Çimento

Çimento tozu, burada torba içinde şartlandırılmış, agregalar ve su ile karıştırılmaya hazırdır. Sağlık sorunlarını önlemek için kuru çimento tozunun havaya yayılmasından kaçınılmalıdır. ⓘ

1905'te Toledo, Ohio'daki Multiplex Manufacturing Company'den çimento blok yapım örnekleri ⓘ

Çimento bir bağlayıcıdır, inşaat için kullanılan, sertleşen ve diğer malzemeleri birbirine bağlamak için onlara yapışan bir maddedir. Çimento nadiren tek başına kullanılır, bunun yerine kum ve çakılı (agrega) birbirine bağlamak için kullanılır. İnce agrega ile karıştırılan çimento, duvarcılık için harç üretir veya kum ve çakıl ile beton üretir. Beton, var olan en yaygın kullanılan malzemedir ve gezegenin en çok tüketilen kaynağı olarak sudan sonra gelmektedir. ⓘ

İnşaatta kullanılan çimentolar genellikle inorganiktir, genellikle kireç veya kalsiyum silikat esaslıdır ve çimentonun su varlığında priz alma kabiliyetine bağlı olarak sırasıyla hidrolik olmayan veya hidrolik olarak nitelendirilebilir (bkz. hidrolik ve hidrolik olmayan kireç sıva). ⓘ

Hidrolik olmayan çimento ıslak koşullarda veya su altında priz almaz. Bunun yerine, kurudukça ve havadaki karbondioksit ile reaksiyona girdikçe priz alır. Priz aldıktan sonra kimyasalların saldırısına karşı dayanıklıdır. ⓘ

Hidrolik çimentolar (örneğin Portland çimentosu), kuru bileşenler ve su arasındaki kimyasal reaksiyon nedeniyle sertleşir ve yapışkan hale gelir. Kimyasal reaksiyon, suda çok fazla çözünmeyen ve bu nedenle suda oldukça dayanıklı ve kimyasal saldırılara karşı güvenli olan mineral hidratlarla sonuçlanır. Bu, ıslak koşullarda veya su altında sertleşmeye izin verir ve sertleşmiş malzemeyi kimyasal saldırılardan daha fazla korur. Hidrolik çimento için kimyasal süreç, kireç (kalsiyum oksit) eklenmiş volkanik kül (puzolana) kullanan eski Romalılar tarafından bulunmuştur. ⓘ

"Çimento" kelimesi, bağlayıcı olarak yanmış kireç ile ezilmiş kayadan yapılan modern betona benzeyen duvarları tanımlamak için kullanılan Antik Roma terimi opus caementicium'a kadar izlenebilir. Hidrolik bir bağlayıcı elde etmek için yanmış kirece eklenen volkanik kül ve toz haline getirilmiş tuğla takviyeleri daha sonra cementum, cimentum, cäment ve çimento olarak adlandırılmıştır. Modern zamanlarda, organik polimerler bazen betonda çimento olarak kullanılmaktadır. ⓘ

Dünya üretimi yılda yaklaşık dört milyar tondur ve bunun yaklaşık yarısı Çin'de yapılmaktadır. Eğer çimento endüstrisi bir ülke olsaydı, 2.8 milyar ton ile dünyanın en büyük üçüncü karbondioksit yayıcısı olurdu ve sadece Çin ve Amerika Birleşik Devletleri tarafından geçilirdi. Çimento üretimindeki ilk kalsinasyon reaksiyonu küresel CO₂ emisyonlarının yaklaşık %4'ünden sorumludur. Reaksiyonun gerçekleştiği çimento fırını, radyan ısı transferi yoluyla fırını ısıtmak için gereken parlak alev nedeniyle tipik olarak kömür veya petrol kokuyla ateşlendiğinden, genel süreç küresel CO₂ emisyonlarının yaklaşık %8'inden sorumludur. Sonuç olarak, çimento üretimi iklim değişikliğine önemli bir katkıda bulunmaktadır. ⓘ

Çimento (İtalyanca "cemento" kelimesinden alınmıştır), esas olarak, doğal kalker taşları ve kil karışımının yüksek sıcaklıkta ısıtıldıktan sonra öğütülmesi ile elde edilen hidrolik bir bağlayıcı malzeme olarak tanımlanır.
Çimento tanelerinin göz açıklığı 5 ila 90 mikron arasındadır. ⓘ

Torbalanmış Çimento ⓘ

Diğer bağlayıcı maddeler gibi çimentolar da, CaO, MgO gibi alkalin öğeler ve SiO₂, Al₂O₃ ve Fe₂O₃ gibi hidrolik öğelerden oluşur. Çimento bağlayıcılık görevini su ile tepkimeye girdikten sonra kazandığı için hidrolik bağlayıcı olarak adlandırılır. Alkalin ve hidrolik öğelerin oranları bağlayıcı maddenin niteliğini belirler. ⓘ

Çimento, su ile karıştırılıp plastik hamur durumuna geldikten bir süre sonra havada ya da su içinde yavaş yavaş katılaşır. Bu katılaşma olayına piriz adı verilir. Normal şartlar altında ( 28 derece sıcaklık ve yağmursuz havada ) bu katılaşma olayı ilk on dakikada başlar ve adına Yalancı Piriz denir, bir saat civarında ise donma ve mukavemet artar. Ancak bu olay içinde bulunulan koşullara bağlı olarak değişiklik gösterebilir, herhangi bir kimyasal priz geciktirici kullanılmadıysa ve hava sıcaklığı çok düşük değilse yaklaşık 10 saat gibi bir süreçte donma gerçekleşir. ⓘ

Kimya

Çimento malzemeleri, ilgili priz ve sertleşme mekanizmalarına göre hidrolik olmayan çimentolar ve hidrolik çimentolar olmak üzere iki farklı kategoride sınıflandırılabilir. Hidrolik çimentonun priz alması ve sertleşmesi hidratasyon reaksiyonlarını içerir ve bu nedenle su gerektirir, hidrolik olmayan çimentolar ise sadece bir gazla reaksiyona girer ve doğrudan hava altında priz alabilir. ⓘ

Hidrolik çimento

Klinker nodülleri 1450 °C'de sinterleme ile üretilir. ⓘ

Şimdiye kadar en yaygın çimento türü, su eklendiğinde klinker minerallerinin hidratasyonu ile sertleşen hidrolik çimentodur. Hidrolik çimentolar (Portland çimentosu gibi) silikatlar ve oksitlerin bir karışımından oluşur, klinkerin dört ana mineral fazı, çimento kimyacısı notasyonunda kısaltılmıştır:

C₃S: Alit (3CaO-SiO₂);

C₂S: Belit (2CaO-SiO₂);

C₃A: Trikalsiyum alüminat (3CaO-Al₂O₃) (tarihsel olarak ve hala zaman zaman celite olarak adlandırılır);

C₄AF: Brownmillerite (4CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃). ⓘ

Silikatlar çimentonun mekanik özelliklerinden sorumludur - trikalsiyum alüminat ve brownmillerit, klinkerin fırında yüksek sıcaklıkta sinterlenmesi (pişirilmesi) işlemi sırasında sıvı fazın oluşumu için gereklidir. Bu reaksiyonların kimyası tam olarak açık değildir ve hala araştırma konusudur. ⓘ

İlk olarak, kireçtaşı (kalsiyum karbonat) yakılarak karbonu uzaklaştırılır ve kalsinasyon reaksiyonu olarak bilinen reaksiyonda kireç (kalsiyum oksit) üretilir. Bu tek kimyasal reaksiyon, küresel karbondioksit emisyonlarının başlıca yayıcısıdır.

Ayrıştırılamadı (sözdizim hatası): {\displaystyle \ce{CaCO3 -> CaO + CO2 [https://en.wikipedia.org/wiki/Cement#Hydraulic_cement ⓘ]}}

Kireç, silikon dioksit ile reaksiyona girerek dikalsiyum silikat ve trikalsiyum silikat üretir.

{\ce {2CaO + SiO2 -> 2CaO.SiO2}}

Ayrıştırılamadı (sözdizim hatası): {\displaystyle \ce{3CaO + SiO2 -> 3CaO.SiO2 [https://en.wikipedia.org/wiki/Cement#Hydraulic_cement ⓘ]}}

Kireç ayrıca alüminyum oksit ile reaksiyona girerek trikalsiyum alüminat oluşturur.

Ayrıştırılamadı (sözdizim hatası): {\displaystyle \ce{3CaO + Al2O3 -> 3CaO.Al2O3 [https://en.wikipedia.org/wiki/Cement#Hydraulic_cement ⓘ]}}

Son adımda kalsiyum oksit, alüminyum oksit ve ferrik oksit birlikte reaksiyona girerek çimento oluşturur.

Ayrıştırılamadı (sözdizim hatası): {\displaystyle \ce{4CaO + Al2O3 + Fe2O3 -> 4CaO.Al2O3.Fe2O3 [https://en.wikipedia.org/wiki/Cement#Hydraulic_cement ⓘ]}}

Killerin ana maddesi alüminyum silikat hidratlardır. Çimentodaki alkalilerin ana kaynağı da kil bileşenleridir. Kil minerallerinin temel özelliği kimyasal bileşiminde Al₂O₃ bulunması ve sulu alüminyum silikattan oluşmasıdır. ⓘ

Hidrolik olmayan çimento

Kalsiyum oksit, kalsiyum karbonatın yüksek sıcaklıkta (825 °C'nin üzerinde) termal ayrışması ile elde edilir. ⓘ

Çimentonun daha az yaygın bir şekli, sönmüş kireç (su ile karıştırılmış kalsiyum oksit) gibi hidrolik olmayan çimentodur, havada bulunan karbondioksit ile temas halinde karbonatlaşma yoluyla sertleşir (~ 412 vol. ppm ≃ 0.04 vol. %). İlk olarak kalsiyum oksit (kireç), atmosferik basınçta yaklaşık 10 saat boyunca 825 °C (1.517 °F) üzerindeki sıcaklıklarda kalsinasyon yoluyla kalsiyum karbonattan (kireçtaşı veya tebeşir) üretilir:

{\ce {CaCO3 -> CaO + CO2}}

Kalsiyum oksit daha sonra su ile karıştırılarak harcanır (söndürülür) ve sönmüş kireç (kalsiyum hidroksit) elde edilir:

{\ce {CaO + H2O -> Ca(OH)2}}

Fazla su tamamen buharlaştığında (bu işlem teknik olarak priz alma olarak adlandırılır) karbonatlaşma başlar:

{\ce {Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O}}

Bu reaksiyon yavaştır, çünkü havadaki kısmi karbondioksit basıncı düşüktür (~ 0,4 milibar). Karbonatlaşma reaksiyonu kuru çimentonun havaya maruz kalmasını gerektirir, bu nedenle sönmüş kireç hidrolik olmayan bir çimentodur ve su altında kullanılamaz. Bu süreç kireç döngüsü olarak adlandırılır. ⓘ

Tarihçe

Belki de bilinen en eski çimento oluşumu on iki milyon yıl öncesine aittir. Bir kireçtaşı yatağının bitişiğinde bulunan petrollü şeyl doğal nedenlerle yandıktan sonra bir çimento birikintisi oluşmuştur. Bu eski tortular 1960'larda ve 1970'lerde araştırılmıştır. ⓘ

Antik çağda kullanılan çimento alternatifleri

Çimento, kimyasal açıdan bakıldığında, birincil bağlayıcı bileşen olarak kireç içeren bir üründür, ancak çimentolama için kullanılan ilk malzeme olmaktan uzaktır. Babilliler ve Asurlular yanmış tuğla veya kaymaktaşı levhaları birbirine bağlamak için bitüm kullanmışlardır. Eski Mısır'da taş bloklar, genellikle kalsiyum karbonat (CaCO₃) içeren kum ve kabaca yanmış alçıdan (CaSO₄ - 2H₂O) yapılmış bir harçla birbirine yapıştırılırdı. ⓘ

Yunanlılar ve Romalılar

Kireç (kalsiyum oksit) Girit'te ve Antik Yunanlılar tarafından kullanılmıştır. Girit Minoslularının hidrolik çimento için yapay bir puzolan olarak ezilmiş çanak çömlek parçaları kullandıklarına dair kanıtlar vardır. Hidrolik olmayan hidratlı kireç ve puzolan kombinasyonunun hidrolik bir karışım ürettiğini ilk kimin keşfettiğini kimse bilmiyor (ayrıca bkz: Puzolanik reaksiyon), ancak bu tür bir beton Antik Makedonyalılar tarafından ve üç yüzyıl sonra Romalı mühendisler tarafından büyük ölçekte kullanıldı. ⓘ

Doğal nedenlerle şaşırtıcı sonuçlar veren bir tür toz vardır. Baiae civarında ve Vezüv Yanardağı çevresindeki kasabalara ait topraklarda bulunur. Bu madde kireç ve molozla karıştırıldığında sadece diğer türden binalara güç katmakla kalmaz, aynı zamanda denizde iskeleler inşa edildiğinde bile su altında sertleşir.
- Marcus Vitruvius Pollio, Liber II, De Architectura, Kısım VI "Pozzolana" Bölüm 1 ⓘ

Yunanlılar puzolan olarak Thera adasındaki volkanik tüfü, Romalılar ise kireçle birlikte ezilmiş volkanik külü (aktifleştirilmiş alüminyum silikatlar) kullanmışlardır. Bu karışım su altında sertleşebiliyor ve pas gibi korozyona karşı direncini arttırıyordu. Malzemeye, volkanik külün çıkarıldığı Napoli'nin batısındaki Pozzuoli kasabasından puzolana adı verilmiştir. Puzolanik külün bulunmadığı durumlarda Romalılar bunun yerine toz tuğla veya çömlek kullanmışlardır ve Roma yakınlarındaki doğal kaynakları keşfetmeden önce bu amaçla ezilmiş kiremit kullanmış olabilirler. Roma'daki Pantheon'un devasa kubbesi ve Caracalla'nın devasa hamamları bu betonlardan yapılan ve birçoğu hala ayakta olan antik yapılara örnektir. Roma su kemerlerinin geniş sistemi de hidrolik çimentodan geniş ölçüde yararlanmıştır. Roma betonu binaların dışında nadiren kullanılmıştır. Normal teknik, kırık taş, tuğla, çanak çömlek parçaları, geri dönüştürülmüş beton parçaları veya diğer bina molozlarından oluşan bir agrega ile karıştırılmış bir harç dolgusu için kalıp olarak tuğla kaplama malzemesi kullanmaktı. ⓘ

Orta Çağ

Bu bilginin Orta Çağ literatüründe korunduğu bilinmemektedir, ancak Orta Çağ masonları ve bazı askeri mühendisler kanallar, kaleler, limanlar ve gemi inşa tesisleri gibi yapılarda hidrolik çimentoyu aktif olarak kullanmışlardır. Kireç harcı ve agrega ile tuğla veya taş kaplama malzemesi karışımı Doğu Roma İmparatorluğu'nda ve Batı'da Gotik döneme kadar kullanılmıştır. Alman Rhineland bölgesi, trass adı verilen yerel puzolan yataklarına sahip olduğu için Orta Çağ boyunca hidrolik harç kullanmaya devam etmiştir. ⓘ

16. yüzyıl

Tabby, beton oluşturmak için istiridye kabuğu kireci, kum ve bütün istiridye kabuklarından yapılan bir yapı malzemesidir. On altıncı yüzyılda İspanyollar tarafından Amerika'ya getirilmiştir. ⓘ

18. yüzyıl

Hidrolik çimento yapımına ilişkin teknik bilgiler 18. yüzyılda Fransız ve İngiliz mühendisler tarafından resmileştirilmiştir. ⓘ

John Smeaton, şimdi Smeaton Kulesi olarak bilinen İngiliz Kanalı'ndaki üçüncü Eddystone Deniz Feneri'nin (1755-59) yapımını planlarken çimentoların geliştirilmesine önemli bir katkıda bulundu. Birbirini izleyen gelgitler arasındaki on iki saatlik süre içinde sertleşecek ve bir miktar mukavemet kazanacak hidrolik bir harca ihtiyacı vardı. Farklı kireçtaşları ve tras ve puzolan gibi katkı maddelerinin kombinasyonlarıyla deneyler yaptı ve üretim yerlerini ziyaret ederek mevcut hidrolik kireçler hakkında kapsamlı bir piyasa araştırması yaptı ve kirecin "hidrolikliğinin", onu yapmak için kullanılan kireçtaşının kil içeriğiyle doğrudan ilişkili olduğunu kaydetti. Mesleği inşaat mühendisliği olan Smeaton bu fikri daha ileri götürmedi. ⓘ

Amerika Birleşik Devletleri'nin Güney Atlantik kıyısında, 1730'lardan 1860'lara kadar ev yapımında eski Amerikan yerlilerinin istiridye kabuğu çukurlarına dayanan tekir kullanılmıştır. ⓘ

Özellikle İngiltere'de, hızlı büyüme döneminde kaliteli yapı taşı giderek daha pahalı hale geldi ve yeni endüstriyel tuğlalardan prestij binaları inşa etmek ve bunları taşı taklit eden bir sıva ile bitirmek yaygın bir uygulama haline geldi. Bunun için hidrolik kireçler tercih ediliyordu, ancak hızlı priz alma ihtiyacı yeni çimentoların geliştirilmesini teşvik etti. En ünlüsü Parker'ın "Roma çimentosu" idi. Bu, James Parker tarafından 1780'lerde geliştirildi ve nihayet 1796'da patenti alındı. Aslında Romalılar tarafından kullanılan malzemeye hiç benzemiyordu, ancak septaria - belirli kil yataklarında bulunan ve hem kil mineralleri hem de kalsiyum karbonat içeren nodüller - yakılarak yapılan "doğal bir çimento" idi. Yanmış yumrular ince bir toz haline getiriliyordu. Kumla harç haline getirilen bu ürün 5-15 dakika içinde sertleşiyordu. "Roma çimentosunun" başarısı, diğer üreticilerin kil ve tebeşirden oluşan yapay hidrolik kireç çimentolarını yakarak rakip ürünler geliştirmelerine yol açtı. Roma çimentosu hızla popüler hale geldi ancak 1850'lerde yerini büyük ölçüde Portland çimentosuna bıraktı. ⓘ

19. yüzyıl

Görünüşe göre Smeaton'ın çalışmalarından habersiz olan Fransız Louis Vicat, on dokuzuncu yüzyılın ilk on yılında aynı prensibi tanımlamıştır. Vicat, tebeşir ve kili samimi bir karışım halinde birleştirmek için bir yöntem geliştirmeye devam etti ve bunu yakarak 1817'de Portland çimentosunun "başlıca öncüsü" olarak kabul edilen bir "yapay çimento" üretti ve "...Southwarklı Edgar Dobbs 1811'de bu tür bir çimentonun patentini aldı." ⓘ

Rusya'da Egor Cheliev, kireç ve kili karıştırarak yeni bir bağlayıcı oluşturdu. Elde ettiği sonuçlar 1822 yılında Petersburg'da yayınlanan A Treatise on the Art to Prepare a Good Mortar adlı kitabında yayınlandı. Birkaç yıl sonra 1825'te, çimento ve beton yapımının çeşitli yöntemlerini ve çimentonun bina ve set yapımındaki faydalarını anlatan başka bir kitap yayınladı. ⓘ

url-access=registration ⓘ

Beton, harç, sıva ve özel olmayan harçların temel bileşeni olarak dünya çapında genel kullanımdaki en yaygın çimento türü olan Portland çimentosu, 19. yüzyılın ortalarında İngiltere'de geliştirilmiştir ve genellikle kireç taşından elde edilir. James Frost, "İngiliz çimentosu" olarak adlandırdığı maddeyi benzer bir şekilde aynı dönemde üretmiş, ancak 1822 yılına kadar patent almamıştır. 1824'te Joseph Aspdin, Portland çimentosu adını verdiği benzer bir malzemenin patentini aldı, çünkü bu malzemeden yapılan sıvanın rengi İngiltere'nin Dorset eyaletindeki Portland Adası'nda çıkarılan prestijli Portland taşına benziyordu. Bununla birlikte, Aspdins'in çimentosu modern Portland çimentosuna benzemiyordu, ancak gelişiminde bir ilk adımdı ve proto-Portland çimentosu olarak adlandırılıyordu. Joseph Aspdins'in oğlu William Aspdin babasının şirketinden ayrılmış ve çimento üretimi sırasında 1840'larda yanlışlıkla Portland çimentosunun gelişiminde orta bir adım olan kalsiyum silikatları üretmiştir. William Aspdin'in yeniliği "yapay çimento" üreticileri için mantığa aykırıydı, çünkü karışımda daha fazla kireç (babası için bir sorun), çok daha yüksek bir fırın sıcaklığı (ve dolayısıyla daha fazla yakıt) gerektiriyordu ve ortaya çıkan klinker çok sertti ve o zamanın mevcut tek öğütme teknolojisi olan değirmen taşlarını hızla aşındırıyordu. Bu nedenle üretim maliyetleri oldukça yüksekti, ancak ürün oldukça yavaş priz alıyor ve hızla mukavemet kazanıyordu, böylece betonda kullanım için bir pazar açılmış oldu. İnşaatlarda beton kullanımı 1850'den itibaren hızla arttı ve kısa süre içinde çimentolar için baskın kullanım alanı haline geldi. Böylece Portland çimentosu baskın rolünü üstlenmeye başladı. Isaac Charles Johnson mezo-Portland çimentosu (gelişimin orta aşaması) üretimini daha da geliştirmiş ve Portland çimentosunun gerçek babası olduğunu iddia etmiştir. ⓘ

Priz süresi ve "erken dayanım" çimentoların önemli özellikleridir. Hidrolik kireçler, "doğal" çimentolar ve "yapay" çimentoların tümü mukavemet gelişimi için belit (2 CaO - SiO₂, C₂S olarak kısaltılır) içeriğine dayanır. Belit yavaş bir şekilde mukavemet geliştirir. Bu çimentolar 1,250 °C'nin (2,280 °F) altındaki sıcaklıklarda yakıldıkları için, modern çimentolarda erken mukavemetten sorumlu olan alit (3 CaO - SiO₂, C₃S olarak kısaltılır) içermezler. Sürekli olarak alit içeren ilk çimento 1840'ların başında William Aspdin tarafından yapılmıştır: Bu, bugün "modern" Portland çimentosu olarak adlandırdığımız şeydi. William Aspdin'in ürününü çevreleyen gizemli hava nedeniyle, diğerleri (örneğin Vicat ve Johnson) bu buluşta öncelik iddia etmişlerdir, ancak hem betonu hem de ham çimentosu üzerinde yapılan son analizler, William Aspdin'in Northfleet, Kent'te ürettiği ürünün gerçek bir alit bazlı çimento olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, Aspdin'in yöntemleri "başparmak kuralı" idi: Vicat bu çimentoların kimyasal temelini oluşturmaktan sorumludur ve Johnson karışımın fırında sinterlenmesinin önemini ortaya koymuştur. ⓘ

ABD'de çimentonun ilk büyük ölçekli kullanımı, 19. yüzyılın başlarında Rosendale, New York yakınlarında keşfedilen büyük bir dolomit yatağından çıkarılan doğal bir çimento olan Rosendale çimentosuydu. Rosendale çimentosu binaların (örneğin Özgürlük Heykeli, Capitol Binası, Brooklyn Köprüsü) temelinde ve su borularının kaplanmasında son derece popülerdi. ⓘ

Sorel çimentosu ya da magnezya bazlı çimento, 1867 yılında Fransız Stanislas Sorel tarafından patentlendi. Portland çimentosundan daha güçlüydü ancak zayıf su direnci (süzülme) ve korozif özellikleri (sızabilen klorür anyonlarının varlığı ve gözenek suyunun düşük pH'ı (8.5-9.5) nedeniyle çukur korozyonu) bina yapımında betonarme olarak kullanımını sınırladı. ⓘ

Portland çimentosu üretimindeki bir sonraki gelişme döner fırının kullanılmaya başlanması olmuştur. Bu fırın, ulaştığı yüksek sıcaklıkta (1450 °C) artan alit (C₃S) oluşumu nedeniyle hem daha güçlü hem de daha homojen bir klinker karışımı üretmiştir. Hammadde sürekli olarak döner fırına beslendiğinden, daha düşük kapasiteli kesikli üretim süreçlerinin yerini sürekli bir üretim sürecinin almasını sağladı. ⓘ

20. yüzyıl

Etiyopya Ulusal Çimento Paylaşım Şirketi'nin Dire Dawa'daki yeni fabrikası. ⓘ

Kalsiyum alüminat çimentolarının patenti 1908 yılında Fransa'da Jules Bied tarafından sülfatlara karşı daha iyi direnç göstermesi için alınmıştır. Yine 1908 yılında Thomas Edison, Union, NJ'deki evlerde ön dökümlü beton denemeleri yaptı. ⓘ

Birinci Dünya Savaşı'ndan sonra ABD'de Rosendale çimentosunun en az bir ay süren uzun kürlenme süresi, otoyol ve köprü inşaatları için popüler olmamasına neden olmuş ve birçok eyalet ve inşaat firması Portland çimentosuna yönelmiştir. Portland çimentosuna geçiş nedeniyle 1920'lerin sonunda 15 Rosendale çimento şirketinden sadece biri ayakta kalabilmişti. Ancak 1930'ların başında inşaatçılar, Portland çimentosunun daha hızlı priz almasına rağmen özellikle otoyollar için o kadar dayanıklı olmadığını keşfetti; öyle ki bazı eyaletler çimento ile otoyol ve yol inşa etmeyi bıraktı. Şirketi New York'taki Catskill Su Kemeri'nin yapımına yardım etmiş olan mühendis Bertrain H. Wait, Rosendale çimentosunun dayanıklılığından etkilendi ve hem Rosendale hem de Portland çimentolarının karışımından oluşan ve her ikisinin de iyi özelliklerini taşıyan bir ürün geliştirdi. Bu çimento son derece dayanıklıydı ve çok daha hızlı priz alıyordu. Wait, New York Karayolları Komiserini New Paltz, New York yakınlarında altı çuval Portland çimentosuna karşılık bir çuval Rosendale kullanarak deneysel bir otoyol bölümü inşa etmeye ikna etti. Bu başarılı oldu ve on yıllar boyunca Rosendale-Portland çimento karışımı otoyol ve köprü yapımında kullanıldı. ⓘ

Çimentolu malzemeler yarım yüzyıldan uzun bir süredir nükleer atıkları hareketsiz hale getiren bir matris olarak kullanılmaktadır. Atık çimentolama teknolojileri geliştirilmiş ve birçok ülkede endüstriyel ölçekte uygulanmıştır. Çimentolu atık formları, uzun süreli depolama ve bertaraf için katı atık kabul kriterlerini karşılamak üzere her bir özel atık türüne uyarlanmış dikkatli bir seçim ve tasarım süreci gerektirir. ⓘ

Modern çimentolar

Modern hidrolik gelişimi, üç ana ihtiyaçtan hareketle Sanayi Devrimi'nin başlamasıyla (1800 civarında) başlamıştır:

Islak iklimlerde tuğla binaların bitirilmesi için hidrolik çimento sıva (stucco)
Deniz suyu ile temas eden liman işlerinin vb. duvar inşaatı için hidrolik harçlar
Güçlü betonların geliştirilmesi ⓘ

Çimento bileşenleri:
kimyasal ve fiziksel özelliklerin karşılaştırılması ⓘ
Mülkiyet		Portland Çimento	Silisli uçucu kül	Kalkerli uçucu kül	Cüruf Çimento	Silika Duman
Kütleye göre oran (%)	SiO₂	21.9	52	35	35	85–97
	Al₂O₃	6.9	23	18	12	—
	Fe₂O₃	3	11	6	1	—
	CaO	63	5	21	40	< 1
	MgO	2.5	—	—	—	—
	SO₃	1.7	—	—	—	—
Özgül yüzey (m²/kg)		370	420	420	400	15,000 – 30,000
Özgül ağırlık		3.15	2.38	2.65	2.94	2.22
Genel amaçlı		Birincil bağlayıcı	Çimento değişimi	Çimento değişimi	Çimento değişimi	Mülkiyet artırıcı

Modern çimentolar genellikle Portland çimentosu veya Portland çimentosu karışımlarıdır, ancak endüstride başka çimentolar da kullanılmaktadır. ⓘ

Portland çimentosu

Bir hidrolik çimento türü olan Portland çimentosu, dünya çapında genel kullanımda en yaygın çimento türüdür. Bu çimento, kalsiyum karbonattan bir karbondioksit molekülünü serbest bırakarak kalsiyum oksit veya sönmemiş kireç oluşturan ve daha sonra karışımdaki diğer malzemelerle kimyasal olarak birleşerek kalsiyum silikatlar ve diğer çimentolu bileşikler oluşturan kalsinasyon olarak bilinen bir işlemle kireçtaşının (kalsiyum karbonat) diğer malzemelerle (kil gibi) bir fırında 1.450 °C'ye (2.640 °F) ısıtılmasıyla yapılır. Ortaya çıkan ve 'klinker' olarak adlandırılan sert madde daha sonra az miktarda alçıtaşı ile toz haline getirilerek en yaygın kullanılan çimento türü olan sıradan Portland çimentosu (genellikle OPC olarak adlandırılır) elde edilir. Portland çimentosu beton, harç ve özel olmayan harçların çoğunun temel bileşenidir. Portland çimentosunun en yaygın kullanım alanı beton yapmaktır. Beton, agrega (çakıl ve kum), çimento ve sudan oluşan kompozit bir malzemedir. Bir inşaat malzemesi olarak beton hemen hemen her şekilde dökülebilir ve sertleştikten sonra yapısal (yük taşıyan) bir eleman olabilir. Portland çimentosu gri veya beyaz olabilir. ⓘ

Portland çimentosu karışımı

Portland çimentosu karışımları genellikle çimento üreticilerinden zeminler arası karışımlar olarak temin edilebilir, ancak benzer formülasyonlar genellikle beton karıştırma tesisinde zemin bileşenlerinden de karıştırılır. ⓘ

Portland yüksek fırın cüruflu çimento veya yüksek fırın çimentosu (sırasıyla ASTM C595 ve EN 197-1 terminolojisi), %95'e kadar öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu, geri kalan Portland klinkeri ve biraz alçı içerir. Tüm bileşimler yüksek nihai mukavemet üretir, ancak cüruf içeriği arttıkça, erken mukavemet azalırken, sülfat direnci artar ve ısı gelişimi azalır. Portland sülfat dirençli ve düşük ısılı çimentolara ekonomik bir alternatif olarak kullanılır. ⓘ

Portland uçucu küllü çimento ASTM standartlarına göre (ASTM C595) %40'a kadar veya EN standartlarına göre (EN 197-1) %35'e kadar uçucu kül içerir. Uçucu kül puzolaniktir, böylece nihai mukavemet korunur. Uçucu kül ilavesi daha düşük beton su içeriğine izin verdiği için erken dayanım da korunabilir. İyi kalitede ucuz uçucu külün mevcut olduğu yerlerde bu, normal Portland çimentosuna ekonomik bir alternatif olabilir. ⓘ

Portland puzolan çimentosu, uçucu kül bir puzolan olduğu için uçucu kül çimentosunu içerir, ancak diğer doğal veya yapay puzolanlardan yapılan çimentoları da içerir. Volkanik küllerin mevcut olduğu ülkelerde (örneğin İtalya, Şili, Meksika, Filipinler), bu çimentolar genellikle kullanılan en yaygın formdur. Maksimum ikame oranları genellikle Portland-sinek külü çimentosunda olduğu gibi tanımlanır. ⓘ

Portland silis dumanı çimentosu. Silis dumanı ilavesi son derece yüksek dayanımlar sağlayabilir ve %5-20 silis dumanı içeren çimentolar zaman zaman üretilir, %10 EN 197-1 kapsamında izin verilen maksimum ilavedir. Ancak, silis dumanı daha çok beton mikserinde Portland çimentosuna eklenir. ⓘ

Duvar çimentoları tuğla örme harçları ve stuccos hazırlamak için kullanılır ve betonda kullanılmamalıdır. Genellikle Portland klinkeri ve kireçtaşı, hidratlı kireç, hava sürükleyiciler, geciktiriciler, su geçirmezler ve renklendiriciler içerebilen bir dizi başka bileşen içeren karmaşık tescilli formülasyonlardır. Hızlı ve tutarlı duvar işlerine olanak tanıyan işlenebilir harçlar elde etmek için formüle edilirler. Kuzey Amerika'da duvarcılık çimentosunun ince varyasyonları plastik çimentolar ve sıva çimentolarıdır. Bunlar duvar blokları ile kontrollü bir bağ oluşturmak için tasarlanmıştır. ⓘ

Ekspansif çimentolar Portland klinkerine ek olarak ekspansif klinkerler (genellikle sülfoalüminat klinkerler) içerir ve normalde hidrolik çimentolarda karşılaşılan kuruma büzülmesinin etkilerini dengelemek için tasarlanmıştır. Bu çimento, büzülme derzleri olmadan zemin döşemeleri (60 m kareye kadar) için beton yapabilir. ⓘ

Beyaz karışımlı çimentolar beyaz klinker (çok az demir içeren veya hiç içermeyen) ve yüksek saflıkta metakaolin gibi beyaz ek malzemeler kullanılarak yapılabilir. Renkli çimentolar dekoratif amaçlara hizmet eder. Bazı standartlar renkli Portland çimentosu üretmek için pigment eklenmesine izin verir. Diğer standartlar (örneğin ASTM) Portland çimentosunda pigmentlere izin vermez ve renkli çimentolar harmanlanmış hidrolik çimentolar olarak satılır. ⓘ

Çok ince öğütülmüş çimentolar, kumla veya cürufla ya da son derece ince öğütülmüş diğer puzolan tipi minerallerle karıştırılmış çimentodur. Bu tür çimentolar normal çimento ile aynı fiziksel özelliklere sahip olabilir, ancak özellikle kimyasal reaksiyon için artan yüzey alanları nedeniyle %50 daha az çimento içerirler. Yoğun öğütme işlemlerinde bile normal Portland çimentolarına göre %50'ye kadar daha az enerji (ve dolayısıyla daha az karbon emisyonu) kullanabilirler. ⓘ

Türkiye'de çimento üretimine ilişkin ilk geliştirilen standart 1959 yılının 6/640 numaralı standardıdır. Bu standart'ta değişik portland çimento, yüksek fırın cüruf çimentosu gibi çimento türlerine ilişkin üretim standartları belirlenmiştir. 1975 ve 1985 yılları arasında eski standartları iptal eden ve çimento çeşitlerini 6'dan 11'e çıkaran 6 farklı standart geliştiren Türkiye, 2000 yılında Avrupa standartlarını norm haline getirmiş ve EN 197 [1] standardını benimsemiştir. Bu standart çerçevesinde CEM I, CEM II, CEM III, CEM IV ve CEM V tipleri tanımlanmıştır. Ayrıca yeni katkı maddelerinin standartları ile yeni kimyasal, fiziksel, mekanik test metot ve uygulamaları da EN 197 kapsamındadır. ⓘ

Diğer çimentolar

Puzolan-kireç çimentoları öğütülmüş puzolan ve kireç karışımlarıdır. Bunlar Romalıların kullandığı çimentolardır ve Roma'daki Pantheon gibi ayakta kalan Roma yapılarında mevcuttur. Dayanımları yavaş gelişir, ancak nihai dayanımları çok yüksek olabilir. Mukavemet üreten hidratasyon ürünleri esasen Portland çimentosundakilerle aynıdır. ⓘ

Cüruf-kireç çimentoları - öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu kendi başına hidrolik değildir, ancak en ekonomik olarak kireç kullanılarak alkalilerin eklenmesiyle "aktive edilir". Özellikleri bakımından puzolan kireç çimentolarına benzerler. Sadece granüle cüruf (yani suyla söndürülmüş, camsı cüruf) bir çimento bileşeni olarak etkilidir. ⓘ

Süpersülfatlı çimentolar yaklaşık %80 öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu, %15 alçıtaşı veya anhidrit ve aktivatör olarak az miktarda Portland klinkeri veya kireç içerir. Yavaş Portland çimentosuna benzer bir mukavemet artışı ile ettringit oluşumu yoluyla mukavemet üretirler. Sülfat da dahil olmak üzere agresif maddelere karşı iyi direnç gösterirler. Kalsiyum alüminat çimentoları öncelikle kireçtaşı ve boksitten yapılan hidrolik çimentolardır. Aktif bileşenler monokalsiyum alüminat CaAl₂O₄ (CaO - Al₂O₃ veya çimento kimyager notasyonunda CA, CCN) ve mayenit Ca₁₂Al₁₄O₃₃'tür (12 CaO - 7 Al₂O₃ veya CCN'de C₁₂A₇). Kalsiyum alüminat hidratlara hidrasyon yoluyla mukavemet oluşturur. Refrakter (yüksek sıcaklığa dayanıklı) betonlarda, örneğin fırın kaplamalarında kullanım için iyi adapte edilmişlerdir. ⓘ

Kalsiyum sülfoalüminat çimentoları, birincil faz olarak ye'elimit (Ca₄(AlO₂)₆SO₄ veya Çimento kimyagerinin notasyonunda C₄A₃S) içeren klinkerlerden yapılır. Ekspansif çimentolarda, ultra yüksek erken dayanımlı çimentolarda ve "düşük enerjili" çimentolarda kullanılırlar. Hidrasyon ettringit üretir ve özel fiziksel özellikler (genleşme veya hızlı reaksiyon gibi) kalsiyum ve sülfat iyonlarının mevcudiyetinin ayarlanmasıyla elde edilir. Portland çimentosuna düşük enerjili bir alternatif olarak kullanımlarına, yılda birkaç milyon ton üretimin yapıldığı Çin'de öncülük edilmiştir. Reaksiyon için gereken daha düşük fırın sıcaklıkları ve karışımdaki daha düşük kireçtaşı miktarı (endotermik olarak karbondan arındırılması gereken) nedeniyle enerji gereksinimleri daha düşüktür. Buna ek olarak, daha düşük kireçtaşı içeriği ve daha düşük yakıt tüketimi, Portland klinkeri ile ilişkili olanın yaklaşık yarısı kadar CO₂ emisyonuna yol açar. Ancak, SO₂ emisyonları genellikle önemli ölçüde daha yüksektir. ⓘ

Portland öncesi dönemin bazı çimentolarına karşılık gelen "doğal" çimentolar, argilli kireçtaşlarının orta sıcaklıklarda yakılmasıyla üretilir. Kireçtaşındaki kil bileşenlerinin seviyesi (yaklaşık %30-35), aşırı miktarda serbest kireç oluşmadan büyük miktarlarda belit (Portland çimentosundaki düşük erken dayanımlı, yüksek geç dayanımlı mineral) oluşacak şekildedir. Her doğal malzemede olduğu gibi, bu tür çimentolar da oldukça değişken özelliklere sahiptir. ⓘ

Jeopolimer çimentolar, suda çözünebilen alkali metal silikatlar ile uçucu kül ve metakaolin gibi alüminosilikat mineral tozlarının karışımlarından yapılır. ⓘ

Polimer çimentolar polimerize olan organik kimyasallardan yapılır. Üreticiler genellikle termoset malzemeler kullanırlar. Genellikle önemli ölçüde daha pahalı olmalarına rağmen, faydalı gerilme mukavemetine sahip su geçirmez bir malzeme verebilirler. ⓘ

Sorel Çimento, magnezyum oksit ve magnezyum klorür çözeltisinin bir araya getirilmesiyle yapılan sert ve dayanıklı bir çimentodur. ⓘ

Fiber örgülü çimento veya fiber takviyeli beton, sentetik fiberler, cam fiberler, doğal fiberler ve çelik fiberler gibi fiberli malzemelerden oluşan çimentodur. Bu tür ağlar ıslak beton boyunca eşit olarak dağıtılır. Fiber ağın amacı, betondan su kaybını azaltmak ve yapısal bütünlüğünü geliştirmektir. Sıvalarda kullanıldığında, elyaf filesi kohezyonu, gerilme mukavemetini, darbe direncini artırır ve büzülmeyi azaltır; sonuçta, bu birleşik özelliklerin ana amacı çatlamayı azaltmaktır. ⓘ

Priz alma, sertleşme ve kürlenme

Çimento, bir dizi hidratasyon kimyasal reaksiyonuna neden olan su ile karıştırıldığında priz almaya başlar. Bileşenler yavaşça hidratlaşır ve mineral hidratlar katılaşır ve sertleşir. Hidratların birbirine kenetlenmesi çimentoya gücünü verir. Genel kanının aksine, hidrolik çimento kuruyarak sertleşmez - uygun kürleme, priz ve sertleşme süreçleri sırasında hidratasyon reaksiyonları için gerekli olan uygun nem içeriğinin korunmasını gerektirir. Hidrolik çimentolar kürlenme aşamasında kurursa, ortaya çıkan ürün yeterince hidrate olmayabilir ve önemli ölçüde zayıflayabilir. Minimum 5 °C ve en fazla 30 °C sıcaklık tavsiye edilir. Genç yaştaki beton, doğrudan güneşlenme, yüksek sıcaklık, düşük bağıl nem ve rüzgar nedeniyle su buharlaşmasına karşı korunmalıdır. ⓘ

Arayüzey geçiş bölgesi (ITZ), betonda agrega parçacıklarının etrafındaki çimento hamurunun bir bölgesidir. Bu bölgede, mikroyapısal özelliklerde kademeli bir geçiş meydana gelir. Bu bölge 35 mikrometre genişliğe kadar çıkabilir. Diğer çalışmalar genişliğin 50 mikrometreye kadar çıkabildiğini göstermiştir. Reaksiyona girmemiş klinker fazının ortalama içeriği azalır ve gözeneklilik agrega yüzeyine doğru azalır. Benzer şekilde, ITZ'de ettringit içeriği artar. ⓘ

Güvenlik sorunları

Çimento torbalarının üzerinde rutin olarak sağlık ve güvenlik uyarıları bulunur çünkü çimento sadece yüksek derecede alkali olmakla kalmaz, aynı zamanda priz alma süreci de ekzotermiktir. Sonuç olarak, ıslak çimento son derece yakıcıdır (pH = 13,5) ve derhal suyla yıkanmadığı takdirde kolayca ciddi cilt yanıklarına neden olabilir. Benzer şekilde, mukoz membranlarla temas eden kuru çimento tozu ciddi göz veya solunum tahrişine neden olabilir. Çimento üretiminde kullanılan hammaddelerde doğal olarak bulunan safsızlıklardan kaynaklanan krom gibi bazı eser elementler alerjik dermatite neden olabilir. Demir sülfat (FeSO₄) gibi indirgeyici maddeler, kanserojen altı değerlikli kromatı (CrO₄2-) daha az toksik bir kimyasal tür olan üç değerlikli kroma (Cr³⁺) dönüştürmek için genellikle çimentoya eklenir. Çimento kullanıcılarının da uygun eldivenler ve koruyucu giysiler giymesi gerekir. ⓘ

Dünyada çimento endüstrisi

2010'da Küresel Çimento Üretimi ⓘ

2010'da Küresel Çimento Kapasitesi. ⓘ

2010 yılında dünya hidrolik çimento üretimi 3.300 megaton (3.600×10⁶ kısa ton) olmuştur. İlk üç üretici 1.800 ile Çin, 220 ile Hindistan ve 63,5 milyon ton ile ABD olup, dünyanın en kalabalık üç ülkesi toplamda dünya toplamının yarısından fazlasını üretmiştir. ⓘ

2010'da dünya çimento üretim kapasitesi için de durum benzerdi ve ilk üç ülke (Çin, Hindistan ve ABD) dünya toplam kapasitesinin yarısından biraz azını oluşturuyordu. ⓘ

2011 ve 2012 yıllarında, küresel tüketim tırmanmaya devam ederek 2011 yılında 3585 Mt'a ve 2012 yılında 3736 Mt'a yükselirken, yıllık büyüme oranları sırasıyla %8,3 ve %4,2'ye gerilemiştir. ⓘ

Dünya çimento tüketiminde giderek artan bir paya sahip olan Çin, küresel büyümenin ana motoru olmaya devam etmektedir. 2012 yılı itibariyle Çin'in talebi 2160 Mt olarak kaydedilmiş olup, dünya tüketiminin %58'ini temsil etmektedir. Çin ekonomisi daha sürdürülebilir bir büyüme oranını hedeflediğinden, 2010 yılında %16'ya ulaşan yıllık büyüme oranları 2011 ve 2012 yıllarında %5-6'ya yavaşlayarak yumuşamış görünmektedir. ⓘ

Çin dışında dünya tüketimi 2010 yılında %4,4 artışla 1462 Mt'a, 2011 yılında %5 artışla 1535 Mt'a ve son olarak 2012 yılında %2,7 artışla 1576 Mt'a ulaşmıştır. ⓘ

İran şu anda dünyanın en büyük 3. çimento üreticisi konumundadır ve üretimini 2008'den 2011'e %10'un üzerinde arttırmıştır. Pakistan ve diğer büyük çimento üreticisi ülkelerdeki artan enerji maliyetleri nedeniyle İran, klinker fabrikalarına enerji sağlamak için kendi petrol fazlasını kullanan bir ticaret ortağı olarak benzersiz bir konumdadır. Şu anda Orta Doğu'nun en büyük üreticisi olan İran, yerel pazarlardaki ve yurt dışındaki hakim konumunu daha da artırmaktadır. ⓘ

2010-12 döneminde Kuzey Amerika ve Avrupa'daki performans, küresel mali krizin bu bölgedeki birçok ekonomi için bir devlet borcu krizine ve durgunluğa dönüşmesi nedeniyle Çin ile çarpıcı bir tezat oluşturmuştur. Bu bölgedeki çimento tüketim seviyeleri 2010 yılında %1,9 oranında düşerek 445 Mt'a gerilemiş, 2011 yılında %4,9 oranında toparlanmış ve 2012 yılında tekrar %1,1 oranında düşmüştür. ⓘ

Asya, Afrika ve Latin Amerika'daki birçok gelişmekte olan ekonomiyi içeren ve 2010 yılında yaklaşık 1020 Mt çimento talebini temsil eden dünyanın geri kalanındaki performans olumlu olmuş ve Kuzey Amerika ve Avrupa'daki düşüşleri fazlasıyla telafi etmiştir. Yıllık tüketim artışı 2010 yılında %7,4 olarak kaydedilmiş, 2011 ve 2012 yıllarında ise sırasıyla %5,1 ve %4,3'e gerilemiştir. ⓘ

2012 yılı sonu itibariyle küresel çimento endüstrisi, 3900'ü Çin'de ve 1773'ü dünyanın geri kalanında olmak üzere, entegre ve öğütme dahil 5673 çimento üretim tesisinden oluşmaktadır. ⓘ

Dünya çapındaki toplam çimento kapasitesi 2012 yılında 5245 Mt olarak kaydedilmiş olup, bunun 2950 Mt'si Çin'de, 2295 Mt'si ise dünyanın geri kalanında yer almaktadır. ⓘ

Çin

"Geçtiğimiz 18 yıl boyunca Çin sürekli olarak dünyadaki diğer tüm ülkelerden daha fazla çimento üretmiştir. (...) (Ancak) Çin'in çimento ihracatı 1994 yılında 11 milyon ton ile zirveye ulaşmış ve o tarihten bu yana sürekli düşüş göstermiştir. Çin'den 2002 yılında sadece 5.18 milyon ton ihraç edilmiştir. Tonu 34 dolardan satılan Çin çimentosu, Tayland'ın aynı kalite için 20 dolar gibi düşük bir fiyat istemesi nedeniyle pazarın dışında kalmaktadır." ⓘ

2006 yılında Çin'in 1.235 milyar ton çimento ürettiği ve bunun dünya toplam çimento üretiminin %44'ünü oluşturduğu tahmin edilmektedir. "Çin'de çimento talebinin, inşaat harcamalarındaki yavaşlayan ancak sağlıklı büyümenin etkisiyle yılda %5.4 artması ve 2008 yılında 1 milyar tonu aşması beklenmektedir. Çin'de tüketilen çimento küresel talebin %44'ünü oluşturacak ve Çin büyük bir farkla dünyanın en büyük ulusal çimento tüketicisi olmaya devam edecektir." ⓘ

2010 yılında dünya çapında 3.3 milyar ton çimento tüketilmiştir. Bunun 1,8 milyar tonu Çin tarafından gerçekleştirilmiştir. ⓘ

Çevresel etkiler

Çimento üretimi, sürecin tüm aşamalarında çevresel etkilere neden olmaktadır. Bunlar arasında toz, gaz, gürültü ve titreşim şeklinde hava kaynaklı kirlilik emisyonları, makinelerin çalıştırılması ve taş ocaklarında patlatma sırasında ve taş ocakçılığından kaynaklanan kırsal alanların zarar görmesi yer almaktadır. Taş ocağı işletmeciliği ve çimento üretimi sırasında toz emisyonlarını azaltacak ekipmanlar yaygın olarak kullanılmakta ve egzoz gazlarını tutup ayıracak ekipmanların kullanımı artmaktadır. Çevrenin korunması, taş ocaklarının kapatıldıktan sonra doğaya geri kazandırılması veya yeniden ekilmesi yoluyla kırsal alanla yeniden bütünleştirilmesini de içerir. ⓘ

CO2 emisyonları

2018'e kadar türlerine göre küresel karbon emisyonu ⓘ

Çimentodaki karbon konsantrasyonu, çimento yapılarında ≈%5'ten çimentolu yollar söz konusu olduğunda ≈%8'e kadar değişmektedir. Çimento üretimi, hem kalsiyum karbonat ısıtılıp kireç ve karbondioksit üretildiğinde doğrudan hem de üretimi CO₂ emisyonunu içeriyorsa enerji kullanımı yoluyla dolaylı olarak atmosfere CO₂ salmaktadır. Çimento endüstrisi, küresel insan kaynaklı CO₂ emisyonlarının yaklaşık %10'unu üretmektedir; bunun %60'ı kimyasal süreçten, %40'ı ise yakıtın yakılmasından kaynaklanmaktadır. Chatham House tarafından 2018 yılında yapılan bir araştırmaya göre, yılda üretilen 4 milyar ton çimento, dünya genelindeki CO₂ emisyonlarının %8'ini oluşturmaktadır. ⓘ

Üretilen her 1000 kg Portland çimentosu için yaklaşık 900 kg CO₂ salınmaktadır. Avrupa Birliği'nde, çimento klinkeri üretimi için spesifik enerji tüketimi 1970'lerden bu yana yaklaşık %30 oranında azaltılmıştır. Birincil enerji gereksinimlerindeki bu azalma, yılda yaklaşık 11 milyon ton kömüre eşdeğerdir ve CO₂ emisyonlarının azaltılmasında buna karşılık gelen faydalar sağlamaktadır. Bu da insan kaynaklı CO₂'nin yaklaşık %5'ini oluşturmaktadır. ⓘ

Portland çimentosu üretimindeki karbondioksit emisyonlarının çoğunluğu (yaklaşık %60), Portland çimentosu klinkerinin bir bileşeni olan kireçtaşının kirece kimyasal ayrışmasından kaynaklanmaktadır. Bu emisyonlar çimentonun klinker içeriği düşürülerek azaltılabilir. Ayrıca çimentonun kumla veya cürufla ya da diğer puzolan tipi minerallerle çok ince bir toz haline getirilmesi gibi alternatif üretim yöntemleriyle de azaltılabilir. ⓘ

Daha ağır hammaddelerin taşınmasını azaltmak ve ilgili maliyetleri en aza indirmek için, çimento fabrikalarını tüketici merkezlerinden ziyade kireçtaşı ocaklarına daha yakın inşa etmek daha ekonomiktir. ⓘ

Bazı uygulamalarda kireç harcı, üretiminde açığa çıkan CO₂'nin bir kısmını geri emer ve üretimde ana akım çimentoya göre daha düşük enerji gereksinimi vardır. Novacem ve Eco-cement tarafından yeni geliştirilen çimento türleri, sertleşme sırasında ortam havasındaki karbondioksiti emebilmektedir. ⓘ

2019 itibariyle karbon yakalama ve depolama denenmek üzeredir, ancak finansal uygulanabilirliği belirsizdir. ⓘ

Havadaki ağır metal emisyonları

Bazı durumlarda, esas olarak kullanılan hammaddelerin kökenine ve bileşimine bağlı olarak, kireçtaşı ve kil minerallerinin yüksek sıcaklıkta kalsinasyon işlemi atmosfere uçucu ağır metaller bakımından zengin gazlar ve tozlar salabilir, örneğin talyum, kadmiyum ve cıva en toksik olanlardır. Ağır metaller (Tl, Cd, Hg, ...) ve ayrıca selenyum genellikle hammaddelerin çoğunda ikincil mineraller olarak bulunan yaygın metal sülfürlerde (pirit (FeS₂), çinko blende (ZnS), galen (PbS), ...) eser elementler olarak bulunur. Bu emisyonları sınırlandırmak için birçok ülkede çevresel düzenlemeler mevcuttur. Amerika Birleşik Devletleri'nde 2011 yılı itibariyle çimento fırınlarının "havaya tehlikeli atık yakma tesislerinden daha fazla toksin pompalamasına yasal olarak izin verilmektedir." ⓘ

Klinkerde bulunan ağır metaller

Klinkerdeki ağır metallerin varlığı hem doğal hammaddelerden hem de geri dönüştürülmüş yan ürünlerin veya alternatif yakıtların kullanımından kaynaklanmaktadır. Çimento gözenek suyunda hakim olan yüksek pH (12.5 < pH < 13.5), çözünürlüklerini azaltarak ve çimento mineral fazlarına sorpsiyonlarını artırarak birçok ağır metalin hareketliliğini sınırlar. Nikel, çinko ve kurşun çimentoda ihmal edilemeyecek konsantrasyonlarda yaygın olarak bulunur. Krom ayrıca doğrudan hammaddelerden gelen doğal safsızlık olarak veya klinker öğütülürken bilyalı değirmenlerde kullanılan sert krom çelik alaşımlarının aşınmasından kaynaklanan ikincil kirlenme olarak da ortaya çıkabilir. Kromat (CrO₄2-) toksik olduğundan ve eser konsantrasyonda ciddi cilt alerjilerine neden olabileceğinden, bazen demir sülfat (FeSO₄) ilavesiyle üç değerlikli Cr(III)'e indirgenir. ⓘ

Alternatif yakıtların ve yan ürün malzemelerinin kullanımı

Bir çimento fabrikası, hammaddelere ve kullanılan prosese bağlı olarak, üretilen bir ton klinker başına 3 ila 6 GJ yakıt tüketir. Günümüzde çimento fırınlarının çoğu birincil yakıt olarak kömür ve petrokok, daha az oranda da doğal gaz ve fuel oil kullanmaktadır. Geri kazanılabilir kalorifik değere sahip seçilmiş atık ve yan ürünler, katı özellikleri karşıladıkları takdirde, kömür gibi geleneksel fosil yakıtların bir kısmının yerini alarak çimento fırınında yakıt olarak kullanılabilir (birlikte işleme olarak adlandırılır). Kalsiyum, silika, alümina ve demir gibi faydalı mineraller içeren seçilmiş atık ve yan ürünler, kil, şeyl ve kireçtaşı gibi hammaddelerin yerini alarak fırında hammadde olarak kullanılabilir. Bazı malzemeler hem yararlı mineral içeriğine hem de geri kazanılabilir kalorifik değere sahip olduğundan, alternatif yakıtlar ve hammaddeler arasındaki ayrım her zaman net değildir. Örneğin, kanalizasyon çamuru düşük ancak önemli bir kalorifik değere sahiptir ve klinker matrisinde yararlı mineraller içeren kül vermek için yanar. Hurda otomobil ve kamyon lastikleri, yüksek kalorifik değere sahip olduklarından ve lastiklere gömülü demir bir besleme stoğu olarak yararlı olduğundan çimento üretiminde faydalıdır. ⓘ

Klinker, hammaddelerin bir fırının ana brülörü içinde 1.450 °C sıcaklığa kadar ısıtılmasıyla üretilir. Alev 1.800 °C sıcaklığa ulaşır. Malzeme 1.200 °C'de 12-15 saniye, 1.800 °C'de (ve/veya?) 5-8 saniye kalır (kalma süresi olarak da adlandırılır). Klinker fırınının bu özellikleri çok sayıda fayda sağlar ve organik bileşiklerin tamamen yok edilmesini, asit gazlarının, sülfür oksitlerin ve hidrojen klorürün tamamen nötralize edilmesini sağlar. Ayrıca, ağır metal kalıntıları klinkerin yapısına gömülür ve kül veya kalıntı gibi yan ürünler oluşmaz. ⓘ

AB çimento endüstrisi halihazırda gri klinker yapım sürecine termal enerji sağlamak için atık ve biyokütleden elde edilen yakıtların %40'ından fazlasını kullanmaktadır. Alternatif yakıtlar (AF) olarak adlandırılan bu yakıtların seçimi tipik olarak maliyet odaklı olsa da, diğer faktörler daha önemli hale gelmektedir. Alternatif yakıtların kullanımı hem toplum hem de şirket için faydalar sağlamaktadır: CO₂ emisyonları fosil yakıtlara göre daha düşüktür, atıklar verimli ve sürdürülebilir bir şekilde birlikte işlenebilir ve bazı işlenmemiş malzemelere olan talep azaltılabilir. Yine de Avrupa Birliği (AB) üye ülkeleri arasında kullanılan alternatif yakıtların payında büyük farklılıklar vardır. Eğer daha fazla üye ülke alternatif yakıtların payını arttırırsa toplumsal faydalar geliştirilebilir. Ecofys çalışması, 14 AB üye ülkesinde alternatif yakıtların daha fazla benimsenmesinin önündeki engelleri ve fırsatları değerlendirmiştir. Ecofys çalışması, yerel faktörlerin pazar potansiyelini çimento endüstrisinin teknik ve ekonomik fizibilitesinden çok daha büyük ölçüde kısıtladığını ortaya koymuştur. ⓘ

Ekolojik çimento

Ekolojik çimento, geri dönüştürülmüş malzemeleri dahil ederek ve optimize ederek sıradan Portland çimentosunun işlevsel performans özelliklerini karşılayan veya aşan, böylece doğal hammadde, su ve enerji tüketimini azaltan ve daha sürdürülebilir bir yapı malzemesi ile sonuçlanan çimentolu bir malzemedir. Bunlardan biri jeopolimer çimentodur. ⓘ

Başta CO₂ olmak üzere zararlı kirleticilerin ve sera gazlarının üretimini ve salınımını azaltmak, hatta ortadan kaldırmak amacıyla ekolojik çimento üretmeye yönelik yeni üretim süreçleri araştırılmaktadır. ⓘ

Artan çevresel kaygılar ve fosil kökenli yakıtların artan maliyeti, birçok ülkede çimento ve atık (toz ve egzoz gazları) üretmek için gereken kaynakların keskin bir şekilde azaltılmasıyla sonuçlanmıştır. ⓘ

Edinburgh Üniversitesi'nden bir ekip, kum ve idrarla karıştırıldığında geleneksel inşaat malzemelerinin %70'i kadar basınç dayanımına sahip harç blokları üretebilen, kalsiyum karbonat çökelten bir bakteri olan Sporosarcina pasteurii'nin mikrobiyal aktivitesine dayanan 'DUPE' sürecini geliştirmiştir. ⓘ

Çimento üretimi için iklim dostu yöntemlere genel bir bakış burada bulunabilir. ⓘ

Çimento Ana Hammaddeleri

Kalker (Kireç taşı)

Klinker ⓘ

Oldukça geniş bir kullanım alanı bulunan kalker (kireç taşı) tortul kayaç bir kayaç olup, çimento üretiminde çok büyük bir önem teşkil etmektedir. ⓘ

Kimyasal bileşiminde en az %90 CaCO₃ vardır. Kalkerin sertlik derecesi, Mohs sertlik skalası'na göre 3, özgül ağırlığı ise 2,5-2,7 gr/cm³'tür. ⓘ

Marn

Kil ve kalker karışımı bir maddedir. Özgül ağırlığı 2,0-2,9 gr/cm³'tür. Çimento sanayi için, kalker ve kilin beraber bulunduğu tek doğal hammaddedir. ⓘ

%50,70 kalker ve %30,50 kilden oluşmuş kayaca marn denir. Klinker, kil ve kalker içeren hammaddenin öğütüldükten sonra pişirilmesiyle elde edilir. Marn ise bu ikisini doğal olarak içerdiğinden ve kalkere kıyasla daha kolay öğütülmesinden dolayı, uygun bir hammaddedir. ⓘ