Sulphate Performance of Different Types of Fly Ash Concrete
* Author to whom correspondence should be addressed.
Sigma Journal of Engineering and Natural Sciences 2014, Vol. 32, Issue 4, pp. 434-443; doi.org/10.62051/ytu.sigma-journal-of-engineering-and-natural-sciences-sulphate-performance-of-different-types-of-fly-ash-concrete
Abstract
Keywords: Fly ash; mechanical properties; strength; flexural strength; sulphate resistance.
1. Gi̇ri̇ş
Kömürle çalışan termik santrallerden yan ürün olarak uçucu küller ortaya çıkmaktadır. Bununla birlikte günümüzde gerek miktarları gerekse kullanım olanakları bakımından önemli yer tutan atık ürünlerin başında gelmektedirler [1-3]. *
Corresponding Author/Sorumlu Yazar: e-mail/e-ileti: vakyuncu@nku.edu.tr, tel: (282) 250 23 89
Kömürün içinde bulunan bazı inorganik maddeler yanma sırasında oluşan yüksek sıcaklıklarla ayrışmakta ve bacadan atılırken soğuyarak küresel tanecikler oluşturmaktadır. Uçucu kül adı verilen bu tanecikler elektrofiltrelerle ve siklonlarla yakalanmaktadır. Bununla birlikte doğrudan atmosfere karışmaları engellenmektedir. Böylece çevre ve hava kirliliği de mümkün olduğunca önlenmiş olmaktadır [4-8]. Uçucu küller TS EN 450’ye göre, pulverize kömürün yakılmasından elde edilen, puzolanik özelliklere sahip, önemli bir kısmı SiO2 ve Al2O3’den oluşan, reaktif SiO2 içeriği kütlece en az % 25 olan, küresel ve camsı taneciklerin ince tozudur. Ayrıca TS EN 450’ye göre uçucu küller, pulverize edilmiş antrasit, linyit veya bitümlü kömürün yakıldığı fırınların baca gazlarındaki toz benzeri taneciklerin elektrostatik veya mekanik çöktürülmesi ile elde edilir [911]. ASTM C 618 standardına göre, uçucu küller C ve F sınıflarına ayrılırlar. F sınıfı uçucu küller, bitümlü kömürden üretilen ve toplam SiO2+Al2O3+Fe2O3 yüzdesi % 70’den fazla olan uçucu küllerdir. CaO yüzdesi % 10’un altında olduğu için düşük kireçli uçucu kül olarak da adlandırılırlar. F sınıfı uçucu küllerin bağlayıcılık özellikleri yoktur, puzolanik özelliğe sahiptirler. C sınıfı uçucu küller, linyit veya yarı bitümlü kömürden üretilen ve toplam SiO2+Al2O3+Fe2O3 yüzdesi % 50’den fazla olan küllerdir. CaO yüzdesi % 10’dan büyük olduğu için yüksek kireçli uçucu kül olarak da adlandırılırlar. C sınıfı uçucu küllerin puzolanik özelliklerinin yanında bağlayıcılık özellikleri de söz konusu olmaktadır [12-13]. Sülfat, çimentonun bazı bileşenleri ile reaksiyona girerek betonun zamanla bozulmasına neden olan bir iyondur. Bu saldırı sülfat iyonlarının, sertleşmiş betondaki alüminli ve kalsiyumlu bileşenlerle kimyasal reaksiyona girmesi, etrenjit ve alçı taşı oluşturması ile gerçekleşir. Reaksiyon ürünleri betonda genleşme meydana getirerek çatlaklara ve dağılmalara yol açar, agrega-çimento aderansının etkilenmesiyle betonun dayanımı düşer. Sülfat saldırısına uğramış betonun karakteristik görünümü, özellikle köşe ve kenarlardan başlayarak tüm kütleye yayılan beyaz lekeler, çatlaklar ve dökülmelerdir. Betonun kolayca ufalanabildiği ve yumuşadığı görülür [14-15]. Bu çalışmayla farklı çimento dozajlarında, farklı çimento çıkarım oranlarına ve uçucu kül eklenme oranlarına göre F ve C tipi uçucu küllerin çimentoya ikame edilmesinin mekanik özeliklerinin değişimi, kontrol numuneleriyle aynı basınç dayanımını veren seriler için MgSO4 etkisine maruz bırakılması sonucunda dayanıklılık bakımından ne gibi değişikliklerin meydana geldiğinin araştırılması ve çıkan sonuçların karşılaştırması amaçlanmıştır.
2.1. Deneysel Çalışmada Kullanılan Malzemeler
Çalışmada agrega olarak doğal kum, kırma kum, kırmataş I ve kırmataş II kullanılmıştır. Doğal kum Kemerburgaz-Akpınar Köyü’nden, diğer agregalar ise İstanbul-Cebeci yöresi’nden temin edilmiştir. Agregaların birim ağırlıkları TS 3529’a, özgül ağırlıkları ise TS EN 1097-6’ya uygun olarak belirlenmiş, sonuçlar Çizelge 1’de gösterilmiştir. Deneylerde kullanılan agregaların, TS 3530 EN 933-1’e göre yapılmış elek analizi sonuçları Çizelge 2’de gösterilmiştir. Çizelge 1. Agregaların birim ağırlık ve özgül ağırlık değerleri Malzeme
Çizelge 2. Agregaların elek analizi sonuçları Elek Açıklığı (mm) Elekten Geçen Malzeme Yüzdesi (%)
31.5 Doğal Kum (% 25) Kırma Kum (% 19) Kırmataş I (% 29) Kırmataş II (% 27)
3.4. 0.5
Beton serilerinin tamamında, Akçansa Çimento Fabrikasından temin edilen CEM I 42.5 R çimentosu kullanılmıştır. Çimentonun ve uçucu küllerin kimyasal özelliklerini gösteren deneyler Akçansa Çimento Fabrikasında yaptırılmış olup, sonuçlar Çizelge 3’te verilmiştir. Çalışmada kullanılan uçucu küller, Çayırhan Termik Santralinden elde edilen C tipi uçucu kül ve Çatalağzı Termik Santralinden elde edilen F tipi uçucu küllerdir. Kullanılan Uçucu küller ASTM C 618’e göre incelendiğinde Çayırhan Termik Santrali C sınıfı puzolan ve Çatalağzı Termik Santrali F sınıfı puzolan olarak kabul edilmektedir. Uçucu küllerin kimyasal, fiziksel ve puzolanik özeliklerini gösteren deneyler Akçansa Çimento fabrikasında yapılmıştır. Bu deneylere ait veriler, Çizelge 3, 4 ve 5’de görülmektedir. Çizelge 3. CEM I 42.5 çimentosu ve uçucu küllerin kimyasal bileşimleri Uçucu kül Çayırhan Çatalağzı
Çizelge 4. Çatalağzı ve Çayırhan uçucu külünün fiziksel özelikleri Uçucu kül tipi Çatalağzı Çayırhan Özgül Ağırlık
Çizelge 5. Çatalağzı ve Çayırhan uçucu külünün puzolanik aktivitesi Gün 28
2.2. Eğilme Dayanımı Deneyi
Eğilme deneyi 7/7/28 cm boyutundaki prizma numunelerde yapılmış, eğilmede çekme dayanımı (fe, MPa) aşağıdaki bağıntı ile hesaplanmıştır. fe =1,5(P. L)/b3 Çizelge 6. C Tipi Uçucu Kül İkameli Betonların Kodlanması
Beton KODU Çi̇mento Eksi̇lti̇len Uçucu Eklenen
C260 (%0K0) 260 0 0 0 C234C39 (%10K1,5) 234 10 39 15 C234C52 (%10K2) 234 10 52 20 C234C65 (%10K2,5) 234 10 65 25 C216C44 (%17K1) 216 17 44 17 C216C66 (%17K1,5) 216 17 66 25.5 C21688 (%17K2) 216 17 88 34 C320 (%0K0) 320 0 0 0 C288C32 (%10K1) 288 10 32 10 C288C48 (%10K1,5) 288 10 48 15 C288C64 (%10K2) 288 10 64 20 C266C54 (%17K1) 266 17 54 17 C266C81 (%17K1,5) 266 17 81 25.5 C266C108 (%17K2) 266 17 108 34 C400 (%0K0) 400 0 0 0 C360C40 (%10K1) 360 10 40 10 C360C60 (%10K1,5) 360 10 60 15 C360C80 (%10K2) 360 10 80 20 C332C68 (%17K1) 332 17 68 17 C332C102(%17K1,5) 332 17 102 25.5 C332C136 (%17K2) 332 17 136 34 (C234C52) ; 260 dozajlı karışımdan % 10 oranında çimento çıkarılmış, yerine % 20 oranında C tipi uçucu kül eklenmiş demektir.
2.3. Basınç Dayanımı Deneyi
Küp numunelerde 28. ve 90. günlerde TS EN 12390-3’a uygun olarak basınç deneyi yapılmış, kırma yükü belirlenmiştir. Basınç dayanımı, kırma yükünün basınç yükünün uygulandığı kesit alanına oranlanması ile hesaplanmıştır.
2.4. Sülfat Etkisi Deneyi
Farklı bileşimlerdeki F ve C Tipi uçucu küllü betonlar ile uçucu külsüz kontrol betonların basınç dayanımlarının karşılaştırılması sonucu yaklaşık aynı basınç dayanımını veren seriler için deney numunelerinin sülfat dirençlerini belirlemek amacıyla 7/7/28 cm’lik prizma numuneler, sülfat etkisi deneyleri için % 15 MgSO4 çözeltisi içerisinde 1 yıl boyunca bekletilmiştir. Zamanla deney numunelerinin bünyesinde bulunan kirecin çözünmesi nedeniyle çözeltilerin pH değerleri yükselmiştir. Bu yüzden çözeltiler 30 günde bir yenilenmiştir. Her seri için 3 adet numuneye boy değişimlerinin ölçülmesi için 2 adet pim yerleştirilmiş, bu numuneler MgSO4 çözeltisine maruz bırakılmış, ayrıca karşılaştırma yapmak amacıyla 3 adet numune de 23±2 oC sıcaklıkta kirece doygun su içerisinde bekletilerek 1 yıl boyunca standart küre tabi tutulmuştur. Deney numuneleri üretim tarihinden itibaren 90. günde sülfat etkisine maruz bırakılmıştır. Numunelerin sülfat etkisine maruz bırakılmadan önce ölçülmüş ve ayda bir MgSO4 çözeltisi içerisinden çıkarılarak pimler arası boy değişimleri takip edilmiştir. Numuneler 1 yıl boyunca MgSO4 çözeltisi içerisinde bekletildikten sonra, boy değişimi ve eğilme dayanımı değişimleri belirlenmiş, bu değerler normal su içerisinde bekletilen numunelerden elde edilen değerlerle karşılaştırılmıştır. Bu karşılaştırma sonucunda farklı bileşimlerde üretilen deney numunelerinin sülfatlı ortamlara maruz bırakıldıklarında nasıl bir performans gösterdiği belirlenmiştir.
3.1. Basınç Dayanımı Sonuçlarının Değerlendirilmesi
Çizelge 7’de verilmiş olan basınç dayanımı deney sonuçlarından, 28 günlük F tipi ve C tipi uçucu kül ikameli serilerin beton basınç dayanımları kendi içlerinde karşılaştırıldığında 28 günlük C tipi uçucu kül ikameli olanlar kontrollere yakın veya üzerinde değerler verirken 28 günlük F tipi uçucu kül ikameli betonlar C tipi uçucu kül ikameli olanlarla karşılaştırıldığında daha düşük basınç dayanımı sonuçları vermiştir. 90 günlük beton basınç dayanımlarına bakıldığında hem F tipi uçucu kül ikameli hem de C tipi uçucu kül ikameli serilerin kontrol numuneleri yakalayıp geçtiği görülmüştür. Özellikle F tipi uçucu kül ikameli betonların 90 günlük basınç dayanımı performanslarının 28 günlük performanslarına oranla daha iyi sonuçlar verdiği görülmektedir. Ayrıca uçucu küllü betonların 28. günden 90. güne basınç dayanımı gelişim hızları kontrol betonunkinden daha yüksektir.
Çizelge 7. C ve F tipi uçucu kül ikamalei ve control betonların en yakın basınç dayanımını veren değerler Beton Kodu
3.2. Boy Değişimi Sonuçlarının Değerlendirilmesi
Şekil 1, 2 ve 3 incelendiğinde magnezyum sülfat çözeltisi içerisinde ve suda bekleyen karşılaştırma numunelerinin zamanla boy değişimi oranları gösterilmektedir. Boy değişim ölçümleri yapılmadan önce numuneler havuzlardan çıkartılarak kuru hale getirilmişlerdir. Şekil 1’de 260 dozajlı betonlar (F ve C Tipi uçucu kül ikameli ve kontrol numuneler) F ve C tipi ikameli olanlar 0.00028-0.00043 aralığında boy değişimi artışı olurken kontrol numunede 0.00066 oranında artış meydana gelmiştir. Kontrol numuneler kendi içinde karşılaştırılacak olursa 260 dozajlıda 0.00066 oranında, 320 dozajlıda 0.00092 oranında, 400 dozajlıda 0.0011 oranında artış meydana gelmiştir. Burada en fazla boy değişimi en yüksek dozajlıda meydana gelmiştir. 320 dozajlılara bakıldığında F ve C tipi ikameli betonlardan en düşük boy değişimi artışı 0,00048 ile C266F108 nolu F tipi ikameli seride meydana gelmiştir.
400 dozajlılara bakıldığında F ve C tipi ikameli betonlardan bütün serilerde en düşük boy değişimi artışı 0.00064 ile C332F136 nolu F tipi ikameli seride meydana gelmiştir. F Tipi uçucu külün hacmi C tipinden daha fazla olduğundan boşlukları daha iyi doldurmuştur. Bir puzolanın bağladığı Ca(OH)2 miktarı, puzolanın aktif fazlarının içerisindeki SiO2 miktarı ile ilişkilidir. Bir puzolandaki CaO/SiO2 oranı arttıkça C-S-H azaldığından dolayı bu oran C Tipi uçucu kül ikamelilerde 0.32 iken F tipi ikamelilerde 0.02 mertebesinde olduğundan F Tipi ikameli karışımlarda C-S-H oranı yüksek olduğundan sülfata karşı en iyi direnç gösteren kül olmuştur.
Şekil 1. Sülfat etkisi altında 260 dozajlı F ve C tipi boy değişimi – zaman grafiği [6]
Şekil 2. Sülfat etkisi altında 320 dozajlı F ve C tipi boy değişimi – zaman grafiği[6]
Şekil 3. Sülfat etkisi altında 400 dozajlı F ve C tipi boy değişimi – zaman grafiği[6]
Eği̇lme Dayanimlari
En yüksek eğilme dayanımı kaybı MgSO4 çözeltisinde bekleyen 260 dozajlı kontrol numunede meydana gelmiştir.400 dozajlı C332F136 kodlu F tipi uçucu kül ikameli beton, MgSO4 etkisi altında standart havuzda bekleyen karşılaştırma numunesine göre % 5 eğilme dayanımı kaybıyla tüm serilerin içinde MgSO4 etkisi altında en iyi sonucu vermiştir. 260, 320, 400 dozajlı kontrol numunelerde en büyük eğilme dayanımı kaybı meydana gelmiştir.% 17 çimento çıkarım oranına sahip karışımlar % 10 çimento çıkarım oranlılara göre daha az eğilme dayanımı kaybına uğramıştır. 260, 320, 400 dozajlı betonları % 10 çimento çıkarımlı serilerin hem F tipi hem de C tipi uçucu kül ikameli betonlarda benzer eğilme dayanımı kaybına uğramışlardır. Çimento dozajı arttıkça eğilme dayanım kaybı azalmıştır.
260 320 400 Standart Havuzda 360 günlük numune eğilme dayanımı (MPa) %15 lik MgSO4 360 günlük numune eğilme dayanımı (MPa) Şekil 4. Sülfat etkisi altında kalmış ve standart havuzda bekleyen numunelerin eğilme dayanımı değerleri [6]
1. MgSO4 çözeltisi içinde 12 ay boyunca bekleyen 260 dozajlı F ve C tipi uçucu kül
ikameli ve kontrol numunelerde sülfat etkisi direncinin 320 ve 400 dozajlılara göre daha az olduğu görülmüştür. Ancak aynı dozajda uçucu kül ikameli olanların kontrollere göre performansı daha iyi olmuştur. Özgül ağırlık farkından dolayı aynı ağırlıktaki F tipi uçucu kül, C tipine göre daha fazla hacimdedir. Bu nedenle incelikleri birbirine yakın olmasına rağmen F tipi uçucu kül daha fazla boşluk doldurabilmektedir. Bu da F tipi uçucu kül ikameli betonların boşluk miktarına bağlı olarak sülfat dayanıklılığı hususunda daha iyi sonuçlar vermesine neden olmuştur.
2. Kontrol numuneler kendi içinde karşılaştırılacak olursa 260 dozajlıda 0.00066, 320
dozajlıda 0.00092, 400 dozajlıda 0.0011 oranında boy artışı meydana gelmiştir. Burada en fazla boy değişimi en yüksek dozajlıda meydana gelmiştir. Ca(OH)2 miktarı yüksek dozajlı beton serilerde daha fazla olduğu için meydana gelen genleşme de o derece büyük olmuştur.
3. MgSO4 çözeltisi içinde 12 ay boyunca bekleyen 260, 320, 400 dozajlı kontrol
numunelerde en büyük eğilme dayanımı kaybı meydana gelmiştir. En yüksek eğilme dayanımı kaybı magnezyum sülfat etkisindeki 260 dozajlı kontrol numunede meydana gelmiştir. 400 dozajlı C332F136 kodlu F tipi uçucu kül ikameli beton, magnezyum sülfat etkisi altında standart
havuzda bekleyen karşılaştırma numunesine göre % 5 kayıpla tüm serilerin içinde sülfat etkisi altında en iyi sonucu vermiştir.
4. MgSO4 çözeltisi içinde 12 ay boyunca bekleyen % 17 çimento çıkarım oranına sahip
karışımlar % 10 çimento çıkarım oranlılara göre daha az eğilme dayanımı kaybına uğramıştır. 260, 320, 400 dozajlı betonları % 10 çimento çıkarımlı serilerin hem F tipi hem de C tipi uçucu kül ikameli betonlarda benzer eğilme dayanımı kaybına uğramışlardır. Çimento dozajı arttıkça eğilme dayanım kaybı azalmıştır.
5. Uçucu küllerin betonda kullanılması mekanik ve dayanıklılık özelikleri açısından
yararlı olmuştur. Özellikle F tipi uçucu külün C tipi uçucu küle oranla daha iyi sonuçlar verdiği görülmüş, bu konuda ileride farklı incelik veya puzolanik özeliklere sahip uçucu küller kullanılarak araştırmalar yapılmalıdır. REFERENCES / KAYNAKLAR [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15]
Anuk, O., Cem I 42.5 çimentolu düşük dozajlı betonlarda F tipi uçucu külün etkinliği, Yüksek Lisans Tezi, İ.T.Ü., 2004. Özturan, T., Yüksek mukavemetli beton üretiminde mineral katkı maddelerin etkinliği, 2. Ulusal Beton Kongresi, Ankara, Türkiye, pp. 280-291, 1991. Postacıoğlu, B., Bağlayıcı Maddeler Cilt-1, İ.T.Ü. İnşaat Fakültesi, İstanbul, 1986. ASTM C 618, “Specification for fly ash and raw or calcined natural puzzolan for use as a mineral admixture in portland cement concrete” 1991. Tokyay, M., Erdoğdu, K., Türker, P., Traslar ve Traslı Çimentolar, Türkiye Çimento Müstahsilleri Birligi, Ankara, 63 s, 2005. Akyuncu, V., F ve C tipi uçucu küllerin çimento ile ikame edilmesiyle üretilen betonların mekanik ve dayanıklılık özeliklerinin karşılaştırılarak incelenmesi, Doktora Tezi, Sakarya Üniversitesi, 2012. Baykal, G., Özturan T., Savaş M. ve Ramadan K., Uçucu Külün İnşaat Mühendisliğinde Bazı Kullanım Olanakları, Endüstriyel Atıkların İnşaat Sektöründe Kullanılması Sempozyumu, Ankara, ss. 89-99, 1993. Erdoğan, T., Atık Malzemelerin İnşaat Endüstrisinde Kullanımı Uçucu Kül ve Yüksek Fırın Cürufu, Endüstriyel Atıkların İnşaat Sektöründe Kullanılması Sempozyumu, Ankara, ss. 1-8, 1993. TS EN 450, Uçucu kül, betonda kullanılan tarifler, özellikler ve kalite kontrolü, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 1998. Karayiğit, A. ve Onacak, T., Çayırhan Termik Santrali Uçucu Küllerinden Zeolit Elde Edilmesi, Türkiye Bilimsel ve Teknik Araştırma Kurumu, YDAPÇAG-534 nolu proje, 188 s, 1999. Berry, E. E. and Malhotra, V. M., Fly Ash in Concrete, Energy, Mines and Resources Canada: CANMET, Ottawa, pp. 223-229, 1986. TS EN 197-1, Çimento-Bölüm 1: Genel Çimentolar-Bileşim, Özellikler ve Uygunluk Kriterleri, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2002. ASTM C 618, Specification for fly ash & raw or calcined natural pozzolan for use a mineral admixture in portland cement concrete, 1978. Baradan, B., Yazıcı, H., Ün, H., Betonarme yapılarda kalıcılık, Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Yayınları, 282 s., 2002. Neville, A.M., The confused world of sulfate attack on concrete, Cement and Concrete Research, Vol.34, pp.1275-1296, 2004.
Share and Cite
AKYÜNCÜ, V.; YILDIRIM, H. Sulphate Performance of Different Types of Fly Ash Concrete. Sigma Journal of Engineering and Natural Sciences 2014, Vol. 32, pp. 434-443. https://doi.org/10.62051/ytu.sigma-journal-of-engineering-and-natural-sciences-sulphate-performance-of-different-types-of-fly-ash-concrete