Tarih Boyunca Çimentonun Gelişimi

Çimento sözcüğünün kökeni olan “caementum”u ilk defa Romalı mimar- mühendis Marcus Vitrivius Pollio (M.Ö. 1. yy) “De Architectura” adlı eserinde kullanmıştır. Bu eserinde Vitruvius, toz halinde bulunan ve büyük binaların inşaasında kullanılan bir malzemeden bahsetmiştir.

Latince “bağlayıcı” anlamına gelen “Caementum” diğer dillere Cement (İng.), Ciment (Fra.), Zement (Alm.), Cemento (İta.) olarak geçmiştir. Orta çağda harç anlamında da kullanılan bu sözcük Farsça’da gene bağlayıcı anlamını taşıyan, Kemênd olarak yer almakta ve Türkçeye de kement olarak geçmiştir. Türkçe telaffuz benzerliğinden dolayı, İtalyanca “Cemento” sözcüğünden esinlenerek “çimento” terimi kullanılmaktadır.

TARİHÇE

Antik çağlarda yapılar topraktan veya kesme taştan inşa edilmişlerdir. Bağlayıcı olarak kullanılan ilk malzemeler sönmüş kireç ve alçıdır. Hititler (MÖ 2000-1100) ve Fenikeliler (MÖ 3000-60) sönmüş kireci tanıyorlar idi. Büyük olasılıkla bu malzeme daha önceden de biliniyordu. Sönmüş kireç-puzolan karışımı hidrolik bağlayıcıları ilk kullananlar, her ne kadar Romalılar olarak bilinse de, aslında Hititler ve Giritlilerdir. Hattuşaş’ta (Çorum, MÖ 2000) pozalan-kireç karışımı bağlayıcıların kullanıldığı yapılar (Burçlu sur, yapı temelleri, kent surları) hala ayakta durmaktadır. Aynı tür yapılara Hitit-Frig döneminde (MÖ 1200-700) kurulan Alişar’da (Yozgat)da rastlanmaktadır.

Minos Uygarlığı döneminde (MÖ 2000-1450) sönmüş kireç-puzolan karışımı Giritlilerce tanınıyordu. Knossos, Phaitos ve Mallia sarayları bu tür harçlarla inşa edilmişlerdir. Mikenler’de MÖ 1400 yılına kadar inşa edilmiş yapılarda harca rastlanmaz. “Kiklop duvarı” denen teknik ile yapılan duvarlarda büyük kesme taşlar harçsız düzgün olarak dizilirdi. Mikenlerin Girit’i işgalinden sonra (MÖ 1450) Miken topraklarında da kireç- puzolan harcı kullanımaya başlanmıştır.

Preus zamanında Mykenai şehrinde (surlar, yapı temelleri, yer döşemeleri) bu tür harçların kulanıldığı görülür. Yunanistan’a da bu tekniği aktaranlar, seramikte olduğu gibi Mikenlerdir.

Romalılara, kireç-puzolan karışımı hidrolik bağlayıcıyı tanıtanlar büyük olasılıkla Anadolu’dan İtalya’ya göçen Etrüskler (MÖ 700-400) veya Yunanlılardır. Romalıların bu tür harçları inşaatlarda kullanmaları Etrüsklerin Roma’yı işgalinden (MÖ 600) sonraya rastlar. Romalıların Jül Sezar devrinden beri (MÖ 101-44) Napoli yakınlarındaki Puteoli (şimdiki adı Puzzuoli) kasabası civarındaki Vezüv yanardağının trakitik gevşek sineritlerini kireç ile karıştırarak harç yaptıkları bilinir. Puzolan terimi de adını bu kasabadan almıştır. Vitrivius “De Architectura” isimli eserinde bu malzemeden de bahseder. Devrin kireç-puzolan karışımının kullanıldığı en önemli yapısı, Roma’da Flavius hanedanı döneminde inşa edilen Colosseum’dur (yapımı MS 70-72).

Eski Mısırlılar MÖ 2000 yıllarında alçıyı bağlayıcı olarak kullanmışlardır. Mısır piramitlerinden alınan örnekler incelendiğinde harçların alçıdan yapılmış olduğu görüldü ve Mısır uygarlığında kireç bazlı harçların ilk defa, Büyük İskender’in Mısır’ı fethinden (MÖ 332) sonra Mısır’ın yönetimini bıraktığı komutanı I. Ptolemaios Soter döneminde, Amon surlarının restorasyonunda kullanıldığı saptandı. Orta çağda, 18. yüzyıla kadar, Avrupa ve Asya’da kireç-puzolan karışımı hiç bir yenilik yapılmadan kullanılmış, hatta kalite olarak da geriye gitmiştir.

BİLİMSEL ÇALIŞMALAR

1668’de Cotreau Du Clos ve C. Perrault, kirecin prizini incelerken, prizin kirecin içerdiği tuz sayesinde olduğunu ileri sürmüşler ve Homberg (1700), Dufay (1724), Malouin (1745) gibi birçok araştırmacıyı yanıltarak kirecin içinde ne tür bir tuz olduğunu aramaya yöneltmişlerdir. Loriot (1774), De La Faye (1777) ve Rondelet (1778) Romalıların yaptıkları kireç- puzolanlı harçları inceleyerek bileşimlerini ortaya çıkarmaya çalışmışlardır.

Hidrolik bağlayıcılar ile ilgili, somut bir sonuca varan, ilk bilimsel araştırmayı John Smeaton’un yaptığı bilinir. İnşaat Mühendisi “Civil Engineer” sözcüğünü de ilk kullanan Smeaton’dur. Yangında hasar gören Cornwall (İskoçya) yakınlarındaki Eddystone deniz fenerinin yeniden inşaası için, orta çağda inşa edilmiş olan Kendal ve Corfe kalelerinde kullanılmış olan kireç-puzolan karışımını denemek istemiş ve en uygun malzemeyi bulabilmek için değişik kireçtaşı ve puzolanik malzemeler ile deneyler yapmıştır. 1756 yılında yapılan deneyler sonucunda, kil içeren kireçtaşlarından elde edilen kireç ile yapılan karışımın daha sağlam olduğunu gözlemlemiştir. Smeaton bundan sonra aynı teknik ile Ramsgate limanını inşa etmiş ve konu ile ilgili bilgilerini 1791 yılında “Narrative of the Building of the Eddystone Lighthouse” adlı kitabında yayınlamıştır. Kirecin hidrolik kalitesine kireçtaşındaki silisli empüritelerin etkisi 1774’de Baume ve 1781’de Ouatremere-Disjonvall tarafından da fark edildi.

1780 yılında Bryan Higgins kirecin kavrulması ile CO₂ gazının çıktığını saptadı.

Kil içeren kireçtaşlarının kalsinesi yolu ile çimento elde edimi için 1796 yılında Joseph Parker “Roma Çimentosu” adı altında 1811 yılında da James Frost “İngiliz Çimentosu” adı altında patent aldılar.

1807’de İngiltere’de Davy ve Fransa’da GuyLussac kirecin Ca ve O’den oluştuğunu buldular. 1813’de Collet-Descotils silisin alkali ortamda çözündüğünü bularak priz ile ilgili ilk gerçekleri ortaya çıkardı.

Ömrünü çimento ve hidrolik bağlayıcıların araştırılmasına adayan Louis-Joseph Vicat kirecin kil ile beraber pişirilmesi yolu ile hidrolik bağlayıcı yapılabileceğini gösterdi, çok sayıda puzolan harç karışımının özelliklerine pişirme sıcaklığının, hammadde tipinin, tane boyu dağılımının vs. etkisini inceledi. Harçların mekanik ve reolojik özelliklerinin incelenebilmesi için laboratuar aletleri yaptı. Hidrolik endeks kavramını ortaya attı.

Bu arada, 1817 yılında ABD’de Erie kanalının inşası sırasında marnlı kireçtaşlarının kalsinesi sonucu doğal çimento elde edilebildiği fark edildi.

1823’de Berthier çok sayıda değişik karışımları pişirerek yalnızca kireç – silis karışımlarının hidrolik özelliği olduğunu açıkladı ve ilk defa bugünkü çimentocuların kullandığı şekli ile C4S, C2S, C2S3 ve CS olarak kalsiyum silikatları sınıflandırdı.

ENDÜSTRİYEL ÜRETİME GEÇİŞ

Her ne kadar daha önceleri Parker, Frost ve Vicat kil ve kireçtaşının kalsine ederek çimento elde etmişler ise de çimentonun mucidi olarak duvar ustası ya da inşaatçı olan Joseph Aspdin bilinir. Aspdin çimento ile ilgili patentini 1824 yılının sonlarına doğru almıştır.

Smeaton’un çalışmalarından yola çıkarak kireçtaşını kırıp kalsine etmiş, kireci kil ile karıştırarak sulu ortamda öğütüp, kurutup parçaladıktan sonra “karışımdaki karbonik asit yok oluncaya kadar”-patentte belirtildiği gibi- kireç fırınına benzer bir fırında pişirmiştir. Pişmiş malzemenin öğütülmesi ile elde edilen ürüne “Portland Çimentosu” adını vermiştir. Aspdin bu adı büyük olasılıkla ticari kaygı ile kullanmıştır, zira, bu çimentonun sertleştiği zamanki görünüşü, o zamanlar yapı taşı olarak İngiltere’de çok tutulan ve kullanılan, Portland Adası kireçtaşlarına benzemekte idi. Bu kireçtaşları Londra’daki binaların çoğunun inşaasında kullanılmıştır. Patentdeki tarifinden Aspdin’in ürettiği çimentonun pişirme sıcaklığının düşük, büyük olasılıkla dekarbonizasyon seviyesinde, olduğu anlaşılmaktadır. Aspdin çimento ile ilgili tüm bilgilerini gizli tutmuştur.

1845’de Isaac Charles Johnson, fırında daha çok pişen çimentoların hem prizlerinin daha yavaş hem de daha sağlam olduklarını gözlemledi ve yüksek kalitede çimento yapmak için kireç – kil karşımının vitrifikasyona kadar pişirilmesi gerektiğini belirtti.

Bu arada, hidrolik bağlayıcı üretimi için değişik malzemeler denenirken 1848’de Ebelman, 1856’da Saint-Claire Deville ve Winkler, 1865’de Fremy alümina-kireç karışımlarının da hidrolik bağlayıcı özelliği olduğunu buldular.

Michealis 1869’de kireç puzolan kimyasal tepkimesi ile Portland çimenosunun sertleşmesinin aynı türde tepkimeler olduğunu ve Fuchs 1883’de kristalin silikatlara oranla camsı olanların daha reaktif olduğunu gösterdiler.

1890 yılında Candlot, Vicat’nın buluşlarını inceleyerek daha çok çimentonun prizi ile ilgilenmiş ve CaSO₄’ın priz düzenleyicisi olarak kullanımı ile ilgili ilk teorik açıklamaları yapmıştır.

Le Chatelier 1887’de Portland çimentosunun yapısını inceleyen doktora tezini savundu. İlk defa çimento araştırmasında polarizan mikroskop kullanarak Berthier’nin bulduklarını daha da ileri götürdü ve C₂S, C₃S, C₃A, C₃AF olarak morfolojileri ile klinker bileşenlerini, CH, C₄AH ve CSH olarak da hidratasyon ürünlerini saptadı. Çimento hidratasyonunun çözünme ve rekristalizasyonundan ibaret olduğunu savundu.

Portland çimentosu üretimi ile T. Edison da uğraşmış, çok sayıda patent almış, ancak ABD’de doğal çimento ile en hızlı rekabetin yaşandığı bu dönemde endüstriyel üretimde başarılı olamamıştır.

ENDÜSTRİYEL ÜRETİM

1850 yılında İngiltere’de Frost’un Swanscombe’da, Parker’ın Northfleet’de, J. Aspdin’ın Wakefield’da ve oğlu W. Aspdin’ın Gateshead’ın olmak üzere 4 çimento fabrikası vardı. 1851 Hyde Park fuarında ilk çimento briketleri görüldü. 1850’lerden itibaren Avrupa’da (İngiltere, Almanya, Fransa’da), 1870’lerden itibaren de ABD’de çimento endüstriyel çapta üretilmeye başlanmıştır.

1877’de Crampton ve 1885’de Ronsome İngiltere’de çimento üretimini döner fırınlarda gerçerleştirdiler. Ancak bu buluş İngiltere’de fazla beğeni toplamamış ve bu fırınlarının ilk endüstriyel üretimi ABD’de gerçekleşmiştir. Döner fırınlarının Avrupa’da ilk kullanımı 1893’de Candlot’un fabrikasında olmuştur. İngiltere’de kullanılan ilk döner fırın ise 1903 yılında ABD’den ithal edilmiştir.

ABD’de Portland çimentosu endüstrisinin gelişmesi güç olmuştur. İlk Portland çimentosu fabrikası 1871’de Pensilvanya – Coplay’de, önceden doğal çimento üretilen fabrikalarında, David O. Saylor, A. Woolever ve E. Rehig tarafından kurulmuştur. O dönemlerde doğal çimento, killi kalkerden hiç bir kompozisyon düzeltmesi yapılmadan üretildiğinden, Portland çimentosundan daha ucuz ve 1820’lerden beri kullanıldığı için de Portland çimentosundan daha yaygındı. 1898 yılında 14 eyalette 70 firma doğal çimento üretmekteydi. 1871’den 1881’e kadar kurulan 6 Portland çimentosu fabrikası, ürünlerinin kalitesine rağmen, doğal çimentonun fiyat rekabetine dayanamayıp iflas etti. 1890 yılına kadar Portland çimentosu endüstrisi durgunluk yaşadı. Gerekli Portland çimentosu İngiltere ve Almanya’dan ithal edildi. İthalat Portland çimentosunu tanıttı ve 1890’dan itibaren üretimi artmaya başladı. Üretim miktarı, 1897’de ithal edilen Portland çimentosu miktarını, 1900’de de üretilen doğal çimento miktarını aştı.

1882 yılında L. Roth, 1888’de İngiltere’de bir hekim, iki tüccar, bir kimyacı ve bir metalurjistten kurulu bir ekip alüminyumlu çimento üretmek için ilk patenti aldılar. 1887’de beyaz çimento üretildi.

1904 yılında BS ve ASTM Portland çimentosu ile ilgili ilk standartları yayınladılar.

1830 yılında Fransa’nın ilk büyük Portland çimentosu fabrikasını kuran A. Pavin de Lafarge 1908 yılında yurttaşı J. Bied ile birlikte boksit-kireçtaşı karşımından alüminyumlu çimento üretmek için patent aldı ve bu çimentonun prizi çabuk ve erken dayanımı yüksek olduğundan 1. Dünya savaşında siper yapımı ve ağır silah temellerinde kullanılmak üzere Fransız hükümetinin de yardımı ile üretime geçtiler.

Yüksek fırın curufunun, Almanya’da 1909’da % 30, 1917’de de % 70 oranında Portland çimentosuna katılabilmesi standarda bağlanmış, 1951 yılında uçucu küllü çimento yapılmıştır.

Türkiye’de hidrolik kireç üretim geçmişi 1885 yıllarına kadar gider. İlk Portland çimentosu üretimi için kurulan fabrika ise Darıca’da 1912 yılında 40.000 t/y kapasite ile kurulmuştur. Yabancı sermayeli bu fabrikanın ardından bir yıl sonra, yine yabancı sermayeli, 20.000 t/y kapasiteli Eskihisar Çimento Fabrikası kurulmuştur. I. Dünya ve Kurtuluş savaşları yıllarındaki kıyasıya rekabet sonucu bu iki şirket birleşti.

Bir ton klinker üretmek için 1870 yılında 40 saat gerekli idi. Bu süre 1920 yılında 10 saate, 1980 yılında da 30 dakikaya inmiştir. Üretim teknolojisindeki bu gelişmelere paralel olarak nakliye koşullarında ve paketlemede de değişiklikler olmuş, önceleri varillerde taşınan çimentolar 1920’den itibaren 50 kg’lık kağıt torbalarda, 1945’den itibaren de özel kamyonlarda (dökme çimento) taşınmaya başlanmıştır.

1955 yılından itibaren çimento endüstrisi bütün dünyada hızla gelişmeye başlamıştır. Çimento fabrikaları gereken ağır yatırımlara rağmen, üretim maliyetini düşürmek ve ürün kalitesini yükseltmek için, yenilenmiş veya tevsii edilmişlerdir. Mevcut fabrikalarda otomasyon ve kalite kontrolu gelişirken yeni fabrikalar yüksek kapasite (+ 1.000.000 t/y) ile kurulmuşlardır.

1960’larda en yüksek seviyesine ulaşan yaş yöntem ile Portland çimentosu üretimi, 1973 petrol krizini takiben yerini, üretim için daha az enerji gerektiren, kuru yönteme bırakmıştır. Son 20 yılda petrol fiyatlarındaki önemli artışların sonucu olarak fuel-oil ile çalışan fabrikaların hemen hemen hepsi kömüre dönmüşler ve bununla birlikte ön ısıtma ve prekalsinasyon üniteleri çimento fabrikalarında görülmeye başlamıştır. 1960’lı yıllardan itibaren çevre kirliliği önemini gittikçe arttırarak ön plana çıkmış, 1970’li yıllarda baca gazları için toz ve gaz en üst değerleri standartlarda yer almaya başlamış ve nihayet 1992 yılında AET ülkelerince bacadan atılan CO₂ gazı miktarına göre fabrikalara ceza uygulamasına geçilmiştir. Bu gelişmeler çimento fabrikalarını çevre konusuna duyarlı olmaya zorlamış, fabrikalar bir yandan olabildiğince yüksek kalitede ama az klinker üretip, puzolanik katkı malzemeleri ile çimento üretim miktarlarını arttırmaya yönelirken diğer yandan da baca filtreleri ve toz tutma konusunda önemli adımlar atmışlardır.

Not: Maden Yüksek Mühendisi Dr. Sinan URHAN’ın yazısından kısaltılarak alınmıştır.

Kaynak: Urhan, S., “Temel yapı malzemesi çimentonun öyküsü”, Metalurji, 24 (124): 32-45 (2000).

BetonveCimento.com için Patreon üzerinden destekte bulunmak ister misiniz?