Farklı tür mineral katkıların uçucu kül tabanlı geopolimer harçların mekanik ve durabilite özelliklerine etkisi
The investigation of mechanical and durability properties of fly ash based geopolymers mortars with different filling materials
Yazar: YOSRA TAMMAM
Danışman: PROF. DR. MÜCTEBA UYSAL ; DOÇ. DR. ORHAN CANPOLAT
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Dünya nüfusunun artmasıyla birlikte altyapı ve endüstriyel çalışmaların çoğalmasına ve çimento ihtiyacının artmasına neden olmuştur. Fakat çimento üretimi sırasında açığa çıkan sera gazı salınımı doğaya ve çevreye çok büyük zarar vermektedir. Ayrıca çimento üretiminde harcanan yüksek enerji, ekonomik maliyeti artırmaktadır. Dolayısıyla geleneksel betonda bağlayıcı olarak kullanılan çimento yerine; alternatif bağlayıcı olarak geopolimerler, atık malzemeler ile kullanılmaya başlanmıştır.
Bu çalışmanın amacı; atık malzemeler kullanılarak daha ekonomik, çevre dostu ve aynı zamanda yüksek mekanik ve durabilite özelliklerine sahip harç üretmektir. Bu harçta; bağlayıcı malzeme olarak uçucu kül ve erken priz kazanmak için de bağlayıcı malzemenin %13 oranında öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu (ÖGYFC) kullanılmıştır. Ayrıca üretilen geopolimer harç serilerinde; farklı oranlarda üç farklı tip atık tozu (kireç taşı tozu, mermer tozu ve bazalt tozu), dere kumu ile ikame edilerek kullanılmıştır. Böylece endüstriyel atıklar kullanılarak çevre dostu ve ekonomik geopolimer harç üretilmiştir. 
Genel olarak üretilen harçların performansını değerlendirmek amacıyla fiziksel ve mekanik testler, durabilite testleri ve mikroyapı analizleri yapılmıştır. Bu çalışmada, geopolimer kompozitlerde kullanılan atık dolgu malzemelerin mekanik ve durabilite özelliklerinin etkisi araştırılmıştır.  Üretilen numunelerin birim hacim ağırlığı, ağırlıkça su emme ve boşluk oranı değerleri elde edilmiştir. Ayrıca, Ultrases geçiş hızı, aşınma direnci, basınç ve eğilme dayanımları testleri yapılmıştır. Geopolimer serilerde kullanılan atık dolgu malzemeler, mekanik özelliklerde olumlu bir etki sağlamıştır. Elde edilen sonuçlara göre kireçtaşı atık tozu ve mermer atık tozu %50 oranında kum ile yer değiştirildiğinde geopolimer kompozitlerin basınç ve eğilme mukavemeti artmıştır.
Üretilen geopolimer harç numuneler; 200°C, 400°C, 600°C ve 800°C'lik sıcaklıklara maruz bırakılarak yüksek sıcaklık deneyi yapılmıştır. Yüksek sıcaklık deneylerinin sonunda; ağırlık kaybı oranı, basınç dayanımı, eğilme dayanımı ve ultrases geçiş hızı sonuçları elde edilmiştir. Aynı zamanda üretilen geopolimer harç serilerine, 180 döngülü donma-çözülme deneyi uygulanmıştır.  Son olarak durabilite deneyleri için üretilen numuneler 2, 4, 6 ve 12 ay boyunca magnezyum sülfat ve sodyum sülfat çözeltilerinde bekletilmiştir. Bu sürelerin sonunda magnezyum sülfat ve sodyum sülfat etkisini araştırmak için numunelerin ağırlık değişimi, basınç dayanımı, eğilme dayanımı ve ultrases geçiş hızı sonuçları alınmıştır. Genel olarak, durabilite deney sonuçlarına göre atık dolgu malzemeler, geopolimer kompozit numuneler üzerinde olumlu bir etki sağlamıştır.
Üretilen numunelerin SEM ve XRD mikroyapı analizleri yapılmıştır. Analiz sonuçlarına göre geopolimer matrisin kabul edilebilir kompaktlığa ulaştığı ve iyi bir geopolimerizasyon bağı oluşturduğu gözlemlenmiştir.

Abstract:
With the increase in world population, infrastructural and industrial works are increasing, and hence the demand for cement is also increasing steadily. However, it is reported that nature and the environment are severely damaged during cement production due to greenhouse gas emissions from the cement factory. Moreover, economic problems have arisen due to energy consumption during production. Therefore, instead of using cement in ordinary concrete, waste materials have started to be used in geopolymer concrete as an alternative material.
This study aims to produce a more economical, environmentally friendly mortar with high mechanical and durability properties when waste materials are used and recycled. Fly ash and 13% blast furnace slag (GYFC) were used as binders of this mortar. In addition, three different types of waste dust (stone dust, marble dust, and basalt dust) were used in different proportions in the manufactured geopolymer mortar series as a fine aggregate by replacing the river sand. Thus, an environmentally friendly and economic geopolymer mortar was produced by reducing industrial waste. 
Physical, mechanical, and durability tests and microstructural analyses were performed to evaluate the performance of the manufactured mortars. This study investigated the effect of waste fillers used in the geopolymer composites on mechanical properties and durability. Firstly, the unit weight, water absorption, and void ratio of the fabricated specimens were determined. Then, appropriate experiments were conducted to investigate the ultrasonic pulse velocity (UPV), abrasion resistance, compressive strength, flexural strength, and split tensile strength. Based on the obtained results, it was found that the strength of the geopolymer composites was increased when 50% of limestone powder and marble powder were replaced with sand as the filler material of the mortar.
The high-temperature test was carried out by exposing the prepared geopolymer mortar samples to temperatures of 200°C, 400°C, 600°C, and 800°C. At the end of the high-temperature tests, the weight loss ratio, compressive and flexural strength, and ultrasonic pulse velocity were determined. In addition, the manufactured geopolymer mortar series was subjected to a 180-cycle freeze-thaw test. As final durability tests, the durability of the fabricated geopolymer specimens under the attack of sulfate solutions under 10% magnesium and 10% sodium sulfate solution was investigated. The visual appearance, weight changes, UPV, and the geopolymer samples' strength properties up to 180 days at the different interval times of exposure to sulfate solutions were studied to investigate the sulfate resistance. When the results of the durability tests were examined, it was found that the geopolymer composite of waste fillers generally had a positive effect.
SEM and XRD analyzes were performed to investigate the microstructural analysis of the fabricated specimens. The microstructural analysis showed that the matrix has good compactness and good geopolymerization bonding in the geopolymer system.