Kalsiyum alüminat çimentosu gösterdiği performans ve yüksek sıcaklığa karşı olan dayanıklılığı sayesinde refrakter uygulamalarında sıklıkla tercih edilir. Serimizin ilk yazısında refrakter nedir konusunu detaylıca ele almıştık, yazımıza buradan ulaşabilirsiniz. Serimizin devamı niteliğindeki ikinci içeriğimizde ise kalsiyum alüminat çimentosunun refrakter olarak nasıl kullanıldığından bahsetmiştik, bu yazımıza da buradan ulaşabilirsiniz. Serinin son içeriğinde ise kalsiyum alüminat çimentosunun refrakter olarak kullanılması ile ilgili yapılan deneysel çalışmalar ve sonuçları nelerdir kısmını ele alacağız.
Malzemeler ve Deneysel Çalışmalar
Bu çalışmada TS 6271 standardına göre alüminat miktarı %40 olan kalsiyum alüminatlı çimento kullanılmıştır. Kullanılan çimentonun özellikleri aşağıdaki Çizelge 1’de verilmiştir. Harçlarda kullanılan şamot toprağı özellikleri ise yine aşağıda Çizelge 2’de verilmiştir.
Harç Karışımlarının ve Numunelerin Hazırlanması
Mekanik karışım yöntemiyle dökme refrakter harç üretilmiştir;
- Şamot toprağı / Kalsiyum alüminatlı çimento miktarı 3 ve Su/Çimento oranı 1,27 olan karışımlar kullanılmıştır.
- Dökme refrakter harç (castable), su eklemeden önce, homojen bir karışım elde etmek amacıyla kuru olarak 3 dakika karıştırılmıştır.
- Hesaplanan gerekli su yavaş yavaş ilave edilirken, yüzeyde topaklanmanın olmamasına dikkat edilmiştir.
- Su ilavesinin ardından 3 dakika düşük devirde ve 2 dakika yüksek devirde karıştırma yapılarak karışımlar hazırlanmıştır.
- Hazırlanan karışımlar 7x7x7 cm’lik üç gözlü küp kalıplara 3 dakika sarsma tablasında sarsılarak ve aynı zamanda 25 tokmak darbesi ile sıkıştırılarak yerleştirilmiştir.
- Karıştırıcı döküm gereçlerine yakın bulundurulmuş ve karışımda içme suyu kullanılmıştır. Prizlenme süresi 24 saattir.
- Kalıplar 24 saat süre ile % 95 bağıl nem ve 20°C sıcaklıktaki bakım odasında bekletilmiş 24 saat sonunda numuneler kalıptan çıkartılmıştır.
Numuneler Hazırlandıktan Sonra Yapılan Deneyler
Hazırlanan numunelerde ısıl işlemler aşağıdaki adımlar izlenerek yapılmıştır.
- Numuneler sonraki 24 saat %65 bağıl nem ve 20°C sıcaklıkta bekletilmiş bu süre sonunda 110°C sabit sıcaklıkta 24 saat fırınlanmış numune içerisindeki bağlanmayan su uzaklaştırılmıştır ve oda sıcaklığına kadar fırında soğutulmuştur.
- Numuneler tekrar istenilen dereceye kadar ısıtılmış ve fırın içerisinde oda sıcaklığına kadar soğuması beklenmiştir. Bu şekilde 200°C ile başlayıp 100’er derece artırılarak 1300°C’ye kadar çıkılmış böylece 12 farklı deney seti hazırlanmıştır.
- Isıtma süresi toplam 4 saat olup, hedeflenen sıcaklıkta kalma süresi 3 saat hedeflenen sıcaklığa çıkış süresi ise 1 saat olarak belirlenmiştir.
Isıl işlemden sonra küp numuneler üzerinde Arşimet deneyi yapılarak hacim değişimleri bulunmuş ve kaydedilmiştir. Ayrıca, hazırlanan deney setlerinden 3’er adet (7x7x7) cm küp numuneler üzerinde basınç deneyleri yapılmıştır. 3’er adet (7x7x7) cm küp numuneler üzerinde aşınma ile ilgili parametrelere bakılmıştır.
Deney Sonuçları
Deney sonuçlarından yüksek sıcaklığın kalsiyum alüminatlı çimento kullanılarak üretilen harç numuneler üzerinde basınç dayanımı, ultrasonik hız geçişi ve aşınma kayıplarında önemli değişikliklere neden olduğu görülmüştür.
Hacim değişimi sonuçlarına göre 200 ve 300°C numunelerin hacim kaybının %1 mertebesinde çok düşük olduğu görülmüştür. Şekil 1’de ısıl işlem sonrası hacim kayıpları grafiği verilmiştir. Isıl işlem sonrası hacim değişimini daha iyi gözlemleyebilmek için numunelerin ısıtılmadan önceki hacmi 1 olarak alınmıştır.
CAC ile üretilen harç numuneleri üzerinde uygulanan basınç deneyi sonuçlarına göre 200 ve 300°C ısıl işlem sıcaklıkları hariç ısıl işlem uygulanan tüm numuneler referans numunelere göre daya iyi sonuç vermiştir. Şekil 2’de ısıl işlem öncesi ve sonrası basınç dayanım grafiği verilmiştir.
Basınç dayanımı açısından 400°C’den sonra referans numunelere göre artışlar daha belirgin hale gelmeye başlamıştır. 900°C’de ısıl işleme tabi tutulmuş numunelerdeki basınç dayanımlarında referans numunelere göre %100 seviyelerine ulaştığı görülmüştür. 900°C’den sonra basınç dayanımının tekrar düşmeye başladığı ancak referans numunelerin yine de altına hiç düşmediği görülmüştür.
Ayrıca, bu çalışma kapsamında yapılan deneyler sonucunda kalsiyum alüminatlı çimento ile üretilen numunelerde pişme kısalması olduğu görüldü. Bu kısalma diğer refrakterlerde görülen genleşme probleminin burada ortaya çıkmadığını kanıtladı. Yüksek sıcaklıklara çıkıldıkça kristal bağlı suyun atılması sonucu numunelerin boşluklu bir yapı halini aldığı gözlemlenmiştir. Bu sebeple de sıcaklık arttıkça, aşınma oranları artmaktadır diyebiliriz.
Deney sonuçları doğrultusunda;
Bu çalışmada kullanılan şamot kumu ile kalsiyum alüminat çimentosu birleşimine alternatif olarak farklı özelliklerde refrakter kumları kullanılarak harçlar üretilebileceği görülmüştür. Ayrıca, harç deneylerini takiben refrakter beton üretimi için farklı oranlarda alüminatlı çimento kullanarak numuneler de üretilebilir.
Kalsiyum Alüminat Çimentosu Nasıl ve Neden Refrakter Olarak Kullanılır?
Serinin önceki içeriklerinde refrakter nedir ve kalsiyum alüminat çimentosu refrakter olarak nasıl kullanılır başlıklarını ele almıştık. Kalsiyum alüminat çimentosunun refrakter olarak kullanılması konusunda yapılan deneysel çalışmalarda kil yerine boksit ve kireçtaşı karışımının sinterleştirilmesi veya eritilmesiyle imal edilen özel bir çimento olan kalsiyum alüminatlı çimentonun (CAC) refrakter olarak kullanımı araştırılmıştır. Kalsiyum alüminat çimentosu hakkında daha detaylı bilgiye erişmek için bu içeriğimize göz atabilirsiniz. CAC ve şamot toprağı ile oda sıcaklığında üretilen harçlarla hazırlanan kübik numunelerin mekanik davranışları 100°C ile 1200°C arasında 100°C derecelik artışlardaki sıcaklıklarda yapılan deneylerle belirlenmiştir. Numunelerin maruz kaldığı her sıcaklık aralığındaki hacim ve basınç dayanımı değerleri ölçülmüştür. Ölçülen değerlerin sıcaklık karşısındaki değişimleri belirlenmiştir. Laboratuvarda bekletilen referans numunelerle deney esnasında hazırlanan numunelerin sonuçları karşılaştırılmıştır. Bu deneyler kapsamında elde edilen bulgular ışığında; kalsiyum aluminatlı çimento kullanılarak üretilen betonların ısıl dayanımları tartışılmış olup refrakter olarak kullanılabileceği sonucu elde edilmiştir.
Sık Sorulan Sorular
Kalsiyum alüminat çimentosunu Portland çimentosundan ayıran özellik nedir?
İki çimentoyu birbirinden ayıran başlıca özellik, hidratasyon sonucunda ortaya çıkan reaksiyon ürünlerinin farklı olmasıdır. Bu fark, çimentonun priz alma ve dayanım kazanma davranışını etkiler. Kalsiyum alüminat çimentosu, Portland çimentosuna göre çok daha hızlı priz alır ve dayanım kazanır. Yüksek erken dayanımının yanında asit ve yüksek sıcaklık gibi etkilere karşı da dayanıklıdır.
Kalsiyum alüminat çimentosu refrakter olarak neden kullanılır?
Alümina (Al2O3) miktarı %40-80 olan alüminatlı çimento, alüminanın yüksek sıcaklıklara karşı dayanıklılığı nedeniyle refrakter uygulamalarda kullanılır. Kalsiyum alüminat çimentosu, içeriğindeki alümina oranına bağlı yüksek sıcaklık dayanımı ile refrakter uygulamasında uzun ömürlü ve zor şartlara dayanan ürünler elde edilmesine olanak tanır. Portland çimentolarının performansının yetmediği alanlarda tercih edilir.
Kalsiyum alüminat çimentosu ne zaman bulundu?
Kalsiyum alüminat, 1876’da Vicat tarafından bulundu. Çimento olarak ise 1913’te betonda sülfat etkisini azaltmak için üretilmeye başlandı. Sonraki yıllarda alümina miktarı %40-80 olan alüminatlı çimento, refrakter uygulamalarda kullanılmaya başlanmıştır.
Portland çimentolu tamir harcına kalsiyum alüminat ilavesi ne sağlar?
Deneysel çalışmalara göre kalsiyum alüminat ikamesi ile priz süreleri kısaltılabilir ve dayanım kazanma hızı artırılır. Bu sayede hızlı sertleşen ve yüksek performanslı ileri tamir harçları elde edilebilir. Kalsiyum alüminat çimentosunun asit etkisine karşı davranışı ve aşınmaya karşı performansı iyidir; termal sarsıntı direnci üzerine yapılan deneyler birçok uygulamada daha ekonomik olabileceğini gösterir.
Refrakter malzemelerde aşınma mekanizması nasıl işler?
Çimento hammadde, ürün ya da yan ürünleri, astar olarak kullanılan refrakter malzemenin mikro gözeneklerinden içeri nüfuz eder ve belli bir konsantrasyona ulaşır. Konsantrasyon ergime noktasına geldiğinde üst kesitte erime başlar; ergiyen fazın aşağıya süzülmesiyle camlaşma oluşur ve kırılgan hale gelen kesit koparak astardan ayrılır. Gözenekliliğin (görünür porozite) düşük tutulması bu aşınmayı azaltır.
Kullanılan Kaynaklar:
- Chotard T., Gimet-Breart N., Smith A., Fargeot D., Bonnet J.P., Gault C. ‘‘Application of ultrasonic testing to describe the hydration of calcium aluminate cement at the early age’’ Cement and Concrete Research, Vol.30,pp.405,412, 2001
- Yeprem H.A., ‘‘Yerli Boksitlerin Dökülebilir Refrakterlerde Dolgu Malzemesi Olarak Kullanılması’’ Metalurji Dergisi,Yıl.17, Sayı 135,pp. 49-54, 2003.
