UÇUCU KÜL VE BAZALTİK POMZA KATKILI TUĞLALARIN MÜHENDİSLİK ÖZELLİKLERİ

Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi 30.Yıl Sempozyumu, 16–17 Ekim 2008, ADANA

1

UÇUCU KÜL VE BAZALTİK POMZA KATKILI TUĞLALARIN

MÜHENDİSLİK ÖZELLİKLERİ

H.Binici1, H.Temiz2, O. Aksoğan3, A.Ulusoy4A. Akçakale5

Tel:0344 2191278, Fax:03442191052, E-posta1:[email protected],E-posta2:[email protected],E-posta3:[email protected], [email protected]: E-posta 5: [email protected] 1,2,4,5 Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Avşar Yerleşkesi, Kahramanmaraş, 3Çukurova Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, Balcalı, Adana.

ÖZET Termik santrallerin yan ürünü olan ve

aynı zamanda çevresel kirlilik oluşturan uçucu külün, yüksek dayanımlı tuğla üretiminde kullanılması bu çalışmanın temel amacıdır. Uçucu kül ile birlikte, yüksek oranda silisyum içeren ve ülkede çok miktarda bulunan pomzaların da tuğla üretiminde katkı maddesi olarak değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Katkısız ve eşit %2,5, 5 ve 10 uçucu kül ile pomza katkılı tuğla üretilmiştir. Her numune 700, 900 ve 1050 °C ‘de 8 saat pişirilmiştir. Uçucu kül, bazaltik pomza ve kilin kimyasal içerikleri ve üretilen tuğlaların mekanik özellikleri belirlenmiştir. %20 uçucu kül katkılı örnekler hariç diğerlerinin basınç dayanımları standarda uygundur.

Anahtar Kelimeler: Uçucu Kül, Pomza, Kil,

Tuğla, Basınç Dayanımı

ABSTRACT

Main objective of this study is to use side product of thermal power plant, which also causes environmental pollution, in the production of high strength clay bricks. Beside fly ash, basaltic pumice, this includes high amount of silica and are readily available in our country, used as an additive material in the production of clay bricks. It was produced samples by using clays adding of equal amount fly ash and pumice, in rates of wt 2, 5, 5 and 10 %. Every each samples were fired at 700, 900 and 1050 °C for 8 h. The chemnical content of fly ash, pumice, clay and mechanical properties of fired brick speciemens were determined. In all

series of specimens, except %20 fly ash content, have been found to fulfill the compressive strength requirementsof the Turkish Standards. Keywords: Fly ash, Pumice, Clay, Brick,

Compreccive strength

1.GİRİŞ Tuğlalar üretim aşamalarındaki farklı hammadde ve karışım oranı, farklı pişirme sıcaklığı ve farklı tip fırınlama teknikleri sebebiyle çok değişik dayanım gösteririler (Özçelik, 1975). Tuğla üretimi genel olarak hammaddenin hazırlanması, şekillendirme, kurutma ve pişirme aşamalarından oluşmaktadır. Hammaddenin hazırlanması aşamasında, tuğla üretiminde kullanılan killerin gerek boyut gerekse bileşim olarak uygun özelliklere sahip olması gerekir. Yani, hammaddenin işlenebilirlik özelliği kazanabilmesi, homojen bir malzeme olması, plastiklik ve kohezyon özelliklerinin gerçekleşebilmesi için istenilen tane çapına kadar öğütülmesi gerekir (Şişman ve ark, 2003).

Pişirme sırasında kil kimyasal reaksiyonlara maruz kalır. 300°C civarında organik maddeler tamamen yanar, 550°C da molekül suyu bileşimi terk ederek, karışım silis ve alümin haline ayrışır ve 550–900°C arasında silis ve alümin tekrar birleşerek metakaolin silikatı (Al

2O

3.2SiO

2) oluşur. Bu yeni malzeme

artık sert, şeklini değiştirmeyen, belirli bir dayanımı ve rengi olan tuğladır. Pişirme sıcaklığının artması tuğlanın mekanik dayanımını arttırmakta, su emmesini azaltmakta ve birim ağırlığını arttırmaktadır. Ancak çok yüksek pişirme sıcaklığı tuğlanın camlaşmasına ve harca yapışma özelliğinin azalmasına neden olmaktadır. Bu nedenle pişirme sıcaklığının 900–980°C arasında olması istenir (Ekmekyapar ve Örüng, 1993).


2

Uçucu kül, kil ile karıştırıldığında kilin porozitesini artırıp yoğunluğunu ve karışım suyunu azaltır ve pişme sırasında ısı tüketimini azalttığından tuğla üretiminde kullanılabilir (Güzel, 2003). Uçucu külün başka bir kullanım alanı ise tuğla üretimidir (Erdoğan T.Y,1993, Tokyay M, Erdoğdu K,1998). Uçucu külün belirli oranlarda çeşitli malzemelerle birlikte tuğla üretiminde kullanılabileceği yapılan çalışmalarla belirlenmiştir (Baradan B, 1987, Öztürk A.Ç, 2001). Başka bir çalışmada uçucu kül, tüf ve kireç birlikte kullanılmış ve başarılı sonuçlar elde edilmiştir (Kocaçıtak S, 1997 ). Bu çalışmada 2,5 x 2,5 x 11,5 cm standart boyutlarda ve laboratuar koşullarında katkısız ve eşit %2,5, 5 ve 10 uçucu kül ile pomza katkılı tuğla üretilmiştir. Her numune 700, 900 ve 1050 °C ‘de 8 saat pişirilmiş ve üretilen tuğlaların fiziksel ve mekanik özellikleri belirlenmiştir.

2. MATERYAL VE METOD

2.1 Materyal Bölgeden temin edilen kırmızı ve gri kil, pomza ve uçucu külün kimyasal özellikleri Tablo 1’de ve fiziksel özellikleri Tablo 2’de verilmiştir.

Tablo 1. Kil, pomza ve uçucu külün kimyasal özellikleri Bileşenler (%)

Kırmızı kil

Gri kil

Pomza Uçucu kül

SiO2 61.60 42.59 46.19 23.21 Al2O3 17.93 11.92 17.26 12.88 Fe2O3 8.24 6.97 11.27 13.06 CaO 1.61 13.97 8.98 22.55 MgO 1.34 6.28 5.27 3.42 SO3 - - 0.05 12.16 Na2O 0.63 1.33 4.06 0.60 K2O 1.56 1.39 2.82 2.02 P2O5 0.08 0.14 0.81 0.56 TiO2 0.99 0.71 3.03 0.41 Kızdırma Kaybı - 5.61 14.42 9.10

Tablo 2. Kil, pomza ve uçucu külün fiziksel özellikleri

Özellik Kil Pomza Uçucu kül

Özgül Ağırlık 2.27 2.75 3.16

Su Emme Kapasitesi (%) 36 3.2 1.33

Boşluk Oranı (%) 35 50.3 -

Pomza agrega boyutunda alınmış ve öğütme sisteminden geçirildikten sonra kullanılmıştır. Kil ve pomzanın tane dağılımı standart eleklerde yapılmış ve Tablo 3’te verilmiştir. Kullanılan uçucu külün tane dağılımı lazer ile yapılmış ve Tablo 4’te verilmiştir. Tane dağılımından kullanılan malzemelerin yeterince öğütüldüğü anlaşılmaktadır.

Tablo 3. Kırmızı kilin tane dağılımı değerleri Gri kil Kırmızı kil Pomza Elek çapı

(mm)

% Geçen

Elek çapı

(mm)

% Geçe

n

Elek çapı

(mm)

% Geçen

0.01 9.78 0.01 8.11 0.01 10.23 0.1 21.92 0.1 32.45 0.1 36.54 0.50 27.80 0.50 43.06 0.50 45.33 0.75 42.53 0.75 64.07 0.75 72.13 1 54.52 1 74.69 1 76.36 2 64.26 2 80.69 2 85.13 2.4 78.93 2.4 87.82 2.4 90.63 2.6 84.39 2.6 90.34 2.6 94.34 2.8 93.03 2.8 94.28 2.8 97.23 5 97.29 5 97.70 5 99.31 10 100 10 100 10 100 Tablo 4. Uçucu külün tane dağılımı değerleri Elek çapı ( )

% Geçen

Elek çapı ( )

% Geçen

Elek çapı ( )

% Geçen

1 1.78 25 34.99 90 81.96 2 3.79 30 39.93 120 91.73 3 6.31 35 44.59 175 97.76 5 10.52 45 53.12 200 98.70 10 18.24 50 57.08 250 99.63 15 24.31 60 64.46 320 100 20 29.80 80 77.01 350 100

2.2 Metot Tuğla üretim süreci, hammaddelerin ön öğütme ile homojenizasyonu, hammaddelerin ikinci öğütme ile homojenizasyonu, hammaddelerin eleme ile homojenizasyonu, tuğla hamurunun hazırlanması ve dinlendirilmesi, tuğlaların kalıplanması, birinci ön kurutma işlemi, etüvde ön kurutma işlemi ve pişirme işlemlerinden oluşmaktadır. 2.2.1 Hammadde Hazırlama Çalışmada, Kahramanmaraş’ın Menzelet Barajı çevresi gri kili, Türkoğlu İlçesi kırmızı kili ile Osmaniye’nin Toprakkale İlçesi pomzası ve Elbistan Termik Santrali uçucu kül kullanılmıştır. Katkılı tuğla üretiminde kullanılan hammaddeler ön kırıcıdan geçirilmiş ve daha sonra büyük başlıklı tokmak ile büyük parçalar ufak parçalara ayrılmış ve ikinci defa öğütülmüştür. Yeterli boyuta getirilen hammaddeler belirlenen oranlara ve yeterli su


3

verilerek plastik kıvam sağlanıncaya kadar yoğrulmuş ve hamur haline getiriliştir. 2.2.2 Tuğlaların Kalıplanması, Kurutma ve Pişirme İşlemi Bekletilen hamur 1 gün sonra 2,5 x 2,5 x 11,5 cm boyutlarındaki kalıplara özenli bir şekilde yerleştirilmiştir (Şekil 1). El ile ve tahta bir takoz ile sıkıştırılan numuneler, hava kabarcıklarını atmak için vakum aletine 30 dk boyunca tabi tutulmuştur. Vakum işlemini takiben sıkıştırılma yapıldıktan sonra bekletmeye alınmıştır.

Şekil 1. Tuğla hamurunun standart tuğla kalıbında konulması Kalıptan çıkarılan numuneler içeriklerindeki su oranlarının % 10 altına düşmesi için ön kurutma işlemi olarak oda sıcaklığında 8 saat dinlendirilmeye alınmıştır. Yaklaşık 150 derecede 5 saat ön kurutma işlemine tabi tutulan numuneler 700, 900 ve 1050 oC sıcaklıklarda fırında 8 saat süre ile pişirilmiştir (Şekil 2). Üretilen tuğlalar şekil 3’te görülmektedir.

Şekil 2. Tuğlaların fırında pişirilmesi

Şekil 3. Üretilen tuğlalar

3. DENEYSEL ÇALIŞMALAR Malzemelerin homojenizasyonu ve üretimi gerçekleştirilmiştir. Katkılı tuğla üretimi için, pomza ile kil, uçucu kül ile kil ve pomza, uçucu kül ile kil olarak üç farklı karışım yapılmıştır. Numune isimleri ve bileşen oranları Tablo 5’de verilmiştir. 700, 900 ve 1050 oC’de üretilen tuğlalar üzerinde kuruma ve pişme küçülmesi değerleri, su emme ve birim hacim ağırlığı değerleri bulunmuştur. Ayrıca standart eğilme ve basınç dayanım testleri TS 4790’a göre yapılmıştır. Tablo 5. Numune isimleri ve bileşen oranları (%) Numune adı

Uçucu Kül

Pomza Kil

5UKP 2,5 2,5 95 10UKP 5 l 5 90 20UKP 10 10 80 5UK 5 - 95 10UK 10 - 90 20UK 20 - 80 5P - 5 95 10P - 10 90 20P - 20 80 T - - 100 4. SONUÇLAR ve TARTIŞMA 4.1. Kuruma ve Pişme Küçülmesi Değerleri Kuruma ve pişme küçülme değerleri Tablo 6’da verilmiştir. 110 °C'de elde edilen kuruma küçülmesi sonuçlarına göre uçucu kül + pomza katkılarının kuruma küçülmesini arttırdığı ancak sadece uçucu kül katılı örneklerin kuruma küçülme değerleri standarda ön görülen %18 in biraz üzerinde bulunmuştur. 700, 900 ve 1050°C 'de pişirilen örnekler üzerinde elde edilen toplam küçülme


4

değerlerine göre uçucu kül ve pomza katkının küçülmeyi bir miktar artırdığı, ancak bunun önemsiz derecede kaldığı belirlenmiştir. Zararlı mangezi ve kireç deneyi standarda uygun olarak yapılmış ve standarda uygun bulunmuştur. Uçucu küllerin tuğla üretiminde kullanılması ile tuğlaların kuruma ve pişme küçülmeleri azalmaktadır. Standartta kuruma küçülmesi en çok %8 ve pişme küçülmesi ise en fazla %10 olarak verilmektedir. Tablo 6. Kuruma ve pişme küçülmesi değerleri

Kuruma küçülmesi değerleri

(%)

Toplam pişme küçülme değerleri

(%)

Numune adı

110 oC 700 oC

900 oC

1050 oC

5UKP 5.15 4.12 5.10 5.19

10UKP 5.11 4.08 5.53 5.55

20UKP 5.03 4.33 6.11 6.18

5UK 8.25 8.23 6.46 7.17

10UK 8.66 8.36 7.33 8.06

20UK 8.87 8.88 8.21 8.36

5P 1.72 1.88 7.55 7.52

10P 1.63 1.69 8.42 8.43

20P 1.49 1.47 9.30 9.32

T 6.55 5.56 5.01 4.23

4.2 Su Emme ve Birim Hacim Ağırlığı Değerleri

Su emme değerleri Tablo 7’de ve birim hacim ağırlığı değerleri Tablo 8’de verilmiştir. 700, 900 oC’de pişirilen uçucu kül ve pomza katkılı örneklerden elde edilen değerlerin standart değerlerin üzerinde gerçekleştiği ve uçucu kül ile pomza katkının su emmeyi bir miktar olumsuz yönde etkilediği saptanmıştır. TS705 de maksimum su emme oranı % 18 dir. TS’de dolu tuğlaların birim hacim ağırlık değerleri için bir sınırlama getirilmemiştir. Birim hacim ağırlık değerleri 1.53 ile 1.84 gr/cm3 arasında bulunmuştur. Sonuçlara göre pomza katkılı örneklerde birim hacim ağırlık değerlerinin TS 705 standardında verilen değerleri sağladığı görülmektedir. Pişirme ısısı arttıkça birim hacim ağırlığının azaldığı gözlenmiştir. Bunun nedeni, toplam porozitede meydana gelen azalmanın yol açtığı düşünülmektedir.

Tablo 7. Su emme değerleri

Pişme sıcaklığı(oC ) 700 900 1050

Numune adı

Su emmi değerleri (%)

5UKP 18.04 18.58 19.43

10UKP 19.12 19.38 20.32

20UKP 21.35 21.24 20.99

5UK 22.17 22.24 22.64

10UK 25.81 25.72 25.83

20UK 27.31 27.48 26.35

5P 15.77 17.15 17.51

10P 15.37 17.26 16.79

20P 14.03 16.79 16.07

T 17.62 17.83 18.85

Tablo 8. Birim hacim ağırlığı değerleri

Pişme sıcaklığı(oC ) 700 900 1050

Numune adı

Birim hacim ağırlığı değerleri (gr/cm3)

5UKP 1.72 1.69 1.63

10UKP 1.66 1.62 1.61

20UKP 1.60 1.56 1.59

5UK 1.69 1.67 1.64

10UK 1.62 1.60 1.56

20UK 1.53 1.53 1.54

5P 1.80 1.77 1.74

10P 1.82 1.83 1.79

20P 1.86 1.88 1.86

T 1.84 1.84 1.74

4.3 Basınç ve Eğilme Dayanımları

Numunelerin basınç dayanımları Şekil 1’de eğilme dayanımları ise Şekil 2’de verilmiştir. Genellikle pişirme sıcaklığı arttıkça basınç dayanımları da artmaktadır. 700 oC de pişirilen bu grup örneklerden sadece %5 pomza katkılı örneğin basınç dayanımı en büyükken, %20 uçucu kül katkılı örneğin basınç dayanımı en küçük bulunmuştur. Kontrol örneğinin basınç dayanımı söz konusu örneğin basınç dayanımının yaklaşık dört katı kadardır.


5

Şekil 1. Numunelerin basınç dayanımları

Ayrıca bu örnek standartlarda ön görülen minimum dayanımı sağlayamamıştır. Bu sıcaklıkta tuğla üretiminde %20 uçucu kül katılmasının uygun olmayacağı anlaşılmaktadır. Uçucu kül + pomza katkılı örneklerin basınç dayanımları kontrol örneğinden daha düşük bulunmuştur. %20 uçucu kül + pomza katkılı örneğin basınç dayanımı, standartların ön gördüğü minimumum basınç dayanımının altında sonuç vermiştir. 900 oC pişirme sıcaklığında, uçucu kül veya uçucu kül + pomza oranı arttıkça basınç dayanımı düşmektedir. %5 uçucu kül + pomza katkılı örneğin basınç dayanımı kontrol örneğininin basınç dayanımına çok yakındır. Bunun nedeni örneklerdeki uçucu külün kimyasal yapısı (yüksek orandaki kireç) ve tanecik büyüklüğünün çok küçük olmasıdır. 1050 oC’ de uçucu kül veya uçucu kül + pomza oranı arttıkça basınç dayanımı düşmektedir.

700 oC de pişirilen, uçucu kül veya uçucu kül + pomza katkılı örneklerde eğilme dayanımı ile katkı miktarı arasında doğrusal bir ilişki bulunamamıştır. Ancak pomza katkılı örneklerde katkı oranı arttıkça eğilme dayanımları da artmaktadır. Bununla birlikte bu sıcaklıkta pişirilen kontrol örneğinin eğilme dayanımı en büyük bulunmuştur. 900 oC de pişirilen %5 uçucu kül + pomza katkılı örneğin eğilme dayanımı en büyük bulunmuştur. Bu sıcaklıkta uçucu kül oranı artarken eğilme dayanımları artmıştır. Uçucu kül + pomza katkılı örneklerde katkı oranı arttıkça

eğilme dayanımı azalmaktadır. 1050 oC de pişirilen %5 uçucu kül + pomza katkılı örneklerde katkı oranı arttıkça eğilme dayanımı da düşmektedir. Bu sıcaklıkta %20 pomza katkılı örneğin eğilme dayanımı en yüksek bulunmuştur. Bu örneğin eğilme dayanımı, kontrol örneğinin eğilme dayanımından %10 daha büyüktür

Şekil 2 Numunelerin eğilme dayanımları

5. SONUÇ

1-Pomza katkılı tuğla numunelerin su emme değerleri katkısız tuğlanın su emme değerinden düşüktür. Numuneler içindeki sadece uçucu kül katkılı numuneler, katkısız tuğlaya göre bünyelerine %32 oranında daha fazla su almıştır. Pomza katkılı örneklerin su emme değerleri %18 in altında kalmıştır. Pomza katkılı numunelerde katkı oranı arttıkça su emme değerleri düşmüştür. 2-Katkılı tuğla numunelerin, birim hacım ağırlıkları katkısız tuğlaya göre fazla olsa bile kabul edilebilir değerdedir. Pomza katkılı örneklerde katkı oranı arttıkça birim hacim ağırlık ta artmıştır. 3-Çalışmadan elde edilen bulgulara göre, üretilen tuğlaların istenilen basınç dayanımı özelliklerini taşıdığı anlaşılmaktadır. Üretilen tuğlaların basınç dayanımlarının TS’nin belirlemiş olduğu minimum basınç dayanımını karşıladığı ve basınç dayanım sonuçları arasındaki istatistiksel değerlendirmelerden homojen karışımların elde edildiği görülmüştür. Ancak %20 uçucu kül katkılı örneklerin basınç dayanımları standardın altında bulunmuştur.

0306090

120150180210240270300330

700 900 1050Pişirme sıcaklığı (oC)

Basın

ç da

yanı

mı (

Kg/

cm2)

5UKP 10UKP 20UKP5UK 10UK 20UK5P 10P 20PT

0

10

20

30

40

50

60

70

80

700 900 1050Pişirme sıcaklığı (oC)

Eğilm

e da

yanı

mı (

Kg/

cm2)

5UKP 10UKP 20UKP5UK 10UK 20UK5P 10P 20PT


6

4- %5 pomza oranında en yüksek dayanım elde edilmiştir. 5- Numunelerin pişme sıcaklığının arttırılmasıyla basınç ve eğilme dayanımları ve su emme oranının arttığı görülmektedir. Aynı zamanda pişme sıcaklığı arttığı tuğla örneklerinin rengi kahverengiden kırmızımsıya doğru bir değişim göstermektedir. 6–110 oC’de elde edilen kuruma küçülme değerleri (uçucu kül katkılı örnekler hariç) standardın altındadır. Bütün örneklerin su emme değeri %18 in altında kalmıştır. Bütün pişme sıcaklıklarında örneklerin pişme küçülme değerleri standarda uygundur. 7- Katkılı tuğla numunelerin basınç ve eğilme dayanımları, katkısız tuğlanın basınç dayanımına göre yüksektir. %5 ve %10 pomza tuğlaların dayanımlarında önemli ölçüde artış gözlenmiştir. Pişme sıcaklığının arttırılmasıyla basınç ve eğilme dayanımını arttırdığı, kuruma ve pişme küçülme ve su emme oranının azaldığı görülmüştür. Sonuç olarak %5 - %10 arasında uçucu kül ve pomza birlikte veya farklı kombinasyonlarıyla uygun nitelikte tuğla üretilebileceği anlaşılmaktadır. Teşekkür: Bu çalışma 107T264 numara ile TÜBİTAK tarafından desteklenmiştir. Bu nedenle kuruma teşekkür ederiz. KAYNAKLAR Baradan B, Fly ash-cement based on structural materials, Int. Journal of Cement Composites and Lightweight Concrete, 4 (1987) 225- 228.

Ekmekyapar O, Örgün I, 1973, İnşaat Malzeme Bilgisi. Atatürk Üniversitesi, Ziraat Fakültesi Ders Yayınları No: 145, s. 22–36, Erzurum.

Kocaçıtak S, 1977, Termik Santral Uçucu Küllerinin Hafif Yapı Malzemesi Yapımında Kullanılma Olanaklarının Araştırılması, TÜBİTAK MAG No: 427, Ankara. Öztürk A.Ç, 2001,Tuğla Üretiminde Termik Santral Atığı Puzolanik Uçucu Küllerin Değerlendirilmesi Üzerine Bir Araştırma, Doktora Tezi, Mimar Sinan Üniversitesi.

Şişman C.B, Kocaman İ, Gezer E, Tekirdağ Yöresinde Üretilen ve Tarımsal Yapılarda Yaygın Olarak Kullanılan Tuğlanın Fiziksel ve Mekanik Özellikleri Üzerine Bir Araştırma, Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi, 3 (2006) 32–40, Tekirdağ. Tokyay M, Erdoğdu K, 1978, Türkiye Termik Santrallerinden Elde Edilen Uçucu Küllerin Karakterizasyonu, TÇMB, Ankara. Tokyay M, Betonda uçucu kül kullanım, Endüstriyel Atıkların İnşaat Sektöründe Kullanılması Sempozyumu, ÎMO, 1973, 27–36, Ankara: TS 4790, 1986, Tuğla ve Kiremit Topraklarının Deney Metodu, TSE, Ankara, 12 s. TS 705, 1985, Fabrika Tuğlaları-Duvarlar İçin Dolu ve Düşey Delikli, TSE, Ankara, 18 s.

UÇUCU KÜL VE BAZALTİK POMZA KATKILI TUĞLALARIN MÜHENDİSLİK ÖZELLİKLERİ

Documents