Kaya Atıkları ve Lif Donatı Kullanarak Beton Üretimi

Yakın zamanda yapılan bir çalışma, tünel kazılarından elde edilen atık kayayı bazalt lifler veya çelik liflerle takviye ederek uygun maliyetli, yüksek performanslı beton üretmek için pratik bir yöntem ortaya koymuştur. Bu yaklaşım, inşaat sektöründeki artan malzeme kıtlığı ve çevresel endişeleri ele alırken, israf olacak kaynakları da değerlendirmektedir.

Neden önemli?

Beton üretimi büyük ölçüde doğal kum ve iri agregaya dayanmaktadır, ancak bu kaynaklar giderek azalmaktadır. Aynı zamanda, altyapı projeleri özellikle de otoyol tünelleri genellikle atılan büyük miktarlarda atık kaya üretmektedir. Örneğin Çin’de, çoğunlukla kireç taşı ve dolomitik kireç taşından oluşan bu kazı malzemesinin çoğu, taş ocaklarında kullanılmadan kalmaktadır.

Bu araştırma, kırılmış atık kayanın doğal agregaların yerine kullanılıp kullanılamayacağını ve lif eklemenin betonun dayanımı ve işlenebilirliğinde ortaya çıkan değişiklikleri telafi edip edemeyeceğini araştırmaktadır.

Yaklaşım ve malzemeler

Bu fikri test etmek için araştırmacılar, çimento ve uçucu külden yapılmış bir bağlayıcı kullanarak beton karışımları hazırladılar. İri ve ince agregalar, Luxi-Qubei-Guangnan-Funing Otoyolu boyunca uzanan bir tünel projesinden toplanan kırılmış atık kayadan oluşuyordu ve kireç taşı/dolomitik kireç taşı oranı 16:9’du. Karışımın kıvamını iyileştirmek ve büzülmeyi azaltmak için polikarboksilik bir süper akışkanlaştırıcı eklendi.

Çalışmanın temel değişkeni lif takviyesiydi. İki farklı tür lif test edildi:

1, 2 ve 3 kg/m³ oranlarında eklenen bazalt lifler (24 mm) (BF01, BF02, BF03 olarak etiketlenmiştir)

20, 40 ve 60 kg/m³ oranlarında eklenen çelik lifler (35 mm, kancalı uçlar) (SF20, SF40, SF60 olarak etiketlenmiştir)

Tüm karışımlar C50 beton dayanımına ulaşmak üzere tasarlanmıştır. Lif içermeyen bir kontrol karışımı (JF50) referans beton olarak kullanılmıştır.

Hazırlandıktan sonra, taze beton işlenebilirliğin temel bir ölçüsü olan çökme açısından değerlendirilmiştir. 7 ve 28 günlük kürlenmenin ardından sertleştirilmiş numuneler aşağıdaki açılardan test edilmiştir:

• Basınç dayanımı
• Yarmada çekme dayanımı
• Eğilme dayanımı
• İç yoğunluk ve bütünlüğü değerlendirmek için P dalgası hızı

Malzemenin mikroskobik düzeyde davranışını anlamak için, betonun iç yapısını ve lifler ile matris arasındaki etkileşimi incelemek üzere taramalı elektron mikroskobu da (SEM) kullanılmıştır.

Temel bulgular

Bu çalışma, özellikle lif takviyesiyle birleştirildiğinde, atık kayanın betonda doğal agregaların tam ikamesi olarak kullanılmasının performansını, maliyet etkinliğini ve yapısal uygulanabilirliğini değerlendirmeyi amaçlamıştır. Sonuçlar, farklı lif türlerinin ve dozajlarının işlenebilirliği, dayanımı ve uzun vadeli dayanıklılığı nasıl etkilediğini, genel ekonomik ve çevresel etkilerini vurgulamaktadır.

Beton karışımına lif eklenmesi, çökme değerlerinde bir azalmaya yol açarak daha düşük işlenebilirliğe işaret etmektedir. Buna rağmen, tüm karışımlar yapısal uygulamalar için kabul edilebilir sınırlar içinde kalmıştır. Hem bazalt hem de çelik lifler, optimum bir doza kadar mekanik performansın iyileştirilmesine katkıda bulunmuştur. Bir noktadan sonra, muhtemelen zayıf lif dağılımı ve kümelenmesi nedeniyle performans düşüşü gözlenmiştir. İlginç bir şekilde, bazalt lif karışımlarındaki basınç dayanımı, test edilen en yüksek dozajda bile artmaya devam etmiştir.

Her lif türünün davranışı, çatlakların nasıl oluştuğunu ve yayıldığını da etkiledi. Bazalt lifler homojen bir şekilde dağıldı ve çatlamaya dirençli ağ benzeri bir takviye oluşturmaya yardımcı oldu. Daha uzun ve kancalı uçları olan çelik lifler, gerilim altındaki çatlakları köprülemede özellikle etkiliydi. Her iki lif türü de çimento matrisine iyi bağlanarak betonun iç kohezyonunu artırdı.

Maliyet analizi, atık kaya kullanmanın açık bir avantajını ortaya koydu. Doğal agregaların değiştirilmesi, toplam malzeme maliyetlerini %25,5 oranında düşürdü. Lif eklenmesine rağmen, lif bakımından en zengin bazalt karışımı (BF03), kontrole göre %12,6’lık bir maliyet avantajını korudu. Tüm kombinasyonlar arasında, BF02 karışımı (2 kg/m³ bazalt lif), birim mukavemet başına maliyeti %7,3 (yarmada çekme) ve %5,2 (eğilme) oranında azaltarak en iyi performans-maliyet oranını sağlamıştır.

Buna karşılık, çelik lif karışımları önemli ölçüde daha pahalıydı. En düşük çelik lif dozajı (SF20) maliyetleri yaklaşık %40 artırırken, SF40 gibi orta seviye dozajlar birim mukavemet başına maliyeti iki katından fazla artırmıştır. Bu sonuçlar, bazalt lifin daha pratik ve ölçeklenebilir bir seçenek olduğunu güçlü bir şekilde ortaya koymaktadır.

İç yapı analizleri mekanik bulguları desteklemiştir. SEM görüntülemeleri, bazalt liflerin hidrasyonu artırdığını ve matris yoğunluğunu iyileştirerek, özellikle BF02 karışımında daha iyi dayanıklılık ve uzun vadeli performansa katkıda bulunduğunu göstermiştir.

Son değerlendirme

Özetle, çalışma, atık kayanın fiber takviyeyle birlikte kullanıldığında yapısal betondaki doğal agregaların yerini etkili bir şekilde alabileceğini doğrulamaktadır. Çelik lifler daha yüksek tepe dayanımları sağlarken, bazalt lifler dayanım, dayanıklılık ve maliyet açısından daha dengeli bir sonuç sunmuştur. 2 kg/m³ bazalt lif dozu, en verimli ve sürdürülebilir seçenek olarak öne çıkmıştır.

Bu yaklaşım, sınırlı doğal kaynaklara ve yüksek hacimli hafriyat atığına sahip bölgeler için cazip bir çözüm sunmaktadır.

Kaynak: www.azobuild.com/news.aspx?newsID=23787