Evaluating the use of rice husk ash and waste glass powder as partial cement replacements in mortar productions
Harç üretimlerinde pirinç kabuğu külü ve atık cam tozunun kısmi çimento ikamesi olarak kullanımının değerlendirilmesi
- Tez No: 977948
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZGÜR EKİNCİOĞLU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Küresel inşaat sektörü, altyapı gelişimi için hayati öneme sahiptir; bununla birlikte en fazla kaynak tüketen ve çevreye en çok zarar veren sektörlerden biridir. Bu sektördeki başlıca sorun, doğal malzemelerin aşırı kullanımı ve beton ile harç üretiminde kullanılan temel bağlayıcı olan Portland çimentosunun (OPC) üretimindeki yüksek enerji ihtiyacıdır. Çimento üretimi, özellikle klinker üretimi ve kireçtaşı kalsinasyonu süreçleri nedeniyle küresel CO₂ emisyonlarının yaklaşık %7–8'ine neden olmaktadır. Dünya genelinde yıllık çimento talebi 4 milyar ton düzeyine ulaşırken, bu durum kaynak ve enerji tüketimi ve sera gazı salınımı gibi çevresel etkiler açısından ciddi endişeler doğurmaktadır. Bu da daha sürdürülebilir alternatif malzemelerin araştırılmasına neden olmaktadır. Aynı zamanda dünya, tarımsal ve sanayi atıklarının fazla birikimiyle karşı karşıyadır; bu atıkların bir kısmı ya depolama alanlarına gönderilmekte ya da yakılarak değerlendirilmektedir. Pirinç kabuğu külü (RHA), pirinç işleme ve yakma süreçlerinin yan ürünü olup, atık cam tozu (WGP) ise kullanım süresini tamamlamış cam ürünlerinden elde edilmektedir. Bu malzemeler yüksek silika içeriğine sahip olup puzolanik özellik göstermelerine rağmen henüz yeterince değerlendirilememektedir. Bu bağlamda, RHA ve WGP'nin tamamlayıcı bağlayıcı malzeme (supplementary cementitious material-SCM) olarak kullanımı, hem atık geri dönüşümüne katkı sağlamakta hem de çimento tüketimini azaltarak sürdürülebilirlik kazanması açısından çevresel faydalar sunmaktadır. Bu çalışma, RHA ve WGP'ın harç üretiminde çimentonun bir kısmının yerine ikame olarak kullanılmasının mümkün olup olmadığını ve performansını araştırmak amacıyla gerçekleştirilmiştir. Araştırmanın hedefi, bu malzemelerin tek başına ve birlikte kullanıldıklarında harcın taze, mekanik ve dayanıklılık özelliklerini nasıl etkilediğini incelemek; aynı zamanda optimum karışım oranlarını ve ikame seviyelerini belirleyerek, %100 Portland çimentosu içeren referans karışımlara eşdeğer veya daha iyi performans sunan alternatifler geliştirmektir. Bu yaklaşım, özellikle pirinç kabuğu ve cam atıklarının bol olduğu bölgelerde sürdürülebilir yapı malzemelerinin yaygın kullanımına katkı sağlamayı amaçlamaktadır. Araştırmanın metodolojisi iki ana deneysel aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada, sabit %25 çimento ikame oranı altında en etkili RHA–WGP kombinasyonunun belirlenmesi hedeflenmiştir. Sabit su/bağlayıcı oranı (0.5) ve sabit süperakışkanlaştırıcı dozu kullanılarak %25 RHA + %0 WGP, %18.75 RHA + %6.25 WGP, %12.5 RHA + % 12.5WGP, %6.25RHA +%18.75WGP, ve %0 RHA + %25 oranlarında beş farklı ikili karışım hazırlanmıştır. Bu karışımlar, taze özellikler açısından işlenebilirlik, hava içeriği, kimyasal uyumluluk ve puzolanik etkinlik (PAI) yönünden test edilmiştir. Performans ve reaktivitenin artırılması için RHA ve WGP, mekanik öğütme ve elenme xxiv işlemleriyle ince ve homojen tanecik dağılımına sahip olacak şekilde toz haline getirilmiştir. X-ışını floresans (XRF) spektroskopisi analizi, malzemelerin ASTM C618 ve EN 450-1 standartlarında istenen puzolanik içerik (SiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃) kriterlerini karşıladığını doğrulamıştır. İlk aşamada optimum RHA–WGP karışımı belirlendikten sonra ikinci aşamada bu karışım oranı kullanılarak çimento ikame oranları ağırlıkça %5'den %30'a kadar artırılmış ve karışımlar hem taze hem de sertleşmiş hâl özellikleri açısından değerlendirilmiştir. Taze hâl deneyleri, işlenebilirliği belirlemek amacıyla yayılma ve boşluk oranlarını incelemek amacıyla hava içeriği ölçümleriyle gerçekleştirilmiştir. Sertleşmiş halde ise 7 ve 28 günlük kür sürelerinde basınç ve eğilme dayanımı, dayanıklılık için kılcal su emme, alkali–silika reaksiyonu (ASR) direncini değerlendirmek için hızlandırılmış harç çubuğu deneyleri (AMBT) yapılmıştır. Ayrıca, RHA ve WGP'nin mikro yapıları üzerindeki etkilerini incelemek için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve X-ışını kırınım (XRD) analizleri uygulanmıştır. Bu analizler, kalsiyum silikat hidrat (C–S–H) oluşumu, kalsiyum hidroksit (CH) tüketimi ve tepkimeye girmemiş kuvars varlığı gibi hidratasyon ürünlerinin ayrıntılı şekilde incelenmesini sağlamıştır. Böylece, farklı ikame oranlarında puzolanik tepkimenin etkinliği sayısal olarak ortaya konmuştur. Birinci aşamanın sonuçları, sabit çimento ikame oranı altında %50–50 RHA–WGP oranının, işlenebilirlik, malzeme uyumluluğu ve reaktivite açısından en uygun kombinasyon olduğunu göstermiştir. Bu karışım ideal yayılma ve uygun hava içerik değerlerine sahip olmuş, XRF analizleri yüksek silika oranını doğrulayarak puzolanik kriterleri karşılamıştır. İnce öğütme işlemi, mikro-dolgu etkisinin ve reaktivitenin artmasına katkıda bulunmuştur. İkinci aşamada, %10–20 çimento ikame oranına sahip harç karışımları basınç ve eğilme dayanımında özellikle uzun süreli kürlerde belirgin artışlar göstermiştir. 28 günlük kür sonuçlarında bu karışımlar %100 OPC referans harcının performansına eşit veya zaman zaman daha üstün bulunmuştur. RHA, yüksek reaktivitesi sayesinde erken yaştaki dayanımı artırırken; WGP'ın mikro-dolgu etkisi uzun vadeli dayanımı desteklemiştir. Dayanıklılık açısından da olumlu gelişmeler gözlenmiştir. Kılcal su emme deneyleri, RHA ve WGP içeren harçların kontrol örneklerine göre daha az su emdiğini göstermiştir. Ancak, %25 üzerindeki çimento ikame seviyelerinde mekanik dayanımda düşüş tespit edilmiştir. Bu durumun temel nedeni çimentonun azalmasına bağlı olup RHA ve WGP, her ne kadar SCM olarak yüksek potansiyele sahip olsa da performans ve sürdürülebilirlik hedeflerini dengelemek için optimum dozlama yapmanın kritik olduğunu göstermektedir. SEM analizleri, çimento ikame oranı arttıkça mikro yapıda belirgin değişimler gözlendiğini ortaya koymuştur. Kontrol numunesinde (M0) daha iri ve düzenli kalsiyum hidroksit (CH) kristalleri ile boşluklu bir yapı görülürken, RHA ve WGP ilavesiyle özellikle %15–%25 ikame oranlarında C–S–H jelinin yoğunlaştığı, boşlukların azaldığı ve mikro dolgu etkisinin arttığı tespit edilmiştir. Bu durum, puzolanik reaksiyon sonucu CH'nin tüketilerek daha yoğun ve kompakt bir mikro yapı oluştuğunu göstermektedir. Yüksek ikame oranlarında ise (>%25) bağlayıcı miktarındaki azalma sebebiyle mikro yapıda gevşeme ve boşluk miktarında artış gözlenmiştir. xxv XRD analizleri, kontrol numunesinde (M0) 18° ve 34° 2θ açıları civarında portlandit (Ca(OH)₂) piklerinin en yüksek yoğunlukta olduğunu göstermiştir. İkame oranı arttıkça, özellikle M15–M25 aralığında bu piklerin şiddetinin azaldığı, bunun da puzolanik reaksiyonla CH'nin tükendiğini kanıtladığı belirlenmiştir. Ayrıca 20°–30° 2θ aralığında amorf fazın artışı gözlenmiş, bu durum RHA ve WGP'nin reaktif silika katkısının arttığını ortaya koymuştur. Kuvars (SiO₂) tüm karışımlarda sabit kalırken, %15 ikame oranında zirve değere ulaşmıştır. Ca(OH)₂ oranı ise kontrolde %16 iken M30'da %4,1'e düşmüştür. Bu sonuçlar, %15–%25 arası ikame seviyelerinin puzolanik reaksiyon, C–S–H oluşumu ve dayanım açısından optimum olduğunu göstermektedir. Hızlandırılmış Harç Çubuğu Deneyi (AMBT) sonuçları, kontrol numunesinin 14 günde %0,300 genleşme göstererek ASTM C1778'e göre reaktif (zararlı) sınıfta yer aldığını ortaya koymuştur. RHA ve WGP ikamesi ile genleşme değerleri düzenli olarak azalmış; %5 ikamede %0,248, %10 ikamede %0,183, %15 ikamede %0,120 ve %20 ikamede %0,044 olarak ölçülmüştür. Özellikle %20 ikame oranı, ASTM C1778'de zararsız kabul edilen %0,10 sınırının altına inerek en yüksek ASR önleme performansını göstermiştir. Bu iyileşme, WGP'nin reaktif silika katkısı ve RHA'nın yüksek amorf silika içeriği ile CH tüketerek ilave C–S–H oluşumunu desteklemesi sayesinde mikro yapının sıkılaşması ve iyon hareketliliğinin azalmasından kaynaklanmaktadır. Sonuç olarak, bu çalışma pirinç kabuğu külü ve atık cam tozunun uygun şekilde işlendiğinde ve dengeli oranlarda kullanıldığında, harç üretiminde etkin bir çimento ikamesi olarak değerlendirilebileceğini ortaya koymaktadır. Uygun oranlarda kullanıldıklarında, bu malzemeler harcın mekanik ve dayanıklılık özelliklerini korumakla kalmayıp, geliştirmektedir. Çevresel açıdan da CO₂ emisyonlarının azaltılması, OPC tüketiminin düşürülmesi, atık geri dönüşümünün teşvik edilmesi ve doğal kaynakların korunması gibi çok yönlü katkılar sunmaktadır. Bu araştırmadan elde edilen bulgular çevre dostu yapı malzemelerinin geliştirilmesine katkı sağlamakta, özellikle tarım ve sanayi bölgelerinde yerel kaynaklara dayalı, ekonomik ve sürdürülebilir alternatifler sunmaktadır. Ayrıca, akademik literatüre ve pratikte atık bazlı SCM kullanımına yönelik sürdürülebilir yapı teknolojilerine önemli bir katkı sağlaması ve gelecekte yapılacak çalışmalar için bir temel oluşturması beklenmektedir.
Özet (Çeviri)
The construction industry is one of the largest consumers of natural resources worldwide and a major contributor to greenhouse gas emissions. The use of Ordinary Portland Cement (OPC) accounts for about 7-8% of global CO₂ emissions, making it a significant environmental concern. As demand for cement increases, there is an urgent need to adopt more sustainable practices in the construction sector. Meanwhile, the production of agricultural and industrial waste, especially rice husk ash (RHA) and waste glass powder (WGP), has become a major environmental issue due to inefficient recycling and disposal methods. Incorporating these waste materials as supplementary cementitious materials (SCMs) in mortar offers two benefits: it reduces the environmental impact of cement production and addresses waste management problems. The purpose of this study is to evaluate the technical feasibility and performance of using RHA and WGP as partial replacements for cement in mortar production. The primary goal is to investigate how different ratios and replacement levels of these materials affect the mechanical, physical, and durability properties of mortar. The study also intends to propose efficient mix designs that can be used in regions with a high availability of rice husk and glass waste, promoting the concept of sustainable and locally adaptable construction materials. The research has been divided into two major experimental parts. In the first part, a constant total cement replacement rate was maintained while varying the binary blend ratios of RHA and WGP to discover the most effective combination. Each mixture was evaluated for its pozzolanic activity index (PAI), as well as fresh mortar properties, including workability and air content. The materials were mechanically sieved and grounded to produce particle sizes suitable for pozzolanic reactions, and their chemical compositions were analyzed using X-ray fluorescence (XRF) to ensure compatibility and consistency among the materials used. In the second part, the optimal RHA-WGP ratio determined in the first part was used to produce mortar mixes with varying cement replacement levels (5%, 10%, 15%, 20%, 25%, and 30% by weight). These mixtures were subjected to a series of established tests to assess their fresh and hardened properties. Fresh mortar properties were determined using flow table spread tests and air content measurements, whereas hardened properties were evaluated using compressive strength, flexural strength, capillary water absorption, and alkali-silica reaction (ASR) expansion tests. Additionally, advanced analytical techniques such as scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) were employed to analyze the microstructural behavior, including the formation of calcium silicate hydrate (C-S-H), the xxii consumption of calcium hydroxide (CH), and the degree of pozzolanic reaction in each sample. The results revealed that the optimal combination of RHA and WGP, particularly at cement replacement levels of 10% to 20%, can improve both mechanical strength and durability of mortars. RHA's high pozzolanic reactivity and fine surface area contributed to early-age strength development, whereas WGP's micro-filler effect and high silica content improved long-term durability. SEM and XRD analyses confirmed the formation of denser microstructures and a significant reduction in CH, indicating effective pozzolanic activity. In conclusion, this study shows that rice husk ash and waste glass powder, when properly processed and used in balanced proportions, can be viable supplementary cementitious materials in mortar production. Their use can significantly reduce demand for OPC, lower CO₂ emissions, and offer an environmentally responsible solution for reusing agricultural and industrial waste. The findings provide useful insights into advancing sustainable construction technologies and highlight the potential for greater adoption of green materials in the building sector.
Benzer Tezler
- Pirinç kabuğu kökenli silika içerikli MgO, SrO ve Al2O3 ilaveli 45S5 biyoaktif cam üretimi ve karakterizasyonu
Production of 45S5 bioactive glass obtained silica from rice husk ash doped with MgO,SrO and Al2O3 and its characterization
ZEYNEP ANIL KONUKOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEVİL YÜCEL
- Hafif duvar tuğlası üretiminde perlit ve bazı katkıların etkilerinin araştırılması
Başlık çevirisi yok
LEYLA TANAÇAN
- Biyokütle ve kömür birlikte yakma sistemlerinde sinerji araştırması
Synergy research in biomass and coal cofiring systems
SİNEM ÖZSOY AYDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR YAMAN
- Pirinç kabuğu külü ikameli çimento harçlarının hidratasyon gelişiminin fizksel ve mekanik özelliklerine etkisinin araştırılması
Investigation of the effect of hydration development on the physical and mechanical properties of rice husk ash substituded cement mortars
İZZET ÖZDEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
İnşaat MühendisliğiDüzce Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. YILMAZ KOÇAK
- Metal katkılı silika aerojellerin üretimi, karakterizasyonu ve adsorpsiyon performansının gıda endüstrisinde değerlendirilmesi
Evaluation of the production, characterization and adsorption performance of metal doped silica aerogels in the food industry
BURCU KARAKUZU İKİZLER
Doktora
Türkçe
2023
BiyomühendislikYıldız Teknik ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEVİL YÜCEL