Effect of Substitution of Class F Fly Ash and Blast Furnace Slag on Cement Mortar Properties

Year 2022, Volume: 14 Issue: 2, 531 - 543, 31.07.2022

İlhami Demir

https://doi.org/10.29137/umagd.1040338

Abstract

The production of cement, which is the raw material of concrete, has increased considerably in recent years with the development of ready-mixed concrete technology. However, this increase in cement production brings environmental problems. It is known that Turkey ranks first in cement production in Europe. For this reason, environmental problems caused by cement production constitute a major problem for our country. At the beginning of these problems is the emission of carbon dioxide (CO2) released during clinker production. One of the ways to reduce CO2 emissions is to produce less clinker. This is possible by substituting mineral additives with properties close to cement instead of cement. Mineral additives are materials that have little binding property on their own but gain binding when used with a binding material such as cement. With the use of these additives, both CO2 emissions are reduced and significant savings are achieved in the use of cement. In this study, cement mortars were used by substituting F class fly ash (FA) of Sugözü Thermal Power Plant and blast furnace slag (BFS) from Bolu Cement at 0%, 5%, 10%, 15% and 20% ratios. produced. Flow test, compressive strength, flexural strength and microstructure analyzes were performed for the mortar samples. When the results obtained are examined; It was observed that the 28-day compressive and flexural strength results of 5% and 10% BFS substituted mortars were higher than the reference mixture. In addition, when the results obtained from the microstructure analyzes were examined, it was determined that the hydration development of BFS was better than FA.

Keywords

Fly ash, blast furnace slag, compressive strength, flexural strength, SEM

F Sınıfı Uçucu Kül ve Yüksek Fırın Cürufu İkamesinin Çimento Harç Özelliklerine Etkisi

Abstract

Betonun hammaddesi olan çimentonun üretimi, hazır beton teknolojisinin gelişimiyle birlikte son yıllarda oldukça artmıştır. Ancak çimento üretimindeki bu artış beraberinde çevresel sorunları getirmektedir. Türkiye’nin çimento üretiminde, Avrupa’ da ilk sıralarda yer aldığı bilinmektedir. Bu sebeple çimento üretiminin oluşturmuş olduğu çevresel sorunlar ülkemiz için büyük bir sorun teşkil etmektedir. Bu sorunların başında ise klinker üretimi sırasında açığa çıkan karbondioksit (CO2) salınımı gelmektedir. CO2 salınımını azaltma yöntemlerinden birisi daha az klinker üretmektir. Bu ise çimentoya yakın özelliklere sahip mineral katkıların çimento yerine ikame edilmesiyle mümkün olmaktadır. Mineral katkılar, kendi başlarına bağlayıcılık özelliği çok az olan ancak çimento gibi bir bağlayıcı malzemeyle kullanıldıklarında bağlayıcılık kazanan malzemelerdir. Bu katkıların kullanımıyla hem CO2 salınımı azaltılmakta hem de çimento kullanımından önemli tasarruflar sağlanmaktadır. Bu çalışmada, Sugözü Termik Santrali’ne ait F sınıfı uçucu kül (UK) ve Bolu Çimento’dan temin edilen yüksek fırın cürufu (YFC); %0, %5, %10, %15 ve %20 oranlarında çimento yerine ikame edilerek çimento harçları üretilmiştir. Harç numuneleri için yayılma deneyi, basınç dayanımı, eğilme dayanımı ve mikroyapı analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde; %5 ve %10 YFC ikameli harçların 28 günlük basınç ve eğilme dayanımı sonuçlarının, referans karışımından yüksek olduğu görülmüştür. Ayrıca mikroyapı analizlerinden elde edilen sonuçlar incelendiğinde, YFC’nin UK’ya kıyasla hidratasyon gelişiminin daha iyi olduğu tespit edilmiştir.

Keywords

Uçucu kül, yüksek fırın cürufu, basınç dayanımı, eğilme dayanımı, SEM

References

• ASTM C618-17a, Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2017.
• Bilim C. & Atiş C. D. (2011). “Öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu içeren harçların aşınma ve mukavemet özellikleri” Politeknik Dergisi, 14(2), 101-107.
• Binici H., Eken M. & Dinçer A. (2013). “Silis Dumanı, Uçucu Kül ve Yüksek Fırın Cürufu Katkılı Betonların Bazı Durabilite Özellikleri” Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 28 (1), 11-20.
• Binici H., Sevinç A. H. & Durgun, M. Y. (2010). “Barit, bazaltik pomza, kolemanit ve yüksek fırın cürufu katkılı betonların özellikleri” KSÜ Mühendislik Bilimleri Dergisi, 13(1), 2010.
• Bozkurt N. & Sayın N. (2021). “Günümüz Teknolojileri Çerçevesinde Çimento Dünyasındaki Gelişmelerin Araştırılması” Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 9 (2021), 1159-1173.
• Bumanis G., Vitola L., Stipniece L., Locs J., Korjakins A. & Bajare D. (2020) “Evaluation of Industrial by-products as pozzolans: A road map for use in concrete production” Case Studies in Construction Materials, 2020, 13, e00424
• Damtoft J.S., Lukasik J., Herfort D., Sorrentino D. & Gartner E.M. (2008). “Sustainable development and climate change initiatives” Cement and Concrete Research, 38 (2), 115-127.
• Delikkurt B. C. & Sevim U. K. (2015). “Sugözü uçucu külünün betonun mekanik ve durabilite özelliklerine etkisi” Niğde Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 4(1), 47-58.
• Demir I., Sevim O., Ozel G., Dogan O. (2020). “Microstructural, physical and mechanical properties of aerated concrete containing fly ash under high temperature and pressure” Revista Română de Materiale/Romanian Journal of Materials, 2020, 50(2), 240-249.
• Demir İ., Güzelkücük S. & Sevim Ö. (2018). “Effects of sulfate on cement mortar with hybrid pozzolan substitution” Eng. Sci. Tech., Int. J. 21 (3), 275–283.
• Hashmi A. F., Shariq M. & Baqi, A. (2021). “An investigation into age-dependent strength, elastic modulus and deflection of low calcium fly ash concrete for sustainable construction” Construction and Building Materials, 283(2021), 122772.
• Kim T., Davis J.M., Ley M.T., Kang S. & Amrollahi P. (2018). “Fly ash particle characterization for predicting concrete compressive strength” Construction and Building Materials, 165, 560-571.
• Kou R., Guo M-Z., Han L., Li J-S., Li B., Chu H., Jiang L., Wang L., Jin W. & Poon C. S., “Recycling sediment, calcium carbide slag and ground granulated blast-furnace slag into novel and sustainable cementitious binder for production of eco-friendly mortar” Construction and Building Materials. 305(2021), 124772.
• Özbay E., Erdemir M. & Durmuş H.I. (2016). “Utilization and efficiency of ground granulated blast furnace slag on concrete properties–A review” Construction and Building Materials, 105, 423-434.
• Schneider M., Romer M., Tschudin M. & Bolio H. (2011). “Sustainable cement production at present and future” Cement and Concrete Research, 41 (7), 642-650.
• Schöler A., Lothenbach B., Winnefeld F. & Zajac M. (2015). “Hydration of quaternary portland cement blends containing blast-furnace slag, siliceous fly ash and limestone powder” Cement and Concrete Composites 55 (2015), 374-382.
• Sevim Ö. & Demir İ. (2019). “Physical and permeability properties of cementitious mortars having fly ash with optimized particle size distribution” Cement and Concrete Composites, 96 (2019), 266-273.
• Sevim Ö. & Demir İ. (2019).” Optimization of fly ash particle size distribution for cementitious systems with high compactness” Construction and Building Materials, 195, 104-114.
• Sevim Ö. & Sengul C. G. (2021). “Comparison of the ınfluence of silica‐rich supplementary cementitious materials on cement mortar composites: Mechanical and microstructural assessment” Silicon, 13, 1675-1690.
• Sevim Ö., Baran M. & Demir Ş. (2021) “Mechanical and physical properties of cementitious composites containing fly ash or slag classified with help of particle size distribution” Romanian Journal of Materials, 51 (1), 67-77.
• TS EN 1015-3, Kagir harcı- Deney metotları-Bölüm 3: Taze harç kıvamının tayini (yayılma tablası ile)
• TS EN 196-1, Çimento deney metotları-Bölüm 1: Dayanım tayini. Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, 2016.
• Türkiye Hazır Beton Birliği. (2021). Dünyada Sektör. [Çevrimiçi]. Erişim: https://www.thbb.org/sektor/dunyada-sektor/
• Ustabaş İ. & Kaya, A. (2018). “Comparing the pozzolanic activity properties of obsidian to those of fly ash and blast furnace slag” Construction and Building Materials, 164 (2018), 297-307.
• Uzal B., Turanli L. & Mehta P.K. (2007) “High-volume natural pozzolan concrete for structural applications” ACI Mater J 104 (5), 535-538;
• Yazıcı H., Yiğiter H., Karabulut A.Ş., Baradan B. (2008). “Utilization of fly ash and ground granulated blast furnace slag as an alternative silica source in reactive powder concrete” Fuel, 87(12), 2401-2407. Yun C. M., Rahman M. R., Phing C. Y. W., Chie A. W. M. & Bakri M.K.B. (2020). “The curing times effects on the strength of ground granulated blast furnace slag (GGBFS) mortar” Construction and Building Materials. 260 (2020), 120622.