Geleneksel doğal çimentonun killi kireçtaşı (MARN) ile üretim olanakları ve performans özelliklerinin belirlenmesi

Abstract

Tarih boyunca çok çeşitli organik (bitüm vb.) ve inorganik (alçı, kireç vb.) kökenli bağlayıcı malzemeler yapılarda kullanılmıştır. Hidrolik bağlayıcıların bulunmasına kadar volkan külleri ya da tuğla tozu gibi bağlayıcılığı olmayan ancak puzolanik aktivitesi olan çeşitli malzemeler hava kireci ile karıştırılarak yapılarda özellikle suyla teması olan yerlerde kullanılabilmiştir. 18. yüzyılda doğal hidrolik kireç ve doğal çimento üretilmeye başlanmıştır. 1970 yılında son doğal çimento fabrikasının kapatılmasından sonra bu bağlayıcının yeniden üretimi için 21. yüzyılın başlarında Amerika ve Avrupa'da çeşitli projeler yapılmış ve konferanslar düzenlenmiştir. Tarihi taş ocaklarından alınan çimento kayası olarak adlandırılan hammaddeler ile üretim yapılmaya başlanmıştır. 19. yüzyıl sonu 20. yüzyıl başında Türkiye'ye satıldığı İstanbul'da yapılmış olan yapıların cephelerinde kullanıldığı bilinen doğal çimentonun ülkemizde üretimi olmadığından yüksek bütçelerle ithal edilmektedir. Doğal çimentonun günümüz çimentosuna oranla daha esnek, düşük difüzyon direncine sahip ve üretiminde daha az enerji gerektiren bir malzeme oluşu ile çağdaş yapıların iç ve dış cephelerinde kullanımı önerilmektedir. Bu tez çalışması kapsamında Mersin ve Adana illerinden alınan killi kireçtaşları laboratuvar koşullarında 750-850-950-1050 oC sıcaklıklarda kalsine edilerek bağlayıcı malzemeler üretilmiş ve yapılan deneylerde ticari ürün olan doğal hidrolik kireç (NHL3,5 ve NHL 5) ile karşılaştırılmıştır. Hammaddeler Mersin ili Gülnar ilçesinden ve Adana Çimento Fabrikası taş ocağından temin edilmiştir. Hammaddeler değişen oranlarda kil içermektedir. Yapılan ön çalışmalara göre M1 ve A6 kodlu kayaçların bağlayıcı üretiminde kullanılabileceği belirlenmiştir. Kayaçlarda yapılan deney sonuçlarına göre; M1 kodlu kayaç %90 kalsit, <%5 kil ve %5-10 kuvars içeren az silikatlı biyomikritik killi kireçtaşıdır. A6 kodlu kayaç grimsi renkli, ince tane boyutlu, homojen görünümlü, %25-40 kil, %40-45 kalsit, %10-15 dolomit ve %10-15 kuvars içeren bir killi kireçtaşı olduğu tespit edilmiştir. Seçilen hammaddeler ile eş koşullarda üretim sağlanabilmesi için fırın içinde oluşturulan havuza her kalsinasyon işleminde 1800 gr hammadde koyulmuştur. Bu miktar havuz içine sığabilecek maksimum miktara göre belirlenmiştir. Kalsinasyon sıcaklıkları literatür çalışmaları dikkate alınarak 750-850-950-1050 oC olarak ve her sıcaklık için maksimum sıcaklıkta bekleme süresi 300 dakika olarak belirlenmiştir. Kalsine edilmiş kayaç kırıklarının soğutma işlemi fırın içinde ve yavaş şekilde yapılmış, daha sonra öğütülmüş ve elenmiştir. Hammaddenin fırına yüklenmesinden soğumasına kadar geçen toplam süre ortalama 24 saattir. M kodlu bağlayıcılarda yapılan X-ışını difraksiyon (XRD) analizi sonucuna göre kalsinasyon sıcaklığı arttıkça bağlayıcı içerisindeki kalsit (CaCO3) oranı azalırken larnit (C2S + C3S) oranı artmaktadır. Kalsinasyon sıcaklığı arttıkça kalsine olmamış kayaç kalıntılarının azaldığı belirlenmiştir. A kodlu bağlayıcılarda sıcaklık arttıkça vollastonit (CaO.SiO2) oranının arttığı görülmektedir. A kodlu bağlayıcılarda anhidrit (CaSO4) olduğu belirlenmiştir. Puzolanik aktivite deneyi sonucuna göre; kireç katkısının killi malzeme oranı yüksek A kodlu bağlayıcıların mekanik özelliklerini iyileştirdiği anlaşılmaktadır. A850 ve A950 kodlu örneklerin kendi başına da bağlayıcılık özelliği göstermesinden dolayı bu bağlayıcılar puzolan olarak sınıflandırılması mümkün değildir. A750 kodlu örneğin kendi başına bir bağlayıcılık göstermemesinden ve puzolanik aktivite deneyinde basınç dayanımının 4 N/mm2 değerinden yüksek olması dolayısıyla yapay puzolan olarak isimlendirilebilir. Harçlarda yapılan deney sonuçlarına göre; M850 kodlu bağlayıcı ve ticari ürün olan NHL3,5 ve NHL5 kodlu hidrolik kireçler ile hazırlanan harçların benzer fiziksel ve mekanik özellikler taşıdığı belirlenmiştir. M950 kodlu bağlayıcının su ile karıştırılması sırasında harcın hafif ısındığı (44,7 oC) ancak M1050 kodlu bağlayıcının su ile karıştırılması sırasında yüksek ısı (68,7 oC) oluştuğu (ekzotermik reaksiyon) gözlenmiştir. Söz konusu durumun bu tip bağlayıcıların şantiye uygulamalarında zorluk yaratacağı düşünülmektedir. M750 kodlu bağlayıcı ile üretilen harçlarda 91. günden sonra basınç ve eğilme dayanımında azalma tespit edilmiştir. Bu durumun harç içerisindeki serbest kirecin (kalsiyum hidroksit) zamanla uğradığı hacim artışına bağlı olduğu düşünülmektedir. M kodlu harçlarda bağlayıcının kalsinasyon sıcaklığı arttıkça basınç dayanımı artmaktadır. A kodlu harçların X-ışını difraksiyonu (XRD) analizi sonucunda hidrolik fazlar (C2S ve C3S) izlenmemektedir. Ancak mukavemet artışının su, killi maddeler (SiO2, Al2O3 ve Fe2O3) ve hidrate kirecin (Portlandit, Ca(OH)2) reaksiyonu ile kalsiyum hidrate silikat (C-S-H) ürünleri oluşmasından kaynaklı olduğu düşünülmektedir. A750/Y14,5, A850/Y14,5 ve A950/Y14,5 kodlu harçlarda 6. aydan sonra dayanımlarında düşüş olmuştur. Yüksek nem ortamında kürlenen A kodlu harçların mukavemet kayıplarının anhidritin yavaş hidratasyonu sırasında zamanla uğradığı hacim artışına bağlı olduğu düşünülmektedir. Sabit kıvamlı (Y14,5) M kodlu harçlar için bağlayıcının pişme sıcaklığı arttıkça su/bağlayıcı oranı artarken, A kodlu harçlarda bağlayıcının pişme sıcaklığı arttıkça su/bağlayıcı oranı azalmaktadır. NHL3,5 ve NHL5 ile karşılaştırıldığında üretilen bağlayıcılarla hazırlanan sabit kıvamlı (Y14,5) harçların su/bağlayıcı oranı daha yüksektir. M850, M950, A850, A950 ve NHL3,5 kodlu bağlayıcılarla sabit kıvamda (Y14,5) üretilecek harçların durabilite (donma-çözülme, ıslanma-kuruma, tuz kristalizasyonuna direnç) özellikleri belirlenmiştir. Ayrıca durabiliteyi etkileyen kılcallık katsayısı, serbest rötre, elastisite modülü ve aderansı dayanımı belirlenmiştir. Buna göre; serbest rötre deformasyonu ve ağırlık kaybı laboratuvar koşullarında kürlenen harçlarda kür kabininde kürlenen harçlara oranla daha yüksektir. M kodlu bağlayıcılarla üretilen harçlarda blaine değerleri dikkate alındığında incelik arttıkça laboratuvar koşullarında serbest rötresi artmaktadır. NHL5 bağlayıcısı içeren harç diğer harçlara oranla daha yüksek aderans dayanımına sahiptir. A850 bağlayıcısı içeren harç NHL3,5 bağlayıcısı içeren harca oranla fabrika tuğlası, harman tuğlası ve gazbeton altlıkta daha yüksek aderans dayanımı gösterirken beton panel altlıkta eşit aderans dayanımı, kireçtaşı altlıkta daha düşük aderans dayanımı göstermektedir. M kodlu ve A kodlu bağlayıcılar için pişme sıcaklığı arttıkça statik elastisite modülü ve basınç dayanımı artmaktadır. A kodlu bağlayıcılarla üretilen harçlar M kodlu bağlayıcılarla üretilen harçlara oranla daha rijittir. NHL 3,5/Y14,5 kodlu harcın elastisite modülü A ve M kodlu bağlayıcılarla üretilen harçlara oranlara daha düşüktür. A850 ve A950 bağlayıcısıyla üretilen sabit kıvamlı (Y14,5) harçların tokluğu benzerdir. M850/Y14,5 kodlu harcın tokluğu M950/Y14,5 kodlu harca oranla daha yüksektir. Durabilite deney sonuçlarına göre; donma-çözülme deneyinde M950/Y14,5 7. çevrimde, M850/14,5 21. çevrimde dağılmıştır. A850/Y14,5 ve A950/Y14,5 kodlu harçlarda çatlak gözlenmemiş, yüzeysel dökülmeler olmuştur. Bunun nedeninin A kodlu bağlayıcıların içeriğindeki vollastonit olduğu düşünülmektedir. Islanma-kuruma deney sonucuna göre; en çok ağırlık kaybı M950 kodlu harçlarda olmuştur. En az ağırlık kaybı M850 kodlu harç numunelerinde olmuştur. M kodlu harçlarda bağlayıcıların pişme sıcaklığı arttıkça ıslanma-kuruma deneyi sonucunda numunelerin ağırlık kaybı artmaktadır. A kodlu harçlarda bağlayıcıların pişme sıcaklığı arttıkça ıslanma-kuruma deneyi sonucunda numunelerin ağırlık kaybı azalmaktadır. Tuz kristalizasyonuna direnç deneyi sonucuna göre; M850, M950 ve NHL5 içeren harç numuneleri 8. çevrimde dağılmıştır. NHL3,5 ve A950 içeren harç numuneleri 4. çevrim sonunda dağılırken, A850 içeren harç numuneleri 6. çevrim sonunda dağılmıştır. Sonuç olarak; Mersin ve Adana'dan getirilen killi kireçtaşları ile çeşitli doğal hidrolik bağlayıcılar üretilmiştir. M850 kodlu bağlayıcının hem tarihi yapılarda onarım ve koruma işlerinde hem de çağdaş yapılarda iç ve dış sıvalarda bağlayıcı olarak kullanılabileceği düşünülmektedir. M950 ve M1050 kodlu bağlayıcıların hidratasyon sırasında ısınmaları nedeniyle şantiye uygulamalarında zorluk yaratacağı düşünülmektedir. A750 kodlu bağlayıcı ile üretilen harç numunesi içerdiği serbest kirecin zamanla hacim artışına uğraması nedeniyle 91. günden sonra dayanım kaybı yaşanmıştır. A750, A850 ve A950 kodlu yüksek kil içeren bağlayıcıların kireç katkı ile mekanik özellikleri iyileştiği görülmektedir. A750 kodlu toz malzemenin yapay puzolan olduğu belirlenmiştir. A850 ve A950 kodlu bağlayıcıların larnit (C2S ve C3S) fazı içermemesine rağmen suyla birlikte killi maddelerin (SiO2, Al2O3 ve Fe2O3) hidrate kireci (portlandit, Ca(OH)2) bağlayarak kalsiyum hidrate silikat (C-S-H) ürünleri oluşturarak bağlayıcılık özelliği kazandığı düşünülmektedir. A1050 kodlu toz malzemenin bağlayıcılık özelliği belirlenememiştir. A750/Y14,5, A850/Y14,5 ve A950/Y14,5 kodlu harçlarda 6. aydan sonra dayanım kayıplarının yüksek nemli kür ortamında anhidritin yavaş hidratasyonu sırasında zamanla uğradığı hacim artışına bağlı olduğu düşünülmektedir.