1

ÇİMENTOLAR

Portland çimentosu, kalker ve kil karışımı

hammaddelerin pişirilmeleri ile ortaya çıkan ve klinker

olarak adlandırılan malzemenin çok az miktarda alçıtaşı

ile birlikte öğütülmesi sonucunda elde edilen bir

üründür.

Su ile birleştirildiğinde hidrolik bağlayıcılık özelliği

kazanmaktadır. Su ile birleştirildiğinde sertleşen ve su

içinde erimeyen bağlayıcıya hidrolik bağlayıcı ismi

verilmektedir. Alçı ve kireç gibi maddeler hidrolik

bağlayıcı değildir.

Portland çimentosu toz halindedir ve tane boyutları 1–

200 mikron arasında değişir.

Portland çimentosunun özgül ağırlığı 3.10–3.15 kadardır.

Torbalanmış halde birim ağırlığı 1.5 ton/m3’tür.

Çimento, su ve agreganın karılmasıyla elde edilen beton,

ilk zamanlarda plastik bir yapıdadır. Birkaç saat

içerisinde katılaşmakta ve daha sonra sertleşmektedir.

Sertleşen beton, zaman ilerledikçe daha da büyük

2

dayanım kazanmaktadır. Bu durum, çimentonun

hidratasyonundan kaynaklanmaktadır. Sertleşmiş

betonda zamanla meydana gelecek olan büzülme ve

sünme deformasyonları, çimento hamurunda yer alan

hacim değişiklikleridir. Bu nedenle, çimentonun ne

miktarda beton içinde kullanıldığı, sadece taze betonun

özelliklerini ve sertleşmiş betonun dayanımını değil aynı

zamanda betonun dayanıklılığını da önemli derecede

etkilemektedir.

Portland çimentosunun tarihi gelişimi

1824 yılında, İngiltere’nin Leeds kentinde Joseph

Aspdin isimli bir duvar ustası, hazırladığı ince taneli

kalker ve kil karışımını pişirdikten sonra öğüterek

çimento üretmiştir. Üretilen çimentonun rengi ve diğer

özellikleri, Leeds kentine yakın olan Portland isimli

küçük bir adadan getirilen doğal yapı taşına benzediği

için adına Portland Çimentosu denmiştir.

Joseph Aspdin’in yapmış olduğu Portland çimentosu

yeterli sıcaklıkta pişirilemediği için bazı aksak tarafları

3

olmuştur. 1845 yılında, Isaac Johnson isimli bir İngiliz

Portland çimentosunun özelliklerini iyi bir pişirmeden

sonra iyileştirmiştir. Bugün dünyanın her tarafında bu

çimentoya Portland çimentosu ismi verilmektedir.

Portland çimentosunun üretimi

Şekil Portland çimentosunun üretimi

4

Portland çimentosu üretebilmek için, önce kalkerli ve

killi malzemelerden oluşan hammadde karışımı yüksek

sıcaklıklarda pişirilerek klinker adı verilen bir ürün elde

edilmektedir. Daha sonra, sıcaklığı çevre sıcaklığına

düşerek azalmış olan klinkere %3–6 arasında alçıtaşı

(CaSO4.2H2O) katılarak bu iki malzeme birlikte

öğütülmektedir. Özetle;

Klinker + (%3–6) Alçıtaşı (öğütme)= Portland çimentosu

Klinker üretiminde kullanılan hammaddeler ve

hammadde karışımının hazırlanması

Klinker üretiminde kullanılan hammaddeler, portland

çimentosu üretiminde kullanılan hammaddelerin önemli

bir kısmını oluşturmaktadır. Bu hammaddeler, kalkerli

ve killi malzemelerdir.

Saf kalkerin yapısının tümünde CaCO3 (kalsiyum

karbonat) bulunmasının yanında, bazen çok az miktarda

MgCO3 (magnezyum karbonat), silika, demir oksit,

alümin, kükürt ve alkaliler yer almaktadır.

5

CaCO3, 900 C’ye kadar pişirildiği takdirde, kalsiyum

oksit (söndürülmemiş kireç) ve karbondioksit olarak

ayrışmaktadır. Şayet kalkerin içerisinde bir miktar

MgCO3 varsa, pişirilme esnasında magnezyum oksit ve

karbondioksit olarak ayrışmaktadır. Bu durumlar

aşağıda gösterilmektedir;

Killi malzemeler esas olarak silika ve alüminden

oluşmaktadır. Kil, yaklaşık 500–600 C sıcaklığa kadar

pişirildiği takdirde, SiO2 (silika) ve Al2O3 (alümin) gibi

oksitlere ayrışmaktadır. Killerde çok küçük miktarlarda

demir oksit ve başka yabancı maddeler de

bulunabilmektedir.

Çimento üretimi için gereken oksitlerin kompozisyonu

kullanılan kalkerli ve killi malzemelerden tam olarak

sağlanamadığı durumlarda, bazen kum ve demir oksit

6

içeren malzemelerde hammadde olarak

kullanılmaktadır.

Pişirilme işlemine tabi tutulacak hammadde karışımında

uygun oranlarda CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 gibi oksitlerin

yer almış olması gerekmektedir. Bu karışımların

hazırlanmasında aşağıda belirtilen bir takım oksit

oranlarının hesaplanmasından yararlanılmaktadır;

Çimentoya gri rengi demir oksit verdiği için, beyaz

çimento üretiminde kullanılacak hammaddede çok az

miktarda demir oksit bulunması gerekmektedir. Böyle

bir karışımdaki demir modülü çok yüksektir.

Pişirilme işlemine tabi tutulacak hammaddelerin

karışımı, çok ince boyutlara getirilmiş kalkerli ve killi

bir karışımdır. Hammadde karışımın hazırlandığı

yönteme göre;

7

� Kuru sistem; Hammadde kuru olarak pişirilir. Bu

işlem ucuzdur. Fakat çok toz açığa çıkar.

� Yaş sistem; Hammaddenin içerisine %35 oranında su

katılır ve çamur durumuna getirilir. Suyu kurutmak için

fazla enerji gerektiğinden, pahalı bir sistemdir. Ancak

toz kontrolü iyidir. Çevre dostu bir sistemdir.

� Yarı kuru sistem; Hammaddenin içerisinde %12-14

arasında su bulunmaktadır.

Son yıllarda çimento üretimi için genellikle kuru sistem

kullanılmaktadır.

Hammaddenin pişirilmesi ve klinker oluşumu

Hammadde döner fırında pişirilmektedir. Fırın, içi boş

ve bir ucu diğer ucuna nispetle daha yüksek olan (eğimi

yaklaşık %3–4 arasında) içi boş bir silindirdir. İç yüzü

ateşe dayanıklı tuğlalarla astarlanmıştır. Çapı 2-6m,

boy/çap oranı 15–30 kadardır. Hammadde karışımının

kuru sistemle hazırlanıp, ön ısıtıcı fırınlarda yaklaşık

900 C sıcaklığa kadar ısıtıldıktan sonra beslendiği

döner fırınlar daha kısadır. Boy/çap oranı yaklaşık

8

olarak 15 civarındadır. Kendi ekseni etrafında saatte

60–180 devir yapabilmektedir.

Fırına girecek hammadde fırının üst ucundan

beslenmektedir. Fırındaki sıcaklık fırının alt ucundan

püskürtülen yakıtla sağlanmaktadır. Yakıt olarak, fuel

oil, doğal gaz veya toz kömür kullanılabilmektedir.

Fırının alt ucu en sıcak kısımdır (yaklaşık 1500 C). Yaş

sistem için kullanılan döner fırınların üst ucu yaklaşık

100 C’dir. Hammaddelerin ön ısıtıcılarla pişirildikten

sonra beslendiği döner fırınların üst ucu yaklaşık 900

C’dir. Hammadde karışımı fırının üst ucundan yavaş

yavaş aşağı doğru hareket etmektedir. Böylece daha

yüksek sıcaklıklarla karşılaşmaktadır.

� Karışımın içinde bulunan kil 500–600 C sıcaklıkta

ayrışarak SiO2 ve Al2O3 gibi oksitlere dönüşmektedir.

� Kalker, 900 C sıcaklıkta CaO ve CO2’ye

dönüşmektedir.

� Sıcaklık etkisi ile hammadde karışımından açığa çıkan

CaO, SiO2, Al2O3 ve Fe2O3 gibi oksitler, sıcaklık

9

arttıkça (yaklaşık 1200 C’de) kendi aralarında kimyasal

reaksiyona başlamaktadır.

� 1250–1300 C sıcaklıkta, hammadde karışımının %20-

30’u sıvılaşmakta ve klinker ismi verilen irili ufaklı katı

tanecikler haline dönüşmektedir.

� Oksitlerin 1200–1400 C sıcaklıktaki kimyasal

reaksiyonları sonucunda ortaya birbirinden farklı

özellikteki ana bileşenler çıkmaktadır.

� Klinkerin yapısı bu ana bileşenlerden oluşmaktadır.

� Döner fırındaki ateşleme bölgesini geçerek daha alt

bölgeye ulaşan malzeme birazcık soğumakta ve fırının

en alt ucundan klinker olarak dışarı çıkmaktadır.

Klinker, gri-siyah renkte, oldukça sert ve boyutları

susam tanesi ile fındık veya ceviz taneleri arasında (1-

25mm) değişen parçacıklardan oluşmaktadır.

10

Şekil Kuru sistemde tipik bir çimento döner fırınında

olaylar ve reaksiyonların şematik gösterimi

11

Oksitler ve ana bileşenler

Oksitler

Portland çimentosunun içerisindeki oksitler ve yaklaşık

miktarları tabloda verilmektedir.

Tablo Oksitler ve miktarları Genel ismi Oksit Sembol Miktarı, % Kireç Silis Alümin Demir Magnezi Alkaliler Kükürt anhidriti

CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 MgO Na2O+K2O SO3

C S A F M

N+K

60–67 17–25 3–8

0.5–6 0.1–4

0.2–1.3 1–3

Çimentolarla ilgili formüllerde yer alan su, kalsiyum

hidroksit, alçıtaşı, karbon dioksit ve kalker gibi bazı

maddelerin çimento kimyasındaki sembolleri aşağıdaki

gibidir;

Su, (H2O) H

Kalsiyum hidroksit, CaOH2 CH

Alçıtaşı, CaSO4.2H2O C H2

Karbon dioksit, CO2

12

Kalker, CaCO3 C

Tabloda yer alan SO3 dışındaki bütün oksitler çimento

klinkerini de oluşturan oksitlerdir. Klinkerin içerisinde

SO3 bulunmamaktadır. Çimentonun içerisinde yer alan

SO3, çimentonun üretimindeki klinkerin yanı sıra

kullanılan alçıdan (CaSO4=CaO.SO3) gelmektedir.

CaO, SiO2, Al2O3 ve Fe2O3 gibi oksitler, çimentonun

ana bileşenlerini oluşturan oksitlerdir.

Çimentonun yapısında yer alan MgO ve alkalilerin

yararlı bir fonksiyonu yoktur. Bunlar hammaddelerde

yer alır. Çimento hamurunda ve betonda genleşmeye

neden olan zararlı etkileri vardır.

Anabileşenler

Hammadde karışımının döner fırında pişirilmesi

sonucunda ortaya çıkan ve klinkerin yapısını oluşturan

anabileşenler tabloda verilmektedir.

Çimentonun yapısını oluşturan anabileşenler,

klinkerdekinin aynısıdır.

13

Tablo Çimentonun ana bileşenleri Anabileşenler Sembol Dikalsiyum silikat, 2CaO.SiO2 Trikalsiyum silikat, 3CaO.SiO2 Trikalsiyum alüminat, 3CaO.Al2O3 Tetrakalsiyum alüminoferrit, 4CaO.Al2O3.Fe2O3

C2S C3S C3A C4AF

Oksitler ve ana bileşenler

Çimento ile su bir araya getirilir getirilmez, her ana

bileşen ile su ayrı ayrı reaksiyona girmekte ve her

anabileşenin reaksiyon hızı, reaksiyon esnasında açığa

çıkan ısı ve reaksiyon sonucunda oluşan ürünün çimento

hamurunun bağlayıcı özelliğine (dayanımına) katkısı

farklı olmaktadır. Tabloda, anabileşenlerin özellikleri

relatif olarak belirtilmektedir.

Tablo Bileşenlerin özellikleri Özellik C3S C2S C3A C4AF Reaksiyon hızı Hidratasyon ısısı Dayanıma katkısı İlk günlerde Sonunda

Orta Orta ------- Yüksek Yüksek

Yavaş Düşük ------- Düşük Yüksek

Hızlı Yüksek -------- Düşük Düşük

Orta Orta ------ Düşük Düşük

14

� Çimento hamurunun kazanacağı nihai dayanım, C3S ve

C2S gibi kalsiyum silikatlı anabileşenlerin hidratasyonu

sonucu oluşmaktadır.

� C2S’nin çimento hamuruna ilk günlerdeki katkısı az,

sonradan daha çoktur.

� C3A’nın çimento hamurunun dayanımına katkısının

hem ilk günler hem de son günler için çok düşük olduğu

belirtilmiştir. Aslında ilk birkaç saat içerisinde

dayanıma katkısı oldukça fazladır.

� Yukarıdaki tabloda, C3A ve C4AF’nin özellikleri

belirtilirken, çimentonun kompozisyonunda bulunan bir

miktar alçıtaşının etkisi de göz önünde tutulmuştur.

C3A ve C4AF’nin su ile birleşmelerinde oluşan kimyasal

reaksiyonlarda alçıtaşı da görev almakta, bu

reaksiyonları yavaşlatmaktadır. Alçıtaşı olmadığı zaman

C3A çok hızlı reaksiyon yapmakta ve dayanımı da katkısı

olmamaktadır. Alçıtaşının etkisi de göz önüne

alındığında çimento hamurundaki anabileşenlerin

15

reaksiyon hızları arasında şöyle bir sıralama

olmaktadır.

Şekil Anabileşenlerin gösterdiği dayanım artışı

Çimentoyu oluşturan anabileşenlerin su ile birleşerek

başlattıkları kimyasal reaksiyonlar açığa ısı çıkaran

türdendir.

Çimentonun hidratasyon ısısı, hidratasyon sonuna kadar

açığa çıkan ısı miktarıdır. Hidratasyon ısısı, kalori/gram

veya joule/gram dır. 1 kalori/gram=4.19 joule/gramdır.

16

Portland çimentosunu oluşturan anabileşenlerin her biri

farklı hidratasyon ısısına sahiptir. Tabloda,

anabileşenlerin hidratasyon ısıları gösterilmektedir.

Tablo Anabileşenlerin hidratasyon ısıları Anabileşen Hidratasyon ısısı, kal/gr

C3S C2S C3A C4AF

120 62 207 100

Portland çimentosunun ortalama ve en yüksek

hidratasyon ısısı değerleri, sırasıyla yaklaşık olarak 100

ve 120 kal/g olarak belirtilmektedir. Aslında bir

çimentonun ne miktarda hidratasyon ısısı açığa

çıkaracağı, çimento hamurunda yer alan anabileşenlerin

miktarlarına ve hidratasyonun ne kadar süreyle yer

almış olmasına bağlıdır. Aşağıda 3 gün ve 1 yıl sonunda

çimento hamurunda açığa çıkan hidratasyon ısılarının

joule/gram cinsiden hesaplanabilmesi gösterilmektedir.

Hidratasyon ısısı (3 gün)=

240(%C3S)+50(%C2S)+880(%C3A)+290(C4AF)

17

Hidratasyon ısısı (1 yıl)=

490(%C3S)+225(%C2S)+1160(%C3A)+375(C4AF)

Barajlarda kullanılan kütle betonlarında hidratasyon

ısısı çok önemli olmaktadır. Betonun sıcaklığı artmakta

ve büzülme meydana gelmektedir. Dış ortamla temasta

olan betonun dış yüzeyi zamanla soğuyarak

büzülmektedir. Ancak sıcaklığını henüz kaybetmeyen iç

kısım böyle davranamamakta ve dış kısmın büzülmesini

önlemeye çalışmaktadır. Böylece betonda farklı

sıcaklıklardan dolayı iç gerilmeler oluşmakta, bunun

sonucunda iç kısımda gerilme yığılmaları ve çatlamalar

oluşmaktadır.

Öte yandan hidratasyon ısısının yüksek olması, soğuk

havalarda dökülen betonlar için bir avantajdır.

Çimentonun anabileşenlerinin miktarlarının değişiklik

göstermesi, değişik özelliklerde portland çimentosu

üretimine olanak tanımaktadır.

Aşağıdaki tabloda anabileşenlerin miktarları

değiştirilerek üretilen çimentolar verilmektedir.

18

Tablo ASTM’ye göre çimento tipleri ve anabileşen miktarları Anabileşenler, % Tip Açıklama

C3S C2S C3A C4AF

I Normal portland çimentosu (Genel amaç için kullanılmakta)

49 25 12 8

II

Değiştirilmiş portland çimentosu (Tip I’e göre daha az hidratasyon ısısına ve daha çok sülfat dayanıklılığına sahip)

46 29 6 12

III İlk dayanımı yüksek portland çimentosu

56 15 12 8

IV Düşük ısılı portland çimentosu (kütle betonlarında kullanılır, hidratasyon ısısı az)

30 46 5 13

V Sülfata dayanıklı portland çimentosu

43 36 4 12

Tabloda görüldüğü gibi, çimento hamurunun kazanacağı

nihai dayanımın C3S ve C2S anabileşenlerinin

hidratasyonu sonucunda elde edildiği ve bu iki

anabileşenin toplamının belirli bir düzeyden daha az

olmaması gerektiği görülmektedir. Bu iki anabileşenin

değerleri toplamı birbirine yakın olurken, değişik tip

çimentolarda bu iki bileşenin değerinin birbirinden

farklı oldukları görülmektedir.

19

Daha önce belirtildiği gibi, C3S’nin çimento hamurundaki

hem ilk günlerdeki hem de nihai dayanıma katkısı

yüksektir. C2S’nin nihai dayanıma katkısı yüksek olmakla

beraber, ilk günlerde azdır. Bu nedenle, Tip III- erken

dayanımı yüksek portland çimentosunun

kompozisyonundaki C3S miktarı, Tip I- normal portland

çimentosunun kompozisyonundaki C3S miktarından daha

yüksektir.

Yine, Tip IV-düşük ısılı portland çimentosunun

kompozisyonundaki C3S miktarı, Tip I-normal portland

çimentosunun kompozisyonundaki C3S miktarından daha

azdır. C3S’nin hidratasyon ısısı, C2S’ninkinden daha

fazladır. Düşük ısılı çimento için C3S miktarı daha az

tutulmakta fakat C2S miktarı daha yüksek olmaktadır.

Oksitler ve anabileşenlerin miktarının bulunması

Oksit miktarlarının tayini ve değerlerin önemi

Oksit miktarları kimyasal analizlerle bulunmaktadır. Bu

konuda TS 687 ve ASTM C 114 standartları

bulunmaktadır. Aşağıdaki tabloda tipik portland

20

çimentosunun kimyasal analizinden elde edilen değerler

verilmektedir.

Tablo Portland çimentosunu tipik analizi Oksitler ve diğer değerler Miktarları, % (ağırlıkça) CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 MgO Na2O K2O Çözünmeyen kalıntı Kızdırma kaybı Serbest CaO Cl-

63.6 20.7 6.0 2.4 2.1 2.6 0.1 0.9 0.2 1.4 1.4

En fazla 0.1

CaO, SiO2, Al2O3 ve Fe2O3 miktarlarının önemi

Oksitlerin ne miktarda çimento içerisinde yer aldıkları,

anabileşenlerin miktarlarını etkilemektedir.

Anabileşenlerin miktarları da, çimentonun bağlayıcılık

kazanma hızını, hidratasyon hızını, hidratasyon ısısı gibi

özellikleri etkilemektedir.

SO3 miktarının önemi

21

Çimentonun çok erken priz yapmasını önlemek için,

çimento üretiminde klinker ve az miktarda alçıtaşı

birlikte öğütülmektedir(CaSO4.2H2O). Yeterli miktarda

kullanılmadığında çimentonun priz süresi kısa olmakta,

çok fazla kullanıldığında ise, çimento hamurunun

genleşip hasar görmesine neden olmaktadır.

CaSO4=CaO.SO3 olarak yer alan kalsiyum sülfatın

yapısındaki CaO, kimyasal analizlerde toplam CaO’nun

bir parçası olarak elde edilmektedir. Kimyasal analiz

yöntemi ile sadece çimentodaki SO3 miktarı tayin

edilebilmektedir.

Ca, S ve O için atom ağırlıkları sırasıyla 40, 32 ve 16

dır. Bu nedenle, CaSO4/SO3=1.7 dir. Yani, kimyasal

analizde bulunan SO3 miktarı (% olarak ağırlığı) 1.7 ile

çarpıldığında çimentoda bulunan CaSO4 miktarı

hesaplanabilmektedir. SO3 değerinin belli bir

miktardan fazla olması istenilmez. ASTM standardında

sınır %3 tür.

22

MgO miktarının önemi

Hammadde olarak kullanılan kalkerde bulunabilecek

MgCO3’ten kaynaklanmakta ve pişirme işlemi sonucunda

açığa çıkmaktadır. Çimento yapısında yer alan MgO,

hidratasyon yaparak sertleşmiş olan çimento

hamurunda önce su ile reaksiyona girerek Mg(OH)2’ye

ve daha sonra havadan alınan CO2 ile MgCO3 haline

dönüşmektedir. MgO’nun su ile reaksiyonu sonucunda

hem ısı açığa çıkmakta hem de hacim genleşmesi

meydana gelmektedir. Çimento içerisindeki MgO,

fırında pişirme işlemi sırasında yüksek sıcaklığa maruz

kalmakta ve çimento hamuru sertleştikten sonra su ile

zamanla reaksiyona girmektedir. Çimento hamuru

içerisinde genleşmeye sebep olup, betonun çatlamasına

sebep olmaktadır. %5’ten fazla olması istenmez.

Na2O ve K2O miktarının önemi

Çimento üretiminde kullanılan hammaddelerde

bulunabilecek olan Na2O ve K2O (alkaliler), üretilen

çimentonun yapısında da yer almaktadırlar.

23

Beton yapımında kullanılan agregalar reaktif silis veya

reaktif karbonat içerdiğinde, alkalilerle agrega

arasında alkali-agrega reaksiyonu olarak adlandırılan

kimyasal olaylar gelişmektedir. Sonuç olarak çok büyük

su emme kapasitesine sahip olan alkali-silika jelleri

oluşmakta ve betonda çok büyük genleşmelere yol

açmaktadır.

ASTM Standartlarına göre, Na2O+ 0.66K2O miktarının

%0.6’dan fazla olmaması tavsiye edilmektedir.

Çözünmeyen kalıntı miktarının tanımı ve önemi

Hidroklorik asit içerisine konulan çimento numunesinin

asit içinde çözünmeyen kısmına çözünmeyen kalıntı

denmektedir ve numune ağırlığının yüzdesi olarak ifade

edilir.

Çimentonun anabileşenleri normal olarak hidroklorik

asit içinde çözünmektedir. Fakat anabileşenlerin döner

fırın içerisinde oluşumu esnasında görev almamış bir

miktar silis mevcut ise, bu silis asit içinde

24

çözünmemekte ve çözünmeyen kalıntı miktarının büyük

bir kısmını oluşturmaktadır.

ASTM standardına göre, %0.75’i geçmemelidir.

Kızdırma kaybının tanımı ve önemi

Ağırlığı önceden bilinen (1±0.05gr) bir çimento

numunesinin çok yüksek sıcaklıkta (975 C) kızdırılması

sonucunda meydana gelen ağırlık kaybına kızdırma kaybı

ismi verilir.

Yüksek sıcaklıkta çimentoyu terk edecek maddeler,

nem ve karbondioksittir.

Çimentonun bünyesinde bulunan nemin önemli bir kısmı

havadan alınmakta ve çimentoyu ön hidratasyona

uğratmaktadır. Böylece, çimentonun bağlayıcılık özelliği

azalmaktadır.

Bir miktar nem de, klinkere katılan alçıtaşından

oluşmaktadır.

Çimentonun içerisindeki serbest CaO ve MgO, havadaki

nem ile birleşerek Ca(OH)2 ve Mg(OH)2 oluşmakta ve

25

havadaki CO2 ile birleştikleri zaman da, CaCO3 ve

MgCO3 oluşmaktadır.

İçerisinde nem veya CaCO3 ve MgCO3 bulunduran

çimento numunesi yüksek sıcaklıkta kızdırıldığı zaman,

nem ve CO2 kaybolmakta ve çimentonun ağırlığında

azalma meydana gelmektedir.

Kızdırma kaybı %3’ü geçmemelidir.

Serbest CaO’nun önemi

Hammaddede bulunan CaO’nun tamamının, çimentonun

anabileşenlerinde görev alması gerekmektedir. Ancak

bazen bir miktar CaO çimento içerisinde yer

alabilmektedir.

Serbest CaO, çimento hamurunun içerisindeki su ile

birleşerek Ca(OH)2 oluşturmakta ve havadaki CO2 ile

birleşerek CaCO3 haline dönüşmektedir. Serbest

CaO’nun, Ca(OH)2 oluşturması esnasında açığa ısı

çıkmakta ve hacim genleşmesi olmaktadır.

Serbest CaO, çok yüksek sıcaklıklara tabi tutulduğu

için, CaO ile su arasındaki reaksiyon hemen

26

başlamamakta, çimento hamuru sertleştikten bir süre

sonra yer almaktadır. Bu durumda, sertleşmiş çimento

hamuru çatlamaktadır. %1’den fazla olamaz.

Cl- miktarının önemi

Klor iyonu, beton içerisindeki çelik çubukların

korozyonunu artıran çok önemli bir faktördür. %1’den

az olması gerekmektedir.

Anabileşenlerin miktarının tayini

Üç yöntemden herhangi birisi kullanılarak tayin edilir;

� X ışını kırılma yöntemi

� Elektron tarama mikroskobu ile

� Hesap yöntemi (Bogue Formülleri)

Bogue denklemleri ile anabileşen miktarı tayini

� Al2O3/Fe2O3 ≥ 0.64 ise; yüzde olarak

C3S=4.071CaO-7.600SiO2-6.718Al2O3-1.430Fe2O3-2.852SO3

C2S=2.876SiO2-0.7544C3S

C3A=2.650Al2O3-1.692Fe2O3

C4AF=3.043Fe2O3

� Al2O3/Fe2O3<0.64 ise; yüzde olarak

27

Bu durumda, çimentonun içeriğinde bir miktar alümino

ferrit katı eriyiği, ss(C4AF+C2F) oluşmaktadır.

%ss(C4AF+C2F)= 2.100Al2O3+1.072Fe2O3

%C3S=4.071CaO-7.600SiO2-4.479Al2O3-2.859Fe2O3-2.852SO3

Bu komposizyondaki çimentolarda, C3A oluşmamakta ve

C2S oranı tayini için yukarıdaki denklem aynen

kullanılmaktadır.

Bu denklemlerin kullanılmasında şu kabuller yapılmıştır;

� Anabileşimlerin oluşumuna yol açan kimyasal

reaksiyonlar denge durumuna gelmiştir ve soğuma

koşulları bu dengeyi değiştirmemektedir.

� Hammaddede bulunan oksitlerin tamamı,

anabileşenlerin oluşumunda yer almaktadır.

� Kalsiyum silikatlı ana bileşenler saf haldedir ve

içerlerinde tali oksitler yer almamaktadır.

Bogue denklemlerinde kullanılan CaO miktarı, toplam

CaO-serbest CaO olarak alınmaktadır.

Katkılı çimentoların anabileşenlerinin bulunmasında

Bogue formülleri kullanılmamaktadır.

28

Portland çimentosunun hidratasyon ürünleri

Çimento su ile birleştirilir birleştirilmez, her ana

bileşen su ile ayrı ayrı reaksiyona girmekte ve

hidratasyon sonunda her anabileşen tarafından değişik

hidratasyon ürünleri oluşmaktadır.

Çimento hamurunun özellikleri, hidratasyon ürünlerinin

çimento hamuru içerisinde ne miktarda yer almış

oldukları tarafından belirlenmektedir.

Çimento ve suyun karılmasıyla elde edilen çimento

hamurunun hacmi, kullanılan çimentonun ve suyun

hacimlerinin toplamına eşittir ve anabileşenlerin

hidratasyonu sonucunda çıkan ürünlerin bu hacim

içerisinde yer aldıkları, yani çimento hamurunun

hacminin değişmediği varsayılacaktır.

C3S ve C2S’nin hidratasyonu ve hidratasyon ürünleri

Bu anabileşenlerin su (H) ile reaksiyonları şöyledir;

2C S+6H C S H +3CH3 3 2 3

2C S+4H C S H +CH2 3 2 3

29

C3S ve C2S’nin bir miktar su ile birleştiğinde ortaya

çıkan hidratasyon ürünleri aynıdır.

Bunlar C3S2H3 ve CH dır.

CH, kalsiyum hidroksittir. (CaO.H2O=Ca(OH)2).

C3S2H3 (yani 3CaO.2SiO2.3H2O), “tobermorit” olarak

adlandırılmaktadır. Bu ismin verilmesinin sebebi,

doğada aynı isimle anılan bir minerale benzediğinden

dolayıdır. Kalsiyum-silikat-hidrat olarak adlandırılır ve

C-S-H jeli olarak ta isimlendirilir. Burada “jel” sözcüğü,

koloidal katı malzeme topluluğunu ifade etmektedir.

C3S ve C2S anabileşenlerinin hidratasyonu sonucunda

oluşan C3S2H3 ve CH miktarları farklıdır.

Ca, O, Si ve H için atom ağırlıklarının sırasıyla 40, 16,

28 ve 1 olduğu göz önüne alınacak olursa, hidratasyon

sonucunda oluşacak ürünlerin miktarları aşağıdaki gibi

belirlenmektedir;

2C S + 6H C S H + 3CH456 108 342 222(100) (24) (75) (49)

3 3 2 3

30

2C S + 4H C S H + CH344 72 342 74(100) (21) (99) (22)

2 3 2 3

Birinci sırada yer alan rakamlar atom ağırlıklarını, ikinci

sırada yer alan rakamlar ise, 100 kısım C3S veya C2S

anabileşenin ağırlık olarak kaç kısım hidratasyon ürünü

meydana getirdiğini belirtmektedir. Buradan görüleceği

gibi, anabileşenlerin hidratasyonları için gereken su

miktarları yaklaşık olarak aynıdır. Ancak C3S

anabileşenin hidratasyonu sonucunda ortaya çıkan CH

(kalsiyum hidroksit) miktarı, C2S anabileşenindeki CH

miktarının iki katından biraz fazladır.

Kalsiyum hidroksitin çimentoya kazandırdığı dayanım

çok fazla değildir. Yani çimento hamurunun kazandığı

dayanım C-S-H jelleri tarafından sağlanmaktadır.

Kalsiyum silikat kısmı çimentoya dayanım

kazandırmaktadır. C-C-H jellerinin özellikleri şunlardır;

� Çimento hamurunun kazandığı dayanım, C-S-H

jellerinin miktarına bağlıdır.

31

� C-S-H jelleri bir anda meydana gelmemekte,

hidratasyon devam ettikçe C-S-H jellerinin üretimi de

devam etmektedir.

� C-S-H jelleri, zayıf kristalli (amorfa yakın) koloidal

boşluklardan oluşmaktadır.

� C-S-H kristalleri tipik olarak 1x0.1x0.01 mikrondan

daha küçüktür.

� C-S-H jellerinin (liflerin) dağılımında herhangi bir

düzen yoktur.

� C-S-H jelleri bir dantel veya dokuma parçası gibi iç

içe büyümüş tarzda yer almaktadır.

� C-S-H jelleri, üzerinde küçük dikenleri olan bir kese

görünümündedir.

� C-S-H jellerinin bir parçası olarak, koloidal tabakaya

absorbe durumda su yer almaktadır.

� Katı koloidal tabakaların arasında çok küçük boyutlu

jel boşlukları bulunmaktadır.

32

Şekil C-S-H fiberleri, uzun çubuklar etrenjit

Şekil C-S-H; CH; uzun çubuklar etrenjit

33

C3A’nın hidratasyonu ve hidratasyon ürünleri

C3A ile su (H) arasındaki reaksiyonlar çok büyük hızda

yer almakta ve kalsiyum-alümino-hidratların oluşmasına

yol açmaktadır.

2C A+21H C AH +C AH3 4 13 2 8

Yukarıdaki kalsiyum-alumino-hidratlar kararlı değildir

ve kısa sürede kararlı formdaki kübik hidrogarnet

(C3AH6) durumuna dönüşmektedir.

C3A ile su arasındaki reaksiyonlar çok büyük miktarda

ısı açığa çıkartacak tarzda ve büyük bir hızla

oluştuğundan, çimento hamurunun ani prizine yol

açmaktadır. Ani priz sonunda çimento hamuru aniden

sertleştiği gibi, dayanıma da önemli bir katkı

sağlamamaktadır.