TS 13353 Borlu Aktif Çimentonun Standardı Yayımlandı

Borlu Aktif Belit (BAB) Çimentonun önemli beton yapılarda kullanımının bir Türk Standardına uygun olarak üretimini gerektirmesi sebebiyle başlatılan çalışmalar sonuçlandı. Bu konuda telif bir standart hazırlanması için Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü’nün (BOREN) gözetiminde DSİ TAKK Daire Başkanlığı ve Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği (TÇMB) arasında oluşturulan teknik komisyon ile TSE Başkanlığı’na bağlı İnşaat İhtisas Grubu’nun birlikte yürüttükleri çalışmalar tamamlanarak, 06.03.2008 tarihinde düzenlenen TSE Teknik Kurulu’nda TS 13353 standart numarası ile BAB Çimentosu, TS EN 197-1 standardında yer alan 27 çimentoya ilave edildi. Böylece toplam çimento türü sayısı 28 oldu.

Gerçekleştirilen bu çalışmayla TSE, BOREN, TÇMB ve DSİ’nin katkıları ile çok önemli sayılabilecek bir çimento ürününün iç ve dış piyasalarda ülke ekonomisindeki yerini almasında ve borun bir filizi olan kolemanitin ülke ekonomisine kazandırılmasında önemli bir adım atılmış oldu.

Borlu Aktif Belit Çimentosu
Portland çimentosu Joseph Aspdin tarafından 1824 yılında keşfinden bugüne kadar birçok değişikliğe uğramış ve henüz alternatifi olmayan ender malzemelerden biri olarak kalmayı başarmıştır. Portland çimentosu, betonun en temel bileşenidir ve içinde bulundurduğu kalsiyum, silisyum, alüminyum, demir oksitler ve diğer bileşenlere ilave olarak katılan alçıtaşı ile öğütülmesi sonucu su altında dahi sertleşebilen hidrolik bir bağlayıcı olmaktadır. Günümüzde dünyada sudan sonra en çok tüketilen malzeme betondur. Portland çimentosu içerisinde kütlece yaklaşık %85 civarında kireç ve silis bulunur. Üretiminde hammadde olarak kireçtaşı, kil, silis kumu ve demir cevheri gibi malzemeler kullanılmaktadır. Hammaddelerin belirli oranlarda karıştırılması ve 1450ºC’nin üzerindeki sıcaklıklarda pişirilmesi ile normal şartlar altında Portland çimentosu klinkeri 4 ana fazdan ibaret oluşmaktadır. Bu dört ana faz, Alit (C3S), Belit (C2S), Alüminat (C3A) ve Ferrit’dir (C4AF). Bunlara ilave olarak çimentonun su ile olan reaksiyonunda priz süresini düzenleyici olarak alçıtaşının öğütme işlemi esnasında katılması ile bildiğimiz Portland çimentosu elde edilmektedir. Farklı tipteki mineral katkıların Portland çimentosu içerisine farklı oranlarda ikame edilmesi sureti ile birçok katkılı çimento elde edilmektedir.

Normal bir Portland çimentosunun üretilmesi esnasında 1 ton klinker üretimi sonucunda yaklaşık 0,95 ton CO2 emisyonu oluşmaktadır. Dünyada bugün için toplam çimento üretiminin 2,5 milyar tonun üzerinde olduğu düşünüldüğünde yaklaşık aynı miktar CO2 gazının da atmosferi kirlettiği ve küresel ısınmaya yol açtığı aşikardır. Küresel ısınmanın da kutuplardaki buzulları eriterek dünyadaki su seviyesinin yükselmesine neden olduğu ve doğanın dengesinin giderek bozulduğu görülmektedir. Ayrıca, dünyadaki kuraklığın da küresel ısınmadan kaynaklandığı düşünülmektedir.

Günümüzde sürdürülebilir teknoloji için enerji, doğal kaynaklar ve çevrenin korunması üç önemli yürütücü kuvvet olarak karşımıza çıkmaktadır. Dünyada toplam CO2 emisyonunun yaklaşık %8’i Portland çimentosunun üretimi nedeniyle oluşmaktadır. Küresel ısınmada en önemli rolü oynayan CO2 gazı emisyonunun azaltılması amacıyla birçok araştırma ve girişimler başlatılmış ve devam ettirilmektedir. Yakın gelecekte çimento üretimi ile ilgili olarak aşağıdaki faktörlerin ciddi şekilde dikkate alınması beklenmektedir:
1. Alternatif yakıt kullanımıyla maliyetlerin önemli ölçüde azaltılabilmesi,
2. Alternatif hammadde kullanımıyla enerji ve CO2 emisyonunda ve maliyetlerde düşüş,
3. Teknolojideki gelişmeye paralel olarak çimento kullanım alanlarının genişlemesi,
4. Türkiye’nin Kyoto Protokolü’nü imzalaması durumunda CO2 emisyonlarına sınırlama getirilmesi.

Çimento üretimi esnasında kireçtaşının pre-kalsinasyonu ve kalsinasyonu esnasında yaklaşık 1000ºC sıcaklıklara ulaşılmakta ve sonuçta büyük oranda enerji kaybı meydana gelmekte ve kullanılan yakıt ile kireçtaşından da atmosfere CO2 emisyonu gerçekleşmektedir. Portland çimentosu üretimi esnasında toplam CO2 emisyonunun %50’si kireçtaşının kalsinasyonu sonucunda ortaya çıkmaktadır. Borlu aktif belit (BAB) çimentosu ile kullanılan kolemanitin B2O3 tenörüne bağlı olarak CO2 emisyonunda %25’lere varan oranlarda azalma ve enerjide kayda değer oranda (en az %10) tasarruf sağlanacağı öngörülmektedir. Bu çimentonun üretilmesine neden olan etkenlerin başında bu faktörler gelmektedir.

Borlu Aktif Belit Çimentosu Nedir?
Bor katkılı çimento, bir bor minerali olan Kolemanit’in düşük tenörlü kısmının, diğer çimento hammaddelerine (farin) ilave olarak çimento üretiminde belirli bir miktarda kullanılması sonucunda üretilen bir tür çimentodur. Kullanım oranı nihai ürün (Portland çimentosu) içerisinde %2,5 veya %3 civarında B2O3 verecek şekilde ayarlanmaktadır. Hammadde içindeki bu oran (Kolemanit oranı) genellikle %10 civarındadır. Kolemanit minerali (Ca2B6O11.5H2O) büyük oranlarda sadece Türkiye ve ABD’de bulunmaktadır. Kolemanitin kimyasal yapısında %28 CaO, %6,5 SiO2, %42 B2O3 ve %23,5 H2O bulunmakta ve çimento üretimi için gerekli olan hammaddeleri de bünyesinde barındırmaktadır. Bu mineralde, çimento özelliklerini olumsuz etkileyecek hiçbir kimyasal bileşen bulunmamaktadır. Kireçtaşının yerine kullanılması ile klinker pişirme sıcaklığı 1450ºC ve daha üzeri sıcaklıklardan 1325ºC’lere düştüğünden, büyük oranda enerji tasarrufu ve CO2 emisyonunda %25’lere varan azalma sağlanmaktadır.

Bor katkılı çimento üretimi esnasında, döner fırının sıcaklığı 1450ºC’nin üzerinde dahi olsa C3S fazı hiç oluşamamaktadır ve onun yerine C2S’in yüksek sıcaklık polimorşarından α ve α′ – C2S kristal yapısına sahip oldukça aktif ve kararlı belit fazının oluşması sağlanmaktadır. α ve α′ – C2S fazı normal Portland çimentosunda oluşan β – C2S fazından daha aktif, kararlı ve hidratasyonu daha hızlıdır. BAB çimentosunda C3S fazı aslında bor oksit nedeniyle oluşamamaktadır. Bu nedenle bu çimento “Borlu Aktif Belit (BAB) Çimentosu” olarak adlandırılmaktadır.

Çimentonun dört ana fazından (C3S, C2S, C3A ve C4AF) hidratasyon ısısı yüksek ve oldukça reaktif olan C3S fazının oluşmaması ve C3A oranının da tercihen %7’den az olması, kütle betonlarında bu tip çimento kullanımında önemli avantaj sağlamaktadır. Bu iki fazın oranları azaldıkça, çimentonun hidratasyon hızı özellikle erken yaşlarda oldukça düşük seviyelerde seyretmektedir. Ancak, çimentoda fazlaca oluşan reaktif α ve α′ – C2S ileri yaşlarda yüksek dayanımlar verdiğinden, betonda çimento dozajında tasarruf sağlanabilmektedir.

BAB Çimentosunun Genel Özellikleri
BAB Çimentosu ile üretilen betonların normal Portland çimentosu ile yapılanlara göre erken dayanım değerleri (3 ve 7. güne kadar) daha düşük görülmekte ancak alınabilecek bazı basit önlemler ile (inceliğinin artırılması veya priz hızlandırıcı ve akışkanlaştırıcı katkıların kullanımı gibi) bu sorun çözüme kavuşturulabilmektedir. BAB çimentosunun uzun vadede dayanımları (28 ve 90 günden sonra) normal Portland çimentosunu geçmektedir. BAB çimentosunun 90 günden sonra da dayanımının artmaya devam ettiği gözlenmiştir.

BAB Çimentosu ile yapılan betonların normal Portland çimentosu ile yapılan betona göre boşluk oranı (kapiler boşluklar) çok daha düşük olduğundan daha sıkı bir yapıya sahip olan (kompasitesi yüksek) betonun dayanımı ve dayanıklılığı da bu oranda yüksek olacaktır. Boşluk oranı diğer normal çimentolara göre çok daha düşük olduğundan aynı nispette geçimsizliği de yüksek olmaktadır. Geçirimsizliği yüksek olan betonların durabilitesi ve servis ömrü daha uzun olacaktır.

BAB Çimentosu TS EN 197-1’de yer alan çimento tanımına aynen uymaktadır. BAB Çimentosu klinkerinin ana bileşeni aktif belit fazı olan dikalsiyum silikattır (α ve α′- C2S modifikasyonları). BAB Çimentosunun hidrolik sertleşmesini sağlayan öncelikle aktif belit fazının hidratasyonu olup, diğer çimento fazları da sertleşme sürecinde rol alabilirler.

BAB Çimentosunun hidratasyon ısısı çok düşük olduğundan özellikle ince kemer tipindeki baraj kütle betonlarında kullanılması çok uygundur. Bu çimentonun kullanılması ile ön-soğutma ve art-soğutma gibi yüksek maliyetli işlemlerin kaldırılması mümkündür. Kütle betonlarında kullanılacak olan çimentoların toplam hidratasyon ısısı değerlerinin 7 gün ve 28 günde sırasıyla 60 cal/g ve 70 cal/g değerlerini (kütle betonları için hidratasyon ısısı kriterleri) aşmaması gerekmektedir. BAB Çimentosunda 7 günde 50 Cal/g ve ve 28 günde 60 Cal/g’dan daha düşük değerler elde edilmiştir. Bu özelliği ile çok düşük hidratasyon ısılı (7 günde < 52,5 Cal/g) çimentoda aranan hidratasyon ısısı kriterini rahatlıkla sağlamaktadır. Hidratasyon ısısının düşüklüğü sıcak havalarda kimyasal reaksiyonlara yardımcı olarak priz, sertleşme ve dayanım artışının normal sürelerde oluşmasına katkıda bulunur. Buna karşın, soğuk havalarda BAB Çimentosu kullanılarak dökülen betonlarda, priz hızlandırıcı ve orta ve/veya yüksek oranda su azaltıcı kimyasal katkıların bir arada kullanılması gereği dikkate alınmalıdır.

Diğer bir önemli bulgu, BAB Çimentosu kullanılarak hazırlanan betonun karışım suyu ihtiyacının, PÇ kullanılana göre daha az olmasıdır. Bunun nedeni, BAB Çimentosu ile yapılan betonun çökme (slamp) kaybının çok az olmasıdır. BAB Çimentosu kullanılarak imal edilen düşük kıvamlı beton için hedeşenen dayanım değeri, daha düşük çimento dozajı ile sağlanabilir. Bu özelliği ile BAB Çimentosunun hazır beton sektöründe avantaj sağlayacağı açıktır.

BAB Çimentosu ile Elde Edilebilecek Teknik ve Ekonomik Faydalar
1. Çimento fabrikaları, klinkeri döner fırında 1450ºC yerine 1325ºC’ta pişirmek suretiyle daha düşük enerji sarf edecek ve CO2 emisyonunda %25’lere varan oranda azalma sağlanacaktır.
2. Kolemanit’in düşük tenörlü kısmının çimento sektöründe kullanılmasıyla yeni bir pazar payı oluşması sağlanacaktır.
3. Çok düşük hidratasyon ısısına sahip olması, kütle betonları için ideal bir çimento olmasını sağlamaktadır. Bu çimentonun kullanılması ile kütle betonlarında ön-soğutma ve art-soğutma işlemlerinde büyük tasarruf sağlanacaktır. Ayrıca, kütle betonlarında çok sık rastlanılan termal çatlak oluşumlarının önüne geçilmesi ile betonda hasar oluşma ihtimali ortadan kaldırılmış olacaktır.
4. BAB Çimentosu ile imal edilen betonlar, PÇ ile imal edilen betonlara göre daha az çökme kaybına uğradığından, daha düşük çökme değerine sahip beton imal edilebilmesi sonucunda, betonda daha düşük su/çimento oranı kullanılmasına imkan sağlamaktadır. Bu sayede, betonda çimento dozajı düşürülebilmektedir.
5. BAB Çimentosu kullanılan beton ile PÇ kullanılan betonların su geçirgenliklerinin karşılaştırılması sonucunda, 275 kg/m³ dozajlı BAB Çimentosu kullanılan beton suya ve kimyasallara karşı geçirimsizlik sağladığı, PÇ kullanılan betonda bu özelliğin sağlanması için 400 kg/m³ dozajının kullanılması gerektiği belirlenmiştir. Bu özellikler, BAB Çimentolu betonun dayanıklılık ve zararlı etkiye sahip ortamlarda kullanılma bakımlarından önemli derecede üstünlüğe sahip olduğunu göstermektedir.
6. Yukarıdaki maddede (Madde 5) belirtilen sonuçların teyit edilmesi amacıyla aynı betonlar klorür iyonları penetrasyonuna karşı gösterdikleri direnç yönünden de değerlendirmeye alınmışlardır. BAB Çimentosu ile yapılan 250 ila 300 kg/m³ dozajlı betonların geçirgenlik sınıfı orta dereceli çıkarken, normal PÇ ile yapılan 350 ila 400 kg/m³ dozajlı betonun geçirgenlik sınıfı yüksek dereceli çıkmıştır. Bu durumda, BAB Çimentosu kullanımı ile çok yüksek oranda çimento tasarrufu sağlanabilecek ve dayanıklılık bakımından çok zararlı ortam şartlarına dirençli beton yapıların inşası mümkün olacaktır.
7. Özellikle su ve kimyasallara karşı geçirimsizliğin önemli olduğu her türlü beton yapıda (beton yollar, büyük sulama kanalları, ön yüzü beton kaplı barajlar, kemer barajlar, baraj dolusavakları, köprü ve viyadükler) BAB Çimentosunun kullanılması birçok avantajı da beraberinde getirecektir.