamurunda ve betonda genleşmeye neden olarak zararlı etkileri olmaktadır.
Portland Çimentosunun Ana Bileşenleri Nelerdir?
Pişirme sonucu klinker yapısında oluşan dört ana bileşen grubu (Tablo 2) hidratasyon reaksiyonu sürecini doğrudan etkiler. Bu dört ana bileşenin kimyasal özellikleri ve etkileri oldukça farklıdır.
SiO2 ve CaO oksitlerinin birleşmesiyle silikatlar (C3S ve C2S) oluşur. Silikatlar, klinkerin yaklaşık % 80’ini oluşturur.
C3S: Çimento hacminin yaklaşık %55-65’ini oluşturur. Erken dayanıma etkisi vardır.
C2S: Çimentonun hacminin yaklaşık %15-20’sini oluşturur. Geç dayanıma etkisi vardır.
Alüminatlar yaklaşık olarak çimentonun %20’sini oluşturur. Alümina, CaO birleşerek C3A ve demir oksitle birleşerek C4AF oluşturur.
C3A: Priz süresini etkileyen en önemli fazdır. Reaksiyonu esnasında yüksek oranda ısı açığa çıkar.
C4AF: Klinkerin ve dolasıyla çimentonun rengini etkiler.
Çimento ve su biraraya getirilir getirilmez, her çimento anabileşeni ile su ayrı ayrı reaksiyona girer. Her anabileşenin reaksiyon hızı, reaksiyon esnasında açığa çıkan ısı ve reaksiyon sonucunda oluşan ürünün çimento hamurunun dayanımına katkısı farklıdır.
Çimentoyu oluşturan anabileşenlerin su ile reaksiyonu sonucunda elde edilen dayanım artışı, Şekil 2’deki gibidir. Çimento hamurunun kazanabileceği nihai dayanım, C3S ve C2S gibi kalsiyum silikatlı anabileşenlerin hidratasyonu sonunda oluşur. Şekilden görüleceği üzere, C2S’nin çimento hamurunun dayanımına ilk günlerdeki katkısı az, sonradan daha çoktur. C3A’nın çimento hamurunun dayanımına katkısı hem ilk günler hem de son günler için düşüktür.
Hidratasyon ısı açığa çıkaran (ekzotermik) bir reaksiyondur. Anabileşenlerin her biri farklı hidratasyon ısısına sahiptir (Tablo 3).
Bir çimentonun ne miktarda hidratasyon ısısını açığa çıkaracağı, çimento hamurunda yer alan ana bileşenlerin miktarlarına ve hidratasyonun ne kadar süreyle yer almış olmasına bağlıdır. Portland çimentosunun ortalama ve en yüksek hidratasyon ısısı değerleri, yaklaşık 100 kal/g ve 120 kal/g olarak belirtilebilir.
Portland Çimentosunun Hidratasyonu Nasıl Oluşur?
Gerek C3S, gerekse C2S su ile birleştiğinde, ortaya çıkan hidratasyon ürünlerinin türü C3S2H3 (kalsiyum-silika-hidrat) ve CH (kalsiyum hidroksit) olarak aynıdır, ancak miktarları farklıdır.
Kalsiyum-silika-hidrat olarak ortaya çıkan hidratasyon ürünü, sadece C-S-H jeli olarak adlandırılır. Çimento hamurunun kazandığı dayanım C3S ve C2S anabileşenlerinin hidratasyonu ile ortaya çıkan C-S-H jellerinin miktarına bağlıdır. C-S-H jellerinin tümü, bir anda meydana gelmez. Hidratasyon olayı devam ettikçe, C-S-H jellerinin üretimi de devam eder ve bu şekilde çimento hamurunun dayanımı artar.
C3S ile su arasındaki reaksiyon:
2C3S + 6H -› C3S2H3 + 3CH
C2S ile su arasındaki reaksiyon:
2C2S + 4H -› C3S2H3 + CH
Çimento hamurunun ani priz yapmasını önlemek amacıyla, çimento üretimi esnasında, klinkere bir miktar (%3-6) alçıtaşı katılır ve bu iki malzeme birlikte öğütülür. Alçıtaşından gelen sülfat, C3A ile birleşerek yine C3A molekülleri üzerine çökelir ve daha fazla reaksiyona girmesini engeller.
Sülfat oranı üretici tarafından çok hassas bir şekilde optimize edilir. Dışarıdan betona nüfuz eden sülfatlar etrenjit kristallerinin oluşumuna neden olarak genleşmeye ve çatlaklara neden olur. Bu nedenle, sülfata dayanıklı çimentoda C3A oranı belli bir sınırda tutulur (%5’den az).
Portland Çimentosunun Hidratasyon Ürünleri Nelerdir?
1. Kalsiyum Silikat Hidrat (C-S-H):
Kalsiyum silikat hidrat (C-S-H), hidrate olan ürünlerin yaklaşık %60’ını oluşturur. Çimentoya bağlayıcılık özelliğini kazandıran ve dayanım kazanmasını sağlayan üründür. Geçirimsizdir ve agrega ile bağ yaparak betonun matrisini oluşturur.
2. Kalsiyum Hidroksit (CH):
CH (kalsiyum hidroksit) dayanıma etkisi olmayan, ancak beton içindeki bazik yapıyı sağlayan üründür. Zayıf yapısı ve aderansı zayıflatıcı etkisi nedeniyle gerekenden fazlası istenmeyen bir üründür. CH genelde boşluklarda ve çimento hamuru-agrega arayüzeylerinde birikir. Hidrate olan ürünlerin yaklaşık %20’sini oluşturur. Suda çözünür ve betonda porozitenin sebeplerinden birisidir. Katkılı çimentolarla yapılan betonlarda CH oranı çok daha düşüktür.
3. Etrenjit (C-A-S-H): Etrenjit oluşumu, betonun prizini etkiler.
4. Monosülfat: Durabiliteyi olumsuz yönde etkiler.
Neden Çimento Hidratasyonuna Dikkat Etmelisiniz?
Beton elde edebilmek için, çimento ve su birleştirilir birleştirilmez, her bileşen su ile ayrı ayrı reaksiyona girer. Hidratasyon sonunda her anabileşen tarafından değişik hidratasyon ürünleri oluşur. Bu reaksiyonların etkisiyle çimento hamuru katılaşır (priz alır) ve sertleşir (dayanım kazanır). Çimento hamurunun özellikleri değişkenlik gösterir ve bu özellikler, kimyasal reaksiyonlar sonucunda ortaya çıkan hidratasyon ürünlerinin oranı ile belirlenir.
Kullanılan Kaynaklar
