Çimento teknolojisinde sürfaktanların kullanımı ile sürdürülebilir çimento üretimi
Sustainable cement production with the use of surfactant in cement technology
Yazar: GÖKHAN KAPLAN
Danışman: DOÇ. DR. ALİ UĞUR ÖZTÜRK
Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Sürdürülebilirlik, yaşadığımız dünyanın refahı, sürekli büyüme ve insani gelişmeler açısından oldukça önemli bir kavramdır. Beton dünyada en çok kullanılan yapı malzemelerinden birisidir. Bununla birlikte, betonun vazgeçilmez bir unsuru olan Portland çimentosunun üretimi esnasında önemli miktarda CO2 salınımı yapılarak sera etkisine neden olmaktadır. Bir ton Portland çimentosu üretimi sırasında atmosfere yaklaşık bir ton CO2 salınımı yapılmaktadır. Doğal kaynakların korunmasına ek olarak sera gazlarına ilişkin çevre sorunları, çimento ve beton endüstrisinin sürdürülebilir gelişiminde öncü bir rol oynamaktadır. İlerleyen yıllarda, kireçtaşı rezervlerinin azalmasıyla inşaat sektörü için yeterli miktarda Portland çimentosu üretmek daha zor olacaktır. Kireçtaşı rezervleri tükendiğinde Portland çimentosu üretimi duracak ve yeni inşaat projelerinin yanı sıra beton endüstrisi ile ilgili tüm istihdam da sonlanacaktır. Bu yüzden gelecekteki beton ve betonarme yapılar için sürdürülebilir çözümler aramak gereklidir. Çimento sektörü, sürdürülebilir kalkınma için çeşitli tedbirler alarak bunları uygulamaya başlamıştır. Bu uygulamalar arasında; gelişmiş ön ısıtma teknolojileri (yeni süspansiyon ön ısıtma teknolojisi), atık ısı kazanımı (organik rankine çevrimi ve kaline çevrimi), alternatif yakıtların kullanımı (atık yağ ve lastiklerin kullanımı vb.), oksijen yakıtı ile yanma teknolojisi kullanımı, amin ve amonyak esaslı solventler ile CO2 yakalanması, endüstriyel atıkların kullanımı (uçucu kül, yükse fırın cürufu vb.) ve öğütme kolaylaştırıcı katkı kullanımı yer almaktadır. 
Bu çalışmada; farklı karmaoksit içeriğine sahip dört klinker ile farklı oranlarda uçucu kül ve çimento öğütme kolaylaştırıcıları kullanılarak laboratuvar ortamında çimentolar üretilmiştir. 1. aşamada Taguchi L16 serisi kullanılarak 16 adet uçucu kül ve öğütme kolaylaştırıcı/mukavemet arttırıcı katkılı çimento ve 4 adet referans çimento olmak üzere 20 adet çimento üretilmiştir. Uçucu kül Seyitömer Termik Santrali'nden temin edilerek klinker yerine ağırlıkça %5. 15, 25 ve 35 oranlarında kullanılmıştır. Öğütme işlemi esnasında 2 adet öğütme kolaylaştırıcı ve 2 adet mukavemet arttırıcı kimyasal katkı 500, 600, 700, 800 g/t dozajında kullanılmıştır. Çimentolar klinker, alçıtaşı ve uçucu külün birlikte öğütülmesi ile elde edilmiştir.  Bu aşamada üretilen çimentolar ile hazırlanan harçlar üzerinde; taze hal özellikleri, mekanik özellikleri, boyutsal kararlık, sülfat dayanıklılığı, su emme ve maliyet gibi parametreler dikkate alınarak optimizasyon yapılmıştır. Optimizasyon sonucunda (2. aşama) özellikleri iyileştirilmiş 4 adet uçucu kül ve öğütme kolaylaştırıcı katkılı çimento, 3 adet referans çimento olmak üzere toplam 7 adet çimento üzerinde durabilite deneyleri gerçekleştirilmiştir.  2. aşamada üretilen çimentolardan elde edilen harçlar üzerinde; sülfat (Na2SO4-MgSO4) ve asit etkisi, karbonatlaşma, deniz suyu etkisi, yüksek sıcaklık etkisi, alkali silis reaksiyonu etkisi gibi durabilite deneyleri gerçekleştirilmiştir. 3. aşamada sodyum sülfat, magnezyum sülfat, sülfürik asit ve deniz suyu etkisine maruz çimento pastaları üzerinde SEM/EDS analizleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmada çimentolardaki C3A içeriğinin azalması ve C3S içeriğinin artması ile öğütülebilirliğin önemli ölçüde arttığı görülmüş ve öğütme performansı açısından C3S/C3A oranının önemli bir parametre olduğu belirlenmiştir. Öğütülebilirliği zor olan klinkerlerde uçucu kül kullanılması çimento özelliklerine katkı sağlamaktadır. Uçucu kül içeriği arttıkça çimentoların Blaine incelik değerleri artarken ortalama tane boyutları azalmıştır. Uçucu kül katkılı çimentolarda, hem öğütülebilirlik hem de dayanım açısından C3S içeriği yüksek klinker kullanımı daha uygun olmuştur. Erken yaş dayanımı açısından en etkili parametre uçucu kül oranı olmuştur. Uçucu kül içeriğinin artması ile erken yaş dayanımları azalmıştır. İnceliği yüksek ya da tane boyutu küçük olan çimentoların daha fazla büzülme gösterdiği ancak bu etkinin uçucu kül kullanımı ile azaldığı tespit edilmiştir. Uçucu kül katkısı, çimentolarda asit ve sülfat etkisi ile oluşan genleşmeleri azaltmıştır. MgSO4 harçlarda genleşmeden çok fiziksel bozulmaya yol açarken Na2SO4 harçlarda daha çok genleşeme hasarı meydana getirmiştir. SEM/EDS analizlerinde ise sülfat ve asit etkisinde çimento pastalarında etrenjit varlığı tespit edilmiştir. Ayrıca uçucu küllü çimentolarda C-S-H yapısının Ca/Si oranı azalmıştır. Deniz suyu içerisinde bekletilen çimento pastası örneklerinde de etrenjit varlığı tespit edilmiştir. 
Sonuç olarak; kompoze çimento üretiminde uçucu kül kullanılması durumunda ikame oranının %15-25 olmasının en ideal çözüm olduğu yapılan testler sonucu kanıtlanmıştır. Sürdürülebilirlik, doğal kaynakların korunması ve durabilite gibi özellikler için çimento üretiminde öğütme kolaylaştırıcıların ve uçucu külün birlikte kullanılması büyük avantajlar sağladığı belirlenmiştir.

Abstract:
Sustainability is an important concept with respect to the welfare of the world, continuous growth and development. Concrete is one of the most commonly used structural materials in the world. Nevertheless, production of Portland cement, an essential ingredient of concrete, involves significant amounts of CO2 emissions which plays a part in greenhouse effect. Production of a ton of Portland cement, leads to approximately one ton CO2 emission. In addition to the principle of preservation of natural resources, environmental problems related to greenhouse gases play an important role in the sustainable development of cement and concrete industry. It is expected that in the near future it will be more difficult to produce sufficient amounts of Portland cement for the construction industry as the limestone reserves in the world diminish. Portland cement production will come to a halt when the limestone reserves are diminished and the employment in concrete industry will be no more as new construction projects will be impossible to pursue. Therefore, it is necessary to seek sustainable solutions for the cement industry. For this purpose, several measures in motion aimed at sustainable development. Such as advanced preheating technologies (new suspension preheating technology), waste heat recovery (organic rankine cycle and kalina cycle), use of alternative fuels (waste oil and rubber, etc.), use of oxy-fuel combustion, CO2 capture with amine- and ammonia-based solvents, use of industrial waste (fly ash, blast-furnace slag, etc.), and use of grinding aids are taken into consideration. 
In this study, cement samples were produced using varying ratios of fly ash and cement grinding aids and four clinkers with different compound compositions. First phase of the study involved production of a total number of 20 cement samples, 16 fly ash and grinding aid/strength enhancer added cement samples and 4 reference cement samples, using the Taguchi L16 array. Fly ash was obtained from Seyitömer Thermal Power Plant and used as a replacement for clinker at the ratios of 5%, 15%, 25%, and 35% by weight. During the grinding process, 2 grinding aids and 2 strength enhancer chemical additives were used at the dosages of 500, 600, 700, and 800 g/t. Cements were produced by intergrinding clinker, gypsum and fly ash. In this phase, optimization of the mortar samples was performed with respect to their fresh properties, mechanical properties, dimensional stability, sulfate resistance, water absorption and cost. As a result of the optimization (the 2nd phase), a total number of 7 cement samples, 4 fly ash and grinding aid added cement samples and 3 reference cement samples, were subjected to durability experiments.  In the 2nd phase, durability tests such as sulfate (Na2SO4-MgSO4) and acid effect, carbonation, seawater effect, high temperature effect, and alkali-silica reaction effect were performed on the mortar mixtures. The 3rd phase involved SEM/EDS analyses on the cement pastes subjected to sodium sulfate, magnesium sulfate, sulfuric acid, and seawater effects. It was found that decreasing C3A content and increasing C3S content significantly improved grindability. Therefore. C3S/C3A ratio was observed take an important parameter in terms of  grindability of clinker. The use of fly ash in hard-to-grind clinkers had a positive effect on the cement properties. Blaine fineness value of the cement increased while average particle size decreased as the fly ash content increased. It was concluded that substitution oh high C3S content clinker with fly ash provides better grindability and high strength.  Fly ash ratio was found to be the most effective parameter in terms of early strength. Increasing the fly ash content decreased early age strength. Besides, the cements with higher fineness or smaller particle size expand more, however, the effect reduced with the use of fly ash. Fly ash addition reduced the expansion of the cement due to acid and sulfate effect. MgSO4 caused physical degradation by loss of mass and strength, whereas Na2SO4 resulted in expansion of the mortar mixtures in SEM/EDS analysis, ettringite was detected in cement pastes exposed to sulfate and acid effects. Moreover, Ca/Si ratio of the C-S-H reduced in fly ash added cements. Ettringite was also detected in cement paste samples stored in seawater. 
For the materials used and tests applied, it was concluded that replacement of 15wt% to 25wt% of clinker with fly ash is the ideal solution. Morever, the combined use of grinding aid admixtures and fly ash in cement production offers great advantages in terms of sustainability, preservation of natural resources and durability.