PRODUCTION OF SELF CONSOLIDATED FLY ASH BRICK CONTAINING LIME WITHOUT PORTLAND CEMENT
Paki TURĞUT
Harran University, Engineering Faculty, Civil Engineering Department, Sanliurfa [email protected]
ABSTRACT: Some kinds of fly ashes generated from thermal power stations are not used in the concrete because their chemical compositions are unsuitable to use them in the concrete. These fly ashes are sent to landfill areas and cause some environmental problems. Therefore, it is needed to use them in the different applications. In this study, fly ash brick containing different amounts of hydrated lime as an additive are produced by using superplasticer. Portland cement is not used in the brick samples produced. It is seen from the performed test results that the addition of lime to fly ash improves some properties of bricks both fresh and hardened states.
Key words: fly ash, lime, superplasticer, brick
KENDİLİĞİNDEN YERLEŞEN KİREÇ KATKILI UÇUCU KÜLLÜ PORTLAND ÇİMENTOSUZ BRİKET ÜRETİMİ
ÖZET: Termik santrallerde üretilen bazı uçucu kül türlerinin kimyasal kompozisyonları uygun olmadığında betonda kullanılamazlar. Bu uçucu küller depolama alanlarına gönderilir ve bazı çevre problemlerine sebep olur. Dolayısıyla, bunların farklı uygulamalarda kullanma ihtiyacı ortaya çıkmaktadır. Bu çalışmada, içerisinde farklı miktarlarda kireç katkısı olan uçucu küllü briketler, süperakışkanlaştırıcı kullanarak üretilmektedir. Üretilen briket numuneleri içerisinde Portland çimentosu kullanılmamaktadır. Uçucu kül içerisine hidrate kireç katkısının hem taze hem de sertleşmiş durumdaki briketlerin bazı özelliklerini iyileştirdiği yapılan testler sonucunda görülmektedir.
Anahtar sözcükler: uçucu kül, kireç, süperakışkanlaştırıcı, briket GİRİŞ
Ülkemizdeki elektrik enerjisinin bir kısmı kömürle çalışan termik santrallerden elde edilmektedir.
Termik santrallerin büyük çoğunluğunda genellikle düşük kalorili linyit kömürleri yakılmaktadır.
Kömürün yakılması sonucunda, bacadan çıkan gazlarla birlikte hareket eden mikron boyutunda kül tanecikleri oluşmaktadır. Bacadaki kül tanecikleri elektro filtreler yardımıyla tutulmaktadır. Filtrede tutulan bu küle uçucu kül ismi verilmektedir. Ülkemizde kömür ile çalışan 20 adet termik santral bulunmaktadır.
Uçucu küllerin bacalarda tutulması hava kirliliğini kısmen önlemektedir. Ancak betonda mineral katkı olarak kullanılması sakıncalı olan uçucu küller bazı sorunlar oluşturmaktadır. Bacadaki filtrelerde tutulan uçucu küller belirli zaman aralıklarında boşaltılmaktadır. Betonda mineral katkı olarak kullanılması sakıncalı olan uçucu küller, nemlendirilerek atık depolama alanlarına gönderilmektedir. Dolayısıyla, bu küllerin atık depolama alanlarına taşınması ve arazide
depolanması ilave maliyetleri beraberinde getirmektedir. Arazideki depolamadan kaynaklı çevre sorunları da oluşmaktadır.
ASTM C 618 (1991)’e göre uçucu küller iki sınıfa ayrılmaktadır. Bunlardan birincisi, bitümlü kömürlerden elde edilen ve SiO2 (S), Al2O3 (A), Fe2O3 (F) toplamı % 70’in üzerinde olan F sınıfı uçucu küldür. Diğeri ise, linyit veya yarı bitümlü kömürlerden elde edilen ve S+A+F değeri % 50’nin üzerinde olan C sınıfı uçucu küllerdir. CaO (C) miktarı % 10’dan az olan küllere düşük kireçli kül, % 10’dan fazla olanlara da yüksek kireçli uçucu kül ismi verilmektedir. Türk Standartları Enstitüsü, TS 639 (1975)’da çimentoda kullanılan uçucu küllerin tarifi, sınıflandırılması ve deney metotları verilmektedir. C sınıfı uçucu küllerin bazı kimyasal ve fiziksel özellikleri Portland çimentosuyla benzerlik göstermektedir (Berry ve diğ., 2009). Kimyasal bileşiminde reaktif silikat (S), alüminat (A) ve demirin (F) yanında kalsiyum oksit (C) miktarının da fazla olması, C sınıfı uçucu küllere puzolanik özellikle birlikte bağlayıcılık özellikleri de sağlamaktadır (Caldarone, 2009). C sınıfı uçucu küllerin su ile reaksiyonu sonucunda, kalsiyum silikat hidrat (C-S-H) jellerinin oluştuğu görülmüştür (Berry ve diğ., 2009; Turgut, 2010; Turgut, 2012; Turgut, 2013).
Portland çimentosu içermeyen ve salt C sınıfı uçucu kül kullanılan bazı uygulamalar literatürde mevcuttur. Berry ve diğ. (2009) salt C sınıfı uçucu kül kullanarak beton üretmiş ve ürettikleri betonun yapısal performansının iyi olduğunu belirtmişlerdir. Turgut (2010), (2012), (2013), C sınıfı uçucu kül-kalker tozu, uçucu kül-kalker tozu-silis dumanı ve uçucu kül-kalker tozu-cam tozu kullanarak üç farklı yığma yapı briketi üretmiştir. Üretim metodu şu şekildedir: toz malzemeler ilk önce kuru olarak mikserde karıştırılmış, nemlendirilmiş ve daha sonra çelik kalıp içerisinde sıkıştırılmıştır. Kalıptan çıkarılan briketler üzerine, oda sıcaklığında 48 saat boyunca günde birkaç defa su püskürtülerek ön kür işlemine tabi tutulmuştur. Bu süre sonunda, 7, 28 ve 90 günlük özelliklerinin tespiti için içi su dolu kür havuzuna bırakılmıştır. Briketler üzerinde yapılan mekanik ve fiziksel test sonuçlarının, briketlerle ilgili ulusal ve uluslararası standartlarda verilen sınır değerlerini sağladığı gözlenmiştir. Tokyay ve Çetin (1991), uçucu kül ve kireç karışımından briket üretmiştir. Uçucu kül ve kireç karışımı nemlendirilmiş, kalıp içerisinde sıkıştırılmış ve üretimden sonra briketlere 6 saat boyunca buhar kürü uygulanmıştır. Briketler 6. saat sonunda, 28 ve 90 günlük bazı özelliklerini test etmek için deney gününe kadar suda bekletilmiştir. Elde edilen sonuçlar ışığında, uçucu külün duvar blok elemanı üretiminde kullanılabileceğini ileri sürülmüştür.
Bu çalışmada, Kangal Termik Santrali uçucu külü ve hidrate olmuş kireç kullanılarak briketler üretilmiştir. Briketlerin preslenerek sıkıştırılması işlemi yerine, süper akışkanlaştırıcı kullanılarak taze karışımların kalıp içerisine kendiliğinden yerleşmesi sağlanmıştır. Taze karışımların akıcı kıvama gelme süreleri ile mini çökme-yayılma değerleri tespit edilmiştir. Taze karışımlar başlangıçta 70 oC sıcaklıkta 24 saat boyunca kür işlemine tabi tutulmuş, daha sonra 7, 28 ve 56 günlük testler için 30 oC su içerisinde kür edilmiştir. Belirtilen süreler sonunda, briketlerin basınç ve yarmada çekme dayanımları tespit edilmiştir. Briketlerin yoğunlukları, normal ve kılcal su emme testleri 56. günde yapılmıştır.
YÖNTEM
Bu kısımda, briket yapımında kullanılan malzemelerin kimyasal ve fiziksel özelliklerinin yanında briketlerin üretim yöntemi verilmektedir.
Briket Üretiminde Kullanılan Malzemelerin Özellikleri
Kullanılan malzemelerin kimyasal ve fiziksel özellikleri Tablo 1’de verilmektedir. Bu çalışmada, temel malzeme olarak Kangal Termik Santral külü kullanılmıştır. Uçucu külün ağırlıkça S+A+F miktarı %44.77’dir. ASTM C 618 (1991)’e göre, S+A+F değeri %50 ile %70 arasında ve ağırlıkça
SO3 miktarı da %5’ten küçük olduğunda uçucu kül C sınıfı olarak adlandırılmaktadır. Ancak, bu çalışmada kullanılan uçucu külün SO3 miktarı ağırlıkça %12.06’dır. Kangal Termik Santral külü C ve F sınıfı uçucu kül tanımına uymamakla birlikte, ağırlıkça S+A+F toplam miktarı bakımından C sınıfı uçucu küle yakındır. Bu çalışmada, uçucu küle katkı olarak, hidrate olmuş hazır torba kireç kullanılmıştır.
Tablo 1. Malzemelerin Kimyasal Kompozisyonları ve Özellikleri Kompozisyon
(%)
Uçucu kül Kireç
CaO 32.58 70.08
SiO2 26.79 0.87
Al2O3 12.01 0.20
Fe2O3 5.67 0.14
Na2O 1.56 0.49
K2O 0.75 -
MgO 4.34 1.34
SO3 12.06 0.96
TiO2 0.62 -
Cl- 0.03 0.02
Serbest CaO 3.46 -
Kızdırma kaybı 2.42 25.74
Yoğunluk 2.35 2.25
Özgül yüzey 2047 5831
Briket Numunelerinin Hazırlanması
Bu çalışmada, briketlerin üretiminde 6 farklı karışım tasarlanmıştır. Briket numunelerinin ağırlıkça birim olarak karışım detayları Tablo 2’de verilmektedir. Karışımlardaki UK ve K harfleri sırasıyla uçucu kül ve hidrate olmuş kireci göstermektedir. Karışımlardan UK sadece uçucu kül içermektedir.
UK14K1, UK13K2, UK12K3, UK11K4 ve UK10K5 karışımlarında ise, uçucu küle ilaveten değişen miktarlarda hidrate kireç katkı olarak kullanılmıştır. Hidrate kireç içeren 5 karışımda, uçucu kül ile kireç ağırlıkça yer değiştirmektedir. Karışımların tümünde su/(UK+K) oranı 0.38 alınmıştır.
Toplam malzeme ağırlığının (UK+K) %1,5’i kadar süper akışkanlaştırıcı kullanılmıştır.
Mikser içerisine konulan malzemeler 1 dakika kuru olarak karıştırıldı. Bu sürenin sonunda, su ve süper akışkanlaştırıcı karışıma ilave edildi. Her bir seri numunedeki taze karışımlar akıcı kıvama gelinceye kadar karıştırma işlemine devam edildi. Basınç ve yarmada çekme dayanımının tespiti için 50 mm’lik küp kalıplar kullanıldı ve taze karışımlar bu kalıplar içerisine dökülerek kendiliğinden yerleşmesi sağlandı. Briketlerin yoğunlukları, normal ve kılcal su emme değerlerinin bulunmasında kullanılan numunelerin üretimi için, iç çapı 45 mm ve yüksekliği 90 mm olan kalıp kullanılmıştır.
Kalıp içerisindeki karışımların açık olan yüzey kısmı plastik bir örtü yardımıyla kapatıldı ve hazırlanan numuneler 70oC sıcaklığındaki etüv içerisine yerleştirildi. Seri halindeki numuneler 24 saat etüvde bekletildi ve ön kür işlemi tamamlandı. Etüvdeki ısıtma işlemi sonlandırıldıktan sonra, numune sıcaklıklarının kendiliğinden oda sıcaklığına ulaşması sağlandı. Numuneler daha sonra sıcaklığı 30oC olan su tankı içerisine yerleştirildi ve 7, 28 ve 56 günlük testler için bekletildi.
Belirtilen süreler sonunda, briketlerin basınç ve yarmada çekme dayanımı testleri yapıldı. 56. günde ise, yoğunluk, normal ve kılcal su emme testleri yapıldı.
Tablo 2. Numunelerin Ağırlıkça Birim Karışım Oranları Numune
Adı
Ağırlıkça Karışım Oranları
UK K
UK 15 -
UK14K1 14 1
UK13K2 13 2
UK12K3 12 3
UK11K4 11 4
UK10K5 10 5
BULGULAR
Bu kısımda üretilen briket numunelerin taze ve sertleşmiş durumdaki özellikleri anlatılacaktır. Taze durumda, karışımın akışkan duruma gelmesi için geçen süre ve çökme yayılma durumu irdelenecektir. Sertleşmiş briket numunelerinin ise, basınç ve yarmada çekme dayanımı, normal ve kılcal su emme, yoğunluk ve porozite durumları incelenecektir.
Taze Briket Karışımlarının Özellikleri
Her bir seri numunedeki taze karışım, akıcı kıvama gelinceye kadar mikser içerisinde karıştırıldı ve karışımların akıcı kıvama ulaştıkları süreler kaydedildi. Şekil 1’de, karışımların akıcı kıvama ulaşması geçen süreler gösterilmektedir. Karışımların tümünde su/(UK+K) oranı 0.38 ve toplam malzeme ağırlığının (UK+K) %1.5’i kadar süper akışkanlaştırıcı kullanılmıştır. Karışımlar aynı su ve süper akışkanlaştırıcı oranlarına sahiptir. Hidrate kirecin özgül yüzey alanı uçucu külden büyüktür. Karışımların içerisindeki hidrate kireç miktarları arttıkça, akıcı kıvama ulaşma süresi kısalmıştır. Hidrate kireç ile süper akışkanlaştırıcı arasındaki etkileşimin iyi olması (itme kuvveti), karışımdaki topaklaşmayı önleyerek karışımın akışkanlığını artırmış olabilir.
Şekil 1. Karışımların Akıcı Kıvama Ulaşması için Gereken Karıştırma Süreler
Karışımların mini çökme-yayılma değerleri Şekil 2’de verilmektedir. Mini çökme-yayılma hunisi kesik koni şekilli olup, iç çapları 100-70 mm ve yüksekliği 60 mm’dir. Hidrate kireç içeren karışımlarda, kireç miktarı arttıkça yayılma değerlerinin arttığı görülmektedir.
Şekil 2. Karışımların Yayılma Değerleri Sertleşmiş Briket Numunelerinin Özellikleri
Yoğunluk, Su Emme, Kılcal Su Emme
Üretilen briket numunelerinin yoğunluk değerleri Şekil 3’te gösterilmektedir. Numunelerin ölçülen ağırlıklarının, görünen hacmine bölünmesiyle yoğunluk değerleri elde edilmiştir (TS EN 678, 1995). Hidrate kireç katkılı numunelerin yoğunluk değerleri, salt uçucu kül içeren numuneye kıyasla daha büyüktür. Salt uçucu kül içeren UK numunesinin yoğunluk değeri 1523 kg/m3 olurken, hidrate kireç katkılı diğer numunelerin yoğunlukları 1666 ile 1730 kg/m3 değerleri arasında değişmektedir. Kırılmış UK numuneleri üzerinde gözle yapılan incelemede, değişik büyüklüklerde ve yoğun boşluklar olduğu görülmüştür. Hidrate kireç katkılı numunelerde, karışımlarda kullanılan hidrate kireç ve süper akışkanlaştırıcının etkisiyle kalıbın etkin bir şekilde dolduğu ve böylece numuneler içerisindeki çok iri boşlukların miktarının azaldığı düşünülmektedir.
Şekil 3. Briketlerin Yoğunlukları
Şekil 4’te numunelerin ağırlıkça % su emme değerleri verilmektedir. Şekil 5’te ise, 1 m3 numunenin kg olarak su emme değerleri gösterilmektedir.
Numuneler 105 oC sıcaklıkta değişmez ağırlığa gelinceye kadar kurutuldu. Fırın kurusu durumdaki numuneler tartıldı, su içerisine konularak 24 saat bekletildi. 24 saatlik süre sonunda, numunelerin yüzeyleri kâğıt havlu yardımıyla kurutuldu ve tartıldı. Gerekli hesaplamalar yapılarak su emme değerleri bulundu.
Hidrate kireç içeren bazı numunelerin su emme değerlerinde azalma olduğu görülmektedir. Şekil 4 ve 5’te görüldüğü gibi, UK14K1 numunesinin su emme değeri en küçük olmuştur. ASTM C 140 (2006)’a göre, yapıların taşıyıcı veya taşıyıcı olmayan kısımlarında kullanılacak briketlerin su emme değerinin 288 kg/m3’ten daha az olması gerektiği belirtilmektedir. Numunelerin su emme
değerleri 147 ile 189 kg/m3 arasında değişmektedir ve bu değerler 288 kg/m3’ten daha küçüktür.
Kontrol numunesi UK15’e kıyasla, çok az miktarda kireç katkısıyla UK14K1 numunesinin su emme değeri %32 azalmıştır. Ancak kireç katkısı miktarının artmasıyla, numunelerin su emme değerleri tekrar artmaya başlamıştır.
Şekil 4. Su emme (%)
Şekil 5. Su emme (kg/m3)
Numunelerin kılcal su emme değerleri Şekil 6’da gösterilmektedir. UK numunesinin kılcal su emme değeri, hidrate kireç katkılı numunelerle kıyaslandığında daha küçüktür. Yarmada çekme dayanımı testi yapılmış kırık numuneler üzerinde gözle yapılan incelemelerde, UK numunelerinin makro boşluklarının fazla olduğu görülmüştür. Hidrate kireç katkılı numunelerde ise, üniform dizili mikro boşlukların daha yoğun olduğu gözlenmiştir. Hidrate kireç katkılı numunelerin kılcal su emme miktarındaki artış, mikro boşlukların fazla olmasından kaynaklanmış olabilir.
Şekil 6. Kılcal Su Emme Değerleri Basınç ve Yarmada Çekme Dayanımları
Şekil 7’de numunelerin basınç dayanımı değerleri gösterilmektedir. C sınıfı uçucu külün su ile reaksiyonu sonucunda, Portland çimentosuna benzer olarak C-S-H ve CH yani Ca(OH)2 ürününün oluştuğu iyi bilinmektedir. SiO2’nin CH ile reaksiyonu sonucunda, ise C-S-H oluşmaktadır.
Hidratasyon ürünü C-S-H basınç dayanımı sağlamaktadır. Şekil 7’de görüldüğü gibi, 28.güne kadar tüm numunelerin basınç dayanımlarında artışlar meydana gelmiştir. 28. günde en büyük basınç dayanımı değeri UK14K1 numunesine ait olup, 49.8 MPa’dır. 56. günde ise, hidrate kireç içeren numunelerin basınç dayanımlarında önemli bir artış gözlenmemiş ve UK15 kontrol numunesinin basınç dayanımı ile hidrate kireç içeren UK14K1 numunesinin basınç dayanımları birbirine yaklaşmıştır. Buradan, UK14K1 numunesindeki hidrate kirecin 28. güne kadar dayanım kazanma hızını artırdığı söylenebilir. ASTM C 90 (2006)’a göre, yapıların taşıyıcı kısmında kullanılacak briketlerin basınç dayanımının en az 11.7 MPa olması gerektiği bildirilmektedir. Şekilde görüldüğü gibi, 7, 28 ve 56. günlerde numunelerin tamamının en az basınç dayanımı değerini sağladığı görülmektedir.
Numunelerin yarmadaki çekme dayanımı değerleri Şekil 8’de gösterilmektedir. 56. günde, UK15 ve UK14K1 numunelerinin yarmada çekme dayanımlarında önemli bir artış gözlenmiştir. 56. günde, UK14K1 numunesinin yarmada çekme dayanımı en büyük olmuştur. Hidrate kireç içeren bazı numunelerin yarmada çekme dayanımlarındaki azalmanın nedeni mikro çatlaklar veya boşluklar olabilir. BS6373 (1981)’te en az eğilmede çekme dayanımının 0.65 MPa olması gerektiği bildirilmektedir.
Şekil 7. Briket Numunelerinin Basınç Dayanımları
Şekil 8. Briket Numunelerinin Yarmada Çekme Dayanımları SONUÇ
Uçucu kül kullanılarak üretilen hidrate kireç katkılı briketlerle ilgili, aşağıda belirtilen önemli sonuçlar elde edilmiştir;
Briket numuneleri için üretilen taze karışımlar presleme veya titreşime sıkıştırmaya ihtiyaç duyulmadan kalıplara kendiliğinden yerleşmiştir.
Uçucu kül içerisine katkı olarak katılan hidrate kireç, karışımların akıcı kıvama gelmesi için gerekli karıştırma süresini, salt uçucu kül içeren karışıma kıyasla önemli derecede azaltmıştır.
UK14K1 numunesi, briket üretiminde en uygun karışım oranına sahiptir (Örneğin; 14 kg uçucu kül:
1 kg hidrate kireç).
Hidrate kireç katkılı UK14K1 numunesinde, karışımın akıcı kıvama gelmesi için gerekli olan süre 23 dakika olup, kontrol numunesi olan UK15’e kıyasla yaklaşık 3 kat daha azdır. Yayılma değeri ise, UK15 numunesinden daha büyüktür.
Hidrate kireç katkılı UK14K1 numunesinin su emme değeri en azdır ancak kılcal su emme değeri UK15 numunesinden biraz daha fazladır.
UK14K1 numunesinde, hidrate kireç katkısının 28. güne kadar basınç dayanımı kazanma hızını artırdığı gözlenmiştir. Ancak yarmada çekme dayanımı 56. günde önemli derede artırdığı ortaya çıkmıştır.
Hidrate kireç katkısının, uçucu kül ve süper akışkanlaştırıcı ile nasıl etkileştiğinin yanında taze ve sertleşmiş durumları nasıl etkilediğinin ileri bir çalışma olarak incelenmesi gerekmektedir.
KAYNAKLAR
ASTM C 618. (1991). Specification for Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use as a Mineral Admixture in Portland Cement Concrete, ASTM.
TS 639, Uçucu Küller, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 1975.
Berry, M., Cross, D., Stephens, J. (2009). Changing The Environment: An Alternative Green Concrete Produced Without Portland Cement. Proceedings of Coal Ash Conference, Lexington, KY, USA.
Caldarone, M. N. (2009). High Strength Concrete: A Practical Guide. New York, NY 1006, USA, Taylor and Francis Inc.
Turgut, P. (2010). Masonry Composite Material Made of Limestone Powder and Fly Ash. Powder Technology, 204, 42–47.
Turgut, P. (2012). Manufacturing of Building Bricks without Portland Cement. Journal of Cleaner Production, 37, 361–67.
Turgut P. (2013). Fly Ash Block Containing Limestone and Glass Powder Wastes. KSCE Journal of Civil Engeering, 17, 1425–31.
Tokyay, M., Çetin B. K. (1991). Preslenmiş, Buhar Kürü Uygulanmış Uçucu Kül-Kireç Tuğlalarının Dayanım ve Su Emme Özellikleri. Teknik Dergi, 2, 385-394.
TS EN 678 (1995). Gaz ve Köpük Beton-Kuru Yoğunluk Tayini.
ASTM C 140. (2006). Methods of Sampling and Testing Concrete Masonry Units, ASTM.
ASTM C 90. (2006). Standard Specification for Load-Bearing Concrete Masonry Units, ASTM.
BS 6073-Part 1 (1981). Precast Concrete Masonry Units: Specification for Precast Concrete Masonry Units, British Standard Institutions.
