An investigation of fresh and hardened properties of cementitious grout made with combined use of waste marble powder and fly ash

Abstract

Bu tez çalışmasının temel amacı, Atık Mermer Tozu (WMP) ve Uçucu Kül (FA) ikame edilmiş çimento bazlı enjeksiyon karışımlarının yüksek su / bağlayıcı (w / b) oranlarında reolojik, işlenebilirlik, taze ve sertleştirilmiş özellikleri üzerindeki etkisini araştırmaktır.Doğal taş olan mermer talebi hızlı artışa bağlı olarak mermer ile ilgili işletme ve fabrika sayısı da artmaktadır. Bu fabrikaların kapasitesine bağlı olarak çamur, toz ve mermer atıkları ortaya çıkmakta; atık miktarı %75'e kadar ulaşmaktadır. Mermer atıklarının kullanılabilir tarımsal alanlara boşaltılması, çok ince toz şeklinde olan kısmının havaya ve suya karışması çevre kirliliğine neden olur, sağlığa olumsuz etki yapar, uzun sürede tarım arazilerini kaplayarak toprağa ve ürünlere zarar verir. Uçucu Kül, termik santrallerin baca gazından kaynaklanan silika esaslı toz halinde bir maddedir. Puzolanik etkisi olduğu için çimento hidratasyonundan açığa çıkan serbest kireci bağlar. Bu özelliği nedeni ile uçucu kül, beton üretiminde yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak Türkiye'de elektrik enerjisine olan ihtiyacın hızla artması, mevcut santralların yetersiz kalması yeni termik santralların kurulmasını zorunlu kılmaktadır, bu da ülkemizde yıllık yaklaşık 13 milyon ton olan bu atık miktarının daha da artacağı anlamına gelmektedir. Günümüzde tüm dünyada çevresel bir sorun olan katı atıklardan mermer tozu ve uçucu külün inşaat sektörünün çok önemli bir alanı olan zeminin iyileştirilmesinde kullanılması, bu atıkların ekonomik değer kazanmasını sağlayacak, katı atıkların bertaraf edilmesi ile çevre kirliliğinin önlenmesinde önemli katkıda bulunacaktır. Bu tez çalışmasında; atık sorununun çözümüne katkıda bulunmak için mermer tozu ve uçucu külün zeminlerin iyileştirilmesinde kullanılan çimento esaslı enjeksiyon harcının üretiminde kullanılması amaçlanmıştır. Bu amaçla planlanan deneysel çalışmada atık mermer tozu (WMP) ve uçucu kül (FA) çimentoya ikame edilmiş; yüksek su / bağlayıcı (w / b) oranlarındaki çimento esaslı enjeksiyon karışımlarının reolojik ve işlenebilirlik gibi taze, basınç dayanımı gibi sertleştirilmiş özellikleri deneysel çalışma ile araştırılmıştır. Bu karışımların zemine yapacağı etkilerin model deneyler ile araştırılması kapsam dışı bırakılmıştır. Çimento esaslı enjeksiyon harçlarının üretiminde dört seri karışım hazırlanmıştır. Hazırlanan ilk seride çimentoya ağırlıkça %5, 10, 15, 20, 25 oranında atık mermer tozu ilave edilmiştir. İkinci seride çimentoya ağırlıkça %25 (sabit) oranında uçucu kül, %10, 15, 20, 25, 30 oranlarında atık mermer tozu ilave edilmiştir. Üçüncü ve dördüncü seri karışımda ise ilk iki serideki oranlar sabit kalmak koşulu ile tüm karışım oranınına ağırlıkca %20 oranında kil eklenmiştir. Her seride suyun bağlayıcıya oranı 0.75, 1.00, 1.25, ve 1.5 olarak seçilmiştir. Bu malzemeler ve oranları ile toplam 48 (kırk sekiz) farklı enjeksiyon karışımı hazırlanmıştır. Karışımların her birinde taze halde iken işlenebilirlik ve reoloji testlerini içeren plaka kohezyon, marsh hunisi akış zamanı, mini slump akış çapı ve silindirik dönen rheometre gibi bir dizi test yapılmıştır. Özellikleri belirlenen seri üç ve dört karışımlar ile çapı 5.5 cm, yüksekliği 11 cm olan 432 adet silindir numune hazırlanmış; 3, 7, 28 günlerde basınç deneyleri yapılmıştır. Her seride su / bağlayıcı oranları göz önüne alınarak kontrol numunesi hazırlanmıştır. Kontrol numunelerinin içine seri bir ve ikide sadece su ve çimento, seri üç ve dörtte çimento, kil ve su katılmış herhangi bir katkı maddesi ilave edilmemiştir.Deney sonuçları kontrol numuneleri ve literatür sonuçları ile karşılaştırılmış; atık mermer tozu ve uçucu kül kullanılarak hazırlanan çimento bazlı enjeksiyonun karışımlarının zayıf zeminlerin iyileştirilmesinde enjekte edilebilir ve kullanılabilir olduğu kanaatine varılmıştır.

The main objective of this thesis study is to investigate the effect of Waste Marble Powder (WMP) and Fly Ash (FA) on the rheology, workability, fresh and hardened properties of cementitious grout with respect to higher water/ binder (w/b) ratios. Due to the rapid increase in the demand for marble, which is a natural stone, the number of enterprises and factories related to marble sector is increasing. Depending on the capacity of these factories, mud, powder and pieces of marble waste are exposed; waste amount reaches up to 75%. Emptying the marble wastes to the usable agricultural land, the mixing of the very fine powdered part into the air and the water causes environmental pollution, has a negative effect on the health, covering the agricultural land in a long time and damages the soil and the products.Fly Ash is a silica-based powdery substance originating from the flue-gas of thermal power plants. Because of its pozzolanic effect, it binds free lime from cement hydration. This feature caused by fly ash in concrete production are widely used, but the rapid increase in the demand for electrical energy in Turkey, inadequacy of existing plants necessitates the creation of new thermal power plants, which in our country annually about 13 million tons, which will further increase the amount of this waste it means.The use of marble dust and fly ash from the solid wastes, which is an environmental problem in the world, in the improvement of the ground, which is a very important area of the construction sector, will provide the economic value of these wastes and will contribute to the prevention of environmental pollution by the removal of solid wastes. In this thesis; In order to contribute to the solution of the waste problem, it is aimed to use marble dust and fly ash in the production of cement based grout which is used for the treatment of soils. In the experimental study planned for this purpose, waste marble powder (WMP) and fly ash (FA) were replaced with cement; in this study, the fresh and hardened properties of cement based grout mixtures were investigated by experimental study. The investigation of the effects of these mixtures on the ground by model experiments was excluded.Four series of mixtures were prepared for the production of cement based injection mortars. In the first series prepared, 5, 10, 15, 20, 25% by weight of the marble was added to the cement. In the second series 25% (fixed) by weight of fly ash, 10, 15, 20, 25, 30% of the amount of waste marble dust was added to the cement. In the third and fourth batch mix, 20% by weight of clay is added to the whole mixture ratio provided that the ratios in the first two series remain constant. The ratio of water to the binder in each series was chosen as 0.75, 1.00, 1.25, and 1.5. A total of 48 (forty-eight) different injection mixtures were prepared with these materials and ratios. In each of the mixtures, a series of tests, such as plate cohesion, marsh funnel flow time, mini slump flow diameter, and cylindrical rotating rheometer, were carried out, including freshness and rheology tests. Specifically prepared series of 432 cylindrical specimens with a diameter of 5.5 cm, 11 cm in height, with three and four series identified; unconfined compressive strength test (UCS) were performed on 3, 7, 28 days. In each series, control sample was prepared by considering water-binding ratios. Control samples ingredient included first and second series water and cement, thirth and fourth series water, cement and clay. No additives were added to the cntrol samples.The test results were compared with the control samples and the literature; It has been concluded that mixtures of cement based grout prepared using waste marble dust and fly ash can be injected and used in the treatment of weak soils.