Do¤al puzolan özelliklerinin macun dolgunun dayan›m ve durayl›l›¤›na etkisi
The effect of natural pozzolan properties on the strength and stability of paste backfill
BAYRAM ERÇIKDI, FERD‹ C‹HANG‹R, AYHAN KES‹MAL, HACI DEVEC‹, ‹BRAH‹M ALP
Karadeniz Teknik Üniversitesi, Maden Mühendisli¤i Bölümü, 61080, TRABZON
Gelifl (received) : 22 fiubat (February) 2008 Kabul (accepted) : 26 Mart (March) 2008
ÖZ
Çevresel aç›dan zararl› cevher zenginlefltirme at›klar›n›n (sülfürlü vb.) tamam›n›n yeralt› üretim boflluklar›nda depolanmas›n› sa¤layan ve böylece yerüstü at›k depolama ve rehabilitasyon maliyetlerini önemli oranda azaltan macun dolgu teknolojisinin kullan›m› son y›llarda yayg›nlaflmaktad›r. Ba¤lay›c› maliyetlerinin macun dolgu iflletme giderlerinin önemli bir k›sm›n› oluflturmas› ve özellikle sülfürlü at›klar›n kullan›ld›¤› macun dolgu uygulamalar›nda Portland çimentosu gibi kalsiyumca zengin ba¤lay›c›lar›n performans›n›n düflük olmas› nedeniyle, puzolanik özelli¤e sahip mineral katk› maddelerinin Portland çimentosu yerine belirli oranlarda ba¤lay›c› olarak kullan›m›
önem kazanm›flt›r. Bu çal›flmada, Portland çimentosu (PÇ 42.5) yerine belirli oranlarda (a¤›rl›kça %30’a kadar) mineral katk› maddesi olarak kullan›lan do¤al puzolanlar›n macun dolgunun dayan›m ve durayl›l›¤›na etkisi incelenmifltir. Bu amaçla, sülfür içeri¤i yüksek maden at›klar›ndan üretilen macun dolgu örnekleri drenajl› (delikli) silindir örnek kal›plar›na dökülerek 7-90 gün kür süreleri sonunda tek eksenli bas›nç deneyine tabi tutulmufltur.
Elde edilen deney sonuçlar›ndan, do¤al puzolanlar›n fiziksel, kimyasal ve puzolanik özelliklerinin macun dolgunun dayan›m ve durayl›l›¤› üzerinde önemli bir etkiye sahip olduklar› anlafl›lm›flt›r. Ayr›ca, reaktif silika içeri¤inin do¤al puzolanlar›n puzolanik etkinli¤i aç›s›ndan en önemli gösterge oldu¤u ve puzolanik etkinlik artt›kça macun dolgunun dayan›m ve durayl›l›¤›n›n artt›¤› görülmüfltür.
Anahtar kelimeler: Macun dolgu, do¤al puzolan, bas›nç dayan›m›, sülfat atak.
ABSTRACT
In recent years, the use of paste backfill technology has become widespread since it allows the placement of all the potentially hazardous mine tailings (e.g. sulphide tailings) to underground openings with concomitantly the sig- nificant reductions in the surface tailings disposal and rehabilitation costs. The Binder costs represent an impor- tant part of the backfill’s operating costs and calcium rich binders such as Portland cement often present low strength and stability performance. Therefore, utilization of mineral admixtures having pozzolanic properties as partial replacement of Portland cement in paste backfill has gained importance. In this study, the effects of natur- al pozzolans as additives in place (up to 30% by weight) of Portland cement (PÇ 42.5) on the strength and stabil- ity of paste backfill samples were investigated. The experimental results have revealed that the physical, chemi- cal and pozzolanic properties of natural pozzolans have a profound effect on the strength and stability of paste backfill. The reactive silica content of the natural pozzolan was found to be of practical importance since it could be the indication of the degree of pozzolanic activity of a natural pozzolan and the higher is the pozzolanic activi- ty of natural pozzolan, the higher positive effect on the strength and stability of paste backfill.
Key words: Paste backfill, natural pozzolan, compressive strength, sulphate attack.
B. Erç›kd›
E-posta: bercikdi@ktu.edu.tr
G‹R‹fi
Puzolan, çok ince ö¤ütüldü¤ünde ba¤lay›c›
özelli¤e sahip ürünler (C-S-H jeli) oluflturmak için normal s›cakl›klarda ve nemin varl›¤›nda kimyasal olarak kalsiyum hidroksit ile tepkimeye giren silisli veya silisli ve alüminli madde olarak tan›mlanmaktad›r (Kosmatka vd., 1995). Puzo- lanik maddeler, genellikle do¤al ve yapay puzo- lanlar olmak üzere iki ana gruba ayr›lmaktad›r.
Tras olarak da bilinen do¤al puzolanlar, genel- likle volkanik kökenli kayaçlard›r. Bilinen do¤al puzolan türleri volkanik küller, tüfler (pumis gi- bi), kalsine olmufl killer ve fleyllerdir. Yapay pu- zolanlar ise, çeflitli sanayi art›¤› maddelerden veya baz› do¤al maddelerin ›s›l iflleme maruz b›rak›lmalar› sonucu elde edilen maddelerdir.
Yüksek f›r›n cürufu, uçucu kül ve silis duman›
yayg›n olarak bilinen yapay puzolanlard›r.
Puzolanlar katk› maddesi olarak do¤rudan çi- mento ile kar›flt›r›larak kullan›labildikleri gibi, be- lirli oranlarda Portland çimentosu (PÇ) ile birlik- te ö¤ütülerek katk›l› çimento üretiminde de kul- lan›lmaktad›r. Puzolanik maddelerin puzolanik etkinli¤i malzemenin fiziksel özelli¤i, kimyasal ve mineralojik bileflimi ile do¤rudan iliflkilidir. Ör- ne¤in, yüksek puzolanik etkinli¤e sahip puzo- lanlar›n cams› faz (≥%80) içeri¤i yüksek, kil mi- nerali içeri¤i düflüktür (Alp vd., 2003). Benzer flekilde do¤al puzolan (tras) olarak kullan›lacak malzemenin kimyasal olarak SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 toplam›n›n en az %70, fiziksel olarak ise en az 3000 cm2/g özgül yüzey alan›na sahip ol- mas› gerekmektedir (TS, 1975).
Yapay ve do¤al puzolanlar›n çimento içerikli ka- r›fl›mlarda (beton, harç vb.) kullan›lmas›n›n bafll›ca nedenleri; i) ifllenebilirli¤i iyilefltirmek, ii) poroziteyi, boflluk oran›n› ve geçirgenli¤i azalt- mak, iii) çimento maliyetini/tüketimini azaltmak, iv) k›sa ve uzun dönemde daha dayan›kl› ürün elde etmek ve, v) sülfat etkisine karfl› direnci art- t›rmak olarak s›ralanabilir (Erdo¤an, 2003; Alp vd., 2003)
Bu çal›flmada, Portland çimentosu (PÇ 42.5) ye- rine belirli oranlarda k›smen (a¤›rl›kça %30’a ka- dar) kullan›lan do¤al puzolanlar›n (A (Tras 1), B (Tras 2) ve C (Pumis)) fiziksel, kimyasal ve pu- zolanik özelliklerinin sülfürlü at›klardan üretilen macun dolgunun 90 günlük kür sürelerinde dol- gu dayan›m› ve durayl›l›¤›na etkisi incelenmifltir.
Bu çal›flmada hedeflenen bafll›ca amaç, macun dolguda dayan›m kayb›n› engelleyici do¤al pu-
zolan tipini, kullan›m oran›n› (a¤›rl›kça % olarak) ve hangi özelliklerinin (yüzey alan›, puzolanik et- kinli¤i vb.) etkili oldu¤unu belirlemektir.
MACUN DOLGU TEKNOLOJ‹S‹
Macun dolgu, susuzland›r›lm›fl tesis at›klar›
(a¤›rl›kça %70-85 kat› oran›nda), su ve ba¤lay›- c› (a¤›rl›kça %3-7 oran›nda) kar›fl›m›ndan olufl- maktad›r (Brackebusch, 1994; Landriault, 1995). Macun dolgunun dayan›m ve durayl›l›¤›- n› etkileyen faktörler, iç ve d›fl etkenler olarak iki gruba ayr›lmaktad›r (bkz. Çizelge 1). ‹ç ve d›fl etkenler dolgunun hem k›sa ve uzun dönemde- ki dayan›m, durayl›l›k ve deformasyon özellikle- rini belirlemekte, hem de yeralt›na tafl›nmas›n- da etkin rol oynamaktad›r (Benzaazoua vd., 2002; Erç›kd› vd., 2003; Y›lmaz vd., 2003 ve 2006; Fall ve Samb, 2006; Ouellet, 2006). An- cak sülfür içeri¤i yüksek olan at›klar›n macun dolgu malzemesi olarak kullan›lmas› durumun- da uzun dönemde durayl›l›k aç›s›ndan baz› so- runlarla karfl›lafl›ld›¤› belirtilmektedir. Bunun ne- deni, sülfürlü minerallerin oksitlenmesine ba¤l›
olarak oluflan sülfat ve asitin ba¤lay›c› hidratas- yon ürünleri ile etkileflmesidir. Bu etkileflimler sonucu oluflan genleflme özelli¤ine sahip ikincil minerallerin (etrenjit ve jips), dolgunun durayl›l›-
¤›n› yitirmesine ve sonuçta göçüklere yol açmak suretiyle istenmeyen iflgücü kay›plar›na ve üre- timin durmas›na neden oldu¤u öne sürülmekte- dir (Benzaazoua vd., 1999; Santhanam vd., 2001; Hassani vd., 2001; Kesimal vd., 2004; Y›l- maz vd., 2004; Kesimal vd., 2005).
Macun dolgu teknolojisinin oldukça yeni bir tek- noloji olmas›ndan dolay›, özellikle sülfür içeri¤i yüksek at›klardan üretilen dolgunun uzun dö- nemde durayl›l›¤›n›n bozulmas›n›n nedenleri (ikincil mineral oluflumu vb.) halen araflt›r›lmak- ta ve bunu engelleyici çözümler aranmaktad›r.
Beton endüstrisinde sülfat atak olarak adland›r›- lan bu sorunun çözümünde en etkili yöntemin puzolanik özelli¤e sahip mineral katk› malzeme- lerinin (yüksek f›r›n cürufu, uçucu kül, silis du- man› vb.) kullan›m› oldu¤u belirtilmektedir (Tay- lor, 1990; Neville, 2000; Erdo¤an, 2003). Ba¤la- y›c› maliyetlerinin macun dolgu iflletme giderle- rinin ortalama %42’sini (%3 çimento oran› için) oluflturdu¤u göz önüne al›nd›¤›nda (De Souza vd., 2003), ba¤lay›c› niteli¤e sahip puzolanik katk› maddelerinin macun dolguda kullan›m›, sülfat atak olarak adland›r›lan sorunun çözü-
Çizelge 1. Macun dolgu dayan›m›n› ve durayl›l›¤›n› etkileyen faktörler (Benzaazoua vd., 2002 ve Ouellet, 2006’dan de¤ifltirilerek al›nm›flt›r).
Table 1. Factors affecting the strength and stability of paste backfill (modified after Benzaazoua et al., 2002 and Ouellet, 2006).
‹Ç ETKENLER DIfi ETKENLER
At›k malzeme Yerinde koflullar
Tane boyu da¤›l›m› S›cakl›k (C°)
Özgül a¤›rl›k Nem (%)
Sülfür içeri¤i (%) Konsolidasyon
Ba¤lay›c› Drenaj koflullar›
Çimento tipi S›v›laflma (liquefaction) riski
% C3A ve CaSO4.2H2O oran› Yeralt›suyu koflullar›
Katk› malzeme tipi (mineral, kimyasal) ve % oran› Havaland›rma (oksijen miktar›)
Katk›lar›n (mineral) puzolanik etkinli¤i Sülfat atak (oksidasyon, ikincil mineral oluflumu, genleflme)
Kar›fl›m suyu Yan kayaçla etkileflim (yanal bas›nç, çatlak vb.)
SO42-konsantrasyonu (mg/lt) Patlatma kaynakl› titreflimler
pH Dolgu yerlefltirme flekli (kademeli, dolgu barikat›n›n
Kar›fl›m özellikleri zarar görmesi vb.)
Su: çimento oran›
% Çimento miktar›
% Kat› oran›
Gözeneklilik ve boflluk oran›
münde etkin rol oynamas› ve ayn› zamanda çi- mento tüketimini ve tesis iflletme giderlerini önemli ölçüde azaltmas› mümkün olabilir.
Bu amaçla, yüksek f›r›n cürufu ve uçucu kül gi- bi yapay puzolanlar›n Portland çimentosu yeri- ne belirli oranlarda k›smen kullan›m›n›n macun dolgu dayan›m, durayl›l›k ve deformasyon özel- liklerine etkisi ile ilgili araflt›rmalar oldukça yay- g›nd›r (Archibald vd., 1999; Hassani vd., 2001;
Fall ve Benzaazoua, 2005; Petrolito vd., 2005;
Klein ve Simon, 2006; Sargeant vd., 2007). An- cak, do¤al puzolanlar›n Portland çimentosu ye- rine belirli oranlarda k›smen kullan›m›n›n macun dolgu özelliklerine etkisi ile ilgili günümüze de-
¤in herhangi bir çal›flma gerçeklefltirilmemifltir.
Ayr›ca ülkemizin do¤al puzolan kaynaklar› bak›- m›ndan oldukça zengin oldu¤u birçok çal›flma- da da belirtilmektedir (Türkmeno¤lu ve Tankut, 2002; Çavdar ve Yetgin, 2007).
DENEYSEL ÇALIfiMALAR
Bu çal›flmada, bir zenginlefltirme tesisinden te- min edilen sülfürlü at›klar, herhangi bir s›n›flan- d›rmaya tabi tutulmadan kullan›lm›flt›r. Bütün deneylerde %5 çimento oran› ve %77 kat› ora- n›nda (17.78 cm slump) haz›rlanan macun dol-
gu kar›fl›mlar›, drenajl› silindir örnek kal›plar›na doldurulmufl ve 90 gün boyunca belli kür sürele- rinde tek eksenli bas›nç dayan›m deneyine tabi tutulmufltur.
At›k Malzeme
Macun dolgunun yeralt›na borularla belli bir ak›flkan k›vam›nda tafl›nabilmesi ve sürtünme nedeniyle oluflabilecek afl›nma sorununu önle- mek için ortamda kolloidal, su tutmay› sa¤laya- cak 20 µm alt› en az a¤›rl›kça %15 malzeme ol- mas› gerekmektedir (Landriault, 1995). Malvern Mastersizer ile at›klar üzerinde gerçeklefltirilen tane boyu da¤›l›m› analizi sonuçlar›ndan (bkz.
Çizelge 2), 20 µm alt› malzeme miktar›n›n a¤›r- l›kça %40 oldu¤u ve orta boyutlu at›k malzeme s›n›f›na girdi¤i görülmektedir (Landriault, 2001).
‹yi bir tane boyu da¤›l›m›na sahip malzemenin her boyuttan yeterli miktarda tane içermesi ve uniformluk katsay›s›n›n (Cu) 4-6, e¤rilik katsay›- s›n›n (Cc) ise 1-3 aras›nda olmas› istenir (Lan- driault, 2001; Kesimal vd., 2003). Bu çal›flmada kullan›lan at›k malzemenin tane boyu da¤›l›m›
grafi¤inden, Cu de¤erinin 9.4, Cc de¤erinin ise 1.52 oldu¤u ve bu bak›mdan at›k malzemenin iyi bir tane boyu da¤›l›m›na sahip oldu¤u görül- mektedir.
Çizelge 2. At›k malzemenin kimyasal, fiziksel ve mineralojik bileflimi.
Table 2. Chemical, physical and mineralogical composition of the tailings material.
Kimyasal bileflim (%)
MgO 1.19 CaO 0.95 K2O 0.23 SO3 2.83
Al2O3 3.27 FeO 22.92 Na2O 0.17 CI- 0.003
SiO2 11.39 S 26.22 TiO2 <0.01 K›zd›rma kayb› 29.02
Toplam 98.203
Fiziksel özellikler
D10(µm) 4.0 D30(µm) 15.0 D60(µm) 37.0 D80(µm) 62.0
D20(µm) 7.8 D50(µm) 28.0 D70(µm) 49.0 D90(µm) 83.0
Cu[Cu = (D60) / (D10)] 9.3 Cc[Cc = (D60)2/ (D10)*(D60) ] 1.52
Özgül yüzey alan› (cm2/g) 3584 Özgül a¤›rl›k (gr/cm3) 4.09
Mineralojik bileflim: Pirit, kuvars
D10: Malzemenin %10’unun elek alt›na geçti¤i tane boyutu; Cu: Uniformluk katsay›s›; Cc: E¤rilik katsay›s›
At›k malzemenin kimyasal ve mineralojik analizi sonuçlar› (bkz. Çizelge 2), at›¤›n yüksek oranda pirit minerali (FeS2) içerdi¤ini göstermifltir. Pirit mineralinin, suyun ve oksijenin varl›¤›nda oksi- dasyona u¤ramas› asitlik (H+) ve sülfat (SO42-) oluflumuna yol açabilir ve devam›ndaki kimya- sal tepkimelerin macun dolgunun dayan›m›n› ve durayl›l›¤›n› olumsuz yönde etkilemesi söz ko- nusu olabilir (Santhanam vd., 2001; Bakharev vd., 2002; Benzaazoua vd., 2002; Y›lmaz vd., 2003; Kesimal vd., 2005).
Ba¤lay›c› Malzeme
Macun dolgu uygulamalar›nda, ba¤lay›c› olarak genellikle Portland çimentosu kullan›lmaktad›r.
Portland çimentosunun maliyetinin yüksek ve sül- fat ata¤a karfl› dayan›ks›z olmas› nedeniyle puzo- lanlar ile birlikte kullan›m› oldukça yayg›nd›r (Ne- ville, 2000). Puzolanlar›n kullan›labilirli¤ini belirle- yen en önemli etken, dolgu tesisine yak›n mesa- felerde yeterli miktarda bulunmas› ve ekonomik bir flekilde temin edilebilmesidir. Bu çal›flmada, macun dolgu örneklerinin tamam› %5 çimento oran›nda haz›rlanm›flt›r. Ba¤lay›c› olarak; Port- land çimentosu (PÇ 42,5), Ordu yöresinden temin edilen iki farkl› tras (A ve B ) ve Kayseri yöresin- den temin edilen pumis (C) kullan›lm›flt›r. A, B ve C ba¤lay›c› faz› içinde PÇ 42,5 yerine k›smen a¤›rl›kça %10, 20 ve 30 (örne¤in, A: PÇ; 10:90;
20:80; 30:70) oranlar›nda kullan›lm›flt›r. A, B ve C laboratuvarda önce merdaneli k›r›c›dan (-4 mm) geçirilmifl ve daha sonra bilyal› de¤irmende A ve B 90 dakika, C ise 45 dakika kuru ö¤ütmeye tabi tutularak inceli¤i minimum 3000 cm2/g’ye getiril- mifltir. Ö¤ütme iflleminden sonra TS EN 196-2 ve TS EN 196-6’ya TS (2002) göre malzemelerin fi-
ziksel, kimyasal ve mineralojik karakterizasyonu gerçeklefltirilmifltir (bkz. fiekil 1 ve Çizelge 3). Do-
¤al puzolanlar›n reaktif silika miktarlar› ise TS EN 197-1’e (TS, 2002) göre belirlenmifltir.
Puzolanik Etkinlik Deneyleri
Puzolanik etkinlik, ince olarak ö¤ütülmüfl puzo- lanlar›n nem varl›¤›nda sönmüfl kireçle tepkime- ye girerek ba¤lay›c› özelli¤e sahip ürün (C-S-H) oluflturmas›d›r. Puzolanik etkinlik deneyleri TS 25’e göre, TS EN 196-1’de tan›mlanan standart kum kullan›larak yap›lm›flt›r (bkz. Çizelge 4).
Standart kal›plar içerisine dökülerek haz›rlanan örneklerin 7 günlük kür süresi sonunda bas›nç ve çekme dayan›mlar› belirlenmifltir.
Macun Dolgu Örneklerinin Haz›rlanmas›
%82 kat› oran›na sahip cevher at›¤›, ba¤lay›c›
malzeme ve kar›fl›m suyu kullan›larak %5 çi- mento oran›nda toplam 150 adet macun dolgu örne¤i haz›rlanm›flt›r. Ba¤lay›c› malzeme (a¤›rl›kça %5) kar›fl›ma, %77 kat› oran›na göre hesaplanarak ilave edilmifltir. %82 kat› oran›n- daki at›¤› %77 kat› oran›na getirmek için mus- luk suyu ilave edilmifltir. Kar›fl›m›n (at›k malze- me, ba¤lay›c› ve su) homojen bir flekilde haz›r- lanmas› için 20.8 litre kapasiteli mikser kulla- n›lm›flt›r. Kar›flt›rma ifllemi 2. devirde 7 dakika süreyle yap›lm›flt›r. Haz›rlanan macun dolgu kar›fl›m› 10 cm çap›nda ve 20 cm yüksekli¤in- deki drenajl› silindir örnek kal›plar›na dökül- müfltür. Haz›rlanan macun dolgu örnekleri da- ha sonra, %80 nemli ve 20 Cº s›cakl›k ortam›n- da 7, 28, 56 ve 90 gün kür sürelerinde bekletil- mifltir (bkz. fiekil 2).
Çizelge 3. Ba¤lay›c›lar›n kimyasal, fiziksel ve mineralojik özellikleri.
Table 3. Chemical, physical and mineralogical properties of the binders.
Karakteristik PÇ 42.5 (%) A (%) B (%) C (%)
Kimyasal bileflim
SiO2 20.31 57.28 55.82 62.81
Reaktif SiO2 - 25.94 35.00 55.88
Al2O3 5.93 18.60 16.13 16.19
Fe2O3 2.82 4.70 6.86 3.75
CaO 61.02 5.72 8.57 2.86
MgO 1.15 1.47 3.97 0.83
SO3 2.95 0.16 0.15 0.13
Na2O 0.32 2.84 2.20 2.90
K2O 1.14 4.07 2.20 2.45
TiO2 - 0.77 0.54 0.69
Serbest CaO 1.14 - - -
Kal›nt› 1.18 - - -
K›zd›rma kayb› 3.78 3.65 3.12 6.75
Toplam 99.43 99.35 99.57 99.36
Fiziksel özellikler
Özgül a¤›rl›k (g/cm3) 3.010 2.580 2.645 2.406
Özgül yüzey alan (cm2/g) 4345 6975 4940 7710
Ö¤ütme süresi (dakika) - 90 90 45
Mineralojik bileflim
C3S = %37.10 Feldispat Feldispat Cams› faz
C2S = %30.30 Kuvars Kuvars
C3A = %10.95 ‹llit Ferroaktinolit
C4AF = %8.57 fiekil 1. Ba¤lay›c›lar›n tane boyu da¤›l›m›.
Figure 1. Particle size distribution of the binders.
Çizelge 4. Puzolanik etkinli¤in belirlenmesi için harçlar›n haz›rlanmas›nda kullan›lan kar›fl›m oranlar› (TS, 1975).
Table 4. Admixture proportions in the mortars prepared to determine the pozzolanic activity (TS, 1975).
Malzeme Miktar (g)
Kireç-Ca(OH)2 150
Tras T= 2*150* (δDP) / (δKireç)
Standart kum (TS-EN 196-1) 1350
Su 0,5*(150+T)
Tek Eksenli Bas›nç Dayan›m›
Macun dolgu örneklerinin tek eksenli bas›nç da- yan›m›, önceden belirlenen kür süreleri sonun- da yük kapasitesi 50 kN ve 0.5 mm/dk l›k bir yükleme h›z›na sahip bilgisayar kontrollü bas›nç ve deformasyon ünitesinde ASTM (2002) tara- f›ndan önerilmifl yönteme göre belirlenmifltir.
Macun dolgu örneklerinin boy/çap oran› 2 olup, örneklerin alt ve üst yüzeyleri deney öncesi dü- zeltilmifltir. Her bir kür süresi için 3 adet örnek deney edilmifl olup, sonuçlar bu 3 örnekten elde edilen de¤erlerin ortalamas› olarak al›nm›flt›r.
Yeralt›na yerlefltirilen macun dolgunun kendi durayl›l›¤›n› sa¤layabilmesi için 28 günlük kür süresi sonunda en az 0.7 MPa dayan›m kazan-
mas› gerekti¤inden, çal›flmada dayan›m eflik de¤eri olarak 0.7 MPa esas al›nm›flt›r.
DE⁄ERLEND‹RME ve TARTIfiMA Do¤al Puzolanlar›n Karakterizasyonu
Do¤al puzolanlar, çimento veya betonda katk›
maddesi olarak kullan›labilmeleri için belirli fi- ziksel ve kimyasal özelliklere sahip olmal›d›r- lar. TS 25 (TS, 1975)’e göre, SiO2+Al2O3+ Fe2O3 (S+A+F) toplam› en az %70 olmal›d›r.
Ayr›ca, sönmüfl kireç ve do¤al puzolanik mad- de kar›fl›m›yla haz›rlanan örneklerin 7 günlük çekme dayan›mlar›n›n en az 1 MPa ve tek ek- senli bas›nç dayan›mlar›n›n en az 4 MPa olma- s› gerekmektedir (TS, 1975). Do¤al puzolanla- r›n kimyasal bileflimi (S+A+F) ve puzolanik de- ney sonuçlar› TS 25 (TS, 1975) ile karfl›laflt›r- mal› olarak Çizelge 5’de verilmifltir. Çizelge 3 ve 5 incelendi¤inde, do¤al puzolanlar›n gerek- li fiziksel, kimyasal ve mekanik özelliklere sa- hip olduklar› ve PÇ 42.5 yerine k›smen mineral katk› maddesi olarak kullan›labilece¤i anlafl›l- maktad›r. C kullan›larak haz›rlanan harç ör- neklerinin 7 günlük çekme ve tek eksenli ba- s›nç dayan›mlar› TS 25 (TS, 1975)’de belirtilen s›n›r (eflik) de¤erlere göre s›ras›yla 2.6 ve 3.3 kat daha yüksektir. A ve B kullan›larak haz›rla- nan harç örneklerinin 7 günlük çekme ve tek eksenli bas›nç dayan›mlar› C ile üretilen harç örneklerinden daha düflüktür (bkz. Çizelge 5).
C’nin A ve B’den daha yüksek puzolanik etkin- lik göstermesi; C’nin sahip oldu¤u yüksek öz- gül yüzey alan› (7710 cm2/g), reaktif SiO2 (55.88) miktar› ve cams› faz yap›da olmas›yla
iliflkilendirilebilir. Çünkü, SiO2 miktar›n›n art- mas›yla puzolanik etkinli¤in yükseldi¤i, Al2O3, Fe2O3, MgO ve K2O miktar›n›n artmas›yla ise azald›¤›, reaktif SiO2 miktar› ve özgül yüzey alan ile puzolanik etkinlik aras›nda do¤ru oran- t›l› bir iliflkinin oldu¤u belirtilmektedir (Çavdar ve Yetgin, 2007; Papadakis vd., 2002).
Do¤al Puzolanlar›n Macun Dolgunun Dayan›m ve Durayl›l›¤›na Etkisi
Ba¤lay›c› tipi ve miktar›, macun dolgunun da- yan›m ve durayl›l›¤› üzerinde önemli rol oyna- maktad›r. fiekil 3, %5 çimento oran›nda ve sa- bit bir k›vamda (17.78 cm slump) PÇ 42.5 ve PÇ 42.5 yerine belirli oranlarda (a¤›rl›kça
%30’a kadar) A kullan›larak haz›rlanan macun dolgu örneklerinin 7, 28, 56 ve 90 günlük daya- n›m sonuçlar›n› göstermektedir. PÇ 42.5 kulla- n›larak haz›rlanan örneklerin dayan›m›, 28 günlük kür süresi sonunda 0.716 MPa olup, s›- n›r (eflik) de¤erin (0.7 MPa) hemen üstündedir.
56 günlük kür süresi sonunda ise, dayan›m›n 0.833 MPa’a ulaflt›¤›, ancak 90 günlük kür sü- resi sonunda %8’lik bir dayan›m kayb›n›n olufl- tu¤u görülmektedir (bkz. fiekil 3). PÇ 42.5 ye- rine k›smen %10 A içeren macun dolgu örnek- lerinin 56-90 günlük kür aral›¤›ndaki dayan›m kayb› %0.8 iken, PÇ 42.5 yerine k›smen %20 ve 30 A içeren macun dolgu örneklerinin ayn›
kür aral›¤›ndaki dayan›m kayb›n›n %11 oldu¤u görülmüfltür (bkz. fiekil 3).
fiekil 2. Macun dolgu örnekleri.
Figure 2. Paste backfill samples.
fiekil 3. PÇ 42.5 yerine k›smen (a¤›rl›kça %10-30) A kullan›larak %5 çimento oran›nda haz›rla- nan macun dolgu örneklerinin tek eksenli bas›nç dayan›m›.
Figure 3. Unconfined compressive strength of paste backfill samples produced from the tai- lings sample using PC 42.5 and A as mi- neral additive (up to 30 wt%) at 5 wt % binder dosage.
fiekil 4. PÇ 42.5 yerine k›smen (a¤›rl›kça %10-30) B kullan›larak %5 çimento oran›nda haz›rla- nan macun dolgu örneklerinin tek eksenli bas›nç dayan›m›.
Figure 4. Unconfined compressive strength of paste backfill samples produced from the tai- lings sample using PC 42.5 and B as mi- neral additive (up to 30 wt%) at 5 wt % binder dosage.
Çizelge 5. Do¤al puzolanlar›n kimyasal ve puzolanik etkinlik deney sonuçlar›n›n TS 25 (TS, 1975) ile karfl›laflt›r›l- mas›.
Table 5. Chemical and pozzolanic activity test results of the natural pozzolans compared with TS 25 (TS, 1975).
TS 25 SiO2+ Al2O3+ MgO SO3 K›zd›rma Reaktif 7 günlük 7 günlük tek
Fe2O3 kayb› SiO2 çekme eksenli
dayan›m› bas›nç dayan›m›
(%) (%) (%) (%) (MPa) (MPa)
TS 25 >70.000 <5.000 <3.000 <10.00 - >1.00 >4.00
A 80.58 1.47 0.16 3.65 25.94 1.2 6.4
B 78.81 3.97 0.15 3.12 35.00 1.6 8.1
C 82.75 0.83 0.13 6.75 55.88 2.6 13.3
fiekil 5. PÇ 42.5 yerine k›smen (a¤›rl›kça %10-30) C kullan›larak %5 çimento oran›nda haz›rla- nan macun dolgu örneklerinin tek eksenli bas›nç dayan›m›.
Figure 5. Uunconfined compressive strength of pas- te backfill samples produced from the tai- lings sample using PC 42.5 and C as mi- neral additive (up to 30 wt%) at 5 wt % binder dosage.
PÇ 42.5 yerine k›smen (%10, 20 ve 30) A ve B kullan›larak haz›rlanan macun dolgu örnekleri- nin dayan›m kazan›m› benzerlik göstermektedir (bkz. fiekil 3 ve 4). Ancak bu örneklerin dayan›- m›, PÇ 42.5 kullan›larak haz›rlanan örneklerin dayan›m›ndan tüm kür sürelerinde daha düflük- tür. PÇ 42.5 yerine belirli oranlarda k›smen
%10, 20 ve 30 B kullan›larak haz›rlanan örnek- lerin A’ya göre daha iyi sonuçlar verdi¤i görül- mektedir. 56-90 günlük kür süresi aral›¤›nda en fazla dayan›m kayb›n›n %28.5 ile PÇ 42.5 yeri- ne k›smen %30 B içeren macun dolgu örnekle- rinde oldu¤u görülmektedir (bkz. fiekil 4). PÇ 42.5 yerine k›smen (%10, 20 ve 30) A ve B kul- lan›larak haz›rlanan macun dolgu örneklerinin dayan›m sonuçlar›ndan (bkz. fiekil 3 ve 4); PÇ 42.5 yerine k›smen %10 A ve %10-20 B kullan›- m›n›n 56 günlük kür süresi sonunda gözlemle-
nen dayan›m kayb›n› nispeten engelledi¤i, an- cak yeterli dayan›m kazan›m›n›n (28 günlük kür süresinde en az 0.7 MPa) elde edilmesi için a¤›rl›kça %5’den daha fazla çimento içermeleri gerekti¤i anlafl›lmaktad›r.
fiekil 5, PÇ 42.5 yerine k›smen %10, 20 ve 30 oran›nda C kullan›larak haz›rlanan macun dolgu örneklerinin 7-90 günlük kür süreleri sonundaki dayan›m sonuçlar›n› göstermektedir. fiekil 5 in- celendi¤inde, PÇ 42.5 yerine k›smen kullan›lan C miktar› (%10-30) artt›kça, A ve B ile haz›rla- nan örneklerde oldu¤u gibi macun dolgu örnek- lerinin dayan›m kazan›m› azalma e¤ilimi göster- mektedir. Örne¤in, PÇ 42.5 yerine k›smen%10 C kullan›larak haz›rlanan örneklerin 28 günlük tek eksenli bas›nç dayan›m› (0.624 MPa), %30 C kullan›larak haz›rlanan örneklerin tek eksenli
bas›nç dayan›m›ndan (0.324 MPa) yaklafl›k 2 kat daha yüksektir. Ancak, PÇ 42.5 yerine k›s- men %10-30 oranlar›nda C kullan›larak haz›rla- nan macun dolgu örneklerinde, 90 günlük kür süresi sonunda hiçbir dayan›m kayb› olmad›¤›
ve en yüksek dayan›m›n 90 günlük kür süresi sonunda PÇ 42.5 yerine k›smen %10 C içeren örneklerde (0.873 MPa) oldu¤u gözlemlenmifl- tir. Elde edilen sonuçlardan PÇ 42.5 yerine be- lirli oranlarda mineral katk› maddesi olarak k›s- men (%10-30) C kullan›m›n›n, A ve B kullan›m›- na göre daha uygun oldu¤u anlafl›lmaktad›r. Bu durum, C’nin özgül yüzey alan›n›n (7710 cm2/g), SiO2+Al2O3(%79) ve reaktif SiO2(55.88
~ %89) içeri¤inin yüksek ve cams› faz yap›da ol- mas› nedeniyle yüksek puzolanik etkinli¤e sahip olmas›yla aç›klanabilir (bkz. Çizelge 3 ve 5).
Özellikle PÇ 42.5 kullan›larak haz›rlanan örnek- lerde gerçekleflen dayan›m kayb›; PÇ 42.5’nun C3A içeri¤inin yüksek olmas› nedeniyle sülfat ata¤a karfl› dayan›ks›z olmas›na, ortamdaki klinker miktar›n›n azalmas›na ve at›k olarak kul-
lan›lan malzemenin bask›n olarak pirit minerali (FeS2) içermesine ba¤lanabilir (Benzaazoua vd., 1999; Neville, 2000). fiekil 6, yeralt›na yer- lefltirilen sülfür ve sülfatça zengin taze çimento- lu macun dolguda geliflen hidratasyon ve za- manla bozunma süreçlerini göstermektedir (Be- lem ve Benzaazoua, 2007). Yerlefltirilen dolgu içerisinde, öncelikle OH- iyonlar›n›n sal›n›m›
gerçekleflmekte ve a盤a ç›kan iyonlar ortam›n pH’›n›n 12-13 aras›nda kalmas›n› sa¤lamakta- d›r. Hidratasyon iflleminin gerçekleflmesiyle bir- likte s›ras›yla; birincil etrenjit, portlandit, macun dolgunun dayan›m kazanmas›n› sa¤layan C-S- H jeli ve alç›tafl› oluflumu gerçekleflmektedir. Bu çal›flmada oldu¤u gibi, ortamdaki sülfürlü mine- rallerin (pirit vb.) su ve oksijen varl›¤›nda oksi- dasyona u¤ramas›yla oluflan sülfat (SO42-) ve asit (H+), genleflme özelli¤ine sahip ikincil alç›- tafl› ve etrenjit minerallerinin oluflmas›na, or- tamdaki portlanditin (Ca(OH)2) çözünmesine ve C-S-H jelinin ba¤lay›c›l›k özelli¤ini yitirmesine neden oldu¤u düflünülmektedir. Bunun sonu- cunda dolgu içerisinde meydana gelen çatlak-
fiekil 6. Macun dolguda hidratasyon ve bozunma sürecinin flematik gösterimi (Belem ve Benzaazoua, 2007’den de¤ifltirilerek al›nm›flt›r).
Figure 6. Schematic diagram of the hydration and decomposition process in paste backfill (modified after Belem and Benzaazoua, 2007).
lar, macun dolguda dayan›m ve durayl›l›k kayb›- na yol açmaktad›r.
PÇ 42.5 yerine k›smen kullan›lan uygun mineral katk› maddeleri ile hidratasyon sonucu a盤a ç›- kan portlanditin (Ca(OH)2) puzolanik tepkimesi sonucu oluflan ilave C-S-H jelleri, daha düflük porozite ve boflluk oran›na sahip macun dolgu oluflumuna katk›da bulunmaktad›r. Porozite ve boflluk oran›n›n düflük olmas›, dolgu içerisine nem ve oksijen giriflini engellemekte ve durayl›- l›k kayb›na neden olabilecek sülfat atak oluflu- munu önlemektedir.
SONUÇLAR
Do¤al puzolan özelliklerinin macun dolgunun dayan›m ve durayl›l›¤›na etkisini araflt›rmak amac›yla %5 çimento oran› ve %77 kat› oran›n- da (17,78 cm slump) ba¤lay›c› olarak PÇ 42,5 ve PÇ 42,5 yerine belli oranlarda (a¤›rl›kça
%30’a kadar) A, B ve C kullan›larak haz›rlanan macun dolgu örneklerinin 90 günlük tek eksenli bas›nç dayan›m› deneylerinden afla¤›daki so- nuçlar elde edilmifltir.
Deneylerde kullan›lan at›k malzemenin pirit içe- ri¤inin yüksek olmas›, zamanla piritin oksidas- yonuna yol açm›fl ve sülfat atak nedeniyle PÇ 42,5 kullan›larak haz›rlanan örneklerde 90 gün- lük kür süresi sonunda %8’lik bir dayan›m kayb›
oluflmufltur.
90 günlük kür süresi sonunda en yüksek daya- n›m kazan›m›n› %10 C içeren macun dolgu ör- neklerinin sa¤lad›¤› görülmüfltür.
Portland çimentosu yerine belirli oranlarda mi- neral katk› maddesi olarak kullan›lacak do¤al puzolanik maddelerin fiziksel ( özgül yüzey alan), kimyasal (SiO2+Al2O3ve reaktif SiO2içe- ri¤i) ve mineralojik özelliklerinin (cams› faz vb.) macun dolgunun dayan›m ve durayl›l›¤› üzerin- de önemli bir etkiye sahip olduklar› anlafl›lm›flt›r.
PÇ 42.5 yerine mineral katk› maddesi olarak be- lirli oranlarda k›smen puzolanik özelli¤e sahip do¤al puzolanlar›n (A a¤›rl›kça %10’a kadar; B a¤›rl›kça %20’ye kadar ve C a¤›rl›kça %30’a ka- dar) kullan›m›n›n macun dolgu durayl›l›¤›n› art- t›rd›¤›, ancak bu sonuçlar›n uzun dönemde (360 güne kadar) yap›lacak deneylerle desteklenme- si ve ekonomik aç›dan maliyet analizlerinin ya- p›lmas› gerekti¤i anlafl›lm›flt›r.
Sülfür içeri¤i yüksek at›klardan haz›rlanan ma-
cun dolgunun uzun dönemde sülfat ata¤a karfl›
durayl›l›¤›n› yitirmemesi, hem yeralt›nda olufla- bilecek göçükleri ve ifl gücü kay›plar›n› önleye- cek hem de çimento tüketimini azaltacak ve da- ha ekonomik bir dolgu uygulamas›n› mümkün k›lacakt›r. Bu çal›flma da, uzun dönemde ma- cun dolgunun durayl›l›¤›n› yitirmemesi için pu- zolanik özelli¤e sahip mineral katk› maddeleri kullan›m›n›n yararl› oldu¤unu ortaya koymufltur.
KATKI BEL‹RTME
Bu çal›flma, 2005.112.008.1 No’lu Karadeniz Teknik Üniversitesi Bilimsel Araflt›rma Projesi, 107M183 No’lu TÜB‹TAK Bilimsel Araflt›rma Projesi ve 2005.200.200.02 No’lu DPT Projesi taraf›ndan desteklenmifltir. Ayr›ca, yazarlar kat- k›lar›ndan dolay› Karadeniz Teknik Üniversitesi
‹nflaat Mühendisli¤i Bölümü Ö¤retim Üyesi fia- kir ERDO⁄DU’ya teflekkür ederler.
KAYNAKLAR
Alp, ‹., Deveci, H., Y›lmaz, E., Y›lmaz, A.O., and Kesimal, A., 2003. Investigation of the potential use of the quarry product from Taflhane-Terme as trass raw material in cement industry. Proceedings of the In- ternational Symposium on Industrial Mi- nerals and Building Stones, Istanbul, 553-559.
Archibald, J.F., Chew, J. L., and Lausch, P., 1999. Use of ground waste glass and normal Portland cement mixtures for improving slurry and paste backfill sup- port performance. CIM Bulletin, 92 (1030), 74-80.
ASTM C 39., 2002, Standard test method for compressive strength of cylindrical con- crete specimens, Annual Book of Ame- rican Standard of Testing Materials Standards, United States.
Bakharev, T., Sanjayan J.G., and Cheng, Y.B., 2002. Sulfate attack on alkali-activated slag concrete. Cement and Concrete Research, 32 (2), 211-216.
Belem, T., and Benzaazoua, M., 2007. Design and application of underground mine paste backfill technology. Geotechnical and Geological Engineering, DOI.
10.1007/s10706-007-9154-3.
Benzaazoua, M., Ouellet, J., Servant, S., New- man P., and Verburg, R., 1999. Cemen- titious backfill with high sulfur content:
physical, chemical, and mineralogical characterization. Cement and Concrete Research, 29 (5), 719-725.
Benzaazoua, M., Belem, T., and Bussiere, B., 2002. Chemical factors that influence the performance of mine sulphidic pas- te backfill. Cement and Concrete Rese- arch, 32 (7), 1133-1144.
Brackebusch, F.W., 1994. Basics of paste back- fill systems. Mining Engineering, 46 (10), 1175–1178.
Çavdar, A., and Yetgin, fi., 2007. Availability of tuffs from northeast of Turkey as natu- ral pozzolan on cement, some chemical and mechanical relationships. Cons- truction and Building Materials, 21(12), 2066-2071.
De Souza, E., Archibald, J.F., and Dirige, A. P.
E., 2003. Economics and perspectives of underground backfill practices in Ca- nadian mining. 105th Annual General Meeting of the Canadian Institute of Mi- ning, Metallurgy and Petroleum, 15 p.
Erç›kd›, B., Kesimal, A., Y›lmaz, E., and Deveci, H., 2003. Effect of desliming on the strength of paste backfill. Proceedings of the 10th Balkan Mineral Processing Congress, Mineral Processing in the 21stCentury, Varna, Bulgaria, 850-857.
Erdo¤an, T.Y., 2003. Beton. ODTÜ Yay›nc›l›k, Ankara.
Fall, M., and Samb, S.S., 2006. Influence of cu- ring temperature on strength, deforma- tion behaviour and pore structure of ce- mented paste backfill at early ages.
Construction and Building Materi- als,uildmat.2006.08.010.
Fall, M., and Benzaazoua, M., 2005. Modelling the effect of sulphate on strength deve- lopment of paste backfill and binder mixture optimization. Cement and Con- crete Research, 35 (2), 301-314.
Hassani, F. P., Ouellet, J., and Hossein, M., 2001. Strength development in under- ground high sulphate paste backfill ope- ration. CIM Bulletin, 94 (1050), 57-62.
Kesimal, A., Erç›kd›, B., and Y›lmaz, E., 2003.
The effect of desliming by sedimentati- on on paste backfill performance. Mine- rals Engineering, 16, 1009-1011.
Kesimal, A., Y›lmaz, E., and Erç›kd›, B., 2004.
Evaluation of paste backfill test results obtained from different size slumps with varying cement contents for sulphure rich mill tailings. Cement and Concrete Research, 34 (10), 1817-1822.
Kesimal, A., Y›lmaz, E., Erç›kd›, B., Deveci, H., and Alp, ‹., 2005. Effect of properties of tailings and binder on the short- and long–term strength and stability of ce- mented paste backfill. Materials Letters, 59 (28), 3703-3709.
Klein, K., and Simon, D., 2006. Effect of speci- men composition on the strength deve- lopment in cemented paste backfill. Ca- nadian Geotechnical Journal, 43, 310- 324.
Kosmatka, S.H., Panarese, W.C., and Gissing K.D., 1995. Design and control of con- crete mixtures. Sixth Edition Canadian Portland Cement Association.
Landriault, D.A., 1995. Paste backfill mix design for canadian underground hard rock mi- ning. 97th Annual General Meeting of the CIM Rock Mechanics and Strata Control Session, Halifax, Nova Scotia, 652 p.
Landriault, D., 2001. Backfill in underground mi- ning. In: Hustrulid, W.A. (ed.), Under- ground Mining Methods Engineering Fundamentals and International Case Studies, SME, USA, 608– 609.
Neville, A.M., 2000. Properties of concrete.
Prentice Hall, London, England.
Ouellet, S., 2006. Mineralogical characterizati- on, microstructural evolution and envi- ronmental behaviour of mine cemented paste backfills. PhD Thesis, Quebec University, Canada.
Papadakis, V. G., Antiohos, S., and Tsimas, S., 2002. Supplementary cementing mate- rials in concrete Part II: A fundamental estimation of the efficiency factor. Ce- ment and Concrete Research, 32, 1533-1538.
Petrolito, J., Anderson, R. M., and Pigdon, S.
P., 2005. A review of binder materials used in stabilized backfills. CIM Bulle- tin, 98 (1085), 1-7.
Santhanam, M., Cohen, M.D., and Olek, J., 2001. Sulfate attack research whither now?. Cement and Concrete Research, 31 (6), 845-851.
Sargeant, A., De Souza, E., and Archibald, J., 2007. The application of post-consumer glass as a cementing agent in mine backfill. Proceedings of the 9th Interna- tional Symposium on Mining with Back- fill, Montreal, Quebec, Canada, 84-97.
Taylor, H. F. W., 1990. Cement chemistry. 3rd edition, Academic Press, Harcourt Bra- ce Jovanovich, London, England.
TS 25, 1975. Tras. Türk Standartlar› Enstitüsü, Ankara.
TS, 2002. Çimento deney metotlar›. Türk Stan- dartlar› Enstitüsü, Ankara.
Türkmeno¤lu, A. G., and Tankut, A., 2002. Use of tuffs from central Turkey as admixtu- re in pozzolanic cements: assesment of their petrographical properties. Cement and Concrete Reserach, 32 (4), 629- 637.
Y›lmaz, E., Kesimal, A., ve Erç›kd›, B., 2003.
Macun dolgu dayan›m›n› ve durayl›l›¤›- n› etkileyen faktörler. Yerbilimleri, 28, 155-169.
Y›lmaz, E., Kesimal, A., ve Erç›kd›, B., 2004.
Asit üreten sülfidik maden at›klar›n›n macun dolgu olarak de¤erlendirilmesi.
‹stanbul Üniversitesi Yerbilimleri Dergi- si, 17 (1), 11-19.
Y›lmaz, E., El Aatar, O., Belem, T., Benzaazou- a, M., and Bussiere, B., 2006. Effect of consolidation on the performance of ce- mented paste backfill. Proceedings of the 21st Annual Underground Mine Support Conference, AMQ, Val d’Or, Quebec, Canada, 142-149.
