Çimento teknolojisinde sürfaktanların kullanımı ile sürdürülebilir çimento üretimi

Sürdürülebilirlik, yaşadığımız dünyanın refahı, sürekli büyüme ve insani gelişmeler açısından oldukça önemli bir kavramdır. Beton dünyada en çok kullanılan yapı malzemelerinden birisidir. Bununla birlikte, betonun vazgeçilmez bir unsuru olan Portland çimentosunun üretimi esnasında önemli miktarda CO2 salınımı yapılarak sera etkisine neden olmaktadır. Bir ton Portland çimentosu üretimi sırasında atmosfere yaklaşık bir ton CO2 salınımı yapılmaktadır. Doğal kaynakların korunmasına ek olarak sera gazlarına ilişkin çevre sorunları, çimento ve beton endüstrisinin sürdürülebilir gelişiminde öncü bir rol oynamaktadır. İlerleyen yıllarda, kireçtaşı rezervlerinin azalmasıyla inşaat sektörü için yeterli miktarda Portland çimentosu üretmek daha zor olacaktır. Kireçtaşı rezervleri tükendiğinde Portland çimentosu üretimi duracak ve yeni inşaat projelerinin yanı sıra beton endüstrisi ile ilgili tüm istihdam da sonlanacaktır. Bu yüzden gelecekteki beton ve betonarme yapılar için sürdürülebilir çözümler aramak gereklidir. Çimento sektörü, sürdürülebilir kalkınma için çeşitli tedbirler alarak bunları uygulamaya başlamıştır. Bu uygulamalar arasında; gelişmiş ön ısıtma teknolojileri (yeni süspansiyon ön ısıtma teknolojisi), atık ısı kazanımı (organik rankine çevrimi ve kaline çevrimi), alternatif yakıtların kullanımı (atık yağ ve lastiklerin kullanımı vb.), oksijen yakıtı ile yanma teknolojisi kullanımı, amin ve amonyak esaslı solventler ile CO2 yakalanması, endüstriyel atıkların kullanımı (uçucu kül, yükse fırın cürufu vb.) ve öğütme kolaylaştırıcı katkı kullanımı yer almaktadır. Bu çalışmada; farklı karmaoksit içeriğine sahip dört klinker ile farklı oranlarda uçucu kül ve çimento öğütme kolaylaştırıcıları kullanılarak laboratuvar ortamında çimentolar üretilmiştir. 1. aşamada Taguchi L16 serisi kullanılarak 16 adet uçucu kül ve öğütme kolaylaştırıcı/mukavemet arttırıcı katkılı çimento ve 4 adet referans çimento olmak üzere 20 adet çimento üretilmiştir. Uçucu kül Seyitömer Termik Santrali'nden temin edilerek klinker yerine ağırlıkça %5. 15, 25 ve 35 oranlarında kullanılmıştır. Öğütme işlemi esnasında 2 adet öğütme kolaylaştırıcı ve 2 adet mukavemet arttırıcı kimyasal katkı 500, 600, 700, 800 g/t dozajında kullanılmıştır. Çimentolar klinker, alçıtaşı ve uçucu külün birlikte öğütülmesi ile elde edilmiştir. Bu aşamada üretilen çimentolar ile hazırlanan harçlar üzerinde; taze hal özellikleri, mekanik özellikleri, boyutsal kararlık, sülfat dayanıklılığı, su emme ve maliyet gibi parametreler dikkate alınarak optimizasyon yapılmıştır. Optimizasyon sonucunda (2. aşama) özellikleri iyileştirilmiş 4 adet uçucu kül ve öğütme kolaylaştırıcı katkılı çimento, 3 adet referans çimento olmak üzere toplam 7 adet çimento üzerinde durabilite deneyleri gerçekleştirilmiştir. 2. aşamada üretilen çimentolardan elde edilen harçlar üzerinde; sülfat (Na2SO4-MgSO4) ve asit etkisi, karbonatlaşma, deniz suyu etkisi, yüksek sıcaklık etkisi, alkali silis reaksiyonu etkisi gibi durabilite deneyleri gerçekleştirilmiştir. 3. aşamada sodyum sülfat, magnezyum sülfat, sülfürik asit ve deniz suyu etkisine maruz çimento pastaları üzerinde SEM/EDS analizleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmada çimentolardaki C3A içeriğinin azalması ve C3S içeriğinin artması ile öğütülebilirliğin önemli ölçüde arttığı görülmüş ve öğütme performansı açısından C3S/C3A oranının önemli bir parametre olduğu belirlenmiştir. Öğütülebilirliği zor olan klinkerlerde uçucu kül kullanılması çimento özelliklerine katkı sağlamaktadır. Uçucu kül içeriği arttıkça çimentoların Blaine incelik değerleri artarken ortalama tane boyutları azalmıştır. Uçucu kül katkılı çimentolarda, hem öğütülebilirlik hem de dayanım açısından C3S içeriği yüksek klinker kullanımı daha uygun olmuştur. Erken yaş dayanımı açısından en etkili parametre uçucu kül oranı olmuştur. Uçucu kül içeriğinin artması ile erken yaş dayanımları azalmıştır. İnceliği yüksek ya da tane boyutu küçük olan çimentoların daha fazla büzülme gösterdiği ancak bu etkinin uçucu kül kullanımı ile azaldığı tespit edilmiştir. Uçucu kül katkısı, çimentolarda asit ve sülfat etkisi ile oluşan genleşmeleri azaltmıştır. MgSO4 harçlarda genleşmeden çok fiziksel bozulmaya yol açarken Na2SO4 harçlarda daha çok genleşeme hasarı meydana getirmiştir. SEM/EDS analizlerinde ise sülfat ve asit etkisinde çimento pastalarında etrenjit varlığı tespit edilmiştir. Ayrıca uçucu küllü çimentolarda C-S-H yapısının Ca/Si oranı azalmıştır. Deniz suyu içerisinde bekletilen çimento pastası örneklerinde de etrenjit varlığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak; kompoze çimento üretiminde uçucu kül kullanılması durumunda ikame oranının %15-25 olmasının en ideal çözüm olduğu yapılan testler sonucu kanıtlanmıştır. Sürdürülebilirlik, doğal kaynakların korunması ve durabilite gibi özellikler için çimento üretiminde öğütme kolaylaştırıcıların ve uçucu külün birlikte kullanılması büyük avantajlar sağladığı belirlenmiştir.