Uçucu kül, öğütülmüş yada toz halindeki taşkömürü
veya linyit kömürünün, elektrik enerjisi üretimi yapan
termik santrallerde yüksek ısılarda yanması neticesinde
meydana gelen ve baca gazları ile sürüklenen, silis ve
alümino – silisli toz halinde yanma sonucu açığa çıkan
atık maddelere denilir. Çoğunlukla katı parçacıklardır ve biçimleri küreseldir. Üretimi, fiziksel ve kimyasal özellikleri, sınıflandırılması, puzolanik özellikleri ve beton üzerine olan etkileri hakkında bilgi verilecektir.
Uçucu kül üretimi
Elektrik enerjisi üretimi yapan termik santrallerde taş kömürü ve linyit kömürünün yüksek ısılarda yakılması sonucu kazandan çıkan baca gazlarıdır. Üretiminde santralin tipi, işletim şekli, yakılan kömürün cinsi, öğütülme şekli, yakma sıcaklığı, kül toplama sisteminin işleyişi gibi çeşitli faktörler etkilidir. Taş kömürünün yakılması sonucunda %10-15, linyit kömürünün yakılmasında ise %20-50 civarında kül açığa çıkar.
Günümüz teknolojisinde termik santrallerde baca gazlarının tutulması için gelişmiş elektrofiltreler kuruludur.
Elektrofiltrenin çalışma prensibi, bacalarda kül parçacıklarının elektriksel olarak yüklenerek toplanmaları ve sistemden uzaklaştırılmalarına dayanır. Senede 1000 MW’lık bir santralden yaklaşık 650.000 ton kül elde edilmektedir. Uçucu kül daha çok beton katkı maddesi olarak kullanılmaktadır. Beton teknolojisinde doğrudan kum yerine veya çimento ile birlikte doğrudan betona katılarak kullanımı mümkündür.
Uçucu Küllerin Fiziksel Özellikleri
- Renkleri açık griden koyu griye doğru değişiklik gösterebilir.
- Koyu gri renkte olan küller karbon içerir.
- Demir yoğunluklu kömürlerin yanması sonucu açığa çıkan kül rengi açık gri şeklindedir.
- Tam yanma olmazsa içindeki karbondan dolayı siyah renkte olur.
- Santralde iyi yanma gerçekleşirse diğerlerine göre daha açık renkte olur.
- Külün inceliğini etkileyen faktörlerden birisi yanmadan önce kömürün öğütülme derecesidir. Diğer faktör ise küllerin bacadan kaçmasına engel olunmasıdır. Bacadan kaçan kısım azaldıkça incelikte artacaktır.
- Ebatları 0.5 ile 200 mikron arasında değişiklik gösterir.
- Camsı ve çoğunlukla küresel özellikte parçacıklardır.
- Ortalama yüzeyleri 2800 – 3800 cm2 /g civarındadır.
- Yoğunlukları 2.2 – 2.7 gr/cm3 arasında değişir.
- Alüminli amorf yapıda oldukları, ve çok ince taneli olarak elde edildiklerinden dolayı ince taneli doğal puzolanlar gibi, puzolanik özellik göstermektedirler.
Uçucu Küllerin Kimyasal Özellikleri
- Kimyasal yapısında Si0 2 , Fe203 ve MgO’in yer aldığı bileşiklerden meydana gelir.
- Muhteviyatında bulunan karbon miktarı yakma işlemine ve kömürün cinsine göre değişiklik gösterir.
- İçi boşluklu ve boşluksuz, camsal kürecikler süngerimsi mineral parçacıklar ve yanmamış taneciklerden meydana gelirler.
- Kimyasal yapılarında Si. AI, Ca ve S elementleri mevcuttur.
Sınıflandırılmaları
Kimyasal yapısı ve yakılan kömürün türüne göre , ASTM C 618 standardına göre C ve F sınıfı olarak ikiye ayrılmıştır. Kütle miktarı % 10’ dan daha az CAO ihtiva eden küller düşük içerikli uçucu kül olarak isim verilmiştir. %10 dan fazla olması durumunda ise yüksek kireçli uçucu küller ismini alır.
Aşağıda tablo 1’de ASTM C 618’e göre sınıflandırılması verilmiştir.
| Tablo 1. Uçucu Kül Sınıfları (ASTM C618’e göre) | |
| F | SiO2+Al2O3+ Fe2O3 > % 70 bitümlü veya antrasit ( parlak kömürden elde edilen uçucu küller). Yalnızca puzolanik özelliğe sahip. |
| C | SiO2+ Al2O3 + Fe2O3 > % 50 linyit kömüründen elde edilen uçucu kül. Kireç (CaO) içeriği %10 dan fazla olabilir. ( Yüksek Kireçli Uçucu Kül). Puzolanik ve bir miktar bağlayıcılık özelliğine sahip. |
TS EN 197-1 ‘ e göre küller silissi veya kalkersi yapıda olabilir. Silissi V ve kalkersi W uçucu külleri inceleyecek olursak;
Silissi uçucu kül (V)
Çoğunluğu puzolanik özelliklere sahip küresel partiküllerden ibaret ince bir toz olup, esas olarak reaktif silisyum dioksit (SiO2) ve alüminyum oksit (Al2O3)’den oluşur. Geri kalan kısmı ise demir oksit (Fe2O3) ve diğer bileşikleri ihtiva eder.
Kalkersi uçucu kül (W)
Hidrolik ve/veya puzolanik özellikleri olan ince bir toz olup, esas olarak reaktif kalsiyum oksit (CaO), reaktif silisyum dioksit (SiO2) ve alüminyum oksit (Al2O3)’den oluşur. Geri kalanı demir oksit (Fe2O3 )ve diğer bileşikleri ihtiva eder.
Reaktif kalsiyum oksit oranı kütlece % 10’ dan az olmamalıdır. % 10 – % 15 arasında reaktif kalsiyum oksit ihtiva eden kalkersi külün, reaktif silisyum dioksit muhtevası kütlece % 25’ den az olmamalıdır. Tablo 2’ de Türkiye’de elde edilen bazı uçucu küllerin kimyasal kompozisyonları TS 639 ve ASTM C 618 sınır değerleri ile birlikte verilmiştir.
| Tablo 2 Türkiye’de bulunan bazı termik santrallerdeki uçucu küllerin kimyasal kompozisyonları | |||||||
| Oksitler | Tunçbilek | Çatalağzı | Çayırhan | Afşin- Elb. | TS 639 sınırları | ASTM C 618 sınırları | |
| F | C | ||||||
| S1O2 | 58.59 | 56.8 | 49.13 | 27.4 | – | – | – |
| Al2O3 | 21.89 | 24.1 | 15.04 | 12.8 | – | – | – |
| Fe2O3 | 9.31 | 6.8 | 8.25 | 5.5 | – | – | – |
| S+A+F | 89.79 | 87.7 | 72.42 | 45.7 | > 70 | > 70 | > 50 |
| CaO | 4.43 | 1.4 | 1.7 | 47.0 | – | – | – |
| MgO | 1.41 | 2.4 | 4.76 | 2.5 | < 5 | < 5 | < 5 |
| Na2O | 0.24 | (N+K)0.3 | 2.2 | (N+K)0.3 | – | < 1.5 | < 1.5 |
| K2O | 1.81 | – | 1.76 | – | – | – | – |
| SO3 | 0.41 | 2.9 | 4.30 | 6.2 | < 5 | < 5 | < 5 |
| Kızd. K. | 1.39 | 0.6 | 0.52 | 2.4 | < 10 | < 12 | < 6 |
Uçucu küllerin Puzolanik Özellikleri
Puzolanların kendi başlarına hidrolik bağlayıcılıkları yoktur. Ama çok ince öğütüldüklerinde kalsiyum hidroksille uygun nem ve ısıda reaksiyona girerek bağlayıcı özellik kazanırlar. Puzolanlar klinkerle beraber öğütülerek çimento üretiminde kullanılırlar. Şantiyede beton yapımında değişik oranlarda katılarak kullanılır. Uçucu küller puzolanik özelliktedir. Çimentoya veya klinkere katılan küllerin Türk Standartlarında belirlenmiş standartları vardır. Bu standartlara uyan küller çimento ve beton üretiminde kullanılabilirler.
İnşaat Sektöründe Uçucu Kül Kullanımı
Fiziksel, kimyasal ve mineralojik yapıları incelendiğinde, inşaat sektöründe kullanılabilen bir malzeme olduğu anlaşılmıştır. Enerji üretiminde sağlanan ekonomiye ilave olarak ekolojik dengeyi korumak ve çevre kirliliğini önlemekte kullanılmasının başka bir nedeni olabilir.
İnşaat sektöründe uçucu kül;
- Çimento üretiminde
- Beton katkı malzemesi olarak katkı malzemesinde
- Kerpiç, tuğla ve gazbeton duvar üretiminde
- Yalıtım malzemesi üretiminde
- Baraj ve yol yapımında kullanılmaktadır.
Tablo 3’de inşaat sektöründe kullanıldığı alanlar gösterilmiştir.
| Tablo 3 Uçucu küllerin inşaat sektöründe kullandığı alanlar | |
| Malzeme | Kullanım amacı ve yeri |
| Çimento | Hammadde, katkı ve ikame malzemesi olarak |
| Agrega | İnce ,iri ve hafif agrega olarak |
| Beton | Katkı ve ikame malzemesi olarak |
| Tuğla, ateş tuğlası | Katkı malzemesi olarak |
| Kerpiç | Bağlayıcı malzeme olarak |
| Yapı Malzemeleri | Blok, panel, duvar, gaz beton, beton boru, boya, seramik, plastik, harç |
| Uygulamalar | Baraj, otoyol, nükleer santral, geoteknik |
Uçucu Küllerin Beton Özelliklerine Etkisi
Beton üzerine olumlu ve olumsuz etkileri şunlardır;
Uçucu Külün Olumlu Etkileri
- İşlenebilirliği arttırır.
- Su gereksinimini arttırmazlar ve düşük bir su-çimento oranı sağlarlar
- Hidratasyon ısısını düşürürler. Termik rötre ve çatlama olmaz.
- Beton basınç dayanımı açısından olumlu sonuçlar verir.
- Ekonomi sağlar.
- Çevre kirliliğini azaltır.
Uçucu Külün Olumsuz Etkileri
- Betonun erken yaştaki basınç ve eğilme dayanımları düşüktür.
- Kür süresi uzun tutulmalıdır.
- Priz süresini geciktirir.
İşlenebilirlik
Uçucu kül katkılı betonların işlenebilir olması katkısız betonlara göre daha iyidir. Bunun nedenlerinden birisi külün portland çimentosundan daha az yoğunlukta olmasıdır. Çimento ağırlığının bir kısmında kül kullanılırsa betondaki bağlayıcı hamurun hacmi artar. Bağlayıcı hamurun hacminin artması agregaların arasını daha iyi doldurmasını sağlar. Bu sayede plastiklik sağlanarak işlenebilirlik artar.
Diğer bir neden ise küllerin küresel olan yapıları nedeniyle iç sürtünme azalır ve betonun akışkanlığı çoğalır. Bağlayıcı hamurun hacminin artışı ve sürtünmenin azalmasına bağlı olarak akıcılığın sağlanması sayesinde taze betonun pompalanabilir olması artmakta, beton daha kolay işlenmekte ve yüzeyi daha kolay düzeltilebilmekte, kalıp daha kolay sökülebilir hale gelmektedir.
Su ihtiyacı
Küresel bir yapıya sahip olduklarından su gereksinimini arttırmazlar ve düşük bir su-çimento oranı ile istenilen işlenebilirlik sağlarlar. Yapılan araştırmalar çimento miktarının yüzde 20 kadar azaltılıp yerine kül kullanıldığında su miktarının yüzde 7 kadar azaldığını göstermektedir.
Priz süresi
Priz süreleri katkısız betonlara kıyasla daha fazla sürede gerçekleşmektedir.
Hidratasyon ısısı
Uçucu kül kullanımından dolayı portland çimento miktarı azalacağı için hidratasyon ısısı katkısız betondan daha az olacaktır.
Basınç ve Çekme Dayanımı
İlk zamanlarda beton dayanımı katkısız betonlara göre daha az olsa da nihai dayanımı epey yüksek olacaktır.
Dayanıklılık
- Su geçirimliliği katkısız betonlara göre daha az olduğu için dayanıklılığı daha fazladır.
- İnce taneli bir katkı olmasından dolayı terleme sebebiyle betonda oluşacak boşluklar azalır.
- Beton içerisinde açığa çıkan hidroksit ile tepkimeye girerek jel oluşturur. Çimento hamuru içerisinde jel miktarı artar ve kılcal boşluk oranı azalır. Bundan dolayı dayanıklılık artmış olur.
- Sülfata karşı dayanıklılığı daha fazladır. Bunun nedenin portland çimentosunun azalmasına bağlı olarak sülfat reaksiyonuna yol açabilecek C3A miktarının azalmasıdır. Ayrıca, puzolan katkılı betonlardaki hidratasyon, önce Portland çimentosu ile su arasında başlamaktadır. Puzolanların reaksiyon gösterebilmeleri; C3S ve C2S anabileşenlerinin hidratasyonu ile ortaya çıkan kalsiyum hidroksitin kullanılmasıyla gerçekleşmektedir. Yani puzolan katkılı betonlarda daha az miktarda kalsiyum hidroksit yer almaktadır. Buda, sülfat ve kalsiyum hidroksit arasındaki reaksiyon sonucunda oluşabilecek alçıtaşı miktarının az olmasına neden olmaktadır.
