Çimentonun Tarihi

Çimento Kelimesinin Anlamı

"Çimento" ismi, Latince yontulmuş taş kırıntısı anlamındaki "caementum" sözcüğünden gelmektedir.

Çimento Tarihçesi ve İlk Kullanımı

Bağlayıcı olarak kullanılan en eski malzemenin kireç olduğu bilinmektedir. Oldukça saf kireç taşı ısıtılarak kireç üretilmiş, su ilave edilerek kumla karıştırılmış ve kireç harcı elde edilmiştir.

İlk beton Roma İmparatorluğunda kullanılmıştır. Roma’da “The Castel Sant' Angelo” MÖ 138’de yapılmıştır. Günümüzde bu binada taşlar aşınmışken beton özelliğini hala korumaktadır.

Çimento Kullanım Örnekleri

Mısır Piramitleri, Çin Seddi ve değişik zamanlarda yapılan kaleler gibi dönemin medeniyetlerini simgeleyen birçok yapıda değişik bağlayıcılar kullanılmıştır.

Yunanlılar Santorin Adası'ndaki volkanik tüfleri kireçle karıştırarak veya killi kireç taşından elde ettikleri bir tür hidrolik kireçle harç yapmışlardır. Mısır'da çimento yerine kalsine edilmiş saf olmayan jips kullanılmıştır.

Yunan ve Romalılar 2000 yıl kadar önce kireçle ''pozzolin'' adı verilen ve şimdi puzolan olarak bilinen volkanik kül ile birlikte öğütmüş, bu karışımı kuma ilave ederek taşların örülmesinde harç olarak kullanmışlardır.

Geçmiş çağlarda değişik bağlayıcılar kullanılmasına karşın, inşaat işleriyle uğraşanlar kullandıkları bağlayıcıların elde edilmesi ve çalışma şartları ile ilgili yeterli bilgiye sahip olmamışlardır. Örneğin Romalı bilgin Gaius Plinius "taşın ateşle yakılmasıyla elde edilen kirecin suyla temas edince neden tekrar yandığının" anlaşılmaz olduğunu yazmıştır.

M.Ö. 27’de büyük “Kolezyum” ve “Roma hamamı”nda çimento kullanılarak “Roma mimarisi” yaratılmıştır.

Romalılar volkanik külleri öğütüp kirece katarak çimento üretmiş, çimentonun su altında donabileceğini görüp liman yapımında kullanmışlardır. Daha sonra bu karışım, volkanik küllerin alındığı Roma’da Vesuvius’a yakın Pozzuoli köyünden esinlenerek “Puzolonik Çimento” olarak isimlendirilmiştir.

İngiltere’de volkanik küller öğütülüp tuğla ve kiremit olarak şekillendirilerek kullanılmıştır. Fransa’da Chartresve Rheims, İngiltere’de Durham, Lincoln ve Rochester gibi büyük ortaçağ katedralleri dönemin ileri teknolojileri kullanılarak yapılmışlardır. Romalılar yaptıkları çalışmalarda bin yıl önce kullanılan teknolojilerden haberdar olmamışlardır.

Romalılar büyük olasılıkla volkanik küllerin özelliklerini gözleyip bu külleri yapılarda değişik amaçlarla kullanmışlardır.MÖ1.yüzyılda Roma’da mimar ve mühendis olan Marcus Vitruvius Pollio "Ten books of Architecture" başlığı ile yazdığı kitapta geçmişteki yapı ile ilgili teknolojiyi işlemiş, “zeminin parlatılabilmesi ve sağlam bir zemin elde edilmesi için beton”dan bahsetmiştir. Bu kitapta puzolan ile ilgili olarak kireç ile kırılmış taşlardan oluşan karışımın binalara güç vermesi yanı sıra bu malzemenin su altında da sertleştiğinden bahsedilmiştir.

Çimentonun kullanılması konusunda Avrupa’da yaşayanlar Romalıların gerisinde kalmıştır. Harçlar özellikle kireç kullanılarak hazırlanmış, bu nedenle de sertleşme daha geç gerçekleşmiştir. Harç hazırlamada puzolan kullanımı Avrupa’da yaşayanlarca Orta Çağ'da yeniden keşfedilmiştir.

1756 yılında Eddystone Lighthouse'u inşa etmekle görevlendirilen John Smeaton, kirecin kimyasal özelliklerini incelemiş, kirecin bağlayıcı özelliği ile ilgili önemli sonuçlara varmıştır. Daha sonra bu çalışmaların ışığı altında Joseph Parker, hammaddesi Londra civarındaki kalker taşları olan "Roman Cement", “Roma Çimentosu” adı ile bilinen bağlayıcı üretmiş, üretilen çimento kanal ve liman yapımında kullanılmıştır. Aynı yıllarda İngiliz James Frost tarafından üretilen “İngiliz Çimentosu” Roma Çimentosu kadar tutulmamıştır.

Rönesansla insanların değişik düşünmeleri için yeni bir devir başlamış, sanayi devriminin kapıları açılmıştır. 18.yüzyılda İngiltere’nin ticaret ve sömürü amaçlı savaş gemilerinden oluşan filolar için deniz fenerlerinin yapılması gerekmiştir. Bu da çimento sektörünün gelişmesi için itici bir güç olmuştur.

İngiltere’de Plymouth Limanı açıklarındaki Eddystone kayalıkları gemilerin limana giriş ve çıkışlarında sürekli sorun olmuş, tehlike yaratmıştır. Su altında sertleşebilen harçların kullanımı ile gemicilere kolaylık sağlaması amacıyla yaklaşık 37 metre yüksekliğinde Eddystone Deniz Feneri yapımı 1757-1759 yılları arasında tamamlanmış, bu fenerin yapımında su altında sertleşen kireç, kil ve demir cürufu karışımı kullanılmıştır. Fener, denizaltında açılan deliklere kurşun ile tutturulmuş demir çubuklara bağlanmıştır.

1756 yılında İngiliz mühendisi John Smeaton belli bir oranda kil içeren yumuşak kireç taşının en iyi çimentoyu oluşturduğunu belirlemiştir. Bundan yaklaşık 40 yıl kadar sonra James Parker, İngiltere’de safsızlık oranı oldukça yüksek olan kireç taşından çimento üretmiştir. Kil ve kireç taşından çimento üretimine 1813 yılında Fransa'da Louis Vicat tarafından, 1822 yılında da İngiltere'de Jamest Frost tarafından başlanmıştır.

Fransız Louis Vicat’ın ürettiği bağlayıcıyı köprü ve beton kanallarında kullanılmıştır. Vicat, hidrolik kirecin, kireç ile puzolan karışımından elde edilen bağlayıcıların ve doğal çimentonun su altında sertleşebilme özelliğini araştırmış, belirli oranda silika, alümina ve kalsiyum oksidin birleştirilmesiyle sentetik hidrolik bağlayıcı üretmiş, çalışmaları bugün kullanılmakta olan portland çimentosu üretimine ışık tutmuştur. 1822’de yapımı tamamlanan Souillac Köprüsü’nün ayaklarının birisinde ürettiği hidrolik bağlayıcıyı kullanmıştır.

1824 yılında İngiltere Leeds’de duvar ustası Joseph Aspdin, öğütülmüş kil ve kireç taşını, kireçtaşı kalsine oluncaya kadar ısıtmış, daha sonra da bu karışımı tekrar öğütmüş, öğütülmüş malzemeye su ilave edip karıştırdığında karışımın bir süre sonra sertleştiğini görmüştür. Aspdin, İngiltere’de yaygın olarak binaların yapımında kullanılan “Isle of Portland of the British Coast” bölgesinde işletilen taşocaklarındaki taşa benzediğinden ürettiği çimentoya “Portland Cement” adını vererek patentini de almıştır.

İngiltere Kirkgate İstasyonu’nun yanında günümüzde de varlığını sürdüren "Wakefield Arms" binasının Joseph Aspdin'in bağlayıcısı ile yapıldığı bilinmektedir. Hammaddelerin yüksek sıcaklıklarda pişirilip öğütülmesi olayı daha sonra 1845 yılında İngiliz Isaac Johnson tarafından da gerçekleştirilmiştir.

1845 yılında, Isaac Johnson bugün kullanılanlara benzer şekilde kalker ve kil karışımını 1400oC-1500oCsıcaklıkta pişirerek ilk modern portland çimentosunu üretmiştir. Böylece çimento üretiminde sıcaklığın önemi ortaya konulmuştur. Yüksek sıcaklıklarda, klinkerleşme ve çok reaktif, daha güçlü çimento bileşenleri oluşmuştur.

19.yüzyılın ilk yarısında Amerika’da çimentoya büyük ölçekte gereksinim duyulmaya başlanmıştır. 1818 yılında Erie kanalının açılmasına başlandıktan 1 yıl sonra mühendis Canvass White New York yakınlarında Madison Country'de bir taşocağındaki malzemenin basit bir işlemle kendiliğinden doğal hidrolik özelliğe sahip olduğunu belirlemiştir. Bu malzeme kullanılarak üretilen çimento Erie Kanalının yapımında kullanılmıştır.

1850 yılında Amerikalı David O.Saylor bulduğu çimento kayasını fırında pişirdikten sonra öğüterek doğal çimento elde etmiştir. Fakat, Amerika Birleşik Devletleri'nde ve diğer bazı ülkelerde üretilen doğal çimentonun sağlamlığının, portland çimentosuna göre daha zayıf olduğu tespit edilmiştir.

1850 yıllarda çimento üretimi Avrupa’da belirli bir yere gelmişken Amerika’da 1870’li yıllara kadar büyük ölçekte üretilmemiştir. Avrupa’dan Amerika’ya ilk çimento 1868 yılında ihraç edilmiş, 1885 yılında ihracat 3 milyon varile yükselmiştir.

ABD’de ilk çimento fabrikası 1871 yılında David O. Saylor tarafından kurulmuştur. Saylor kendi ocaklarından değişik formasyonlar seçip karıştırarak, 1876 yılında da Philadelphia’da John K. Shinnportland çimentosunu üretmiştir.

Amerika’da New York Rosendale’de Indiana, Kentucky ve Lehigh Valley Pennsylvania’da çimento üretimine uygun formasyonlar bulunmuştur. 1874 yılında Robert W. Lesley fırına malzemenin topaklar oluşturularak verilmesinin işçilik maliyetlerini düşüreceğini gündeme getirmiştir.

1880 yılında ABD'de yılda 42 milyon varil çimento üretilmiştir. Bir sonraki on yılda üretim miktarı 335 milyon varil olarak gerçekleştirilmiştir. Artışı sağlayan en önemli faktör döner fırındaki gelişmeler olmuştur. Yapılan ve her üretim sonrası boşaltılarak yeniden doldurulan dikey fırınlar yerlerini sürekli üretimin yapılabildiği döner fırınlara bırakmıştır.

Döner fırınlar 1890'larda kireç yapımında kullanılan orijinal dikey şaft fırınları yerini almaya başlamıştır. Döner fırınlar ısı transferi ve ısıl işlem daha uygun şartlarda gerçekleştirilmiş, daha yüksek sıcaklıklara ulaşılmıştır.

1885 yılında İngiliz mühendis Frederick Ransome az meyilli döner fırının patentini almıştır. Eğimli döner fırınlarda içindeki malzeme fırın dönü hareketi ile çıkış ağzına doğru hareket etmesi nedeni ile üretim kapasiteleri artmış, daha homojen ürün elde edilmiştir. Bunun sonucu olarak kurulmuş dikey fırınlar yeni eğimli döner fırınlarla değiştirilmiştir.

19.yüzyılın sonunda klinkere alçı taşı ilave edilmiş, öğütmede bilyalı değirmenler kullanılmaya başlanmıştır.

1902 yılında Thomas A.Edison ABD'de New Jersey Portland Cement Works'de 45 metre uzunluğunda o dönemdeki en uzun fırınını kurmuştur. Uzun fırın kullanımı yanı sıra kırıcı ve öğütme değirmenlerindeki gelişmelere paralel olarakçimento tesis kapasiteleri de artmıştır.

Portland çimentonun ilk geniş mühendislik uygulaması Thames River altında 1928 yılında yapılan tünel olmuştur. Bu tünelde kullanılacak portland çimentosu üretimi için Wakefield’de bir tesis kurulmuştur.

Özet olarak; "Portland" ismi, portland çimentosu ile benzerlik gösteren İngiltere’nin Portland civarında bulunan bir çeşit yapı taşından gelmiştir (Taylor 1992). Portland çimentosunun ne zaman keşfedildiği bilinmemesine karşın 1824 yılında patenti J.Aspdin tarafından alınmıştır. Ürettiği portland çimentonun özellikleri, yeteri sıcaklıkta ısıl işlem uygulanmadığı için günümüzdeki portland çimento özellikleri kadar iyi olmamasına karşın literatürde J.Aspdin çimentoyu bulan kişi olarak kabul edilmelidir.

1845 yılında İsaac Johnson, şu anda kullanılan portland çimentosu için aynı hammaddeleri kullanılmıştır.

Portland çimento üretimi İngiltere’de düzenli olarak Swanscombe'da 1825 yılında James Frost tarafından gerçekleştirilmiştir. Bundan sonra Belçika ve Almanya'da 1855 yılında ilk çimento fabrikaları kurulmuştur. Birleşik Amerika Devletlerinde ise 1865 yılında çimento üzerinde çalışılmaya başlanmış ve portland çimentosu üretimi ilk olarak 1871 yılında gerçekleştirilmiştir. Daha sonra portland çimentosunun bileşimi ile ilgili düzenli çalışmalara başlamış ve 1906'da ısıl işlem ve üretim yöntemlerinin uygulanması bilimsel temellere oturtmuştur. 1913 yılında günümüzdeki çimento kamyonlarının ilk olarak Baltimore, Maryland’de kullanılmıştır.

1926 yılından itibaren değişik ülkelerde portland çimento üzerinde çok sayıda bilimsel çalışma yapılmış ve hidrolik çimentonun gelişimi sürmüştür.

1900’lü yıllarda ısıl işlem için döner fırının, hammadde ve klinker öğütmek için bilyalı değirmenlerin kullanılması, klinkere ilave edilen başta alçı taşı olmak üzere diğer katkı maddelerinin eklenmesi ile çimento kalitesi ve zamanla da üretim sürecinde önlemli gelişmeler gerçekleşmiştir. Sonuç olarak;

1928 yılında Polysius tarafından Lepol sistemi,
1930 yılında dik rulolu değirmen,
1932 fırın öncesi ön ısıtma siklonları,
1937 yılında Fuller ızgara soğutucu,
1950 yılında mekanik sınıflandırıcılar,
1960 yılında fırında ilk yan geçiş sistemi,
1966 yılında ön kalsinasyon sistemi,
1970 yüksek verimli sınıflandırıcılar,
1973 yılında da soğutucudan gelen üçüncül hava ile kalsinasyon sistemleri çimento üretiminde kullanılmaya başlanmıştır.

Daha sonraki yıllarda çimento sektöründe başta sistemdeki ısının tamamının kullanılarak maliyetlerin düşürülmesine yönelik yeni düzenlemeler.