YAPI MALZEMESİ DERS 4 PUZOLANLAR Yüzüncü Yıl Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü YAPI MALZEMESİ DERS 4 PUZOLANLAR Yrd. Doç. Dr. BarIş Erdİl Kaynak: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 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 İncelik (Islak eleme sonucu 45 mm elek üstünde kalan miktar) %34 Dayanım Aktivite İndeksi 75 min "SiO2+Al2O3+Fe2O3" 70 50

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 alüminden oluşan kil ve şeyl mineralleri kristal yapıya sahiptirler. Doğal yapıları itibariyle puzolanik özellik göstermemektedirler. Ancak bir-iki saat kadar 700-900°C civarında sıcaklığa tabi tutulduklarında bu malzemelerin düzenli kristal yapısı bozulmakta ve yarı amorf veya düzensiz alümino silisli bir yapı elde edilmektedir. (kiltaşları -veya silttaşlarının daha fazla sıkışmaya uğraması ve ince yapraklı ve plaketli bir yapı kazanması ile oluşan bir tür sedimanter kayaç, tipik bir şeyl, ince taneli homojen, kolaylıkla çizilebilen ve ince plaketlere ayrılabilen bir kayaçtır) Geçmiş yıllarda tuğlanın veya kiremitlerin öğütülmesiyle elde edilen ince taneli malzeme puzolanik malzeme olarak yaygın kullanım alanı bulmuştur.

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

Alkali (metallerin hidroksitleriyle amonyum hidroksitin genel adı) DOĞAL PUZOLANLAR SiO2 Al2O3 Fe2O3 CaO MgO Alkali (metallerin hidroksitleriyle amonyum hidroksitin genel adı) Volkanik Cam 65.1 14.5 5.5 3.0 1.1 6.5 Volkanik Tüf 52.1 18.3 5.8 4.9 1.2 6.6 Diatomlu Toprak 86.0 2.3 1.8 0.6 0.4 Pişirilmiş kil 42.2 16.1 7.0 21.8 1.9 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

Uçucu Kül bu doğrultuda daha ince hale gelir YAPAY PUZOLANLAR Bunlar endüstriyel yan ürünlerdir. Uçucu Küller, Pulverize kömürün yanmasıyla büyük bir miktarı çok ince olan, bir miktarı da nispeten biraz daha iri boyutlara sahip kül tanecikleri ortaya çıkmaktadır. Artık malzeme olarak ortaya çıkan küllerin yaklaşık %75-%80’i gazlarla birlikte bacadan çıkma eğilimi gösteren çok ince taneli küllerdir. Bu küllere “uçucu kül” denilmektedir. Kömür, %80’inin 75mm elekten geçebilecek inceliğe sahip olacak tarzda öğütülmekte ve havayla birlikte, buhar üretici kazanları ısıtmak amacıyla, yakıt olarak püskürtülmektedir Pulverize Kömür Termik Santral Elektrik Uçucu Kül bu doğrultuda daha ince hale gelir Elektrostatik Filtre Su spreyi Taban külü Uçucu Kül + Gaz Uçucu Kül Baca Çok az miktarda uçucu kül Depo Burada bazı tesisler yüksek miktarda su ekleyerek çamur kıvamında uçucu külü depolara gönderir

YAPAY PUZOLANLAR Uçucu Küller, Kimyasal İçerik F Sınıfı Kül (CaO<%10) C Sınıfı Kül (CaO>%10) SiO2 43.6-64.4 23.1-50.5 Al2O3 19.6-30.1 13.3-21.3 Fe2O3 3.8-23.9 3.7-22.5 CaO 0.7-6.7 11.5-29.0 MgO 0.9-1.7 1.5-7.5 Na2O 0-2.8 0.4-1.9 C (kızdırma kaybı yüksek sıcaklıklarda, minerallerin içindeki uçucu maddelerin (hidrat, karbonat vs.) eksilmesiyle ortaya çıkan kütle kaybının belirlenmesi amacıyla yapılan analiz.) 0.4-7.2 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

Karbon, kömür, talaş, kuvartz YAPAY PUZOLANLAR Silis Dumanı Hammadde Karbon, kömür, talaş, kuvartz 2000 oc fırın Silikon metal Silikon metal birincil ve ikincil alüminyum endüstrisinde alüminyumun dayanımını artırmak amacıyla kullanılır

YAPAY PUZOLANLAR Silis Dumanı SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 miktarı 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 Doğal Puzolanlar F sınıfı uçucu kül C sınıfı uçucu kül Cüruf Silis dumanı Pişirilmiş kil Pişirilmiş şeyl Meta-kaolin SiO2, % 52 35 90 58 50 53 Al2O3, % 23 18 12 0.4 29 20 43 Fe2O3, % 11 6 1 4 8 0.5 CaO, % 5 21 40 1.6 0.1 SO3, % 0.8 4.1 9 Na2O, % 1.0 5.8 0.3 0.2 — 0.05 K2O, % 2.0 0.7 2.2 2 Toplam Na eq. alk, % 6.3 0.6 1.9 1.5 Blaine inceliği, cm2/g 4200 4000 200.000 9900 7300 190.000 Yoğunluk 2.38 2.65 2.94 2.40 2.50 2.63 Table 3-2. Chemical Analysis and Selected Properties of Typical Fly Ash, Slag, Silica Fume, Calcined Clay, Calcined Shale, and Metakaolin

Çimento Karışımında Kullanılan Puzolanların Miktarı Uçucu Kül C Sınıfı %15 - %40 F Sınıfı %15 - %20 Cüruf %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.