Cam Tozunun Tuğla Yapımında Kullanılabilme Olanaklarının Đncelenmesi Investigation of the Possibilities of the Glass Powder Used In Brick Production D. Pekdemir, O. Bayram MTA Genel Müdürlüğü, Maden Analizleri ve Teknolojisi Dairesi, Ankara ÖZET Bu çalışmada endüstriyel tuğla üretiminde kullanılan tuğla kilinde cam ambalaj atığından elde edilen cam tozunun katkı malzemesi olarak değerlendirilebilme olanakları araştırılmıştır. Çalışma kapsamında %0 20 (kütlece) arasında cam tozu içeren 5 farklı kombinasyonda numuneler hazırlanmıştır. % 7 şekillendirme suyu ilave edilerek 75x20 mm boyutlarındaki çelik kalıpta yaklaşık 100 adet numune hazırlanmıştır. Numuneler 900 C, 1000 C ve 1100 C sıcaklıklarda pişirilmiştir. Hammadde kombinasyonlarından elde edilen numuneler üzerinde açık ve toplam gözeneklilik, yoğunluk, eğilme dayanımı ve elastisite modülü deneyleri yapılmıştır. Ayrıca hammaddeler olan kil ve cam tozunun kimyasal analizi, tane boyu dağılımı ve XRD analizleri de yapılmıştır. Elde edilen deney ve analiz sonuçlarına bakılarak cam tozu katkısının tuğla yapımındaki etkisi ile ilgili değerlendirmeler yapılmıştır. ABSTRACT The usage of glass powder obtained from container glass waste as an additive material in clay brick production was investigated in this study. The five different masses containing glass powder (0-%20 by mass) was prepared. The bar compacts with dimension 75x20 mm were prepared under 70 MPa by using uniaxial pres. The compacts containing 7 % water were dried at room temperature in overnight and then in an oven at 100 C for 4 h. The dried compacts were fired at 900-1000-1100 C. The open and apperent porosity, apparent density, modulus of elasciticity, and 3-point bending test were done on the fired compacts. Besdies this, XRD, chemical analysis, and particle size distribution analysis were done on the glass powder and clay raw materials. 1 GĐRĐŞ Cam yüzeyinin doğal parlaklığı, kolayca şekil alabilmesi, aşınmaya karşı olan dayanımı, çevre ile etkileşimsizliği gibi özelliklere sahip olmasından dolayı insan yaşamında vazgeçilmez bir yere sahiptir. Birleşmiş Milletler tarafından yayınlanan raporlara göre her yıl ortaya çıkan katı atık miktarının 200 milyon ton olarak tahmin edilmektedir. Cam malzemesinin ise her yıl ortaya çıkan bu katı atık miktarının yaklaşık % 7 sini oluşturduğu hesaplanmaktadır. Kil tuğlalar uygarlığın başlangıcından günümüze kadar kullanılan en eski yapı malzemesidir (Drysdale, 1994). Tuğla, ilk üretildiği günden bu yana tarihsel gelişimine bakıldığında şekil ve boyut olarak bazı değişikliklere uğramış olsa da her zaman istenilen bir yapı ve inşaat malzemesi özelliğini günümüze kadar korumuştur. Tuğla üretimi, ocaklardan getirilen kilin öğütülmesi, nemlendirme, kalıplarda preslenerek veya ekstrüderde şekillendirme, kurutma ve 1000 C civarında yapılan pişirim basamaklarından oluşur. Pişirme işlemi tuğlanın dayanıklı ve kararlı bir yapıya kavuşmasını sağlayan önemli bir süreçtir. Sinterleme olarak adlandırılan bu aşamada kil içerisindeki taneler yüksek sıcaklıkta yumuşayarak temas halinde oldukları diğer tanelerle aralarında bağ oluşturur, tuğla üretiminin en çok enerji gerektiren basamağıdır. Eritici olarak adlandırılan katkılar kullanılarak taneler arasında camsı bir faz oluşturmak suretiyle sinterleme sıcaklığı düşürülür; en çok kullanılan eriticiler Na 2 O ve CaO içerir (Grimshaw, 1971). Cam atıklarının tuğla, kiremit gibi kil ürünlerinde katkı maddesi olarak kullanımı yeni bir çalışma değildir; ancak cam katkısının tuğla üretimi için gerekli hammadde miktarını azaltması ve eritici katkı maddesi olarak kullanımı ile enerji tasarrufu sağlaması hem ekonomik hem çevresel açıdan önemini korumaktadır ayrıca cam ambalaj atıklarının
içerdikleri renklendiricilerden dolayı geri dönüşümde kullanımı sıkıntılıdır (Chidiac, 2007). Bu çalışmada cam ambalaj (yeşil soda şişesi) atığından elde edilen cam tozunun tuğla yapımında katkı malzemesi olarak değerlendirilebilme olanakları araştırılmıştır. 2 MALZEME VE YÖNTEMLER 2.1 Kil ve Cam Tozu Bu çalışmada bir tuğla fabrikasında üretimde kullanılan bir kil kullanılmıştır. Cam tozu önemli bir cam ambalaj atığı olan yeşil soda şişelerinin kırılıp öğütülmesiyle elde edilmiştir. Her iki hammaddenin, yaş yöntem kullanılarak kimyasal analizleri, Ni-filtreli ve 0,15418 nm dalga boyuna sahip CuKα ışınlı Rigaku Geigerflex D- MaxII TC Powder Difraktometre cihazı ile X-ışınları dağılım analizleri ve The Malvern Mastersizer 2000 cihazı kullanılarak tane boyu dağılım analizleri yapılmıştır. Çizelge 1 de tane boyu dağılımı sonuçları verilmiştir. Çizelge 1. Kil ve cam tozu malzemelerinin tane boyu dağılımı. Kil Cam Tozu d (0,1) (µm) 1,941 4,741 d (0,5) (µm) 16,587 36,805 d (0,9) (µm) 86,678 102,043 2.1 Şekillendirme ve Pişirme Kile 0, % 5, %10, %15 ve %20 oranlarında cam tozu katılarak hazırlanan harmanlar yaklaşık % 7 oranında nemlendirilerek kapalı plastik torbalarda 24 saat bekletilmiştir. Nemlendirilmiş karışımlardan alınan tozlar 70x20 mm boyutlarındaki çelik kalıpta yaklaşık 70 MPa basınç altında tek eksenli hidrolik pres (Toni Technik Baustoffprüfsysteme GmbH, Germany) kullanılarak şekillendirilmiştir. Elde edilen şekillendirilmiş örnekler 24 saat oda sıcaklığında ardından 100 C lik etüvde 4 saat kurutulmuştur. Kurutulan örnekler 5 C/dakika hızla ısıtılan elektrikli fırında (Protherm Model 130112) 900, 1000 ve 1100 C sıcaklıkta 2 saat pişirilmiştir. 2.2 Pişmiş Örnekler Üzerinde Yapılan Deneyler Pişirilen örnekler üzerinde 3-nokta eğilme dayanımı testi, tahribatsız test yöntemi olan impuls uyarma yöntemi (Grindo-Sonic, J. W. Lemmens Inc., St. Louis, Mo.) kullanarak elastisite modülü ölçümü, renk ölçümü (Minolta CR300 Chromameter), su emme, görünür yoğunluk, açık gözeneklilik ve toplam gözeneklilik deneyleri yapılmıştır. 3 SONUÇLAR VE DEĞERLENDĐRME 3.1 Hammaddelerin Özellikleri Kile ait XRD deseninde (Şekil-1) hammaddeyi oluşturan ana minerallerin kuvars (Q), kaolinit (K), illit (I), kalsit (C) ve az miktarda fillosilikat mineralleri olduğu görülmektedir. Cam tozunun XRD deseninden (Şekil-2) tamamen amorf yapı görülmektedir. Kilin kimyasal analizi Çizelge 2 de görülmektedir. Çizelge 2. Kil ve cam tozu malzemelerinin kimyasal analiz sonuçları. Parametre Kil Cam Tozu Al 2 O 3 12,50 1,90 CaO 8,10 9,10 Fe 2 O 3 7,00 0,90 K 2 O 1,70 0,40 MgO 5,00 2,80 Na 2 O 1,80 12,20 SO 3 < 0,05 < 0,05 SiO 2 49,80 71,10 TiO 2 0,80 0,07 A. Za (%) 10,70 0,30
Şekil 1. Çalışmada kullanılan kil malzemesinin XRD sonuçlarının görünümü. Şekil 2. Çalışmada kullanılan cam tozunun XRD sonuçlarının görünümü.
SiO 2, K ve Q ağırlıkça minerallerinden, Fe 2 O 3, K 2 O ve Na 2 O çoğunlukla I ve fillosilikat minerallerinden, CaO C mineralinden kaynaklanmaktadır. Ateş zayiatı ise K ve I minerallerinin dehidroksilasyonundan ve C mineralinin dekarboksilasyonundan kaynaklanmaktadır. Cam tozunun kimyasal analizi de Çizelge 2 de verilmiş olup, tipik bir soda kireç silika camı olduğu anlaşılmaktadır. 3.2 Eğilme Dayanımı ve elastisite modülü Örneklere uygulanan üç-nokta eğilme dayanımı deneyi sonuçları Şekil 3 te verilmiştir. Eğilme dayanımı sonuçlarına göre cam içeriği ve sıcaklığa bağlı olarak artış gözlenmektedir. Elastisite modülü değerleri (Şekil 4) de eğilme dayanımı değerlerine benzer bir şekilde cam içeriği ve sıcaklığa bağlı olarak bir artış göstermektedir. 3.3 Renk Ölçümü Örneklerde L, a ve b renk değerlerinin ölçümü yapılmıştır (Çizelge 3). Beyazlık değerini ifade eden L değerlerinde cam içeriği artışıyla azalma meydana gelmiştir. Katkı olarak kullanılan cam tozu yeşil ambalaj camı olduğu için yeşil renk değişimini ifade eden a değerinde artış olduğu gözlenmiştir. Çizelge 3. Farklı sıcaklıklarda pişirilmiş örneklerin renk ölçümü sonuçları. Cam Miktarı (%) Parametreler L a b 0 58,01 16,04 27,32 5 57,70 15,30 26,67 10 57,39 15,02 25,99 15 56,99 14,56 25,80 20 56,84 14,01 25,18 0 56,01 16,43 26,01 5 56,04 14,99 25,22 10 55,93 14,28 24,57 15 55,56 13,68 23,85 20 54,01 12,75 22,34 0 52,33 11,80 21,49 5 50,81 9,69 19,99 10 48,80 7,74 18,82 15 48,84 6,32 19,09 20 48,48 5,11 19,59 Pişirilme Sıcaklığı (ºC) 900 1000 1100 Şekil 3. Üç-nokta eğilme deneyi sonuçları. 3.4 Görünür Yoğunluk, Açık ve Toplam Gözeneklilik Görünür yoğunluk (Şekil 5) değerlerinde 1100 C de cam içeriğine bağlı olarak artış gözlenmiştir. Ancak 900 ve 1000 C de yapılan pişirmelerde bazı değerlerde sapmalar gözlenmiştir. Açık ve toplam gözeneklilik (Şekil 6 ve Şekil 7) değerlerinde her üç sıcaklıkta da genel eğilim azalma yönünde gerçekleşmiştir. Şekil 4. Üç farklı sıcaklıkta pişirilmiş örneklerin elastisite modülü değerleri. 4 SONUÇ Tuğlanın eğilme dayanımı ve elastisite modülü değerleri cam miktarı arttıkça her üç sıcaklıkta da artış göstermiştir. Sıcaklık artışı ile dayanım değerlerinde %50 ye varan artışlar gözlenmiştir. Buna göre sıcaklık arttıkça eriyen camın viskozitesinin azalarak bünye içerisindeki gözenekleri doldurduğu söylenebilir. Böylece sinterleşmeyi arttırmıştır.
Görünür yoğunluk değerlerinde 1100 C deki pişirmeler için düzgün bir artış gözlenmiştir. 1000 C için de benzer bir eğilim gözlenmektedir. Şekil 5. Farklı pişirme sıcaklıklarında görünür yoğunluk değerlerinin değişimi. Açık ve toplam gözeneklilik değerleri için her üç sıcaklıkta da gözeneklerin eriyen cam ile dolması sonucu beklenen azalma gözlenmiştir. Ancak 900 C de yukarıda değinilen nedenlerden dolayı kısmi sapmalar gözlenmiştir. Renk değerlerindeki değişimler kullanılan cam ambalaj atığının yeşil renginden dolayı beklenen yönde olmuştur. Yeşil renk değişimini ifade eden a değerindeki azalma özellikle yüksek sıcaklıklarda belirgin bir şekilde gözlenmiştir. Renk ölümleri tuğlanın yüzeyinden yapıldığı için yüksek sıcaklılarda düşen viskozite nedeniyle eriyen camın yüzeye doğru difüze olduğu bu nedenle yeşil renkte artış olduğu söylenebilir. Cam ambalaj atığından elde edilen cam tozunun tuğla üretiminde katkı maddesi olarak kullanılması tuğlanın mekanik özelliklerini arttırmıştır. Böylece renkli olmasından dolayı cam geri dönüşümünde kullanımı kısıtlı olan cam ambalaj atıklarının bertaraf edilmesi için bir alan ortaya çıkmış olacaktır. Cam tozu kullanımı ile tuğla üretimi için gerekli olan hammadde miktarında azalma olacaktır aynı zamanda pişme sıcaklığının düşmesi ile enerji tasarrufu da sağlanacaktır. Şekil 6. Farklı pişirme sıcaklıklarında açık gözeneklilik değerlerinin değişimi. KAYNAKLAR Drysdale, R. G., Hamid, A. A., and Baker, L. R., 1994. Masonary Structures: behavior and design. Prentice-Hall, Inc. Englewood Cliffs. N.J., 888 s. Grimshaw, R. W., 1971. The Chemistry and Physics of Clays and Allied Cwramic Materials. Ernest Benn Limited, London, 1024 s. Chidiac, S. E., Federico, L. M., 2007. Effects of waste glass additions on the properties and durability of fired clay brick. Can. J. Civ. Eng. 34, 1458-1466. Şekil 7. Farklı pişirme sıcaklıklarında toplam gözeneklilik değerlerinin değişimi. Ancak 900 C de artış yönünde bir eğilim gözlenmemiştir. Bunun nedeni camın tam erime göstermediği ve viskozitenin çok yüksek olması nedeniyle gözenekleri doldurma konusunda zayıf kaldığı söylenebilir.