Nurhan Gürel
CemenTürk Genel Yayın Yönetmeni
Giriş
Geleneksel Portland çimento (OPC) üretimi, önemli bir CO₂ emisyonu kaynağıdır ve üretilen her ton çimento başına yaklaşık 800 kg CO₂ salımı gerçekleşmektedir. Daha sürdürülebilir yapı malzemeleri arayışında, magnezyum esaslı bağlayıcılar, OPC’ye kıyasla daha düşük karbon ayak izine sahip alternatifler olarak öne çıkmaktadır. Bu bağlayıcılar, çimento özelliği gösteren malzemeler oluşturmak amacıyla magnezyum bileşiklerini (tipik olarak magnezyum oksit, MgO) kullanır ve magnezyum fosfat çimentoları (MPC), magnezyum oksiklorür çimentosu (MOC, diğer adıyla Sorel çimentosu), magnezyum oksisülfat çimentosu (MOS) ve yeni nesil karbonatlaşmış MgO sistemleri gibi çeşitli formülasyonları içerir. Magnezyum bazlı bağlayıcılar benzersiz avantajlar sunarlar; yüksek erken mukavemetle hızla sertleşebilirler, daha düşük işleme sıcaklıklarına sahiptirler (dolayısıyla daha düşük CO₂ emisyonu) ve hatta bazıları kürleme sırasında CO₂ emerek karbon-nötr veya karbon-negatif ayak izi elde ederler. Ayrıca, bu bağlayıcılar endüstriyel atıkların (magnezyum kaynağı veya dolgu malzemesi olarak) kullanımına olanak tanıyarak döngüsel ekonomi ilkeleriyle de örtüşmektedir. Bu makale, magnezyum esaslı bağlayıcıların kapsamlı bir incelemesini sunmaktadır. Bu bağlayıcıların türleri, kimyasal yapıları, güçlendirme teknikleri, OPC ile karşılaştırmalı performansları, uygulama alanları ile daha çevreci malzemelere geçişte sundukları fırsatları ve karşılaşılan zorlukları ele almaktadır.
Magnezyum Bazlı Bağlayıcı Türleri – Üretimleri ve Performansları
Magnezyum bazlı bağlayıcılar, daha düşük karbon ayak izi ve benzersiz performans özellikleri nedeniyle, Geleneksel Portland çimentosuna (OPC) sürdürülebilir bir alternatif olarak giderek daha fazla öne çıkmaktadır. Bu çimentolar, kimyasal reaksiyon sistemlerine göre dört kategoriye ayrılır: Magnezyum fosfat çimentoları (MPC’ler), magnezyum oksiklorür çimentosu (MOC), magnezyum okzisülfat çimentosu (MOS) ve genellikle karbonasyon temelli MgO çimentoları olarak adlandırılan hidrate magnezyum karbonat bazlı bağlayıcılardır. Her bir tür, reaksiyon mekanizması, dayanım gelişimi, dayanıklılık ve çevresel performans açısından farklılık gösterir.
Magnezyum fosfat çimentoları (MPC’ler), tipik olarak yüksek sıcaklıkta kalsine edilmiş magnezyum oksit gibi bazik bir bileşen ile monoamonyum veya diamonyum fosfat gibi çözünür bir fosfat arasındaki asit-baz reaksiyonu ile oluşur. Bu reaksiyon, struvit (MgNH4PO4·6H2O) gibi magnezyum fosfat hidratları üreterek son derece hızlı sertleşme ve erken dayanım sağlar. Aslında, MPC’ler karıştırıldıktan saatler sonra yüksek basınç dayanımına ulaşabilir, bu da onları onarım uygulamaları için oldukça uygun hale getirir. Ayrıca, çeşitli yüzeylere güçlü yapışma gösterirler ve ortam sıcaklıklarında kürlenebilirler, bu da saha uygulamalarındaki pratikliklerini artırır.
Sürdürülebilirlik açısından, MgO’nun ham maddeler yerine endüstriyel yan ürünlerden temin edilmesine giderek daha fazla odaklanılmaktadır. Ümit vadeden yaklaşımlardan biri, çelik endüstrisinden kaynaklanan bir refrakter yan ürün olan ara pota temizleme atığının, formülasyonda MgO yerine ikame malzeme olarak kullanılmasıdır. MPC-TUN olarak etiketlenen bu varyantın, geleneksel MPC’lerle karşılaştırılabilir performans sergilediği gösterilmiştir. Dahası, ekotoksikolojik değerlendirmeler bu formülasyonların deniz ortamları dâhil olmak üzere çevresel açıdan güvenli olduğunu ortaya koymuştur. Özellikle, atık bazlı MgO’dan türetilen MPC’lerin bazen saf MgO bazlı muadillerine kıyasla daha iyi ekolojik performans sergilediği görülmüştür. MPC sistemlerinin temel dezavantajı, özellikle maliyet ve temin edilebilirliği etkileyebilecek fosfat tuzları gibi özel kimyasallara olan bağımlılığıdır. Bununla birlikte, hızlı priz almaları ve düşük sıcaklıkta kürlenebilmeleri, onları hızlandırılmış inşaat veya acil onarım senaryoları için ideal kılmaktadır. Magnezyum fosfat çimento üretiminin tipik bir akış şeması aşağıda verilmiştir.
Buna karşılık, Sorel çimentosu olarak da bilinen Magnezyum oksiklorür çimentosu (MOC), MgO’nun tipik olarak MgCl2·6H2O formundaki konsantre magnezyum klorür çözeltisi ile reaksiyona sokulmasıyla üretilir. Bu reaksiyon, genellikle Faz 3 ve Faz 5 olarak adlandırılan 3Mg (OH)2·MgCl2·8H2O ve 5Mg(OH)2·MgCl2·8H2O gibi kristal hidratları oluşturur. MOC, son derece yüksek erken dayanımıyla öne çıkar; genellikle tek bir gün içinde 40-60 MPa basınç dayanımına ulaşabilir. Ayrıca, mükemmel yangın direnci ve düşük termal iletkenlik özellikleri gösterir. Bu özellikleri, tarihsel olarak zemin kaplamaları ve yangına dayanıklı yapı levhaları gibi uygulamalarda yaygın bir seçim olmasını sağlamıştır.
Mekanik avantajları bulunmasına karşın, MOC’nin en önemli dezavantajı düşük su direncidir. Zamanla neme maruz kaldığında, klorür içeren hidratlar ayrışarak brüsit (Mg(OH)2) oluşumu ve magnezyum klorürün dışarı sızmasıyla mukavemet kaybına yol açar. Ciddi vakalarda, uzun süreli su teması MOC’nin dayanımını %90’a varan oranlarda azaltabilir ve önleyici tedbirler alınmadığında malzemenin bozunmasına yol açabilir. Bu sorunu aşmak için son araştırmalar, katkı maddeleri kullanarak MOC’nin dayanıklılığını artırmaya odaklanmıştır. Metasteatit (kalsine edilmiş magnezyum silikat) gibi silika açısından zengin malzemelerin, matris içinde magnezyum silikat hidrat (M-S-H) jellerinin oluşumunu teşvik ettiği gösterilmiştir. Bu jeller, mikro yapıyı yoğunlaştırarak su girişini azaltır. Örneğin, yaklaşık %10 metasteatit ilavesi, su direncinde ve mekanik stabilitede önemli iyileşmeler sağlamıştır. Diğer etkili katkı maddeleri arasında fosfatlar, fosforik asit, nano-silika ve çeşitli organik bileşikler yer alır; bunların tümü gözenek yapısını ve hidrat bileşimini değiştirmeye yardımcı olur ve böylece sulu koşullar altında bozulmayı azaltır. Nem maruziyetinin düşük olduğu, ancak yangın direnci ve dayanımın kritik olduğu özel iç mekân uygulamalarında, MOC kullanımına olan ilgi yeniden artmıştır. Aşağıda magnezyum çimentosu üretim akış şeması verilmiştir.
Magnezyum Okzisülfat Çimentosu (MOS), yapısal olarak MOC’ye benzer ancak magnezyum klorür yerine magnezyum sülfat kullanır. MOS sistemlerindeki temel hidratasyon ürünleri, özellikle 5-1-7 fazı (5Mg(OH)2·MgSO4·7H2O) olarak belirtilen magnezyum okzisülfat hidratlardır. MOS’un en önemli avantajlarından biri, nispeten düşük alkaliliğe sahip olmasıdır; tipik pH değeri ise yaklaşık 9-10 aralığındadır. Bu özellik, MOS’u yapı içine entegre edilmiş metaller içi daha az aşındırıcı ve cam veya doğal lifler gibi takviyelerle daha uyumlu hale getirir. Buna ek olarak, MOS formülasyonları klorür içermediğinden, MOC’ye kıyasla nemli koşullarda daha iyi stabilite sergiler.
Ancak MOS çimentoları, genellikle daha yavaş dayanım kazanır ve dikkatli formülasyon olmadan MOC ile aynı mekanik performansa ulaşamayabilir. Optimum performansın sağlanması çoğunlukla MgO/MgSO4 oranının hassas ayarlanmasını ve performans arttırıcıların ilavesini gerektirir. Sürdürülebilirliği artırmak için araştırmacılar, MOS formülasyonlarına kısmi ikame olarak kireç çamuru ve slaker kumları dâhil kraft kâğıt hamuru değirmeni atıkları gibi endüstriyel yan ürünlerin dâhil edilmesini incelemişlerdir. Çalışmalar, bağlayıcının %25’ine kadar bu atıklarla ikame edilmesinin, lifli çimento levhalar gibi ürünlerde tatmin edici mekanik performansı koruyabildiğini göstermiştir. Örneğin, %25 kum ikamesiyle bile yaklaşık 11 MPa eğilme dayanımı rapor edilmiştir. Ancak, daha yüksek seviyelerde atık ilavesi, özellikle yüksek sülfat içerenler, ara yüzey bölgelerini zayıflatabilecek ve mukavemeti azaltabilecek sodyum sülfat kristalleri gibi istenmeyen yan ürünlerin oluşmasına neden olabilir.
Bu zorlukların üstesinden gelmek için hızlandırılmış karbonatlaşma kürü uygulanmaya başlanmıştır. MOS kompozitlerin erken dönemlerde CO₂ bakımından zengin ortamlara maruz bırakılmasıyla, kararlı magnezyum karbonatların oluşumu sağlanır. Bu karbonatlaşma ürünleri gözenekleri doldurur, geçirgenliği azaltır ve su direncini artırır. Bu ikili strateji (hedeflenen CO₂ kürleme ile birleştirilmiş atık katılımı), gelişmiş stabiliteye sahip daha dayanıklı MOS levhaların ortaya çıkmasını sağlamıştır. Böylece, MOS çimentoları uygulanabilir bir orta yol çözümü olarak ortaya çıkmaktadır: Nemli koşullarda MOC’den daha iyi dayanıklılık ve OPC’den daha düşük alkalinite sunarken, karbonatlaşma ve malzeme geri dönüşümü yoluyla ekolojik iyileştirmelere cevap vermeye devam etmektedir. Magnezyum oksisülfat çimento üretiminin tipik bir akış şeması aşağıda sunulmuştur.
Magnezyum bazlı bağlayıcıların son kategorisi, katı bir matris oluşturmak için reaktif magnezyum oksit ve karbondioksit arasındaki reaksiyona dayanan karbonasyon bazlı MgO çimento ailesidir. Bu sistemlerde, hafif kalsine edilmiş MgO (genellikle reaktif magnezya olarak adlandırılır), su ile ve bazen önceden oluşturulmuş hidratlı magnezyum karbonatlar ile karıştırılır. Karışım, atmosferik veya kapalı ortamda sağlanan CO₂’ye maruz kaldıkça karbonatlaşma gerçekleşir ve neskeonit (MgCO3·3H2O) ile hidromagnezit gibi katı fazlar oluşur.
Bu bağlayıcılar, karbon dioksiti sertleşmiş malzemenin yapısına entegre etmeleri nedeniyle özellikle cazip olup, net sıfır hatta karbon negatif bir çevresel etki elde edilmesine olanak sağlamaktadır. Örneğin, bir yöntem hem anında hidratasyonu hem de karbonatlaşmayı teşvik etmek için MgO ile neskeonit kristallerini karıştırmaktadır. MgO’nun yaklaşık %50’sinin neskeonit ile değiştirilmesinin hem 28 günlük basınç dayanımını (43-44 MPa’ya kadar) hem de CO₂ alımını iyileştirdiği gösterilmiştir. Gelişmiş performans, bağlayıcı bir matris görevi gören ve sürekli karbonatlaşma süreciyle boşlukları kademeli olarak dolduran hidratlı karbonat içeren brüsit fazlarının oluşumuna bağlanmaktadır. Sonuç olarak, malzeme zamanla güç kazanmakta ve bu durum, karbonatlaşma sürecinde sıkça karşılaşılan OPC’deki bozulmanın aksine gelişmektedir.
Etkili karbonatlaşma genellikle baca gazı akımlarında veya kontrollü kürleme odalarında olduğu gibi yüksek CO₂ seviyelerine maruz kalmayı gerektirir. Bu, özellikle kalın kesitlerde CO₂’nin daha derin ve daha hızlı yayılmasını sağlar. CO₂ alımını daha da teşvik etmek ve mekanik özellikleri geliştirmek için çelik cürufu veya magnezyum bakımından zengin silikatlar gibi ek reaktif malzemeler dâhil edilebilir. Öne çıkan ticari bir örnek, tuz arıtma süreçlerinden elde edilen magnezyum açısından zengin tuzlu sudan ve diğer özel katkı maddelerinden faydalanan Partanna bağlayıcısıdır. Kürleme sırasında, bir ton bağlayıcı başına yaklaşık 100 kg CO₂ emdiği bildirilmektedir, bu da üretimi sırasında salınandan daha fazla karbon depoladığı anlamına gelmektedir. Bu da onu gerçekten karbon-negatif yapı malzemelerinin önde gelen bir örneği olarak konumlandırmaktadır.
Güvenilir priz alma ve büyük yapısal elemanların yeterli kürlenmesini sağlama gibi zorluklar devam etse de CO₂ depolayan bağlayıcılar olarak magnezyum karbonatların vaadi dönüşüm niteliğindedir. Karbon salınımı yapan geleneksel çimentonun aksine, bu bağlayıcılar yapı ortamında uzun vadeli karbon depolayıcıları görevi görebilmektedir. Karbonasyon bazlı MgO çimento üretim akış şeması aşağıda verilmiştir.
Magnezyum Bazlı Bağlayıcıların OPC ile Karşılaştırılması
Magnezyum esaslı bağlayıcılar, Geleneksel Portland Çimentosu (OPC) ile karşılaştırıldığında, çeşitli performans kriterleri ön plana çıkar. Mukavemet, dayanıklılık, çevresel ayak izi ve kürleme davranışı. Magnezyum bağlayıcılar kimyalarına bağlı olarak formülasyon ve performans açısından farklılık gösterse de bir dizi genel eğilim tespit edilebilir.
Magnezyum bazlı bağlayıcılar, belirli formülasyonlarda OPC’nin basınç dayanımına erişebilir hatta aşabilir. Örneğin, magnezyum oksiklorür çimentosu (MOC), 28 günde 50 MPa’nın üzerinde basınç dayanımına ulaşabilir; optimize edilmiş karışımlarla ise, standart OPC betonlarında tipik olarak görülen 20–40 MPa aralığının çok üzerinde, 200 MPa’yı aşan değerler rapor edilmiştir. MOC ayrıca yüksek elastisite modülü ve mükemmel eğilme mukavemeti göstererek yüksek performanslı uygulamalar için ideal olan sert ve rijit bir malzeme sağlarlar.
Magnezyum fosfat çimentosu (MPC), hızlı sertleşme özelliği ile dikkat çeker; yerleştirildikten sonra saatler içinde yüksek MPa değerlerine ulaşabilir ve bu nedenle acil onarım veya hızlandırılmış inşaat uygulamaları için son derece caziptir. Buna karşılık, OPC benzer mukavemet seviyelerine ulaşmak için genellikle birkaç güne ihtiyaç duyar; ancak aylar süren güçlenme süreci avantaj sağlar. Doğru katkı maddeleri ve kürleme koşulları ile OPC, ultra yüksek performans gerektiren uygulamalarda 150 MPa’nın üzerinde dayanım gösterecek şekilde tasarlanabilir.
Magnezyum bağlayıcıların başka bir avantajı da düşük yoğunluklarıdır. Örneğin, MOC, OPC’nin yaklaşık %70’i kadar bir yoğunluğa sahiptir ve yapılardaki ölü yükleri azaltır. Bununla birlikte, magnezyum bazlı sistemler genellikle geleneksel çelik takviyeyi desteklemez. Düşük pH’ları ve MOC durumunda klorür iyonlarının varlığı, çelik için önemli korozyon riskleri oluşturur. Bunun yerine, genellikle cam, bazalt veya polimer lifler gibi metal olmayan donatılar kullanılır; bu malzemeler, korozyon riski olmaksızın tokluğu artırabilir. Bu durum, gömülü çeliğin doğal olarak alkali ortam tarafından korunduğu OPC’den önemli bir fark olarak öne çıkar.
Tablo 1. Basınç Dayanımı ve Priz Süresi Karşılaştırması
Magnezyum bağlayıcıların dayanıklılığı hem güçlü yönler hem de sınırlamalar sunar. Olumlu tarafı, MOC ve MOS doğal olarak yanmaz özelliktedir, bu da onları yangına dayanıklı uygulamalar için ideal kılar. Yangına dayanıklı panellerde ve döşemelerde etkili bir şekilde kullanılmışlardır, genellikle duman ve alev yayılımını baskıladıkları ahşap malzemelerle birlikte uygulanırlar. Özellikle MOC, olağanüstü aşınma direnciyle öne çıkar ve mekanik aşınmaya maruz kalan uygulamalarda OPC’den daha iyi performans gösterir.
Ayrıca, magnezyum bağlayıcıların por çözelti pH’ı (yaklaşık 9-10), OPC’ye (genellikle >12) kıyasla önemli ölçüde daha düşüktür. Bu, cam elyafıyla güvenle kullanım sağlar ve reaktif agrega kullanımında OPC’de yaygın bir bozulma mekanizması olan alkali-silika reaksiyonu riskini azaltır.
Magnezyum-fosfat sistemleri, üstün asit ve tuz direnci sunar ve genleşen etringit oluşturan kalsiyum alüminatları içermedikleri için sülfat saldırılarına karşı duyarlı değildir. Ayrıca ağır metalleri bağlama konusunda oldukça etkilidirler; bu da onları stabilizasyon ve atık kapsülleme uygulamaları için çevresel açıdan avantajlı kılar.
Ancak suya karşı direnç, özellikle hidrolik olmayan MOC ve MOS sistemleri için bir zayıflık olmuştur. Hava ile sertleşen kristalizasyon yoluyla katılaşırlar ve klorür/sülfat iyonlarının sızması veya bağlayıcı fazların bozulması nedeniyle nemli ortamlarda dayanımlarını kaybedebilirler. Örneğin, modifiye edilmemiş MOC, uzun su maruziyeti sonrası dayanımının %70’ine kadarını yitirebilir.
Son gelişmeler su dayanıklılığını önemli ölçüde artırmıştır. Çalışmalar, MOC formülasyonlarına uçucu kül, silis dumanı veya öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu (GGBS) gibi ilave çimento katkı maddelerinin dâhil edilmesinin su direncini artırdığını göstermektedir. Böyle bir karışım (%15 uçucu kül + %15 silis dumanı) 28 günlük mukavemetin aynı kalmasını sağlamıştır. Bu değişiklikler, kararlı bağlayıcı fazların oluşumunu teşvik eder ve gözenekliliği azaltarak magnezya çimentolarının nemli ortamlarda bile güvenilir bir şekilde performans göstermesini sağlar. Bu ilerlemeye rağmen, magnezyum bağlayıcıların çelik takviye ile uyumsuzluğu, alternatif aşındırıcı olmayan takviyeler kullanılmadığı sürece ağır takviyeli yapı elemanlarında kullanımını sınırlayan bir kısıtlama olmaya devam etmektedir.
Magnezyum bazlı bağlayıcılar, özellikle sıradan Portland çimentosu (OPC) ile karşılaştırıldığında, çimentolu malzemelerin karbon ayak izini azaltmak için önemli bir potansiyel sunmaktadır. Ancak, bu bağlayıcıların çevresel performansı büyük ölçüde kullanılan ham maddelere ve uygulanan işleme yöntemlerine bağlıdır.
Geleneksel OPC üretimi kireçtaşının (CaCO3) yaklaşık 1450°C sıcaklıkta kalsine edilmesini içerir ve bu işlem bir ton klinker başına yaklaşık 0,8-0,9 ton CO2 salınımına neden olur. Bu emisyonlar hem yakıtın yanmasından hem de kireçtaşının dekarbonasyonundan kaynaklanmaktadır. Buna karşılık, magnezyum bağlayıcılar tipik olarak magnezyum oksit (MgO) bazlıdır ve magnezitin (MgCO3) önemli ölçüde daha düşük sıcaklıklarda (genellikle 700 ila 1000 °C arasında) kalsine edilmesiyle üretilebilir. Bu düşük sıcaklıklı proses daha az enerji tüketir ve bu nedenle potansiyel olarak daha düşük CO₂ emisyonları ile sonuçlanır.
MgO kaynağı olarak doğal manyezit kullanılırsa, dekarbonasyon nedeniyle bir ton MgO başına yaklaşık 1,1 ton CO₂ emisyonu oluşur. Bununla birlikte, genel karbon dengesini etkileyen kritik farklılıklar bulunmaktadır. İlk olarak, MgO üretimi daha az termal girdi gerektirir ve elektrikli fırınlar veya yenilenebilir kaynaklar kullanılarak OPC klinkerizasyonundan daha uygun bir şekilde çalıştırılabilir. İkincisi ve en önemlisi, özellikle karbonasyon bazlı sistemler olmak üzere birçok magnezyum bağlayıcı – kalsinasyon sırasında açığa çıkan CO2’yi yeniden absorbe edebilir. Reaktif MgO kürleme sırasında CO₂’ye maruz kaldığında, neskeonit (MgCO3-3H2O) ve hidromagnezit gibi kararlı magnezyum karbonatlar oluşturur ve esasen CO₂’yi sertleştirilmiş matris içinde tutar. İyi optimize edilmiş bir sistemde bu süreç, kalsinasyon kaynaklı emisyonların neredeyse tamamını dengeleyebilir ve karbon döngüsünü etkin bir şekilde kapatabilir.
Üretim sırasında salınan CO₂’nin yalnızca bir kısmını yavaş karbonatlaşma süreciyle yeniden absorbe edebilen OPC’nin aksine, magnezyum bazlı sistemler kontrollü koşullarda CO₂’ye maruz bırakıldıklarında hızlı ve neredeyse tamamen karbonatlaşma sağlayabilir. Bu da magnezyum çimentolarını, CO₂ açısından zengin odalarda kürlenen prefabrike bileşenler için özellikle cazip hale getirir.
Tablo 2. Bağlayıcı Türüne Göre CO₂ Emisyonları
Şekil 1. Çimentolu Bağlayıcıların Karbon Ayak İzi Karşılaştırması
Yaşam döngüsü analizi (LCA) çalışmaları bu çevresel avantajların altını çizmektedir. Atık türevli MgO (tandiş döküm atığından) ile yapılan bir magnezyum fosfat çimentosunu geleneksel OPC betonuyla karşılaştıran bir LCA, MPC’nin %42’ye kadar daha düşük CO₂-eşdeğeri emisyona sahip olduğunu ortaya koymuştur. Bu azalma büyük ölçüde endüstriyel atığın ham madde olarak kullanılmasına ve MPC’nin ortam sıcaklığında kürlenmesine bağlanmıştır.
Bir diğer önemli avantaj ise ham madde esnekliğinde yatmaktadır. MgO, deniz suyu tuzu, serpantin mineralleri veya brüsit (Mg(OH)2) gibi karbonat içermeyen kaynaklardan temin edilebilir; bu da daha düşük veya sıfır CO₂ emisyonuna sahip üretim yöntemlerini mümkün kılar. Bazı durumlarda, bu süreçler MgO üretimi sırasında bile CO₂’nin dâhil edilmesini sağlayarak net karbon negatif sonuçlar elde edilmesini mümkün kılar. Örneğin, Partanna’nın tuzlu su ve reaktif mineral katkı maddelerinden elde edilen bağlayıcısı, havadan aktif olarak CO₂ emerken ortam sıcaklıklarında kürlenir. Şirket verilerine göre, Partanna betonuyla inşa edilen 1.250 metrekarelik bir evin yaşam döngüsü boyunca yaklaşık 182 ton CO₂ tutabileceği bildirilirken, eşdeğer büyüklükteki OPC bazlı bir yapının 70 ton CO₂ salınımı yaptığı belirtilmektedir.
CO₂ ölçümlerinin ötesinde, magnezyum bazlı bağlayıcılar endüstriyel yan ürünlerle uyumlulukları sayesinde sürdürülebilirliğe katkıda bulunur. Birçok formülasyonda, çelik cürufu, uçucu kül, kâğıt fabrikası atıkları veya deniz suyu arıtma tuzları kullanılarak, düzenli depolama sahalarına giden atık miktarı azaltılmakta ve doğal kaynaklar korunmaktadır. Hatta yeni ortaya çıkan bazı MgO çimentoları ortam basıncında üretilmekte ve hiç fırın gerektirmemektedir; bu da enerji taleplerini ve ilgili emisyonları daha da azaltmaktadır.
Ancak, tüm magnezyum esaslı bağlayıcıların doğası gereği sürdürülebilir olmadığının altını çizmek önemlidir. Yüksek saflıkta manyezit, CO₂ yakalaması olmadan geleneksel fosil yakıtlı fırınlarda kalsine edilirse, ortaya çıkan MgO üretimi neredeyse OPC kadar karbon yoğunluğuna sahip olabilir. Düşük karbonlu sonuçlar elde etmenin anahtarı, MgO’yu alternatif malzemelerden tedarik etmek, proses enerji girdilerini en aza indirmek ve mümkün olan her yerde karbonasyon kürü kullanmaktır.
Daha geniş bir çevresel perspektiften bakıldığında, magnezyum bazlı çimentolar ek faydalar sunmaktadır. OPC’ye (pH >12) kıyasla daha düşük alkaliniteleri (pH ~9-10), alkali-silika reaksiyonu riskini azaltır ve kullanımlarını daha güvenli hale getirir. Çoğu formülasyonda uçucu organik bileşikler (VOC) bulunmaz ve daha az petrokimyasal bazlı katkı maddesi gerektirir, bu da daha sağlıklı iç ortamlara ve daha sürdürülebilir inşaat uygulamalarına katkıda bulunur.
Kürlenme davranışı, magnezyum bazlı çimentolar ve OPC arasındaki en temel farklardan biridir. Portland çimentosu, klinker minerallerinin hidrasyonu için suya ihtiyaç duyar ve günler/haftalar boyunca kalsiyum silikat hidrat (C-S-H) oluşturur. Dayanım gelişimine yardımcı olan ve büzülmeyi önleyen nemli kürlemeden faydalanır.
Magnezyum fosfat çimentosu, karıştırıldıktan hemen sonra başlayan hızlı bir asit-baz reaksiyonu ile kürlenir. Tipik olarak 10-30 dakika içinde sertleşir ve su kürüne gerek kalmadan birkaç saat içinde önemli ölçüde mukavemet kazanır. Aslında, kürlenme sonrası nem, reaksiyona girmemiş tuzların çözülüp uzaklaşmasına yol açarak olumsuz etki yaratabilir; bu nedenle MPC genellikle kuru tutulur ve ekzotermik reaksiyon ısısının korunması için izolasyon yapılır.
Magnezyum oksiklorür ve oksisülfat çimentoları da hidroksizalt fazlarının kristalleşmesi yoluyla genellikle 30-60 dakika içinde hızla sertleşir. Bunlar hava ile sertleşen bağlayıcılardır ve su ile sertleştirilmemelidir. Aksi taktirde bu aşırı nem kristal yapılarının bozulmasına yol açabilir. Kontrollü nem ve ortam sıcaklıkları, mukavemet gelişimi için optimal koşullardır ve mukavemet genellikle bir gün içinde maksimum seviyeye ulaşır.
Buna karşılık, karbonasyonla kürlenen MgO bağlayıcılar konsantre CO₂ ortamlarına maruz kalmayı gerektirir. Su ile karıştırılan saf MgO, kendi başına minimum mukavemete sahip olan brüsit oluşturur. Ancak CO₂ varlığında brüsit, matrisi bağlayan katı karbonatlara dönüşür. CO₂ kürleme odaları (örneğin, baca gazı veya sıkıştırılmış CO₂ kullanarak) bu reaksiyonu önemli ölçüde hızlandırabilir ve 24 saat içinde mukavemet gelişimine izin verebilir. Atmosferdeki CO₂ (%0,04) altında gerçekleşen ortam kürlemesi çok daha yavaştır ve ince kesitler veya uzun süreler kabul edilmedikçe yapısal uygulamalar için genellikle pratik değildir.
Bazı MgO bazlı sistemler aynı zamanda puzolanik özellik göstermektedir. Reaktif silika (örneğin silika dumanı) ile karıştırıldığında, ortaya çıkan magnezyum silikat hidrat (M-S-H) jeli bağlanma mukavemeti sağlar. Bu reaksiyon karbonatlaşmadan daha yavaştır ve birkaç gün boyunca nemli kürleme gerektirir.
Bu da farklı bir kimya içermesine rağmen OPC’nin hidrasyonuna benzer. Bu farklı mekanizmalar nedeniyle, saha uygulama protokolleri spesifik magnezyum bağlayıcıya göre uyarlanmalıdır. Örneğin, MPC onarımları yalıtımlı olup ıslak kür uygulaması yapılmaz; MOC kaplamalar ise priz aldıktan sonra neme karşı mühürlenir; karbonatlaşma ile kürlenen bloklar ise genellikle kontrollü CO₂ ortamında önceden üretilir. Buna karşılık, OPC sistemleri daha esnektir; hidratasyon süreci sadece su ile tetiklenir ve standart kür uygulamaları çoğu ortamda sorunsuz şekilde uygulanabilir.
Magnezyum Bazlı Bağlayıcıların Uygulanabilirliği
Magnezyum bazlı bağlayıcılar, hızlı priz alma, yangına dayanıklılık, sülfat direnci ve düşük yoğunluk gibi ayırt edici malzeme özellikleri sayesinde laboratuvar geliştirme aşamasından yaygın pratik kullanıma geçiş yapmaktadır. Bu özellikler, magnezyum bazlı bağlayıcıları özellikle hız, dayanıklılık veya sürdürülebilirliğin öncelikli olduğu uygulamalarda geleneksel Portland çimentosuna (OPC) çok yönlü alternatifler olarak konumlandırmıştır.
Magnezyum fosfat çimentosunun (MPC) en önemli kullanım alanlarından biri altyapı onarımında ortaya çıkmıştır. Son derece hızlı priz alması ve ortam koşullarında genellikle 1-2 saat içinde yüksek erken mukavemet geliştirme kabiliyeti nedeniyle MPC, yolların, köprülerin ve pistlerin acil bakımı için yaygın olarak kullanılmaktadır. Trafiğe hazır hale gelmesi günler sürebilen OPC’nin aksine MPC, ulaşım yollarının hızlı bir şekilde yeniden açılmasını sağlayarak duruş sürelerini ve ekonomik kesintiyi en aza indirir.
Yangına dayanıklı yapılarda magnezyum oksiklorür çimento (MOC), giderek yaygınlaşan magnezyum oksit (MgO) levhaların temelini oluşturmaktadır. Bu yanmaz, ısı yalıtımlı paneller artık iç bölmeler ve koruyucu kaplamalar için yaygın olarak kullanılmakta ve özellikle Çin’de yüksek binalarda alçı levhaların yerini almaktadır. Ayrıca, MOC bazlı kaplamalar pasif yangın koruması için doğrudan çelik ve beton yüzeylere uygulanmakta, kuvvetli aderans ve ısı direnci göstermektedir.
Magnezyum esaslı bağlayıcılar, aynı zamanda prefabrik yapı elemanları ve sürdürülebilir yapı malzemeleri alanında da kayda değer ilerlemeler kaydetmiştir. Partanna gibi şirketler, tuzlu su arıtmadan elde edilen ve endüstriyel atıklarla harmanlanan MgO kullanarak karbon-negatif bloklar ve paneller geliştirmiştir. Bu ürünler ASTM performans standartlarını karşılamaktadır ve bina projelerinde halihazırda kullanılmaktadır. CO₂ tutarken yapısal ihtiyaçları karşılama gibi ikili faydaları, iklim bilincine sahip inşaat için bir model teşkil etmektedir.
Magnezyum oksisülfat (MOS) bağlayıcılar, taşıyıcı olmayan yapılar için hafif ve lif takviyeli panellerin üretiminde etkili bir şekilde kullanılmaktadır. Bu paneller, iç duvarlar ve cephe kaplamaları için yeterli mekanik mukavemet sağlarken, yoğunlukta önemli azalmalar (geleneksel betondan yaklaşık üçte bir daha az) sunmaktadır.
Sülfatça zengin topraklar veya deniz ortamları gibi agresif koşullarda, magnezyum esaslı sistemler doğuştan gelen kimyasal dirençleri sayesinde OPC’den üstün performans sergiler. Sülfat varlığında genleşen etringit oluşturan OPC’nin aksine, magnezyum bağlayıcılar kalsiyum alüminat içermediği için bu tür hasar mekanizması ortadan kalkmaktadır. Magnezyum-silikat deniz duvarı birimleri üzerinde gerçekleştirilen saha testleri, genellikle yüzey bozulmasına maruz kalan OPC muadillerinin aksine, deniz bozulmasına karşı mükemmel direnç göstermiştir. Ayrıca, belirli magnezyum formülasyonlarının (örn. MPC, MOS) düşük alkalinitesi ve klorür içermeyen yapısı, metalik olmayan takviyenin korozif ortamlardaki ömrünü uzatır.
Magnezyum bağlayıcılar ayrıca ultra hafif ve yalıtkan malzemeler üretmek için de kullanılmaktadır. Köpürtücü maddeler veya hafif dolgu malzemeler eklenerek, MPC önemli ölçüde hafifletilmiş ısı yalıtımlı betonlara dönüştürülmüştür.
Diğer yenilikler arasında, %95’e varan biyokütle külü içeriği kullanılan odun külü ve kireçle üretilen bloklar yer almaktadır. Bu çevre dostu ürünler, 2–5 MPa arasında basınç dayanımı sağlayarak hem izolasyon hem de dolgu duvar uygulamaları için uygun olmakla kalmayıp, aynı zamanda tarımsal ve endüstriyel atıkların katma değerli hale getirilmesine de katkı sağlamaktadır. Yapısal ve yalıtım uygulamalarının ötesinde, magnezyum bazlı bağlayıcılar dekoratif ve özel zemin kaplamalarında da giderek popülerlik kazanmaktadır. MOC, pigmentler, ince agrega veya mermer parçacıkları ile kombine edilerek terrazzo benzeri zeminler oluşturulabilir. Bu yüzeyler hızlı kür alır ve birkaç gün içinde parlatılabilir; böylece ticari ve konut alanlarında reçine bazlı zemin sistemlerine kıyasla dayanıklı, uçucu organik bileşik (VOC) içermeyen sürdürülebilir bir alternatif sunar.
Sonuç
Magnezyum bazlı bağlayıcılar, karbon emisyonlarını önemli ölçüde azaltma, inşaat verimliliğini artırma ve döngüsel ekonomi uygulamalarını mümkün kılma yetenekleri nedeniyle sıradan Portland çimentosuna (OPC) sürdürülebilir alternatifler olarak giderek daha fazla ilgi görmektedir. Çevresel faydaları, öncelikle OPC’den daha düşük kalsinasyon sıcaklıklarında (600-1000 °C) üretilebilen ve karbonasyon yoluyla kürleme sırasında CO₂’yi yeniden emebilen reaktif MgO kullanımından kaynaklanmakta ve karbon-nötr, hatta karbon-negatif çimento sistemlerine olanak sağlamaktadır. Atık türevli MgO’dan yapılan MPC ve karbonatlı MgO-nesekonit kompozitleri gibi ticari ve deneysel sistemler, OPC’ye kıyasla %40 veya daha fazla emisyon azaltımı göstermektedir.
Performans açısından, magnezyum fosfat (MPC), oksiklorür (MOC) ve oksisülfat (MOS) bağlayıcılar hızlı mukavemet gelişimi sunar ve genellikle saatler içinde yapısal mukavemete ulaşır. Bu da acil onarımlar ve prekast üretimi gibi zamana duyarlı inşaatlar için idealdir. Bu bağlayıcılar ayrıca yanmaz levhalar, kaplamalar ve onarım harçları gibi uygulamalarla yangına dayanıklılık ve boyutsal kararlılık açısından OPC’den daha iyi performans gösterir. Bunun yanı sıra, kimyasal dayanımları özellikle sülfat saldırısı ve asidik ortamlara karşı gösterdikleri direnç, bu malzemelerin kimyasal olarak agresif ortamlarda kullanılmasını mümkün kılar. Birçok formülasyon düşük büzülme sergiler ve orta dereceli alkaliniteleri cam, polimer ve doğal liflerin takviye olarak güvenli bir şekilde dahil edilmesine olanak tanır.
Magnezyum esaslı bağlayıcılar, kaynak verimliliği açısından da üstünlük göstermektedir. Uçucu kül, çelik cürufu, boksit çamuru ve odun külü gibi çok sayıda endüstriyel yan ürünle uyumlu olup, %80’in üzerinde geri dönüştürülmüş içerik barındıran bağlayıcı bileşimlerine olanak tanımaktadır. Ayrıca, alternatif donatılarla uyumlulukları ve petrokimyasal katkı maddelerine olan bağımlılıklarının azalması, çevresel performanslarını artırmakta ve çok çeşitli uygulama alanlarında kullanım esnekliği sağlamaktadır.
Ancak, bazı zorluklar daha geniş çapta benimsenmelerini sınırlamaktadır. Özellikle MOC ve MOS, uzun süreli nem maruziyetine karşı hassasiyet göstermekte olup, puzolanik katkılarla değiştirilmediği veya karbonatlaşma yoluyla stabilize edilmediği takdirde dayanım kaybına uğrayabilmektedir. Buna ek olarak, yüksek saflıkta MgO ve fosfat tuzları gibi ham maddelerin yüksek maliyeti ve sınırlı temin edilebilirliği, özellikle magnezit yataklarına veya deniz suyu kaynaklarına erişim olmayan bölgelerde ölçeklenebilirliği kısıtlamaktadır. MPC’nin hızlı priz alma özelliği ise sıkı kalite kontrol gerektirmekte olup, saha uygulamalarında OPC’ye kıyasla daha az toleranslıdır. OPC sistemlerinde kullanılan geleneksel katkı maddeleri ise magnezyum bazlı kimyalarla uyumsuz olabilmekte ve bu durum özel formülasyon ihtiyacını doğurmaktadır.
Bir diğer önemli engel ise standartlaştırılmış kodların eksikliği ve yaygın düzenleyici kabulün henüz sağlanmamış olmasıdır. Her ne kadar performansa dayalı standartlar ve bazı ulusal yönergeler (örneğin Çin’deki MgO levhalara yönelik düzenlemeler) ortaya çıkmaya başlasa da magnezyum esaslı bağlayıcılar hâlen OPC’nin sahip olduğu küresel kabul düzeyine ulaşamamıştır; bu durum, ticari ölçekte yaygınlaşmalarını yavaşlatmaktadır. Ayrıca, donma-çözülme döngüleri, taşıyıcı davranışı ve karbonatlaşma yaşlanması gibi uzun vadeli performans verilerinin sınırlı olması, yapı mühendisleri ve düzenleyici kurumların daha temkinli risk değerlendirmeleri yapmasına neden olmaktadır.
Son araştırmalar ve teknolojik gelişmeler bu sınırlamaların üstesinden gelmeyi amaçlamaktadır. Güçlendirme stratejileri arasında çatlama direncini artıran, geçirgenliği azaltan, termal ve mekanik özellikleri iyileştiren doğal ve sentetik liflerin (örneğin yün, polipropilen, bazalt, biyokömür) kullanımı yer almaktadır. Özellikle biyokömür, karbon-negatif potansiyeli ve iç nemi tutma kabiliyeti nedeniyle sürdürülebilir bir katkı maddesi olarak umut vaat etmektedir. MPC’nin hızlı prizini kontrol etmek için sitrik veya borik asit kullanmak gibi katkı optimizasyonu, işlenebilirlik pencerelerini genişleterek magnezyum bağlayıcıları yerinde veya 3D baskı sırasında daha yönetilebilir hale getirmiştir.
Kürleme yöntemleri de gelişim göstermektedir. Yüksek sıcaklıkta kürleme (40–60 °C), hidratasyon reaksiyonlarını hızlandırarak erken dayanımı artırır ve kristalin faz oluşumunu teşvik eder. Reaktif MgO ve diğer bileşenlerin ince öğütülmesi yoluyla mekanokimyasal aktivasyon, özel ve dijital üretim uygulamaları için uygun, önceden reaksiyona girmiş, hızlı sertleşen formülasyonların geliştirilmesini sağlamıştır. CO₂ bakımından zengin ortamlarda karbonatlaşma kürü, reaktif MgO’nun CO₂’yi neskonit ve hidromanyezite mineralize etmesiyle performansı ve sürdürülebilirliği daha da artırır. Serpantin ve olivin gibi alternatif ham maddeler de geleneksel kalsinasyon olmadan düşük karbonlu bağlayıcı sentezi için araştırılmaktadır.
Uygulama cephesinde, pilot projeler ve ticari vaka çalışmaları yapılmaktadır. Örnekler arasında soğuk koşullar altında hızlı uçak pisti ve karayolu onarımları için MPC kullanımı ve Avrupa ve Avustralya’daki binalarda kullanılan MOC levhaları yer almaktadır; ancak ilk denemeler nem geçirmezlik ve klorür kontrolünün önemini vurgulamıştır. Katmanlı üretimde araştırmacılar, özel MPC formülasyonları kullanarak magnezyum bağlayıcı bazlı bileşenleri başarılı bir şekilde 3D olarak basmış ve bunların prefabrik, modüler ve acil durum inşaatlarının yanı sıra biyomedikal alanlardaki potansiyelini ortaya koymuştur.
Sonuç olarak, magnezyum bazlı bağlayıcılar düşük karbonlu, yüksek performanslı yapılara doğru sağlam bir yol sunmaktadır. Uygun çevresel profilleri, hızlı kürlenmeleri, yangına dayanıklılıkları ve alternatif takviyelerle uyumlulukları, onları özellikle karbon kısıtlı bir gelecekte önemli kılmaktadır. Bununla birlikte, nem hassasiyeti, ham madde tedarik zincirleri, standartların geliştirilmesi ve uzun vadeli dayanıklılık ile ilgili zorlukların ele alınması gerekmektedir. Takviye teknolojileri, katkı tasarımı, karbonasyon kürü ve dijital üretim alanlarında devam eden yenilikler, bu bağlayıcıların performans alanını genişletmektedir. Araştırmalar ilerledikçe ve başarılı pilot uygulamalarla pazar güveni arttıkça, magnezyum bazlı çimentolar sürdürülebilir ve dayanıklı altyapıya geçişte hayati bir bileşen olmaya hazırlanmaktadır.
Referanslar
1. Venkatesh, V. & Shanmugasundaram, M. (2024). Enhancement of mechanical and microstructural characteristics of magnesium oxychloride cement with metasteatite. Case Studies in Construction Materials, 21, e01756scielo.brscielo.br
2. Azevedo, A.G.S. et al. (2024). Innovative MOS-based fiber cement boards: Effect of kraft pulp mills waste and curing by accelerated carbonation. Construction and Building Materials, 431, 136525novaresearch.unl.ptnovaresearch.unl.pt
3. Montserrat-Torres, P. et al. (2025). Impact of nesquehonite on hydration and strength of MgO-based cements. Cement and Concrete Research, 161, 107084dora. lib4ri.chpapers.ssrn.com
4. Alfocea-Roig, A. et al. (2024). Life cycle assessment of the climate change impact of magnesium phosphate cements formulated with tundish deskulling waste compared to conventional cement. Sustainable Chemistry and Pharmacy, 42, 101802
5. Muñoz-Ruiz, V. et al. (2024). Ecotoxicity assessment of sustainable magnesium phosphate cements (Sust-MPCs) using luminescent bacteria and sea urchin embryo-larval development tests. J. Environmental Chemical Engineering, 12(4), 109500 (Aug 2024)researchgate.netresearchgate.net
6. Maldonado-Alameda, A. et al. (2023). Magnesium phosphate cement incorporating sheep wool fibre for thermal insulation applications. Journal of Building Engineering, 76, 107043researchgate.netresearchgate.net
7. Zaid, O., Alsharari, F., & Ahmed, M. (2024). Utilization of engineered biochar as a binder in carbon-negative cement-based composites: A review. Construction and Building Materials, 317, 126123
8. Ndahirwa, D. et al. (2024). Wood ash-based binders for lightweight building materials: Evaluating the influence of hydraulic lime and cement on the setting and mechanical properties of wood ash pastes. Results in Engineering, 16, 100846
9. CemenTürk Magazine (2024). “Partanna’nın karbon-negatif bağlayıcısı… geleneksel çimentoya kıyasla önemli avantajlar sunuyor.” CemenTürk, Issue 98, pp. 34–41
10. Partanna Global (2023). Carbon-Negative Concrete Product Information. Partanna.com – Our Products (Accessed 2025)partanna.compartanna.com
