Günümüzde yapı kimyasalları sektöründe doğan farklı ihtiyaçlar için (yüksek sıcaklık, erken mukavemet, hızlı priz, çatlaksız yapı) farklı çözümler sunma gerekliliği vardır. Bu sebeple sadece standart portland çimentosu ile karışımlar hazırlamak yerine; portland çimento (PÇ), kalsiyum alüminat çimento (CAC) ve kalsiyum sülfatın farklı oranlarda birleşimiyle üçlü sistemler oluşturulur. Üçlü sistemdeki karışım oranları da ihtiyaca göre yenilenebilir. Bu yazımızda üçlü sistemler nelerdir, özellikleri nedir ve nerelerde kullanılır gibi konulara değineceğiz.
Üçlü Sistem (OPC-CAC-CaSO4) Nedir?
Aşağıdaki üçlü sistem diyagramında da üçgen içerisinde yer alan noktalar hangi köşeye daha yakınsa kompozisyon ve karakteristik özellik olarak o maddeye yakınsar.
Bölge 2; OPC ve CAC 2’li sistem
- Avantaj; Hızlı sertleşme
OPC ve CAC’ın ikili sistemlerini kapsar. Bu tür sistemler, küçük alanlarda onarım işleri için kullanılan sadece birkaç dakikalık hızlı prize neden olur. Bu tür sistemlerin avantajı, sadece iki bileşenden oluşmasıdır ancak bu karışımlardan OPC’den daha düşük dayanımlar elde edilmesi ve büzülme telafisinin olmaması, kullanımını sınırlamaktadır.
Bölge 3; CAC baskın 3’lü sistem
- Avantaj; Erken dayanım + Hızlı Kuruma + Büzülme Önleme + Alkali Bariyer
Bölge 2’den 3’e dönüşüm, OPC içeriğinin azalmasına ve [CAC + CS*] artışına karşılık gelir; bu, etrenjit ve hidratlanmış alüminin, ana hidrat fazı haline gelmesidir. Bu sistemlerde kalsiyum sülfat genellikle hemi-hidrat (alçı) veya alçıtaşı olarak ilave edilir.
Bölge 2 ile karşılaştırıldığında, Bölge 3’teki sistemlerin etrenjit oluşumu ile ilgili özellikleri önemli ölçüde iyileştirilerek erken yaş yüksek dayanım ve hızlı priz elde edilir.
Bölge 4; OPC baskın 3’lü sistem
- Avantaj; Erken dayanım + Büzülme Önleme
CAC oranının artması ile sistemlerin dayanım gelişimi iki adımda karakterize edilir. İlk 24 saat boyunca meydana gelen ilk adım, esas olarak CAC ve CS*(alçı) hidratasyonundan kaynaklanan ve aynı zamanda kalsiyum iyonlarına katkıda bulunabilen OPC fazları ile ortaya çıkan etrenjitin büyük miktarda çökelmesiyle ilgilidir. Bu karışımlarda nihai dayanım beklentileri net olarak test edilmelidir.
Üçlü sistem hammaddeleri (OPC-CAC-CaSO4) Nelerdir?
Portland çimento: Bu ürün dünya çapında inşaatta en çok kullanılan ve sudan sonra en çok tüketilen malzemedir. Ortak bileşimi esas olarak klinker ve kalsiyum sülfat ile tanımlanır. Klinker, kireçtaşı ve kilin 1450°C’ye kadar olan sıcaklıklarda döner fırınlarda karıştırılması ve pişirilmesiyle oluşturulur ve şu aşamalarla sonuçlanır:
i) Alit (C3S): kütlece %50 ila %70, bu da ilk hidratasyonu belirler. Çimentonun nihai dayanımı için gerekli olan ve yüksek erken dayanımı sağlayan fazdır. Hızlı soğuma gerçekleşmezse C3S bileşikleri C2S ve CaO oluşturacak şekilde geri bozunur, alit oranı azalır.
2Ca3SiO5 + 6H2O → 3CaO.2SiO2 .3H2O + 3Ca(OH)2
ii) Trikalsiyum alüminat (C3A): kütlece %7 ila %11, erken yaşta hidrasyon kinetiğini etkileyen ve kalsiyum sülfat ve Ca(OH)2 varlığına veya yokluğuna göre reaksiyona giren aşırı reaktif fazdır. Suyla reaksiyonu çok hızlı olan bu faz erken donmalara sebep olur. C3A’nın artması erken dayanımları artırır
iii) Belite (C2S): 7 ila 10 gün sonra su ile reaksiyona girer ve ilk günlerde dayanıma katkısı azdır, fakat uzun dönemde alite ile aynı dayanım değerine ulaşır.
iv) Kalsiyum ferroalüminat (C4AF): Çimentoya doğal rengini veren fazdır. Hidratasyon ısısı diğer fazlara göre daha düşüktür
Kalsiyum alüminat çimentosu (CAC): OPC-CAC-CaSO4 üçlü sisteminin miktarındaki ikinci bileşendir. Portland çimentosu sülfat saldırılarına karşı daha dayanıklı olacak şekilde tasarlanmıştır. Ancak yüksek başlangıç mukavemeti ve yüksek asit nötralizasyonu gibi özelliklerinden dolayı da kullanılır. Şu anda bu çimento Türkiye, İspanya, Hollanda, Amerika Birleşik Devletleri, Fransa, Çin gibi ülkelerden ithal edilebilmektedir. Kullanımı, refrakter dökülebilir malzemeler, sert kimyasal saldırı veya aşındırıcı ortamlar ve son kat kaplamalar gibi yapısal olmayan elemanlar gibi uygulamaları içerir. Bu tür uygulamalar için, gerekli özelliğe bağlı olarak CAC, Portland çimento ve kalsiyum sülfat ile birleştirilebilir.
Major fazlar Nelerdir?
CA (Monokalsiyum Alüminat) : CAC içerisindeki en önemli fazdır. Genel olarak klinkerin %50-%55’lik kısmını bu faz oluştur. Üçlü bağlayıcı sistemlerde 24 saatlik dayanımdan sorumludur. Kontrollü genleşme, alkali ve sülfat direnci için alt sınır değeri olmalıdır.
C12A7 – Mayenite : Önemli fazlardan biridir ve priz süresinde ektin rol oynamaktadır. Nemin varlığında ortaya çıkan fazdır. 3’lü bağlayıcı sistemlerde alçı ile etrenjit oluşumundan ve işlenebilirlik süresinden sorumludur. Çok reaktif olduğu için alt ve üst sınır değerleri belirlenmelidir. Çimentoda yüksek miktarlarda var olması kontrolsüz genleşmeye sebep olabilir. İlk hidrate olan malzeme olduğu için erken dönemde (0- 6 saat) hidratasyon ısısının yükselmesine ve yüzey çatlaklarının oluşmasına neden olabilir.
Üçlü sistemlerde Kalsiyum Alüminat Çimentosu Kullanımı
CAC, kimyasal bileşimindeki %40 ila %80 arasında değişebilen yüksek miktarda alümina (Al2O3) nedeniyle Portland çimento ile farklılık gösterir. En yüksek alümina kaliteleri (%70-80), Portland çimento imalatında kullanılanlara benzer şekilde döner fırınlarda saf ham maddelerden, metalurjik alüminadan ve kireçten üretilir. Düşük alümina kaliteleri (%40-60), boksit (tipi ve demir oksit içeriği, gri veya siyah olabilen malzemenin rengini belirler) ve kireçtaşının bir ‘yansıma’ fırınında tamamen füzyonu ile üretilir. Kalsiyum alüminat türleri esas olarak, reaktivitelerinde farklılık gösteren CA2 ,CA ve C12A7 mineralojik bileşenlerine dayanmaktadır. Böylece Al2O3 /CaO oranı ne kadar düşükse su ile etkileşimi ve mukavemeti o kadar fazladır. Buna karşılık, bileşen alümina açısından ne kadar zenginse, refrakterlik daha yüksektir, yani C12A7 < CA < CA2. Böylece yüksek alümina kalsiyum alüminatlar ve dolayısıyla CA2 (ayrışma sıcaklığı: 1750-1765 °C), daha çok refrakter uygulamalarda kullanılırken, su reaktivitesi ve mukavemetinin belirleyici olduğu bina uygulamalarında Al2O3/CaO oranı daha düşük olan çimentolara öncelik verilmelidir. Diğer bir belirleyici faktör, demir içeriğidir, çünkü bu değer ne kadar yüksek olursa, hidrolik reaktivitesi o kadar düşük olur ve demir içeren faz, sülfat anyonlarının mevcudiyeti ile kuvvetli bir şekilde geciktirilir.
Üçlü Sistemlerde Alçı Kullanımı
Üçlü sistemlerde bir diğer önemli konu da kullanılan alçının reaksiyon hızıdır. Bu özellik alçının fiziksel ve kimyasal özellikleri ile doğrudan ilişkilidir. Daha yavaş reaksiyon veren bir alçı kullanımı aşağıdaki etkilere sebep olur:
- Düşük etrenjit içeriği
- Düşük mukavemet
- Düşük hidratasyon derecesi
- Yüksek geçirgenlik
- Düşük hidrat hacmi
Saf alçıtaşının içerisindeki kristal suyunun ağırlık olarak oranı %20,90’dır. Alçıtaşının yapısında bulunan ve ağırlığının %20,90’ını oluşturan iki molekül suyun fiziksel veya kimyasal yöntemlerle, kısmen veya tamamen alınması olayına dehidrasyon denir (Gürdal, 1991). Uygulanan fiziksel yol, genellikle, ısıtılarak sıcaklığın artırılması şeklinde olur.
i- Alçıtaşı 95- 165 °C arası sıcaklıklarda bünyesindeki kristal suyunun %75’ini kaybeder ve ağırlığı %15,68 oranında azalır.
CaSO4 .2H2O CaSO4. l/2 H2O + 3/2H2O (1)
Bu aşamada elde edilen ürün kalsiyum sülfat yarımhidratdır ve alçının ana maddesini oluşturur.
ii- Alçıtaşı 190- 210 °C ısıtılınca içerdiği kristal suyunun tümünü kaybeder ve ağırlığı %20.90 oranında azalır.
CaSO4 . l/2H2O CaSO4 + l/2H2O (2)
Bu aşamada elde edilen ürüne ise Anhidrit III adı verilir.Anhidrit III alçıdan daha az plastiktir ancak uygun şartlarda tekrar suyla birleştiği zaman (rehidrasyon) alçıdan daha yoğun ve dayanımı daha yüksek bir kütle oluşturur. En belirgin özelliği suya karşı çok fazla duyarlı olmasıdır. Eğer izole edilmezse üretildikten hemen sonra havanın içerisindeki nemle reaksiyona girer ve kısa sürede yarımhidrata dönüşür.
Üçlü Sistemler Nerelerde Kullanılır?
Portland Çimento (PC), Kalsiyum Alüminat Çimento esaslı sistemlerin uygulamaları (CAC) ve Kalsiyum Sülfat (CaSO4) genellikle bina alanında iç mekân kullanımlarıyla sınırlıdır. Üçlü bağlayıcıların seçimi, uygulamalara ve hizmet ömrüne göre belirlenir.
Sonuç: Üçlü Sistemlerin Önemi ve Kullanımı
Yapı kimyasalları sektöründe yoğunlukla kullanılan üçlü hidrolik bağlayıcı sistem davranışları da kalsiyum alüminat çimentosunun mineral faz oranlarında büyük oranda etkilenir. Bu karışımlar üçlü sistemde oranlarına göre mekanik ve kimyasal özellik kazanır. Bu bağlayıcıların içinde çok çeşitli elementler var olmasına rağmen hidratasyon reaksiyonları çözelti içerisindeki alüminyum sülfat ve kalsiyum varlığında oluşan etrenjitlere göre şekillenir. Üçlü sistemlerde erken mukavemet ve rötre engelleyici özellik kalsiyum alüminat çimentosu oranına bağlıdır. Etrenjit oluşumunun kontrolü ile donma kinetiği, kristal büyüklükleri, mukavemet özelliklerine doğrudan etkisi vardır ve istenilen değerlere ulaşılması için kontrolü gereklidir.
Kullanılan Kaynaklar:
- A Study On The Development Of Ternary System Concrete Strength Improvıng Durabılıty Of Concrete . Lee, Dong-Oun: International Journal Of Advances İn Mechanical And Civil Engineering.
- Kalsiyum Alüminat Çimentosu: Dikkat Edilmesi Gerekenler
- Lamberet, Séverine. 2014. Durabılıty Of Ternary Bınders Based On Portland Cement, Calcıum Alumınate Cement, And Calcıum Sulfate. Lausanne, Epfl. 2014.
