Granüle yüksek fırın cürufu ve taban külü ince agregaları ile üretilmiş betonun gerilme şekil değiştirme davranışının incelenmesi

Abstract

Granüle yüksek fırın cürufu, demir çelik endüstrisinin önemli bir atığı/yan ürünüdür. Bu atığın/yan ürünün, puzolanik ve bağlayıcılık özelliğinden yararlanılarak yapı sektöründe değerlendirilmesi ile ilgili birçok araştırma mevcuttur. Granüle yüksek fırın cürufunun harç veya beton içinde gerek bağlayıcı, gerekse kaba ve ince agrega olarak kullanımına ait geçmiş çalışmalar bulunmaktadır. Kömürle çalışan termik santrallerde ise, yanma sırasında, yanma kazanının altında biriken mikron (μm) boyutundaki atığa/yan ürüne `taban külü` denilmektedir. Taban külleri de genellikle silisli ve alüminli olan bileşimi dolayısıyla puzolanik özellik göstererek harç ve betonda katkı malzemesi olarak kullanılmaktadırlar. Tüm bu atıklar/yan ürünler, doğaya bırakıldıkları takdirde çevreye zarar veren ve depolanmaları ve/veya bertaraf edilmeleri ise ekonomik açıdan kayıplara sebep olan malzemelerdir. Bu tür atıkların başka bir sektörde, farklı bir ürün üretiminde değerlendirilmeleri hem çevresel hem de ekonomik açıdan büyük avantajlar kazandıracaktır ve sürdürülebilir malzeme üretimine de katkı sağlayacaktır. Bu çalışmada, granüle yüksek fırın cürufu ve taban külünün, klasik beton üretiminde ince agrega olarak kullanılan kumun yerine belirli oranlarda ikame edilerek, bu atıkların betonun mekanik özellikleri üzerinde ki etkilerinin araştırılması amaçlanmaktadır. Özellikle, betonun gerilme-şekil değiştirme davranışı, elastisite modülü, tokluğu, ve son olarak basınç mukavemeti değişimi üzerinde durulmuştur. Bu değerlerden, elastisite modulü ve tokluk tahribatlı deney yöntemleri ile (statik) tespit edilmiştir. Böylece, deneysel olarak elde edilen bazı parametrelerin, ampirik formüller ile elde edilen sonuçlarla karşılaştırılması da gerçekleştirilmiştir. Çalışmada dört aşamalı deneysel bir program izlenmiştir. İlk aşamada, kullanılacak tüm malzemelerin karakterizasyonunu içeren bir dizi deney yapılmıştır. İkinci aşamada, doğal ince agrega kullanılarak hazırlanacak referans betonun, karışım tasarımı gerçekleştirilmiştir. Üçüncü aşamada ise, taban külü ve yüksek fırın cürufu, ayrı ayrı, %25, %50, %75 ve %100 oranlarında ince agrega yerine ikame edilerek, beton numuneleri hazırlanmıştır. Dördüncü ve son aşamada ise, hazırlanan numunelerin 7 ve 28 günlük standart su kürü uygulamasından sonra, mekanik özellikleri tespit edilmiştir. Sonuç olarak, granüle yüksek fırın cürufu ve taban külü gibi endüstriyel atık/yan ürünlerin, beton tasarımı içinde ince agrega olarak kullanımının, betonun mekanik özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bunun yanı sıra, bu malzemelerin ince agrega olarak kullanıldığı betonların, elastisite modülü ve tokluk gibi bazı parametreleri statik olarak tespit edilerek, sonuçların kıyaslanması sağlanmıştır.

The granulated blast furnace slag is a valuable waste/by-product of the iron and steel industry. In the literature, there are many studies on the evaluation of this waste/by product in the construction industry, using its puzzolanic and binding properties. In some of these past researches, the granulated blast furnace slag was used as the fine/coarse aggregate and binder in mortar or concrete. In coal-fired thermal power plants, the waste/by product deposited under the combustion boiler during combustion in the size of micron (μm) is called as `bottom ash`. The bottom ash that generally shows a puzzolanic feature due to its composition containing silica and alumina is also used as an additive material in mortar or concrete. These two types of industrial wastes/by products damage the natural environment and lead to economic losses because of their storage and/or disposal. Use of these wastes in different products and industries can likely contribute to the production of sustainable materials and provide important benefits environmentally and economically.In this study, it is aimed to investigate the effects of the blast furnace slag and the bottom ash on mechanical properties of concrete, substituting these wastes in specific proportions instead of sand used as the fine aggregate in the conventional concrete production. This study has particularly focused on the stress-strain behavior, modulus of elasticity, toughness and compressive strength of finally the change in concrete. Using these numerical values, modulus of elasticity has been determined by destructive (static) test methods. Thus, parameters obtained experimentally have been compared with results of empirical formulas. In this study, a four-stage experimental program has been followed. In the first stage, a number of experiments that consist of the characterization of all materials to be used have been applied. In the second stage, the composition design of the standard concrete has been prepared using the standard fine aggregate (river sand). In the third stage, the blast furnace slag and the bottom ash have separately been replaced with the fine aggregate in concrete at the percentages of 25, 50, 75, and 100. In the fourth stage, finally, mechanical properties of specimens have been determined after 7 and 28 days standard water cure.Consequently, the effect of the use of some industrial wastes/by-products (i.e., granulated blast furnace slag and bottom ash) in concrete as the fine aggregate on mechanical properties of concrete have been investigated. In addition, some parameters (e.g., modulus of elasticity and Poisson ratio) of concrete that includes these two types of wastes/by-products in place of the fine aggregate are found out statically and the corresponding experimental and empirical results are compared with each other in terms of their similarities and differences.