İkincil alüminyum cürufunun çimento ve beton üretiminde değerlendirilmesi

Bu çalışmada, hurdadan ergitilerek ikincil alüminyum üretimi sonucu açığa çıkan ve bertaraf edilen alüminyum cürufunun kalsiyum alüminat çimento üretiminde kullanılabilirliği araştırılmıştır. İkincil alüminyum cürufu öğütme işlemlerine tabi tutularak 20 μm altına getirilmiştir. Öğütülmüş ham cürufun XRF analizine göre alümina oranının %37,74 içerdiği ve cüruf içerisinde oldukça düşük olduğu tespit edilmiştir. Cüruf içerisinde Cr, Mn, Cu, Zn, Ba, Ti, Na, K ve Fe gibi elementlerin oksit formlarına da rastlanmıştır. İlave olarak, XRD analizine göre cürufta yüksek miktarda NaCl ve KCl gibi tuzları içerdiğini tespit edilmiştir. Cüruftaki tuzlardan kaynaklanan klor içeriği, elde edilecek çimentonun mukavemetini olumsuz yönde etkilemektedir. XRF analizlerinde klor ihtivası %22,57 olarak tespit edilmiştir. Bu durum, cürufun ikincil bir işlem öncesi çimento hammaddesi olarak doğrudan kullanımını sınırlandırmaktadır. Çimento üretiminde değerlendirilmek istenen cürufun yüksek klor ve kükürt ihtivası betonda gevrek kırılma ve çatlamalara sebep olacağı için istenmez ve uzaklaştırılması gerekir. Bu nedenle yapılan 60 dakika süreli yıkama işlemleri sonucunda Cl- içeriği % 22,57 seviyesinden %0,033 seviyesine kadar düşürülmüştür. Cürufun alümina içeriği de % 37,74'ten %68,03'e yükselmiş, bu süre zarfında suda çözünmeyen TiO2, SiO2, MgO, Fe2O3, CaO gibi oksit formlarının da cüruf içerisindeki yüzde miktarı artmıştır. Yıkama işlemi ardından cüruf içerisindeki klorür ve kükürt ihtivası istenilen seviyeye düştüğünden 60 dakika yıkama işleminin yeterli olduğu görülmüştür. 60 dakika yıkanmış ikincil alüminyum cürufunun içerisindeki alümina seviyesinin düşük alüminalı CA (Kalsiyum Alüminat) çimento üretimi için uygun seviyede olduğu görülmüş, kalsiyum oksit seviyesinin yeterli olmaması nedeniyle ticari kalitede sönmemiş kireç ile karıştırma işlemi gerçekleştirilmiş ve çimento bileşimleri TS EN 14647 standartlardında yer alan sınır değerler içerisinde harmanlanarak elde edilmiştir. İkincil alüminyum cürufunun yüksek alümina içeriği sebebiyle portland çimentosuna katkı olarak kullanılmasının yerine portland çimentosuna göre daha pahalı olduğu bilinen kalsiyum alüminat çimentosunda kullanımı hedeflenmiştir. Bu sayede, cürufun katma değerinin arttırılması sağlanmıştır. Cürufun içerisindeki alümina miktarı, kalsiyum oksit miktarı ve bazı oksit fazlarının varlığı sebebiyle orta alüminalı ve yüksek alüminalı CA çimento üretiminde kullanılmasının uygun olmayacağı tespit edilmiştir. Karışımların 1200 ˚C'de 1, 3 saat ve 1250 ˚C'de 3, 5 saat süreleri sonrası elde edilen numunelerin XRD analizlerine göre kalsiyum alüminat çimentosunda ana faz olarak mayenit (C12A7), mono kalsiyum alüminat (CA) ve grossit (CA2) fazlarına, bununla birlikte silika, magnezyum ve demir içerikli düşük alüminalı kalsiyum alüminat çimentolarında bulunan gehlenit (C2AS), larnit-belit (C2S), spinel (MA), brownmillerit (C4AF) ve cürufta yüksek seviye olması sebebiyle reaksiyona girmemiş MgO fazlarına rastlanmıştır. 1200°C'de yapılan sinterlemelerde reaksiyona girmeyen sönmemiş kireç ve wadsleyit fazlarına rastlanmıştır. 1250°C'de 3 ve 5 saat yapılan sinterleme sonucunda kalsiyum alüminat çimentoda istenilen fazların yeterli ve birbirine yakın seviyede olduğu gözlenmiştir. 1300°C'de yapılan sinterleme işlemi sonucunda cüruf bünyesindeki düşük ergime noktasına sahip bileşikler nedeniyle sinter karışımının camsı hale geldiği gözlenmiştir. Ticari kalsiyum aluminat çimentosuna deneysel olarak elde edilen atık çimentonun ağırlıkça % 2.5, 5, 7.5, 10 ve 12.5 oranında katkılar yapılarak çimentonun fiziksel özelliklerine etkisini incelemek için testler gerçekleştirilmiştir. Hazırlanan çimento karışımlarının özgül ağırlık deney sonuçlarına bakıldığında, çimento içindeki atık ikamesinin artması ile birlikte özgül ağırlık değerinin kısmen düştüğü ancak birbirine yakın olduğu görülmektedir. Özgül ağırlık değerlerlerinin ticari çimento ile yakın olması atık CA çimentonun içerdiği fazların ve miktarının ticari çimento ile benzerlik gösterdiğini doğrular niteliktedir. Karışımların normal kıvam deney sonuçları incelendiğinde; çimento hamurundaki atık çimento oranının yükselmesine bağlı olarak işlenebilirliğin azaldığı ve su ihtiyacının arttığı gözlemlenmiştir. Çimento karışımına daha yüksek seviyede atık CA katkısı durumunda çimento işlenebilirliği daha da azalacağından karışım içerisindeki atık CA oranı sınırlandırılması gereklidir. Çimento karışımlarının priz alma deney sonuçları incelendiğinde; çimento hamurlarındaki priz başlangıç ve bitiş süreleri çimento hamurundaki atık CA çimento katkısının artması ile birlikte azalmaktadır. Buna bağlı olarak, çimento içirinde artan atık CA çimento içeriğinin sertleşmeyi hızlandırdığı görülmüştür. TS EN 14647 standardına göre başlangıç priz süresinin 90 dakikadan az olmaması bir gerekliliktir. Tüm karışımlar için elde edilen sonuçların priz tayinlerinin standart şartlar dâhilinde olmasına rağmen ürünün istenilen kullanım koşullarına bağlı olarak atık CA çimentonun karışım içerisinde oranı sınırlandırılmalıdır. Ticari çimento içerisindeki atık çimento oranı artışına bağlı olarak hacim genleşme miktarının arttığı gözlemlenmiştir. Bu durum, betonun sertleşmesi sonrası geç bir şekilde hidrate olarak genişleyen serbest MgO fazlarının hacim genleşmesine olumsuz bir katkı yaptığı şeklinde yorumlanmıştır. TS EN 14647 standardına göre, kalsiyum alüminat çimentosunun basınç dayanımı 6 saat ve 24 saat sonrası test edildiğinde, çimento karışımı içerisindeki atık CA ikamesinin artmasıyla basma mukavemeti düşmüştür. %0'dan %12,5 oranına kadar atık çimento ikameli olarak hazırlanan çimento karışımlarında, betonun basınç dayanımı 6 saatlik numunelerde %65,2 ve 24 saatlik numunelerde ise %58,9 oranında düşmüştür. İlaveten, kalsiyum alüminat çimentosunun basınç dayanımı, EN 196-1 standardına göre 6 saat ve 24 saat sonrası test edildiğinde, 6 saat için 18 MPa, 24 saat için ise 40 MPa'dan az olmamalıdır. %7,5 atık CA ikameli 4 nolu karışım 6 saat için 20,6 MPa, 24 saat için ise 42,33 MPa basma mukavemeti değeriyle TS EN 14647 standardında yer alan beton minimum gerekliliklerini sağlamıştır. Beton numunelerinin eğilme test sonuçları incelendiğinde, basma dayanımı sonuçlarına benzer şekilde karışımdaki atık çimento ikame seviyesinin artması ile birlikte eğilme mukavemeti özelliklerin olumsuz etkilendiği ve atık CA miktarının sınırlandırılması gerekliliği ortaya çıkmıştır. Düşük alüminalı kalsiyum alüminat çimento üretiminde atık çimentonun ticari çimento içerisinde ağırlıkça %7,5'e kadar ikame seviyelerinin uluslararası standart gerekliliklerini sağladığı ve kullanılabilir olduğu gözlemlenmiştir.