Yüksek fırın cürufu
Malzeme

Yüksek Fırın Cürufu – Betonda Kullanımı

Yüksek Fırın Cürufu

Yüksek fırın cürufu nasıl elde edilir

Yüksek fırın cürufu çeşitli metalürji tesislerinden elde edilen yan ürünlerden elde edilir. Ham demirin üretimi esnasında atık madde olarak ortaya çıkar. Cürufların kimyasal kompozisyonları ve özellikleri, elde edildikleri sanayi kuruluşlarının ürettiği ana ürün tipine ve üretim tekniğine de bağlı olarak birbirinden çok farklılık gösterir. Örneğin, yüksek fırın cüruflarının kendi başına da bağlayıcılık özelliği olmasına karşın, bakır ve nikel cürufları sadece puzolanik özellik gösterirler (Tokyay, 2003).

Yüksek fırın cürufu kullanım alanları

Cürufların, çimento ve beton sektörlerinde çok çeşitli kullanım alanları bulunmaktadır. Geleneksel çelik üretim teknikleriyle elde edilen cüruflar, kristal yapıda olduklarından ya hiç kullanılmaz ya da dolgu malzemesi olarak yollarda ve betonda kullanılır. Buna karşılık, modern çelik üretimi yapan tesislerden elde edilen cüruflar, camsı (amorf) yapıya sahip olduklarından, bunları çimentolu sistemlerde kullanmak mümkündür.

Tüm cüruflar arasında en önemlisi ve en yaygın kullanıma sahip olanı yüksek fırın cüruflarıdır. Fırınlarda en yaygın olarak kullanılan yakıt kok kömürü olup, cevherin yabancı maddelerden arındırılmasına yardımcı olması için flux madde olarak bir miktar kalker taşı da cevherle birlikte üst uçtan fırına girmektedir. Kok kömürünün karbonu, cevherin içerisindeki demiroksitin oksijeniyle birleşerek karbondioksit ve karbonmonoksit olarak fırından ayrılır. Böylece, geride eriyik durumdaki demir ile birlikte, kireç, kok kömürünün külü, silis, alümin, karbon, mangan, fosfor ve sülfür gibi yabancı maddelerden oluşan ve “cüruf’ adı verilen malzeme topluluğunu bırakır. Yoğunluk farkından dolayı, demir ve cüruf ayrı çıkışlarla dışarı alınmaktadır. (Bilim, 2006).

Cürufa Farklı Özellikler Kazandırılması

Fırından çıkarılan cüruf yaklaşık olarak 1400-1600°C sıcaklıkta olduğu için, kullanılmadan önce soğutulması gerekmektedir. Uygulanan soğutma tekniklerine de bağlı olarak cüruf farklı özellikler kazanmaktadır. Cürufun uygun bir forma getirilmesi ve bağlayıcı bir malzeme olarak kullanılması için granülasyon ve peletleme (hava granülasyonu) olmak üzere iki farklı yöntem mevcuttur. Her iki yöntemde de cürufun düzensiz bir camsı yapı kazanması için hızlı bir şekilde soğutulması esastır. Cürufun yavaş bir şekilde soğumasına izin verilmesi durumunda ise, bağlayıcılık değeri olmayan kristal bir yapı ortaya çıkmaktadır (Newman ve Choo, 2003). Öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufları, sodyum hidroksit veya kalsiyum hidroksit gibi aktivatörlerle bir araya getirildiğinde ya da Portland çimentosunun hidratasyonu sonucu ortaya çıkan Ca(OH)2 ile birleştirildiğinde hidrolik özelliğe sahip olur. Bu özellikleri nedeniyle, öğütülmüş granüle yüksek fırın cüruflarını, cüruflu çimentoların üretiminde veya beton yapımında mineral katkı maddesi olarak kullanmak mümkün olmaktadır.

Fiziksel ve Kimyasal Özellikleri Olarak  Yüksek Fırın Cürufu

Yüksek fırın cürufları, yüksek fırınlarda demir üretimi esnasında endüstriyel bir yan ürün olarak üretilir. Demir cevherleri, hematit (Fe2O3), magnetit (Fe3O4), limonit (Fe3O4.nH2O) ve siderit (FeCO3) gibi demiroksit bileşenlerinin yanı sıra aynı zamanda küçük bir miktar silis, alümin, kil, kükürt, fosfor, mangan gibi yabancı maddeleri de bünyesinde barındırmaktadır (Doğulu, 1998).

Yüksek fırın cürufu öğütülmesi

Yüksek fırın cüruflarının hidrolik bağlayıcılığı, ne kadar ince öğütülürse o kadar iyi olacağından, Portland çimentosundan daha ince olacak şekilde en az 400 m /kg inceliğe kadar öğütülmelidir. (Newman ve Choo, 2003). Tablo 3.5’ de değişik ülkelerde üretilen yüksek fırın cüruflarının kimyasal bileşimleri gösterilmektedir.

Tablo 3.5 Yüksek fırın cüruflarının kimyasal bileşimleri (Erdoğan, 2003)

Kimyasal

Bileşim

ABD

Ve

Kanada

Güney

Afrika

Avustralya Türkiye
%
CaO 29-50 30-40 39-44 34-41
SiO2 30-40 30-36 33-37 34-36
Al2O3 7-18 9-16 15-18 13-19
Fe2O3 0.1-1.5 0-0.7 0.3-2.5
MgO 0-19 8-21 1-3 3.5-7.0
MnO 0.2-1.5 0.3-1.5 1.0-2.5
S 0-2.0 1.0-1.6 0.6-0.8 1.0-2.0

Yüksek fırın cürüfu kimyasal yapısı

Granüle yüksek fırın cüruflarının hidrolik özelliklerinin belirlenmesindeki önemli parametrelerden birisi de kimyasal kompozisyonlarıdır. Genel olarak, cürufların alkalinitesi ne kadar yüksekse hidrolik özelliğinin de o kadar iyi olduğu kabul edilir. Cürufların kimyasal kompozisyonlarıyla hidrolik özellikleri arasındaki ilişkiyi belirlemek amacıyla çok sayıda araştırma yapılmış olmakla birlikte, kesin ve basit kurallar bulunmuş değildir (Tokyay ve Erdoğdu, 1997).

Bir granüle yüksek fırın cürufu hidrolik özelliği, belirli bir sınır değere kadar CaO/SiO2 oranının artmasıyla artar. Ancak bu sınır aşıldığında, diğer bir deyişle, CaO miktarının çok yüksek olması durumunda granülasyon güçleştiğinden dolayı hidrolik özellikte azalma görülür. Sabit bir CaO/SiO2 oranı için Al2O3 miktarının artması cürufun aktivitesini artırır. Cüruf içindeki demir ve mangan oksitler dayanım özelliklerini olumsuz etkiler. %10’a kadar MgO bulunmasının dayanıma olumsuz bir etkisi bulunmaz. Ancak, daha yüksek MgO miktarları zararlı etkiler yaratabilir (Tokyay ve Erdoğdu, 1997).

Hidratasyon hızının yükseltilmesi

Granüle yüksek fırın cüruflarının kendi başlarına suyla yaptıkları reaksiyon, Portland çimentolarının hidratasyonuyla karşılaştırıldığında, oldukça yavaş geliştiğinden, araştırmacılar, ağır seyreden bu hidratasyon hızını yükseltebilmek için bu reaksiyonları hızlandıracak çalışmalara yönelmiştir (Tokyay, 2003). Yapılan çalışmalar cürufların; aktivatörlerle veya bir miktar Portland çimentosuyla birlikte kullanılabileceğini ve uygulamalarda kullanılabilecek güçlü bir çimento hamuru meydana getirmek amacıyla, alkali hidroksitlerin yalnız başlarına, yani Portland çimentosundan gelen kalsiyum hidroksit olmadan da, öğütülmüş yüksek fırın cüruflarıyla hidratasyona girebileceğini göstermiştir (Erdoğan, 2003).

Yüksek Fırın Cürufunun Beton Özelliklerine Etkileri

Öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufunun beton üstündeki olumlu ve olumsuz etkilerini özetleyecek olursak (Erdoğan, 2003):

Yüksek Fırın Cürufu – Olumlu Etkileri

  • Taze betondaki işlenebilmeyi artırmaktadır.
  • Taze betonun priz süresini uzatmaktadır.
  • Betondaki terlemeyi azaltmaktadır.
  • Betonun hidratasyon ısısını azaltmaktadır.
  • Sertleşmiş betonun su geçirimliliğini azaltmaktadır.
  • Sertleşmiş betonun sülfat dayanıklığını artırmaktadır.

Öğütülmüş yüksek fırın cürufu – olumsuz yanları

  • Betonun özellikle soğuk havalarda daha geç priz almasına yol açmaktadır.
  • Betonda belirli miktarda sürüklenmiş hava elde edebilmek için daha çok hava sürükleyici katkı maddesine ihtiyaç olmaktadır.
  • İlk zamanlarda beton dayanımı artışı daha yavaş tempoda yer almaktadır.

İşlenebilirlik ve Su İhtiyacı

Yüksek fırın cüruflu betonlar, aynı slump değeri için, Portland çimentoları ile yapılmış betonla kıyaslandıklarında, azaltma miktarı %3’ten fazla olmamasına rağmen, daha düşük su ihtiyacı gösterirler. Bu azalma, çoğunlukla, cüruf partiküllerinin pürüzsüz yüzey dokusuyla ve kimyasal reaksiyonlarda meydana gelen gecikmeyle ilgilidir (Newman ve Choo, 2003).

Yüksek fırın cürufunun klinkere göre daha az bir yüzey pürüzlülüğüne sahip olması ve özgül ağırlığının düşük olması sebebiyle hacimce daha fazla çimento hamuru elde edilmesinden dolayı, cüruf katkılı betonların işlenebilirliği artmaktadır. Ancak bu artış çökme deneyi sonuçlarında tam olarak gözlenememektedir (Wainwright, 1986; Tokyay, 2003).

Terleme

Öğütülmüş granüle yüksek fırın cüruflarının kısmi olarak Portland çimentosuyla yer değiştirilerek kullanılmasının, hidratasyon hızında azalmaya yol açarken, terleme miktarını ve hızını arttırdığını bildirmişlerdir. Bu artışın ana nedeninin, çimento hamurundaki cürufun hidratasyon mekanizmasında gecikmeye yol açması ve böylece hidratasyon ürünlerinin gelişimindeki azalma olduğu düşünülmektedir (Wainwright ve Ait-Aider, 1995).

Hidratasyon Isısı

Cürufların beton içerisinde kullanılması, hidratasyon ısısını azaltarak hem maksimum beton sıcaklığını düşürmekte hem de bu maksimum sıcaklığa erişilen süreyi uzatmaktadır. Ayrıca yüksek fırın cürufu ile birlikte sıcaklık değişim oranı, artan cüruf oranı ile birlikte azalmaktadır. Bu özellik, yüksek sıcaklıkların ortaya çıkmasına engel olduğu için büyük kütle betonlarının dökümünde faydalı olmaktadır. Uygulamada elde edilen sıcaklık azalmaları asıl olarak kesit büyüklüğü, çimento miktarı, cüruf oranı, bağlayıcı bileşenlerin inceliği ve kimyasal kompozisyonu gibi birçok faktöre bağlıdır (Bilim, 2006).

Priz Süresi

Yüksek fırın cüruflarının, Portland çimentolarına göre suyla daha yavaş reaksiyona girmesinden dolayı beton içerisinde cüruf kullanımı, betonun priz zamanında bir artışa neden olmaktadır. Prizlenme zamanında meydana gelen bu uzama, %50’den yukarıdaki yüksek yer değişim oranlarında ve 10°C’den düşük sıcaklıklarda daha fazla olmaktadır (Akçaözoğlu, 2008).

Basınç Dayanımı

Erken yaşlarda, yüksek fırın cüruflu betonların dayanım değerleri kontrol betonuna göre düşüktür. Bunun sebebi, cüruf katkılı betonların, normal Portland çimentosu içeren betonlara göre, dayanım kazanma mekanizmalarının daha yavaş olmasıdır. Çünkü, YFC, reaksiyona girmek için çimentonun reaksiyonu sonucu oluşan Ca(OH)2 ve neme ihtiyaç duymaktadır. Bu sebeple, YFC’nun hidratasyonu, çimentonun hidratasyonundan daha sonra başlamaktadır (Akçaözoğlu, 2008).

Cüruf yer değiştirme oranı arttıkça, mukavemet gelişim oranı da düşmektedir. Ancak, uygun bir nemli ortam ve uygun bir sıcaklık sağlandığında, cüruflu betonların uzun dönem mukavemeti genel olarak Portland çimentosu içeren betonlardan daha yüksek olmaktadır (Brooks ve diğer.,1992; Soroka, 1993).

Çekme Dayanımı

Cüruflu betonların çekme mukavemetleri kontrol betonlarıyla karşılaştırıldığında, ya biraz daha düşük ya da kıyaslanabilecek seviyededir. Hem kontrol hem de cüruflu betonların etkili bir şekilde ıslak kür edilmesi, mukavemet gelişimi için oldukça önem taşımaktadır ( Fernandez ve Malhotra, 1990).

Cüruflu betonların, aynı basınç dayanımına sahip Portland çimentolu betonlara göre biraz daha yüksek çekme mukavemetine sahip olduğunu belirtmektedirler (Newman ve Choo, 2003).

Elastisite Modülü

Yüksek fırın cürufları, portland çimentosu içeren betonlarla kıyaslandığında, belli bir basınç mukavemeti için betonun elastisite modülünü biraz daha arttırıcı etkiye sahiptir (Newman ve Choo, 2003). Ağırlıkça %30-70 oranlarında cüruf içeren ve suda kür edilmiş cüruflu çimento betonlarının sekant elastisite modülleri, erken yaşlarda Portland çimentolu betonlara benzer olmasına karşın, sonraki dönemlerde daha fazla olmaktadır. Ancak, kuru kür edilen cüruflu çimento betonlarının son yaşlardaki elastisite modülleri, ıslak kür edilen cüruflu betonlardan daha düşüktür (Brooks ve ark., 1992).

Dayanıklılık

İyi kür edilmiş betonlarda cüruf katkısı, özellikle yüksek sıcaklıklarda, uzun dönem permeabilitesinde faydalı olmaktadır. Bunun muhtemel sebepleri cüruf katkılı betonlarda 28 gün sonrasında da hidratasyonun devam etmesi; artan cüruf içeriğiyle, toplam boşluk dağılımının daha ince olması ve daha küçük boşluk miktarının giderek artması ve artan kür sıcaklığıyla birlikte, Portland çimentolu betonların boşluk yapısı kabalaşırken, cüruflu betonların boşluk yapısının bundan daha az etkilenmektedir. (Bilim, 2006).

Sülfatlı sular, deniz suları, klorlu sular, karbonatlı sular, termal sular, buz çözücü maddeler vb. ile yapılan uzun süreli deneyler sonucunda, iyi kür edilmiş cüruf katkılı betonların zararlı kimyasal etkiler altındaki performanslarının yüksek olduğu belirlenmiştir (Tokyay, 2003; Newman ve Choo, 2003).

Alkali-silika reaksiyonu, alkali agrega reaksiyonunun en çok bilinen formu olup, bazı agregalarda bulunan silisli mineraller ile çimentodaki alkaliler arasında gerçekleşen reaksiyonların bir sonucu olarak ortaya çıkmaktadır. Bu reaksiyon, zararlı hacim genleşmelerine ve betonun bozulmasına neden olan su emici kalsiyum silika jellerini meydana getirir. Bu zararlı hacim genleşmelerini azaltmanın en etkili yollarından birisi, betonda yüksek fırın cürufu katkısının kullanılmasıdır (Newman ve Choo, 2003).

Beton üretiminde yüksek fırın cürufunun kullanılması, uygun ve yeterli kür uygulanması şartıyla, aşınma dayanıklılığında bir miktar avantaj sağlamaktadır. Ancak, cüruf katkılı betonlar yetersiz kür şartlarından Portland çimentolu betonlara göre daha fazla etkilenmektedirler (Newman ve Choo, 2003).

 

Kaynak

Caner ELİBOL

ALKALİLERLE AKTİVE EDİLEN ÇİMENTO ESASLI MALZEMELERİN BASINÇ DAYANIMLARININ İNCELENMESİ

Paylaşmak Güzeldir

Bunlar da hoşunuza gidebilir...

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir