Geleneksel Portland çimentolarına kıyasla çevresel etkisi çok daha düşük olan LC3 (Limestone Calcined Clay Cement), çimento endüstrisinde sürdürülebilirlik hedeflerini gerçeğe dönüştürme potansiyeli ile öne çıkıyor. Yüz yılı aşkın süredir puzolanik malzeme olarak bilinen kalsine kilin ve kireçtaşının sinerjik reaksiyonu sayesinde, yüksek ikame oranlarında bile dayanımı korumak mümkün. Bu teknoloji, özellikle gelişmekte olan ülkelerde artacak çimento talebine yanıt verirken, küresel CO₂ emisyonlarının azaltılmasına da önemli katkı sağlıyor.
Prof. Karen Scrivener – EPFL
LC3 araştırmalarının bilimsel temelleri ve sağladığı yenilikler nelerdir?
Cüruf ve uçucu kül içeren katkılı çimentolar uzun yıllardır kullanılsa da bu malzemelerin küresel ölçekte bulunabilirliği oldukça sınırlıdır. Bu nedenle, klinker oranını düşürmeye devam edebilmek için başka katkı maddeleri (SCM) bulmamız gerekmektedir. Kalsine kil aslında uzun yıllardır bilinmekte olup, en az yüz yıldır puzolanik bir malzeme olarak araştırılmaktadır. LC3 araştırmalarındaki asıl yenilik, kalsine kildeki alüminanın ve kireçtaşının arasında meydana gelen sinerjik reaksiyonun fark edilmesidir. Bu reaksiyon, daha yüksek ikame oranlarında dahi dayanımın korunmasına olanak tanımaktadır.
LC3’ün CO₂ emisyonlarını azaltma potansiyeli çeşitli şekillerde değerlendirilebilir. Örneğin, CEM I (saf OPC) ile LC350 karşılaştırıldığında, her iki malzeme de benzer performans sergiler; ancak LC350, yaklaşık %40 oranında daha düşük CO₂ emisyonu sağlar. Küresel ölçekte, klinker faktörünü göz önüne aldığımızda, şu anda dünya ortalaması yaklaşık %80 seviyesindedir. Bunu %60’a düşürebilirsek, yılda yaklaşık 400 milyon ton CO₂ tasarrufu sağlanabilir.
CEM I (saf OPC) ile LC350’yi karşılaştırırsak, performansları yaklaşık olarak eşdeğerdir, ancak LC350 yaklaşık %40 daha düşük CO₂ emisyonu üretmektedir. Küresel ölçekte, klinker faktörünü göz önüne alırsak, şu anda dünya ortalaması yaklaşık %80 seviyesindedir. Bunu %60’a düşürebilirsek, yılda yaklaşık 400 milyon ton CO₂ tasarrufu sağlanabilir. Daha da azaltıp yaklaşık %45’e getirirsek, bu tasarruf potansiyeli iki katına çıkarak yaklaşık 800 milyon tona ulaşabilir.
Daha da azaltıp yaklaşık %45’e getirirsek, bu tasarruf potansiyeli iki katına çıkarak yaklaşık 800 milyon tona ulaşabilir. Bunu küresel ölçekte değerlendirirsek, bu, toplam CO₂ emisyonlarının yaklaşık %1–2’sine denk gelir.
Bu teknoloji, özellikle çimento talebinin hızla artacağı gelişmekte olan ülkeler için büyük önem taşımaktadır. Dünyanın birçok bölgesinde klinker üretiminde ciddi bir kapasite fazlası bulunmasına rağmen önümüzdeki birkaç yıl içerisinde talebin artmasının beklendiği bölgeler sınırlıdır. Bu bölgelerin başında da Afrika gelmektedir. Afrika, kıtadaki kireçtaşı rezervlerinin büyük ölçüde heterojen olması nedeniyle özellikle ilginç bir örnek teşkil etmektedir.
Birçok ülke klinker ithal etmektedir. Bu ithal klinkerin bir kısmını, Afrika’da son derece bol bulunan kalsine kil ile ikame etmek, yalnızca dünya genelinde CO₂ emisyonlarının azaltılmasına katkı sağlamakla kalmayacak, aynı zamanda yerel istihdamı artıracak ve ülkelerin dış ticaret dengesine de olumlu etki sağlayacaktır.
LC3 üretim sürecinde kireçtaşı ve kalsine kilin rolünü nasıl açıklarsınız?
Kalsine kilin rolü puzolanik bir katkı olarak görev yapmaktır. Kalsine kildeki silikat bileşenler, kalsiyum hidroksit ile reaksiyona girerek ek CSH (kalsiyum silikat hidrat) oluşumunu sağlar. Ayrıca, alümina içeriği kısmen CSH’ye dahil olabilir, ancak bir kısmıda kireçtaşı ile sinerjik bir reaksiyona girer. Ancak kireçtaşı başka bir rol daha üstlenmektedir. Her ne kadar kireçtaşının yalnızca küçük bir kısmı reaksiyona girse de, varlığı önemli faydalar sağlamaktadır. Sadece işlenebilirliği artırmakla kalmayıp, dolgu etkisi sayesinde klinkerin reaksiyonunu da teşvik etmektedir.
Geleneksel Portland çimentolarına kıyasla LC3’ün performans farkları nelerdir?
%50 ikame düzeyinde, mukavemet açısından CEM I ile yaklaşık olarak aynı performans elde edilir. Aynı zamanda dayanıklılık açısından, klorür geçişi yaklaşık 10 kat oranında önemli ölçüde yavaşlatılmakta ve bu malzemelerde alkali-silika reaksiyonu ile ilgili herhangi bir sorun görülmemektedir. Öte yandan, diğer katkılı çimentolar gibi, cüruf veya uçucu kül ile olduğu gibi, karbonatlaşma biraz daha hızlı olabilir. Karbonatlaşma hızının biraz daha yüksek olmasına rağmen, 50–100 yıllık tasarım ömrü bakımından çoğu ülke standardını karşılamaktadır.
Ham madde seçim kriterleri açısından, özellikle kalsine kil bakımından, bir miktar kaolin içeren bir kil tercih edilmelidir. Genel olarak, %40 kaolin içeriği iyi olarak kabul edilir; ancak %30 kaolin içeriğinde dahi oldukça iyi performans gözlemlenebilir. Kireçtaşı için magnezyum veya silika konusunda endişelenmemize gerek olmadığı için, çok düşük saflığa sahip kireçtaşları ile de çalışabileceğimizi belirtmek önemlidir. %50–70 kalsiyum karbonat içeriği yeterlidir. Yerel kaynak çeşitliliğini anlamak için öncelikle mevcut jeolojik haritaların incelenmesi ve örnekleme için bir strateji belirlemek büyük önem taşımaktadır. Öncelikle yayımlanmış jeolojik haritaların incelenmesi gerekir; bu sürece ilişkin tüm hizmetler teknik kaynak merkezlerimiz aracılığıyla sağlanabilmektedir.
Büyük ölçekli denemeler özellikle ilgi çekici bir nitelik taşımaktadır. Endüstriyel denemelerde en önemli nokta, öğütme ve harmanlama süreçlerinin laboratuvara kıyasla endüstriyel ortamda çok daha etkin ve doğru bir şekilde gerçekleşmesidir. DuraCement’in İsviçre’deki LC3 üretimi örneğinde, kaolin içeriği oldukça düşük bir kil kullanmalarına rağmen, iki günlük mukavemet açısından OPC referansına eşdeğer bir çimento üretebilmektedirler. Bu durum, verimli öğütme ve öğütme katkılarının kullanımına bağlıdır. Benzer deneyimler, Gana’daki yeni LC3 üretiminde de görülmüştür.
Hükümetler ve politika yapıcılar için, öncelikle ülkelerinin emisyonlarının ne kadarının çimentodan kaynaklandığını daha iyi anlamak önemlidir. Dünya genelinde bu oran yaklaşık %8’dir, ancak ülkeler arasında büyük farklar vardır. Örneğin ABD’de çimento üretimi emisyonların sadece %1,5’ini oluştururken, Vietnam veya Nijerya gibi gelişmekte olan ülkelerde bu oran %15’in üzerinde olabilir.
Hükümetlerin, LC3’ün benimsenmesinin CO₂ azaltım hedeflerine ne kadar katkı sağlayabileceğini anlaması gerekir. Ayrıca, politika yapıcıların, çimentonun klinker ihracatı ile birlikte artık gerçekten küresel bir iş kolu olduğunu daha iyi kavramaları ve bunu dikkate alarak hareket etmeleri gerekmektedir.
ABD’de çimento üretimi emisyonların sadece %1,5’ini oluştururken, Vietnam veya Nijerya gibi gelişmekte olan ülkelerde bu oran %15’in üzerinde olabilir.
Önümüzdeki 10 yılda LC3’ün çimento endüstrisindeki küresel pazar payını nasıl görüyorsunuz?
Dünya genelinde klinker oranını %60’ın altına kolayca düşürmek mümkündür. Bu da kalsine kil üretiminin yaklaşık 300 milyon ton seviyesine ulaşabileceği anlamına gelmektedir. Biz ise bu teknolojinin, dünya genelindeki üretim tesislerinin yaklaşık üçte biri ila yarısında kolaylıkla uygulanabileceğine inanıyoruz.
LC3 dışında çimento kimyasında hangi alternatifleri umut verici buluyorsunuz?
Bence, LC3’ün hem uygulanma ölçeği hem de benimsenme hızı açısından potansiyelinin çok daha yüksek olduğunu vurgulamak gerçekten önemli. Sık sık, insanların sözde “mucize çözümler” sunduğu durumlarla karşılaşılmaktadır; ancak bu çözümler detaylı şekilde incelendiğinde, kayda değer bir ilerleme sağlamadıkları görülmektedir. Örneğin alkali aktive malzemeler veya jeopolimerler 60 yıldır araştırılmaktadır, ancak piyasada neredeyse hiçbir yaygın kullanım bulamamaktadır. Bunun nedeni, uygun ham madde eksikliğidir; örneğin en iyi çalışan cüruf, çimento talebinin yalnızca %10’u kadar mevcuttur ve hemen hepsi çimento ve beton üretiminde zaten kullanılmaktadır. Ayrıca cüruf kalitesi oldukça değişkendir ve sahada performansı güvenilir değildir. Bu malzemeler ya hiç priz almaz ya da çok hızlı priz alır ve genellikle çok daha pahalıdır.
Dolayısıyla başka umut verici alternatifler olduğunu düşünmüyorum. Burada tek bir çözümden söz etmenin doğru olmadığını düşünüyorum. Çimento, beton ve yapısal düzeyde birden fazla çözüm söz konusudur.
Dayanım açısından, %50 ikame seviyesinde CEM I ile yaklaşık aynı dayanım elde edilebilir.
Bu alanda çalışan öğrencilere ve genç araştırmacılara ne önerirsiniz?
Çimentonun ve betonun temel performansına dair hâlâ tam olarak anlayamadığımız birçok yön olduğunu vurgulamanın önemli olduğunu düşünüyorum. Örneğin hidratasyon süreci her şeyin temelini oluşturur, ancak dünya genelinde çok az kişi bunu aktif olarak incelemektedir. Laboratuvarımda son 20 yıldır üzerinde yoğunlaştığımız başlıca araştırma konularından biri bu oldu. Bu alanda gerçekten çok önemli ilerlemeler kaydettik. Indüksiyon dönemi sonuna kadar, reaksiyon hızının alit çözünmesi ile kontrol edildiğini gösterdik.
Ancak silikat fazlarının ana reaksiyonuna başladığımızda, aslında mukavemet gelişimini hızlandıran unsur kalsiyum silikat hidratın büyümesidir ve bu büyümeyi yönlendirerek mukavemet gelişimini hızlandırmanın çeşitli yolları bulunmaktadır. Mukavemet gelişimini hızlandırırsak, klinker faktörünü de düşürebiliriz; çünkü klinker faktörünü sınırlayan en kritik unsur her zaman erken yaş performansıdır.
90 gün veya altı ay sonunda istenen performansı elde etmek kolay olsa da; modern inşaatta, yapının bir sonraki bölümünü inşa etmeden önce bu kadar beklememiz mümkün değildir. Benim için hidratasyonu anlamak ve CSH büyümesini nasıl kontrol edebileceğimizi keşfetmek hâlâ en heyecan verici konulardan biridir. Her şey, çimento, beton ve yapısal seviyelerde olan olayları birbirine bağlamak ve insanların hâlihazırda çalıştığı siloları kırmakla ilgilidir.
