Taguchi yöntemi ile uçucu kül ve kalker katkılı zeolit esaslı geopolimer harçların tasarlanması
Design of zeolite based geopolymer mortars with fly ash and limestone additives by Taguchi method
Yazar: ROBLE IBRAHIM LIBAN
Danışman: PROF. DR. ÜLKÜ SULTAN KESKİN
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Doğal zeolit = Natural zeolite ; Geopolimerler = Geopolymers ; Harç = Mortar ; Mekanik özellikler = Mechanical properties ; Sodyum hidroksit = Sodium hydroxide ; Sodyum silikat = Sodium silicate ; Uçucu kül = Fly ash

Özet:
Günümüzde en önemli ve kritik faktörlerden birisi sürdürülebilir bir çevre yaklaşımıdır. Bu nedenle pratikte tüm endüstriyel sektörler çevre dostu ürünlerin üretimini teşvik etmektedir. Düşük karbon dioksit (CO2) emisyonu, yüksek mekanik ve dayanıklılık özellikleri nedeniyle, kireç ve Portland Çimentosu'ndan sonra üçüncü nesil çimento olarak kabul edilen geopolimerler, Portland çimentolarına alternatif olarak kullanılabilecek çevre dostu bir ürün olarak görülmektedir. Geopolimerler, uçucu kül ve yüksek fırın cürufu gibi endüstriyel yan ürünlerin geri dönüşümü ve yeniden kullanılma gibi CO2 emisyonlarını azaltmanın yanı sıra çevresel ve ekonomik faydalara sahiptir. Bu çalışmada, doğal zeolit (DZ), C sınıfı uçucu kül (UK) ve toz kalker (LS) bağlayıcı olarak, sodyum hidroksit (NH) ve sodyum silikat (NS) alkali aktivatör olarak içeren geopolimer harçların özelliklerinin belirlenmesi amacıyla harç numuneleri hazırlanmıştır. Taguchi optimizasyon yöntemi kullanılarak bağlayıcı miktarı, aktivatör/bağlayıcı oranı, NS/NH oranı ve sodyum hidroksitin molaritesi olmak üzere zeolit bazlı geopolimer harç bileşenlerinin optimum karışım oranları belirlenmiş ve bu oranlar diğer karışımlarda kullanılmıştır.  Zeolit bazlı geopolimer harçların optimum karışım oranlarını bulunduktan sonra zeolit yerine katkı maddesi olarak uçucu kül, kalker ve uçucu kül-kalker farklı miktarları kullanılmıştır. Geopolimer harç numuneleri önce fırında 24 saat boyunca     80 oC kür edilmiş, sonra test günlerine kadar oda sıcaklığında bekletilmiştir. Kür işleminden sonra geopolimer harç numunelerinin özgül ağırlık, birim ağırlık, su emme, boşluk oranı, kapilarite katsayısı, 7, 28 ve 90 günlük basınç ve eğilme dayanımları, donma-çözülme, ıslanma-kuruma, sülfat ve asit dirençleri gibi fiziksel özellikleri belirlenmiştir. Geopolimer harçların mikroyapı özelliklerini SEM ve EDS analizleri ile araştırılmıştır. 
Üretilen geopolimer harçlarda uygulanan mekanik deneyler sonucunda, 7., 28., ve 90. gündeki eğilme ve basınç dayanımlarında tüm karışımlarda en yüksek değerler doğal zeolit, uçucu kül ve toz kalker birlikte içeren geopolimer harçlarda elde edilmiştir. Zeolit yerine %20 uçucu kül ve %20 toz kalker içeren geopolimer harçlarda en yüksek basınç dayanımı (31.8 MPa) ve eğilme dayanımı (7.5 MPa) olmuştur. Geopolimer harçların fiziksel özellikleri incelendiğinde işlenebilme değeri en iyi olan numunelerin uçucu kül katkılı zeolit bazlı geopolimer harç numuneler olduğu görülmüştür. Zeolit bazlı geopolimer harçlarında, toz kalker katkı maddesi olarak kullanıldığında su emme ve boşluk oranı bir miktar artarken, uçucu kül kullanılması durumunda ise, su emme ve boşluk oranı azalmıştır. Ayrıca, toz kalker içeren harçların kapilarite katsayısı değerleri artarken, uçucu kül içeren harçların kapilarite katsayısı değerleri azalarak geopolimer harçlara önemli bir fayda sağladığı görülmüştür. Üretilen geopolimer harçlarda uygulanan dayanıklılık deneyleri sonucunda, 50 donma-çözülme çevrimlerden sonra basınç dayanım değerleri azalmıştır. Donma-çözülme çevrimlerinden sonra %100 doğal zeolit içeren geopolimer harçlarda en yüksek basınç dayanım kaybı (%24.1) olurken, %30 uçucu kül ve %30 toz kalker içeren harçlarda en düşük basınç dayanım kaybı (%7.3) olmuştur. Geopolimer harçlar 12 ıslanma-kuruma çevrim uygulandıktan sonra, %100 doğal zeolit içeren harçlarda en yüksek basınç dayanım kaybı (%62.7) olurken, %30 uçucu kül ve %30 toz kalker içeren harçlarda ise, en düşük basınç dayanım kaybı (%33.9) olmuştur. Bununla birlikte, uçucu kül, toz kalker ve uçucu kül-toz kalker içeren zeolit bazlı geopolimer harçlar 2 ay boyunca %5 magnezyum sülfat çözeltisinin etkisine maruz bırakıldıktan sonra basınç dayanımında artış göstermiştir. %20 uçucu kül ve %20 toz kalker içeren harçları, sülfat etkisinden sonra en yüksek basınç dayanımı (%16) artış sağlamıştır. Son olarak, geopolimer harçlar %2.5 sülfürik asit çözeltisine 6 hafta boyunca tabi tutulduktan sonra basınç dayanımlarının azaldığını görülmüştür. %100 doğal zeolit içeren harçların asit etkisinden sonra en yüksek basınç dayanım kaybı (%50.6) olurken, %30 uçucu kül ve %30 toz kalker içeren harçlarda ise, en düşük basınç dayanım kaybı (%18) olmuştur.  SEM görüntüleri de uçucu kül ve toz kalkerin sağladığı katkıyı teyit eder niteliktedir. Mikroyapısal açıdan baktığımızda ise, geopolimer harçların genel olarak iyi olduğu ve yoğun bir matris kompaktlığı ile geopolimerizasyon bağı oluşturduğu görülmüştür. EDS ölçümleri kullanılarak geopolimer harçların üzerinde yapılan elemental analiz, orijinal doğal zeolit, uçucu kül ve toz kalkerine göre daha yüksek bir Si/Al oranının varlığını göstermiştir.

Abstract:
Today, one of the most significant and critical factors is a sustainable environmental approach, and practically all industrial sectors encourage the manufacture of environmentally friendly products. Due to their low carbon dioxide (CO2) emission, strong mechanical, and durability properties, geopolymers, which are regarded as the third generation cement after lime and Portland cement, are considered an environmentally friendly product that can be used as an alternative to Portland cement. Geopolymers have environmental and economic benefits in addition to reducing CO2 emissions, such as recycling and reusing industrial byproducts like fly ash and blast furnace slag. In this study, samples were prepared in order to determine the properties of geopolymer mortars containing natural zeolite (DZ), C-type fly ash (UK) and powder limestone (LS), sodium hydroxide (NH), and sodium silicate (NS). By using the Taguchi optimization method, the optimum mixing values of zeolite-based geopolymer mortar components, including the binder content, activator/binder ratio, NS/NH ratio, and sodium hydroxide molarity were determined and these values were used in all mixtures. After finding the optimum mixing values of zeolite-based geopolymer mortars, different amounts of fly ash, limestone, and fly ash-limestone were used as additives in the place of zeolite. Geopolymer mortar samples were first cured at 80 oC in the oven for 24 hours and then kept at room temperature until testing days. After the curing process, physical properties of the geopolymer mortar samples like specific gravity, unit weight, water absorption, void ratio, sorptivity, compressive and flexural strengths of 7, 28, and 90 days, freezing-thaw, wetting-drying, sulfate, and acid resistances were determined. The microstructural properties of the geopolymer mortars were investigated by using SEM and EDS analyses. 
As a result of the mechanical tests applied on the produced geopolymer mortars, the highest values in the flexural and compressive strengths at the 7th, 28th, and 90th days of all mixtures were obtained in geopolymer mortars containing natural zeolite, fly ash, and powder limestone. Zeolite-based geopolymer mortars with fly ash-limestone additives containing 20% fly ash and 20% powder limestone showed the highest compressive strength (31.8 MPa) and flexural strength (7.5 MPa). When the physical properties of geopolymer mortars were examined, it was observed that the samples with the best workability value were zeolite-based geopolymer mortars with fly ash additives. In zeolite based geopolymer mortars, the use of powder limestone as an additive slightly increased the water absorption and void ratio, while the use of fly ash as an additive decreased the water absorption and void ratio. In addition, it was observed that the sorptivity values of mortars containing powder limestone increased, while samples containing fly ash provided a significant benefit to geopolymer mortars by reducing the sorptivity values. From the result of the durability tests applied on the produced geopolymer mortars, compressive strength values decreased after 50 freeze-thaw cycles. After freeze-thaw cycles, geopolymer mortars containing 100% natural zeolite showed the highest compressive strength loss (24.1%), while mortars containing 30% fly ash and 30% powder limestone showed the lowest compressive strength loss (7.3%). In addition, after applying 12 wetting-drying cycles, geopolymer mortars containing 100% natural zeolite showed the highest compressive strength loss (62.7%), while the mortars containing 30% fly ash and 30% powder limestone showed the lowest compressive strength loss (33.9%). However, the compressive strength showed an increase after the zeolite based geopolymer mortars with fly ash and powder limestone as additives were exposed to the effect of 5% magnesium sulfate solution for 2 months. Mortars containing 20% fly ash and 20% powder limestone provided the highest increase in compressive strength (16%) after the effect of sulfate. Finally, it was observed that the compressive strength of the geopolymer mortars decreased after being exposed to a 2.5% sulfuric acid solution for 6 weeks. Mortars containing 100% natural zeolite showed the highest compressive strength loss (50.6%) after the acid effect, while mortars containing 30% fly ash and 30% powdered limestone showed the lowest compressive strength loss (18%). SEM images also confirmed the contribution of fly ash and powder limestone. From the microstructural point of view, it was observed that the characterization of geopolymer mortars generally was good, and geopolimerization bonding with dense matrix compactness formed. The elemental analysis of geopolymer mortars using EDS measurements indicated the existence of a higher Si/Al ratio with respect to the original natural zeolite, fly ash, and powder limestone.