Kireç

Brønnøy, Norveç'te kireçtaşı ocağı ⓘ

Kireç, esas olarak oksitlerden ve hidroksitten, genellikle kalsiyum oksit ve/veya kalsiyum hidroksitten oluşan kalsiyum içeren inorganik bir malzemedir. Aynı zamanda kömür damarı yangınlarının bir ürünü olarak ve volkanik ejektadaki değişmiş kireçtaşı ksenolitlerinde meydana gelen kalsiyum oksitin adıdır. Uluslararası Mineraloji Birliği kireci CaO kimyasal formülüne sahip bir mineral olarak kabul etmektedir. Kireç kelimesi ilk olarak inşaat harcı olarak kullanılmasından kaynaklanır ve yapışma veya yapıştırma anlamına gelir. ⓘ

Bu malzemeler halen büyük miktarlarda inşaat ve mühendislik malzemesi olarak (kireçtaşı ürünleri, çimento, beton ve harç dahil), kimyasal hammadde olarak ve diğer kullanımların yanı sıra şeker rafinasyonu için kullanılmaktadır. Kireç endüstrileri ve ortaya çıkan ürünlerin birçoğunun kullanımı hem Eski Dünya'da hem de Yeni Dünya'da tarih öncesi dönemlere kadar uzanmaktadır. Kireç, demir sülfat ile atık su arıtımı için yaygın olarak kullanılmaktadır. ⓘ

Bu malzemelerin elde edildiği kayaçlar ve mineraller, tipik olarak kireçtaşı veya tebeşir, esas olarak kalsiyum karbonattan oluşur. Kesilebilir, ezilebilir veya toz haline getirilebilir ve kimyasal olarak değiştirilebilirler. Bu minerallerin bir kireç fırınında yakılması (kalsinasyon), onları oldukça kostik bir malzeme olan yanmış kirece, sönmemiş kirece veya sönmemiş kirece (kalsiyum oksit) ve daha sonra su ilavesiyle daha az kostik (ancak yine de güçlü alkali) sönmüş kirece veya hidratlı kirece (kalsiyum hidroksit, Ca(OH)₂) dönüştürür. ⓘ

Bu terimle tarımsal bağlamda karşılaşıldığında, genellikle tarımsal kirece atıfta bulunulur ki günümüzde bu kireç fırınının bir ürünü değil, genellikle kırılmış kireçtaşıdır. Aksi takdirde, daha tehlikeli form genellikle sönmemiş kireç veya yanmış kireç olarak daha spesifik olarak tanımlandığından, çoğunlukla sönmüş kireç anlamına gelir. ⓘ

Kireç, kireç taşının çeşitli derecelerde (850-1450 °C) pişirilmesi sonucu elde edilen, suyla karıştırıldığında, tipine göre havada veya suda katılaşma özelliği gösteren, beyaz renkli, inorganik esaslı bir bağlayıcı madde türüdür. ⓘ

Üretim

Kireç endüstrisinde kireçtaşı, mermer, tebeşir, oolit ve marn dahil olmak üzere %80 veya daha fazla kalsiyum veya magnezyum karbonat içeren kayaçlar için kullanılan genel bir terimdir. Daha ileri sınıflandırma bileşime göre yüksek kalsiyum, argillaceous (killi), silisli, konglomera, magnezyen, dolomit ve diğer kireçtaşları olarak yapılır. Yaygın olmayan kireç kaynakları arasında mercan, deniz kabukları, kalsit ve ankerit bulunur. ⓘ

Kireçtaşı taş ocaklarından veya madenlerden çıkarılır. Kimyasal bileşimine ve optik granülometrisine göre seçilen çıkarılan taşın bir kısmı, reaksiyona göre sönmemiş kireç üretmek için farklı kireç fırınlarında yaklaşık 1.000 ° C'de (1.830 ° F) kalsine edilir:

${\ce {{\overset {kalsiyum~karbonat}{CaCO3}}->[][{\text{heat}}]{\overset {calcium~oxide}{CaO}}+{\overset {karbon~dioksit}{CO2}}}}$. ⓘ

Sönmemiş kireç kullanılmadan önce hidratlanır, yani su ile birleştirilir, buna sönme denir, bu nedenle hidratlanmış kireç sönmüş kireç olarak da bilinir ve reaksiyona göre üretilir:

${\ce {{CaO}+{\overset {su}{H2O}}->{\overset {kalsiyum~hidroksit}{Ca(OH)2}}}}$. ⓘ

Kuru sönümleme, sönmemiş kirecin hidratlanmasına yetecek kadar su ile sönümlenmesidir, ancak toz halinde kalmasını sağlar; buna hidratlanmış kireç denir. Islak sönümlemede, sönmemiş kireci kireç macunu olarak adlandırılan bir forma hidratlamak için biraz fazla su eklenir. ⓘ

Kireç tuğla ve taşları yapıştırıcı özelliğe sahip olduğundan, duvar işlerinde genellikle bağlayıcı malzeme olarak kullanılır. Ayrıca badanada, badanayı duvara yapıştırmak için duvar kaplaması olarak da kullanılır. ⓘ

Döngü

Yüksek kalsiyumlu kireç için kireç döngüsü ⓘ

Kireçtaşının (kalsiyum karbonat) ısıtılarak sönmemiş kirece, ardından hidrasyon yoluyla sönmüş kirece dönüştürüldüğü ve doğal olarak karbonatlaşma yoluyla kalsiyum karbonata geri döndüğü sürece kireç döngüsü denir. Kireç döngüsünün her bir adımı sırasında mevcut olan koşullar ve bileşikler son ürün üzerinde güçlü bir etkiye sahiptir, bu nedenle kireç ürünlerinin karmaşık ve çeşitli fiziksel doğası vardır. ⓘ

Sönmüş kirecin (kalsiyum hidroksit) inşaat amaçlı harç oluşturmak için kum ve su ile kalın bir bulamaç halinde karıştırılması buna bir örnektir. Duvar örüldüğünde, harçtaki sönmüş kireç, reaksiyona göre kalsiyum karbonat (kireçtaşı) oluşturmak için yavaşça karbondioksit ile reaksiyona girmeye başlar:

Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O.

Bu reaksiyonda yer alan karbondioksit esas olarak havada bulunur veya yağmur suyunda çözülür, bu nedenle saf kireç harcı su altında veya kalın bir duvarın içinde yeniden karbonatlaşmayacaktır. ⓘ

Dolomitik ve magnezyum kireci için kireç döngüsü iyi anlaşılamamıştır ancak daha karmaşıktır çünkü magnezyum bileşikleri de kalsiyum oksitten daha yavaş sönen periklaza dönüşür ve hidratlandığında birkaç başka bileşik üretir, bu nedenle bu kireçler portlandit, brusit, manyezit ve diğer magnezyum hidroksikarbonat bileşiklerini içerir. Bu magnezyum bileşiklerinin "...magnezyum sülfat tuzlarının oluşumuna yol açabilecek asit yağmurlarıyla önemli ölçüde reaktif olup olamayacağını" sorgulayan çok sınırlı ve çelişkili araştırmalar vardır. Magnezyum sülfat tuzları kuruduklarında harca zarar verebilir ve sülfat saldırısı olarak bilinen kristallerin oluşurken genleşmesi nedeniyle yeniden kristalleşebilir. ⓘ

Yapı malzemeleri

Yapı malzemelerinde kullanılan kireç genel olarak "saf", "hidrolik" ve "fakir" kireç olarak sınıflandırılır; doğal veya yapay olabilir; ve dolomitik veya magnezyum kireç gibi magnezyum içeriği ile daha fazla tanımlanabilir. Kullanım alanları arasında kireç harcı, kireç sıvası, kireçli sıva, kireç küllü zeminler, tabby beton, badana, silikat mineral boya ve birçok türü olabilen kireçtaşı blokları yer almaktadır. İşlenmiş kirecin birçok türünün nitelikleri, nasıl kullanıldıklarını etkiler. Romalılar Roma betonunu yapmak için iki tür kireç harcı kullanmışlardır, bu da mimaride devrim yaratmalarını sağlamıştır ve bazen Beton devrimi olarak adlandırılır. ⓘ

Kireç, bir yapı ürünü olarak kohezyon, yapışma, hava içeriği, su içeriği, kristal şekli, levha ömrü, yayılabilirlik ve akışkanlığı içeren işlenebilirlik; bağ mukavemeti; kapsamlı mukavemet; priz süresi; kum taşıma kapasitesi; hidroliklik; serbest kireç içeriği; buhar geçirgenliği; esneklik ve sülfatlara karşı direnç gibi birçok karmaşık niteliğe sahiptir. Bu nitelikler, kireç kaynağının orijinal bileşenleri; yakıt egzozundan gelen bileşiklerin dahil edilmesi de dahil olmak üzere ateşlemeden önce ve ateşleme sırasında eklenen bileşenler; ateşleme sıcaklığı ve süresi; sıcak karışım (harç yapmak için kum ve suya eklenen sönmemiş kireç), kuru söndürme ve ıslak söndürme dahil olmak üzere söndürme yöntemi; karışımın agrega ve su ile oranı; agrega boyutları ve türleri; karışım suyundaki kirleticiler; işçilik ve kürleme sırasında kuruma hızı dahil olmak üzere üretim ve kurulumun her aşamasında birçok faktörden etkilenir. ⓘ

Saf kireç aynı zamanda zengin, yaygın, hava, sönmüş, gevşek, dekapaj, hidratlı ve yüksek kalsiyumlu kireç olarak da bilinir. Esas olarak sönmemiş kirecin (kalsiyum oksit) söndürülmesiyle elde edilen kalsiyum hidroksitten oluşur ve %5'e kadar diğer bileşenleri içerebilir. Saf kireç havadaki karbondioksit ve nem ile temas ederek çok yavaş sertleşir; hidrolik bir kireç değildir, bu nedenle su altında sertleşmez. Saf kireç saf beyazdır ve badana, sıva ve harç için kullanılabilir. Saf kireç, suda ve asit yağmurunda karbondioksit çözeltisi olan doğal, zayıf bir asit olan karbonik asit içeren suda çözünür, bu nedenle yavaşça yıkanır, ancak bu özellik aynı zamanda çözünmüş kirecin malzemedeki çatlaklara akabileceği ve çatlağı otomatik olarak onararak yeniden depolanabileceği otojen veya kendi kendini iyileştirme sürecini de üretir. ⓘ

Kısmen hidrolik ve gri kireç olarak da adlandırılan yarı hidrolik kireç, başlangıçta su ile sertleşir ve daha sonra hava ile sertleşmeye devam eder. Bu kireç hidrolik kirece benzer ancak daha az çözünebilir silika (genellikle minimum %6) ve alüminat içerir ve su altında sertleşir ancak asla sertleşmez. ⓘ

Hidrolik kirece su kireci de denir. Hidrolik kireç silika veya alüminalı kireç içerir ve suya maruz kaldığında sertleşir ve su altında sertleşebilir. Doğal hidrolik kireç (NHL) doğal olarak bir miktar kil içeren bir kireçtaşından yapılır. Yapay hidrolik kireç, fırınlama sırasında kireçtaşına kil gibi silika veya alümina formları eklenerek veya saf kirece bir puzolan eklenerek yapılır. Hidrolik kireçler dayanıklılıklarına göre sınıflandırılır: zayıf, orta ve son derece hidrolik kireç. Zayıf hidrolik kireç %5-10 kil içerir, dakikalar içinde kayar ve yaklaşık üç hafta içinde sertleşir. Daha az pahalı işler için ve ılıman iklimlerde kullanılır. Orta derecede hidrolik kireç %11-20 kil içerir, bir ila iki saat içinde kayar ve yaklaşık bir hafta içinde sertleşir. Daha kaliteli işler ve dondurucu iklimlerde dış duvarlar için kullanılır. Son derece hidrolik kireç %21-30 kil içerir, çok yavaş kayar ve yaklaşık bir günde priz alır. Nemli yerler ve tuzlu suya yakın yerler gibi zorlu ortamlarda kullanılır. Hidrolik kireç kirli beyaz renktedir. "Harçların hidroliklik derecesi birçok özelliği etkileyecektir. Uygun bir kil-kireçtaşı oranının seçilmesiyle, karbonatlaşan veya çeşitli derecelerde hidrolik olarak sertleşen harçlar, priz süresi, mukavemet, renk, dayanıklılık, donma direnci, işlenebilirlik, su varlığında sertleşme hızı, buhar geçirgenliği vb. gibi belirli uygulama gereksinimleri için tasarlanabilir." ⓘ

Zayıf kireç, yağsız veya yetersiz kireç olarak da bilinir. Zayıf kireç çok yavaş priz alır ve kürlenir ve zayıf bağlanma özelliğine sahiptir. Zayıf kireç gri renktedir. ⓘ

Magnezyum kireci %5'ten fazla magnezyum oksit (BS 6100) veya %5-35 magnezyum karbonat (ASTM C 59-91) içerir. Dolomitik kireç %35-46 magnezyum karbonat gibi yüksek bir magnezyum içeriğine sahiptir (ASTM C 59-91). Dolomitik kireç adını İtalyan ve Avusturya Alplerindeki Dolomit Dağlarından almaktadır. ⓘ

Amerika Birleşik Devletleri'nde en yaygın kullanılan duvarcılık kireci, plastikliği, su tutmayı ve diğer nitelikleri iyileştirmek için Portland çimentosuna eklenmesi amaçlanan Tip S hidratlı kireçtir. Tip S'deki S özel anlamına gelir ve bu da onu N'nin normal anlamına geldiği Tip N sulu kireçten ayırır. Tip S'nin özel nitelikleri "...yüksek, erken plastiklik ve daha yüksek su tutma kabiliyeti geliştirmesi ve susuz oksit içeriğindeki bir sınırlamadır." S Tipi terimi 1946 yılında ASTM C 207 Duvarcılık Amaçlı Sönmüş Kireç'te ortaya çıkmıştır. S Tipi kireç neredeyse her zaman dolomitik kireçtir, bir otoklavda ısı ve basınç altında hidratlanır ve harç, sıva, sıva ve sıvada kullanılır. S tipi kireç, üretim sırasındaki yüksek yanma sıcaklıkları nedeniyle harçta saf bağlayıcı olarak güvenilir kabul edilmez. ⓘ

Kankar kireci, bir kalsiyum karbonat formu olan kankardan yapılan bir kireçtir. ⓘ

Henry Young Darracott Scott'a atfen Scotts çimentosu olarak da bilinen selenitik kireç, gri tebeşir veya Lias Grubu'ndaki gibi benzer kireçten, yaklaşık %5 oranında alçı sıva (kalsine alçı) eklenmiş bir çimentodur. Selenit bir tür alçıtaşıdır, ancak selenitik çimento herhangi bir sülfat veya sülfürik asit formu kullanılarak yapılabilir. Sülfat sönmeyi durdurur, çimentonun daha hızlı ve daha güçlü priz almasını sağlar. ⓘ

Roma betonu

Romalılar, puzolanik bir reaksiyon yaratmak için kireç ve volkanik külü karıştırarak beton yapmışlardır. Bu karışım volkanik tüfle karıştırılıp deniz suyunun altına yerleştirildiğinde, deniz suyu kireci ekzotermik bir reaksiyonla hidratlaştırarak karışımı katılaştırıyordu. ⓘ

Tarih

Bağlayıcı maddelerden en eski bilinen malzeme kireçtir. Eski Babil, Mısır, Fenike, Hitit ve Persler tarafından hava kireci yapıda bağlayıcı madde olarak kullanılmıştır. Romalılar devrinde su kireci bulunmuş ve su içerisindeki inşaatlarda kullanılmıştır. Bu arada puzolanik kirece (volkanik esaslı, killi, kalkerli toprak) Türkler tarafından tuğla kırıkları (pişmiş kil) öğütülüp karıştırılmış ve Horasan harcı olarak kullanılmıştır. Ayrıca, bu tür bağlayıcı Mısır'da homra, Hindistan'da surki adıyla bilinmektedir. Bizans'ta ise kireç, sıva fresk tekniği için uygulanmıştır. Orta çağda, bu zenaatte daha fazla bir ilerleme olmamıştır. ⓘ

9. ve 12. yüzyıllarda puzolan bile Avrupa'da kaybolmuştur. Smeathon, 1756 yılında deniz feneri yaparken killi bir kireci pişirerek su kireci ve hidrolik bağlayıcı fikri üzerinde önemli adımlar atmıştır. ⓘ

Kireç taşı türleri

Hava kireci (yağlı kireç)

Kirecin üretiminde iki aşama vardır: pişirilme ve söndürme. ⓘ

Pişirilme işlemi (kalsinasyon)

CaCO₃ $\longrightarrow$ CaO + CO_{2 ⓘ}

Bu reaksiyon sonucunda meydana gelen CaO söndürülmemiş kalsiyum (kalker) kirecidir. CaO, parçalar haline getirilmiş tabi kireç taşının özel fırınlarda 900 - 1000 °C sıcaklıkta kızdırılması suretiyle elde edilen ve su ile muamele edilmesi sonucu ısı açığa çıkararak söndürülmüş kalker kireci (kalsiyum hidroksit, Ca(OH)₂ haline gelebilen bağlayıcı bir malzemedir. Özgül ağırlığı 3,0-3,4 gr/cm³ olan CaO beyaz, amorf bir katıdır. 2580 °C'a doğru erir, elektrik fırınında uçucu duruma gelir. Isıyla bozulmaz. ⓘ

100 gram kalkerden teorik olarak 56 gram kireç (CaO) elde edilir. Fakat pratikte verim %54 ü geçmez. Kalkerden başka, CaCO₃ ve MgCO₃'u aynı zamanda bulunduran dolomit taşlarının da yüksek derecede pişirilmesi ile kireç elde edilir. Bu haldeki kireç CaO ve MgO'den oluşmaktadır. Bu durumda pişirilme işlemi aşağıdaki şekilde olmaktadır. ⓘ

x CaCO₃ + y MgCO₃ $\longrightarrow$ x CaO + y MgO + (x + y) CO_{2 ⓘ}

Bu reaksiyon sonunda meydana gelen x CaO + y MgO söndürülmemiş dolomit kirecidir. CaO + MgO, parçalar haline getirilmiş dolomit kireç taşının özel fırınlarda 900-1000 °C sıcaklıkta kızdırılması suretiyle elde edilen ve su ile muamele edilmesi sonucu ısı açığa çıkararak söndürülmüş dolomit kireci (kalsiyum hidroksit+magnezyum hidroksit, Ca(OH)₂ + Mg(OH)₂) haline gelebilen bağlayıcı bir malzemedir. ⓘ

Söndürülmemiş kalker kirecinin öğütülerek belirli inceliğe getirilmesi ile söndürülmemiş toz kalsiyum (kalker) kireci, söndürülmemiş dolomit kirecinin öğütülerek belirli inceliğe getirilmesi ile söndürülmemiş toz dolomit kireci elde edilir. ⓘ

Kireçtaşı pişirilirken sıcaklık 1000 °C yi geçmezse elde edilen kirece çalı kireci adı verilir. Su ile işlem görünce kolay ve iyi söner, çünkü bu tip kireçler gevşek ve gözeneklidir. Eğer kireçtaşı uzun zaman 1400 °C civarında pişirilirse kömür kireci elde edilir. Bu nedenle, halk arasında, çalı kireci kömür kirecine nazaran tercih edilir. Kömür kireçleri geç söndüğü ve dağılmadığı için ulaşım yolu uzun olan işyerleri için elverişlidir. ⓘ

Kirecin kullanım alanları

Kirecin oldukça geniş bir kullanım alanlı vardır. Kullanım alanları sürekli artan bir şekilde çeşitlilik göstermektedir. Örneğin; 1900-1910 yılları arasında kireç %80 inşaatta, %10 kimya endüstrisinde, %10 da ziraatta kullanılıyordu. 1980'lerde ise, yapılarda %3, kimyasal endüstride %84, otoyollarda %6, refrakter endüstrisinde %6, ziraatte %1 oranında kullanılmaktaydı. ⓘ