ÖNSÖZ
Belki de, yapı malzemesi bileşeni olarak üzerinde en çok araştırma yapılmış maddelerden biri de puzolanlardır. Bu yönelim üzerinde, geçmişte ve günümüzde dünyanın birçok ülkesinde kullanılmış malzemelerden biri olması gibi nedenler de bulunmaktadır. Aslında bu maddelerin ilk kez nerede ve ne şekilde kullanılmış olduğu da pek açık değildir. Puzolanların tarih sahnesine Romalı mimar Vitrivius’un ünlü kitabında sözü geçmesiyle çıktığı görünmektedir. Geleneksel kireç harçlarındaki kullanım tekniklerinin kuşaklar boyunca ampirik yöntemlerle sürdürülmesi ve bu tekniklerin yazılı kaynaklara yeterince yansımamış yada kaynakların kaybolmuş olması nedeniyle Ortaçağ boyunca puzolan kullanımıyla ilgili bir sessizlik dönemi geçmiştir. 17.nci yüzyılın sonlarında, belki de aydınlanma döneminin bir yansıması olarak, eski tekniklere bir yönelimin başlamasıyla yeniden gündeme geldiği ve bununla ilgili araştırmalarda gelişmeler olduğu görülmektedir. Bu çalışmalar 18 ve 19.ncu yüzyıllarda yoğunluk kazanarak Portland çimentosunun keşfine yol açmıştır. Bu yeni buluş sanki bir moda etkisi yaratarak çimentonun, konut üretiminden endüstriyel yapılara kadar her alanda kullanılabilirliğine olanak sağlamıştır. Geçen yüzyılın başlarında uygulamalarda ortaya çıkan bazı beklenti ve sorunların giderilmesi, performansının iyileştirilmesi için çimentonun ve çimento ile hazırlanan kompozitlerin puzolanlarla takviye edilmesi gereği de ortaya çıkmıştır. Puzolan kullanımıyla diğer yandan, hem çimentonun üretim sürecinde enerji tasarruf sağlanacağı hem de daha az karbon salınımı nedeniyle çevresel etkiler açıdan faydalar da elde edilebileceği anlaşılmıştır.
Yine bu dönemlerde, özellikle de 20.yüzyıldan itibaren tarihi eserlerin koruma ve onarım çalışmalarının geleneksel tekniklere uygun olarak yapılma ihtiyacı, bu tekniklerin araştırılmasına yeni bakışlar getirmiştir. Eski kaynakların taranması, tarihi eserlerden kullanılan kireç harçları üzerinde analizler yapılarak bunların karakteristiklerinin belirlenmesi şeklindeki incelemeler de artmaya başlamıştır. Burada da puzolanlar tekrar gündeme geldiği görünmektedir. Günümüzde bu çalışmalar yoğunluğunu kaybetmeden halen devam etmektedir.
Sürdürülebilirlik ve çevre sorunları, ülkemizde olduğu gibi tüm dünyada da önemli bir konu haline gelmektedir. Özellikle çağımızın temel yapı malzemesi olan çimento ve beton üretim teknolojisinin birçok aşaması sürdürülebilirliği etkileyebilmektedir. Puzolanların, hem harç ve beton tasarımında, hem de tarihi mirasın korunması açısından da önemli bir yere sahip olduğu kuşkusuzdur. Bu nedenle bir yapı malzemesi bileşeni olarak kullanım sürecinden başlayarak, puzolanların kireçle yaptıkları reaksiyon ve bu reaksiyonla meydana gelen değişiklikler ve bu değişikliklerin tespit yöntemleri ile ilgili konuların, topluca bir araya getirilmesinde yarar olabileceği düşüncesi bu çalışmanın amacını oluşturmaktadır. Çünkü çok sayıda yayın olmakla birlikte, puzolanlar ve puzolanlarla üretilmiş kompozitler üzerine konunun bu şekilde ele alınarak irdelenmesi şeklinde basılı bir yayın bulunmamaktadır. Her konu ortaya konulurken çeşitli araştırmacıların yaptıklara çalışmalardan geniş ölçüde yararlanılmıştır. İnceleme giriş ve dört bölümden oluşmaktadır. Giriş bölümünde, antik dünyadan günümüze kadar puzolanların kullanımıyla ilgili tarihsel sürecin kilometre taşları ortaya konulmaktadır. Birinci bölümde, geleneksel ve modern puzolan türleri ile genel özellikleri, ikinci bölümde puzolanik reaksiyonun mekanizması ve bu mekanizma üzerinde etkili olan faktörler ele alınmakta, üçüncü bölümde ise puzolanik aktivitenin tespit ve değerlendirilmesinde yararlanılan çeşitli klasik deneyler ve ileri analiz yöntemleri bir bütün halinde gösterilerek, bu teknikler arasındaki ilişkiler değerlendirilmektedir. Dördüncü ve son bölümde de puzolanların karakteristik kullanım şekillerinden örnekler verilmektedir.
Her bölümde, çeşitli araştırmacıların puzolanlar üzerine yaptıkları incelemelere ve bunların sonuçlarına göre değerlendirmeler yapılmaya ve konularla ilgili karakteristik örnekler verilmeye gayret gösterilmiştir. Hiçbir çalışma tam anlamıyla bitmiş ve hatasız da değildir. Her araştırmada olduğu gibi, burada da muhakkak ki bu yönde bazı eksiklikler bulunabilecektir. Benzer yönde yapılacak çalışmalarda bunlar belki de yönlendirici olabilir ve araştırmalar için yeni ufuklar açabilir. Özellikle puzolan katkılı kompozitlerin durabilite özellikleri üzerinde çok az durulduğundan bunların ayrı bir incelemede ele alınması uygun görünmüştür. Burada, puzolanlar üzerinde çalışma yapacak araştırmacılar için faydalı olabileceği düşüncesiyle, kaynakların sayısı zenginleştirilmiş ve bunlar her bölümün sonuna eklenmiştir.
Çalışma sırasında değerli vakitlerini ayırıp yaptığı teşvikler, öneriler ve yardımları için hocam Prof.Dr. Halit Yaşa ERSOY beye teşekkürlerimi sunarım.
İÇİNDEKİLER
ÖNSÖZ ........................................................................................................................................................... - 1 -
GİRİŞ .............................................................................................................................................................. - 3 -
PUZOLAN GENEL KULLANIM TARİHÇESİ .................................................................................................. - 3 -
Bölüm Kaynakları .......................................................................................................................................... - 20 -
BÖLÜM 1 ...................................................................................................................................................... - 22 -
1 PUZOLANLARIN ÖZELLİKLERİ ............................................................................................................... - 22 -
1.1 Puzolanların Genel Kimyasal ve Mineralojik Özellikleri ............................................................................ - 22 -
1.2 Puzolanların Fiziksel Özellikleri ............................................................................................................... - 25 -
1.3 Puzolan Türleri ........................................................................................................................................ - 30 -
1.3.1 Doğal puzolanlar................................................................................................................................... - 31 -
1.3.1.1 Volkanik küller ................................................................................................................................... - 33 -
1.3.1.2 Volkanik tüfler .................................................................................................................................... - 34 -
1.3.1.3 Sünger taşı (Pomza, Ponza) .............................................................................................................. - 35 -
1.3.1.4 Perlit .................................................................................................................................................. - 36 -
1.3.1.5 Zeolitler ............................................................................................................................................. - 37 -
1.3.1.6 Diyatomeli topraklar ........................................................................................................................... - 41 -
1.3.4.7 Opal................................................................................................................................................... - 45 -
1.3.1.8 Pişmiş doğal killer ve şeyller .............................................................................................................. - 47 -
1.3.2 Puzolanik özellik üzerine sıcaklığın etkisi .............................................................................................. - 48 -
1.3.2.1 Sıcaklığın kaolinit tipi killere etkisi, metakaolin ................................................................................... - 51 -
1.3.2.2 Sıcaklığın İllit ve Sepiyolit tip killer üzerine etkisi ................................................................................ - 52 -
1.3.2.3 Sıcaklığın montmorillonit tip kil üzerine etkisi ..................................................................................... - 53 -
1.3.3 Yapay puzolanlar .................................................................................................................................. - 54 -
1.3.3.1 Uçucu küller ....................................................................................................................................... - 55 -
1.3.3.2 Silis dumanı ....................................................................................................................................... - 58 -
1.3.3.3 Yüksek fırın cürufları .......................................................................................................................... - 62 -
1.3.3.4 Kalsine edilmiş toprak ürünleri (Pişmiş toprak malzemeler) ................................................................ - 66 -
1.3.3.4.1 Tuğla ve kiremitler .......................................................................................................................... - 66 -
1.3.3.4.2 Diğer seramikler ............................................................................................................................. - 69 -
1.3.3.4.3 Atık cam tozları ............................................................................................................................... - 72 -
1.3.3.5 Kalsine edilmiş tarımsal ürünler ......................................................................................................... - 75 -
1.3.3.5.1 Pirinç Kapçığı külü .......................................................................................................................... - 77 -
1.3.3.5.2 Şeker Kamışı Küspesi .................................................................................................................... - 80 -
1.3.3.5.3 Buğday ve arpa samanı külleri ........................................................................................................ - 82 -
1.3.3.5.4 Muz kabuğu külü ............................................................................................................................ - 84 -
1.3.3.5.5 Bambu yaprağı külü ........................................................................................................................ - 85 -
1.3.3.6 Diğer çeşitli atık sanayi maddeler (sentetik puzolanlar) ...................................................................... - 87 -
1.3.3.6.1 Boksit atıkları .................................................................................................................................. - 88 -
1.3.3.6.2 Nano tanecikler, nano silis .............................................................................................................. - 89 -
1.3.3.6.3 Silika jel .......................................................................................................................................... - 92 -
1.3.3.6.4 Katalitik atıklar ................................................................................................................................ - 94 -
1.3.3.6.5 Sanayi atığı çamurları ..................................................................................................................... - 97 -
Bölüm Kaynakları .......................................................................................................................................... - 99 -
BÖLÜM 2 .....................................................................................................................................................- 109 -
2. PUZOLANİK AKTİVİTE ve PUZOLANİK REAKSİYON ...........................................................................- 109 -
2.1 Reaksiyonla İlgili Teoriler ve Reaksiyonun Genel Çerçevesi ...................................................................- 109 -
2.1.1. Silikat sistemleri ..................................................................................................................................- 112 -
2.1.2.2 İyonların koordinasyonu ....................................................................................................................- 114 -
2.1.2 Puzolanik reaksiyonun genel mekanizması..........................................................................................- 115 -
2.1.2.3 Puzolanik reaksiyonun kinetiği ..........................................................................................................- 116 -
2.1.2.3.1 iyon değişimi ve ayrışma (reaksiyon başlangıcı) ............................................................................- 116 -
2.1.2.3.2 yeni iyon bağların oluşumu, yoğunlaşma başlangıcı (indüksiyon aşaması) ....................................- 118 -
2.1.2.3.3 kristalleşme ve jelleşme (ana reaksiyon aşaması)..........................................................................- 118 -
2.1.3 Puzolan ile kireç ve çimento arasındaki reaksiyonlar ...........................................................................- 120 -
2.1.3.1 Hidratasyon reaksiyonları .................................................................................................................- 120 -
2.1.3.2 Puzolanik reaksiyonlar ......................................................................................................................- 121 -
2.1.4 Puzolanik reaksiyon- Alkali Silis Reaksiyonu (ASR) .............................................................................- 124 -
2.1.5 Puzolanik reaksiyon kinetiğinin analitik yöntemlerle yorumlanması ......................................................- 128 -
2.3. Puzolanik Reaksiyona Etki Eden Hususlar ............................................................................................- 132 -
2.3.1 Sıcaklık ................................................................................................................................................- 132 -
2.2.1.1 Silisin çözünebilirliği üzerinde sıcaklığın etkisi...................................................................................- 134 -
2.2.1.2 Kalsiyum hidroksitin çözünebilirliği üzerinde sıcaklığın etkisi .............................................................- 135 -
2.2.1.3 Puzolan katkılı sistemlere sıcaklığı etkisi ..........................................................................................- 136 -
2.2.2 Ortamın hidrojen konstantrasyonu (pH) ...............................................................................................- 140 -
2.2.2.1 Silisin pH ortamda davranışları .........................................................................................................- 140 -
2.2.2.2 Alüminanın pH ortamında davranışı ..................................................................................................- 141 -
2.2.3 Puzolanın ve ortamın nem içeriği .........................................................................................................- 143 -
2.2.4 Puzolanın doğası ve yüzey alanı .........................................................................................................- 144 -
2.2.5 Puzolanın alkali ve sülfat içeriği ...........................................................................................................- 146 -
2.2. 6 Alkali katkıların reaksiyon üzerine etkisi ..............................................................................................- 147 -
2.2.6.1 Az kalsiyum içeren sistemlerde alkalilerin etkisi ................................................................................- 149 -
2.2.6.2 Kalsiyumca zengin olan sistemlerde alkali etkisi ...............................................................................- 150 -
2.2.7 Sülfatlı katkıların reaksiyonun üzerine etkisi.........................................................................................- 152 -
2.2.8 Puzolanın değişebilir katyon kapasitesi ................................................................................................- 155 -
2.2.9 Zaman .................................................................................................................................................- 157 -
2.2.10 Karışım oranlarının etkisi ...................................................................................................................- 158 -
2.2.11 Kireç faktörü ......................................................................................................................................- 159 -
2.3 Puzolanik Reaksiyon Ürünleri .................................................................................................................- 165 -
2.3.1 Puzolan-kireç karışımlarının reaksiyon ürünleri ....................................................................................- 165 -
2.3.2 Puzolan-çimento karışımlarının reaksiyon ürünleri ...............................................................................- 170 -
2.3.3 Puzolanların klinkerle hidratasyon reaksiyonu .....................................................................................- 173 -
2.3.4 Puzolanik reaksiyon ürünleri üzerinde CaO/SiO2 oranının etkisi ..........................................................- 173 -
2.3.5 Puzolanik reaksiyonda SiO2/Al2O3 oranının etkisi .................................................................................- 175 -
Bölüm Kaynakları .........................................................................................................................................- 177 -
BÖLÜM 3 .....................................................................................................................................................- 184 -
3. PUZOLANİK AKTİVİTE TEST YÖNTEMLERİ .........................................................................................- 184 -
3.1 Puzolanik Aktivite Testlerine Genel Bakış ...............................................................................................- 184 -
3.1.1 Doğrudan Uygulanan Deney Yöntemleri ..............................................................................................- 187 -
3.1.2- Dolaylı Deney/Analiz Yöntemleri .........................................................................................................- 187 -
3.2. Kimyasal Yöntemler ve Temel Karakteristik Özellikleri ....................................................................- 188 -
3.2.1 Fratini Testi..........................................................................................................................................- 188 -
3.2.2 Doygun Kireç test yöntemi ...................................................................................................................- 189 -
3.2.3 Chapelle Aktivite İndisi.........................................................................................................................- 190 -
3.2.4 Diğer kimyasal teknikler .......................................................................................................................- 194 -
3.2.5 Kimyasal tekniklerin değerlendirmesi ...................................................................................................- 195 -
3.2.6 Puzolanın Katyon değişim kapasitesinin tespiti (KDK, CEC) ................................................................- 199 -
3.2.7 Kimyasal tekniklerle diğer yöntemler arasındaki ilişkiler .......................................................................- 201 -
3.3. Fiziksel Ölçüm Teknikleri ....................................................................................................................- 204 -
3.3.1 Elektriksel ölçüm yöntemleri ................................................................................................................- 205 -
3.3.1.1 İletkenlik (Kondüktometre) ölçümleri .................................................................................................- 205 -
3.3.1.2. Elektriksel öz direnç ölçümleri ..........................................................................................................- 211 -
3.3.2 Termal analizler (DTA/TGA/TG)...........................................................................................................- 216 -
3.3.2.1 Kalorimetrik (Solüsyon ve İzotermal, DSC) teknikler .........................................................................- 222 -
3.3.2.2 Hidratasyon ısısı üzerine puzolanın etkisi .........................................................................................- 223 -
3.3.3 Fiziksel tekniklerin genel değerlendirmesi ............................................................................................- 229 -
3.4. Mekanik Yöntemler ..............................................................................................................................- 230 -
3.4.1 Puzolan içeren karışımların dayanımını etkileyen hususlar ..................................................................- 233 -
3.4.2 Kalsiyum hidroksit tüketimi ile dayanım arasındaki ilişkiler ...................................................................- 234 -
3.4.3 Puzolan katkılı karışımların mekanik özellikleri ....................................................................................- 235 -
3.4.4 Puzolanik aktivite ile Ultrases hızı arasındaki ilişkiler ...........................................................................- 242 -
3.5 İleri Analiz Teknikleri, Spektroskobik yöntemler ................................................................................- 244 -
3.5.1 Mineralojik yöntemler (XRD ve kantitatif Rietveld) ................................................................................- 245 -
3.5.2 X-ışını Floresans spektrometre (XRF) yöntemi ....................................................................................- 250 -
3.5.3 Plazma ve Emisyon Spektrometre yöntemleri (ICP/MS, ICP/OES) ......................................................- 251 -
3.5.4 Fourier Dönüşümlü Kızıl Ötesi Spektrometre yöntemi (FT-IR) .............................................................- 254 -
3.5.5 Raman Spektroskopisi yöntemi (RS) ...................................................................................................- 257 -
3.5.6 Mikroskobik yöntemler (SEM/EDS, TEM) ............................................................................................- 262 -
Bölüm kaynakları ..........................................................................................................................................- 269 -
BÖLÜM 4 .....................................................................................................................................................- 277 -
4. PUZOLANLARIN KULLANIM ŞEKİLLERİ ..............................................................................................- 277 -
4.1 Sönmüş kireçle kullanımı (CH-puzolan) ..................................................................................................- 277 -
4.2 Puzolanların bir bileşen şeklindeki kullanımı ...........................................................................................- 279 -
4.2.1 Geleneksel puzolanik kireç harçları .....................................................................................................- 280 -
4.2.2. Puzolanlı harç ve betonlar ..................................................................................................................- 284 -
4.2.2.1 Puzolan karışımlı inşaat ve yapı malzemeleri....................................................................................- 286 -
4.2.2.1.1 Duvar harçları ve enjeksiyon malzemeler .......................................................................................- 286 -
4.2.2.1.2 Duvar birimleri (hafif tuğlalar, gaz beton) ........................................................................................- 287 -
4.2.2.1.3 Kütle ve normal betonlar ................................................................................................................- 289 -
4.2.2.1.4 Yapay taşlar ..................................................................................................................................- 292 -
4.3. Puzolanların çimento üretiminde kullanımı .............................................................................................- 293 -
