Investigation of the possibilities of using biomicritic limestone in Türkiye as a raw material in the production of natural hydraulic binders

Year 2024, Volume: 39 Issue: 1, 577 - 592, 21.08.2023

Nazife Özer , Seden Acun Özgünler , Şenel Özdamar

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1179147

Abstract

Natural hydraulic binders (NHBs) are produced using clayey limestones with appropriate proportions of clayey materials and calcite naturally. Natural hydraulic lime (NHL) and natural cement were widely used as a binder in the historical mortars from 18th century to the production of Portland cement. NHBs are calcinated at 800-1000 oC which is below the sintering temperature. Then, a finely ground clinker is sieved and used without slaking. In this study, biomicritic limestone that contains %90 calcite + <%5 clay + %5-10 quartz was used as a raw material to produce NHBs. The raw material was ground under 10 mm and calcined in the laboratory furnace at 750-850-950-1050 oC. Eminently hydraulic lime (NHL 5) were compared with them as a commercial product. Two mortar groups were produced with 145 mm consistency (Y14,5) according to BS EN 1015-3 and 1:1 water/binder ratio (SS).

Purpose: NHBs are widely used in repairing and conserving historical buildings. Additionally, NHBs are alternative binders to Portland cement in the production of plasters at contemporary buildings since they offer good physical and mechanical properties. In Türkiye, NHBs are imported to be used in construction. This study aims to produce NHBs by calcining clayey limestones.

Theory and Methods: Experimental study consists of two parts which were to determine raw material, and to produce binders and mortars. Mortars produced were compared with the physical and mechanical properties of NHL 5 mortars. In addition, X-Ray Diffraction (XRD) and X-ray fluorescence (XRF) analyses were used to determine the chemical and mineralogical-petrographic properties of raw material and NHBs. SEM was used for the imaging of raw material.

Results: The binder calcined at 850 oC (M850) has a similar chemical, physical and mechanical properties to NLH 5. M950/SS, M950/Y14,5, M1050/SS, and M1050/Y14,5 fresh mortars released heat during the hydration process. After the 91st day, the strength of M750/SS and M750/Y14,5 mortars decreased.

Conclusion: Natural hydraulic binder was produced at 850 oC (M850) using biomicritic limestone in Türkiye. This binder can be used in repairing and conserving historical buildings and as a plaster for contemporary buildings.

Keywords

natural cement, natural hydraulic lime, hydraulic binder, biomicritic limestone, calcination

Project Number

MGA-2021-43094

Türkiye biyomikritik kireçtaşının doğal hidrolik bağlayıcı üretiminde ham madde olarak kullanım olanaklarının araştırılması

Abstract

Tarih boyunca çok çeşitli bağlayıcılar yapılarımızda kullanılmıştır. Antik dönemlerden beri kullanılan hava kireci, hidrolik karakterli olmadığından puzolanik katkılarla birlikte kullanılmış ve suya karşı dayanımı arttırılmıştır. Hidrolik bağlayıcılar hem havada hem suda katılaşma özelliği gösteren inorganik esaslı bağlayıcılardır. 18. yüzyılda hidrolik bağlayıcıların bulunmasıyla, hava ile sertleşen bağlayıcılar zamanla yerini hidrolik esaslı bağlayıcılara, 20. yüzyılın başlangıcından sonra ise çimentoya bırakmıştır. “Doğal” olarak nitelendirilen bağlayıcıların diğer hidrolik bağlayıcılardan farkı üretiminde doğal olarak uygun kimyasal içeriğe sahip tek bir taş kaynağının kullanılmasıdır. Bu çalışma kapsamında, ülkemizde yaygın olarak bulunan biyomikritik kireçtaşı kaynağı ile “doğal hidrolik bağlayıcı” üretim olanakları deneysel olarak incelenmiştir. Hammadde özellikleri analitik olarak belirlendikten sonra 750 oC, 850 oC, 950 oC ve 1050 oC sıcaklıklarda kalsine edilmiştir. Üretilen bağlayıcılar ile birlikte ticari ürün olan kuvvetli doğal hidrolik kireç (NHL 5) bağlayıcısı kullanılarak dökümler yapılmış ve sonuçlar karşılaştırmalı olarak verilmiştir. 850 oC sıcaklıkta kalsine edilen bağlayıcı ve NHL5 ile üretilen harçlar benzer fiziksel ve mekanik özellikler göstermektedir. 750 oC sıcaklıkta kalsine edilen bağlayıcıyla üretilen harçlarda serbest kirecin zamana bağlı hacim artışından kaynaklı dayanım kaybı tespit edilmiştir. 950 oC ve 1050 oC sıcaklıklarda kalsine bağlayıcı ile üretilen harçlarda ise hidratasyon sırasında ısınma (ekzotermik reaksiyon) tespit edilmiştir. Sonuç olarak biyomikritik kireçtaşı ile doğal hidrolik bağlayıcı üretimi sağlanmıştır.

Keywords

Doğal çimento, doğal hidrolik kireç, hidrolik bağlayıcı, biyomikritik kireçtaşı, kalsinasyon

Supporting Institution

İstanbul Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi Genel Araştırma Projesi

Project Number

MGA-2021-43094

Thanks

Bu çalışma İstanbul Teknik Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimince Genel Araştırma Projesi kapsamında MGA-2021-43094 numaralı projeyle desteklenmiştir. Bu çalışmada İTÜ Mimarlık Fakültesi Yapı Malzemesi Laboratuvarında yapılan tüm deneylerde özveriyle yardımcı olan Teknisyen İbrahim ÖZTÜRK’e teşekkür ederiz.

References

• [1] Özgünler M., Özgünler Acun S., A Research on Karamursel Region Volcanic Tuff as a Pozzolanic Additive in Repair Mortars Used for Historical Buildings, Scientific Research and Essays, Vol.6(3), pp.641-647, 2011.
• [2] TS 25, Doğal puzolan (tras)-Çimento ve betonda kullanılan-Tarifler, gerekler ve uygunluk kriterleri.
• [3] Erdoğan, S. T. ve Erdoğan, T.Y., Bağlayıcı malzemelerin ve betonun onbin yıllık tarihi, 1. basım., Ankara, ISBN:9789944344241, 2007.
• [4] Edison, L. L., Perspectives: The Reintroduction of Natural Cement, Journal of ASTM International, Vol. 4, No. 8, 2007.
• [5] Weber, J., Gadermayr,N., Bayer,K., Hughes,D., Kozlowski, R., Stillhammerova,M., Ullrich, D., and Vyskocilova R., Roman Cement Mortars in Europe’s Architectural Heritage of the 19th Century, Journal of ASTM International, Vol. 4, No. 8, 2007.
• [6] Strother, P D., 2 - Manufacture of Portland Cement, Lea's Chemistry of Cement and Concrete (Fifth Edition), Butterworth-Heinemann, Editor(s): Peter C. Hewlett, Martin Liska, Pages 31-56, ISBN 9780081007730, https://doi.org/10.1016/B978-0-08-100773-0.00002-2, 2019.
• [7] Hughes D. , Swann S., Gardner A., Roman Cement Part One: Its Origins and Properties, Journal of Architectural Conservation, 13:1, 21-36, DOI: 10.1080/13556207.2007.10784986, 2007.
• [8] Livesey, P., The Rise, Fall And Revival of Natural Cements in The Developing Pattern Of Binders, Institute of Concrete Technology Year Book 2013-14, publieshed by The Concrete Society, UK, 2015.
• [9] Baturayoğlu Yöney, N ., ‘Roma Çimentosu’ Tarihçesi, Özellikleri ve Onarımı , Restorasyon ve Konservasyon Çalışmaları Dergisi , (10) , 53-66, 2013.
• [10] TS EN 459-1, Yapı kireci - Bölüm 1: Tanımlar, özellikler ve uygunluk kriterleri.
• [11] ROCARE Standart, ROCARE Standart For The Classification of Roman Cement, 2008.
• [12] BS EN 197-1:2011, Cement - Composition, specifications and conformity criteria for common cements.
• [13] Echel, E.C. , Cements, limes, and plasters: their materials, manufacture, and properties. Great Britain, 2005.
• [14] Hughes D. C. , Jaglin D., Kozlowski R., Mucha D, Roman cements — Belite cements calcined at low temperature, Cement and Concrete Research 39, 77–89, 2009.
• [15] Roy, D. M., Instructional Modules in Cement Science, Journal of Materials Education, 1985.
• [16] Kozlowski R., Hughes D., Weber J. , Roman Cements: Key Materials of the Built Heritage of the 19th Century, Materials, Technologies and Practice in Historic Heritage Structures Chapter 14, 259-277, DOI 10.1007/978-90-481-2684-2, 2010.
• [17] Gurtner, C., Hilbert G., Hughes D., Kozlowski R., Weber J, Manual on best practice in the application of Roman cements: Roman cement, past and present Conservation theory and practice VERSION 1, EU-PROJECT No. 226898, ROCARE FP7-ENV-2008-1, 2008.
• [18] Hughes, D.C., Sugden, D.B., Jaglin, D., Mucha, D., Calcination of Roman cement: A pilot study using cement-stones from Whitby, Construction and Building Materials, Volume 22, Issue 7, Pages 1446-1455, ISSN 0950-0618, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2007.04.003, 2008.
• [19] Hughes D. C. , Jaglin D., Kozlowski R., Mayr N., Mucha D., and Weber J., Calcination of Marls to Produce Roman Cement, Journal of ASTM International, Vol. 4, No. 1, 2007.
• [20] Korkmaz ve Gedik , Mut - Ermenek - Silifke (Konya - Mersin) havzasında ana kaya fasiyesi ve petrol oluşumunun organik jeokimyasal yöntemlerle incelenmesi, 1990.
• [21] Gedik, A.; Birgili, Ş.; Yılmaz, I. ve Yoldaş, R., Mut-Ermenek-Silifke yöresinin jeolojisi ve petrol olanakları: TJK Bült., C22 7-26, Ankara, 1979.
• [22] BS EN 459-2:2021 Building lime. Test methods.
• [23] BS EN 196-1:2016 Methods of testing cement Part 1: Determination of strength.
• [24] BS EN 1015-6:1999 Methods of test for mortar for masonry —Part 6: Determination of bulk density of fresh mortar.
• [25] BS EN 1015-3:1999 Methods of test for mortar for masonry — Part 3: Determination of consistence of fresh mortar (by flow table).
• [26] Gür D., Özgünler Acun S. (2021) “A Comparative Study on the Influence of Mineral Additives to the Physicomechanical Properties of NHL Mortars Cured in Water”, Gazi Science Journal, GU J Sci 34(3): 611-628, 2021.
• [27] BS EN 1936:2006 Natural stone test methods. Determination of real density and apparent density, and of total and open porosity.
• [28] BS EN 772-11:2011 Methods of test for masonry units. Determination of water absorption of aggregate concrete, autoclaved aerated concrete, manufactured stone and natural stone masonry units due to capillary action and the initial rate of water absorption of clay masonry units.
• [29] BS EN ISO 12572:2016 Hygrothermal performance of building materials and products. Determination of water vapour transmission properties. Cup method.
• [30] TS EN 196-6, Çimento deney yöntemleri - Bölüm 6: İncelik tayini.
• [31] BS EN 14579:2004, Natural stone test methods. Determination of sound speed propagation.
• [32] Sezer G. İ., Kalker ve Klinker Özeliklerinin Kalkerli Çimento Özelliklerine Etkisi. Doktora Tezi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, 2007.
• [33] Tosun K, Felekoğlu B., Baradan B., Altun İ.A, Portland Kalkerli Çimento Bölüm I - Çimentoların Hazırlanması, İMO Teknik Dergi, 4717-4736, 2009.
• [34] TS EN 196-3 Çimento deney yöntemleri - Bölüm 3: Priz süreleri ve genleşme tayini