Klinkerin ek çimentolu malzemeler (SCM) yerine kullanılmasının yaygın olarak bilinen nedenleri vardır. Bununla birlikte, tanecikli yüksek fırın cürufu, doğal puzolanlar, nitelikli uçucu kül ve diğer SCM'ler sınırlı şekilde bulunabilir. Dünya klinker üretiminin toplam potansiyel değişimi ise %30'dan azdır. Kireçtaşı, Portland-Kireçtaşı çimentolarında bileşen olarak gitgide daha fazla kullanılmaktadır: Sika, öğütmeyi iyileştirmek ve performansı artırmak için kullanılan bir katkı maddesi sunmaktadır.
Kireçtaşı, aşağıda belirtilen avantajları sayesinde ek çimentolu bir malzeme (SCM) olarak giderek daha fazla tanınmaktadır:
- Uygun maliyet
- Erişim kolaylığı
- Kısa nakliye mesafesi
- Sınırsız raf ömrü
- Açık hava maruziyetinden etkilenmeme
- İyi derecede öğütülebilirlik
Daha fazla bilgi edinebileceğiniz konular:
Standartlar
Birçok Avrupa ülkesinde (örneğin, İtalya, Fransa, İsviçre) Portland kalkerli çimento (PLC) yaygın şekilde kabul edilmiş ve %60'ın oldukça üzerinde bir pazar payına ulaşmıştır.
Bu gelişmeyle birlikte iki sonuç ortaya çıkmıştır:
- Kireçtaşının yerel olarak erişilebilirliği ve düşük oranlarda diğer SCM'ler;
- Aşağıda belirtilen hususları içeren EN 197-1 Avrupa çimento standardı:
%20'ye kadar kireçtaşı içeriğine izin veren CEM II/A-LL
%35'e kadar kireçtaşı içeriğine izin veren CEM II/B-LL
%20'ye kadar kireçtaşı içeriğine izin veren CEM II / A-M
%35'e kadar kireçtaşı içeriğine izin veren CEM II / B-M
%20'ye kadar kireçtaşı içeriğine izin veren CEM II / C-M (S-LL)
%20'ye kadar kireçtaşı içeriğine izin veren CEM II / C-M (P-LL)
%20'ye kadar kireçtaşı içeriğine izin veren CEM II / C-M (V-LL)
%20'ye kadar kireçtaşı içeriğine izin veren CEM VI / (S-LL)
Günümüzde bu çimentolar yalnızca alt beton sınıflarının üretimi için kullanılmamakta, aynı zamanda EN 206-1'e göre birçok maruziyet sınıfının betonu için akredite edilebilmektedir. Sınırlar genellikle pazarlama politikası, gelenek veya özel uygulamalara göre belirlenir.
Araştırma verilerinin kapsamlı bir incelemesinden sonra ve Avrupa ve Kanada deneyimlerine dayanarak, standart Komite ASTM C595'i revize etmiş ve 2012'de %15'e kadar kireçtaşı içeriğine sahip IL çimento tipini çıkarmıştır. Portland kireçtaşı çimentosunun (%15 kireçtaşı içeren) Sıradan Portland Çimentosuna eşdeğer beton mukavemeti ve dayanıklılığı sağladığı bulunmuştur.
Mekanik Mukavemet
Portland çimentosunun (PC) mekanik mukavemeti, klinker ve kireçtaşının inceliği hesaba katılmadan Portland-kireçtaşı çimentosu ile karşılaştırılamaz. Bir PC'nin aynı özgül yüzeye (Blaine) sahip, aynı elek tutma derecesine sahip veya aynı parçacık büyüklüğü dağılımına sahip bir PLC ile karşılaştırılması doğru mudur?
Aynı parçacık büyüklüğü dağılımına (PSD) sahip Portland çimentosu ve Portland-kireçtaşı çimentosu üretmek mümkün olsa dahi, lazer yönteminin, tüm parçacıkların hem öğütülmüş kireçtaşının hem de klinkerin aksine küresel bir şekle sahip olduğu varsayımına dayandığı dikkate alınmalıdır.
Kireçtaşının öğütülmesi klinkere göre çok daha kolay olduğundan dolayı, ince kireçtaşı parçacıkları, klinkerden daha az mevcut olduğu PSD segmentini zenginleştirir.1,4 Bundan dolayı, dolgu etkisi (yoğun parçacık paketi), çözünmüş hidratların daha yüksek yüzeyde daha hızlı çökelmesi ve diğer etkiler, PLC'nin mekanik mukavemetini sınırlı bir kireçtaşı içeriğine kadar artırabilir. Bu sınır, içeriğin niteliğine ve daha başka parametrelere bağlıdır: Güvenli tarafta %5'lik bir ilave.2
Pratikte,Portland-kireçtaşı çimentosu Portland çimentosuna göre daha ileri derece bir incelikte öğütülür. %1'lik kireçtaşı ilavesinden kaynaklanan mukavemet azalmasını karşılamak için Blaine'nin 100cm2/g aralığında artması gereklidir.
3 Değirmen tipi ve işlem sistemi bu hususta önemli bir rol oynar. Klasik bilyalı değirmenlerde (kapalı sistem) birlikte öğütme, genellikle faydalı olarak kabul edilen geniş bir PSD sağlar (örneğin, işlenebilirlik ile ilgili). Bununla birlikte, belirli bir sınırın üzerinde incelikte kireçtaşı, suyun aşırı derecede yüzeyde tutunumuna yol açar ve ayrı öğütme işlemi (bilyalı değirmen ve karıştırma ekipmanı) tercih edilir.
4 Dik Valsli Değirmen (VRM) ile PLC üretimi avantajlıdır. Biri VRM ile ve diğeri bir bilyalı değirmen ile öğütülen iki tip çimentonun (CEM II/A-LL 42.5) karşılaştırılmasından, VRM performansının daha iyi olduğu sonucu çıkmaktadır.İncelik parametreleri, VRM'nin açık şekilde 'aşırı öğütülmüş' klinker olmaksızın daha ince klinker üretebildiğini göstermektedir.
Karşılaştırmanın tamamıyla doğru olmadığı aşikârdır. Çünkü klinker, alçıtaşı ve kireçtaşı farklı bir kökene sahiptir. Ancak, her iki çimento da %17-18 oranında aynı kireçtaşı içeriğine sahiptir.
Şekil 1a: Aynı kireçtaşı içeriğine sahip ve iki farklı tip değirmende öğütülmüş 2
PLC'nin parçacık büyüklüğü dağılımı.
Şekil 1a'da her iki PSD grafiği, kireçtaşından gelen tipik 'omuz' değerini (1-10μm aralığı) göstermektedir. Bilyalı değirmendeki öğütülen klinker, VRM'deki klinkerden net bir şekilde daha az öğütülmüş olup, daha az mekanik mukavemete sahip olacaktır.VRM'nin klinkeri daha ileri bir derecede öğütmesine rağmen, kireçtaşının inceliği oransal olarak artmamaktadır.
Şekil 1b: Aynı kireçtaşı içeriğine sahip iki tür çimentonun incelik parametreleri.
| Numune | 1 | 2 |
|---|---|---|
| Değirmen türü | Bilyalı değirmen, kapalı sistem | Dik valsli değirmen |
| Kireçtaşı (%) | 17.9 | 17.4 |
| RRSB'deki x’ (μm) | 24.6 | 17.0 |
| RRSB'deki n (μm) | 0.87 | 0.94 |
| d90 (μm) | 57.7 | 38.8 |
| d98 (μm) | 89.0 | 56.4 |
| Yoğunluk (kg/dm3) | 2.98 | 2.96 |
| A spec Blaine (cm2/g) | 3610 | 4675 |
| 32μm'lik elekte tutulma (%) | 20.9 | 4.5 |
Şekil 1b'de aynı kireçtaşı içeriğine sahip iki tür çimentonun incelik parametreleri gösterilmektedir. Parçacık büyüklüğü dağılımı, elek kalıntısı gibi, yüksek derecede inceliğin yalnızca kireçtaşından değil, aynı zamanda iyi öğütülmüş klinkerden kaynaklandığını açıkça göstermektedir.
Mukavemet Artırıcı
Tri-izopropanolamin (TIPA) gibi alkanolamin bazlı mukavemet artırıcılar PLC'de yaygın olarak kullanılmaktadır. TIPA'nın etkisi C4AF'ın çözünmesini arttıran ve böylece alit yüzey alanını artıran demir şelasyon işleminden gelir. Karbon alüminatların oluşumunun artışı ve minerallerin öğütülebilirliğinin etkisi dâhil olmak üzere farklı mekanizmalar ele alınmaktadır.5
Mukavemet artırıcıların performansı yalnızca klinker ve çimento kompozisyonuna değil, aynı zamanda çimentonun inceliğine de bağlıdır. İnceliğin iki alkanolamin (A ve B) üzerindeki etkisi, laboratuvarda Sika Technology AG bilyalı değirmeniyle öğütülmüş olan iki farklı Portland çimentosuyla test edilmiştir (Bkz. Şekil 2).
Şekil 2: Altı numune üzerinde çimento inceliği işlevinde iki mukavemet artırıcının (A ve B) performansı.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A spec Laser (cm2/g) | 2430 | 2630 | 3520 | 3890 | 4110 | 4560 |
| x’ (μm) in RRSB | 33.2 | 29.7 | 22.6 | 20.1 | 18.9 | 18.8 |
| BET (cm2/g) | 7340 | 8920 | 9920 | 12110 | 13650 | 18720 |
İşlenebilirlik
Basınç mukavemeti gibi, betonun işlenebilirliği (çökme veya yayılma tablası yayımı olarak ölçülür) ince öğütülmüş kireçtaşından olumlu şekilde etkilenir. PLC'de genellikle kusma sorunu yaşanmaz. İşlenebilirliği olumsuz yönde etkilemeyen maksimum kireçtaşı içeriği, malzemelerin niteliğine ve klinker ile kireçtaşının parçacık büyüklüğü dağılımına bağlıdır. Genel olarak, %15'e kadar kireçtaşı kullanımı, beton ve harcın işlenebilirliğini artırabilir (Bkz. Şekil 3).
Şekil 3: Sabit su/çimento oranı ve sabit basınç mukavemetinde kireçtaşı içeriğinin betonun (EN 196-1) işlenebilirliği üzerindeki etkisi.
| Klinker (%) | 86.5 | 81.5 | 75.0 |
|---|---|---|---|
| Kireçtaşı (%) | 9.0 | 14.0 | 21.0 |
| Alçı (%) | 4.5 | 4.5 | 4.0 |
| SikaGrind-840 (%) | 0.035 | 0.035 | 0.035 |
| A spec Blaine (cm2/g) | 3160 | 3710 | 4210 |
| 32μm'lik elekte tutulum (%) | 32.1 | 27.2 | 19.1 |
| RRSB'de x’ (μm) | 35.6 | 28.1 | 22.1 |
| Yayılma tablası yayımı, 0’ (mm) | 194 | 203 | 196 |
| Yayılma tablası yayımı, 30’ (mm) | 185 | 192 | 185 |
| Yayılma tablası yayımı, 60’ (mm) | 168 | 177 | 173 |
| Basınç mukavemeti, 2 gün (MPa) | 22.5 | 23.0 | 23.1 |
| Basınç mukavemeti, 28 gün (MPa) | 47.5 | 47.9 | 47.4 |
Daha ileri seviyelerde kireçtaşı ilavesi, mukavemet kaybını telafi etmek için büyük bir özgül yüzey alanı gerektirir. Mukavemet artırıcılar, mekanik mukavemet ve işlenebilirlik arasındaki zorluğu bir dereceye kadar azaltabilir. Bir süper akışkanlaştırıcı ile birlikte mukavemet artırıcıların kullanılması bir diğer husustur.
Değirmen ortam koşullarına direnç gösteren ve alkali koşullarda depolamaya rağmen akışkanlaştırıcı etkiyi sürdüren süper akışkanlaştırıcıların kullanımına Sika öncülük etmiştir.6 Günümüzde bu yaklaşım, pratikte Portland-kireçtaşı çimentolarının üretimi için tanınmakta ve giderek daha fazla uygulanmaktadır (Bkz. Şekil 4).
Şekil 4: İşlenebilirlik, piyasanın yeni çimentoları kabul etmesi için başlıca
özelliktir. Çimento katkı maddesindeki PCE ile düşük derecede çökme elde
edilebilir.
Toz Akış Özellikleri
İnce kireçtaşı parçacıkları arasındaki çekimden dolayı Portland-kireçtaşı çimentosunun yüksek yapışkanlık dayanımına eğilimli olduğu iyi bilinen bir husustur. Bu durum, katı maddelerin atıl bölgeler oluşturabilmesinden dolayı kamyon ve siloların boşaltımını engelleyebilir.
Çimentonun akış özelliklerini ölçmek için, akma açısı, yığın yoğunluğunun karşılaştırılması veya paket seti yöntemi7 gibi birçok ampirik test yöntemi geliştirilmiştir. Paket seti endeksi, titreşime bağlı konsolidasyonu karşılayabilmek için gereken kuvveti kontrol etmek için sayısal bir değer sağlar. Test, çimento üretimi sırasında rutin kontrol için bir yardımcı unsur olup, şartname gereklilikleri için uygun değildir. Paket seti endeksi ne kadar yüksek olursa, toz akışkanlığı o kadar düşük olur.
PLC özellikleri, açıkça tanımlanmış fiziksel özellikleri ölçen bir test cihazı vasıtasıyla elde edilir. Dairesel kesme test cihazı8, yeni çimentoların geliştirilmesi ve siloların tasarımı için faydalı olan akış özelliklerinin tanımlı ölçümlerini temin eder. Dairesel kesme testinde, çimento numunesi dairesel bir kesme hücresinde bulunur (Bkz. Şekil 5). Dikey yük FN, kapaktaki ince besleme çubuğu vasıtasıyla uygulanır. Numuneyi kesmek için, hücre kapağa göre döner (ω yönünde) ve kesme işlemi için gerekli tork, bir yük kirişine sabitlenmiş çubuklara etki eden F1 ve F2 kuvvetlerinden tespit edilir.
Şekil 5: Dairesel kesme test cihazının kesme hücresi, bir Schulze dairesel kesme
test aleti XSMr.
Dairesel kesme test cihazının kesme hücresi, bir Schulze dairesel kesme test aleti XSMr.Konsolidasyon geriliminin serbest akma mukavemetine oranı, akışkanlığı sayısal olarak nitelendirmek için kullanılır. Akışkanlık sayısı (FFC) ne kadar büyük olursa, toz akışkanlığı da o kadar büyük olur.
PLC'nin toz akışkanlığını, yeni bir formülasyonun bir parçası olarak polikarboksilat eter (PCE) içeren çimento katkı maddeleri ile düzenlemek kesinlikle mümkündür (Şekil 6). Doğru dozajın uygulanmasına özen gösterilmelidir. PCE'ler çok güçlü dağıtıcı maddeler olduğundan dolayı tozun akışkanlığı çok yüksek olabilir ve olumsuz sonuçlar doğurabilir (örneğin, çimentonun eğimli kayışlar üzerinde taşınması gerektiğinde). Öğütme istasyonundaki toz yükü veya filtre torbalarının kapasitesi ise bir başka sınırlayıcı faktör olabilir. SikaGrind'in formülasyonundaki PCE içeriği, akış özelliklerini optimize etmek için isteğe göre uyarlanabilir.
Şekil 6: SikaGrind-870 (PCE içerikli mukavemet artırıcı), çimentonun akış özelliklerini artırır. Çimento numuneleri, sabit öğütme süreli bir laboratuvar değirmeninde hazırlanmış olup, SikaGrind kullanımıyla incelikleri de artırılmıştır.
| Sample N° | 1 | 2 | 3 | 4 |
|---|---|---|---|---|
| Clinker (%) | 100.0 | 80.0 | 100.0 | 80.0 |
| Limestone (%) | 0.0 | 20.0 | 0.0 | 20.0 |
| SikaGrind-870 (%) | 0.00 | 0.00 | 0.03 | 0.03 |
| A spec Blaine (cm2/g) | 2515 | 3295 | 2670 | 3575 |
| Retention on 32μm sieve (%) | 32.0 | 35.6 | 30.3 | 30.9 |
| x’ in RRSB (μm) | 31.1 | 26.1 | 30.3 | 29.5 |
| Powder Flow, ring shear, FFC | 2.00 | 1.32 | 2.30 | 1.80 |
| Pack-set index | 9 | 101 | 4 | 15 |
Dayanıklılık
Çimento türü, takviyeli ve takviyesiz şekilde betonun dayanıklılığını etkileyebilir. Başlıca hususlar, çevresel etkiler ve alkali-silika reaksiyonudur. Çevresel etkiler, EN 206-1'e göre aşağıdaki şekilde maruziyet sınıflarına ayrılmıştır:
XC: Karbonasyon kaynaklı korozyon;
XS: Klorür kaynaklı korozyon (deniz suyu);
XD: Klorür kaynaklı korozyon (buz çözme);
XF: Donma-çözülme etkisi;
XA: Agresif kimyasal ortamlar (örneğin Sülfat).
CEM II/A-LL, XA hariç tüm maruziyet sınıfları için birçok Avrupa ülkesinde kullanılmaktadır.9 CEM II/B-LL yükselişte olup, günden güne daha fazla çimento üreticisi bu çimento sınıfı için XA hariç tüm maruziyet sınıflarında onay almaktadır.
Katkılı Hidrolik Çimentolara ilişkin Standart Şartnameye karşılık gelen ASTM C595/C595M-15, IL Tip çimentosuna yalnızca orta (MS) veya yüksek (HS) sülfat dirençli çimento olarak izin verilmemektedir.
Alman çimento üreticileri birliği, parçacık büyüklüğü dağılımının kireçtaşı içeren çimentoların özellikleri ve bunları kullanarak üretilen betonlar üzerindeki etkilerini belirlemek amacıyla bir araştırma projesi başlatmıştır10, 11:
Bir çimento tesisi, bir bilyalı değirmende aynı bileşenlere sahip dört PLC'yi birlikte öğütme yöntemiyle üretmiştir. Çimentoların tümü %30'luk kireçtaşı içeriğine sahiptir. Değirmen ve ayırıcı parametreleri, farklı çimento yüzeyleri üretmek üzere ayarlanmıştır (Blaine). CEN/TS 12390-9'a göre donma-çözülme testine tabi tutulan küpleri üretmek için özdeş bir beton karışımı (çimento = 300kg/m3, su/çimento = 0,60) kullanılmıştır. Standardın gerekliliğini yerine getirebilmek için, 100 döngü sonrasında betonun ağırlık olarak %10'dan daha az bir kaybı olması gereklidir. Blaine'ye göre 1 ve 2 numaralı çimentoların kayda değer ölçüde daha fazla yüzey alanına sahip olmasına rağmen bu gerekliliğe uymamışlar; öte yandan 4 numaralı çimento, daha düşük Blaine ile hedefi tutturmuştur.
Sonuç:
Ölçeklendirme seviyesi Blaine'ye uymamakla birlikte, klinker ve kireçtaşının parçacık büyüklüğü dağılımı esastır.
SikaGrind'in dayanıklılığa katkıları nelerdir?
PLC için özel yapım SikaGrind, yüksek derecede verimli bir öğütme yardımcı maddesidir. Kireçtaşının topaklanma eğilimi SikaGrind tarafından son derece iyi bir şekilde azaltılır ve bu sayede çok ince parçacıklar segmentindeki kireçtaşının payı azalır; ancak klinkerin inceliği artar. Bu şekilde SikaGrind, oyuk korozyonunu önlemek için önemli bir faktör olan gözenekliliği ve klorür difüzyonunu azaltmaya yardımcı olur. Ayrıca, PLC için SikaGrind performans arttırıcı, betonun işlenebilirlik özelliğini iyileştirir (örneğin, betonda segregasyonu önlediği için dayanıklılık üzerinde daha olumlu bir etki yaratır).
Şekil 7: Farklı PSD'li PLC'nin donma-çözülme direnci. Blaine, belirleyici faktör
değildir.
Şekil 8: CEM II/A-LL 32.5R. %6'lık klinker içeriğinin azaltılması.
SikaGrind LS Yaklaşımı
SikaGrind LS'nin stratejisi, mantıken gerekli olduğu sürece mukavemet artırıcılarla mukavemet kaybını önlemek ve yüzey alanını ekstradan artırmaktır. Daha büyük yüzeyin verimlilik, toz akışkanlığı veya işlenebilirlik üzerindeki olası etkileri, SikaGrind LS tarafından azaltılır.
Sonuçlar
Araştırmanın pratik deneyimi ve sonuçları, mevcut Portland-kireçtaşı çimentosu eğilimiyle aynı doğrultudadır. Ekolojik ve ekonomik hususlar, kireçtaşını en ilginç yardımcı çimentolu malzeme haline getirmiştir. Belirli bir kireçtaşı içeriğinde, olumlu etkisi tersine dönerek, mekanik mukavemet, çimento toz akışkanlığı ve bunun yanı sıra betonun dayanıklılığı ve işlenebilirliği gibi faktörler olumsuz olarak etkilenir.
Çimento katkı maddeleri, bu sorunların üstesinden gelmeye yardımcı olabilir; ancak mukavemet artırıcıların faydaları sınırlıdır. SikaGrind LS gibi performans iyileştiriciler, çimento özellikleri ve çimento üretimi üzerindeki etkilerinden dolayı PLC'deki kireçtaşı içeriğini artırabilirler.
Referanslar
- Locher, F.W.: Zement. Grundlagen der Herstellung und Verwendung, Verlag Bau+Technik, Düsseldorf, 2000, pp. 107.
- Harrison, A.: Limestone as MAC, International cement review, January 2013, p. 65.
- Tennis, P.D.; Thomas, M.D.A.; and Weiss, W.J.: State-of-the-art report on use of limestone in cements at levels of up to 15%, SN3148, Portland Cement Association, Skokie, Illinois, 2014, pp. 27-33.
- De Weerdt, K.: Separate grinding versus intergrinding - State of the art, SINTEF-report SBF BK AO7022, Trondheim, 2007, pp. 12-13.
- Engelsen, C.J.: Quality improvers in cement making - state of the art, COIN-report 2, SINTEF Building and infrastructure, Oslo, 2008, p. 14.
- Schrabback, J.M.: Additives for a challenging cement market, World Cement, October 2009, pp 75-78.
- ASTM C1565, Standard test method for determination of pack-set index of portland cement.
- Schulze, C.: Flow properties of powders and bulk solids, Wolfenbüttel, 2011, www.dietmar-schulze.de.
- Swiss society of engineers and architects: Register der frei gegebenen Zemente und Kombination von Zementen und Zusatzstoffen, Zürich, 2015.
- Verein Deutscher Zementwerke: VDZ-Tätigkeitsbericht 2009-2012, Düsseldorf, 2012, p 89.
- Verein Deutscher Zementwerke: VDZ-Activity Report 2012-2015, Düsseldorf, 2015, pp 136-139.
Makaleyi Bilgisayarınıza İndirin
Yazar
Matthias Dietrich
Kurumsal Ürün Mühendisi: Çimento Katkıları
Beton Katkıları Hedef Pazarı
Sika Services AG