Tane boyutu optimize edilmiş en yüksek dolgu faktörüne göre F ve C sınıfı uçucu küllerin çimento harçlarına etkisi
Effect of C and class F ashes on cement mortars according to the maximum fill factor optimized for particle size
Yazar: AHMET FİLAZİ
Danışman: PROF. DR. İLHAMİ DEMİR
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Yapı Malzemesi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Günümüzde yapı malzemelerinin teknik özelliklerinin gelişmesiyle, betonun çevresel etkilerini azaltma çabaları hız kazanmıştır. Doğal kaynakların miktarı azaldıkça çevre kirliliği sorununu gidermek ve enerji maliyetini azaltmak için endüstriyel atık kullanımı günden güne artmaktadır. Betonun çimentoya bağlı çevresel etkilerini azaltmak için kullanılabilecek ekonomik metotlardan biri, çimento içerisine puzolanik malzemelerin ikamesidir. Bu noktada çimento bazlı etkiyi azaltmak için beton agregalarında uygulanan gradasyon sistemine benzer bir şekilde uçucu kül gibi filler malzemelerin en yüksek dolgu faktörünün elde edilebilmesi için uçucu kül gradasyonu önemli bir konudur. Beton karışımında kullanılacak agreganın granülometrisinin ayarlanması, üretilecek beton karışımındaki boşluk oranını ve çimento oranını minimize edecektir. Agregalarda bu durum önemsenmesine rağmen, çimento ve uçucu kül gibi filler malzemelerde gradasyon göz ardı edilmektedir. Bu tez çalışmasında, tane dağılımı optimize edilmiş en yüksek dolgu faktörüne göre F ve C sınıfı uçucu küllerin çimento harçlarına etkisi incelenmiştir.
İyi bir gradasyon, yüksek kompasite oluşturacak ve uçucu kül ikameli çimentonun hidratasyonu sonucu oluşan ürünlerin çimento harcı içerisindeki boşluklarını minimize edecektir. Bu tez kapsamında literatürdeki katkılı çimento karışımları dikkate alınarak, bu karışımlar içerisindeki granüler malzemeler tane boyutu dağılımlarına bağlı olarak, Fuller-Thompson bağıntısı ile optimize edilerek daha sıkı bir yapı oluşturuldu. Vakumlu elek ile elenen uçucu küllerin uygun tane boyut dağılımı oluşturuldu ve oluşturulan bu tane boyut dağılımı çimento yerine ikame edilerek en yüksek dolgu faktörü belirlendi. Sonraki aşamada ise tane dağılımı optimize edilmiş uçucu küllerin, çimento içerisine ikame edilmesi ile çimento harçlarının mekanik dayanımları ve durabilite etkisi incelendi.
Bu çalışmada, Fuller-Thompson bağıntısında önerilen denkleme göre uçucu külün etkinliğini daha iyi anlayabilmek için %20 ikame oranında F ve C sınıfı için tane dağılımları optimize edilmiştir. Fuller-Thompson bağıntısına göre tane dağılımı optimize edilmiş uçucu kül ikameli çimento harçlarının 7, 28 ve 90 günlük çimento harcı basınç ve eğilme dayanım değerleri sonucunda, tane dağılımı katsayısı n=0.4 olarak elde edilmiştir. Tane boyut dağılımı yapılan uçucu kül ikameli çimento harçlarında sülfata karşı dayanıklılık, hızlı klor iyonu geçirimliliği, donma-çözülme, ultrases geçiş hızı, civalı porozimetre (MIP) özelliklerine bakılmıştır. n=0.4 tane dağılım katsayısı ile uçucu küllere tane dağılımı optimizasyonu yaparak yüksek hacimli uçucu kül kullanımı artırılmıştır. 
Tane dağılımı optimize edilmeyen, 90 günlük uçucu küllerin basınç dayanımları incelendiğinde F sınıfı uçucu kül ikamesinin %5, %10 oranlarında referans numuneyi yakaladığını, C sınıfı uçucu küllerin ise %15 ikamede referans numuneyi geçtiğini görmekteyiz. Tane dağılımı optimizasyonunun sayesinde optimizasyonu yapılmayan uçucu küllere göre, optimizasyon işlemi yapılarak %10 uçucu kül ikame yerine, F sınıfı uçucu küllerde %30 kadar, C sınıfı uçucu küllerde ise %20 ikameye kadar uçucu kül kullanarak basınç dayanımlarının aynı sonuçlar verdiği görülmüştür.
Sonuç olarak, tane dağılımı optimize edilen uçucu küller, daha yüksek hacim oluşturarak boşlukları minimize etmiştir. Bu sayede eğilme ve basınç dayanımlarının yanı sıra, durabilite özelliklerini geliştirdiği açıkça görülmektedir. Bir atık olan uçucu kül kullanımının optimizasyon ile birlikte daha fazla kullanılacağı sonucu ortaya çıkmıştır. Bunun en önemli faydası çimento kullanımı azalacak ve ekonomik bir beton elde edilmiş olacaktır. Ayrıca, çevreyi kirleten karbondioksit (CO2) miktarındaki artış, çimentonun daha az kullanılmasıyla azalacaktır. En önemlisi doğal kaynakların korunması ve ülke ekonomisine büyük oranlarda katkılar sağlaması olacaktır.

Abstract:
Nowadays, with the improvement of the technical properties of construction materials, efforts to reduce the environmental effects of concrete have accelerated. As the amount of natural resources is decreasing, industrial waste use is increasing day by day with the aim of reducing the environmental pollution problem and energy costs. An economic method of reducing the environmental impact of concrete related to cement is the substitution of pozzolans with the cement. At this point, in order to reduce the Portland cement related negative effect, gradation of filler materials such as fly ash to achieve highest packing factor, similar to the gradation system applied to concrete aggregates, becomes an important issue. Adjusting the gradation of the aggregates that will be used in the concrete mixture minimizes the amount of pores and required cement content in the concrete mixture. Although this issue is considered to be important for aggregates, it is ignored for filler materials such as cement and fly ash. In this study the effect of class c and f ashes on cement mortars according to the maximum fill factor optimized for particle size is analyzed.  
A good gradation will supply high compactness and minimize the void cement ratios of products obtained as a result of the hydration of fly ash substituted cement. Within the scope of this project, considering the blended cement mixtures available in the literature, granular materials in these mixtures have been optimized by Fuller-Thompson correlation and a more compact structure has been formed depending on grain size distributions. Fly ash was sieved through a vacuum sieve and appropriate grain size distribution was obtained and this grain size distribution was substituted with the cement and the highest compaction factor was determined. In the next stage, fly ash with optimized grain size distributions was subsitutited with cement mortars and their mechanical durability was analyzed.
In this study, to better understand the efficiency of fly ash in accordance with the Fuller-Thompson correlation, grain size distributions of Class F and C fly ash were optimized for 20% cement replacement ratio. The effect of optimized fly ash cement-bonded composites on compressive and flexural strengths of 7, 28 and 90 days cement mortar was investigated and the optimum particle distribution modulus was obtained as n = 0.4. In the cement mortars with a grain size distribution, the properties of resistance to sulfate, rapid chlorine ion permeability, freeze-thaw, ultrasound transition rate, mercury porosimeter (MIP) were investigated. The use of high volume fly ash was increased by optimizing grain distribution of fly ash with a distribution ratio of n = 0.4.
When we analyze the compressive strength of 90-day fly ashes, whose grain distribution is not optimized, we can see that the F class fly ash substitution has passed the reference sample at the rate of 5%, 10%, while the class C fly ash substitution has passed the reference sample at the rate of 15%. Compared to fly ash without optimization thanks to grain distribution optimization, it was observed that compressive strengths have given the same results by using up to 30% in F class fly ash and 20% in C class fly ash instead of 10% fly ash by optimization.
As a result; Fly ashes with optimized grain distribution minimized voids by creating a higher volume. In this way, it is clearly seen that it improves durability as well as flexural and compressive strengths. It was concluded that the use of fly ash, which is a waste, will be used more with optimization. The most important benefit of this is that the use of cement will decrease and an economic concrete will be obtained. In addition, the increase in the amount of carbon dioxide (CO2) polluting the environment will decrease with less use of cement. Most importantly, it will contribute greatly to the protection of natural resources and to the national economy.