TR2021005535A2 - Jeopoli̇mer beton üreti̇m yöntemi̇ - Google Patents

Abstract

Bu buluş, demir ve çelik üretimi sırasında açığa çıkan yüksek fırın ve bazik oksijen fırını kaynaklı cüruflar kullanılarak jeopolimer beton üretilmesi ile ilgilidir. Bu buluş ile ısıl kür, su kürü, buhar kürü gibi işlemler gerektirmeyen ve yüksek basınç dayanımı gösteren jeopolimer betonlar üretilebilmektedir. Buluş ile ciddi bir atık olan bazik oksijen fırını cürufunun jeopolimer bağlayıcı malzemesi olarak kullanılması ve yol açtığı çevresel ve ekonomik sorunların azaltılması sağlanabilir. Buluş ile elde edilen beton, Portland çimentosu ile elde edilen betonla kıyaslanabilir mekanik özelliklere sahiptir. Buluş ile elde edilen jeopolimer hazır beton ve jeopolimer prekast beton da açıklanmıştır.

Description

TARIFNAME JEOPOLIMER BETON ÜRETIM YÖNTEMI Teknik Alan Bu bulus, demir ve çelik üretimi sirasinda açiga çikan yüksek firin ve bazik oksijen firini kaynakli cüruflar kullanilarak jeopolimer beton üretilmesi ile ilgilidir. Önceki Teknik Demir ve çelik endüstrisinin atiklarindan olan yüksek firin cürufu (YFC) ve bazik oksijen firini (BOF) cürufunun degerlendirilmesine yönelik çesitli çözümler ve çalismalar bulunmaktadir. Yüksek firin cürufu çimento üretiminin girdileri arasinda yer almaktadir. BOF cürufu ise çimento üretiminde kullanilmakta, ayrica agrega olarak kullanilabilmekte buna karsin genlesmeye bagli olarak birlikte kullanildigi harç veya betonda çatlamalara yol açtigi için daha çok yol agregasi ve demiryolu halasti gibi sinirli uygulama alanlarinda kullanilabilmektedir. Bu nedenle açiga çikan BOF cürufunun çogu bertaraf edilmektedir. Üretimi sirasinda büyük miktarda fosil yakit tüketildigi ve yüksek karbon dioksit salimi gerçeklestirildigi için çimentoya alternatif malzemelerden beton üretiminin gelistirilmesi yönünde bir gereksinim bulunmaktadir. Bunun için özellikle jeopolimerler üzerinde durulmaktadir. Yüksek firin cürufunun veya BOF cürufunun jeopolimer beton üretiminde kullanilmasina yönelik bazi çalismalar yürütülmektedir. Bu gibi betonlarin yaygin kullanimi ise en azindan Portland çimentosundan elde edilen betonlar ile benzer dayanima sahip olmalarini gerektirmektedir. Lee vd. (2020) [l] uçucu kül ve YFC`den elde ettikleri jeopolimer matrise BOF cürufunu agrega olarak ilave etmis ve BOF cürufunun yol açabilecegi olumsuz genlesme etkilerinin giderilebilecegini deneysel olarak belirlemistir. Bellum vd. (2019) [2] uçucu kül ve YFCjyi baglayici olarak kullandiklari çalismada bu iki malzemeyi farkli oranlarda birlestirerek sodyum hidroksit ve sodyum silikat çözeltisi ile aktive etmis (sodyum silikat / sodyum hidroksit orani 2,5 olarak sabit alinmis), hazirlanan beton numuneler 28. Güne kadar ortam kosullarinda kürlenmistir. Beton numunelerin basinç dayanimi yaklasik 3 MPa ile 38 MPa arasinda, elastisite modülü ise 28. Günde yaklasik Reddy Vd. (2018) [3] uçucu kül ve YFC"yi baglayici olarak kullandiklari çalismada bu iki malzemeyi farkli oranlarda birlestirerek sodyum hidroksit ve sodyum silikat çözeltisi ile aktive etmis, sodyum hidroksit molaritesi 14 M olarak ve sodyum silikat / sodyum hidroksit orani 1,5 olarak sabit alinmistir. Beton numuneler ortam kosullarinda kür edilmis, basinç dayan1m128 ve 56. Günlerde belirlenmistir. Deney sonuçlarina göre basinç dayaniminin 28. degistigi belirlenmistir. Farhan vd. (2019) [4] uçucu kül ve cürufu ayri ayri kullandiklari çalismada alkali aktivatör olarak sodyum hidroksit ve sodyum silikat kullanmis, normal dayanimli ve yüksek dayanimli jeopolimer betonlar üreterek deney sonuçlarini Portland çimentolu betonla kiyaslamislardir. Bulusun Amaçlari Bu bulusun amaci, demir ve çelik üretimi sirasinda açiga çikan yüksek firin ve bazik oksijen firini kaynakli cüruflar kullanilarak jeopolimer beton üretilmesini saglayan bir yönteminin gelistirilmesidir. Bu bulusun baska bir amaci da, genellikle atik sahalarinda depolanan ve çevre açisindan önemli bir problem teskil eden BOF Cürufunun geopolimer beton üretiminde kullanimini saglayan bir yöntemin gelistirilmesidir. Bu bulusun daha baska bir amaci da, 1511 kür, su kürü, buhar kürü gibi islemler gerektirmeyen jeopolimer beton üretilebilmesini saglayan bir yöntemin gelistirilmesidir. Bu bulusun daha baska bir amaci da, yüksek basinç dayanimi saglayan jeopolimer beton üretilmesini saglayan bir yöntemin gelistirilmesidir. Üretilen jeopolimer betonlarin en azindan Portland çimentosundan elde edilen betonlar ile karsilastirilabilir düzeyde dayanim göstermesi amaçlanmaktadir. Bu bulusun daha baska bir amaci da, çesitli mühendislik uygulamalarina uygun, hazir beton ve prekast beton sektöründe kullanilabilecek jeopolimer betonlarin üretilmesini saglayan bir yöntemin gelistirilmesidir. Bulusun daha baska bir amaci da, yüksek firin ve bazik oksijen firini kaynakli cüruflardan üretilen bir jeopolimer betonun gelistirilmesidir. Bulusun Ayrintili Açiklamasi Bulus konusu jeopolimer beton üretim yöntemine göre, temelde, demir üretimi sirasinda açiga çikan yüksek firin kaynakli Cüruf ile çelik üretimi sirasinda açiga çikan bazik oksijen firini kaynakli Cüruf karisimi, alkali aktivatör ile karistirilmaktadir. Alkali aktivatör olarak sulu sodyum hidroksit ve potasyum hidroksitten en az birisi ile sodyum silikat çözeltisi kullanilmaktadir. Bu yönteme göre, 1511 kür, su kürü, buhar kürü gibi islemler uygulanmaksizin yüksek basinç dayanimina sahip jeopolimer betonlar elde edilebilmektedir. Yüksek firin cürufu içerigi, cevher, yakit ve aki (flux) içerigine ve sürecin detaylarina bagli olarak degiskenlik göstermektedir. Cevher içerigindeki demir oksitlerinin indirgenmesi sonucunda, bu Cüruf silika, kalsiyum oksit ve alüminyum oksit gibi basta aki kaynakli unsurlarin oksitlerince zengindir. BOF Cürufu içerigi de, yüklenen demir ve aki içerigine ve ön islemler ve yükseltgenme süreçlerinin detaylarina bagli olarak degiskenlik göstermektedir. Yüklenen demir içindeki istenmeyen maddeler ile birlikte demirin bir kisminin yükseltgenmesi sonucunda, bu Cüruf çesitli demir (III) oksit basta olmak üzere çesitli metal oksitleri içermesinin yaninda, yine aki kaynakli kalsiyum oksit de içermektedir. Bulusun gerçeklestirilmesi için kullanilan BOF cürufu atmosfer kosullarinda bekletilmis ve/veya bekletilmemis halde olabilir. Bulus konusu jeopolimer beton üretim yöntemi - yüksek firin Cüruûi ile BOF Cürufunun karistirilarak bir Cüruf karisiminin hazirlanmasi, - sodyum hidroksit veya potasyum hidroksit ile sodyum silikat içeren sulu çözeltinin hazirlanmasi, - Cüruf karisimi, çözelti ve ince ve iri agreganin karistirilmasi adimlarini içermektedir. Bu adimlar sonucunda kullanim alaninda dökümü yapilacak hazir beton elde edilmektedir. Bulusa göre elde edilen jeopolimer hazir beton, özel bir islem gerektirmeden kürlenmektedir. Bulusun bir uygulamasinda Cüruf karisimi, çözelti ve ince ve iri agreganin karistirilmasi adimi sonrasinda Cüruf karisimi, çözelti ve agrega karisiminin bir kaliba dökülmesi ve kalipta bekletilmesi adimi da uygulanmaktadir. Bu adim sonucunda jeopolimer prekast beton elde edilmektedir. Karisim, bekletilmesi sirasinda özel bir islem gerektirmeden kürlenmektedir. Karisim, belirli bir süre boyunca kalipta bekletilmesi sonrasinda, belirli bir süre boyunca da açikta bekletilebilir. Tercihen, karisimin kaliba dökülmesi öncesinde kaliba donatilar da yerlestirilmektedir. Kullanilacak cüruflarin baslangiçtaki tane boyutlarina bagli olarak, cüruf karisiminin hazirlanmasi adimi öncesinde, yüksek firin cürufu ve bazik oksijen firini cüruflarindan en az birisinin ögütülmesi adimi da uygulanabilir. BOF cürufuiiuii inceligi bu malzemenin jeopolimer baglayici içerisindeki reaktivitesini ve mekanik özelliklere katkisini olumlu yönde etkilemektedir. BOF cürufu tanelerinin %50"sinin çapi 10 ile 60 iim arasindaki bir degerden küçük olabilir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda Blaine özgül yüzeyi tanelerinin %507sinin çapi 10 ile 50 nm arasindaki bir degerin altinda olan BOF cürufu kullanilmaktadir. Cüruf karisiminin hazirlanmasi öncesinde, yüksek firin cürufu ve BOF cüruflarindan en az birisinin kurutulmasi adimi da uygulanabilir. Bu adim, depolanmis cüruflarin, özellikle de BOF cürufunun nemden arindirilmasi gereken durumlarda uygulanabilmektedir. Bulusun tercih edilen bir uygulamasinda, hacmen %20 ile %60 arasinda BOF cürufu içeren bir cüruf karisimi ile molaritesi 4 ile 10 M arasinda olan sodyum hidroksit ve 0,8 ile 1,6 araliginda silika modülüne sahip sodyum silikat içeren çözelti hazirlanmaktadir. Ince agrega olarak 2 mm altinda dane çapina sahip dogal kum ve 4 mm altinda dane çapina sahip kirma agregasi kullanilabilmektedir. Beton karisiminda, kalip boyutlarina ve beton hacmine bagli olarak; ince agrega olarak 0 ile 4 mm araliginda dogal kum ve/Veya kirma kum, iri agrega olarak ise 4 ile 63 mm araliginda kullanilabilir. Iri agreganin en büyük dane boyutu betonun dökülecegi kaliba ve donati sikligina bagli olarak arttirilabilir. Bulusun bu uygulamasinda, çözelti / cüruf karisimi orani agirlikça 0,30 ile 0,50 arasinda olacak biçimde karistirilmaktadir. Agrega orani ise, çözelti ile cüruf karisimindan olusan baglayici, metreküpte 300 ile 500 kg olacak biçimde ayarlanmaktadir. Betonun yeterli yani ile 25 cm arasinda slump çökme degerine karsilik gelen islenebilirlige sahip olmasi için, karisima, baglayicinin agirlikça %0,5`i ila 2,0"si oraninda süper akiskanlastirici da eklenebilmektedir. Bulus konusu yöntemin ve bu yöntem ile elde edilen jeopolimer betonun etkinliginin degerlendirilmesi için, belirli süreler ile bekletilmis beton örnekleri ile deneyler de gerçeklestirilmistir. Bu deneyler sirasinda içerikleri Tablo l"de verilen cürutlar kullanilmistir. Tablo 1 - Yüksek firin cürufu ve bazik oksijen firini eürufunun kimyasal bilesimleri Kimyasal bilesim (%) YFC BOF Cürufu P205 - 0,65±O,15 Cr203 - 0,00-0,15 Mn203 - 2,5±1,0 Deneyler için hacmen %10 ile 90 arasinda BOF cürufu içeren bir cüruf karisimi ve molaritesi 4 ile 14 M arasinda olan sodyum hidroksit ve 0,6 ile 2,5 araliginda silika modülüne sahip sodyum silikat içeren çözelti, çözelti / cüruf karisimi orani agirlikça 0,20 ile 0,60 arasinda olacak biçimde baglayici ile ince agrega olarak 2 mm altinda dane çapina sahip dogal kum ve 4 mm altinda dane çapina sahip kirma kum, iri agrega olarak da 4 ile 11,2 mm araliginda ve 11,2 ile 22,4 mm araliginda kirma tas agregasindan olusan agregayi da metre küpte cüruf karisimi baglayici miktari 200 ile 600 kg olacak biçimde örnekler hazirlanmistir. Bu örnekler clC sicakliktaki ortam sicakliklarinda belirli süreler ile bekletilmistir. 3, 7, M ve 28 gün bekletilen örnekler üzerinde basinç deneyleri gerçeklestirilmis ve basinç dayanimlari, elastisite modülleri ile Poisson oranlari Tablo 2°de verilmistir. Bulus ile, demir ve çelik endüstrisinin atiklarindan olan yüksek firin cürufu ve BOF cürufunun, aktivatör olarak sodyum hidroksit veya potasyum hidroksit ve sodyum silikat kullanilarak ve özel kürleme süreçleri gerektirmeksizin Portland çimentosundan elde edilen betonlar ile karsilastirilabilir özelliklere sahip jeopolimer betonlarin üretilmesinin önü açilmistir. Bulusa göre jeopolimer betonlarin basinç dayanimmin, önceki teknikte bilinen beton ve jeopolimer betonlar ile karsilastirmasi da Tablo 2°de görülebilmektedir. Tablo 2 - Bulusa ve önceki teknige göre beton ve jeopolimer betonlarin farkli bekletme süreleri sonrasi ölçülen basinç dayanimlari, elastisite modülleri ile Poisson oranlari .538.2 &Emma mm x. mm o# .::zamn uEmmm r l 2% .t Es; mm 9.. mm OH _E_cmmn uEmmm E E 583 E 55_ 38_ Referanslar Technologies for Stabilization of Basic Oxygen F umace Slags and Sustainable blended geopolymer concrete. Materials T aday.' Proceedings. 27. Development of Fly Ash and Ground Granulated Blast Fumace Slag based Geopolymer Concrete. Journal of Building Engineering. 20. engineering properties of normal and high strength fly asli based geopolymer and alkali-activated slag concrete compared to ordinary Portland cement concrete. Construction ana' Building Materials. 196. 26-42. degisen kür sartlarinin etkisi. Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 6(1), 115-121. TR TR TR