The synergistic effect of silica fume and fly ash on the physical and mechanical properties of cement-bonded particleboards

Yıl 2025, Cilt: 11 Sayı: 1, 85 - 91, 27.06.2025

Hüsnü Yel

https://doi.org/10.53516/ajfr.1643332

Öz

Background and Aims In this study, the usability of silica fume and fly ash, industrial by-products, as substitutes for cement in the production of cement-bonded particleboard was investigated to reduce greenhouse gas emissions from cement production, increase energy savings, protect natural resources, and lower production costs.
Methods For this purpose, experimental cement-bonded particleboards were produced by partially replacing Portland cement with varying proportions of silica fume (2.5%, 5%, 7.5%, 10%, and 12.5%) and fly ash (2.5%, 5%, 7.5%, 10%, and 12.5%). The experimental boards were designed with a target density of 1200 kg/m³, a wood-to-cement ratio of 1/2.5, and dimensions of 450 mm × 450 mm × 10 mm in a single-layer configuration. After a 28-day curing process, the cement-bonded particleboards were subjected to tests for density, moisture content, water absorption, thickness swelling, bending strength, modulus of elasticity in bending, screw withdrawal resistance, and internal bond strength. The obtained data were statistically analyzed and compared to standard requirements.
Results As the usage of silica fume and fly ash increased the water absorption and thickness swelling values of the boards also increased. The silica fume-fly ash mixture increased the density of the boards while reducing their moisture content. While flexural strength, modulus of elasticity in bending, and screw withdrawal resistance initially exhibited a decline, these properties improved after a certain threshold. The replacement of up to 15% of cement with silica fume-fly ash mixture did not cause a statistically significant reduction in internal bond strength.
Conclusion Although there were slight decreases in mechanical strength properties, all board groups met the values specified in the TS EN 634-2 standard except for thickness swelling. Consequently, it was concluded that cement-bonded particleboards for structural use can be produced by using a mixture of silica fume (12.5%)-fly ash (12.5%) up to 25% as a substitute for cement.

Anahtar Kelimeler

Cement-bonded particleboards , physical properties , mechanical properties , silica fume , fly ash

Çimentolu yongalevhaların fiziksel ve mekanik özellikleri üzerine silis dumanı ve uçucu külün sinerjik etkisi

Öz

Giriş ve Hedefler Bu çalışmada; çimento üretimi kaynaklı sera gazı emisyonunun azaltılması, enerji tasarrufunun arttırılması, doğal kaynakların korunması ve üretim maliyetlerinin düşürülmesi amacıyla bir endüstri yan ürünü olan silis dumanı ve uçucu külün çimentolu yongalevha üretiminde çimentoya ikame olarak birlikte kullanılabilirliği araştırılmıştır.
Yöntemler Bu amaçla, Portland çimentosuna ikame olarak farklı oranlarda silis dumanı (%2,5, %5, %7,5, %10 ve %12,5) ve uçucu kül (%2,5, %5, %7,5, %10 ve %12,5) karışımları kullanılarak, 1200 kg/m3 hedef yoğunluk, 1/2,5 odun-çimento oranı, 450 mm x 450 mm x 10 mm boyutunda tek tabakalı çimentolu yongalevhalar üretilmiştir. 28 gün kürleme işleminden sonra çimentolu yongalevhalar; yoğunluk, rutubet, su alma, kalınlık artımı, eğilme direnci, eğilmede elastikiyet modülü, vida tutma direnci ve yüzeye dik çekme direnci testlerine tabi tutulmuştur. Elde edilen verilerin istatistik analizi yapılarak standart değerlerle karşılaştırılmıştır.
Bulgular Silis dumanı-uçucu kül kullanımı arttıkça levhaların su alma ve kalınlık artımı değerleri de artmıştır. Silis dumanı-uçucu kül karışımı levhaların yoğunluğunu artırırken rutubet değerini düşürmüştür. Silis dumanı-uçucu kül kullanımı artıkça, eğilme direnci, eğilmede elastikiyet modülü ve vida tutma direnci değerlerinde önce düşüş daha sonra bir artış gerçekleşmiştir. Çimentoya %15 oranına kadar silis dumanı-uçucu kül ikamesi yüzeye dik çekme direnci değerinde istatistiksel olarak bir önemli bir düşüşe neden olmamıştır.
Sonuç Direnç değerlerinde az da olsa düşüşler gerçekleşse de tüm levha grupları TS EN 634-2 standardındaki değerleri (kalınlık artımı hariç) karşılamaktadır. Bu nedenle, çimentoya ikame olarak %25 oranına kadar silis dumanı (%12,5)-uçucu kül (%12,5) karışımı kullanılarak yapısal kullanım amaçlı çimentolu yongalevhaların üretilebileceği sonucuna varılmıştır.

Anahtar Kelimeler

Çimentolu yongalevha , fiziksel özellikler , mekanik özellikler , silis dumanı , uçucu kül

Kaynakça

• Abo-El-Enein, S.A., El-kady, G., El-Sokkary, T. M., Gharieb, M., 2015. Physico-mechanical properties of composite cement pastes containing silica fume and fly ash. HBRC Journal 11(1), 7-15.
• Aras, U., Kalaycıoğlu, H., Yel, H., Çok, A., 2019. Effect of cement and accelerator types on the physico-mechanical properties of cement-bonded particleboards. Journal of Anatolian Environmental and Animal Sciences, 4(4), 627-630.
• Aras, U., Kalaycioglu, H., Yel, H., 2021. The Effect of using pumice powder and plasticizer on physico-mechanical and thermal properties of cement-bonded particleboards. Drvna industrija, 72(1), 31-37.
• Arshad, M.T., Ahmad, S., Khitab, A., Hanif, A., 2021. Synergistic use of fly ash and silica fume to produce high-strength self-compacting cementitious composites. Crystals, 11(8), 915.
• ASTM D1037, 2006. Standard test method for evaluating properties of wood-based fibers and particle panel materials, ASTM, USA.
• Aşkale Çimento, 2021. Erzincan çimento fabrikası ürün analiz raporu, https://www.askalecimento.com.tr/tesis-detay/erzincan-cimento-fabrikasi (Erişim Tarihi: 25.012.2024).
• Barbhuiya, S., Kanavaris, F., Das, B.B., Idrees, M., 2024. Decarbonising cement and concrete production: Strategies, challenges, and pathways for sustainable development. Journal of Building Engineering, 86, 108861.
• Benli, A., Karataş, M., 2019. Uçucu kül ve silis dumanı ikameli üçlü karışımlardan üretilen kendiliğinden yerleşen harçların durabilite ve dayanım özellikleri. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 10(1), 335-345.
• Brahmia, F.Z., Horvath, P.G., Alpar, T.L., 2020. Effect of pre-treatments and additives on the improvement of cement wood composites: a review, Bioresources 15(3), 7288–7308.
• Chandra Sekar, G., Ch, H.K., Manikanta, V., Simhachalam, M., 2016. Effect of fly ash on mechanical properties of lightweight vermiculite concrete. International Journal of Innovative Research in Science, Engineering and Technology, 5, 4106–4112.
• Correa-Yepes, J.A., Rojas-Reyes, N., Tobón, J.I., 2018. Effect of fly ash and silica fume on rheology, compressive strength and self-compacting in cement mixtures. Dyna, 85(206), 59-68.
• Dipta, O.B., Sobhan, S.F., Shuvo, A.K., 2023. Assessment of the combined effect of silica fume, fly ash, and steel slag on the mechanical behaviour of concrete. Journal of Civil Engineering and Construction, 12(2), 78-85.
• Eti Elekrometalurji, 2024. Silis dumanı ürün analiz raporu https://www.etimet.com/ (Erişim tarihi: 25.12.2024). Ige, O.E., Von Kallon, D.V., Desai, D., 2024. Carbon emissions mitigation methods for cement industry using a systems dynamics model. Clean Technologies and Environmental Policy, 26(3), 579-597.
• Jaganmohan, M., 2024. Global cement production 1995-2023, Statista, https://www.statista.com/statistics/1087115/global-cement-production-volume/ (Erişim tarihi:10.01.2025). Juenger, M.C., Snellings, R., Bernal, S.A., 2019. Supplementary cementitious materials: New sources, characterization, and performance insights. Cement and Concrete Research, 122, 257-273.
• Lashari, A.R., Kumar, A., Kumar, R., Rizvi, S.H., 2023. Combined effect of silica fume and fly ash as cementitious material on strength characteristics, embodied carbon, and cost of autoclave aerated concrete. Environmental Science and Pollution Research, 30(10), 27875-27883.
• Lin, C., Kayali, O., Morozov, E.V., Sharp, D.J., 2017. Development of self-compacting strain-hardening cementitious composites by varying fly ash content. Construction and Building Materials, 149, 103-110.
• Liu, J., Zhang, Y., Liu, R., Zhang, B., 2014. Effect of fly ash and silica fume on hydration rate of cement pastes and strength of mortars. Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed., 29(6), 1225-1228.
• Nasser, R.A., Salem, M.Z.M., Al-Mefarrej, H.A., Aref, I.M., 2016. Use of tree pruning wastes for manufacturing of wood reinforced cement composites, Cement and Concrete Composites, 72, 246–256.
• Patil, S., Somasekharaiah, H.M., Rao, H.S., Ghorpade, V.G., 2021. Effect of fly ash, silica fume, glass fiber and polypropylene fiber on strength properties of composite fiber reinforced high performance concrete. International Journal of Engineering Trends and Technology, 69, 69-84.
• Purton, M. 2024. Cement is a big problem for the environment. Here's how to make it more sustainable https://www.weforum.org/stories/2024/09/cement-production-sustainable-concrete-co2-emissions/#:~:text=It%27s%20been%20said%20that%20if,the%20world%27s%20total%20CO2%20emissions (Erişim tarihi: 15.01.2025).
• Sakulich, A.R., 2011. Reinforced geopolymer composites for enhanced material greenness and durability. Sustainable Cities and Society, 1(4), 195-210.
• TS EN 310, 1999. Ahşap esaslı levhalar-eğilme dayanımı ve eğilme elastikiyet modülünün tayini, TSE, Ankara.
• TS EN 317, 1999. Yonga levhalar ve lif levhalar-su içerisine daldırma işleminden sonra kalınlığına şişme tayini, TSE, Ankara.
• TS EN 319, 1999. Yonga levhalar ve lif levhalar-levha yüzeyine dik çekme dayanımının tayini, TSE, Ankara.
• TS EN 320, 2011. Yonga levhalar ve lif levhalar-vida tutma mukavemetinin tayini, TSE, Ankara.
• TS EN 322, 1999. Ahşap esaslı levhalar-rutubet miktarının tayini, TSE, Ankara.
• TS EN 323, 1999. Ahşap esaslı levhalar-birim hacim ağırlığının tayini, TSE, Ankara.
• TS EN 634-1. 1999. Çimentolu yonga levhalar- özellikler- bölüm 1: genel özellikler, TSE, Ankara.
• TS EN 634-2. 2009. Çimentolu yonga levhalar- özellikler- bölüm 2: kuru, nemli ve açık hava şartlarında kullanılan normal portland çimentosu (NPÇ) ile yapıştırılmış yonga levhaların özellikleri, TSE, Ankara.
• Türker, P., Erdoğan, B., Katnaş, F., Yeğinobalı, A., 2009. Türkiye’deki uçucu küllerin sınıflandırılması ve özellikleri, TÇMB/AR-GE ENSTİTÜSÜ, Fersa Matbaacılık, Ankara.
• Yel, H., Aras, U., Kalaycıoğlu, H., Aykan, R., 2025. Cement-bonded wood panels filled with duroplast sanitary ware wastes. Maderas. Ciencia y tecnología, 27(4), 1-14.
• Yel, H., Urun, E., 2022. Performance of cement-bonded wood particleboards produced using fly ash and spruce planer shavings. Maderas. Ciencia y tecnología, 24, 1-12.