Beton basınç dayanımı değişlendir. Yapay ya da doğal puzolanlar, dahil edildikleri çimento ve beton sistemlerinde hidratasyon sonucunda ortaya çıkan Ca(OH)2 ile reaksiyona girerek bağlayıcı özelliğe sahip ilave bileşenler meydana getirir. Puzolanlar, betonu, hiç puzolan içermeyen normal Portland çimentolu bir betona kıyasla, yıpratıcı dış etkilere karşı daha dayanıklı kılar. Beton içerisinde mineral katkı malzemesi olarak kullanılan yapay puzolanlardan birisi de, bu yazımızda bahsedeceğimiz yüksek fırın cürufudur.
Yüksek Fırın Cürufu Nedir? Granüle Yüksek Fırın Cürufu Nasıl Elde Edilir?
Granüle yüksek fırın cürufu, demir-çelik fabrikalarında pik demirin üretimi sırasında meydana gelen, endüstriyel atık konumunda olan bir mineral katkı malzemesidir.
Demir elde edebilmek için, demir cevherinin “yüksek fırın” olarak adlandırılan fırınlardan çok yüksek sıcaklıklara kadar (yaklaşık 1600 ºC sıcaklığa kadar) ısıtılmaları, böylece oksijenden ve yabancı maddelerden arındırılmaları gerekir. Yüksek fırın cürufları, yüksek fırından eriyik bir durumda, yaklaşık 1500ºC sıcaklıkta, atık malzeme olarak dışarı alınır. Yüksek oranda silis ve alümin içeren amorf yapıya sahiptir. Cürufun herhangi bir amaçla kullanımı, ancak soğutulmasından sonra mümkün olur.
Uygulanan soğutma tekniğine göre cüruf değişik yapısal karakteristikler gösterir. Genellikle bol miktarda suda, çok hızlı soğutulma işlemine tabi tutulur. Eriyik cürufun çok hızlı soğutulması işlemi, cürufa hem granüle hem de amorf (camsı) yapı kazandırır. Çok hızlı soğutulma işleminde, kum taneleri gibi (en büyük boyutu yaklaşık 4 mm) parçacıklar oluşturduklarından, “granüle yüksek fırın cürufu” olarak anılır.
Silisli ve alüminli amorf yapıya sahip oldukları için, öğütülerek çok ince taneli duruma getirildiklerinde yüksek fırın cürufları, puzolanik özellik gösterir. Çimentonun hidratasyon ürünü kalsiyum hidroksitle sulu ortamda birleştiklerinde, hidrolik bağlayıcılığa sahip olur. Hem Portland cüruflu çimento üretiminde hem de beton katkı maddesi olarak doğrudan kullanılır.
Çimento ve beton katkı maddesi olarak çok büyük miktarda kullanılabilir. Beton karışımının içerisinde yer alan yüksek fırın cürufu miktarı, genellikle çimento ağırlığının %25-%60’ı civarında değişir. Yüksek fırın cürufu içeren çimentoların bileşim oranlarını da Tablo-1’de görmekteyiz.
Yüksek fırın cürufunun çimento ve beton üretiminde kullanılması ile,
- Daha az klinker kullanımı,
- Sera gazı emisyon salınımının azalması,
- Enerji tüketimin azalması,
- Atık kullanımı sayesinde doğanın daha az kirlenmesi gibi faydalar sağlanır.
Betonda Yüksek Fırın Cürufu Neye Yarar?
Beton içerisine öğütülmüş formda granüle yüksek fırın cürufu katılması, taze ve sertleşmiş betonun özelliklerini iyileştirir. Öğütülmüş yüksek fırın cürufu, betonu hiç cüruf içermeyen normal bir betona kıyasla agresif çevre koşullarına karşı daha dayanıklı kılar.
Bugüne kadar yapılan çalışmalar, cüruf katkısının, korozyon dayanıklılığı, durabilite, geçirgenlik, işlenebilirlik ve dayanım gibi beton karakteristiklerini geliştirdiğini gösterir.
Bununla birlikte, cürufun hidratasyon hızı, Portland çimentosununkine oranla daha yavaş seyreder, cürufun beton içerisine girmesi, dayanım gelişimini geciktirir. Bu geciktirme derecesi, cürufun ve Portland çimentosunun kimyasal kompozisyonlarına, cürufun katılma yüzdesine, ortamın nem ve sıcaklığına bağlıdır. Bu yüzden cüruf içeren betonların, normal Portland çimentolu betonlara göre, daha uzun süreli küre tabi tutulması gerekir.
Yürütülen çalışmalarda, cüruf katkılı betonların erken yaş dayanımının, normal Portland çimentolu betona kıyasla daha düşük değerler aldığı, buna karşılık son dönem dayanımlarının ise, iyi kür edilmek şartıyla, normal Portland çimentolu betonun dayanımına eşit ya da daha fazla olduğu bildirilmektedir.
Çok ince taneli yüksek fırın cürufunun mineral katkı olarak kullanılması, taze betonun işlenebilmesini artırır. O nedenle, belirli bir kıvam için gerekli olan karışım suyu ihtiyacı azalır. Beton karışımında daha az miktarda su kullanılması, su/bağlayıcı oranını düşürür ve dolayısıyla dayanımını arttırır.
Yüksek Fırın Cürufunun Beton Özelliklerine Etkisi Nedir?
Betonda katkı maddesi olarak kullanılan yüksek fırın cürufunun beton özelliklerine etkilerini aşağıdaki gibi sıralayabiliriz:
Yüksek Fırın Cüruflarının Kimyasal Kompozisyonları Nedir?
Yüksek fırın cüruflarının kimyasal kompozisyonu, yüksek fırının şartlarına ve ham maddelerin kaynağına bağlı olarak değişiklik gösterir. Değişik ülkelerde üretilen bazı cüruflara ait kimyasal kompozisyonlar, Portland çimentosununki ile birlikte karşılaştırmalı olarak Tablo 2’de verilmiştir. Yüksek fırın cürufunda en fazla yer alan oksitler, CaO, SiO2 ve Al2O3’dir. %30- %40 oranlarında yer alan CaO, ince öğütülmüş durumundaki yüksek fırın cürufunun kendiliğinden de bir miktar bağlayıcılık göstermesine yol açar.
Yüksek fırın cürufunun bağlayıcılık özelliğini etkileyen faktörler;
- Cürufun kimyasal kompozisyonu,
- Reaksiyon sistemindeki alkali konsantrasyonu,
- Cüruf yapısının ne kadar amorf olduğu,
- Cürufun öğütüldüğü incelik,
- Hidratasyonun ilk safhası esnasındaki sıcaklıktır.
Bu faktörlerin birbirleriyle gösterdiği ilişki çok komplekstir. Bu nedenle yüksek fırın cürufunun betonda kullanılmaya uygunluğunu araştırmanın en iyi yolu, beton basınç dayanımı ve dayanıklılık kriterlerine uygun deneyler yürütmektir.
Geçmiş yıllarda, öğütülmüş yüksek fırın cürufunun yeterli bağlayıcılık gösterebilip gösteremeyeceğini araştırmak için, kimyasal kompozisyonunun;
(CaO+MgO+Al2O3)/( SiO2)≥1 koşulunu sağlaması istenmekteydi.
Son yıllarda, uygun kimyasal kompozisyona sahip olabilmenin yeterli olmadığı görüşü ağırlık kazanarak, yüksek fırın cürufunun beton katkı maddesi olarak uygunluğunu belirlemek üzere “cüruf aktivite indeksini“nin araştırılmasının daha gerçekçi bir yaklaşım olduğuna karar verilmiştir.
Yüksek Fırın Cürufunun Kullanılabilirliğine Dair Standardın Belirttiği Değerler Nelerdir?
TS EN 15167-1 Öğütülmüş yüksek fırın curufu – Beton, harç ve şerbette kullanım için – Bölüm 1: Tarifler, özellikler ve uygunluk kriterleri standardına göre;
- Öğütülmüş taneli yüksek fırın curufunun kimyasal kompozisyonunda, toplam kütlenin asgari 2/3’lük kısmı kalsiyum oksit (CaO), mağnezyum oksit (MgO) ve silis dioksit (SiO2) toplamından oluşmalıdır.
- Geri kalan kısım, küçük miktarlardaki diğer bileşenlerle birlikte alüminyum oksit (Al2O3)’den oluşmalıdır. Kütlece (CaO+MgO)/(SiO2) oranı en az 1,0 olmalıdır.
Öğütülmüş taneli yüksek fırın curufunun kimyasal özellikleri, Çizelge 1’de verilen gereklere uygun olmalıdır.
İncelik değeri: özgül yüzey alanı 275 m2/kg’dan daha az olmamalıdır.
Başlangıç priz süresi: Kütlece % 50 deney çimentosu ve % 50 öğütülmüş taneli yüksek fırın cürufu karışımının, priz başlangıç süresi, deney çimentosunun aynı yöntemle tayin edilen priz başlangıç süresinin iki katından daha uzun olmamalıdır.
Aktiflik indeksi: Kütlece % 50 deney çimentosu ve % 50 öğütülmüş taneli yüksek fırın cürufu karışımının basınç dayanımının, deney çimentosunun basınç dayanımına oranı (%) olarak ifade edilir.
Basınç dayanımları, EN 196-1’e göre tayin edilmeli ve su/(Çimento+ öğütülmüş taneli yüksek fırın cürufu) ve su/Çimento oranlarının her ikisi de 0,50 olmalıdır.
7 günlük ve 28 günlük aktiflik indeksleri; sırasıyla % 45 ve % 70’ten daha küçük olmamalıdır.
Neden Yüksek Fırın Cürufu Kullanılmalıdır?
Öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu kullanımı, betonda yüksek dayanıklılık, düşük hidratasyon ısısı ve yüksek nihai dayanım değerleri sağlar. Beton basınç dayanımı ve beton performansını iyileştirmesinin yanı sıra çevresel faydaları da bulunur. Çimento klinkerinin daha az kullanılmasını ve dolayısıyla, daha az sera gazı emisyonu salınımı, daha az enerji tüketimini sağlar. Demir-çelik fabrikalarında endüstriyel atık konumunda atığının kullanımı olarak da doğanın daha az kirlenmesini sağlar.
Kullanılan Kaynaklar
- Bilim, C., Atiş C. D., (2011) Öğütülmüş Granüle Yüksek Fırın Cürufu İçeren Harçların Aşınma ve Mukavemet Özellikleri, Politeknik Dergisi, Cilt:14 Sayı: 2 s. 101-107
- Gülen, F. (2015) Yüksek Fırın Cürufu Üretimindeki Standart Sapmanın Beton Basınç Dayanımı Üzerindeki Etkisi ve Girdilere Göre 90-Günlük Dayanımın Modellenmesi, 9. Ulusal Beton Kongresi : sürdürülebilir beton, 16-18 Nisan 2015, Antalya
- Erdoğan, T.Y., (2003) Beton. ODTÜ Geliştirme Vakfı ve Yayıncılık A.Ş., Ankara, 741s.
- Onat, O. B., (1998) Türkiye’de Üretilen Yüksek Fırın Cüruflarının Çimento Özelliklerine Etkisi. Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, İstanbul.
- Beton Dayanıklılık Sorun ve Çözümleri: Betonda Çiçeklenme Nedir?
- Beton Dayanıklılık Sorun ve Çözümleri: Sülfat Etkisi
- Beton Dayanıklılık Sorun ve Çözümleri: Alkali Silika Reaksiyonu
