Çimentoda Kalsiyum Sülfat Dihidrat ve Hemihidrat Belirlenmesi
Çimento esas olarak kalsiyum silikat, kalsiyum aluminat ve kalsiyum alüminoferrit içermektedir. Bu temel bileşenlere ek olarak küçük miktarlarda çeşitli katkı maddeleri de kullanılmaktadır.
Önemli katkı maddelerinden biri de dihidrat (CaSO4.2H2O) veya hemihidrat (CaSO4.1/2H2O) formlarındaki jips veya alçıtaşıdır. Jips, klinker ile karıştırılarak öğütüldüğünde, çimentonun donmasını ve sertleşmesini geciktirmeye yarar. Jips kullanılmadığı zaman kalsiyum aluminat yaklaşık 10 dakika içinde kristalize olur; jips, katılan miktara bağlı olarak bu işlemin saatler, hatta günler sürmesini sağlar. Bu nedenle, çimento kalite kontrolünde CaSO4 dihidrat veya hemihidrat miktarının tam olarak bilinmesi önemlidir.
Deney Detayları
Termogravimetri jips içeriğinin doğru belirlenmesi için iyi bir analiz yöntemidir. Dihidrat ve hemihidrat ısıtıldığında kristal yapısındaki suyu kaybeder. Bu reaksiyon, dihidrat için iki aşamalı (hemihidrat ara ürünü) ve hemihidrat için tek aşamalıdır. Her iki reaksiyonun aynı sıcaklık aralığında ve koşullara bağlı olarak aynı zamanda gerçekleşmesi, bu deneyi zorlaştırır. Bu nedenle, jipsin iki türünün miktarlarının belirlenmesi zor hatta imkansızdır.
İki jips türünün ayrılması için, numune neredeyse tamamen kapalı bir krozede ısıtılmalıdır. Böylece hemihidratın dehidrasyonu daha yüksek bir sıcaklıkta gerçekleşir ve iki reaksiyon birbirinden daha kolay ayrılır. Çimentodaki jips miktarı genelde yüzdelik değerlerdedir. Stokiyometrik hesaplara göre, dihidratın dehidrasyonu, ilk aşamada %15.7 (dihidrat à hemihidrat) ve ikinci aşamada %5.2 (hemihidrat à susuz) olmak üzere toplam %20.9 kütle kaybına sebep olacaktır. Hemihidratın dehidrasyonu da %6.2 kütle kaybı ile sonuçlanacaktır.
Örneğin, %1 oranında hemihidrat içeren 1 mg çimentoda hemihidrat dehidrasyonu sonucunda 0.61 µg kayıp olur. Bu nedenle, numune miktarı olabildiğince büyük olmalıdır. Alüminyum krozeler tamamen kapatılabildiği için, deneyler kapağında 50 µm’lik açıklık bulunan 100 µl’lik alüminyum krozelerde gerçekleştirilmiştir.
Saf kalsiyum sülfat dihidrat, saf kalsiyum sülfat hemihidrat ve iki türün karışımından oluşan numuneler analiz edilmiştir. Sonraki aşamada, içindeki dihidrat ve hemihidrat miktarları bilinen üç çimento numunesi incelenmiştir.
Sonuçlar
Saf numunelerin ve karışımın ölçüm sonuçlarını şekil 1’de görebilirsiniz. Sonuçlardan dihidrat ve hemihidrat numunelerde susuz kalsiyum sülfatın da bulunduğu anlaşılıyor. Stokiyometrik hesaplara göre, hidratların saflığının % 93.1 (hemihidrat) ve % 94.5 (dihidrat) olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Bu saflık oranlarına göre, karışımda %12.8 oranında bir kütle kaybı beklenmektedir. Ölçülen değer, %12.7, bu beklentiyi doğrulamaktadır.
Farklı oranlarda dihidrat ve hemihidrat içeren çimento numunelerinin ölçüm sonuçları şekil 2’de gösterilmiştir.
Dehidrasyonda ortaya çıkan iki kütle kaybı basamağı açıkça görülmektedir. Saf kalsiyum sülfat hidratların oluşturduğu TGA eğrilerinin aksine, iki çimento örneğinde de tüm ölçülen sıcaklık aralığında sürekli bir kütle kaybı görülmektedir. Bu nedenle, kütle kaybı, dehidrasyon adımları teğet adım değerlendirme programı kullanılarak belirlenmiştir. Alternatif olarak, kütle kaybı eğrilerinin ilk türevlerinin tepe noktaları da değerlendirilmeye alınabilir.
Hidratların içeriği, ?1 ve ?2 kütle kayıplarından aşağıdaki denklemlere göre hesaplanır:
(Dihidrat içeriği ve Hemihidrat içeriği)
Bu iki ifadede bulunan katsayılar Dehidrasyon stokiyometrisinden gelmektedir. Tablo 1 (dihidrat içerik) ve Tablo 2 (hemihidrat içerik) de üç numunede bulunan iki hidratın içeriği için elde edilen sonuçlar özetlenmiştir.
Sonuçlar
Çimento, kalsiyum sülfat dihidrat ve kalsiyum sülfat hemihidrat içeriği, çimentoda termogravimetri yöntemi ile yüksek bir doğruluk ile belirlenebilir. Numuneler sadece hava geçirmeyecek şekilde yalıtılmış bir ölçüm kabında ölçülürse kantitatif analiz yapılması mümkün olacaktır. Bu en kolay, 50 mikron deliği olan ve bir kapak ile mühürlenir alüminyum ölçüm kabı kullanılarak yapılır. Eğer delikli kapak mevcut değilse, aynı etki ( 20 µm çapında) bir kum tanesi kapağın kenarına yerleştirilerek de yapılabilir.
Şekil 1. :Kalsiyum sülfat dihidrat (DH), kalsiyum sülfat hemihidrat (HH) ve ikisinin de bulunduğu bir karışımın Termogravimetrik analizi.
Şekil 2.
Farklı miktarlarda Kasiyum dihidrat ve kalsiyum sülfat hemihidrat içerem üç çimento örneğinin Termogravimetrik ölçümleri.
Tablo 1 : Üç numunenin dihidrat içeriği
Tablo 2 : Üç numunenin hemihidrat içeriği
Derleyen: Hakan TAŞYAKA
Kaynak: Dr. Markus Schubnell
|
