Characterization and utilization potential of class F fly ashes
F sınıfı uçucu küllerin karakterizasyonu ve kullanım potansiyeli
- Tez No: 338275
- Danışmanlar: PROF. DR. ÜMİT ATALAY
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Maden Mühendisliği ve Madencilik, Mining Engineering and Mining
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 145
Özet
Bu tez kapsamında, Çatalağzı ve Sugözü termik santrallerinden kaynaklanan F sınıfı iki uçucu külün (FA) karakterizasyonu yapılmış ve bunların üç farklı alandaki kullanım potansiyelleri incelenmiştir.Sinterlenmiş uçucu kül örneklerinin karakterizasyonu ve bunların seramik endüstrisindeki kullanım potansiyellerinin belirlenmesi bu tez kapsamındaki ilk çalışma alanıdır. Bu amaçla, ilk olarak F sınıfı uçucu kül numuneleri, hiçbir organik bağlayıcı veya inorganik katkı maddesi içermeksizin silindirik şekilde preslenmiş ve daha sonra sinterlenerek seramik formunda malzemeler elde edilmiştir. Sinterleme karakteristikleri, sinterleme sıcaklığı ve zamanına bağlı olarak incelenmiştir. Deneylerde preslenmiş silindirik numuneler öncelikle nem ve diğer gazların uzaklaştırılması amacıyla 300oC'de 1 saat boyunca ön ısıtma işlemine tabi tutulmuştur. Ön ısıtma sonrasında, sinterleme işlemi 1000oC, 1050oC, 1100oC ve 1150oC sıcaklıklar için 0,5, 1,0, 1,5 ve 2,0 saat sinterleme süreleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Deneyler boyunca ısıtma hızı 10oC/dak olarak sabit tutulmuştur. Sinterlenmiş numunelerin kalitesi, yoğunluk, su emme kapasitesi, porozite, büzülme ve dayanım gibi seramik ölçütlerine göre değerlendirilmiştir. Buna ek olarak, sinterleme sırasında oluşan mineralojik ve mikroyapısal değişimler, sırasıyla X-ışını difraktometresi (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) yardımıyla belirlenmiştir. Literatür verilerine göre, daha kompakt mikroyapı, en yüksek yoğunluk ve dayanım ile en düşük porozite, su emme ve büzülme değerleri ideal sinterleme koşullarını işaret etmektedir. Bahsi geçen bu kriterlere göre, Sugözü uçucu külü, Çatalağzı uçucu külüne oranla daha iyi sonuçlar vermiştir. Ayrıca her iki numune için de ideal koşullara, 1150oC sinterleme sıcaklığı ve 1,5 saat sinterleme süresi kullanılarak ulaşılmıştır.Bu çalışma kapsamında, uçucu kül (FA) örneklerinin puzolanik reaktiviteleri ve bunların inşaat mühendisliği uygulamalarındaki kullanım potansiyelleri de ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Bu amaçla, Çatalağzı (CFA) ve Sugözü (SFA) uçucu külleri, öncelikle çok ince boyuttaki taneciklerin kazanımı amacı ile CAER (University of Kentucky, Center for Applied Energy Research) tarafından geliştirilen özel bir hidrolik sınıflandırma işlemine tabi tutulmuştur. Ortalama parçacık boyutları 39 ?m ve 21 ?m olan CFA ve SFA numunelerinden, sırasıyla 5,2 ?m ve 4,4 ?m ortalama parçacık boyutuna sahip olan üst akım ürünleri elde edilmiştir. Hidrolik sınıflandırma aşamasından sonra elde edilen bu çok ince boyuttaki uçucu kül fraksiyonları (UFA) ile esas numunelerin puzolanik aktiviteleri, bir çok harç (Portland çimentosu (PC), kısmi çimento ikamesi olarak FA veya UFA, kum ve sudan meydana gelen karışım) ve macun (PC, kısmi çimento ikamesi olarak FA veya UFA ve sudan meydana gelen karışım) örnekleri hazırlanarak incelenmiştir. Harç deneyleri boyunca elde edilen sonuçların karşılaştırılması amacıyla, FA ve UFA içermeyen kontrol numuneleri hazırlanmış ve test edilmiştir. Harç deneylerinde, FA ve UFA numuneleri üç farklı PC değişim oranında (%10, %20 ve %30) kullanılmış ve bunların su ihtiyacı, basma dayanımı, büzülme ve genleşme gibi taze ve sertleşmiş harç özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu harç testleri, çok ince boyuttaki Çatalağzı (CUFA) ve Sugözü (SUFA) uçucu kül fraksiyonlarının, %30 PC değişimi için kontrol numunesine oranla, su ihtiyacında %10'dan fazla bir azalma sağladığını işaret etmiştir. CUFA ve SUFA içeren kübik harç numuneleri basma dayanımında, esas numuneler ve yalnızca PC içeren küplere oranla, 14 günden sonra daha yüksek bir artış hızı sergilemiştir. 112 günün sonunda ise, CUFA ve SUFA numunelerinin her ikisi de kontrol numunesine oranla, %20 ve üzeri PC değişim oranları için, basma dayanımında %40'dan daha fazla bir artış sağlamıştır. SUFA, su ihtiyacı ve basma dayanımının her ikisi için de, CUFA'ya oranla daha iyi sonuçlar vermiştir. FA ve UFA numuneleri ile hazırlanan harç çubuklar, çok düşük değerlerde büzülme ve genleşme göstermişlerdir. Bu değerler, genellikle 14 günden sonra, artan PC değişim oranları ile azalmaktadır. Macun deneylerinde, FA ve UFA numunelerinin puzolanik reaktivitelerinin belirlenmesi için, yalnızca %20 PC değişim oranı ile hazırlanan macun örneklerinin termogravimetrik analizleri (TGA) yapılmıştır. Bu deneylerde, uçucu küller ve yalnızca PC katkısı ile hazırlanan macun örneklerindeki Ca(OH)2 (portlandit) içeriğindeki fark, puzolanik reaktivitenin ölçüsü olarak kullanılmıştır. 112 günün sonunda, CUFA ve SUFA numuneleri içeren macun örneklerindeki Ca(OH)2 içeriği, yalnızca PC içeren örneğe oranla, sırasıyla %68,56 ve %62,68 olarak bulunmuştur. Bu değerler de esas numunelere oranla, sırasıyla %11 ve %13 daha fazla Ca(OH)2 tüketimine tekabül etmektedir. Uçucu küller ve yalnızca PC katkısı ile hazırlanan bu macun örneklerindeki portlandit içeriğindeki değişimin kıyaslanması amacıyla, aynı zamanda bu örneklerin X-ışını difraktometre analizleri (XRD) yapılmıştır. Bu XRD analizlerine göre, PC/UFA macun örneklerindeki portlandit içeriği yalnızca PC içerene oranla, 14 günden sonra önemli bir azalış göstermiştir. Tüm bu test ve analizlerden elde edilen sonuçlar, Çatalağzı ve Sugözü uçucu küllerinden, basit bir hidrolik sınıflandırma teknolojisi ile, sıradan uçucu kül puzolanlarından daha yüksek reaktivite ve yüzey alanına ve son derece küçük parçacık boyutuna sahip ucuz bir puzolanın elde edilebileceğini göstermiştir.Çatalağzı ve Sugözü uçucu küllerinden senosfer kazanım potansiyeli de bu tez kapsamında araştırılmıştır. Senosfer içeriğinin belirlenmesi, parçacıkların optik mikroskop altında nokta ve alan bazında sayımıyla gerçekleştirilmiştir. Noktasal baz verilerine göre, CFA ve SFA numuneleri sırasıyla %11,30 ve %4,50 senosfer içeriğine sahiptir. Uçucu küllerdeki senosfer içeriğinin değişimi, yüzdürme-batırma, eleme ve havalı sınıflandırma testleri kullanılarak incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, senosfer içeriğinin, parçacık boyutundaki küçülme ve yoğunluktaki artış ile orantılı olarak azaldığını göstermektedir. Yüzdürme-batırma testlerine göre, Çatalağzı uçucu külü aynı yoğunluk aralığında, Sugözü uçucu külüne oranla çok daha fazla yüzen malzeme ve daha fazla senosfer içermektedir. Havalı sınıflandırma test sonuçlarına dayanarak, her iki numune için de senosferlerin alt-akım ürününde konsantre olduğu ve senosfer içeriği, hava basıncındaki artış ve motor hızındaki azalma ile orantılı olarak artmıştır. Eleme, incelenen bu metotlar arasındaki en etkin senosfer kazanım tekniğidir. CFA ve SFA'nın senosfer içerikleri, yalnızca 38 ?m'lik bir elek kullanarak sırasıyla %21,65 ve %11,83'e yükselmiştir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, characterization of two class F fly ashes (FA) from Çatalağzı and Sugözü thermal power plants were carried out and their utilization potentials in three different fields were examined.Characterization of sintered samples and determination of their utilization potentials in ceramic industry is the first research area in this thesis. For this purpose, the class F fly ash samples were first pressed into cylindrical specimen without the addition of any organic binders or inorganic additives, and then sintered to form ceramic materials. Effects of sintering temperature and time on sintering characteristics were investigated. In the experiments, the cylindrical specimens were first preheated to 300oC for 1 h to remove moisture and any other gases. The specimens were then fired at the temperatures of 1000oC, 1050oC, 1100oC and 1150oC for the sintering times of 0.5, 1.0, 1.5 and 2.0 hours. Heating rate of 10oC/min was kept constant throughout the experiments. Quality of sintered samples was evaluated in terms of ceramic specifications such as density, water absorption, porosity, shrinkage and splitting tensile strength. In addition, mineralogical and microstructural changes during sintering were determined with X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) analyses. According to literature data, better microstructure, the highest density and strength with the lowest porosity, water absorption and shrinkage values are the indications of the optimum sintering conditions. Based on these specifications, Sugözü fly ash gave better results compared to Çatalağzı fly ash, and the optimum conditions were achieved at the sintering temperature of 1150oC for the sintering time of 1.5 hours for both samples.Pozzolanic reactivity of the fly ashes and their utilization potentials in civil engineering applications were also examined in detail during this study. For this purpose, Çatalağzı (CFA) and Sugözü (SFA) fly ashes were first subjected to a specific hydraulic classification process developed at CAER (University of Kentucky, Center for Applied Energy Research) to recover ultrafine fly ash particles. The overflow products with average particle sizes of 5.2 ?m for CFA and 4.4 ?m for SFA were separated from the respective as-received samples with average particle sizes of 39 ?m and 21 ?m. After the classification stage, the pozzolanic activities of these ultrafine fly ash fractions (UFA) and as-received samples were examined by preparing a number of mortar (mixture of Portland cement (PC), FA or UFA as partial cement replacement, sand and water) and paste (mixture of PC, FA or UFA as partial cement replacement and water) specimens. Control samples containing only PC were also prepared and tested through the experiments for the comparison of the results. In the mortar experiments, three different PC replacement ratios by FA and UFA (10%, 20% and 30%) were used to examine the effects of FA and UFA samples on the fresh and hardened mortar properties such as water requirement, compressive strength, drying shrinkage and water expansion. These mortar tests indicated that ultrafine fractions of Çatalağzı (CUFA) and Sugözü (SUFA) fly ashes provided more than 10% reduction in water demand compared to the control sample for 30% PC replacement. The mortar cubes containing CUFA and SUFA samples exhibited also higher strength development rates after 14 days compared to the ones with as-received samples and PC only. At the end of the curing age of 112 days, both CUFA and SUFA provided more than 40% increase in compressive strength compared to the control sample for the PC replacement ratios higher than 20%. As a comparison, SUFA gave better results than CUFA in both water demand and compressive strength tests. The mortar bars prepared with the both FA and UFA samples exhibited very low shrinkage and expansion values. These values decreased generally with increasing PC replacement ratio especially after 14 days. In the paste experiments, thermogravimetric analyses (TGA) of the paste specimens prepared by using only with 20% PC replacement were carried out to determine pozzolanic reactivity of the samples. The difference between the remaining Ca(OH)2 (portlandite) contents in the paste specimens containing the fly ashes and the reference PC paste was used as a measure of pozzolanic reactivity. After 112 days, 68.56% and 62.68% Ca(OH)2 content of PC only pastes were obtained with the pastes containing CUFA and SUFA samples, respectively, corresponding to 11% and 13% more Ca(OH)2 consumptions in reference to the respective as-received samples. X-ray diffraction (XRD) analyses were also performed for comparison of main portlandite peak intensities in the paste specimens containing FA or UFA with those in the PC only paste during cement hydration. According to these XRD analyses, portlandite content in PC/UFA pastes decreased significantly after 14 days compared to the PC only paste. All of these tests and analyses showed that a highly reactive lower cost pozzolan with very fine particle size and higher surface area compared to regular fly ash pozzolans can be produced from both Çatalağzı and Sugözü fly ashes using a relatively simple hydraulic classification technology.Cenosphere recovery potentials from Çatalağzı and Sugözü fly ashes were also studied in this thesis. Determination of cenosphere content was done under optical microscope by particle counting on the basis of point and area. Based on the point-counting data, CFA and SFA samples originally contain 11.30% and 4.50% cenospheres, respectively. Variations of cenosphere contents in the fly ash samples were examined by using float-sink, screening and air classification tests. The results pointed out that cenosphere contents decreased with decreasing size and increasing density for both samples. According to the float-sink tests, Çatalağzı fly ash has much more floating products and more cenospheres than Sugözü fly ash for the same density interval. Based on the air classification results, cenospheres were concentrated in the underflow products, and cenosphere contents increased with increasing air pressure and decreasing motor speed for both samples. The most efficient cenosphere separation technique among the examined methods was screening. Cenosphere contents of CFA and SFA increased to 21.65% and 11.83%, respectively by only using simple screening through 38 ?m.
Benzer Tezler
- Çeşitli adsorbanlar ile hümik bileşiklerinin adsorbsiyonu üzerine bir çalışma
Başlık çevirisi yok
SELMA KAYA
- Wind resource characterization and utilization via wind turbines at Metu-Ncc
Odtü Kuzey Kıbrıs Kampusu'ndaki rüzgar enerjisi nitelendirmesi ve rüzgar türbinleri aracılığıyla kullanımı
FAHAD HANEEF
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
EnerjiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiSürdürülebilir Çevre ve Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ONUR TAYLAN
- Development and characterization of transition metal phosphide materials for e lectrochemical capacitors and OER catalysis
Elektrokimyasal kapasitörler ve OER katalizi için geçiş metali fosfitlerinin geliştirilmesi ve karakterizasyonu
KADİR ÖZGÜN KÖSE
Doktora
İngilizce
2024
Metalurji MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET KADRİ AYDINOL
- Indium tin oxide (ITO) coating on cylindrical surfaces: electrical and structural characterization
Silindirik yüzeylere indiyum kalay oksit (ITO) kaplanması: Eelektriksel ve yapısal karakterizasyon
HALİL ARSLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. LÜTFİ ÖZYÜZER
YRD. DOÇ. GÜRCAN ARAL
- Menzil profili modunda çalışan radarla otomatik hedef sınıflama
automatic target classification with radars operating in range profilling
CENK GÖKBERK
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERCAN TOPUZ