Çimentolu macun dolgularda atık ve bağlayıcının kısmi ikamesi olarak kireçtaşı ve mineral katkıların kullanılabilirliği
Usability of limestone and mineral additives  as partial replacement for tailings and binder in cemented paste backfill
Yazar: NİHAT UTKU GÜNER
Danışman: PROF. DR. EROL YILMAZ
Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Dolgu zeminler = Filling soils ; Portland çimentosu = Portland cement

Özet:
Ülke ekonomileri için son derece önemli bir yere sahip olan madencilik sektöründe her yıl milyarlarca ton atık üretilmektedir. Değerli minerallerin elde edilmesi kadar potansiyel olarak ekonomik katkı sağlayabilecek bu devasa miktarlardaki atıkların da iyi yönetilmesi gerekmektedir. Hali hazırda atıkların etkin ve sürdürülebilir bir şekilde bertaraf edilmesi için kullanılan en yaygın yöntem çimentolu macun dolgudur (ÇMD). Ancak atıklarının bertarafıyla bağlantılı sorunlar, çimento üretimiyle ilgili ekonomik ve ekolojik kaygılar ÇMD içinde kullanılan malzemelere alternatif olarak düşük maliyetli ve etkin çözümler bulmayı zorunla hale getirmiştir. 
Tez çalışması kapsamında ÇMD'lerin gradasyon kaynaklı performans sorunlarını azaltmak, çimento maliyetlerini düşürmek ve atıkların farklı amaçlar için potansiyel kullanımı göz önüne alındığında kullanım miktarlarını sınırlandırmak amacıyla farklı mineral katkıların kullanım potansiyeli araştırılmıştır. Bu amaçla atık ikamesi olarak kırılmış kalkerli kum (KK) ve çimento ikamesi olarak yüksek fırın cürufu veya uçucu kül (YFC veya UK) kullanılarak kısa/uzun vadeli ÇMD performansının arttırılması ve çimento ile ilgili maliyetlerin düşürülmesi planlanmıştır. ÇMD'lerin kalite ve performansının değerlendirilmesi amacıyla mekanik (UCS, gerilim-şekil değiştirme ve elastisite modülü), ultrasonik (UPV, ultrasonik darbe hızı) ve mikroyapısal (MIP, XRD, TG/DTG ve SEM) karakterizasyon testleri deneysel olarak incelenmiştir. Numuneler kısa/uzun kürleme sürelerinde (3-180 gün), sabit katı (ağırlıkça %72) ve çimento (ağırlıkça %5) içeriklerinde hazırlanmıştır. ÇMD'lerde proses atık (agrega) ikamesi olarak beş farklı oranda kum içeriği (atık/kum: 100/0, 90/10, 80/20, 70/30, 60/40 ve 50/50) ve çimento ikamesi olarak beş farklı oranda mineral katkı içeriği (PÇ/YFC-UK: 100/0, 90/10, 80/20, 70/30, 60/40 ve 50/50) seçilmiştir. Ayrıca KK ile YFC ve UK farklı oranlarda (KK-YFC: %10 ve %30 ve KK/UK: %10 ve %30) ÇMD karışımlarında kullanılarak yapılan testler/analizler tekrar edilmiştir.
Sonuçlar, atık ikamesi olarak KK kullanımının ÇMD'lerin mukavemetini 2,74 MPa'ya kadar iyileştirdiğini göstermiştir. Bu, KK'nın ÇMD'lerin iskelet yapısını iyileştirerek daha kompakt bir yapı oluşumunu desteklendiğinin ve ince atıklardan kaynaklı gradasyon sorunlarının azalttığının bir göstergesidir. Ayrıca, yüksek CaO içeriği (ağırlıkça %54) nedeniyle KK, çimentonun hidratasyon reaksiyonlarına katkıda bulunarak uzun kür sürelerinde meydana gelebilecek asit/sızıntı oluşumlarını önlemektedir. Yapılan çalışmalarda %30 kum esaslı ÇMD'lerin (KK30) en iyi dayanımı değerlerine ulaştığı görülmüştür. ÇMD'lerin basınç dayanım sonuçları incelendiğinde, 90 günlük kürlenme süresine kadar kademeli bir artış gözlemlenirken, 90. günden sonra tüm dolgu numunelerinin dayanımlarında önemli azalmalar meydana gelmiştir. Ancak, özellikle uzun dönemde KK ve YFC katkılı ÇMD'lerin diğer numunelere kıyasla dayanım kayıpları oldukça azdı. Bu, KK'ya ek olarak YF'C'nin de yüksek CaO içeriği (YFC: ağırlıkça %32) nedeniyle hidratasyon reaksiyonlarını desteklediği ve uzun vadede dolgunun asitlenmesini önlediği şeklinde yorumlanmaktadır. Mikroyapı testleri göz önüne alındığında, optimum oranlarda kullanılan mineral katkıların (özellikle KK) ÇMD'lerin gradasyonunu iyileştirdiği ve çimento hidratasyonu için önemli kimyasal/mineralojik bileşenlere katkı sağladığı görülmektedir. Dahası, farklı mineral katkı türlerine bağlı olarak UCS ve UPV sonuçları arasında mükemmel uyumlu korelasyonlar elde edildi. UPV ve UCS arasındaki ilişki değerlendirildiğinde, regresyon analizinin tüm ÇMD örnekleri için UCS sonuçlarını tahmin etmede başarılı olduğu görülmüştür. Sonuç olarak bu tez çalışması ile atıklara alternatif olarak kullanılacak malzemelerin ÇMD teknolojisine katkısını ve aralarındaki bağlantıyı ortaya koyarak, yeraltı metal madenleri için operasyonel olarak düşük maliyetli, kolay ve uygulanabilir bir dolgu tasarımına olanak tanıyacaktır.

Abstract:
Billions of tons of tailings are produced every year in the mining sector, which has an extremely important place for national economies. As well as extracting valuable minerals, these huge quantities of tailings, which could potentially contribute to the economy, need to be well managed. Currently, the most common method used to dispose of tailings in an efficient and sustainable manner is Cemented paste backfill (CPB). However, the problems associated with tailings disposal and the economic and ecological concerns associated with cement production have made it imperative to find cost-effective and eco-friendly alternatives to the materials used in CPB.
Within the scope of the thesis, the potential for the use of different mineral admixtures has been investigated in order to reduce the gradation-induced performance problems of CCCs, to reduce cement costs and to limit the amount of use considering the potential use of tailings for different purposes. For this reason, crushed calcareous sand (CS) as a waste substitute and blast furnace slag or fly ash (YFC or UK) as a cement substitute were planned to improve the short/long term performance of the CPBs and reduce cement related costs. Mechanical (UCS, stress-strain and modulus of elasticity), ultrasonic (UPV, ultrasonic impact velocity) and microstructural (MIP, XRD, TG/DTG and SEM) characterization tests were experimentally investigated to evaluate the quality and performance of the CPBs. The samples were prepared at short/long curing times (3-180 days), with constant solid (72 wt.%) and cement (5 wt.%) contents. Five different ratios of sand content (tailings/sand: 100/0, 90/10, 80/20, 70/30, 60/40 and 50/50) as process tailings (aggregate) substitute and five different ratios of mineral additive content (PC/YFC-UK: 100/0, 90/10, 80/20, 70/30, 60/40 and 50/50) as cement substitute were selected. Furthermore, the tests/analyses were also repeated by using different ratios (KK-YFC: 10% and 30% and KK/UK: 10% and 30%) of KK and YFC and UK in the CCC mixtures.
The results showed that the use of KK as a tailings substitute improved the strength of the CPBs up to 2.74 MPa. This indicates the KK improves the skeletal structure of the CPBs, promoting the formation of a more compact structure and reducing the gradation problems caused by fine tailings. Also, due to KKs high CaO content (54 wt%), it contributes to the hydration reactions of the cement and prevents acid/leakage formation that may occur during long curing times. As a result of the tests, it was observed that 30% of sand based CPBs (KK30) achieved the best strength values. When the compressive strength results of the CPBs were examined, a gradual increase was observed until the 90-day curing period, while significant decreases occurred in the strength of all backfill samples beyond 90 days. But, especially in the long term, the strength losses of KK and YFC reinforced CPBs were considerably less compared to the other samples. This is interpreted as the high CaO content of YFC (YFC: 32 wt%), as well as KK, promotes hydration reactions and prevents acidification of the backfill in the long term. Considering the microstructural tests, it is seen that mineral admixtures (especially KK) used in optimum ratios improve the gradation of the CPBs and contribute important chemical/mineralogical components for cement hydration. Moreover, excellent consistent correlations were obtained between UCS and UPV results depending on the different types of mineral admixtures. When the relationship between UPV and UCS was evaluated, regression analysis was found to be successful in predicting the UCS results for all CPB samples. In conclusion, this thesis will demonstrate the contribution of materials to be used as alternatives to tailings and their relationship to CPB technology, enabling an operationally cost-effective, easy and feasible backfill design for underground metal mines.