I. Ulusal Yapı Malzemesi Kongresi Bildirisi
Malzeme Dosyası > Duvar Elemanları > Bildiriler

Tuğla Üretiminde Termik Santral Atığı Puzolanik Uçucu Küllerin Değerlendirilmesi
Ayşen Çelen Öztürk ¹

Yapılan çalışmada, tuğla üretiminde ana malzeme olarak kullanılan kilin, özelliklerini geliştirmek amacıyla, katkı malzemesi olarak termik santrallerde yakılan kömürün katı atığı uçucu kül, kullanılmıştır.

Daha önce yapılan çalışmalarda; uçucu küllerden üretilen cam-seramik malzemelerin DTA ve X ışınları ile yapılan minerolojik analizlerinde yapının amorf, ancak ısıl işlemler sonucunda cam-seramik dönüşümünün gerçekleşmiş olduğu tespit edilmiş, kristal fazında MgAl²O4 (magnezyum alüminyum oksit) ve FeMgSiO3(demir magnezyum silikat) yer aldığı görülmüştür[l]. Amorf maddelerin kristalleşmesi nedeniyle egzotermik reaksiyon sonucu, sıcaklığın açığa çıktığı saptanmıştır. Uçucu külün pişme sırasında açığa çıkaracağı enerji ile normal pişme sıcaklığından tasarruf sağlanması ve düşük sıcaklıkta sinterleşme, ekonomik üretimlere olanak sağlanabileceğini düşündirilmektedir[2]. Bu konuyla ilgili yurt içi [3] ve yurt dışı [4] çalışmalar mevcut olup araştırmalar halen devam etmektedir.

Kil ve uçucu kül kompozisyonuyla hazırlanan tuğla numunelerinin iki ayrı sıcaklıkta sinterlenmesi sonucu, bünyesinde oluşan boşluklar sayesinde; ısı iletkenlik değerinin azaltılması, su emme değerlerinin ve mekanik dayanımlarının TS ve ASTM standartlanna uygun olması hedeflenmiştir.

l.Giriş
Yapılan bu çalışmada endüstriyel atık malzeme olarak, Tunçbilek termik santral linyit kömürü puzolanik uçucu külü seçilmiş,Kılıçoğlu kiremit-tuğla fabrikasından alınan kille belirli oranlarda kompoze edilerek laboratuvar şartlarında farklı sıcaklıklar için sinterlenmiştir[5]. Kullanılan uçucu külün, tuğlanın fıziksel ve mekanik özelliklerini ne yönde etkileyeceği araştırılmıştır.

Türkiye'de son yıllarda, endüstriyel atıkların değerlendirilmesi ve kompozit malzeme üretiminde performansa olan etkilerinin araştırılması, gündemi oluşturan önemli konulardan biri olmuştur. Termik santral, demir-çelik, bakır, ferrokrom, gübre, kağıt vb. sanayi alanlarından elde edilen atık malzemelere kullanım olanaklarının yaratılması çok yönlü yarar sağlayacaktır. Özellikle konvansiyonel yapı malzemelerinin iyileştirilmesi yeni kullanım alanları bulunabilmesini sağlarken, atıkların değerlendirilmesi; enerji tasarrufu, ekonomi, çevre koruma ve doğal kaynakların daha akılcı kullanımı gibi avantajlara neden olacaktır.

2. Deneysel Çalışmada Kullanılan Malzeme Özellikleri
2.1. Kil Hammadesinin Özelikleri
Puzolanik uçucu kül katkılı tuğla üretiminde, Kılıçoğlu Kiremit-Tuğla Fabrikası kili kullanılmıştır. Kullanılan kil, tuğla üretimine uygun şekilde öğütülmüş ve hazırlanmış olarak temin edilmiştir.

Tablo l.'de verilen Kılıçoğlu kil toprağı kimyasal analizine göre kimyasal bileşim yüzdelerine bakıldığında, bu toprağın Montmorillonit kil grubuna yakın olduğu ve tuğla üretimine uygun bir kimyasal bileşime sahip olduğu görülmektedir[5].

Tablo 1- Kılıçoğlu Tuğla-Kiremit Fabrikası Toprağı Kimyasal Analizi (Fab.tarafından verilen föye göre)

Elde edilen deney sonuçlarına göre üretilen uçucu kül katkılı ve katkısız tuğlaların plastiklik suyu %33-42 arasında değişmektedir. Bu sonuçlar da Kılıçoğlu kilinin üretim için uygun plastikliğe sahip olduğunu göstermektedir.

2.2. Uçucu Küllerin Özelikleri
Bu çalışmada Tunçbilek Termik Santralına ait "C" sınıfı uçucu külü kullanılmıştır. Kullanılan uçucu küle ait kimyasal özelllikler Tablo 2'de (29.6.1998 Termik Santrallar İşletme ve Bakım Dairesi Başkanlığı Teknik Kontrol Lab. Müdürlüğü föyünden alınmıştır.) verilmiştir.

Tablo 2- Tunçbilek Uçucu Külü Kimyasal Analizi.

3. Numune Üretimi
3.1. Tuğla Hamurunun Hazırlanması
Gerek deney aletlerinin olanakları, gerekse deney sonuçlarının güvenirliliği açısından numune boyutlarının 40 x 40 x 160 mm. olması öngörülmüştür. Böylelikle eğilme deneyi sonucunda iki prizma parçası üzerinde de basınç deneyi yapılabilecektir.

Yapılan deneysel çalışmada, tuğla hamurunun şekillendirilmesinde, yarı yaş şekillendirme yöntemi, ağızlıklı pres geliştirilerek kullanılmıştır. Çalışma prensibi, sonsuz dişli bir burgu aracılığı ile sıkıştırılan plastik hamurun, makinenin daralan ağız kısmına takılan ve istenen kesiti veren ağızlıklardan şekillenerek çıkması esasına dayanır.

3.2. Numunelerin Pişirilmesi
Hazırlanan numuneler M.S.Ü Güzel Sanatlar Fakültesinin Seramik bölümündeki fırınlarında pişirilmiştir. Fırın; maksimum ulaşabileceği sıcaklığı 1200°C olan, pişme süresi ve sıcaklığı manuel kontrol edilen elektrikli bir fırındır. Pişme esnasında açığa çıkan gazların ortamı terketmesi için baca ünitesi mevcuttur.

Pişme sıcaklığı olarak, 850°C ve 1000°C iki ayrı sıcaklık seçilmiştir. Toplam pişirme süresi 8 saat olarak sıcaklık derecesine göre ayarlanmıştır. Fırın içi tuğla numuneler koyulmadan önce ön ısıtma ile 100°C ye kadar ısıtılarak zaman kaybı önlenmiştir. Fırın istenilen sıcaklığa eriştikten sonra bir süre bu sıcaklıkta tutulup daha sonra ısıtma işlemi sona erdirilmiş ve kendiliğinden soğumaya bırakılmıştır. 

4. Deneysel Çalışma ve Sonuçlar
Uçucu kül katkısının, belirlenen oranlarda; %0, %5, %10, %15. %20, %30, %40, %50 olarak, kile katılmasının tuğla üretiminde performansa etkisi, fıziksel ve mekanik özelikler üzerinden araştırılmıştır. Üretilen numuneler üzerinde sırasıyla;
- İç Yapı Analizi,
- Kuruma, pişme, toplam küçülmeler,
- Birim hacim ağırlık,
- Ağırlıkça su emme,
- Hacimce su emme,
- Eğilme dayanımı,
- Basınç dayanımı,
- Isı iletkenlik katsayısı-B. Hacim ağırlık ilişkisi.
deneyleri yapılmış ve sonuçları örnek sayısının aritmetik ortalaması olarak verilmiştir.

4.1. İç Yapı Analizleri
Deneysel çalışmada üretilen tuğla numunelerin iç yapı analizleri, Anadolu Üniversitesi Seramik Mühendisliği Bölümünün Araştırma Laboratuvarında taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar katkı oranlarına göre sınıflandırılarak aşağıda verilmiştir.

Mikro yapı analizi sonucu elde edilen görüntülerde; uçucu kül miktarının artmasıyla kil tabakaları üzerinde aglomere uçucu kül taneleri miktarı artmaktadır. Aglomere tanelerde bulunan amorf bölgeler; içerdiği alkali oksitlerinde etkisiyle tamamen erimiş, camsı yapıyı göstermektedir.

İç yapı analizlerine bakıldığı zaman:
- Katkısız ve %20' ye kadar olan uçucu kil katkılı numunelerde dane şeklinden bahsetmek mümkün gözükmemektedir. Resim 1' de görüldüğü gibi katkısız tuğla numunelerde gözle görünür porozite bulunmamaktadır.
- Kül katkısı arttıkça iç yapı analizlerinde görüldüğü gibi boşluklar (porlar) fazlalaşmaktadır. Oluşan bu boşluklar çok farklı çaplara sahiptir.
- %20 ile %30 uçucu kül katkılı numuneler arasında büyük bir porozite değişimi görülmektedir.
- Resim 2.'de, %20 kül katkısından itibaren, farklı dane boyutları ve dane şeklinin homojen olmadığı görülmektedir.
- Resim 3'de görülen, %30 kül katkı oranı ile hazırlanan tuğla numunelerde yuvarlak daneler artmakta ve daneler küreselleşmektedir. 
- Resim 4.'de %40 kül katkısından sonra porozitenin bir miktar azaldığı ve lifli yapının arttığı görülmektedir.
- Resim 5'de görülen %50 kül katkılı tuğla karışımlarda süngerimsi bir lifli yapının oluştuğu daha açık bir şekilde görülmektedir.

Gözeneklerin geometrisinde farklılıkların görülmesinin değişik nedenleri vardır. Bunlar; pişirim sürecinde yeni silikat minerallerinin oluşumu, hammaddelerden açığa çıkan gazların kısmi basınçları, sinterleşme sırasında ara fazların ve cam fazının kinetiksel davranışlarıdır.

Çok sayıda yuvarlak mikroporların avantajı nemin kapilarite ile taşınım imkanını gözlemlenebilir oranda yavaşlatmasıdır. Tuğla bünyesindeki lamelimsi gözeneklerin yapı malzemesinin dona karşı dayanıklılığını arttırdığı, C.Mayer ve Stegmüller tarafından kanıtlanmıştır [6].

4.2. Kuruma, Pişme ve Toplam Rötre Değerleri
Kurutma sırasında numunelerdeki suyun buharlaşması sonucu, taneler birbirine zklaşmakta ve hacimsel bir küçülme olmaktadır. Kurutma rötresi olarak isimlendirilen bu küçülme, karışımdaki kül oranının artışıyla azalmaktadır.

Kül içerisindeki SiO2 ve Al2O3 gibi plastikliği olmayan fazlar, plastikliği azaltmakta ve dolayısıyla kuruma rötresini de azalttığı düşünülmektedir.

Uçucu kül katkı oranı ile kuruma rötresi değerleri Şekil l'de verilmiştir.
Kuruma rötresi pişme öncesi bir fiziksel değişim olduğu için pişme sıcaklığı ile ilişkisi bulunmamaktadır. Fakat tüm karışım oranlarının kuruma rötresi değerlerinin birarada verilmesi amacıyla 850°C ve 1000°C'deki pişirilecek numuneler aynı grafik üzerinde gösterilmiştir.

Uçucu kül katkı oranının artışıyla lineer olarak azalan kuruma rötresi, %20 kül katkısında lineerliği bozarak önemli bir düşüş göstermekte ve minimum seviyelere inmektedir.

Şekil 1- Uçucu Kül Katkı Oranı- Kuruma Rötresi İlişkisi

Şekil 2'de görülen pişme rötresi, kül miktarı arttıkça artmaktadır. Bu artış, külün içerisinde bulunan yanmamış karbonun yanması sonucu açığa çıkan enerji ve yine kül içerisinde bulunan Na2O ve K2O gibi alkali oksitlerin sinterlemeye yardım etmesi ve külün puzolan özellikte olmasının etkisi ile açıklanabilir.

Aynı kül katkı oranına sahip örneklerde; 850°C ve 1000°C'deki pişme sıcaklığında, pişme küçülmesi değerlerinin aynı olduğu, sadece %15 kül katkı oranında bir miktar farklılık gösterdiği, %20 kül katkı oranında yeniden 850°C ve 1000°C'de aynı değerleri taşıdığı gözlenmiştir.

Kilde bulunan alkali elementler ve kül içindeki puzolan mineraller, sıcaklığın etkisiyle camsı sıvı faz oluşturmaktadır. Sıcaklığın artması ile artan sinterleşme sonucunda sıvı faz miktarı da artmakta ve dolayısı ile pişme küçülmesinde de artış meydana gelmektedir.

Sıvı faz sinterleşmesi oluşmadan önce, kompleks bir karışım olan kilin 400-600 °C arasında kristal suyunu kaybetmesi, uçucu küllerin sıvı faz oluşturması (killere göre daha az), uçucu küllerdeki karbonun yanarak uzaklaşması numunelerde pişme küçülmesine neden olmuştur.

Şekil 2-Uçucu Kül Katkı Oranı-Pişme Rötresi İişkisi

Şekil 3-Uçucu Kül Katkı Oranı-Toplam Rötre İlişkisi

Şekil 3'de kuruma ve pişme rötrelerinin toplamı olarak ifade edilen toplam rötre eğrisi incelendiğinde, kuruma rötresine benzer bir eğim görülmekte, uçucu kül katkı oranmın artışıyla lineer olarak azalan toplam rötre, %20 kül katkısında lineerliği bozarak önemli bir düşüs göstermekte ve minumum değeri almaktadır.

4.3. Su Emme Değerleri
Uçucu kül katkı oranı ve su emme değerleri Şekil 4.'de grafık olarak gösterilmiştir. Bu grafıklere göre; su emme değerleri kül miktarı arttıkça artmaktadır.

Kül içindeki uçucu maddelerin ve yanmamış karbon içeren organik fazların sinterleme esnasında yanması ve CO ve CO2 şeklinde bünyeden uzaklaşması, yapıda boşluklar oluşturmaktadır. Ancak göze çarpan bir bulgu da; kül miktarının artmasıyla, pişme rötresinde artış olurken aynı zamanda su emme değerlerinde de artış gözlenmesidir. Sinterlenmenin artması su emme özelliğini düşürdüğü, standart seramik malzemelere nazaran su emme değerinin de artması, yapıdaki oldukça fazla uçucu ve yanmamış karbon fazların sinterleşme sırasında uzaklaşması ve yerlerinde boşluklar oluşması sonucu ile açıklanabilir.

Şekil 4- Uçucu Kül Katkı Oranı - Su Emme Değerleri.

Sıcaklığın etkisiyle oluşan camsı faz kil miktarının düşüşüyle azalacağından gözenekler tam olarak doldurulamamış ayrıca kül miktarına bağlı olarak sinterleşme ile bünyeden gaz çıkışının artması bunu desteklemiş ve su emme miktarının artmasına neden olmuştur.

4.4. Birim Hacim Ağırlık Değerleri
Şekil 5'de görüldüğü gibi; birim hacim ağırlıkları, uçucu kül miktarı arttıkça düşmektedir. Numunelerin pişirilmesi sırasında; bünyelerindeki karbonun oksitlenmesi, sülfatların gaz haline dönüşmesi, kil taneleri yüzeyine absorbe olmuş suların ve kristal suların uzaklaşması, sonucu ağırlıklarında bir azalma görülmüştür.

Şekil 5- Uçucu Kül Katkı Oranı - Birim Hacim Ağırlık Değerleri.

Birim hacim ağırlığı, porozite (gözeneklilik) ve su emme değerleriyle ters orantılı olarak düşmektedir. Şekil 6 ve Şekil 7'deki grafiklerde ağırlıkça su emme ve birim hacim ağırlık değerlerinin ters orantılı olduğu görülmektedir.

Şekil 6- 850°Cdeki Sinterlemelerde Birim Hacim Ağırlık- A.Su Emme İlişkisi

Şekil 7-1000°Cdeki Sinterlemelerde Birim Hacim Ağırlık- A.Su Emme İlişkisi

Aynı kül katkısına sahip farklı pişme sıcaklıklarında (850°C ve 1000°C'de) birim hacim ağırlığının değişmediği ve her iki pişme sıcaklığında da ağırlıkça su emme değerlerinin birim hacim ağırlığın artmasıyla azaldığı, uçucu kül katkı oranının artmasına paralel arttığı gözlenmiştir.

4.5. Mekanik Dayanım Değerleri
Uçucu kül katkı oranı ile tüm mekanik dayanım değerleri Şekil 8'de grafik olarak gösterilmiştir. Bu grafiklere göre; 850°C'deki pişirimlerde artan kül oranı ile birlikte eğilme ve basınç dayanımları düşmüştür. Kül miktarının artmasına paralel olarak artan gözenek miktarı, dayanım değerlerini düşürmektedir.

850°C'deki sinterleşmede % 15 uçucu kül katkısmda eğilme ve basınç dayanımlarında önemli bir artış görülmekte, %20 uçucu kül katkısında dayanım değerleri azalmaya devam etmektedir.

Şekil 8- Uçucu Kül Katkı Oranı-Mekanik Dayanım İlişkisi.

1000°C'deki pişirimlerde basınç mukavemeti kül oranı arttıkça, hızlı bir şekilde azalmaktadır. %15 kül katkı oranında eğilme ve basınç dayanımında bir miktar artış gözlenmiş ve %40 kül katkısında eğilme dayanımı maksimum bir değer göstermiştir. Bu maksimum değer; kül içindeki sertliği yüksek fazların oranının artması sonucu, bir kompozit malzeme davranışı olarak görülmektedir.

1000°C'deki sinterleşmede % 20' nin üzerindeki kül katkılarında basınç dayanımı azalırken eğilme dayanımında artış gözlenmiştir. Bu aralıkta basınç ve eğilme dayanımının ters orantılı olduğu görülmektedir. %50 kül katkısı miktarına gelindiğinde, artan porozite nedeniyle basınç dayanım değeri eğilme değerine yaklaşacak kadar düşmektedir.

4.6. Isı İletkenlik Katsayısı -Birim Hacim Ağırlık İlişkisi.
Isı iletimi içyapı ile ilişkili olduğundan, birim ağırlığı az olan malzemelerde ısı iletkenlik katsayısının da düşük olduğu görülmektedir. Hafif ve içinde boşluklar bulunan malzemeler ısıyı en az geçirirler.

Bayındırlık ve İskan Bakanlığının 1999'da yayınlamış olduğu "Mecburi Standart Tebliğ"in de verilen, TS 704 ve 705' e uygun dolu ve düşey delikli tuğlaların birim hacim ağırlık değerlerine göre ısı iletkenlik katsayıları Şekil 9' da verilmiştir[7]. Üretilen uçucu kül katkılı tuğlaların deney sonuçlarına göre elde edilen birim hacim ağırlık değerleri; 1.93, 1.89, 1.72 , 1.68 ve 1.59 gr/cm3 alınıp Şekil 9'da ki grafiğe yerleştirilirse yaklaşık ısı iletkenlik değerlerinin 0,9 ile 0,7 W/mK arasında değişeceği görülmektedir.

Şekil 9- Birim Hacim Ağırlık- Isı İletkenlik Katsayısı İlişkisi.

5. Sonuçlar
Uçucu kül katkı miktarının artmasıyla kuruma küçülmesi azalmakta, pişme küçülmesi artmaktadır. Toplam küçülmeye bakıldığında o da, uçucu kül katkısıyla azalmaktadır. Bu da rötrenin azaldığını göstermektedir. Tuğla üretiminde rötre istenmeyen bir olay olduğu için bu sonuç olumlu olmaktadır.

Su emme değerleri, uçucu kül katkı oranına paralel olarak artmakta, yüksek sıcaklıktaki (1000°C ) pişirimlerde sinterleşmenin daha fazla olması ve gözenekliliğin azalması ile düşük değerler almaktadır.

Kil-uçucu kül karışımlarında kül miktarınm artmasına paralel olarak artan gözenek miktarı, dayanım değerlerini düşürmüştür. Genel olarak mekanik dayanımlar, TS 7057 1985 [8] ve ASTM C216' daki standartların[9], üstünde değerlere ulaşmıştır.

Elde edilen tüm değerlere göre; 24,4 N/mm" basınç dayanımı, l,59gr/cm birim hacim ağırlık, yaklaşık hesaplanan ısı iletkenlik katsayısı 0,7W/mK, toplam rötre değeri %8,72 ve %18,38 ağırlıkça su emme ile, optimum bileşimin 850°C de sinterlenen, kil ve %15 uçucu kül katkı oranı olduğu sonucuna varılmıştır.

Kaynaklar
1. Ergüt Ş., Yılmaz Ş., Günay V., Özkan O.T., "Termik Santral Atık Uçucu Küllerinin Karakterizasyonları, Seramik ve Cam Hammaddesi olarak Kullanım Potansiyelleri", 8. Uluslararası Metalurji ve Malzeme Kongresi Bildiri Kitabı. cilt 2, ss. 869-874, 1995, İstanbul. '
2. Duman N., Özgen S., "Termik Santral Atık Uçucu Küllerinin Karo Üretiminde Değerlendirilmesi". 3. Seramik Kongresi Bildiri Kitabı, Geleneksel Seramikler. cilt 1. İstanbul.
3. Öveçüğlu M.L.,Thijsen P. "Atık Uçucu Küller ve Yüksek Fırın Curuflarından Elde Edilen Cam-Seramik Malzemelerin Özellikleri". 4. Uluslararası Seramik Teknik Kongresi, ss. 124-130.1980 İstanbul.
4. Cumpston B., Shadman F., Risbud S. "Utilisation of Coal-Ash Minerals For Technological Ceramics", J.Met.Sei. pp. 1781-84,27. 1992.
5. Öztürk Çelen A., "Tuğla Üretiminde Termik Santral Atığı Puzolanik Uçucu Küllerin Değerlendirilmesi Üzerine Bir Araştırma." Doktora Tezi, M.S.Ü.. 2001 İstanbul.
6. Baykara, M., (2000) "Seramik Yapı Malzemelerinde Mikro Yapının Biolojik Boyutu" 2000'li Yıllarda Sağlıklı vc Güvenli Konutlar için Tuğla-Kiremit Paneli, TUKDER, Ankara.
7. 'T.C Bayındırlık ve İskan Bakanlığı Mecburi Standart Tebliği". Ankara 1999.
8. "Fabrika Tuğlaları", TS 705, 1985.
9. "Standart Specifıcation for Facing Brick". ASTM C 216. Annual Book of ASTM Standards 97, vol. 16, pp.113-117.

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

¹ Yrd. Doç. Dr. Osmangazi Üniversitesi, Müh. Mim. Fak., Eskişehir