Effect of Fly Ash and Metakaolin Substituted Forms on Structural Properties in Light Mortar with Pumice Aggregate

Abstract

In this study, experimental tests were conducted on composite mortars in different forms prepared using lime, pumice, fly ash, and metakaolin. This research aims to recycle fly ash produced as industrial waste and produce a building material that is durable, lightweight, and provides good insulation. In the composite structure mortar mixture designs prepared for the experiments, CEN standard sand was replaced with Nevşehir pumice (0.5-4 mm) at the rates of 10%, 20%, and 30%, respectively, and fly ash-metakaolin was replaced with the cement at the rates of 10%, 20%, and 30%, respectively. A total of 13 different mixtures were prepared. Unit volume mass test, Ultrasonic test, water absorption test, compressive strength test, bending test, thermal conductivity coefficient test, scanning electron microscope (SEM) analysis, and thermogravimetric - differential thermal (TGA/DTA) analysis were performed on the prepared samples. ) analyses were made. As a result of the research, it was determined that T30 (All: Pumice + Fly Ash + Metakaolin) mortar mixture provided the highest compressive strength and thermal conductivity coefficient and the lowest dry unit volume weight compared to other mortar mixtures.

Keywords

• Pumice
• Flyash
• Metakaolin
• Composite mortar
• Standard Sand

Project Number

HÜBAP PROJE NO: 22242

References

1. [1] O. Uğurer, Ş. O. Kalkan, and L. Gündüz, “Poli vinilalkol (PVA) lif boyutunun çimento esaslı hafif harcın özelliklerine etkisi üzerine bir inceleme”, BAUN Fen. Bil. Enst. Dergisi, vol. 25, no. 2, pp. 543–563, 2023, doi: 10.25092/baunfbed.1126102.
2. [2] E. Çapun and N. Şapcı, “Vermikülit Agreganın Kompozit Yapılı Hafif Harç Üretiminde Kullanımı Üzerine Teknik Bir Analiz”, DÜFED, vol. 11, no. 2, pp. 307–323, 2022, doi: 10.55007/dufed.1096993.
3. [3] Y. T. Altuncı and C. Öcal, “Pamuk Küspesinin Sıva Harcı İçerisinde Agrega Olarak Kullanılabilirliğinin Araştırılması”, SDÜ Fen Bil Enst. Der., vol. 25, no. 3, pp. 558–563, 2021, doi: 10.19113/sdufenbed.880877.
4. [4] L. Gündüz, and Ş. O. Kalkan. "Pirinç Kabuğu Külünün Çimentolu Hafif Kompozit Harçlarda Dayanım Arttırıcı Katkı Olarak Kullanılması Üzerine Teknik Bir İnceleme", Beton 2017 Kongresi Bildirileri, 13-14 Nisan, 2017, İstanbul, Türkiye: Türkiye Hazır Beton Biriliği, 2017. pp. 575-585
5. [5] N. Şapcı, & M. Sivri, “Isı Yalıtımlı Harç Üretiminde Bazı Etken Parametrelerin SPSS Yöntemi İle İncelenmesi”, KSÜ, Müh. Bil. Dergisi, vol. 27, no. 1, pp. 1-15, 2024, doi: 10.17780/ksujes.1269727.
6. [6] F. Rahman, W. Adil, M. Raheel, M. Saberian, J. Li and T. Maqsood, “Experimental investigation of high replacement of cement by pumice in cement mortar: a mechanical, durability and microstructural study” J. Build. Eng. 49, 104037, 2022, doi: 10.1016/j.jobe.2022.104037
7. [7] H. Y. Aruntaş, M. Şahinöz, ve M. Dayı, “Çimento hamur ve harçlarında kireç kullanımının incelenmesi”, Politeknik Dergisi, vol. 24, no. 3, pp. 1045-1054, 2021, doi: 10.2339/politeknik.801346.
8. [8] T. Uğur and A. Güleç, “Harç, Sıva ve Diğer Kompozit Malzemelerde Kullanılan Bağlayıcılar ve Özellikleri”, Restorasyon ve Konservasyon Çalışmaları Dergisi, no. 17, pp. 77–91, December 2016.

9. [9] L. Gulbe, I. Vitina, and J. Setina, “The influence of cement on properties of lime mortars”, Procedia Engineering, vol. 172, pp 325-332, 2017, doi: 10.1016/j.proeng.2017.02.030
10. [10] M. R. Veiga, A. Velosa, A. Magalhães, “Experimental applications of mortars with pozzolanic additions: characterization and performance evaluation”, Construction and Building Materials, vol. 23, no. 1, pp 318-327, 2009, doi: 10.1016/j.conbuildmat.2007.12.003
11. [11] R. Siddique and J. Klaus, J. “Influence of metakaolin on the properties of mortar and concrete: A review” Appl. Clay Sci., vol. 43, no. 3–4, pp. 392-400, 2009, doi: 10.1016/j.clay.2008.11.007
12. [12] K. Turk, C. Kina, M.L. Nehdi, “Durability of Engineered Cementitious Composites Incorporating High-Volume Fly Ash and Limestone Powder”, Sustainability vol. 14, 10388. 2022, doi: 10.3390/su141610388
13. [13] P. Turgut, F. Demir, and K. Türk, “Kendiliğinden Yerleşen Yüksek Dayanımlı Portland Çimentosuz Briket Malzemesi Üretimi”, Dokuz Eylül Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Fen ve Mühendislik Dergisi, vol. 24 no. 72, pp. 703-716, 2022, doi: 10.21205/deufmd.2022247202
14. [14] M. Çetin, Uçucu kül ve cam atıklarından üretilen seramiklerin özelliklerine ZnO katkısının etkisinin incelenmesi, Yüksek lisans tezi, Sakarya Üniversitesi, 50, 2019.
15. [15] A Ahmed, S. I. Bajahry, I. Garba, J. Abubakar, A. Lawan, A. Ocholi, and J. M. Kaura, “Strength Optimization of Metakaolin-Based Geopolymer Concrete Modified with Metabentonite Using Response Surface Method”. International Journal of Research Findings in Engineering, Science and Technology vol. 5, pp. 21-36, 2023, doi: 10.48028/iiprds/ijrfest.v5.i1.03.
16. [16] D. Gür, Tarihi yapıların onarımında kullanılmak üzere puzolan katkılı hidrolik kireç esaslı onarım harcı üretilme olanaklarının araştırılması, Yüksek lisans tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, 51, 2021.
17. [17] TS EN 196-1, “Çimento Deney Metotları - Bölüm 1: Dayanım Tayini”, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, Türkiye, 2016.
18. [18] C. Shi, “Studies on Several Factors Affecting Hydration and Properties of Lime-Pozzolan Cements” Journal of Materials in Civil Engineering, vol.13 no. 6, pp. 444-445, 2001, doi:10.1061/(asce)0899-1561(2001)13:6(441)
19. [19] TS EN 933-1, “Agregaların geometrik özellikleri için deneyler bölüm 1: Tane büyüklüğü dağılımı tayini- Eleme metodu”, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2012.
20. [20] TS EN 1097-3, “Agregaların fiziksel ve mekanik özellikleri için deneyler bölüm 3: Gevşek yığın yoğunluğunun ve boşluk hacminin tayini”, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 1999.
21. [21] TS EN 1097-6, “Agregaların mekanik ve fiziksel özellikleri için deneyler - Bölüm 6: Tane yoğunluğunun ve su emme oranının tayini”, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2022.
22. [22] TS EN 998-1, “Kâgir harcı - Bölüm 1: Kaba ve ince sıva harcı”, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2017.
23. [23] TS EN 1015-11, “Kagir harcı- Deney yöntemleri Bölüm 11: Sertleşmiş harcın eğilmede çekme ve basınç dayanımının tayini”, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2020.
24. [24] E. Güneyisi, M. Gesoğlu and K. Mermerdaş, “Improving strength, drying shrinkage, and pore structure of concrete using metakaolin”, Mater Struct, vol. 41, pp. 937–949, 2008, doi: 10.1617/s11527-007-9296-z
25. [25] G. Görhan and G. Kürklü. "Farklı Sınıf Çimento Harcı Üretiminde Metakaolin Katkısı Kullanımının Araştırılması", IJERAD, vol. 7, no. 3, pp. 7–14, 2015.
26. [26] J. M. Khatib, E.M. Negim and E. Gjonbalaj, “High volume metakaolin as cement replacement in mortar”, World J. Chem, vol. 7, no. 1, pp. 7–10, 2012.
27. [27] G. Li, C. Zhou, W. Ahmad, K. I. Usanova, M. Karelina, A. M. Mohamed and R. Khallaf, "Fly Ash Application as Supplementary Cementitious Material: A Review" Mater, vol. 15, no. 7, pp. 2664, 2022, doi:10.3390/ma15072664
28. [28] A. B. Harwalkar and S.S. Awanti, “Laboratory and field investigations on high-volume fly ash concrete for rigid pavement”, Transp. Res. Rec, vol. 2441, no. 1, pp. 121–127, 2014.
29. [29] U. A. Khan, H. M. Jahanzaib, M. Khan, M. Ali, “Improving the Tensile Energy Absorption of High Strength Natural Fiber Reinforced Concrete with Fly-Ash for Bridge Girders” KEM. vol. 765, pp. 335-342, 2018, doi: 10.4028/www.scientific.net/kem.765.335
30. [30] TS EN 1015-10 “Kâgir harcı-Deney metotları- Bölüm 10: Sertleşmiş harcın boşluklu kuru birim hacim kütlesinin tayini”, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2001
31. [31] H. Binici, “Atık Mukavva, Alçı, Pomza, Perlit, Vermikülit ve Zeolit ile Yapılan Kompozitlerin Yangın Direncinin Araştırılması”, cukurovaummfd, vol. 31, no. 1, pp. 1–10, 2016, doi: 10.21605/cukurovaummfd.317714.
32. [32] ISO 22007-2 Plastics- Determination Of Thermal Conductivity and Thermal Diffusivity- Part 2: Transient Plane Heat Source (Hot Disc) Method, 2015.
33. [33] TS EN 12504-4. Yapılarda beton deneyleri-Bölüm 4: Ultrasonik atımlı dalga hızının tayini. Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, Türkiye, 2021
34. [34] Ş. Ekmen, Uçucukül esaslı hafif geopolymer harçların taze ve sertleşmiş özelliklerinin incelenmesi, modellenmesi ve optimizasyonu, Doktora tezi, Harran Üniversitesi, 129, 2021.
35. [35] İ. B. Topçu, and T. Uygunoğlu, “Properties of autoclaved lightweight aggregate concrete”, Built and Environ., vol. 42 no. 12, pp. 4108-4116, 2007, doi: 10.1016/j.buildenv.2006.11.024
36. [36] Nergis, D. D. B., Abdullah, M. M. A. B., Sandu, A. V., &Vizureanu, P. XRD and TG-DTA study of new alkali activated materials based on fly ash with sand and glass powder. Mater, vol. 13, no. 2, pp. 343, 2020 doi: 10.3390/ma13020343