Transcript Puzolanlar - Yüzüncü Yıl Üniversitesi

Yüzüncü Yıl Üniversitesi
Mühendislik-Mimarlık Fakültesi
İnşaat Mühendisliği Bölümü
YAPI MALZEMESİ
DERS 4
PUZOLANLAR
YRD. DOÇ. DR. BARIŞ ERDİL
K A Y N A K : ODTÜ İNŞAAT MÜH. CE244 DERS NOTLARI VE TURHAN ERDOĞAN “BETON” KİTABI
PUZOLANİK MALZEME
Puzolan ismi İtalya’daki Vezüv
yanardağının eteklerinde bulunan
“Pozzuoli” isimli kasabanın isminden
alınmıştır.
Milattan yaklaşık 100 yıl önce
Romalılar Pozzuoli kasabasının
civarında volkanik kül ile söndürülmüş
kirecin (kalsiyum hidroksit Ca(OH)2)
(sönmemiş kireç CaO) suyla birlikte
karılmasıyla elde edilen malzemenin
hidrolik balayıcılık özelliği gösterdiğini
farketmişlerdir. O nedenle su altında
sertleşme gösterebilen bu malzeme,
“puzolan” ismiyle anılmaya
başlanmıştır.
PUZOLANİK MALZEME
Puzolanlar,
kendi başlarına bağlayıcılık
değeri olmayan veya çok az
bağlayıcılık gösterebilen,
fakat ince taneli durumda
olduklarında ve sulu ortamda
kalsiyum hidroksit
(sönmemiş kireç) ile
birleştirildiklerinde hidrolik
bağlayıcılık özelliğine sahip
olan
silisli veya silisli alüminli
malzemeler”
olarak tanımlanabilirler.
PUZOLANİK REAKSİYON VE PUZOLANİK
MALZEMELERİN AKTİVİTESİ
İnce taneli durumudaki puzolanlar,
söndürülmüş kireç (Ca(OH)2) ve su
ile
birleştirildiğinde, bu malzemeler arasında bir
takım kimyasal reaksiyonlar yer almaktadır.
Kalsiyum hidroksit, silis ve su arasında portland
çimentosunun hidratasyonunda olduğu gibi
kalsiyum-silika-hidrat (C-S-H) jellerinin
oluşmasına yol açmaktadır.
PUZOLANİK AKTİVİTEYİ ETKİLEYEN FAKTÖRLER
1) SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 miktari
Bunların fazla olması daha aktif bir
malzeme anlamına gelir
2) Amorf yapının derecesi
Kimyasal reaksiyonlar için amorf
yapının olması gerekir
3) İncelik
Puzolanik aktivite incelikle birlikte
artar
PUZOLANİK AKTİVİTENİN BELİRLENMESİ
 Puzolanik aktivite “dayanım indeksi” ile belirlenir
 6 harç küpü hazırlanır (ASTM)
→”Kontrol Karışımı”
500 g Portland Çimento
1375 g Kum
242 ml Su
→”Test Karışımı”
400 g Portland Çimento
100 g Puzolan
1375 g Kum
İşlenebilirlik için gerekli su
PUZOLANİK AKTİVİTENİN BELİRLENMESİ
 7 ve 28 günlük basınç dayanımı belirlenir
 Dayanım Aktivite İndeksi (Strength Activity Index – SAI)
=A/B*100
 A=f’c test karışımının dayanımı
 B=f’c kontrol karışımının dayanımı
 ASTM C 618 → SAI ≥ 75%
PUZOLANLARIN KABUL KRİTERLERİ
 TS 25 → Doğal Puzolanlar
 TS 639 → Uçucu Kül
 ASTM C 618 → Doğal Puzolan + Uçucu Kül
Doğal
F Sınıfı
C Sınıfı
%34
%34
%34
Dayanım Aktivite İndeksi
75
75
75
min "SiO2+Al2O3+Fe2O3"
70
70
50
İncelik (Islak eleme sonucu 45
mm elek üstünde kalan
miktar)
PUZOLANİK MALZEME
Puzolanlar iki genel gruba ayrılmaktadır:
Doğal Puzolanlar
Yapay Puzolanlar
Soldan Sağa: C sınıfı uçucu kül, Metakaolin, Silis Dumanı, F sınıfı uçucu kül, Cüruf,
Kalsine edilmiş şeyl
DOĞAL PUZOLANLAR
Volkanik Orijinli
Puzolanlar (Volkanik
püskürme sırasında silisli ve alümünli
malzemelerden oluşan eriyik
durumdaki mağma, yüzeye lav olarak
çıkarak çok çabuk soğuma gösterdiği
takdirde, camsı (amorf) yapıya sahip
olmaktadır. Volkanik püskürmenin çok
hızlı olması, malzemenin daha amorf
yapıya ve daha yüksek puzolanik
aktiviteye sahip olmasına yol
açmaktadır)
volkanik küller
volkanik tüfler
volkanik camlar
DOĞAL PUZOLANLAR
Volkanik Orijinli Doğal Puzolanlar
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 miktarı
ASTM C 618 & TS 25 min “SiO2+Al2O3+Fe2O3” > 70%
Amorf yapının derecesi
Volkanik kül, volkanik tüf, doğal yapıları itibari ile
amorf yapıdadır.
İncelik
Volkanik kül ince formlarda elde edilir
Volkanik tüf ve volkanik cam inceltilmelidir.
DOĞAL PUZOLANLAR
ısıl işlem görmüş killer ve şeyller
Büyük miktarda
silis ve
(kiltaşları
-veya
alüminden
oluşan
kil ve
şeyl
silttaşlarının
daha
fazla
mineralleri kristal yapıya
sıkışmaya
Geçmiş yıllarda
uğraması
tuğlanın
ve ince
sahiptirler. Doğal yapıları
yapraklı
veya kiremitlerin
ve plaketli
bir yapı
itibariyle
puzolanik
özellik
kazanması
öğütülmesiyle
ile oluşan
eldeAncak
edilen
birbirgöstermemektedirler.
iki
saat
kadarmalzeme
700-900°C
tür
ince
sedimanter
taneli
kayaç, tipik
civarında
tabi olarak
bir
puzolanik
şeyl, sıcaklığa
ince
malzeme
taneli
tutulduklarında bu
homojen,
yaygın kullanım
kolaylıkla
alanı
malzemelerin düzenli kristal
çizilebilen
bulmuştur.
ve ince
yapısı
bozulmakta
ve yarı amorf
plaketlere
ayrılabilen
birbir
veya düzensiz
alümino silisli
yapı elde edilmektedir.
kayaçtır)
DOĞAL PUZOLANLAR
ısıl işlem görmüş killer ve şeyller
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 miktarı
ASTM C 618 & TS 25 min “SiO2+Al2O3+Fe2O3” > 70%
Amorf yapının derecesi
Killer yüksek miktarda silis ve alümin içerir fakat
kristal yapıdadır. (Puzolanik aktiviteye sahip değildir)
Fakat ısıl işlemle, yaklaşık ~700-900°C’de kalsine
edildiğinde kristal yapı bozulur ve yarı amorf bir yapı
elde edilir.
İncelik
Isıl işeme tabi tutulduktan sonra oluşan malzeme
inceltilmelidir
DOĞAL PUZOLANLAR
diatomlu topraklar (çok küçük bitkilerin
fosilleşmiş şekillerinden ibaret olan toprak)
Diatomlar, silisli hücrelere sahip olan mikroskopik
büyüklükteki tek hücreli su bitkileridir. Diatomlu
topraklarda, bu organik kalıntılardan kaynaklanan
ve amorf yapıda olan büyük miktarda silis
bulunabilmektedir. Bu tür toprakların 760-1000°C
sıcaklığa kadar pişirildikten sonra ince taneli
duruma getirilmeleri, puzolanik aktivitelerini
arttırmaktadır
DOĞAL PUZOLANLAR
diatomlu topraklar (çok küçük bitkilerin
fosilleşmiş şekillerinden ibaret olan toprak)
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 miktarı
SiO2> 85-90%
Amorf yapının derecesi
Doğal yapıları itibari ile amorf yapıdadır.
İncelik
İnce formlarda elde edilir
DOĞAL PUZOLANLAR
Volkanik Cam
Volkanik Tüf
Diatomlu Toprak
Pişirilmiş kil
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
65.1
52.1
86.0
42.2
14.5
18.3
2.3
16.1
5.5
5.8
1.8
7.0
3.0
4.9
1.1
1.2
0.6
1.9
21.8
Alkali (metallerin
hidroksitleriyle
amonyum hidroksitin
genel adı)
6.5
6.6
0.4
1.3
DOĞAL PUZOLANLAR
İnce Taneli Durumdaki Doğal Puzolan Katkıların Beton
Özelliklerine OLUMLU Etkileri
•Taze betondaki işlenebilmeyi artırmaktadır
(özgül ağırlık çimento hamurundan
daha azdır. Kullanılan bağlayıcı maddelerin toplam hacmi artar. Böylece daha akıcı, işlenebilmesi daha
iyi olan bir beton elde edilmektedir)
•Taze betondaki terlemeyi azaltmaktadır (İnce taneli malzemelerin yer alması
durumunda, taze betonun içerisindeki katı malzemelerin yüzey alanları artmakta ve beton karışımının
içerisindeki suyun katı taneler tarafından daha iyi tutulmasına yol açmaktadır. Böylece daha az
terleme olmaktadır)
•Betonun hidratasyon ısısını azaltmakta, böylece kütle betonlarındaki çatlamayı
önlemektedir (hidratasyon ısısının daha az olmasına yol açmaktadır)
•Sertleşmiş betonun su geçirimliliğini azaltmaktadır (ince taneli malzeme
miktarının artması)
•Sertleşmiş betonun sülfatlara dayanıklılığını artırmaktadır (sülfat sızdığı
takdirde, sertleşmiş çimento hamurunun yapısında bulunan kalsiyum hidroksitin bir bölümü alçıtaşına
(CaSO4+2H2O) dönüşmektedir. Daha sonra alçıtaşı, kalsiyum alumino monosülfohidrat ve su
arasındaki reaksiyon sonucunda etrenjit oluşmakta ve betonda genleşme yaratmaktadır. Daha az
miktarda portland çimentosu kullanıldığından, betonda yer alan C3A oranı daha az olmaktadır. )
•Sertleşmiş betondaki alkali-silika reaksiyonunu azaltmaktadır (Daha az
miktarda çimento, ve dolayısı ile daha az miktarda alkali içeren puzolanik betonlarda, alkali-silika
reaksiyonları daha az yer almaktadır)
•Ekonomiklik sağlamaktadır
DOĞAL PUZOLANLAR
İnce Taneli Durumdaki Doğal Puzolan Katkıların
Beton Özelliklerine OLUMSUZ Etkileri
•Özellikle soğuk havada taze betonun prizini
geciktirmektedir
•Betonun ilk günlerde dayanım kazanma hızını
azaltmaktadır
•Betonun daha dikkatli ve daha uzun süreyle kür
edilmesini gerektirmektedir
YAPAY PUZOLANLAR
Bunlar endüstriyel yan ürünlerdir.
Uçucu Küller,
Baca
Elektrik
Pulverize
Kömür
Termik
Santral
miktarda
uçucu kül
Elektrostatik
Filtre
Uçucu
Kül +
Gaz
Su
spreyi
Taban külü
Çok az
Uçucu Kül bu doğrultuda
daha ince hale gelir
Uçucu Kül
Su
spreyi
Burada bazı
tesisler
yüksek
miktarda su
ekleyerek
çamur
kıvamında
uçucu külü
depolara
gönderir
Depo
Pulverize kömürün
Kömür, büyük
%80’inin
yanmasıyla
bir
miktarı
çokelekten
ince olan, bir
75mm
miktarı
da nispeten
biraz
geçebilecek
inceliğe
daha
iri boyutlara
sahip
sahip
olacak tarzda
kül tanecikleri ortaya
öğütülmekte ve
çıkmaktadır. Artık malzeme
havayla
olarak
ortayabirlikte,
çıkan küllerin
buhar
üretici
yaklaşık %75-%80’i gazlarla
kazanları
ısıtmak
birlikte
bacadan
çıkma
amacıyla,
yakıt
eğilimi
gösteren
çok ince
taneli
küllerdir. Bu küllere
olarak
“uçucu
kül” denilmektedir.
püskürtülmektedir
YAPAY PUZOLANLAR
Uçucu Küller,
Kimyasal İçerik
SiO2
Al2O3
Fe2O3
CaO
MgO
Na2O
C (kızdırma
kaybı
yüksek
sıcaklıklarda,
minerallerin içindeki uçucu maddelerin (hidrat,
karbonat vs.) eksilmesiyle ortaya çıkan kütle
kaybının belirlenmesi amacıyla yapılan analiz.)
F Sınıfı Kül
(CaO<%10)
43.6-64.4
19.6-30.1
3.8-23.9
0.7-6.7
0.9-1.7
0-2.8
0.4-7.2
C Sınıfı Kül
(CaO>%10)
23.1-50.5
13.3-21.3
3.7-22.5
11.5-29.0
1.5-7.5
0.4-1.9
0.3-1.9
YAPAY PUZOLANLAR
Uçucu Küller
(çimento ağırlığının %15-%50’si civarında kullanılır)
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 miktarı
C Sınıfı→ linyitten ve yarı bitümlü kömürden
SiO2+Al2O3+Fe2O3>50%
F Sınıfı→ bitümlü kömürden
SiO2+Al2O3+Fe2O3>70%
Amorf yapının derecesi
Doğal yapıları itibari ile amorf yapıdadır.
İncelik
İnce formlarda elde edilir (1-250 mm)
YAPAY PUZOLANLAR
Uçucu Küllerin Beton Özelliklerine OLUMLU
Etkileri
•Taze betondaki işlenebilmeyi artırmaktadır
•Taze betondaki terlemeyi azaltmaktadır
•Betonun hidratasyon ısısını azaltmaktadır
•Sertleşmiş betonun su geçirimliliğini azaltmaktadır
•Sertleşmiş betonun sülfatlara dayanıklılığını
artırmaktadır
•Ekonomiklik sağlamaktadır
YAPAY PUZOLANLAR
Uçucu Küllerin Beton Özelliklerine OLUMSUZ
Etkileri
•Betonun prizini çok az geciktirmektedir, bu durum
soğuk havalarda sorun olabilmektedir
•Betonun ilk günlerdeki dayanım kazanma hızını
azaltmaktadır
•Betonun daha uzun süreyle kür edilmesinin
gerektirmektedir
YAPAY PUZOLANLAR
Hammadde
Karbon, kömür, talaş, kuvartz
Silis Dumanı
Silikon metal birincil ve ikincil
alüminyum endüstrisinde
alüminyumun dayanımını artırmak
amacıyla kullanılır
Silikon metal
2000 oc fırın
YAPAY PUZOLANLAR
Silis Dumanı
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 miktarı
Silis Dumanı → SiO2 ≈ 85-98%
Amorf yapının derecesi
Doğal yapıları itibari ile amorf yapıdadır.
İncelik
İnce formlarda elde edilir
YAPAY PUZOLANLAR
Yüksek Fırın Cürufu
Pik demir üretiminde yüksek
fırınlarda demir filizinin içerdiği
safsızlıklar, yakıt olarak kullanılan
kokun külü ve filizin demire
indirgenmesini kolaylaştırmak
üzere kullanılan kalkerin yanma
sonrası kalıntılarından oluşan
yüksek fırın cürufu 1400-1600°C’de
eriyik halde elde edilir.
Özellikleri yüksek fırından çıktıktan sonra uygulanan soğutma
yöntemine bağlıdır. Havada yavaş soğutulduğu taktirde kristal
yapıya sahip C2AS-C2MS2 katı eriyiği halindedir . Suda ani
soğutma yapıldığında hemen hemen tamamiyle camsı yapıya
sahip olur.
YAPAY PUZOLANLAR
Yüksek Fırın Cürufu
Yüksek miktarda silis, alümin ve kireç içerir
SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 miktarı
Yüksek Fırın Cürufu→
SiO2 ~ 30-40%
Al2O3 ~ 7-19%
CaO ~ 30-50%
Amorf yapının derecesi
Erimiş cüruf havada soğumaya bırakılırsa kristal bir
yapıya sahip olur – puzolanik aktivite göstermez
Suya dökülüp aniden soğutulursa granüler bir malzeme
haline gelir ve amorf bir yapıya sahip olur – puzolanik
aktivite gösterir
İncelik
İnceltilmelidir
Tipik Uçucu Kül, Cüruf, Silis Dumanı, Pişirilmiş Kil ve
Şeyl ile Metakaolin’in Kimyasal Analizi
Yapay Puzolanlar
F sınıfı
uçucu kül
C sınıfı
uçucu kül
SiO2, %
52
Al2O3, %
Doğal Puzolanlar
Cüruf
Silis
dumanı
Pişirilmiş
kil
Pişirilmiş
şeyl
Meta-kaolin
35
35
90
58
50
53
23
18
12
0.4
29
20
43
Fe2O3, %
11
6
1
0.4
4
8
0.5
CaO, %
5
21
40
1.6
1
8
0.1
SO3, %
0.8
4.1
9
0.4
0.5
0.4
0.1
Na2O, %
1.0
5.8
0.3
0.5
0.2
—
0.05
K2O, %
2.0
0.7
0.4
2.2
2
—
0.4
Toplam Na
eq. alk, %
2.2
6.3
0.6
1.9
1.5
—
0.3
Blaine inceliği,
cm2/g
4200
4200
4000
200.000
9900
7300
190.000
Yoğunluk
2.38
2.65
2.94
2.40
2.50
2.63
2.50
Çimento Karışımında Kullanılan Puzolanların Miktarı
 Uçucu Kül
 C Sınıfı
 F Sınıfı
 Cüruf




%15 - %40
%15 - %20
%30 - %45
Silis dumanı
%5 - %10
Pişirilmiş Kil %15 - %35
Metakaolin
%10
Pişirilmiş Şeyl %15 - %35
Metakaolin’in Kimyasal Analizi
Kalsine kaolin
Alüminyum oksit, silisyum dioksit ve sudan oluşan kaoline ısı
uygulanmaya (kalsinasyon) başlandığında öncelikle 200°C yüzeysel
higroskopik suyu atar. Isıtma işlemi devam ettikçe 650-800°C arasında
kimyasal formüldeki bağıl suyunu bırakarak metakaoline dönüşür.
Al2O3.2H2O.2SiO2--> Al2O3.2SiO2+2H2O+Eneri--> Metakaolin
Bu noktadan sonra kaolin esnek plastik özelliğini kaybederek puzzolonik
bir yapıya bürünür. Metakaolinin puzzolonik özelliği onu çok etkili bir
beton katkısı yapmaktadır.
980°C üzerine çıkıldığında metakaolin mullite dönüşür. Artık bu hali ile
sert, beyazlığı yüksek, mekanik mukavemeti fazla, elektriği iletmeyen
amorf bir yapıdadır. Bu özellikleri ile boya, kauçuk ve PVC kablo, sera
örtüsü, yapıştırıcı gibi ürünlerin yapımında sıkça kullanılır.