Properties of limestone-calcined clay incorporated cement-based materials (LC3)
Kalsine edilmiş kil ve kalker tozu içeren çimento esaslı bağlayıcı malzemelerin geliştirilmesi (LC3)
- Tez No: 818341
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÜNAL ANIL DOĞAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 141
Özet
İnşaat mühendisliği açısından malzeme biliminin gelişimi, modern dünyanın oluşumuna ve toplumların evrimine en çok katkı sağlayan faktörlerin başında gelmektedir. Tüm yapı malzemeleri arasında beton, çevremizdeki yapıların büyük bir kısmını şekillendirmektedir. Etkileyici mühendislik köprüleri ve barajlar, gökdelenler, kuleler, yollar ve otoyollar, havaalanları ve lüks konutlar genellikle beton malzemesi kullanılarak inşa edilmektedir. Bu nedenle bir toplumun gelişiminin büyük ölçüde çimento esaslı malzemelere bağlı olduğu söylenebilir. Portland Çimentosu (PÇ), en yaygın olarak üretilen çimento türüdür ve betondaki ana bileşendir. Ancak, PÇ üretimi ve diğer yapısal faaliyetler, özellikle dünya çapında hammadde tüketimi, karbondioksit (CO2) emisyonları ve enerji talebi konusunda sürdürülebilirlik üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Çimento üretimi sırasında klinker oluşumu, çimento endüstrisindeki CO2 emisyonlarına en büyük katkıyı sağlamaktadır. Bu nedenle, çimentodaki klinkerin veya betondaki çimentonun bir kısmının mineral katkılarla değiştirilmesi, emisyon azaltma ve sürdürülebilirliğe katkı sağlamak adına etkili bir stratejidir. Ayrıca mineral katkılarla üretilen çimentonun daha yüksek mekanik özelliklere sahip olması beklenmektedir. Zamanla; uçucu kül, silis dumanı ve cüruf gibi endüstriyel ürünler ilave çimentolu malzemeler olarak kullanılmıştır. Bununla birlikte, yüksek kaliteli yan ürünlerin sınırlı tedariki, bu malzemeler için pratik alternatiflerin aranmasına neden olmuştur. Diğer taraftan, kil bol miktarda yer kabuğunda bulunmakta ve kalsinasyon sonrasında pozolanik özellikler sağlamaktadır. PÇ'nin ana hammaddesi olan kireçtaşı da doğada yeterli miktarlarda bulunmaktadır. Kireçtaşı, PÇ üretimi sırasında yüksek sıcaklıklarda kalsine edilerek klinker parçaları oluşturur. Bu tez kapsamında, çimento bazlı harçların özelliklerini araştırmak amacıyla kireçtaşı ve kalsine kilin ilave çimentolu malzeme olarak kullanıldığı bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Kireçtaşı ve kalsin-kil çimentosu (LC3), çimento üretiminin çevresel etkisini azaltmayı ve betonun performansını korumayı veya geliştirmeyi amaçlayan yeni bir kompozit malzemedir. Bu çalışma, basınç dayanımı, eğilme dayanımı ve işlenebilirlik davranışı gibi faktörleri inceleyerek, LC3 inşaat sektöründe sürdürülebilir bir alternatif olarak potansiyel faydalarını ve sınırlamalarını ortaya koymayı hedeflemektedir. Bu çalışmanın amacı, kalsine edilmiş killer ile öğütülmüş ama kalsine edilmemiş kalkerin çimento esaslı harçlarda (çimento miktarını azaltmak amacıyla) kullanımını değerlendirmektir. Ayrıca; LC3 harçlarının eğilme ve basınç dayanımları, PÇ harçları ile karşılaştırarak LC3'ün performansa olan etkisi tartışılmaktadır. Bu amaçla, İstanbul'daki kil yataklarından farklı kil türleri hazırlanmış ve X-ışını kırınımı (XRD) analizi aracılığıyla birden çok kilin mineral bileşimleri araştırılmıştır. XRD sonuçlarına dayanarak; kaolinit, illit ve montmorillonit olmak üzere üç farklı kil seçilerek ilerleyen adımlarda birtakım işlemlere tabi tutulmuştur. Bu doğal killerden nemi ve suyu uzaklaştırmak için killer 150 santigrat derecede (oC) 12 saat boyunca ısıtılmıştır. Tamamen kurumalarının ardından öğütülmüş ve 90 mikrometrenin (µm) altında elekten geçirilmiştir.“Kalsine kil”terimi, yüksek sıcaklıklara (genellikle 600 ila 900 oC aralığında) maruz kalmış kil minerallerini ifade etmekte ve bu sürece kalsinasyon adı verilmektedir. Kalsinasyon, kilin üzerinde kimyasal olarak bağlı olan suyu ve diğer uçucu bileşenleri uzaklaştırmak için kilin ısıtılmasıyla gerçekleşmekte, bu da kilin yapısının ve özelliklerinin değişmesine neden olmaktadır. Kalsinasyon sırasında, kil mineralleri bazı değişimlere uğramaktadır. Suyun uzaklaştırılması, kilin plastisitesinde ve büzülmesinde önemli ölçüde azalmaya neden olan fiziksel ve kimyasal dönüşümlere sebep olmaktadır. Bu süreç aynı zamanda kilde pozzolanik özelliklerin gelişmesine yol açmakta, bu da çimento hidrasyonunun bir yan ürünü olan kalsiyum hidroksit ile reaktivitesini artırmaktadır. Bu tez kapsamında üç kil türü (kaolinit, illit ve montmorillonit) üç farklı sıcaklıkta (600, 700 ve 800 oC) kalsine edilerek yapısal düzensizlikleri oluşturularak puzolanik özellikler elde edilmiştir. Başka bir deyişle, kildeki hidroksil gruplarının dehidrasyon ve dehidroksilasyon süreçleriyle yüksek sıcaklıklarda ortadan kaldırılması amaçlanmıştır. Her bir sıcaklık için üç farklı ısıtma süresi uygulanmış ve her kil, sırasıyla 1, 1.5 ve 2 saat boyunca fırında ısıtılmıştır. Bu şekilde en iyi kalsinasyon süreci gözlemlenmeye çalışılarak, mükemmel pozzolanik özelliklerin elde edildiği en iyi kalsinasyon sıcaklığı ve süresi belirlenmeye çalışılmıştır. Çok yüksek sıcaklıklar rekristalizasyon nedeniyle kil yüzey alanının azalmasına yol açmakta; ancak çok düşük sıcaklıklarda da kil pozzolanik özellikler sergilememektedir. Belirli sıcaklık ve sürelerde kilin kalsinasyonunun, hidroksil gruplarını kristal yapısından uzaklaştırdığı ve kireçtaşı ve PÇ ile birleştirildiğinde daha reaktif hale geldiği gözlemlenmiştir. Ayrıca, yüksek saflıkta ve yüksek kaolinit içeriğine sahip kil türlerinin, yüksek sıcaklıklarda bile kalsinasyon sonrası renginin değişmediği ve beyaz rengini korumaya eğilimli olduğu görülmüştür. Bununla birlikte, özellikle demir (Fe) içeriği yüksek olan düşük kalitede kalsineli kaolinit kil türleri, fırının oksijen açısından zengin ortamını gösteren kızıl bir renge bürünmüştür. Bu işlemde kalsine kil, kalsine edilmemiş öğütülmüş kireçtaşıyla 2:1 oranında karıştırılmış ve PÇ içeriği bu karışımla değiştirilmiştir. Her kalsine kil için maksimum ikame seviyesinin düzeyini belirlemek ve her düzeyinin uygulama alanlarını araştırmak amacıyla her birinden iki farklı karışım hazırlanmıştır. İlk karışım, %30 kalsine kil, %15 kireçtaşı ve %55 PÇ içermekte olup ikinci karışım %40 kalsine kil, %20 kireçtaşı ve %40 PÇ içermektedir. Böylece, çimentonun %45 veya %60'ı kalsine kil ve öğütülmüş kireçtaşı karışımı ile değiştirilmiştir. Ayrıca referans karışım olarak çimento, su ve kum kütlelerini gösteren 1:0.5:3 oranında EN 196-1 standartlarına uygun PÇ harçları hazırlanmıştır. İllit ve montmorillonit ile karşılaştırıldığında, kaolinit kil türlerinin, ısıl işlemle kristal yapıları bozulduğunda en yüksek puzolanik reaktivite potansiyeline sahip olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, bu çalışmada kullanılan diğer kil türleri ile karşılaştırıldığında, kaolinit kil türleri, oldukça etkili ilave çimento katkıları üretmek için kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Gözlemler, LC3 harçlarının işlenebilirliklerinin PÇ harçlarına göre daha düşük olduğunu ortaya koymuştur. LC3 harçlarının daha düşük işlenebilirliği, malzemelerin kompozisyonu ve özellikleri ile ilgili birkaç faktöre bağlanabilir. Örneğin, LC3 malzemelerinde yaygın olarak kullanılan kaolinit, tipik olarak klinker olan PÇ'nin ana bileşeninden yüzey alanı ve su talebi açısından daha yüksek bir özelliğe sahiptir. Sonuç olarak, kaolinit kil içeren LC3 harçları, aynı işlenebilirlik seviyesini elde etmek için PÇ harçlarına göre daha fazla su gerektirebilmektedir. Bu artan su talebi, harç karışımının genel akışkanlığını ve bütünlüğünü etkileyebilmektedir. LC3 harçlarının işlenebilirliğini artırmak için çeşitli stratejiler uygulanabilmektedir. Bunlar arasında su-bağlayıcı oranını optimize etmek ve akışkanlığı artırmak için süperplastikleştiriciler veya diğer kimyasal katkı maddelerinin kullanılması bulunmaktadır. Bu nedenle, her LC3 harcına belirli bir miktarda su indirgeyici katkı maddesi (WRA) eklenmiştir. Bu çalışma, kaolinit kil içeren LC3 harçlarının işlenebilirliğini artırmak için, illit ve montmorillonit kil içeren harçlara göre daha yüksek oranda su indirgeyici katkı maddesine (WRA) ihtiyaç duyulduğunu ortaya koymuştur. Ayrıca, özellikle montmorillonit kil mineralleri içeren harçlar için su indirgeyici katkı maddesi (WRA) gereksinimi yüksek sıcaklıklarda ve uzun sürelerde önemli ölçüde azalmıştır. Bunlara ek olarak, tüm kil türleri için sıcaklığın artması, işlenebilirliğin artmasına yol açmıştır. Son olarak, her karışım 2, 28 ve 90 gün sonra sırasıyla eğilme ve basınç dayanımları açısından, kontrol numunesi olan PÇ karışımı ile karşılaştırılmıştır. %30 kaolinit kil içeren LC3 harçlarının erken dayanımları, 28 günlük iyileşme sürecinden sonra OPC harçlarının eğilme ve basınç dayanımlarının sırasıyla %85 ve %60'ına kadar ulaşmıştır. Ayrıca, kaolinit kilinin, illit ve montmorillonit kil türleri arasında mineral katkılar olarak kullanılma potansiyeli açısından en yüksek potansiyele sahip olduğu sonucuna varılmış ve %30 kalsine kilin %40'a göre daha uygun bir ikame seviyesi olduğu sonucuna varılmıştır. Sonuç olarak, etkinlik değerlendirmesi, en iyi kalsinasyon işlemi, en iyi ikame seviyesi ve en verimli kil türleri, deneylerden elde edilen sonuçlar ile belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
From a civil engineering perspective, the development of materials has contributed the most to the formation of our modern world and the evolution of societies. Among all the building materials, concrete has shaped most of our surrounding environment. Therefore, developing a society is largely dependent on cement-based materials. These materials are readily available, low-cost, and enable complex and massive shapes to be built almost anywhere. Ordinary Portland Cement (OPC) is the most commonly manufactured type of cement and the key ingredient in concrete. However, OPC production and other construction-related activities have a significant impact on sustainability, especially when it comes to raw material consumption, worldwide carbon dioxide (CO2) emissions, and energy demand. Clinker formation during cement production has the largest contribution to CO2 emissions in the cement industry. Therefore, replacing part of the clinker in cement or part of the cement in concrete with supplementary cementitious materials (SCMs) is an effective strategy for emission mitigation and sustainable development. Moreover, SCMs are also expected to enhance mechanical properties. Over time, industrial byproducts such as fly ash, silica fume, and slag have been used as SCMs. However, limited supplies of high-quality by-products have prompted a search for practical alternatives to these materials. Clays, on the other hand, are abundant throughout the Earth's crust and, after calcination, provide pozollanic properties. Limestone, the primary source of OPC, is also globally available in sufficient quantities. Limestone is calcined at high temperatures to form clinker particles during the production of OPC. This study focuses on investigating the properties of cement-based mortars that incorporate limestone and calcined clay as SCMs. Limestone calcined-clay cement (LC3) is a novel composite material that aims to reduce the environmental impact of cement production while maintaining or improving performance. By examining factors such as compressive strength, flexural strength, and workability behavior, this study aims to provide valuable insights into the potential benefits and limitations of LC3 as a sustainable alternative in the construction industry. During this research, it is intended to reduce the amount of energy-intensive clinker used in traditional OPC. Moreover, by producing LC3 mortars and then comparing their flexural and compressive strengths with mortars of OPC, the efficiency analysis of LC3 is established. For this purpose, different clays are prepared from clay deposits in Istanbul, Turkey, and the mineral compositions of multiple clays are investigated throughout the x-ray diffraction (XRD) analysis. Afterwards, three different clays, namely kaolinite, illite, and montmorillonite, are picked based on the XRD results for further processing. To remove humidity and water from these natural clays, they were heated at 150 degrees Celsius (oC) for 12 hours. After they became completely dried, they were ground and sieved below 90 micrometers (µm). Calcined clay refers to clay minerals that have been subjected to high temperatures, typically in the range of 600 to 900 oC, in a process known as calcination. Calcination involves heating the clay to remove any chemically bound water and other volatile compounds, resulting in a transformation of the clay's structure and properties. During calcination, the clay minerals undergo several changes. The removal of water causes physical and chemical transformations, resulting in a significant reduction in the clay's plasticity and shrinkage. The process also leads to the development of pozzolanic properties in the clay, enhancing its reactivity with calcium hydroxide, a byproduct of cement hydration. Therefore, each of these three clays is heated at three different temperatures (i.e., 600, 700, and 800 oC) in order to achieve pozollanic properties by creating structural disorder. In other words, the hydroxyl groups in the clays are supposed to be eliminated by dehydration and dehydroxylation processes at high temperatures. For each temperature, three different durations of heat are applied, and each clay is heated in the oven for 1, 1.5, and 2 hours, respectively. It is mainly to observe the best calcination process and point out the best calcination temperature and period during which perfect pozollanic properties are obtained. To clarify, too high temperatures can lead to a reduction in the surface area of the clays due to recrystallization; however, clays do not exhibit pozollanic properties at very low temperatures either. It was observed that calcination of the clay at specific temperatures and durations removes the hydroxyl groups from its crystal structure, making it more reactive when combined with limestone and OPC in mortars. Furthermore, it is concluded that high-purity clays with high kaolinite content do not change color after being heated and tend to keep their whitish color even after being calcined at very high temperatures. However, low-grade cacined kaolinite clays with high impurities, especially those rich in iron (Fe) content, exhibited a reddish color, which indicates the oxygen-rich atmosphere of the oven. Afterward, the calcined clays were blended with non-calcined limestone powder at a ratio of 2:1 by mass, effectively replacing the content of OPC with this combined mixture. Two different mixes were prepared from each calcined clay in order to determine the maximum replacement level and investigate the application areas of each substitution level. The first mix included 30% calcined clay, 15% limestone, and 55% OPC, and the second mix included 40% calcined clay, 20% limestone, and 40% OPC. Additionally, as the reference mix, mortars of OPC were prepared with a ratio of 1:0.5:3, indicating the mass of cement, water, and sand, respectively, which does comply with EN 196-1 standards. Observations revealed that the workability of the LC3 mortars is lower compared to the OPC mortars. The lower workability of LC3 mortars can be attributed to several factors related to the composition and properties of the materials involved. For example, kaolinite, which is a commonly used clay mineral in LC3 formulations, has a higher surface area and greater water demand compared to the main component of OPC, which is typically clinker. As a result, LC3 mortars with kaolinite clay may require more water to achieve the same level of workability as OPC mortars. This increased water demand can affect the overall fluidity and cohesiveness of the mortar mixture. To improve the workability of LC3 mortars, various strategies can be employed. These include optimizing the water-to-binder ratio and using superplasticizers or other chemical admixtures to enhance flowability. Therefore, a specific amount of water-reducing admixture (WRA) was added to each LC3 mortar in order to release the trapped water and keep the workability in an appropriate range. The study revealed that in order to enhance the workability of LC3 mortars containing kaolinite clays, a higher content of water-reducing admixture (WRA) is necessary compared to mortars with illite and montmorillonite clays. Additionally, the requirement for WRA significantly decreased at higher temperatures and longer durations, particularly for mortars containing montmorillonite clay minerals. Furthermore, increasing the temperature led to improved workability for all types of clays examined. Lastly, each mix was tested and compared to the OPC control mixture in terms of flexural and compressive strengths after 2, 28, and 90 days, respectively. Although the 2 days early strengths of LC3 mortars with 30% kaolinitic clay reached up to 85% and 60% of those of OPC mortars in the flexural and compressive strengths, respectively, after 28 days of curing, they achieved comparable strengths to OPC. Moreover, it was concluded that kaolinitic clays have the highest potential to be used as SCMs compared to illite and montmorrilinite, and 30% calcined clay is a far more reasonable and feasible substitution than 40%. Overall, the efficiency assessment, the best calcination process, the best replacement level, and the most efficient clays were determined based on the results and data obtained from the experiments.
Benzer Tezler
- Farklı tür kil kaynaklarının kireçtaşı kalsine kil çimentolu (LC3) harçların taze ve mekanik özelliklerine etkileri
The effects of different types of clay sources on the fresh and mechanical properties of limestone calcined clay cement (LC3) mortars
İMİRZA OKAY ALTUNTAŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat MühendisliğiKonya Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. OĞUZHAN ÖZTÜRK
- A comparative study of limestone calcined clay cement produced with different clay and cement types
Farklı kil ve çimento türleri ile üretilen kireçtaşı kalsine kil çimentosunun karşılaştırmalı incelemesi
MUHAMMET ATASEVER
Doktora
İngilizce
2023
İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SİNAN TURHAN ERDOĞAN
- Barit ve atık kauçuk agregalı kireçtaşı-kalsine kil-çimentolu (LC3) malzemenin ses iletim kaybı üzerine bir araştırma
A research on sound transmission loss of limestone-calcined clay-cement (LC3) materials with barite and waste rubber aggregates
BEGÜM SÖYEK ABAY
- Kireçtaşı kalsine kil çimentosu (LC³) performansı: Kalsinasyon sıcaklığı ve süresinin etkisi
Limestone calcined clay cement (LC³) performance: Effect of calcination temperature and duration
SERKAN BİÇİCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat MühendisliğiKocaeli Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SALİH TANER YILDIRIM
- Kalsine kil ve kireçtaşı ikameli çimentonun bağlayıcı olarak harç üretiminde kullanımı
The use of calcined clay and limestone replaced cement as binder in mortar production
ÖMER FARUK BEHÇET
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
İnşaat MühendisliğiKocaeli Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SALİH TANER YILDIRIM