Geri Dön

Çimento üretiminde öğütme kolaylaştırmaya ve mukavemet arttırmaya yönelik kimyasalların üretilmesi ve etki mekanizmalarının araştırılması

Development of chemical additives for enhanced grinding efficiency and strength improvement in cement production and their effect mechanisms

  1. Tez No: 941145
  2. Yazar: EBRU DENGİZ ÖZCAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. HASAN ERGİN, PROF. DR. ŞENEL ÖZDAMAR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Maden Mühendisliği ve Madencilik, İnşaat Mühendisliği, Mining Engineering and Mining, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: Türkçe
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Maden Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 146

Özet

Çimento üretiminde öğütme süreci, toplam enerji tüketiminin en yüksek olduğu aşamalardan biridir ve hem operasyonel verimliliği hem de nihai ürün performansını doğrudan etkilemektedir. Son yıllarda, bu süreci optimize etmeye yönelik kimyasal katkıların kullanımı önemli bir strateji haline gelmiştir. Bu katkılar arasında yer alan süperakışkanlaştırıcılar, özellikle yeni nesil polimer bazlı hiperakışkanlaştırıcılar, yalnızca taze betonun işlenebilirliğini artırmakla kalmayıp, çimento öğütme verimliliği ve mukavemet gelişimi açısından da dikkat çekici faydalar sunmaktadır. Bu çalışmada, çimento öğütme prosesini kolaylaştırmak ve mekanik mukavemeti artırmak amacıyla özel olarak geliştirilmiş yeni nesil polimer bazlı kimyasal katkıların üretimi ve performansları araştırılmıştır. Çalışmanın temel amacı, bu katkıların geleneksel öğütme yardımcıları ile karşılaştırmalı olarak fiziksel, kimyasal ve mekanik etkilerini ortaya koymak ve etki mekanizmalarını değerlendirmektir. Bu kapsamda, hammadde karakterizasyonu, laboratuvar tipi değirmende öğütme deneyleri ve elde edilen çimento örneklerinin performans testleri gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada, CEM I 42.5 R tipi çimento üretiminde kullanılacak hammaddelerin kimyasal bileşimi ve fiziksel özellikleri belirlenmiştir. Daha sonra homojen şekilde karıştırılan hammaddeler, laboratuvar ölçekli bilyalı değirmende öğütülmüştür. Karşılaştırma amacıyla üç adet yaygın olarak kullanılan amin bazlı öğütme katkısı—trietanolamin (TEA), triizopropanolamin (TIPA) ve ticari bir ürün olan AMA/6E—seçilmiş; buna karşılık üç adet yeni sentezlenmiş polimer bazlı katkı maddesi (A1, A2 ve A3) ile ayrı reçeteler hazırlanmıştır. Her bir katkı maddesi ile hazırlanan karışımlar, aynı öğütme koşullarında teste tabi tutulmuş ve elde edilen çimento örnekleri, Blaine inceliği, priz süreleri, hidratasyon davranışları ve farklı kür sürelerindeki mekanik dayanım özellikleri açısından incelenmiştir. Elde edilen bulgular, A2 katkı maddesinin hem öğütme verimliliği hem de dayanım gelişimi açısından diğer katkılara kıyasla üstün performans gösterdiğini ortaya koymuştur. Özellikle, A2 katkısı referans çimentoya göre yaklaşık %10–15 oranında daha iyi öğütme performansı ve %7–10 oranında daha yüksek basınç dayanımı sağlamıştır. A2 katkısının optimum kullanım dozajını belirlemek amacıyla, 0,5–1–1,5–2–2,5–3 ve 4 gram olacak şekilde çeşitli oranlarda katkı ilave edilmiş ve bu örnekler üzerinde sistematik testler uygulanmıştır. Sonuç olarak, 2,5 gram A2 katkısının en verimli dozaj olduğu belirlenmiştir. A2 katkısının endüstriyel geçerliliği, Nuh Çimento Sanayi A.Ş. bünyesindeki Satış Sonrası Kalite İzleme (SSKİ) laboratuvarında gerçekleştirilen çalışmalarla desteklenmiş, ardından şirketin üretim değirmenlerinde tam ölçekli denemeler yapılmıştır. Bu denemeler, söz konusu katkının enerji tüketiminde azalma ve üretim kapasitesinde %10'luk bir artış sağladığını göstermiştir. Yeni nesil katkıların sentezinde kullanılan polimerizasyon süreçleri, KAR-KİM Yapı Kimyasalları A.Ş. laboratuvarlarında gerçekleştirilmiştir. Bu süreçte sıcaklık, reaksiyon süresi, karbon zinciri uzunluğu, molekül ağırlığı gibi çeşitli parametrelerin kombinasyonları kullanılarak yeni polimer yapılar elde edilmiştir. Bu bulgular, çimento öğütme sektöründe çok daha farklı ve yenilikçi ürünlerin geliştirilebileceğini göstermektedir. Bu çalışma ile ülkemizde halen ithal edilmekte olan öğütme kimyasallarına alternatif olarak yerli sentezli, yüksek performanslı katkı maddeleri üretilebileceği ortaya konmuştur. Böylece yapı kimyasalları sektöründe dışa bağımlılığın azaltılması, yerli üretimin teşvik edilmesi, nitelikli istihdamın artırılması ve ülke ekonomisine katkı sağlanması açısından önemli bir potansiyel gündeme getirilmiştir.

Özet (Çeviri)

Chemical admixtures represent a pivotal component in the domain of cement and concrete applications, offering methods for enhancing the performance of mortars, plasters, and grouts. In the preceding ten-year period, there have been significant advancements in the categories of materials utilised and the areas in which admixtures are employed. Concrete production has historically involved the intentional or unintentional addition of inorganic and organic materials. For instance, the utilisation of blood as an air-entraining agent, goat's milk and pork fat to enhance the workability of concrete, and urine to modify setting and hardening times occurred without a comprehensive understanding of chemistry. In cement production, mineral admixtures are distinguished from chemical admixtures and additions because they are typically solid and introduced during the manufacturing process. Examples include gypsum, which is used as a setting control agent; stearate, which functions as a grinding aid; and substantial quantities of materials such as granulated blast furnace slag, pulverised fly ash, and silica fume, which serve as primary ingredients in concrete and mortar production. Over the past three decades, interest in admixtures has grown, accompanied by improvements in concrete and concerns regarding its durability. At the same time, this development has fostered greater confidence in chemical admixture technology. This progression has resulted in the manufacture and utilisation of admixtures supported by a deeper understanding of the chemical reactions and interactions occurring within hydraulic cements. Furthermore, significant progress has been made in establishing standards concerning materials and quality control issues. Admixture usage has shown a consistent upward trend in most industrialised nations, including Australia, Japan, and the United States. In the United Kingdom, the proportion of concrete containing admixtures increased from 12 per cent in 1975 to 80 per cent in 2010. Alongside this, the importance of precast concrete has grown. With the increasing prevalence of admixed cement and the integration of chemical admixtures in concrete—driven by sustainability requirements—it has become necessary to modify the properties of both mineral and chemical admixtures. When examining the physical composition of chemical admixtures, it becomes evident that their chemistry cannot be separated from the hydration of Portland cement and the chemistry of other types of cement, including those based on calcium aluminate or calcium sulphoaluminate. Active admixtures react with dissolved components in cement, such as lime. Accelerators, retarders, and waterproofing agents are known to be surface-active chemicals. These chemicals interact with liquid-air and solid-liquid interfaces, resulting in adsorption. Examples include fluids, superfluids, polycarboxylate ethers (PCEs), and air entrainers. Superplasticisers, classified as new-generation chemical admixtures, are widely used both in the cement grinding process and in the production and casting of concrete. Another newly developed type of superplasticiser is polymer-based chemicals, known as hyperplasticisers. These chemicals have demonstrated superior performance compared to conventional plasticisers, offering 20–25% improvements in water reduction and strength enhancement. Fundamental studies on the behaviour of polymer-based chemical additives and their interactions with well-characterised cements have expanded our understanding of the next generation of chemicals and enabled the development of new, optimised products. Polymer admixtures consist of a main polymer backbone of carbon atoms, to which carboxylic acid and long-chain polyether side groups are attached. The polymer is primarily polyacrylic acid, with its carboxylic acid groups reacting with polyethylene oxide/polypropylene oxide molecules to form a comb-like structure. The polymer's molecular weight is determined by the length of the backbone, which is influenced by the polymerisation process. The ratio of carboxylic acid to ether groups is governed by the relative anionic/non-ionic ratio, and the thickness of the adsorbed layer is determined by the side chain length. Anionic carboxylic acid groups adsorb to cement particles, creating electrostatic repulsion, while non-ionic ether groups remain in solution. When two polymer-coated particle surfaces approach one another, the entropy reduction caused by the interaction of oscillating chains makes the process thermodynamically unfavourable, resulting in particle repulsion. Recent studies show that combining a shorter polymer backbone with longer and/or more ether side chains significantly improves processability in terms of both size and durability. This thesis investigates the production of new chemical admixtures. Firstly, the raw materials used in the cement production process were characterised. Next, the grinding methodology was established using a laboratory-scale mill for the cement grinding process. After preparing and homogenising raw materials for the production of CEM I 42.5 R cement, the grinding process began. To achieve optimal grinding, formulas were prepared using three types of conventional grinding aids (TEA, TIPA, AMA/6E) and three new-generation chemicals (A1, A2, A3). Their effectiveness was evaluated in the mill. The physical, chemical, and mechanical properties of the resulting cement samples were rigorously tested and compared with reference cement. Results showed that chemical A2 was more effective than the others. Different dosages of A2 (0.5–1–1.5–2–2.5–3–4 grams) were tested to determine the optimal usage rate. Further testing confirmed that 2.5 grams of A2 was the optimum amount. These new-generation grinding chemicals were developed through pre-polymerisation design and post-polymerisation formulation. Designed to enhance strength while ensuring consistent cement production, these polymer-based additives are compatible with high temperatures and reduce water usage. They outperformed traditional amine-based grinding aids in every measured aspect: fineness values decreased by 30–34%, Blaine values increased by 5%, water demand dropped by 3–5%, cement strength increased by 7–10%, and concrete strength improved by 10–12%. In addition, adhesion and buildup on mill walls and balls were visibly reduced. Industrial trials at Nuh Çimento San. ve Tic. A.Ş.'s mills showed a 10% increase in production capacity and lower energy costs, as verified by the company's SSKI (After Sales Quality Monitoring) Laboratory. These findings demonstrate that new-generation polymer-based chemicals are viable for use in cement grinding, not just in concrete production. Experiments at KAR-KİM Yapı Kimyasalları San. ve Tic. A.Ş.'s laboratories showed that a wide range of innovations in cement grinding is possible with different polymer types created via various polymerisation methods. These construction chemicals, now indispensable in the cement and concrete industries, are advancing rapidly thanks to developments in chemical technology. This transformation has the potential to strengthen the technological capacity of local manufacturers, reduce dependence on imported polymers, boost qualified employment, and significantly contribute to the national economy.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    899653

    MPEG-B-PCL diblok kopolimerlerinin çimento kimyasalı olarak kullanımının araştırılması

    Investigation of the use of mPEg-B-PCL diblock copolymers as cement chemical

    CEREN CAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    İnşaat MühendisliğiZonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi

    Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. HÜLYA ARSLAN

  2. Tez No

    494749

    Çimento teknolojisinde sürfaktanların kullanımı ile sürdürülebilir çimento üretimi

    Sustainable cement production with the use of surfactant in cement technology

    GÖKHAN KAPLAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    İnşaat MühendisliğiCelal Bayar Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ UĞUR ÖZTÜRK

  3. Tez No

    84222

    Yüksek fırın curuflarının çimento üretiminde kullanılmasında öğütme ile ilgili parametre etkilerinin belirlenmesi

    Determination of grinding related parameters of blast furnace slags used in cement production

    AYSUN GÜNLÜ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1999

    Maden Mühendisliği ve MadencilikHacettepe Üniversitesi

    Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUAMMER ÖNER

  4. Tez No

    68380

    Some properties of sement mortors containing blast furnace slag and silica fume

    Yüksek fırın cürufu ve silis dumanlı harç karışımlarının bazı özellikleri

    BURAK KIYICI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1997

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ASIM YEĞİNOBALI

  5. Tez No

    827028

    Effect of grinding chemicals and aids on the grinding efficiency and the performance of portland cement

    Öğütme kı̇myasalları ve kolaylaştırıcılarının portland çı̇mentosunun öğütme verı̇mlı̇lı̇ğı̇ ve performansı üzerı̇ne etkı̇sı̇

    ÖMER FARUK KALKAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    İnşaat MühendisliğiOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İSMAİL ÖZGÜR YAMAN

    DOÇ. DR. ÖZLEM AKALIN

Geri Dön