Puzolan ve Yüksek Fırın Cürufunun Çimento Üretiminde Kullanılmaları Nasıl Olur?

Bu yazımızda puzolan ve yüksek fırın cürufunun çimento üretiminde kullanımlarını inceleyeceğiz.

Farklı tip çimentoların kimyasal yapıları ve fiziksel özellikleri farklı olduğundan, hidratasyon sırasında farklı davranışlar gösterir. Çimento üretiminde, hammaddeleri uygun seçmek koşulu ile, istenen özelliklerde değişik çimentolar elde edilebilir. Daha detaylı bilgi için Çimento Türleri Nelerdir? adlı içeriğimize göz atabilirsiniz. Çevreye daha az zarar vermesi nedeniyle, bazı inorganik doğal malzemeler veya endüstriyel atık maddeler eklenerek de çimento üretimi yapılmaktadır.

TS EN 197-1 Standardına Göre Çimento Türleri Nelerdir?

Çimentolarla ilgili standart TS EN 197-1’de 27 farklı genel çimento, 5 ana tipte (CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV, CEM V) gruplandırılmıştır (Çizelge 1).

TS EN 197-1 standardında çimentoların tanımı örnekteki gibi yapılır (Çizelge 2).

• CEM II olarak gösterilen ana çimento tipidir.  Ana çimento tipine diğer örnekler, CEM I Portland Çimentosunu, CEM III Yüksek Fırın Cüruflu Çimentoyu gösterir. 
• A ile gösterilen Portland çimentosu klinkeri oranıdır, örnekte seçilen yüksek klinker oranında tiptir. 
• S ile gösterilen ikinci ana bileşendir, örnekte yüksek fırın cürufu seçilmiştir. 
• 42,5 ile gösterilen standart 28 günlük dayanım sınıfıdır. Ülkemizde TS EN 197-1’e göre, 32,5, 42,5 ve 52,5 MPa olmak üzere üç standart dayanım sınıfı bulunur (Çizelge 3). 
• R ile gösterilen erken dayanım kazanma hızıdır, örnekte hızlı tip seçilmiştir.

Puzolan Nedir?

Puzolanlar, kendi başına bağlayıcılık özelliği çok az olan veya hiç olmayan, fakat (doğal olarak veya öğütülme sonucunda) çok ince taneli olduklarında ve sulu ortamda kalsiyum hidroksitle kimyasal reaksiyona girdiklerinde, hidrolik bağlayıcılık özelliklerine sahip bileşenlerin oluşmasını sağlayan silisli veya silis ve alüminli malzemelerdir. Volkanik kül, volkanik tüf (tras) ve opalin doğal puzolanlara örnekleridir. Pişirilmiş kil de puzolanik özellik sergiler.

Termik santrallerde elektrik üretimi için yakıt olarak kullanılan kömür yandıktan sonra atık malzeme olarak elde edilen ve “uçucu kül” olarak adlandırılan ince taneli küller yapay puzolanlardır. Silikon metalinin veya alaşımlarının elde edilmesinde ortaya çıkan silis dumanının yoğunlaştırılması sonucunda elde edilen “yoğunlaştırılmış silis dumanı veya silika füme veya mikrosilis” olarak adlandırılan çok ince taneli atık malzemeler de yapay puzolanlardır.

Yüksek Fırın Cürufu Nedir?

Yüksek fırın cürufu, demir üretimi için demir cevherinin yüksek fırın olarak adlandırılan fırınlarda eritilerek indirgenmesi esnasında ortaya çıkan bir atık malzemedir. Fırındaki yüksek sıcaklık nedeniyle eriyik hale gelen ve CaO, SiO₂, Al₂O₃ gibi oksitleri içeren cüruf, ani olarak (suda) soğutulduğu takdirde, iri kum parçacıkları boyutunda amorf yapıya sahip granüle bir durum kazanır. Öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu da puzolanik özellik gösterir. Daha detaylı içerik için Yüksek Fırın Cürüfü Özelliklerinin Beton Dayanımına Etkisi Nasıl Olur? adlı içeriğimize göz atabilirsiniz.

Puzolanların ve Yüksek Fırın Cürufunın Çimento Üretiminde Kullanılmaları Nasıl Olur?

Portland-puzolan tipi çimentoların üretiminde takip edilen yöntem aşağıdaki gibidir:

Klinker + Puzolan + Alçıtaşı  “Portland-Puzolan Çimentosu”

Portland-puzolan tipindeki çimentoların üretiminde değişik miktarlarda puzolanik madde kullanılır. Puzolan miktarı “klinker+puzolan” ağırlığının %6-%95’ü arasında değişir, klinker miktarı da %94-%5 arasında olabilir (Çizelge 1, TS EN 197-1).

Buradan görülebileceği gibi, portland-puzolan tipi çimentoların üretimi için öğütülecek klinker miktarı, portland çimentosunun üretiminde kullanılana kıyasla bir miktar azaltılmakta onun yerine puzolan eklenmekte ve “klinker + puzolan + alçıtaşı” birlikte öğütülmektedir. Öğütülme işlemiyle puzolanik malzeme çok ince tanecikler haline gelir. Portland-puzolan tipi çimentonun içerisinde yer alan puzolan, çimentonun klinkerinde bulunan C₃S ve C₂S ana bileşenlerinin hidratasyona başlamasıyla ortaya çıkan kalsiyum hidroksit (CH) ile reaksiyona girerek hidrolik bağlayıcılık özelliği kazanır. İki aşamalı gibi gözüken bu olay şu şekilde özetlenebilir:

C₃S ve C₂S + su → C-S-H Jeli + CH ve

Puzolan + CH → C-S-H Jeli + …

Cüruflu çimentoların üretimi de aynı yukarıda anlatılan yöntemdeki gibidir. Ancak burada puzolan yerine granüle yüksek fırın cürufu kullanılır ve “klinker + granüle yüksek fırın cürufu + alçıtaşı” birlikte öğütülür. Hidratasyonla yer alan reaksiyonlar yukardakine benzerdir.

Portland Çimentosunun ve Portland-Puzolan Çimentosunun Dayanım Kazanma ve Hidratasyon Isısı Hızlarının Karşılaştırılması

Portland çimentosunun üretiminde öğütülmesi gereken malzemeler “klinker + çok küçük bir miktardaki alçıtaşı”dır. Puzolan veya cüruf katkılı çimentoların üretiminde öğütülmesi gereken malzemeler ise, “klinker + çok küçük bir miktardaki alçıtaşı + puzolan veya cüruf”tur.

Puzolan veya cüruf katkılı çimentoların üretiminde kullanılan klinker miktarı portland çimentosunda kullanılan klinker miktarından daha azdır. O nedenle, puzolan veya cüruf katkılı çimentoların yapısında bulunan C₃S, C₂S, C₃A ve C₄AF anabileşen miktarları, portland çimentosunda yer alan miktarlardan daha azdır.

Puzolan veya cüruf katkılı çimentolarda bulunan kalsiyum silikatlı ana bileşenlerin (C₃S ve C₂S) toplamı portland çimentosunda bulunandan daha az olduğu için, su ile birleştirildiğinde, C-S-H jeli üretimi (dayanım kazanma), portland çimentosununkine kıyasla daha düşük hızla yer alır. O nedenle, bu tipteki çimentoların dayanım kazanmaları ilk günlerde daha yavaştır, hidratasyon ısısının açığa çıkma hızı da daha yavaş olur.

Bunun yanında, klinkerden gelen kalsiyum silikatlı ana bileşenlerin (özellikle C₃S’in) hidtasyonu ile oluşan kalsiyum hidroksit, puzolan veya cüruf katkılı çimentolardaki puzolan veya cürufla reaksiyona girerek yeni C-S-H jellerinin üretimini sağlar.

Bu sebeple, bu tür çimentoların hidratasyonu ile bir iki hafta sonra daha çok C-S-H jeli ortaya çıkmaya başlar. İlk zamanlardaki düşük dayanım, daha sonra tamamlanmış olur. Puzolan ve cüruf katkılı çimentoların nihai dayanımları, portland çimentosunun nihai dayanım seviyesine gelir.

Aslında, puzolan veya cüruf katkılı çimentoların dayanım kazanma ve açığa ısı çıkarma hızları, çimentonun yapısında yer alan puzolan aktivitesine, miktarına ve çimentonun ne kadar ince öğütülmüş olmasına bağlıdır.

Çimento Üretiminde Puzolan Kullanımı Neden Önemlidir?

Çimento üretiminde puzolanların veya yüksek fırın cürufunun kullanılması ile özellikle geri dönüştürülmüş içerik kullanımı, çevreyi koruyan sürdürülebilir ürün sağlar. Normal Portland çimentosuna göre düşük hidratasyon ısısı açığa çıkarması ile termal çatlak riskini azaltır. Beton üretiminde daha düşük büzülme özelliği ile çatlamaya karşı nispeten dayanıklılık sağlar. Performans özellikleri ile birlikte daha sürdürülebilir bir çimento sağlamak, enerji verimliliği yoluyla sürdürülebilirlik alanlarında sürekli iyileştirmeye fayda sağlar.

Kullanılan Kaynaklar:

• TS EN 197-1 Çimento- Bölüm 1: Genel çimentolar- Bileşim, özellikler ve uygunluk kriterleri
• Turhan Y Erdoğan, Beton, ODTÜ Geliştirme Vakfı Yayıncılık ve İletişim, 2007