Yıkama suyu filtre kalıntı malzemesinin harç özelliklerine etkisi
Effects of washwater filter residue material on properties of mortars
Yazar: ADİL GÖRKEM GEDİK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÜNAL ANIL DOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Filtreler = Filters ; Harç = Mortar ; Kalıntılar = Residues ; Su filtreleri = Water filters

Özet:
İnşaat sektöründeki yatırımların günden güne artması yapı malzemelerinin, özellikle de yapımda en çok kullanılan malzeme olan betonun tüketimini de arttırmıştır. Kaynakların sorumlu tüketimi konusunda inşaat mühendislerini düşünmeye iten bu durum, hazır beton tesislerinde sürdürülebilir beton üretimi gerçekleştirmek amacıyla yapılan çalışmaların tetikleyicisi olmuştur. Beton üretim maliyetinin geçmişe oranla yüksek oluşu, sertleşmiş betonun geri dönüştürülmesinde yaşanan zorluklar ve taze betonun doğaya ve çevreye verebileceği potansiyel zararların tümü göze alındığında, hazır beton tesislerinde atık taze betonun geri dönüşümü çalışmaları özellikle son yıllarda büyük önem kazanmıştır. 
Hazır beton tesislerinde taze betonun geri dönüştürülmesinde yaygın olarak kullanılan bir yöntem, yıkama suyu, filtre malzemesi ve agregaların ayrı ayrı toplanması şeklindedir. Bu yöntemde, transmikserler beton sertleşmeden önce taze betonu uzaklaştırmak üzere şebeke suyu ile yıkanır. Daha sonra atık ürün ayırma ünitesi görevi gören spiral elemanlara sahip bir tambura aktarılır. Agregalar ile ince parçacıklar içeren yıkama suyu tamburdan iki farklı ürün olarak çıkar. Yüksek miktarda askıda ince partikül içeren yıkama suyu, çökeltme havuzlarında toplanır ve filtre prese pompalanır. İşlemin son ürünleri, yeni beton üretimlerinde karışım suyu olarak kullanılabilen büyük ölçüde arıtılmış yıkama suyu ve filtre kalıntı malzemesidir. Filtre malzemesinin ağır metal içeriği, yüksek alkalinitesi ve atık sahalarına taşınma maliyeti dikkate alınması gereken önemli sorunlardır. Bu bağlamda, beton üretiminde yeniden kullanılması ekonomik ve çevresel açıdan faydalı olabilir.
Filtre malzemesi büyük oranda hidrate çimento, ince malzemeler, su ve genellikle ihmal edilebilir miktarlarda anhidr çimentodan oluşan bir karışımdır. Bu sebeple, bileşenlerinin çoğu zaman hidratasyon tepkimesi vermesi beklenmemektedir. Ortalama tane boyutunun oldukça küçük olması ve yapısında kalsiyum silikat hidratların varlığı filler malzeme olarak kullanılması bakımından önemlidir. Literatürde filtre malzemesinin hem filler malzeme olarak kullanımı hem de hidratasyona olan etkileriyle ilgili çalışmalar mevcut olsa da; özellikle hidratasyona etkilerinin geniş kapsamda araştırıldığı çalışmaların sayısı azdır.
Yukarıda verilen bilgiler ışığında bu tez çalışmasının amacı, hazır beton tesislerinden elde edilen filtre kalıntı malzemesinin harç üretiminde ilave veya ikame malzeme olarak kullanılarak bertaraf edilmesidir. Bu kapsamda, hazır beton tesisinden elde edilen filtre malzemesi önce küçük parçalara ayrılarak 110±5oC'de 24 saat kurumaya bırakılmıştır. Daha sonra ortalama tane boyutu çimento boyutuna (<90 µm) indirgenmiştir. Filtre malzemesi üç set halinde harç hazırlığına dahil edilmiştir. İlk sette, çimento ile %10 ve %20 oranlarında ikame edilmiştir. İkinci sette, kalker tozu ile birlikte, bu iki malzemenin toplam miktarı karışımdaki çimento miktarının %10'u veya %20'si olacak şekilde harçlara ilave malzeme olarak dahil edilmiştir. Filtre malzemesi ve kalker tozunun birbirlerine göre karışım oranları ise sırasıyla, %0-100, %33-67, %67-33 ve %100-0 olarak belirlenmiştir. Üçüncü sette ise filtre malzemesi ve kalker tozu birbirlerine göre ikinci sette kullanılan oranlarla, kum ile ağırlıkça ikame edilmiştir. İkame oranı sırasıyla kum miktarının ağırlıkça %10'u ve %20'si olarak belirlenmiştir. Karışımların su/çimento oranları 0,50 ve 0,60 olarak seçilmiştir. 
Üretilen harçların taze ve sertleşmiş durumdaki özellikleri bu tez kapsamında incelenmiş ve yorumlanmıştır. Taze harçların yayılma tablası deneyi ile kıvam değerleri karşılaştırılmıştır. 3, 7, 28 ve 90. günlerde tek eksenli basınç deneyi gerçekleştirilmiştir. Basınç dayanımı sonuçlarına istinaden son iki set içinden seçilen belirli karışımlar tekrar üretilerek, numunelerin 10oC, 20oC ve 30oC sabit ortam sıcaklıkları altında izotermal kalorimetre metodu ile 72 saat boyunca hidratasyon özellikleri gözlenmiştir. 3 günlük basınç dayanımı deneyi, hidratasyon ve dayanım arasındaki yakın ilişkiyi gözlemlemek amacıyla gerçekleştirilmiştir. 
Sonuçlar, kum ile ikame edildiğinde veya karışımda ilave olarak kullanıldığında, filtre malzemesinin dayanımı arttırdığını ve mekanik özelliklerin iyileştiğini göstermiştir. Kalker tozu kullanımında görülen filler etkisi filtre malzemesiyle de görülmüştür. Çimento ile ikame edildiğinde, seyreltici etkiden dolayı dayanımda düşüş gözlenmiştir. İnce malzeme olduğundan, karışımlara belirli bir oranın üzerinde dahil edilmesi işlenebilirlik açısından problemlere neden olmaktadır. 30°C ortam sıcaklığında 72 saatteki toplam hidratasyon ısısını arttırmasının yanında, filtre malzemesi 10°C ortam sıcaklığında da toplam ısıya katkıda bulunmuştur. Genel olarak 72 saat boyunca hidratasyon hızını arttırıcı etki göstermiş, uyku periyodunun ve priz sürelerinin kısalmasına neden olmuştur. Filtre malzemesi kullanımıyla ana hidratasyon zirvelerinin gerçekleştiği süreler kısalmış, maksimum hız değerleri artmıştır. Elde edilen bulgular  filtre malzemesinin kış koşullarında hidratasyonu hızlandırıcı ve erken dayanımı arttırıcı bir malzeme olarak kullanılması fikrini desteklemektedir. Ancak yüksek sıcaklıklarda rötre ve termal çatlakların engellenmesi için gerekli önlemler alınmalıdır. Filtre malzemesinin üretimde yeniden kullanımının, beton özellikleri ve sürdürülebilirlik konusundaki olumlu etkileri ile fayda sağladığı görülmüştür.

Abstract:
Increasingly ongoing investments in the construction sector has also increased the usage of the construction materials, especially concrete, which is the most used material in structures. The excessive usage of the materials, which compelles civil engineers to think about responsible consumption of resources, has been the trigger of the studies carried out to success sustainable concrete production in ready-mixed concrete plants. Considering the high cost of concrete production compared to the past, the difficulties experienced in recycling hardened concrete, and the potential harm that fresh concrete may cause to the nature and the environment, the recycling of waste fresh concrete in ready-mixed concrete plants has gained great importance in recent years.
A common process for recycling fresh concrete in ready-mixed concrete plants consists of an equipment system which can collect washwater, filter material, and aggregates seperately from the mixture. In this method, after inside of the truck mixers being washed with tap water to remove the fresh concrete prior to the concrete hardens, the mixture is transferred to a drum with spiral elements which acts as a separation unit. The aggregates and the mixture of washwater and fine particles exit the drum as two different products. The washwater containing high amount of suspended fine particles is collected in settling tanks and pumped into the filter press. The end products of the process are the treated washwater which can be used as mixing water in new concrete productions and the filter material, so-called washwater sludge. The heavy metal content and high alkalinity of the filter material, and the cost of transportation to landfills are important issues to be considered. If some instabilities related with the material properties can be removed, reusing it in concrete production in ready-mixed concrete plants can be economically and environmentally favorable.
The filter material is in a form of hydrated cement, fines, water and generally negligible amounts of anhydrous cement mixture. For this reason, its components are not expected to give significant hydration reactions most of the time. The fact that its average particle size is quite small and the presence of calcium silicate hydrates in the structure promotes the idea of using it as fillers. There are some researchs stating that the filter material contributes to the hydration process by acting as nucleation sites or due to its high pH value.
Hydration is an exothermic reaction which takes place in concrete right after the cement and water meet. Depending mainly on cement components, its duration, rate and the amount of heat released are affected by many factors such as water to cement ratio, existence of chemical admixtures, pozzolanas or other additives, curing temperature, cement dosage, fineness of cement, sulphates, aggregate type and so on. Hydration reaction may still continue at very low rates even after many years. Hydration mechanism mainly consists of four periods: Initial period, induction period (dormant period), acceleration period and decelatory period. The initial period is formed usually due to the reaction of tri-calcium aluminate phases, while tri-calcium silicate is responsible for the main hydration. Depending on such factors stated above, the occurance times and specific heat values of all these periods change. Accordingly, the properties of concrete in fresh and hardened state will form in relation with heat evolution, rate of hydration, setting times and so on. The heat of hydration and hydration rate are well monitored with isothermal calorimeters which can measure the heat generation under a constant temperature and give more accurate results than other type of calorimeters do. However, their small chamber is a limitation in relation to representing concrete in large volumes. Also, they don't allow the samples to be mixed internally and this later on leads to that first heat of hydration peak due to very fast reaction of C3A in first minutes can not be observed. 
In the light of the information given above, the aim of this thesis study is set to dispose of the filter material obtained from ready-mixed concrete plants by using it as an additive or substitute material in mortar production. In this context, the filter material obtained from the ready-mixed concrete plant was first cut into small pieces and left to dry at 110±5oC for 24 hours. It was then ground to the cement size (<90 µm) and included in the mortar preparation in three sets. In the first set, the filter material was used as a substitution for cement at 10% and 20%, respectively. In the second set, the filter material and limestone powder were incorporated into mortars as additives.  The addition rates were determined as 10% and 20% of the cement weight, respectively. In the third set, the filter material and the limestone powder were replaced with sand by weight, providing that the total amount of these two materials is 10% and 20% of the amount of sand in the mixture. The ratios of filter material and limestone powder compared to each other were determined as 0-100%, 33-67%, 67-33% and 100-0%, respectively.
The workability of fresh mortars were compared with the flow-table test. Uniaxial compression tests were performed on days 3, 7, 28 and 90. Based on the compressive strength test results, the mixtures selected from the last two sets were reproduced and their hydration properties were observed for 72 hours by isothermal calorimetry method under constant temperatures of 10oC, 20oC and 30oC. The 3-day compressive strength test was carried out to observe the close link between the hydration mechanism and the strength.
The results showed that the filter material increases the strength especially at early ages and the mechanical properties are improved when it is used as a substitution for sand or used as an additive in the mixture. On the other hand, the compressive strengths of mortars in which the filter material was replaced with cement were lower than the reference mortar. However, the gap between the reference and the mortars with the filter material replaced with cement decreased with time. The filler effect seen in the use of limestone powder was also observed with the filter material. Since it is a very fine material, its inclusion in the mixtures above a certain rate may cause problems in terms of workability. Besides increasing the total heat of hydration within 3 days at 30°C, the filter material contributed to the total heat of hydration even at 10°C. The filter material increased the rate of dissolution of cement in water during the first hours of the hydration reaction. The 3 days compressive strength values were well connected with hydration heat values. The findings support the idea of using the filter material as hydration accelerator so that a rapid early strength development can be obtained in winter conditions. It's already a widely used option to use the washwater as replacement with tap water thanks to its fine content stimulating the hydration and making the setting times become earlier. The same procedure can be followed with the filter material considering its hydration boosting effect. However, necessary precautions should be taken to prevent shrinkage related or thermal cracks at high temperatures as it can lead to occur high temperature differences in concrete occasionally. 
To sum up, the filter material is found to be a good recycling material with its positive influences on mechanical and hydration properties of mortars.