Su Azaltıcı Özelliğe Sahip, Verimli ve Puzolanlı Bağlayıcı Sistemler ile Uyumlu Öğütme Kolaylaştırıcı Katkı Geliştirilmesi

Doktora Sonrası Araştırma Programı Projesi, 2024 - 2026

Proje Türü: Doktora Sonrası Araştırma Programı Projesi
Başlama Tarihi: Nisan 2024
Bitiş Tarihi: Nisan 2026

Proje Özeti

Çimento üretiminin maliyetini, sebep olduğu enerji sarfiyatını ve CO₂ salımını azaltmak amacı ile klinker öğütme evresinde öğütme kolaylaştırıcı katkı (ÖKK) kullanılmaya başlanılmıştır. Yapılan ön çalışmalarda ticari olarak kullanılan ÖKK’ların modifikasyon işlemi ile hem öğütme performanslarında hem de çimentolu sistem özelliklerinde iyileşme sağlanabildiği tespit edilmiştir. Ayrıca, ÖKK kullanımının çimentonun tane boyut dağılımını ve hidratasyon ürünlerinin morfolojisini etkilemesinden dolayı hidratasyon kinetiğini arttırdığı anlaşılmıştır. Bu bağlamda, önerilen proje kapsamında;

· Ticari olarak kullanılan ÖKK’ların çeşitli organik asitlerle modifiye edilerek hem öğütme kabiliyetinin arttırılması hem de çimentolu sistemlerin taze hal, reolojik ve sertleşmiş özellikleri açısından performansının arttırılması hedeflenmektedir. Bu doğrultuda, ön çalışma sonucunda seçilen en verimli 3 ÖKK (TIPA, DEG ve DEIPA), 3 farklı organik asit ile modifiye edilerek toplamda 9 farklı modifiye ÖKK elde edilecektir. Böylece, toplamda 12 ÖKK, 3 farklı dozajda (ağırlıkça %0,025, %0,05 ve %0,1) kullanılarak öğütme işlemi gerçekleştirilecektir. Bu bağlamda, biri ÖKK’sız (Kontrol) olmak üzere toplamda 37 farklı çimento üretilecektir. Tüm ÖKK’ların öğütme performansı, sera gazı salımına ve karbon ayak izine etkisi kıyaslanacaktır. Böylece, kullanılan organik asitlerin modifikasyon işlemi ile öğütme performansını hangi mertebede arttırabildiği ortaya konulacaktır. Ayrıca, edilen 37 adet çimento ile ÖKK kullanımının ve modifikasyon işleminin çimentolu sistemlerin hidratasyon derecesine, hidratasyon ürünlerinin miktarına ve morfolojisine, priz süresine, reolojik parametrelerine, hedef yayılma değeri için PCE gereksinimine, PCE adsorpsiyon kapasitesine, kıvam koruma performansına, su emme oranına ve basınç dayanımına etkisi irdelenecektir. Elde edilen veriler istatiksel analiz yardımıyla değerlendirilip modifiye edilen 3 ÖKK’nın her biri için en verimli modifikasyon seçilecektir.

· Öğütme verimliliği ve çimentolu sistemlerin özellikleri açısından optimal kimyasal yapıya sahip (anyonik/non-iyonik oranı, ana zincir uzunluğu ve yan zincir uzunluğu) polikarboksilat eter (PCE) esaslı ÖKK sentezlenecektir. Sentezlenen katkılarla, PCE esaslı ÖKK’ların öğütme performansı ve çimentolu sistemlerin taze hal, reolojik ve sertleşmiş özelliklerine etkisi incelenecektir. İstatiksel analiz yardımıyla deney verileri değerlendirilerek en verimli PCE esaslı ÖKK seçilecektir.

· Optimal kimyasal yapıya sahip PCE esaslı ÖKK ile ticari olarak kullanılan ÖKK’ların birleştirilmesiyle yeni nesil PCE esaslı modifiye ÖKK sentezlenecektir. Ticari olarak kullanılan 3 ÖKK (TIPA, DEG ve DEIPA), seçilen PCE esaslı ÖKK ile tekrar modifiye edilerek yeni nesil PCE esaslı modifiye ÖKK sentezlenecektir. PCE esaslı modifiye ÖKK’ların öğütme performansı ve çimentolu sistemlerin taze hal, reolojik ve sertleşmiş hal özelliklerine etkisi incelenecektir.

· Ticari olarak kullanılan ÖKK’lar, modifiye ÖKK’lar ve PCE esaslı modifiye ÖKK’ların farklı tip ve kimyasal özelliklere sahip puzolanlı çimentolar ile etkileşimi araştırılacaktır. Ticari olarak kullanılan 3 ÖKK, modifiye edilen 3 ÖKK, PCE esaslı modifiye 3 ÖKK varlığında üretilen çimentolar ve kontrol çimentosu ile iki farklı tip ve üç farklı ikame oranında uçucu kül ve yüksek fırın cürufu ikameli karışımlarda, söz konusu ÖKK’ların taze hal, reolojik özellikler ve basınç dayanımı üzerindeki etkisi incelenecektir. Bu sayede, her bir ÖKK’nın farklı tip, kimyasal içerik ve kullanım oranında puzolan ikameli sistemlerdeki performansı detaylı bir şekilde irdelenecektir. Yapılacak istatistiksel analize göre en iyi performans sergileyen ÖKK seçilecektir.

· Elde edilen tüm deneysel parametrelerin istatiksel analizi ile seçilen en verimli ÖKK varlığında üretilen çimentolu sistemlerin durabilite performansı incelenecektir. ÖKK’ların, çimentonun tane boyut dağılımını, hidratasyon ürünlerinin miktarı ve morfolojisini etkilemesinden dolayı çimentolu sistemlerin durabilite performansını arttırması öngörülmektedir. Seçilen en verimli ÖKK’nın çimentolu sistemlerin sülfat direncine, karbonatlaşma derinliğine, donma çözülme direncine ve kuruma büzülme davranışına etkisi incelenecektir.

Tüm aşamalar değerlendirildiğinde proje, hem literatüre pek çok açıdan katkı sağlayacak hem de en çevreci üretimler için yeni nesil ÖKK’ların geliştirilmesi konusunda örnek teşkil edecektir.

Summary

To reduce the cost, energy consumption, and CO₂ emission of cement production, grinding aids (GA) are used during clinker grinding. Preliminary studies showed that the modification process of commercial GA could be improved both the grinding performance and properties of cementitious system. In addition, GA increased the hydration kinetics by affecting cement particle size distribution and the morphology of the hydration products. In this context, within the scope of the proposed project;

· It is aimed to increase the grindability of commercial GAs by modifying them with various organic acids and to increase the performance of cementitious systems in terms of fresh, rheological, and hardened properties. For this purpose, the three most efficient GAs (TIPA, DEG, and DEIPA) selected from the preliminary study will be modified with three organic acids to obtain a total of 9 modified GAs. Thus, a total of 12 GA will be used in 0.025%, 0.05%, and 0.1% dosage by total weight of clinker and gypsum. Accordingly, a total of 37 cements will be produced, including control cement without GA. The grinding performance, greenhouse gas emission, and carbon footprint of the GAs will be compared. In addition, with the behavior of 37 cements in terms of degree of hydration, the amount and morphology of hydration products, setting time, rheological parameters, PCE requirement, PCE adsorption capacity, consistency retention, water absorption and compressive strength will be examined. The results will be evaluated with the help of statistical analysis to select the most efficient modification method for each GA.

· Polycarboxylate ether (PCE) based GA with optimal chemical structure (anionic/non-ionic ratio, main chain length, and side chain length) in terms of grinding efficiency and properties of cementitious systems will be synthesized. The synthesized additives, grinding performance of PCE-based GAs, and their effect on the fresh state, rheological, and hardened properties of cementitious systems will be examined. The most efficient PCE-based GA will be selected by evaluating the experimental data with the help of statistical analysis.

· A new generation PCE-based modified GA will be synthesized by combining PCE-based GA with optimal chemical structure and commercial GA. A new generation of PCE-based modified GA will be synthesized by re-modifying three commercial GAs (TIPA, DEG, and DEIPA) with the selected PCE-based GA. The grinding performance of PCE-based modified GAs and their effect on the fresh state, rheological and hardened state properties of cementitious systems will be examined.

· The interaction of commercial GA, modified GA, and PCE-based modified GA with blended cements containing various pozzolans (two Class F fly ashes and two blast furnace slags) with different chemical properties will be investigated. The fresh and rheological properties of blended cements produced with commercial three GAs, three modified GAs, and three PCE-based modified GAs and control cement will be determined. In this way, the performance of each GA used in various ratios in pozzolan-substituted cementitious systems will be examined in detail. According to the statistical analysis, the most suitable GA will be selected for the last stage of the project.

· Finally, the durability of cementitious systems produced with the selected GA will be investigated. It is predicted that GA will increase the durability performance of cementitious systems because it affects the particle size distribution of cement, and the amount and morphology of hydration products. The effect of the most efficient GA on the sulfate resistance, carbonation depth, freeze-thaw resistance, and drying shrinkage behavior of cementitious systems will be examined.

When all stages are evaluated, the project will both contribute to the literature in many ways and set an example for the development of a new generation GA for environmentally friendly cement production.