Araştırmadan Gerçeğe: Bor Aktivasyonlu Çimento (BAC) Üretimi

Abstract

Enerji yoğun sektörlerin başında gelen çimento sektöründe çimento üretimi kaynaklı oluşan sera gazı emisyonları göz ardı edilemeyecek seviyelerdedir. Bu emisyon değerleri üretim esnasında kireçtaşının ayrışması ve üretim için kullanılan yakıtlar nedeniyle oluşmaktadır. Bu nedenle daha az karbon salımına neden olacak yenilikçi ürünler hedeflenmektedir. Bor minerallerinden kolemanit ise kimyasal içeriğinin çimento üretimine uygun olması nedeniyle en uygun alternatif hammadde adaylarından bir tanesidir. Daha önce de benzer içerikteki bor mineralleri çimento üretiminde denenmiş ve olumlu sonuçlar elde edilmiştir. Tespit edilmiş en önemli olumlu özelliği 1450°C olan pişme sıcaklığını 1350°C’lere kadar düşürme potansiyelidir. Düşük sıcaklıklarda üretim yapılmasına olanak sağlamasının yanı sıra çimentonun performansını da yükselttiği bilinmektedir. Bu çalışmada farin içerisine koyulacak olan kolemanit miktarı laboratuvar çalışmaları sonucu belirlendikten sonra, yeni bir yöntem olan laboratuvar ölçekli çoklu üretimler gerçekleştirilmiş ve bu sayede her deneme için çimento ve beton performansı değerlendirilmiştir. Laboratuvar ölçekli çalışmalar tamamlandıktan sonra Limak Çimento Balıkesir Fabrikasında endüstriyel boyutlu üretime geçilerek performansını arttırmak için çeşitli katkılar ile denemeler yapılmıştır. Nihai hedef olan farin içerisinde kolemanit kullanarak yenilikçi ve çevreci çimento olan Bor Aktivasyonlu Çimento (Boron Activated Cement-BAC) üretilerek karbon emisyon değerlerinde %10 düşüş sağlanmıştır.

Keywords

• Aktif belit çimentosu
• B2O3
• Kolemanit
• Yenilikçi çimento

Thanks

Bu çalışma, Eti Maden İşletmeleri Genel Müdürlüğü ve Limak Çimento Ar-Ge Merkezi iş birliğiyle gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın bilimsel platformda paylaşılmasına imkân sağlayan ve BORON 2025 kapsamında sunulmasının ardından bu yayına dönüşmesine katkı sunan organizasyon komitesine teşekkür ederiz. Deneysel üretim ve saha uygulamalarının gerçekleştirildiği Limak Çimento Balıkesir Fabrikası’na ve süreç boyunca değerli desteklerini esirgemeyen Fabrika Direktörü Volkan Duran’a, Kalite Müdürü İlknur Paşaoğlu’ya ve Üretim Müdürü Alper Kılıç’a teşekkür ederiz. Proje kapsamında teknik destek ve süreç yönlendirmesi sağlayan Limak Çimento Proses Direktörü Sabri Trabelsi’ye ve Kalite Direktörü Hatice Cebeci’ye, ayrıca ekipleriyle birlikte verdikleri katkılar için teşekkürlerimizi sunarız.

From Research to Reality: Production of Boron Activated Cement (BAC)

Abstract

The cement industry, one of the most energy-intensive sectors, is responsible for greenhouse gas emissions that cannot be overlooked. These emissions primarily arise from the decarbonation of limestone during clinker production and the combustion of fuels. Therefore, the development of innovative products enabling reduced carbon emissions has become a critical objective. Among boron minerals, colemanite stands out as a promising alternative raw material due to its chemical composition being compatible with cement production. Previous studies have also reported positive results from the use of boron-based minerals in cement manufacturing. One of the most notable advantages identified is the potential of colemanite to reduce the clinker burning temperature from approximately 1450°C to around 1350°C. In addition to enabling production at lower temperatures, colemanite is also known to enhance the performance of cement. In this study, the optimum amount of colemanite was determined through laboratory-scale investigations. So, a novel laboratory-scale multiple production methodology was applied, allowing the evaluation of cement and concrete performance. Following the laboratory-scale studies, industrial-scale production was carried out at Limak Cement Balıkesir Plant, where additional mineral was used to further improve performance. As a result, an innovative and environmentally friendly cement, Boron Activated Cement (BAC), was successfully produced by incorporating colemanite into the raw meal, achieving a reduction of approximately 10% in carbon emission values.

Keywords

• Active belite cement
• B₂O₃
• Colemanite
• Innovative cement

References

1. International Energy Agency. (2018). Technology roadmap: Low-carbon transition in the cement industry. https://www.iea.org/reports/technology-roadmap-low-carbon-transition-in-the-cement-industry
2. Izumi, Y., Iizuka, A., & Ho, H. J. (2021). Calculation of greenhouse gas emissions for a car-bon recycling system using mineral carbon capture and utilization technology in the cement industry. Journal of Cleaner Production, 312, 127618. https:// doi.org/10.1016/j. jclepro.2021.127618
3. Amato, I. (2013). Green cement: Concrete solutions. Nature, 494, 300-301. https:// doi.org/10.1038/494300a
4. Gartner, E., & Hirao, H., (2015). A review of alternative approaches to the reduction of CO2 emissions associated with the manufacture of the binder in concrete. Cement and Concrete Research, 78, 126- 142. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2015.04.012
5. Schneider, M. (2019). The cement industry on the way to a low-carbon future. Cement and Concrete Research, 124, 105792. https://doi.org/10.1016/j. cemconres.2019.105792
6. Ruppert, J., & Claude, L. (2017). CEMBUREAU cement CO2 emission share [Conference presentation]. Task Force Low Carbon Economy, Brussels, Belgium.
7. Koumpouri, D., & Angelopoulos, G. N. (2016). Effect of boron waste and boric acid addition on the production of low energy belite cement. Cement and Concrete Composites, 68, 1-8. https://doi.org/10.1016/j. cemconcomp.2015.12.009
8. Eti Maden İşletmeleri Genel Müdürlüğü. (2020, September 15). Kolemanit. https://www.etimaden.gov.tr/kolemanit

9. Hewlett, P. C., & Liska, M. (Eds.). (2019). Lea's chemistry of cement and concrete (5th ed.). Butterworth- Heinemann. https://doi.org/10.1016/C2013-0-19325-7
10. Taylor, H. F. W. (1997). Cement Chemistry. (2nd Ed.) Thomas Telford Publishing. http://dx.doi.org/10.1680/ cc.25929
11. Rogue, R.H., & Lerch, W. (1934). Hydration of portland cement compounds. Industrial and Engineering Chemistry, 26(8), 837-847. https://doi.org/10.1021/ ie50296a007
12. Jelenic, J, & Bezjak, A. (1981). On the hydration kinetics of α′- and β- modifications of dicalcium silicate. Cement and Conceret Research, 11(3), 467-471. https://doi. org/10.1016/0008-8846(81)90118-6
13. Türk Standardları Enstitüsü. (2008). TS 13353: Borlu aktif belit (BAB) çimentosu-Tarifler, bileşim, özellikler ve uygunluk kriterleri
14. Fletcher, J.G., & Glasser, F.P. (1993). Phase relations in the system CaO-B2O3-SiO2. Journal of Materials Science, 28(10), 2677-2686. https://doi.org/10.1007/ bf00356203
15. Cuesta, A., Losilla, E. R., Aranda, M. A. G., Sanz, J., & De la Torre, Á. G. (2012). Reactive belite stabilization mechanisms by boron-bearing dopants. Cement and Concrete Research, 42(4), 598-606. https://doi. org/10.1016/j.cemconres.2012.01.006
16. Tran, T. T., Herfort, D., Jakobsen, H. J., & Skibsted, J. (2009). Site preferences of fluoride guest ions in the calcium silicate phases of Portland cement from 29Si{19F} CP-REDOR NMR spectroscopy. Journal of the American Chemical Society, 131(40), 14170-14171. https://doi.org/10.1021/ja905223d
17. Wang, C. F., Zhou, Z. H., Liu, C. X., & Cheng, X. (2011). Effects of CaF2 on the Formation Kinetics of Portland Cement Clinker. Advanced Materials Research, 306- 307, 966-969. https://doi.org/10.4028/www.scientific. net/amr.306-307.966
18. Bouregba, A., Diouri, A., Elghattas, B., Boukhari, A., & Guedira, T. (2018). Influence of Fluorine on Clinker burnability and mechanical properties of CPA Moroccan cement. MATEC Web of Conferences, 149, 01075. https://doi.org/10.1051/matecconf/201714901075
19. Aydin, A. C., Kan, A., Candan, F., Aras, U. G. H., & Öz, A. (2020). Sulphate Resistance of Boron Active Belite Cement Concrete. Journal of Cement Based Composites, 1(1), 11-16. https://doi.org/10.36937/ cebacom.2020.001.003
20. Sui, T., Fan, L., Wen, Z., Wang, J., & Zhang, Z. (2004). Study on the properties of high strength concrete using high belite cement. Journal of Advanced Concrete Technology, 2(2), 201-206. https://doi.org/10.3151/ jact.2.201
21. Yilmaz, Y., & Ozaydin, V. (2013). Compaction and shear strength characteristics of cole-manite ore waste modified active belite cement stabilized high plasticity soils. Engineering Geology, 155, 45-53. https://doi. org/10.1016/j.enggeo.2013.01.003
22. Davraz, M. (2015). The effect of boron compound to cement hydration and controllability of this effect. Acta Physica Polonica A, 128. https://doi.org/10.12693/ APhysPolA.128.B-26
23. Davraz, M., Pehlivanoğlu, H. E., & Kilinçarslan, Ş. (2017). Influence of high temperature on concrete produced from portland cement with boron additives. Acta Physica Polonica A, 132(3), 872-874. https://doi. org/10.12693/aphyspola.132.872
24. Yeşilmen, S., & Gürbüz, A. (2012). Evaluation of boron ore in cement production. Materials and Manufacturing Processes, 27(11), 1245-1250. https://doi.org/10.1080/ 10426914.2012.675538
25. Turkish Cement Manufacturers’ Association. (2006). Klinker üretiminde kolemanit kullanımının araştırılması ve çimento endüstrisinde uygulanabilirliği: Endüstriyel deneme ve sonuç raporu (Unpublished report)
26. State Hydraulic Works. (2009). Borlu aktif belit (BAB) çimentosunun özellikleri ile klasik ve kütle betonlarda kullanılabilirliği (Project No. 2007.G0072). National Boron Research Institute
27. Sağlık, A., & Kocabeyler, M. F. (2008). Kütle betonu tasarımı ve uygulama esasları. DSİ Teknik Bülteni, 104, 16-35
28. Sağlık, A., Sümer, O., Tunç, E., Kocabeyler, M. F., & Çelik, R. S. (2009). Borlu aktif belit (BAB) çimentosu ve DSİ projelerinde uygulanabilirliği. DSİ Teknik Bülteni, 105, 1-22
29. Turkish Cement Manufacturers’ Association. (2020). Borlu çimento üretiminde kolemanit ara ürünlerinin kullanılabilirliğinin araştırılması ve uygulanması (Unpublished report)