Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Der. Science and Eng. J. of Fırat Univ. 17 (4), 681-685, 25 17 (4), 681-685, 25 Elazığ Ferrokrom Cürufunun Betonun Basınç Dayanımı ve Çarpma Enerjisi Üzerine Etkisi Salih YAZICIOĞLU, Tahir GÖNEN ve Ömür Can ÇOBANOĞLU F.Ü.Teknik Eğitim Fakültesi, Yapı Eğitimi Bölümü, Elazığ syazicioglu@firat.edu.tr (Geliş/Received: 18.2.25; Kabul/Accepted: 14.9.25) Özet: Bu çalışmada Elazığ Ferrokrom İşletmesinden elde edilen cürufun betonun basınç dayanımı ve çarpma enerjisine etkileri incelenmiştir. Betonun maksimum agrega tane çapı 4 mm, 8 mm, 16 mm ve 32 mm seçilmiştir. Çimento inceliğinde öğütülen cüruf, beton karışımına portland çimentosu (CEM I 32,5) ile ağırlıkça % 1, % 3, % 5, % 7 ve % 1 oranlarında yer değiştirilerek kullanılmıştır. Çalışma, sabit slump altında (6-9cm) yapılarak numunelerin 28 günlük basınç dayanımına ve çarpma enerjilerine bakılmıştır. Çalışmada maksimum agrega tane çapı arttıkça betonun basınç dayanımında ve çarpma enerjisinde artış olduğu gözlenmiştir. Cüruf katkısı % 3 olan betonların mukavemeti kontrol betonundan yüksek ve % 5 katkılı betonlarda ise kontrol betonuna denk mukavemetler elde edilmiştir. Bu çalışmanın sonuçları, maliyeti azaltmak açısından cüruf katkısının % 5 e kadar çimento katkı malzemesi olarak betonda kullanılabileceğini göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Cüruf, Çarpma enerjisi, Basınç dayanımı The Influence of Elazig Ferrochromium Slag on Compressive Strength and Impact Energy of Concrete Abstract: In this study, the effect of slag obtained from Elazig Ferrochromium Factory on compressive strength and impact energy of concrete was investigated. Maximum diameter of aggregate of concrete was chosen 4 mm, 8 mm, 16 mm and 32 mm sizes. Specimens were prepared by replacing the Portland cement (PÇ 32.5 type) with 1, 3, 5, 7 and 1 % (by weight) slag ground to cement fineness. 28-day compressive strength and impact energy tests of concrete carried out on specimens prepared with constant slump (6-9 mm). Test results show that the compressive strength and impact energy of concrete increased with increasing maximum aggregate size. Furthermore, according to control concrete the higher and equal strengths were obtained for the concrete specimens with 3 % and 5 % slag respectively. The results of this study demonstrate that slug can be use as cementitious material up to 5 % to decrease cost in concrete. Key Words: Slag, Impact energy, Compressive strength 1. Giriş Beton genel olarak çimento, su, iri ve ince agrega ile gerektiğinde mineral ve kimyasal katkıların uygun oranlarda karıştırılması sonucu elde edilen, başlangıçta plastik şekil verilebilir nitelikte olan ve zamanla sertleşen çağımızın en önemli taşıyıcı yapı malzemesidir. Betonun özellikleri, öncelikle betonu oluşturan malzemelerin özelliklerine ve beton karışımında kullanıldıkları miktarlara bağlıdır. Ayrıca uygulanan karıştırma, taşıma, yerleştirme, sıkıştırma perdahlama, kür yöntemi ve süresi, betonun özelliklerini etkileyen önemli faktörlerdir. Yollar, saha kaplamaları ve hava limanları gibi yerlerde kullanılan betonlar en fazla çarpmaya maruz kalırlar. Bu gibi yerlerde kullanılan betonların çarpmaya karşı dayanıklı olması önem kazanmaktadır. Bir betonun çarpmaya karşı dayanıklı olması için basınç ve çekme mukavemetinin de büyük olması gerekmektedir [1].
S. Yazıcıoğlu, T. Gönen ve Ö. C. Çobanoğlu Portland çimentosuna puzolanik katkı maddeleri katılması yoluyla betonun özelliklerinin iyileştirilmesi bilinen bir yöntemdir. Demir çelik ve krom gibi bazı metallerin üretimlerinde elde edilmek istenen esas ürünün yanı sıra amacın dışında fazla miktarda yan ürünler ortaya çıkmaktadır. Atıl durumdaki bu ürünlerin depolanması, atılması veya yok edilmesi büyük bir sorun teşkil etmektedir [2-4]. Yapay bir puzolan olan yüksek fırın cürufunun çimento ve beton üretiminde kullanılması ile ilgili çeşitli araştırmalar bulunmaktadır [5-7]. Elazığ Ferrokrom işletmesinde 23 yılı itibari ile yaklaşık 7 ton granüle cüruf atıl halde bulunmaktadır ve ayrıca her yıl buna 1 ton cüruf eklenmektedir [8]. Bu nedenle Elazığ ferrokrom cürufunun çimento üretiminde katkı maddesi olarak kullanılabilmesi, çimento üretimine ve ülke ekonomisine katkı sağlayacaktır. Daha önce yapılan bazı çalışmalarda, ferrokrom cürufu katılmış betonun basınç ve eğilmede çekme dayanımı ve durabilite özellikleri üzerine araştırmalar yapılmıştır [9-13]. Bu çalışmada, Elazığ Ferrokrom İşletmesinden elde edilen cürufun betonun basınç dayanımı ve çarpma enerjisine etkileri incelenmiştir. 2. Materyal ve Metot 2.1 Beton karışımları Çalışmada beton karışım hesaplamaları TS 82 ye [14] göre yapılmıştır. Karışımlarda çimento olarak Elazığ Altınova Çimento A.Ş. nin ürettiği Portland çimentosu (PÇ 32.5) kullanılmıştır (Tablo 1). Elazığ Ferrokrom İşletmesinden elde edilen ve çimento inceliğinde öğütülen cüruf, çimento ile ağırlıkça %1, %3, %5, %7 ve %1 oranlarında yer değiştirilerek katılmıştır. Kullanılan cürufun fiziksel ve kimyasal özellikleri Tablo 2 de verilmiştir. Deneylerde kullanılan agrega Palu yöresinden elde edilen doğal agregadır. Agreganın özgül ağırlığı 2.63 gr/cm 3 dir. Maksimum agrega tane çapı 4 mm, 8 mm, 16 mm ve 32 mm seçilmiştir. Betonların çökme (slump) miktarları, 6-9 cm olarak sabit alınmış ve karışımın su miktarı da buna göre belirlenmiştir. Tablo 3 de 1 m 3 betondaki karışım miktarları verilmiştir. Taze beton 15 cm lik küp kalıplara vibrasyonla yerleştirilmiştir. Üretilen beton numuneler ilk 24 saat laboratuar ortamında bekletildikten sonra kalıplardan çıkarılmıştır. Bu numuneler 28. güne kadar 23±2 C deki kirece doygun suda bekletilmiştir. Tablo 1 Çimentonun fiziksel, kimyasal ve mekaniksel özellikleri Kimyasal analiz (%) SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO SO 3 K.K. Ç.K T.E. Cl - 2,89 6,5 3,23 61 3,85 2,33 1,39,8 2,7,7 45 μ üzerinde kalan (%) Blaine (cm 2 /g) Priz b. (saat:dak.) Fiziksel ve mekaniksel özellikler Priz s. (saat:dak.) Öz.ağr. (gr/cm 3 ) Yoğunluk (gr/cm 3 ) H. gen. (mm) 3 gün 7 gün 1,9 32 2:35 3:45 2,98 2,92 4 15 26 39 28 gün Tablo 2 Elazığ Ferrokrom cürufunun fiziksel ve kimyasal özellikleri Kimyasal Analiz (%) SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 CaO MgO Na 2 O+,658K 2 O 45,62 31,9 1,95 2,25 16,8 1,48 Fiziksel Özellikler Birim ağırlık (gr/cm 3 ) Su emme (%) Özgül ağırlık (gr/cm 3 ) 1,6 13,63 2,86 682
Elazığ Ferrokrom Cürufunun Betonun Basınç Dayanımı ve Çarpma Enerjisi Üzerine Etkisi Tablo 3 1 m 3 betondaki karışım miktarları Cürüf oranı Çimento (kg/m 3 ) Su (kg/m 3 ) % 351 245,44 % 1 348 243,67 3 % 3 34 24,13 11 % 5 334 234,82 17 % 7 326 23,1 25 % 1 316 21,63 35 2.2 Basınç dayanımı testleri Cürüf Agrega (iri-ince kg/m 3 ) (kg/m 3 ) D max. 4 mm D max. 8 mm D max. 16 mm D max. 32 mm -4 mm 1715-4 mm 1357 4-8 mm 472-4 mm 162 4-8 mm 354 8-16 mm 413-4mm 924 4-8 mm 295 8-16 mm 368 16-32 mm 42 Kür tankından çıkarılan numuneler doygun kuru yüzey haline getirilmiş ve TS EN 1239-3 e [15] göre 3 kn/sn yükleme hızında hidrolik yük kontrollü preste kırılarak basınç dayanımları elde edilmiştir. Maksimum agrega boyutu ve cürufun, betonun basınç dayanımına etkisi Şekil 1 de gösterilmiştir. 2.3 Çarpma enerjisi testleri Çarpma testleri, 28 günlük 15x15x15 mm küp beton numuneler üzerinde yapılmıştır. Deneylerde özel olarak tasarlanmış çarpma deney aleti kullanılmıştır (Şekil 2). Küp numune, deney aletinin alt kısmına yerleştirilmiş ve çarpma deneyi, 13.5 kg ağırlığındaki çelik silindirin 25 cm yükseklikten numune üzerine bırakılması esasına göre yapılmıştır. Çarpma anındaki çelik silindirin hızı (V 1 ) 1.25 m/s olarak ölçülmüştür. Bu metot daha önce Marar [16] tarafından da kullanılmıştır. Çarpma enerjisi aşağıdaki denklem ile hesaplanmıştır: 1 2 EI = MV1 N 2 Bu denklemde; E 1 çarpma enerjisi (Nm), M çelik silindirin ağırlığı (kg), V 1 çarpma hızı (m/s) ve N numunelerin göçtüğü ana kadarki çarpma sayısıdır. Çarpma enerjisi testlerinden elde edilen sonuçlar şekil 3 de gösterilmiştir. 6 6 5 4 3 2 1 % 1% 3% 5% 7% 1% 5 4 3 2 1 % 1% 3% 5% 7% 1% a ) Dmax 4 mm b ) Dmax 8 mm 6 6 5 4 3 2 1 % 1% 3% 5% 7% 1% 5 4 3 2 1 % 1% 3% 5% 7% 1% c ) Dmax 16 mm d ) Dmax 32 mm Şekil 1. Maksimum agrega boyutu ve cüruf yüzdesinin betonun basınç dayanımına etkisi 683
S. Yazıcıoğlu, T. Gönen ve Ö. C. Çobanoğlu Şekil 2. Çarpma deney aleti 4 4 3 2 1 % 1% 3% 5% 7% 1% 3 2 1 % 1% 3% 5% 7% 1% a ) Dmax 4 mm b ) Dmax 8 mm 4 % 1% 3% 5% 7% 1% 4 % 1% 3% 5% 7% 1% 3 2 1 3 2 1 c ) Dmax 16 mm d ) Dmax 32 mm Şekil 3. Maksimum agrega boyutu ve cüruf yüzdesinin betonun çarpma enerjisine etkisi 3. Sonuçlar Bu çalışmada, Elazığ ferrokrom cürufu nun çimento katkı malzemesi olarak maksimum agrega tane çapı 4 mm, 8 mm, 16 mm ve 32 mm olan betonların basınç dayanımı ve çarpma enerjisine etkileri incelenmiştir. Çalışmadan edilen verilere göre; en düşük basınç dayanımı maksimum agrega boyutu 4 mm olan beton serisinde, en yüksek basınç dayanımı da maksimum agrega boyutu 32 mm olan beton serisinde görülmüştür. Agrega tane çapı arttıkça betonun hem basınç dayanımında hem de çarpma enerjisinde artış olmuştur. Maksimum agrega boyutunun artmasıyla betonda absorblanan enerji arttığından çarpma enerjisinin en yüksek değeri de, maksimum agrega boyutu 32 mm olan beton serisinde elde edilmiştir. Deneyler sonucunda ferrokrom cürufu, betonun gerek basınç dayanımında gerekse çarpma enerjisinde iyi bir iyileştirme sağlamıştır. Kontrol betonu ile cüruf katkılı betonlar incelendiğinde, 684
Elazığ Ferrokrom Cürufunun Betonun Basınç Dayanımı ve Çarpma Enerjisi Üzerine Etkisi kontrol betonuna göre % 3 cüruf katkısına kadar hem basınç dayanımlarında hem de çarpma enerjisinde % 7-11 oranında artış görülmüştür. Cüruf katkısının % 5 olması durumunda ise basınç dayanımı ve çarpma enerjisi kontrol betonu ile aynı değerde olmuştur. Bu durumda; % 3 e kadar cüruf katkısı betonun mekanik özelliklerini iyileştirmiş, % 5 ilavede ise kontrol betonu ile aynı mukavemet değerlerini almıştır. Elazığ Ferrokrom cürufunun % 5 oranında betona ilavesi ile, bu atık malzemenin sadece ekonomiye kazandırılması açısından düşünülebilecek bir çimento katkı malzemesi olduğu ortaya çıkmıştır. Ferrokrom cürufunun betonun basınç dayanımı ve çarpma enerjisi gibi iki önemli kriterde bir miktar iyileştirmede bulunması, bu malzemenin hem çimento üretiminde bir ilerleme kaydetmesi hem de çimento üretim maliyetini azaltması açısından önemli bir kaynak olduğunu göstermiştir. 4. Kaynaklar 1. B. Postacıoğlu, Beton Bağlayıcı Maddeler Cilt 1, Matbaa Teknisyenleri Basımevi, İstanbul, 1986. 2. F. Tümen, M. Boybay, M. Cici, ve M. Bildik, Elazığ Ferrokrom Fabrikası ve Keban Simli-Kurşun İşletmesi Katı Atıklarının Kirlilik Potansiyeli. Doğa Bilim Dergisi, 15, 464-48, 1991. 3. T. Erdoğan, Atık Malzemelerin İnşaat Endüstrisinde Kullanımı Uçucu Kül ve Yüksek Fırın Cürüfu. Endüstriyel Atıkların İnşaat Sektöründe Kullanılması Sempozyumu, Ankara İMO, 1-8, 1993. 4. T. Özturan, Uluslar arası IV. CANMET-ACI Betonda Uçucu Kül, Silis Dumanı, Cürüf ve Doğal Puzolanların Kullanımı Konferansının Değerlendirilmesi, Endüstriyel Atıkların İnşaat Sektöründe Kullanılması Sempozyumu, Ankara İMO, 57-78, 1993 5. Tokyay, M., Erdoğdu, K., Cüruflar ve Cüruflu Çimentolar, TÇMB AR-GE Y97-2, Ankara, 22. 6. Köksal, F., Gülü, H., Güner, A., Islanma-Kuruma Etkisindeki Betonlarda En Uygun Uçucu Kül ve Yüksek Fırın Cürufu Oranları, 4. Ulusal Beton Kongresi, İstanbul, 245-256, 1996. 7. Yaprak, H., Şimşek, O., Aruntaş, H.Y., Uçucu Kül ve Yüksek Fırın Cürufunun Süper Akışkanlaştırıcı Katkılı Beton Özelliklerine Etkisi, Beton 24 Kongresi, İstanbul, 77-715, 1-12 Haziran 24. 8. Ö. C. Çobanoğlu, Elazığ Ferrokrom Cürüfunun Betonun Çarpma Dayanımı Üzerine Etkilerinin Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yapı Eğitimi Anabilim Dalı, 24. 9. T.Y. Erdoğan, Beton, ODTÜ Geliştirme Vakfı Yayıncılık ve iletişim A.Ş. Yayını, Ankara, 23. 1. A. Taşdemir, Elazığ Ferrokrom Cürüfunun İnşaat Sektöründe Kullanılabilirliğinin Araştırılması, Yüksek Lisans Semineri, Fırat Ünv. Fen Bilimleri Enst. 22. 11. S. Yazıcıoğlu, E. Arıcı, T. Gönen, Elazığ Ferrokrom Cürufunun Betonda Karbonatlaşmaya Etkisi, 5. Ulusal Beton Kongresi, İstanbul İMO, 261-268, 23. 12. C.E. Ekinci, Elazığ Ferrokrom Fabrikası Cürufunun Çimentoda Puzolanik Katkı Maddesi Olarak Kullanılabilirliğinin Araştırılması, Endüstriyel Atıkların İnşaat Sektöründe Kullanılması Sempozyumu, Ankara İMO, 243-253, 1993. 13. R. Gül, O. Geçten, Elazığ Ferrokrom İşletmesi Granüle Cürüfunun Hafif Beton Üretiminde Kullanilabilirliğinin Araştırılması, Endüstriyel Atıkların İnşaat Sektöründe Kullanılması Sempozyumu, Ankara İMO, 291-32, 1993. 14. TS 82, Beton Karışımı Hesap Esasları, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 1985. 15. TS EN 1239-3, Beton-Sertleşmiş beton deneyleri-deney numunelerinde basınç dayanımının tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 23. 16. K. Marar, Ö. Eren, T. Çelik, Relationship between impact energy and compression toughness energy of high-strength fiber-reinforced concrete, Materials letters, 47, 297-34, 21. 685