Farklı tür kil kaynaklarının kireçtaşı kalsine kil çimentolu (LC3) harçların taze ve mekanik özelliklerine etkileri
The effects of different types of clay sources on the fresh and mechanical properties of limestone calcined clay cement (LC3) mortars
Yazar: İMİRZA OKAY ALTUNTAŞ
Danışman: DOÇ. DR. OĞUZHAN ÖZTÜRK
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Kireçtaşı kalsine kil (LC3) çimentolar temel olarak klinkere göre düşük CO2 emisyonu, ulaşılabilir hammadde kaynakları ve kalsinasyon sırasında düşük enerji sarfiyatıyla umut vadetmektedir. Bu tez kapsamında Türkiye menşeili farklı düşük kalite kil kaynaklarıyla CEM I çimento/harç karışımlarıyla rekabet edebilecek taze ve mekanik özelliklere sahip LC3 çimento/harç karışımlarının geliştirilmesi ele alınmaktadır. Bu tez çalışmasında Türkiye menşeili düşük kaliteli ve atık kaynaklı çeşitli killer kullanılarak LC3 hamur ve harçları geliştirilmiştir. Bu kapsamda, Türkiye menşeili düşük kaliteli ve atık kaynaklı killerin özelliklerinin belirlenmesi amacıyla killer bireysel olarak X-ışını difraktometresi (XRD) analizi ve termogravimetrik analiz (TGA) sonucu karakterize edilmiş, ardından killerin plastisite dereceleri ve buna bağlı olarak öğütmeye etkileri belirlenmiştir. Analizler sonucu 750 °C'de kalsine edilen düşük kaliteli kil kaynakları diğer hammadde kaynakları ile birlikte hibrit öğütme sistemi ile hazırlanmıştır. Bunun yanında LC3 harçlarında kil kaynağı olarak inşaat/yıkıntı atığı olarak temin edilen delikli tuğla da kullanılmıştır. Referans olarak ise CEM I standart çimento harcı ve yüksek kaolinit içeriğine sahip rafine kaolin ile üretilen LC3 harçları kullanılmıştır. Sonuçlar, geliştirilen LC3 harçlarının ortalama yayılma çaplarının 20 cm olduğunu, 28 günlük basınç dayanımlarının 45-55 MPa aralığında olduğunu göstermektedir. Düşük kalite killerle hazırlanan LC3 harçlarının tamamı 38 MPa sınır basınç dayanım değeri olarak belirlenen puzolanik indeksi sağlamıştır. Ayrıca numunelerin taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yapılan mikro morfolojilerine yönelik değerlendirmelerde düşük kaliteli ve atık esaslı LC3 harçlarının referans harçlara kıyasla bünyelerinde daha az kalsiyum hidroksit (CH) barındırdıkları, kalsine killerin CH tüketimi ile mekanik özelliklere katkıda bulunduğu, daha kompakt mikroyapıya sahip oldukları ve bazı harçlarda etrenjit oluşumlarının gerçekleştiği gözlenmiştir.
Sonuçlar değerlendirildiğinde farklı düşük kalite killerin zenginleştirme-süzme işleminden geçmemiş, seçici madencilik ürünü olmayan, kimyasal işlem görmemiş, dökme klinkerden düşük maliyetli ve düşük sıcaklıkta (450-900 °C) kalsine edilebilir olması açısından çevresel ve maliyet bakımından klinker ile ikame edilerek uygulanabilir bir bağlayıcı olduğu görülmektedir.

Abstract:
Limestone Calcined Clay (LC3) cements are promising primarily due to their lower CO2 emissions, accessible raw material sources, and lower energy consumption during calcination compared to clinker. This thesis focuses on developing LC3 cement/mortar mixtures with fresh and mechanical properties competitive with CEM I cement/mortar mixtures, using various low-quality clay sources from Türkiye. In this study, LC3 pastes and mortars were developed using various low-quality and waste-based clays from Türkiye. Within this scope, the properties of these clays were determined through individual X-ray diffraction (XRD) analysis and thermogravimetric analysis (TGA). Subsequently, the plasticity levels of the clays and their effects on grinding were identified. Based on the analyses, low-quality clays calcined at 750 °C were prepared with other raw material sources using a hybrid grinding system. Additionally, perforated bricks obtained as construction/demolition waste were used as the clay source in LC3 mortars. CEM I standard cement and LC3 mortars produced with refined kaolin with high kaolinite content were used as reference. The results showed that the developed LC3 mortars had an average spread diameter of 20 cm and 28-day compressive strengths ranging between 45-55 MPa. All LC3 mortars prepared with low-quality clays met the pozzolanic activity index, defined as a compressive strength threshold of 38 MPa. Furthermore, evaluations of the micro-morphologies of the samples using scanning electron microscopy (SEM) revealed that LC3 mortars with low-quality and waste-based clays contained less calcium hydroxide (CH) compared to the reference mortars. The consumption of CH by the calcined clays contributed to the mechanical properties, resulting in a more compact microstructure, with ettringite formations observed in some mortars.
When the results were evaluated, it was seen that various low-quality clays, which had not undergone enrichment-filtration processes, were not selectively mined, were chemically untreated, could be calcined at low temperatures (450-900 °C), and had lower costs compared to bulk clinker, could be used as a binder that could replace clinker in terms of environmental and cost aspects.