Puzolanik malzemenin yeterli bağlayıcılık gösterebilmesi için, içerdiği silika ve alümina miktarı yüksek olmalı, amorf yapıya sahip olmalı ve en az çimento inceliği kadar ince taneli duruma getirilmiş olmalıdır.
Puzolanik katkı içeren betondaki hidratasyon ısısı ve büzülme daha düşük olmaktadır. Hidratasyon ısısının açığa çıkma hızının düşük olması, baraj betonlarında ve diğer kütle betonlarda puzolan kullanımını ön plana çıkarmaktadır. Ayrıca puzolan katkılı betonun ilk zamanlardaki dayanımı, katkısız betonunkine kıyasla genellikle daha düşük olmaktadır. Ancak puzolanik reaksiyonların gelişmesi ile, nihai beton dayanımı oldukça yüksek olabilmektedir. Puzolanik malzemelerinin maliyeti portland çimentosununkinden daha az olup istenilen kaltedeki betonun puzolanik katkı ile daha ekonomik beton elde edilmesi sağlanmaktadır.
Puzolanik katkı maddelerinin yer alacağı betonda mineral katkı kullanılmadan yapılacak betondakine kıyasla, çimento miktarında bir parça azaltma yapılmakta ve beton karışımının, azaltılan çimento miktarı kadar puzolanik katkı maddesi eklenmelidir. Puzolanik katkı maddelerinin kullanıldıkları miktarlar genel olarak çimento miktarının %10-50'si kadardır. Bazı betonların yapımında bu oran %50'nin çok üstünde de olabilmektedir. Puzolanlar, portland çimentosundaki klinker yerine ikame malzemesi olarak çimento üretiminde ya da öğütülmüş halde doğrudan betona katılarak kullanılabilir. Betona puzolan katılması halinde, eğer puzolan beton karışımındaki agregaların tane boyutu dağılımını geliştirmek için bir kısım ince agrega yerine kullanılmışsa betonun kalitesini arttırır. Ancak öğütülmüş puzolan betonda bir kısım portland çimentosu yerine kullanılmışsa bu durum betonun özellikle ilk yaşlardaki mekanik dayanımlarında bazı düşüşlere neden olur; çünkü betonda portland çimentosu yerine yüksek miktarda puzolan kullanımı erken dayanımı kayda değer derecede düşürür.
Puzolan katkılı betonlarda çok ince taneli mineral katkılı tanelerinin yer alması, taze betonun içerisindeki suyun bünyesinde kalmasını sağlamaktadır; böylece taze betondaki terlemenin daha az olmasına yol açmaktadır. Puzolan katkılı betonların sülfat dayanıklılığı artmakta ve betondaki alkali-agrega reaksiyonunun yaratacağı genleşme olasılığının azalmasına neden olmakta, betondaki boşlukların azalmasına dolayısı ile betonun su geçirgenliğinin daha az olmasına yol açmaktadır.
Puzolan katkı malzemesi kullanmanın olumlu etkileri;
Puzolan katkı malzemesi kullanımında dikkat edilmesi gerekenler;
Puzolanik katkı malzemesi kullanımı özellikle soğuk hava koşullarında, prizi geciktirir ve genellikle ilk günlerdeki dayanımı daha az olmasına yol açabilir. Puzolan katkılı betonların daha uzun süreli ve daha dikkatli kür edilmeleri gereklidir, betonda belirli miktarda sürüklenmiş havanın yer alabilmesi için, mineral katkısız betonda kullanılandan daha yüksek miktarda hava sürükleyici katkı maddesi kullanımını gerektirebilir.
Puzolanlar doğal ve yapay puzolan olmak üzere ikiye ayrılmaktadır.
Yeryüzünde doğal olarak yer alan ve puzolanik özelliğe sahip olan malzemelerdir. Puzolanlar özel şartlar altında kireçle tepkime veren maddelerdir. Doğal puzolanın kireçle tepkimesiyle, puzolan içinde bulunan alkaliler zamanla gözenek çözeltisine geçer. Bu şekilde açığa çıkan alkali miktarı tepkimenin gelişmesine, zamana, puzolanın inceliğine ve sıcaklığa bağlıdır. Doğal puzolanın yüksek miktarda alkali içermesi üretilen katkılı çimentonun alkali-agrega reaksiyonuna yatkın olmasını sağlayabilir. Fakat alkali agrega reaksiyonunun karmaşık yapısı nedeniyle bu yargı her zaman geçerli değildir. Kireç doğal puzolan karışımlarında oluşan tepkimeler Portland çimentosu- doğal puzolan karışımlarında da olur. Fakat portland çimentosu-doğal puzolan karışımlarında doğal puzolanın tepkime verebilmesi için gerekli kireç, karışımın suyla karıştırıldığı ilk anda yoktur. Zamanla portland çimentosundaki Ca(OH)2 birikir ve tras puzolanik tepkimelerin neticesinde CSH Jelleri vermeye başlar. Puzolanlı çimentolarda bulunan portland çimento kısmının hidratasyonu trasın etkisiyle hızlanmaktadır. Bu durum tüm ince öğütülmüş puzolanlar için geçerlidir. Ayrıca özgül yüzey alanı, kimyasal kompozisyon, yüzeyin fiziksel durumu ve alkalilerin çabuk ya da yavaş açığa verilmesi gibi puzolan özelliklerinin hepsinin klinker hidratasyonunun hızlanmasına etkisi vardır.
Betondaki portland çimentosu ile aynı incelikte herhangi bir puzolan ikamesiyle betonun işlenebilirliği genel olarak fazla değişmez. Doğal puzolanların portland çimentosu yerine bir miktar kullanıldıklarında harçların işlenebilirliğini düşük miktarlarda azalttığı bilinmektedir. Portlan çimentosu-doğal puzolan karışımlarının kullanıldığı betonlarda priz başlangıcı ve sonu süreleri puzolanın portland çimentosu yerine ikame miktarına, inceliğine ve reaktifliğine bağlıdır.
Aynı şekilde beton ya da çimentoda bir miktar portland çimentosu yerine doğal puzolan kullanılması terleme miktarını kayda değer oranda azaltır. Portland çimentosu-puzolan karışımı içeren betonlar aynı incelikteki portland çimentosu içeren betonlara göre daha uzun süreli kürlemeye ihtiyaç duyarlar; çünkü puzolanlar, betonda klinkerin hidratasyonundan oluşan Ca(OH)2 ile tepkime verirler ve bu sebeple betona karışım suyu ilavesinden itibaren bir süre ortamda Ca(OH)2 birikene kadar portland çimentosu seyreltici bir etki yapar. Fakat zamanla ortamda Ca(OH)2 birikmesi puzolanlarında da sistemin dayanımını arttıran etkilerinin ortaya çıkmasını sağlar. Sonuç itibariyle ortalama incelikteki bir puzolan ikamesiyle betonda yada harçlarda hasıl olan dayanım kaybının belirli bir süre sonra yok olabileceği söylenebilir.
Doğal puzolan kullanımı, geçirgenliğin azaltılmasında düşük çimento dozajlı betonlarda yüksek dozajlı betonlara göre daha etkilidir. Geçirgenlik portland çimentosu içeren betonlarda olduğu gibi doğal puzolan içeren betonlarda da kürlemeyle azaltılabilir. Bu durum portland çimentosu içeren betonlara oranla daha etkili bir şekilde geçirgenliği azaltır.
Uygun tipte puzolanın çimentonun bir kısmının yerine kullanılmasının sülfat dayanıklılığına etkisi olumludur: puzolan kullanılması ortamdaki Ca(HO) miktarını azaltacaktır. Böylece sülfatların betona zararlı ürünler oluşturabilmesi için gerekli Ca(HO) ortamdan çekilmiş olacaktır. Bir kısım çimentonun puzolan ile yer değiştirmesi ortamdaki CA miktarını göreceli olarak azaltacaktır. Bu durum yine sülfatların CA ile yaptıkları zararlı tepkimelerin azalmasını doğurur ve ayrıca puzolanlar uygun miktarlarda kullanıldıklarında betonun geçirimsizliğini azalttıklarından betona sülfat girişini önlerler. Betona dışarıdan klor nüfuz etmesi halinde puzolan kullanımı betona klor girişini azaltır. Aynı şartlar altında portland çimentolu harcın traşlı çimentolu harca oranla 5 kat daha fazla klor giriş derinliğine sahip olduğu bilinmektedir.
Endüstriyel bir üretim esnasında yan ürün olarak ortaya çıkan ve puzolonik özellik gösteren malzemelerdir. Bunlar:
Cüruflar çeşitli metalurji tesislerinden elde edilen atık madde gruplarından birisidir. Kimyasal bileşimleri ve özellikleri elde edildikleri sanayi kuruluşlarının ürettiği ana ürün tipine ve üretim yöntemine bağlı olarak birbirinden çok farklılık gösterir. Cürufların çimento ve beton sektörlerinde çok çeşitli kullanım alanları bulunmaktadır; modern teknoloji ile çelik üretimi yapılan tesislerde camsı yapıya ve bir miktar hidrolik özelliklere sahip olanları çimentolu sistemlerde kullanmak mümkün olmaktadır.
Tüm cüruflar arasında çimento ve beton sektöründe en önemlisi ve en yaygın kullanıma sahip olanı yüksek fırın cüruflarıdır. Yüksek fırın cürufu ham demir üretiminde atık malzeme olarak elde edilmekte yüksek fırınlarda daha hafif olmasından dolayı ham demirin üstünde yer alır.
Demir filizi, kök ve kireç taşının yanma sonrası artıklar yüksek fırın cürufunu meydana getirirler. Yüksek fırın cürufunun oluşum sıcaklığı 1400-1600 santigrada derecedir. Yüksek fırın cürufu yavaş soğutulduğu takdirde kristal bir yapıya sahip olur bu haliyle beton agregası olarak kullanılabilir.
Hızlı soğutma uygulaması sonucunda ise granüle yüksek fırın cürufu olarak adlandırılan camsı yapıda cüruf elde edilir. Granüle yüksek fırın cürufu bir miktar hidrolik özelliğe sahiptir. Erimiş haldeki cüruf yüksek fırından çıktığında hızlı olarak soğutulduğu zaman akışkanlığındaki ani azalma kristal yapılaşmayı engeller ve camsı yapıda bir katı eriyik elde edilmesini sağlar.
Granüle yüksek fırın cürufu amorf yapıda olduğundan ve yeterli miktarda silika ve alümina içerdiğinden öğütülerek ince taneli durumca getirildiği takdirde puzolanik özellik göstermektedir. Yüksek fırın cürufu portland çimentosu klinkerinden daha sert bir malzemedir. Cüruf ne kadar ince taneli olur ise puzolonik özelliği o kadar artmaktadır. Normal olarak her tür çimento depoda kaldığı süre içerisinde havadan bir miktar nem alarak prehidratasyon göstermektedir.
Böyle bir durum çimentonun bağlayıcılık durumunu azaltmaktadır. Öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu çimento gibi yine prehidratasyon göstermediği için daha iyi depolanma özelliğine sahiptir. Granüle yüksek fırın cürufu beton karışımlarına esneklik getirmektedir. Ayrıca mineral katkı maddesi olarak kullanılması ile optimum incelikteki ve miktardaki cürufla istenilen özellikteki beton elde edilmektedir. GYFC betonun işlenebilmesini arttırmaktadır.
Silis dumanı silikon metali veya silikon metalli alaşımlar, yüksek saflıktaki kuvarstın yaklaşık 2000 santigrad derece sıcaklıkta indirgenmesi ile elde edilmektedir. Çok büyük miktarda silika içeren amorf yapıya sahip olan ve çimento tanelerinin inceliğinin yaklaşık %1’ i kadar ince taneli olan silis dumanı, aktivitesi çok yüksek olan mükemmel bir puzolandır. Bu malzeme çimento üretiminde de kullanılmakla beraber daha çok beton katkı maddesi olarak kullanılmaktadır.
Beton yapımı için kullanılacak çimento miktarı yaklaşık %10 kadar azaltılmakta ve yerine silis dumanı eklenmektedir. Silis dumanının puzolanik aktivitesi çok yüksek olduğundan, bu malzeme ile yüksek dayanımda betonlar elde edilebilmektedir. Cüruflu çimentolar granüle yüksek fırın cürufunun portland çimentosu klinkeri ve alçı taşı ile ayrı ayrı veya birlikte öğütülüp karıştırılmasıyla elde edilir. Cüruflu çimento üretiminde kullanılan cüruf miktarı değişik ülkelerde çimento tipine de bağlı olarak önemli farklılıklar göstermektedir.
Cüruflu çimentolarda cüruf ve klinker fazlasının hidratasyonuyla meydana gelen C-S-H jelleri cüruf taneciklerinin yüzeylerinin klinkerin hidratasyonu ile oluşan C-S-H’nin kompozisyonuna göre AlO ve MgO bakımından daha zengin olan C-S-H tabakası ile kaplanmaktadır.
Cüruflu çimentoların hidratasyonunda granüle yüksek fırın cürufu ile portland çimentosu arasında karşılıklı bir etkileşim söz konusudur. Normal incelikte öğütülmüş olan cüruflu çimentolarda klinker özellikleri, çok ince öğütülmüş olanlardakine göre daha önemlidir. CS miktarı yüksek olan klinkerler cürufun erken yaşlarda aktivasyonu için daha elverişlidir. 28 günün üstündeki yaşlarda ise cürufun inceliği ve reaktivitesi klinker daha fazla önem kazanmaya başlar.
Genel olarak %70’in üzerinde cüruf içeren çimentolarda erken dayanımlar daha çok cüruf reaktivitesine bağlı iken daha az cüruf içeren çimentolarda bu daha çok klinker özelliklerinin etkisine bağlıdır. Bütün kimyasal reaksiyonlarda olduğu gibi, ortam sıcaklığının artması hidratasyon hızının artmasına neden olur. Cüruflu çimento içeren sistemlerde ısıl işlem uygulaması, dışarıdan ilave bir enerji kaynağı sağlayarak hidratasyonu kolaylaştırıcı ve hızlandırıcı bir yöntem olarak kabul edilmektedir çünkü hidratasyon sırasında meydana gelen reaksiyonlar için gerekli olan aktivasyon enerjisi cüruflu çimentolarda, eşdeğer portland çimentolara göre yaklaşık %8 daha yüksektir.
Yüksek fırın cürufu kullanımı beton içindeki gözenek boyutlarında, gerek fiziksel gerekse hidratasyon sonucunda azalmaya neden olması sebebiyle donma-çözülme direncini yükseltmektedir. Portland yüksek fırın cüruflu çimentoları, portland çimentosundan daha açık renklidir, özgül ağırlığı daha düşüktür. Bu sebeple hacimce daha fazla çimento hamuru elde edilmesi cüruflu çimentoların betonun işlenebilirliğini olumlu yönde etkilemesini sağlamaktadır. Priz süreleri, rötre, sünme, betonarmede donatı aderansı özellikleri bakımından portland yüksek fırın cürufu çimentolarıyla portland çimentoları arasında önemli farklılıklar yoktur. Cüruflu çimentoların betonda sabit bir hava miktarı sağlamak için portland çimentolarına göre daha fazla hava sürükleyici katkıya ihtiyaç gösterdikleri yapılan araştırmalar sonucu belirlenmiştir.
Uçucu kül betonun özelliklerini arttırabilmek için kullanılabilen ve puzolanik özelliğe sahip ince inorganik bir malzemedir. Mikro yapısı incelendiğinde genellikle küresel tane şekline sahiptir. Uçucu kül, kireçtaşı tozuna kıyasla düşük eşik kayma gerilmesi değeriyle daha yüksek viskozite elde edilmesini sağlar. Atık bir malzeme olması özellikle termik santrallere yakın bölgelerde kullanımını avantajlı hale getirmektedir. Çevreyi olumsuz olarak etkileyecekleri için, uçucu küllerin santral bacasından çıkarak havaya karışmaları önlenmektedir. Bu amaçla, küller mekanik ve elektristatik yöntemle toplanarak santral çevresinde veya başka uygun yerlerde depolanır. Zamanla biriken küller geniş alanları kapsamaya başlar ve santral idaresi için bir problem olur.
Uçucu küller, termik santrallerde elektrik enerjisi üretimi için yakıt olarak kullanılan pulverize kömürün yakılması sonucunda yan ürün olarak elde edilmektedir. Kalsiyumoksit, demiroksit, magnezyumoksit, karbon gibi maddelerin dışında çok yüksek miktarda silika ve alümina içeren ve amorf yapıya sahip olan kül parçacıklarıdır. 0,09mm inceliğe kadar öğütülen kömürün yanması ile santraldeki sıcaklık 1100 C- 1600 C arasında bir değer alır.
Yanma sırasında kömür minerallerinde şu olaylar meydana gelir: Kristal suyu ayrışır. -CO ve SO açığa çıkar- Ocakta oluşan sıcaklıkta ergime sıcaklığına varan maddeler ergir. (1500 C ye ulaşıldığında SO hariç diğer maddeler ergimektedir.) Bu küllerin birleşimleri ile doğal doğal puzolanların birleşimleri arasında benzerlik vardır. Yeterli puzolonik aktiviteyi gösteren uçucu küller her türlü beton yapımında başarı ile kullanılabilmektedir.
Uçucu küller ile yapılan betonların hidratasyon ısısı düşük olduğu için, bu tür malzeme özellikle kütle beton yapımında önem taşımaktadır. İnce ve küresel taneleri dolayısı ile taze betonda işlenebilmeyi arttırır. Çimento hidratasyonu sonucu oluşan kireçle reaksiyona girerek ilave bağlayıcı jel oluşturur.
Çimento hamurundaki boşlukları doldurur ve betona dayanıklılık kazandırır. Ancak uçucu külün çimento yerine ikamesi, betonun yayılma çapını ve basınç dayanımını azaltmaktadır. Çimento ve beton özelliklerine etkileri uçucu külün miktarına, külün ve çimentonun özelliklerine , külün çimento yerine veya çimentoya ilaveten katılması gibi özelliklere bağlıdır. Kül katkısının katkısız karışımdaki kıvamı veya su ihtiyacını etkileyişi dikkate alınmalıdır. Bu, beton karışımının agrega granülometrisinin yeniden düzenlenmesi ve kimyasal katkı kullanılmasının söz konusu olmasını sağlamaktadır.
Uçucu kül, puzolonik özelliğinin yanı sıra bağlayıcı özellik de gösterir, çimento hidratasyonu sonucu oluşan kireçle reaksiyona girerek ilave bağlayıcı jel oluşturur, hidratasyon ısısını azaltır, çimento hamurundaki boşlukları doldurur., hacim değişikliğini azaltır, betona dayanıklılık kazandırır, sülfat dayanıklılığını iyileştirir, alkali agrega reaksiyonuna dayanıklılığı iyileştirir ve ekonomi sağlar. Katkılı çimento üretiminde kullanıldığı gibi betonda belirli oranlarda çimento veya ince agrega yerine de kullanılmaktadır. Taze betonda sabit su/ çimento oranında işlenebilirliği arttırır, terlemeyi azaltır. Sertleşmiş betonda dayanım kazanma hızını yavaşlatarak erken yaşlardaki dayanımı düşürürken ileri yaşlardaki dayanımı arttırır. Betonun geçirimliliğini azaltır; çeşitli fiziksel ve kimyasal etkilere karşı betonun durabilitesini arttırır.