Deniz yapilari iÇİn beton teknolojiSİ 009-2010 GÜz hafta giRİŞ: İŞlenecek konular
Yüklə 342,63 Kb.
|
- Bu səhifədəki naviqasiya:
- 2. İncelik Modülü
- DENİZ YAPILARI İÇİN BETON TEKNOLOJİSİ 2009-2010 GÜZ HAFTA 3 BAĞLAYICI MADDELER- ÇİMENTO
- Yüksek fırındaki üretim sürecinin sonunda demir ile birlikte kalsiyum, magnezyum silikat ve alüminatlardan oluşan “cüruf” adını verdiğimiz bir yan ürün elde edilmiş olur.
- Ortamdaki tüm reaksiyonlar için gerekli yüksek sıcaklık da elbette kömürün yanması ile sağlanır. Ayrıca, kömürdeki silis kökenli gayrısaflıklar da kül oluştururlar ve bu kül de cürufa katılmış olur.
- YFC’lerin çok standart bir kimyasal birleşimi yoktur
- YFC’ler özellikle beton deniz yapılarının ve sülfatlı ortamdaki beton yapıların önemli ve vazgeçilmez bir malzemesidir.
1. Grafik Yöntem Grafik yöntem çok daha kesin bir yöntemdir. İlk olarak bu yöntemi inceleyelim. Bunu için referans eğrisi I,II,III eğrileri ile birlikte çizilir. I ile II, II ile III eğrileri arasında düşey ayırım doğruları çizilir. Burada kural bu I,II,III eğrilerinin %0 ve %100 eksenleri üzerindeki konumları dikkate alınmasıdır. Eğer eğriler düşey doğrular çizildiğinde birbirlerinden % 0 ve %100 eksenlerinde ayrıksa düşey çizgi bu ayırımın ortasında geçirilir. Bizim örnekte bu durum yoktur. Ayırım çizgisi III
II %0 %100 Eğer eğriler ayrık olmak yerine birbirleriyle örtüşüyorsa düşey doğru eşit yükseklik farkı oluşturacak şekilde geçirilir. Uygulamada bu durum hem I-II hem de II-III agrega eğrilerinde vardır. Ayırım çizgisi II I
%100 a a Bu düşey doğrular referans eğrilerini keserler. Kesim noktalarının ordinatları okunur, şekilde yatay çizgiler bu ordinatları okumak için çizildi. 48 26 0.25 0.5 1 2 4 8 16 31.5 
I-II’in kesim ordinatı 0.26 dır ve I’in karışım oranı olan x dir. II ve III’ün kesim ordinatı 0.48 dir. II’nin karışım oranı y ise 0.48-0.26=0.22 dir. z ise 1-0.48=0.52 olacaktır. Çünkü x+y+z=1 olmalıdır. Bu değerler kullanılarak karışım agregasının referans eğrisine ne kadar yaklaştığı kontrol edilmelidir. Karışım ordinatları:
2. İncelik Modülü İkinci yöntem olarak incelik modülü yöntemini ele alalım. İncelik modülü % 100 ekseni ile agrega eğrisi arasındaki farkların 100’e bölünmesi ile bulunur, bir anlamda alanın basit ifadesidir. İncelik modülü ne kadar küçükse incelik o kadar fazladır. I- Kum için incelik modülü: 0 + 0 + 0 + 0 + 5 + 21 + 55 + 85 =166 166/100 = 1.66
0 + 2 + 8 + 53 + 100 + 100 + 100 + 100 =463 463/100=4.63
0 + 27 + 88 + 100 + 100 + 100 + 100 + 100 =620 620/100 = 6.2
0 + 29 + 50 + 65 + 74.5 + 82 + 88.5 + 95 = 484 484/100=4.84
x + y + z = 1 Burada bir karar verilmesi gerekir. O da genellikle kum miktarını önermektir. Kum az düzeyde tutulmalı, ancak fazla az olması da betonun kohezyonunu (Kohezyon: agregaların çimento hamuru içinde kararlı kalması) düşürecektir. Bu oran çoğunlukla 0.2 ile 0.3 arasında değişir. Uygulama için x = 0.25 alalım. Bu durumda denklemler aşağıdaki hale gelir. 4.63y + 6.20z = 4.84 – 0.415=4.425 y + z = 1 – 0.25 = 0.75 Buradan da bu iki bilinmeyenli ik denklemi çözdüğümüzde: z = 0.606=0.61 y = 0.14 olarak seçilir.
Acaba daha ekonomik bir çözüm olarak 0.14 gibi düşük orandaki orta agregayı (II) kullanmaktan vazgeçersek sadece iki tür agregayla sorunu halletmemiz mümkün olur muydu? Yine incelik modülü yöntemiyle çözüme ulaşalım: 1.66x + 6.20z = 4.84 x + z = 1 İki bilinmeyenli iki denklemimizi çözersek: x = 0.30 ve z = 0.70 olarak hesaplanır. Yine karışım oranlarını kontrol edelim:
Kırmızı ile işaretli değer A eğrisi üzerindedir. Yani biraz iri taneli. Sakıncası yerleştirmesi güç olabilir. Ama buna karşılık dayanım daha yükselebilir. DENİZ YAPILARI İÇİN BETON TEKNOLOJİSİ 2009-2010 GÜZ HAFTA 3 BAĞLAYICI MADDELER- ÇİMENTO Betonun içindeki mineral taneli elemanların birbirine bağlanmasını sağlayarak taş oluşumunu sağlayan maddelerdir. İki ana gruptan oluşurlar. Hidrokarbonlu bağlayıcılar (katran, bitüm, asfalt). Bu tip bağlayıcılar asfalt betonunda ve izolasyon işlerinde kullanılırlar. Tamamen sertleşmezler; vizkoelastik özelliklerini korurlar. Bu nedenle yol ve havaalanı inşaatlarında tercih edilirler Mineral esaslı bağlayıcılar (kireç, alçı (aslinda bağlayıcı malzeme olarak sayılmamalıdır) ve çimento çeşitleri)
Burada Portland çimento ve Yüksek Fırın Cürufunu daha detaylı ele alacağız. Portland Çimento Bileşimi: Hammaddesi kil (SiO2 ve Al2O3 bulunur), kalker (CaCO3) ve az miktarda demir oksit (Fe2O3) içeren topraktır. Üretimi:Yüksek sıcaklıkta (1400 C) pişirilir ve bahsettiğimiz oksitler farklı şekillerde birleşerek çimentonun esasını oluşturan klinkeri (ceviz büyüklüğünde koyu gri renkli taş) meydana getirirler. Klinkerin ana maddeleri bileşik karma oksitlerdir: Her bir karma oksitin çimentoya kazandırdığı bir özellik vardır. Bikalsiyum silikat 2CaOSiO2 C2S Trikalsiyum silikat 3CaOSiO2 C3S Trikalsiyum alüminat 3CaOAl2O3 C3A Tetrakalsiyumalüminoferrit 4CaOAl2O3Fe2O3 C4AF dir. Silikatlar sertleşmiş çimentoya mukavemet kazandırırlar. Ancak kimyasal dayanımları düşük ve hidratasyon ısıları yüksektir. Alüminatların mekanik mukavemetleri düşük, prizleri hızlı (şimşek prize neden olabilirler), hidratasyon ısıları yüksektir. Sülfatlı tuzlarla birleştiklerinde etrenjit adı verilen tuzu oluşturular. Bu tuz çok fazla su molekülü içerdiğinden hacmi büyüktür hacim artmasına neden olabilir bu da betonu patlatabilir. (sülfat etkisi) Tetrakalsiyumalüminoferrit’in özellikleri alüminatınki gibidir. Çimentoya rengini kazandırır. Daha sonra klinkere % 2-3 oranında jips (alçıtaşı) katılarak öğütülür. Çimentoda yukarıda bahsedilen karma oksitler dışında bazı yan oksitlere de rastlanır. Bunlar MaO (su ile birleşip Mg(OH)2 oluşturur, hacmi artırır), Na2O ve K2O (ortamda aktif durumda silis varsa, bununla birleşip, alkali reaktivitesine (genleşme) yolaçar.) Pişirme sırasında karma oksitlere dönüşmeyen iyonlar da kalabilir. (CaO (hacim sabitliğini bozar), SiO2,(reaksiyona girmez ancak çimentonun dış ortama dayanıklılığını azaltır), SO3 (hacim sabitliğini bozar) gibi) Bunlar da hacim sabitliğini bozar. Tüm bunların belli bir yüzdeden az olması istenir. Çimento üreticilerinin zorunlu olarak çıkarmakla yükümlü oldukları günlük deney raporlarında bu bilgiler yer almalıdır. Özellikleri: Priz: Çimento özelliklerinden biri prizdir. Vizkoz haldeki çimento hamurunun katı hale geçme olayıdır. Kimyasal olarak incelendiğinde priz sırasında karma oksitler su ile reaksiyona girerek, kristal bir yapı oluştururlar. Bu olayın kontrollü olması gerekir. Bu yüzden klinkere alçıtaşı katılarak öğütülmesi önemlidir. Yoksa kontrollü priz oluşmaz. Çeşitli deneyler sonunda tanımlanmış olan priz başlangıcı ve priz sonu süresi vardır. (1 ila 10 saat arası) Taze betonun işlenebilmesi için zaman ihtiyaç vardır ancak inşaatın ilerleyebilmesi için de yeterli sürede sertleşmesi ve taşıyıcılık kazanması gerekir. Çimentonun üretimi sırasında alçıtaşı sıcak klinkere katılırsa, alçıtaşının bir kısmı alçıya dönüşür. Bu durumdaki çimentoya su eklendiğinde, alçı aniden priz yaparak, betonun katılaşmasına yol açar, ancak karıştırılmaya devam edilirse, tekrar yumuşar. Bu olaya yalancı priz denir. Priz dış ortam sıcaklığından etkilenir. Sıcakta priz daha çabuk olur. Bazı durumlarda priz süresini uzatmak gerekebilir. Bu durumda bazı kimyasal katkılar kullanılır. Hidratasyon: karma oksitler su ile reaksiyona girerek, kristal bir yapı oluştururlar. Bu olay ekzotermik (ısı açığa çıkar) Hidratasyon priz ile sınırlı değildir. Yıllarca azalan bir hızla devam eder. Böylece betonun sertlik ve mekanik mukavemeti yıllar geçtikçe artar. Hidratasyon C3A’nın su içinde çözülmesi ile başlar. Ortamdaki CaO konsantrasyonu artar. Jelleşen C3A’nın hidratasyonu azaltılmazsa, silikatların hidratasyonu başlayamadan çimento hamuru katılaşır, oluşan beton düşük mukavemetli olur. Bunu önlemek için alçıtaşı katılır. Alçıtaşı ve C3A etrenjit tuzu oluştururlar. Eğer alçıtaşı miktarı iyi ayarlanmazsa şimşek priz olur. (Bu durumdaki beton kullanılamaz hale gelir). Ortamdaki alçıtaşı sayesinde önce silikatlar su ile birleşerek hidratasyona başlarlar. Böylelikle asıl taşıyıcı ögeler olan silikat hidratlar oluşur. Ortamdaki alçıtaşı bittiğinde ise geri kalan C3A’lar da hidrate olur. Ancak taşıyıcı silikat hidratları oluştuğundan zararlı etkiler ortaya çıkmaz. Hidratasyon ısısı sonucu, beton üretilirken sıcaklık artar. Beton sertleştikten sonra ise bu büzüşmeye yol açar.(Termik rötre) Büzülmeler serbest olmazsa, çatlaklar vb. olabilir. Bu ısıyı azaltmak için uygun çimento seçmek, betonu uzun sürede üretmek, çimento miktarını azaltmak, agrega ve suyu soğutmak gibi metodlar kullanılır. İncelik: Çimentonun tane büyüklüğü 5-90 mikrondur. Bunun çoğunluğu 20-30 mikron arasındadır. Yüksek mukavemetli çimentoların, inceliği de yüksektir. ( Çünkü ince tanelerin hidrate olabilecek bölümü fazla olur, iri tanelerin ortası anhidr (hidrate olmamış) kalır. Ancak, ıslanma ısı çıkararak olduğundan, hidratasyon ısısı yüksektir, rötre artar (gerekli su miktarı fazla olduğundan, mukavemet düşer) Rötre Katılaşmaktaki ve/veya sertleşmiş betonun fiziko-kimyasal etkiler altında hacminin küçülmesi. Nedeni çimento. Çeşitli türleri vardır: Termik rötre: Beton üretilirken sıcaklığı yükselir (çimentonun hidratasyonu nedeniyle), ortaya çıkan ısı fazla olursa, betonun iç sıcaklığı çok yükselebilir. Beton sertleştikten sonra tekrar soğur. Bu sırada büzülmeler meydana gelir, hacmi küçülür. Beton çatlayabilir, geçirimsizliğini kaybeder. Termik rötre olan betonlarda plastik erken rötre olma olasılığı da yüksektir. Plastik erken rötre: prizden hemen sonra ortaya çıkar. Beton üstünde terleyen suyun buharlaşan sudan az olması sonucu oluşur. Buharlaşma rüzgar, ortam neminin azlığı, sıcaklığın yüksekliği ve betonun iç sıcaklığının fazla olması sonucu büyük değerler alır. Diğer yandan, terlemenin az olması betonun suyunu bırakmamasına bağlıdır. Bu durumda agregalar çökeltip, üstte su kalıp buharlaşır. Bünyesel (otojen) rötre: Mutlak hacmin (çimento ve suyun toplam hacmi) hidratasyon sonucu azaltılması, önlenemez, düşüktür. Sertleşmiş betonun hidrolik rötresi: Sertleşen çimento jel yapıdadır. Çok ufak kristallerden oluşan oluşan hidrate çimento taneleri yüzeylerinde tuttukları adsorpsiyon suyu nedeniyle bu jel yapıya sahiptirler. Adsorpsiyon suyu kolay kolay buharlaşmaz ve betonun içinde kalır. Ancak, daha geniş ve dışa açık çatlaklardaki (kılcal çatlaklar) su buharlaşınca, jel yapıdaki adsoprsiyon suyunun bir kısmı da bu çatlaklara doğru hareket eder ve bu suyun tabaka kalınlığı azalır. Bu da katı kristallerin birbirlerini daha kuvvetle çekmesine ve beton kütlesinin de büzülmesine neden olur. Beton devamlı su içinde kaldığında ise tersi olur. Karbonatlaşma rötresi: Süzülen CO2 gazı ile bazı tuzların oluşması Hacim sabitliği:Kimyasal olaylar sonucu olan bir olay, Çimentodaki bazı bileşenler (MgO, CaO,SO3 gibi) hacimsel genleşmelere yol açarak hacim sabitliğini bozabilir. Bu olaya alkali-agrega reaksiyonu denir. Bir yıl içinde oluşabilir. Mekanik Mukavemet: 4x4x16 harç örneklerle bulunur (Standard kum kullanılarak- % 98 silis içeren belli bir granülometriye sahip olan) Belirli bir ağırlık oranı ile hazırlanır. 1 ölçek çimento, 3 ölçek kum, 0.5 ölçek su. Standart biçimde sarsılarak kalıplara yerleştirilir. 1 gün sonra çıkartılır. 6 ve 27 gün süreyle kirece doygun 20 C suda saklanır. Daha sonra parçalar üzerinde eğilme deneyi yapılır. Parçalar üzerinde basınç deneyi yapılır. 7 ve 28. gün değerlerine çimento norm mukavemeti denir. Bu değer çimentoya yazılmak zorundadır. (PÇ325 gibi) Çimento mukavemeti üzerinde etki eden diğer faktörler: karıştırma-yerleştirme koşulları, saklama koşulları ve zaman. YÜKSEK FIRIN CÜRUFU Yüksek fırınlarda demir üretiminde bir yan ürün olarak meydana gelen cürufun bağlayıcı madde teknolojisi açısından önemi 1863 yıllarında Langen’in cürufu çimento üretiminde mineral katkı olarak kullanması ile ortaya çıkmıştır. Ancak detaylı araştırmalar ve cüruf üretiminde niteliğin geliştirilmesi sonucu malzemenin daha etkin ve yüksek oranda kullanımı 1970’li yıllarda farklı düzeye varabilmiştir. Günümüzde özellikle beton ve betonarme deniz yapılarının vazgeçilmez bir bağlayıcısı olan Yüksek Fırın Cürufu (YFC), ana maddeleri Portland çimentosu olan kompoze (katkılı) çimentoların katkı malzemesi olmaktan çıkmıştır. Her ne kadar YFC, Portland çimentosu ile karıştırılarak kullanılıyorsa da asıl bağlayıcı kendisidir, % 70 YFC ile üretilen bir bağlayıcıda PÇ’nin fonksiyonu YFC’nin hidratasyonu için gerekli aktivasyonu sağlamaktır. Yüksek Fırın Cürufu demir üretimi sırasında ortaya çıkan bir atık (yan) malzemedir. Demir üretim sürecinde üç ana hammade vardır, bunlar demir cevheri, kok kömürü ve ergitici maddedir. Demir cevheri doğada saf olarak bulunmaz. Çeşitli işlemlerden geçse de, yüksek fırınlara geldiğinde gayrısaflıklarının tamamından arındırılamamış olur. Magmatik ortamdam gelen cevherlerde bu katışıklıklar çoğunlukla silis, alüminyum oksit, magnezyum oksit, kükürt gibi ögelerdir. Ana mineralin (Fe2O3, Fe3O4,...) bu ögelerden temizlenmesi ve demire dönüşmesi yüksek fırındaki üretimde gerçekleşir. Arıtma görevi bu süreçteki üçüncü ana hammadde olarak saydığımız ergiticiye aittir. Magmatik kökenli cevherde SiO2, Al2O3, MgO, vs.nin arıtılması bunların kalsiyumla birleştirilmesi ile sağlanır. Bu nedenle magmatik cevherli hammaddelerde ergitici olarak kireç veya dolomit kullanılır. Kalsiyum silikat, kalsiyum alüminatların oluşumu çimento endüstrisindeki klinker sürecine benzerdir ve yüksek sıcaklık (1400oC) şarttır. Yüksek fırındaki üretim sürecinin sonunda demir ile birlikte kalsiyum, magnezyum silikat ve alüminatlardan oluşan “cüruf” adını verdiğimiz bir yan ürün elde edilmiş olur. Bileşenleri açısından çimentoya benzer olan bu pasif bağlayıcı maddenin kireç veya portland çimentosu katılması ile aktive edilmesi gerekir. Yüksek fırın üretim sürecindeki ikinci ana hammadde olan kok kömürü demir oksitin redüklenmesini sağlar, bunu oluşturduğu karbon monoksit gazı ile gerçekleştirir. Ortamdaki tüm reaksiyonlar için gerekli yüksek sıcaklık da elbette kömürün yanması ile sağlanır. Ayrıca, kömürdeki silis kökenli gayrısaflıklar da kül oluştururlar ve bu kül de cürufa katılmış olur. Yüksek Fırın Cürufunu kullanılır hale getirmek için en güvenli yöntem pelletleştirmedir. Bu süreçte; yüksek fırından ergimiş durumda çıkan YFC önce püskürtme su jetleri ile genleştirilir, sonra döner bir tambura düşürülür, tambur üzerindeki kanatlar düşen YFC’leri yaklaşık 15 m. uzaklığa fırlatır, yüzey gerilimi sayesinde YFC parçaları pelletleşir. YFC’lerin çok standart bir kimyasal birleşimi yoktur. Bileşimleri kullanılan demir cevherlerinin gayrısaflıklarının ve ergitici maddenin kimyasal yapılarının fonksiyonu olarak farklılıklar gösterir. Ayrıca, yüksek fırındaki sıcaklık ve YFC üretim teknikleri de bu bileşim üzerinde etkilidir. YFC’lerin bağlayıcılık niteliği kimyasal bileşime bağlı olmakla beraber, minerolojik bileşim ve özellikle camlaşma (vitrification) derecesi, öğütme inceliği ve aktivasyon süreci de hidrolisite üzerinde etkili olurlar. YFC’nin hidrolisite (hidrolik bağlayıcılık) kazanmasındaki en önemli faktörün camlaşma olduğu bilinmektedir. YFC incelikleri halen 500-600 m2/kg düzeyinde tutulmaktadır. Reaktiflik açısından incelik artışı elbette gerekli ve yararlıdır, ancak pelletlenmiş cüruf kullanılması zorunludur; inceliğin artırılması ekonomi dışında rötre vb. sorunlara da yol açacaktır ve bu yüzden sınırlamak yoluna gidilmektedir. YFC’lerin beton bağlayıcı malzemesi olarak klasik Portland çimentosu ve Kompoze Portland çimentolarından çok farklıdır. YFC’ler özellikle beton deniz yapılarının ve sülfatlı ortamdaki beton yapıların önemli ve vazgeçilmez bir malzemesidir. YFC’lerin özelliklerini ve davranışlarını genellemek yanlış bir yaklaşımdır. Demir üretiminde kullanılan ana minerallerin ve cevherlerin birleşimleri, yüksek fırınlardaki ergiticilerin terkipleri, fırın içindeki termik süreçler YFC’lerin kimyasal ve minerolojik yapılarını büyük oranda etkilerler. Daha sonra uygulanan soğutma süreçleri ve hızları, öğütme yöntemleri de YFC’lerin en önemli nitelikleri olan camlaşmayı ve tane inceliğini denetler. Ana fonksiyonu demir üretmek olan yüksek fırınların süreçlerine ve sistemlerine müdahale etmek olanağı elbette yoktur. Ancak daha sonraki aşamada YFC’lerin kalitesini yükseltmek amacıyla girişimde bulunmak gereklidir; nitekim pek çok ülkede YFC üretimi çimento endüstrisi düzeyindeki tesislerde yapılagelmektedir. Denizlerle çevrilmiş ülkemizde YFC’nin beton deniz yapılarında anlamlı bir düzeyde kullanılmadığı, konunun yeterince araştırılıp incelenmediği kesindir. Yurdumuzdaki üç demir üretim merkezi olan Karabük, Ereğli ve İskenderun’da Divriği ve Hekimhan’dan getirilen hematit cevherinden yararlanılır. Bu cevherlerin içinde bulundukları ortamın jeolojik yapısı ve içerdikleri gayrısaflıkların türlerinin minerolojik ve kimyasal birleşimlerinin miktar ve istatistiksel dağılımları, elde edilecek YFC’lerin hidrolisite niteliklerini etraflı biçimde irdelemeyi sağlar. Bu etütler sonunda camlaşma seviyesini yükseltmek için uygulanacak soğutma, granülasyon ve özellikle aktivasyon süreç ve malzemelerinin daha bilinçli ve doğru saptanması mümkün olur. YFC’lerin üretim proseslerinin modernleşmesi doğal olarak ekonomik bir sorundur, ancak bu girişim için önce yukarıda özetle belirttiğimiz minerolojik, kimyasal ve istatistiksel araştırmalar yapılmalı ve teorik öneriler geliştirilmelidir. Bu önerilere göre üretilen YFC’lerin kimyasal ve minerolojik yapıları, camlaşma oranları, incelikleri tabiatı ile deneylerle tahkik edilir. Daha sonra beton üretimine geçilir ve istenilen dayanım, işlenebilme ve dürabilite (geçirimsizlik) özelliklerinin sağlanıp, sağlanmadığı saptanır. Bu uzun ve pahalı çalışma, ülkemiz demir cevherlerimizle istenilen düzeyde YFC üretilip, üretilemeyeceğini; üretilebilecekse metod ve süreçlerin ne olacağını kesinlikle saptamamıza imkan verecektir. Yüklə 342,63 Kb. Dostları ilə paylaş:
|