Dr. Uğur Erşen Şenbil
Yapı Kimyasalları Ar-Ge Müdürü / Akkim Kimya
- Durum Değerlendirmesi
Küresel ısınma ve iklim değişikliği hem bugünümüzü hem de geleceğimizi etkileyen en önemli ve en kritik konulardır. Dünyanın ısınması ve iklimin değişmesi hem doğayı hem de canlı hayatını olumsuz şekilde etkilemekle birlikte tüm dünyayı ilgilendiren bir konudur. Bu nedenle, bireysel bazda değil ülkelerin bir araya gelerek oluşturdukları kitlesel aksiyon planları mevcuttur. Bunlardan ilki Kyoto Protokolü’dür. Karbon dioksit başta olmak üzere diğer sera gazı emisyonlarını azaltmaya yönelik sorumluluk içeren bir anlaşma olan Kyoto Protokolü, Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi kapsamında 150’den fazla ülke tarafından imzalanmıştır. Ancak bu anlaşma kapsamında öngörülen hedeflere ulaşılamamıştır.
Küresel ısınma ve iklim değişikliğinin öneminin giderek artması nedeniyle kitlesel yeni önlemler almak kaçınılmaz olmuştur. Bu çerçevede 2020 yılı sonrasındaki iklim değişikliğine karşı alınacak aksiyonların haritasını oluşturan Paris Anlaşması, Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi 21. Taraflar Konferansında kabul edilmiştir ve 4 Kasım 2016 tarihinde yürürlüğe girmiştir. Paris Anlaşması’nın uzun vadeli hedefi küresel sıcaklık artışını 2°C’nin olabildiğince altında tutmaktır.
Paris Anlaşması’nın hedefleri doğrultusunda Avrupa Birliği, 2050 yılında iklim nötr haline ulaşabilmek için bir dizi önlemler içeren Avrupa Yeşil Mutabakat oluşumunu onaylamıştır. Avrupa Yeşil Mutabakat Eylem Planı 2030 yılında sera gazı emisyonlarını %55 oranında azaltmayı da bir ön hedef olarak benimsemiştir. Bu hedef doğrultusunda ‘’Sınırda Karbon Düzenleme Mekanizması (SKDM)’’ bir araç olarak oluşturulmuştur. SKDM ile Avrupa Birliği’nin ithal ettiği bazı ürünlerden, emisyon değerlerine göre ‘’karbon vergisi’’ alınması hedeflenerek, emisyonların kontrol altında tutulması planlanmıştır.
Sürdürülebilir bir dünya için atılan bu adımların ve aksiyon planlarının etkileyeceği sektörlerin başında çimento sektörü gelmektedir. Dünyada en fazla kullanılan malzemelerden biri olan çimento üretilirken önemli sayılacak ölçüde karbon dioksit emisyonuna neden olmaktadır. Bugüne kadar yapılan bilimsel ve teknolojik çalışmalar neticesinde çimentoyu %100 ikame edebilecek, pratikte kullanıma sahip bir malzeme bulunamamıştır. Bağlayıcı malzemelerin tarihçesi yüz yıllar öncesine dayanıyor olsa da bugün kullandığımız Portland Çimentosu 1824 yılında keşfedilmiştir ve yaklaşık 200 yıllık bir tarihçeye sahiptir. Malzemenin kimyası üzerine araştırmalar hala devam etmekte olup, aydınlatılmaya muhtaç birçok bilimsel konu hala çalışılmaktadır. Bu nedenledir ki uzun yıllar daha çimento en çok kullanılan yapı malzemesi olarak hayatımızda yer almaya devam edecektir. Bu açıdan bakıldığında, çimentonun üretiminden kaynaklanan karbon dioksit emisyonunu düşürmeye yönelik kalıcı çözümler bulunması kritik bir ihtiyaç haline gelmiştir. Gerek yasal düzenlemeler gerekse de bilimsel çalışmalar anlamında yoğun emek harcanmaktadır.
Çimento, kalkerli ve killi malzemelerin 1450-1500°C sıcaklıklara pişirilmesi ile oluşan ve klinker adı verilen malzemeye alçı taşı eklenip öğütülmesiyle elde edilen hidrolik bir bağlayıcıdır. Farklı kaynaklarda birbirine yakın olmakla birlikte farklı değerler yer alsa da bir ton klinker üretimi için yaklaşık 800 kg karbon dioksit emisyonu oluştuğunu kabul etmek yanlış bir değer olmayacaktır. Bu miktar çimento üretim hacimleri göz önünde bulundurulduğunda devasa bir boyuta ulaşmaktadır. Dünyada en fazla çimento üreten ülkelerin arasında yer almamız ise ülkemiz için bu durumun önemini daha da arttırmaktadır. 2020 yılı Türkiye toplam CO2 emisyonu 413,4 milyon tondur (TÜİK). Aynı yıl Türkiye klinker üretim miktarı 71,8 milyon tondur (Türkçimento) ve bu miktar 57,4 milyon ton CO2 emisyonuna neden olmaktadır. Yani, 2020 yılı için Türkiye’nin toplam CO2 emisyonunun %13,9’u çimento sektöründen kaynaklanmaktadır. Dünyada ise bu oran %5-10 arasında değişmektedir. Bu veriler çimento endüstrisindeki CO2 emisyonunu azaltma aksiyonları konusunda birçok ülkeye göre daha fazla emek harcamamız gerektiğini, daha fazla bilimsel çalışmalar yapmamız gerektiğini göstermektedir.
Şekil 1: 2020 yılı Türkiye toplam CO2 emisyonu ve çimento endüstrisinin payı
Çimento üretiminde CO2 emisyonunu düşürmeye yönelik Cembureau (Avrupa Çimento Birliği) ve GCCA (Küresel Çimento ve Beton Birliği) gibi uluslararası derneklerin yayımlamış oldukları çeşitli aksiyon planları mevcuttur. Bu aksiyonları aşağıdaki şekilde sıralayabiliriz:
- Karbon yakalama, kullanma, depolama
- Alternatif yakıtlar
- Yenilenebilir enerji, elektrik verimliliği
- Alternatif hammaddeler, ikame malzemeler, düşük klinkerli çimentolar
- Yenilikçi çimentolar ve bağlayıcılar
- Tasarımda ve yapıda verimlilik
- Beton tasarım optimizasyonu
- Yeniden karbonatlaşma
Çimentonun fiziksel, kimyasal ve mekanik özelliklerini etkileyebilecek her türlü aksiyonda, etkilenebilecek özelliğin yaratacağı olumsuz bir sonucu iyileştirmek için kimyasal katkılara ihtiyaç duyulmaktadır. Net sıfır karbon hedefine doğru ilerlerken kimyasal katkıların rolünün daha fazla artacağı ve önümüzdeki yıllarda kullanım miktarının da artacağı öngörülmektedir.
İkame malzemeler kullanılarak klinker oranının düşürülmesi son yıllarda üzerine en çok çalışılan konu haline gelmiştir. Birçok ülkenin hedefi en çok klinker kullanılan çimento kompozisyonu CEM I üretiminden ikame malzemelerin daha yüksek ve klinkerin daha düşük olduğu diğer çimento tiplerine geçmektir. 2021 yılı Türkçimento istatistiklerine göre Türkiye’de (iç pazar) CEM I tüketimi tüm tip çimentoların %56’sını oluşturuyorken, Avrupa’da katkılı çimentoların oranı, yüksek klinker miktarına ve görece daha yüksek karbon dioksit emisyonuna sahip CEM I tipi çimentolardan daha yüksektir. Bu durum önümüzdeki yıllarda ülkemizin CEM I tipi çimentodan katkılı çimentolara geçiş oranının yükseleceğini gösteren önemli bir veridir. 2017-2021 yılları arasında Türkiye iç piyasada CEM I ve CEM II tüketim verileri Şekil 2’de yer almaktadır:
Şekil 2: 2017-2021 Türkiye iç piyasa CEM I ve CEM II tüketim oranları
- Akkim Düşük Emisyon Özel Katkı Serisi (Akgrin Low Carbon) Çalışmaları
Kalker, cüruf, uçucu kül, kalsine kil gibi mineraller katkılı çimentolarda ikame malzemesi olarak kullanılmaktadır. Bu mineraller arasında erişimi ve kullanımı diğer minerallere kıyasla daha kolay olan ve halihazırda çimento fabrikalarının kullandığı kalker ile çalışmalar gerçekleştirilmiştir. %5 oranında kalker içeren referans bir çimento kompozisyonuna (Kompozisyon 1) kıyasla, kalkerin klinker ile %10’a kadar ikamesi gerçekleştirilmiştir. Klinkerin azalması ile beklenen basınç dayanım kayıplarını iyileştirmek adına kalkerin hidratasyon reaksiyonlarını daha verimli hale getirecek şekilde tasarlanan öğütme kolaylaştırıcı ve kombine dayanım arttırıcı AKGRİN LC 968 isimli kimyasal katkı kullanılmıştır. Tüm öğütmeler 60 dakika eşit süre ile laboratuvar tipi bilyalı değirmende gerçekleştirilmiştir ve çalışmalardaki tek değişkenin kalker-klinker ikamesi olması sağlanmıştır. Çalışmada partikül boyut dağılımı, hava jetiyle eleme metodu ile incelik karakteristiği, hava geçirgenlik metodu ile özgül yüzey alanı ve basınç dayanımları ölçülmüştür.
- Çalışma Komposizyonları:
Tablo 1: Çalışma yapılan kompozisyonlar
- Partikül Boyut Dağılımı:
Malvern Mastersizer 3000, ışık saçılım metodu ile partikül boyut dağılım ölçüm cihazı kullanılmıştır. 6 çimentonun partikül boyut dağılımları Şekil 3’te ve Şekil 4’te gösterilmektedir:
Şekil 3: Çimentoların partikül boyut dağılım grafikleri
Şekil 4: Çimentoların Dx (10), Dx (50), Dx (90) değerleri
%6, %7 ve %8 kalker-klinker ikamesinde K-1 referans çimentosuna göre partikül boyutlarının biraz daha kabalaştığı; %9 ve %10 ikame oranlarında K-1 referans çimentosuna göre partikül boyutlarının inceldiği görülmektedir.
- Hava Jetiyle Eleme İncelik Sonuçları:
Şekil 5: Çimentoların hava jeti eleme metodu ile incelik ölçümleri
Alpin marka AS 200 LS-N model hava jeti cihazı kullanılmıştır. Hava jetiyle yapılan eleme incelik sonuçları ışık saçılım yöntemiyle analiz edilen partikül boyut dağılım sonuçları ile paralellik göstermiştir. %6, %7 ve %8 ikame oranları K-1 çimentosuna göre daha kaba görünürken; %9 ve %10 ikame oranlarındaki çimentolar daha ince partikül boyutlarına sahip olmuştur.
- Hava Geçirgenlik Metodu ile Özgül Yüzey Alanı Sonuçları:
Şekil 6: Çimentoların hava geçirgenlik metodu ile özgül yüzey alanı ölçümleri
Toni Technik Blaine cihazı kullanılmıştır. Hava geçirgenlik metodu ile ölçülen özgül yüzey alanı sonuçları birbirlerine yakın olmakla birlikte kalker ikame oranı arttırılmış tüm çimento numuneleri K-1 çimentosuna göre daha yüksek değer vermiştir. K-5 çimentosu en yüksek özgül yüzey alanına sahiptir.
- Basınç Dayanım Sonuçları
Şekil 7: Çimentoların 2-7-28 gün basınç dayanım sonuçları
Kalker ikame oranlarının artması erken dayanımları olumsuz bir şekilde etkilemediği gibi minimum %1,2 (K-4) ve maksimum %4,5 (K-2) oranında 2 günlük basınç dayanımlarında artışlar gözlemlenmiştir. Erken basınç dayanımlarındaki artışın olası iki nedeni olabilir. Birincisi kalkerin kimyasal yapısı gereği erken hidratasyon reaksiyonlarını hızlandırmış olması, ikincisi ise kimyasal katkının içeriğinde yer alan erken dayanımı arttıran ajanların hidratasyon reaksiyonlarını hızlandırmış olmasıdır. Erken dayanım sonuçları göz önünde bulundurulduğunda %5 olan kalker katkısının %10’a kadar klinker ile ikamesi uygun görünmektedir.
7 günlük dayanım sonuçlarında K-6 hariç tüm ikame oranlarında referans K-1 çimentosuna göre dayanım artışı görülmüştür. Minimum %9,6 (K-3), maksimum %13,9 (K-2 ve K-4) oranlarında artışlar ölçülmüştür. En yüksek ikame oranına sahip K-6 çimentosu ise referans çimento olan K-1 çimentosuna göre %2,6 oranında düşük basınç dayanımı sonucu vermiştir. 2 ve 7 günlük dayanım sonuçları birlikte değerlendirildiğinde %5 olan kalker katkısının %9’a kadar yükseltilebileceği görülmektedir.
28 günlük dayanım sonuçlarında K-2, K-3, K-4 çimentoları referans çimentoya göre daha yüksek basınç dayanım performansı gösterirken, K-5 referansın %0,7 altında olup çok yakın sonuç vermiştir. K-6 ise referansın %7,7 altında basınç dayanım sonucu vermiştir. 2-7-28 günlük basınç dayanımları birlikte değerlendirildiğinde basınç dayanım performansından ödün vermeden %5 olan kalker ikamesi %8’e kadar çıkarabilir. Hatta K-5 çimentosunun K-1’e göre 0,4 MPa düşük gelmesi ve bu farkın ortadan ikiye kırılan prizmanın iki yarısı arasında dahi çıkabilecek kadar küçük bir fark olduğu göz önünde bulundurulduğunda %9 oranına kadar kalker ikamesinin yapılabileceği görülmektedir. %10 kalker ikamesi olan K-6 çimentosunun nihai basınç dayanımı referans çimentonun gerisinde kalmış olsa da CEM I 42,5 tipi çimento basınç dayanım sınıfını sağlamaktadır.
Kalkerin erken basınç dayanımlarına olumlu yönde katkısının olduğu ancak 28 günlük basınç dayanımlarına katkısının olmadığı yönünde literatür çalışmaları göz önüne alındığında AKGRİN LC 968 kimyasal katkısının artan kalker katkılı çimentolar ile etkileşiminin son derece iyi olduğu ve kalkerin klinker yerine ikame oranının %5’ten %9’a kadar çıkarılmasına olanak sağlayan bir kimyasal olduğu görülmektedir.
- Değerlendirmeler
Daha sürdürülebilir bir gelecek için, yaşamımızın en önemli malzemelerinden biri olan çimentonun üretiminden kaynaklanan karbon dioksit emisyonunu azaltmaya yönelik yapılan her çalışma son derece önemli ve değerlidir. Yapılan çalışmaların laboratuvar ölçeğinden endüstriyel boyuta geçirilmesi ise pratikte kullanımı adına veriler elde etmemize yol açacaktır.
Kimyasal katkıların hidratasyon sürecine etkilerini çok daha iyi anlamak ve karbon dioksit emisyon değerlerini düşürmeye yönelik katkıların yapısını geliştirmek üzere birçok çalışmamız devam etmektedir. Bu makalede kalker katkısının %5’ten %9’a kadar basınç dayanımlarından ödün vermeden çıkarılmasına olanak sağlayan çalışmamızı sunmaktayız. AKGRİN LC 968’in güçlü dayanım özelliğinin yanında, öğütme kolaylaştırıcı ajanlarla kombinasyonu %9 kalker katkılı çimento olan K-5’in incelik karakteristiğini de olumsuz olarak etkilememiştir. Bu açıdan bakıldığında çimento değirmen verimliliğini de olumlu etkileyebileceği söylenebilir.
