Effects of Expanded Perlite and Polyurethane Waste Aggregates on Mechanical Behavior and Permeability Properties of Lightweight Concretes

Öz

The aim of this study is to investigate the use of expanded perlite material as concrete aggregate in the production of lightweight concrete. In addition, the usability of polyurethane waste materials as aggregate in lightweight concrete is also examined within the scope of the study. In this context, mixtures in which only containing expanded perlite aggregate, perlite and polyurethane waste aggregate together, and completely polyurethane waste aggregate were prepared. In addition, steel and synthetic fibers were added separately to the mixtures to improve the mechanical properties of these mixtures. Reference mixtures without any fibers were prepared for comparison. Steel and synthetic fibers were used at 0.5% and 1% by volume. The highest bending strength and splitting tensile strength values, 5.30 and 3.05 MPa, respectively, were reached in samples using only perlite aggregate and containing 1% steel fiber. Among all mixtures, the lowest bending and splitting tensile strength values were 1.00 and 0.50 MPa, respectively, in samples using only polyurethane aggregate and containing no fibres. The effect of perlite and polyurethane aggregate on the permeability properties of lightweight concrete was determined by water absorption and capillary water absorption tests. Since polyurethane aggregate is in powder form, the water requirement of concrete is much higher than mixtures containing perlite aggregate, and the permeability values of these mixtures are higher. As a result of the study, it was determined that structural lightweight concretes could be produced using perlite aggregates, whereas the mechanical strength of concrete mixtures using polyurethane waste was insufficient for structural lightweight concretes.

Anahtar Kelimeler

• Expanded Perlite
• Polyurethane Waste
• Fiber
• Lightweight Concrete
• Mechanical Behavior
• Permeability

Genleştirilmiş Perlit ve Poliüretan Atık Agregaların Hafif Betonların Mekanik Davranış ve Geçirimlilik Özelliklerine Etkileri

Öz

Bu çalışmanın amacı genleştirilmiş perlit malzemenin beton agregası olarak hafif beton üretiminde kullanılmasını araştırmaktır. Ayrıca çalışma kapsamında poliüretan atık malzemelerin hafif betonda agrega olarak kullanılabilirliği de incelenmektedir. Bu kapsamda, yalnızca genleştirilmiş perlit agrega, perlit ve poliüretan atık agreganın birlikte kullanıldığı ve tamamen poliüretan atık agrega kullanılan karışımlar hazırlanmıştır. Ayrıca bu karışımların mekanik özelliklerini geliştirmek için çelik ve sentetik lifler ayrı ayrı olarak karışımlara ilave edilmiştir. Karşılaştırma amacıyla herhangi lif kullanılmayan referans karışımlarda hazırlanmıştır. Çelik ve sentetik lifler hacimce %0,5 ve %1 oranında kullanılmıştır. En yüksek eğilme dayanımı ve yarmada çekme dayanımı değerlerine sırasıyla 5,30 ve 3,05 MPa olarak sadece perlit agrega kullanılan ve %1 oranında çelik lif içeren numunelerde ulaşılmıştır. Tüm karışımlar arasında ise en düşük eğilme ve yarma çekme dayanımı değerleri ise sırasıyla 1,00 ve 0,50 MPa olmak üzere yalnızca poliüretan agrega kullanılan lif içermeyen numunelerde gerçekleşmiştir. Perlit ve poliüretan agreganın hafif betonun geçirimlilik özelliklerine etkisi su emme ve kılcal su emme testleri ile belirlenmiştir. Poliüretan agreganın toz halde olmasından dolayı betonun su ihtiyacı perlit agregalı karışımlara kıyasla çok daha fazla olmaktadır ve bu karışımların geçirimlilik değerleri daha yüksektir. Çalışma sonucunda, perlit agregalar kullanılarak taşıyıcı özellikte yapısal hafif betonların üretilebileceği, poliüretan atık kullanılan beton karışımlarının ise mekanik dayanımlarının yapısal hafif betonlar için uygun olmadığı belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Genleştirilmiş Perlit
• Poliüretan Atık
• Lif
• Hafif Beton
• Mekanik Davranış
• Geçirimlilik

Kaynakça

1. [1] U. Özcan, S. Güngör, (2019). Sürdürülebilir bir yöntem/betonda puzolan kullanımı, Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi. 15, 176-182.
2. [2] A.V. Korkmaz, (2020). Perlit ve traverten atıkları ile üretilen puzolanik çimentoların mühendislik özelliklerinin incelenmesi, MT Bilimsel. 17, 32-50.
3. [3] N. Kabay, (2009). Hafif agregalı betonun boşluk yapısının mekanik ve fiziksel özelliklere etkisi (Doktora Tezi). YTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye.
4. [4] S. Azizi, (2007). Perlit katkılı hafif betonların mekanik özellikleri ve ısı yalıtımı (Yüksek Lisans Tezi). İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye.
5. [5] O. Sengul, S. Azizi, F. Karaosmanoglu, M.A. Tasdemir, (2011). Effect of expanded perlite on the mechanical properties and thermal conductivity of lightweight concrete, Energy and Buildings. 43(2-3), 671-676, https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2010.11.008.
6. [6] H. Konuk, (2003). Hafif agregalı betonların mekanik özellikleri ve ısı yalıtımı (Yüksek Lisans Tezi). İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, Türkiye.
7. [7] A.B. Fraj, M. Kismi, P. Mounanga, (2010). Valorization of coarse rigid polyurethane foam waste in lightweight aggregate concrete, Construction and Building Materials. 24(6), 1069-1077, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2009.11.010.
8. [8] S.I. Haruna, H. Zhu, W. Jiang, J. Shao, (2021). Evaluation of impact resistance properties of polyurethane-based polymer concrete for the repair of runway subjected to repeated drop-weight impact test, Construction and Building Materials. 309, 125152, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125152.

9. [9] O. Gencel, O.Y. Bayraktar, G. Kaplan, O. Arslan, M. Nodehi, A. Benli, A. Gholampour, T. Ozbakkaloglu, (2022). Lightweight foam concrete containing expanded perlite and glass sand: physico-mechanical, durability, and insulation properties, Construction and Building Materials. 320, 126187, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.126187.
10. [10] M.A. Yahye, L. Liu, W.U. Honglin, Y. Sun, H. Sun, J. Ma, L. Zhang, (2022). Experimental research on mechanical properties of fiber-reinforced polyurethane elastic concrete (FRPEC), Construction and Building Materials. 328, 126929, https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.126929.
11. [11] P. Mounanga, W. Gbongbon, P. Poullain, P. Turcry, (2008). Proportioning and characterization of lightweight concrete mixtures made with rigid polyurethane foam wastes, Cement and Concrete Composites. 30(9), 806-814, https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2008.06.007.
12. [12] X. Qiu, W. Chen, L. Li, H. Li, H. Liu, (2023). The effects of particle sizes of expanded perlite on the mechanical properties and chloride penetration resistance of ECCs, Journal of Building Engineering. 78, 107706, https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.107706.
13. [13] H. Eren, S. İlkentapar, U. Durak, (2022). Eps ve atık poliüretan ile üretilmiş hafif harçların mekanik özelliklerinin, ısı geçirimlilik özelliklerinin ve yüksek sıcaklığa karşı dirençlerinin karşılaştırılması, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi. 10(2), 360-370, https://doi.org/10.21923/jesd.935865.
14. [14] A.N. Kaplan, C. Özel, (2023). Polimer bağlayıcılı hafif betonların fiziksel ve mekanik özelliklerinin araştırılması, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi. 11(4), 1475-1485, https://doi.org/10.21923/jesd.1313056.
15. [15] O. Benjeddou, G. Ravindran, M.A. Abdelzaher, (2023). Thermal and acoustic features of lightweight concrete based on marble wastes and expanded perlite aggregate, Buildings. 13, 992, https://doi.org/10.3390/buildings13040992.
16. [16] H.İ. Fedakar, (2022). Poliüretan ile güçlendirilmiş balastın hareket eden tekerlek yükü altındaki deformasyon davranışının nümerik olarak modellenmesi, Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi. 37(1), 79-91, https://doi.org/10.21605/cukurovaumfd.1094976.
17. [17] M.A. Peker, O. Ataş, M. Aksel, (2022). Plastik atıkların betonda değerlendirmesindeki güncel durum, Alaaddin Keykubat Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi. 4(3), 159-178.
18. [18] R. Yurtseven, A.R. Tarakcılar, M. Topçu, (2013). Dolgu malzemesi olarak kullanılan farklı uçucu küllerin sert poliüretan köpük malzemelerin mekanik özellikleri ile ısıl ve yanma davranışları üzerine etkileri, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi 28(4), 841-853.
19. [19] S. Çelikten, B. Baran, Z. Bayer Oztürk, (2024). Uçucu kül ve perli̇t esaslı geopoli̇mer harçlarda çömlek sır atığı i̇kamesi̇ni̇n yüksek sıcaklık dayanıklılığı üzeri̇ndeki̇ etki̇si̇, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi. 32(2), 1326-1334, https://doi.org/10.31796/ogummf.1430527.
20. [20] S. Çelikten, B. Işıkdağ, (2021). Properties of geopolymer mortars derived from ground calcined perlite and NaOH solution, European Journal of Environmental and Civil Engineering. 27(9), 2907-2921, https://doi.org/10.1080/19648189.2021.1879939.
21. [21] S. Çelikten, G. Erdoğan, (2022). Effects of perlite/fly ash ratio and the curing conditions on the mechanical and microstructural properties of geopolymers subjected to elevated temperatures. Ceramics International. 48(19), 27870-27877, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.06.089.
22. [22] S. Çelikten, (2021). The influence of blast furnace slag content on the mechanical and durability properties of raw perlite-based geopolymer mortars, Journal of Engineering Research. 10(2B), 112-123, https://doi.org/10.36909/jer.11225.
23. [23] RILEM 50-FMC, (1985). Determination of fracture energy of mortar and concrete by means of three-point bend tests on notched beams, Materials and Structures. 18, 285-290.
24. [24] EN 12390-6, (2009). Testing Hardened Concrete Tensile Splitting Strength of Test Specimens.
25. [25] EN 12390-3, (2019). Testing Hardened Concrete Compressive Strength of Test Specimens.
26. [26] J. Gao, W. Sun, K. Morino, (1997). Mechanical properties of steel fiber-reinforced, high-strength, lightweight concrete, Cement and Concrete Composites. 19(4), 307-313.
27. [27] V. Guerini, A. Conforti, G. Plizzari, S. Kawashima, (2018). Influence of steel and macro-synthetic fibers on concrete properties, Fibers. 6(3), 47.
28. [28] J. Newman, P. Owens, (2003). Properties of lightweight concrete, Advanced Concrete Technology. 3, 1-29.
29. [29] TS 2511, (2017). Taşıyıcı Hafif Betonların Karışım Hesap Esasları.
30. [30] ACI 213-R, (2014). Guide for Structural Lightweight-Aggregate Concrete.