Geopolimer kazıkların üretimi ve performansını etkileyen faktörlerin deneysel olarak araştırılması
Experimental investigation of factors affecting on the performance of geopolymer piles
Yazar: HASAN ALTAWIL
Danışman: PROF. DR. MURAT OLGUN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Beton kazıklar = Concrete piles ; Donma-çözülme = Freezing-thawing ; Geopolimerler = Geopolymers ; Kazık yükleme deneyi = Pile load test ; Taguchi yöntemi = Taguchi method ; Tuza dayanıklılık = Salt resistance ; Uçucu kül = Fly ash

Özet:
Tez çalışması kapsamında uçucu kül esaslı oluşturulan geopolimer beton (GPC) kazıkların performansının farklı çevresel koşulların da dikkate alınarak değerlendirilmesi amacıyla deneysel bir çalışma yürütülmüştür. GPC beton elde etmek için alkali sıvı olarak sodyum hidroksit (NaOH) ve sodyum silikat (Na2SiO3) birlikte kullanılmıştır. Doğal kum ve doğal kırmataş kullanılarak hazırlanan GPC beton elde edebilmek için yapılan ön deneylerde F sınıfı uçucu kül – yüksek fırın cürufu ve C sınıfı uçucu kül - silis dumanı katkıları birlikte kullanılmıştır. Deneylerde karışımların Molaritesi 10-16M arasında seçilmiştir. Ön deney sonuçlarına göre çalışma kapsamında GPC betonlarının oluşturulmasında C sınıfı uçucu kül ile silis dumanı kullanılmıştır. L16 Taguchi tasarımı kullanılarak farklı parametreler (Molarite (M), Alkali aktivatör çözeltisi / bağlayıcı oranı (AA/B), Na2SiO3/NaOH oranı (SS/SH), Karışımdaki agrega oranı (G) ve Su / Geopolimer katı oranı (Su/GK)) ve seviyeleri için küçük ölçekli geopolimer (KKÖ) numuneler hazırlanarak; Tek eksenli basınç deneyi, eğilme dayanımı deneyi, donma-çözülme çevrimleri ve tuz direncine maruz numuneler üzerinde basınç dayanım deneyleri uygulanmıştır. Uygun tasarımlar ve optimum tasarım için büyük ölçekli geopolimer (BKÖ) numuneler üzerinde de aynı deneyler gerçekleştirilmiştir. Optimum tasarım için hazırlanan GPC kazık ve çimento esaslı model deney kazıkları (55mm çaplı, 400-600m uzunluklu) üzerinde kazık yükleme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca alınan numuneler için SEM ve XRD analizleri gerçekleştirilmiştir.                           
Deneysel çalışma sonuçlarına göre KKÖ numunelerinde en büyük dayanımlar L1 Nolu tasarım, en küçük dayanımlar L13 Nolu tasarım için elde edilmiştir. L1 Nolu tasarımda KKÖ numunelerin, L13 Nolu tasarımda BKÖ numunelerin basınç dayanımları fazla bulunmuştur. Çalışma kapsamında C sınıfı uçucu kül kullanıldığı için kalsiyum (Ca) içeriğinden dolayı Geopolimer numuneler erken dayanım kazanmıştır. KKÖ numuneler üzerinde yapılan Tek eksenli basınç dayanımı deneylerine göre dayanım üzerinde en etkili faktör Su / GK oranı olmuştur. S/N analizi sonuçlarına göre; Su/GK oranı ve Molarite arttıkça dayanım azalmaktadır. Max. dayanım için optimum seviyeler S/GK=0.35, M=10, AA/B = 0.40, SS/SH=2.0 ve G=0.70 bulunmuştur. Optimum tasarım için hazırlanan BKÖ numunelerinde (Lopt) 7 ve 28 günlük Tek eksenli basınç dayanımları 25.85 MPa ve 28.61 MPa elde edilmiştir ki, bu değerler çimento esaslı betona yakın dayanımlara sahip kazıkların üretilebileceğini göstermektedir.
  Eğilme dayanımı üzerinde en etkili parametre Molarite olmuştur. S/N analizi sonuçlarına göre; max. dayanım için optimum seviyeler M=12, AA/B=0.40, SS/SH=1.75, G=0.60 ve Su/GK=0.35 olmuştur. 
Yüksek dayanımlı numuneler donma – çözülme çevrimlerine maruz kaldıklarında dayanım kaybı az olurken, çevrimsiz durumda düşük dyanımlı numunelerde donma-çözülme çevrimi sonrasında da dayanım kaybı fazla olmuştur. Genel olarak GPC beton numunelerinin donma-çözülme etkisine karşı direnci ve stabilitesi yüksek olup, bu durum geopolimerin yapısındaki silis dumanının mikro gözenekleri azaltması ile ilişkilidir.  Donma-çözülme çevrimleri sonrasında dayanımlar üzerinde en etkili parametre Su/GK oranı olmuştur. S/N analizi sonuçlarına göre; max. dayanım için optimum seviyeler Su/GK=0.35, AA/B=0.40, M=10, SS/SH=2.25 ve G=0.60 şeklindedir. BKÖ geopolimer numuneler donma-çözülme çevrimleri etkisi altında hem dayanım hem de kütle kaybı anlamında KKÖ numunelere göre daha stabil kalmıştır. KKÖ numunelerinde yeterli performansı sağlamayan L13 tasarımı için BKÖ numunelerde yeterli performans sağlanmıştır.
	%5 Nacl çözeltisi ile tuz saldırısına maruz bırakılan KKÖ geopolimer numunelerdeki kütle kayıpları %3.2-5.3 arasında değişmektedir. Tuz saldırısına maruz bırakılan numunelerin bir kısmında dayanım kaybı bir kısmında ise dayanımlarda artışlar gerçekleşmiştir. Tuz saldırısı altında GPC beton dayanımları üzerindeki en etkili parametre SS/SH oranı olurken,. S/N analizi sonuçlarına göre; max. dayanım için optimum seviyeler SS/SH=1.75, M=10, AA/B=0.40, Su/GK=0.35 ve G=0.70 olarak elde edilmiştir. BKÖ geopolimer numunelerinde kütle kayıpları önemsiz düzeyde kalmıştır.
SEM analizlerinde elde edilen görüntüler alkali çözeltiler ve uçucu kül arasında tam olarak gerçekleşen reaksiyonlar sonucunda çoğu tasarımda (L1, L2, L15 ve Lopt) GPC betonda kompakt ve yoğun bir matris yapısı gözlendiğini ve görüntülerin Tek eksenli basınç dayanımı sonuçlarını doğrulayıcı yönde olduğunu göstermiştir. XRD kırınım desenleri, geopolimerizasyon sürecinde C sınıfı uçucu kül içerisindeki Ca bileşeninin önemli olduğunu ve düşük Su/GK oranlarında Gismondine (C-A-S-H) ve Kalsiyum Silikat Hidratların (C-S-H) oluştuğunu işaret etmesi açısından önemlidir.
Tank içerisinde rölatif sıkılığı Dr = %50.28 olacak şekilde hazırlanmış orta sıkı kum zemin içerisinde çapları D=55 mm, uzunlukları L=400 mm ve L=600 mm olan 2 adet GPC beton ve 2 adet çimento esaslı kazık üzerinde yapılan kazık yükleme deneylerinde; her iki kazık türünde uç taşıma dirençleri birbirine yakınken, GPC beton kazıkların çevre sürtünme dirençleri daha yüksek elde edilmiştir. GPC kazıklarda çevresel sürtünme direnci toplam nihai taşıma gücünün yaklaşık %40'ını oluştururken, çimento esaslı kazıklarda çevresel sürtünme direnci toplam nihai taşıma gücünün yaklaşık %30'unu oluşturmuştur. GPC kazıkların nihai taşıma kapasitesi daha fazla elde edilmiş olup, çimento esaslı kazıklara iyi bir alternatif olarak kullanılabileceği belirlenmiştir. 
   Tez çalışması ile GPC beton kazıkların basınç dayanımının yüksek olması, erken dayanım kazanmaları, donma-çözülme çevrimleri ve tuz direncine karşı göstermiş oldukları yüksek direnç özellikle olumsuz çevresel koşullarının etkili olduğu ortamlarda bu tip kazıkların kullanılabileceğini göstermesi açısından önemlidir.

Abstract:
Within the scope of the thesis, an experimental study was conducted to evaluate the performance of fly ash-based geopolymer concrete (GPC) piles, taking into account different environmental conditions. To obtain GPC concrete, sodium hydroxide (NaOH) and sodium silicate (Na2SiO3) were used together as an alkaline liquid. F class fly ash - blast furnace slag and C class fly ash - silica fume additives were used together in the preliminary experiments to obtain GPC concrete prepared using natural sand and natural crushed stone. The molarity of the mixtures was chosen between 10-16M in the experiments. According to the preliminary test results, C class fly ash and silica fume were used in the formation of GPC concretes within the scope of the study. Using L16 Taguchi design, different parameters (Molarity (M), Alkaline activator solution/binder ratio (AA/B), Na2SiO3/NaOH ratio (SS/SH), Aggregate rate ratio in the mixture (G), and Water / Geopolymer solid ratio (Water/GK) and levels by preparing small-scale geopolymer (KKÖ) samples; Uniaxial compressive test, flexural strength test, freeze-thaw cycles, and compressive strength tests were performed on the samples exposed to salt resistance. The same experiments were carried out on large-scale geopolymer (BKÖ) samples for suitable designs and optimum design. Pile loading tests were carried out on GPC piles and cement-based model test piles (55mm diameter, 400-600m length) prepared for optimum design. In addition, SEM and XRD analyzes were performed for the samples taken.
According to the experimental study results, the highest strengths were obtained for the L1 design and the smallest strengths were obtained for the L13 design in the KKÖ samples. The compressive strengths of the KKÖ samples in the L1 design and the BKÖ samples in the L13 design were found to be higher. Geopolymer samples gained early strength due to the calcium (Ca) content since C class fly ash was used within the scope of the study. According to the uniaxial compressive strength tests performed on KKÖ samples, the most effective factor on the comprssive strength was the Water / GK ratio. According to the results of S/N analysis; As the water/GK ratio and the molarity increase, the strength decreases. Max. Optimum levels for compressive strength were found water/GK=0.35, M=10, AA/B=0.40, SS/SH=2.0, and G=0.70. 7 and 28 days uniaxial compressive strengths of 25.85 MPa and 28.61 MPa were obtained in BKÖ samples (Lopt) prepared for optimum design, which show that piles with strengths close to cement-based concrete can be produced.
  The most effective parameter on flexural strength was Molarity. According to the results of S/N analysis; max. optimum levels for compressive strength were M=12, AA/B=0.40, SS/SH=1.75, G=0.60, and Water/GK=0.35.
While the high-strength samples were exposed to freeze-thaw cycles, the strength loss was low, but the low-strength samples in the cyclic condition had a high-strength loss after the freeze-thaw cycle. In general, the resistance and stability of GPC concrete samples against the freeze-thaw effect are high, which is associated with the reduction of micropores by silica fume in the structure of the geopolymer. The most effective parameter on the strengths after freeze-thaw cycles was the Water/GK ratio. According to the results of S/N analysis; max. Optimum levels for compressive strength are Water/GK=0.35, AA/B=0.40, M=10, SS/SH=2.25 and G=0.60. BKÖ geopolymer samples remained more stable than KKÖ samples in terms of both strength and mass loss under the effect of freeze-thaw cycles. For the L13 design, which did not provide sufficient performance in KKÖ samples, sufficient performance was provided in BKÖ samples.
Mass losses in KKÖ geopolymer samples exposed to salt attack with 5% NaCl solution vary between 3.2-5.3%. In some of the samples exposed to salt attack, strength loss and some increase in strength were observed. While the most effective parameter on GPC concrete strengths under salt attack was the SS/SH ratio. According to the results of S/N analysis; max. Optimum levels for compressive strength were obtained as SS/SH=1.75, M=10, AA/B=0.40, Water/GK=0.35 and G=0.70. Mass losses in BKO geopolymer samples remained insignificant.
The images obtained in the SEM analyzes showed that as a result of the complete reactions between alkaline solutions and fly ash, a compact and dense matrix structure was observed in GPC concrete in most designs (L1, L2, L15, and Lopt), and the images were in the direction of confirming the uniaxial compressive strength results. XRD diffraction patterns are important in that they indicate that the Ca component in Class C fly ash is important in the geopolymerization process and that Gismondine (C-A-S-H) and Calcium Silicate Hydrates (C-S-H) are formed at low Water/GK ratios.
In the pile loading tests carried out on 2 pieces of GPC concrete with diameters of D=55 mm, lengths of L=400 mm and L=600 mm and 2 pieces of cement-based piles in a medium compact sand soil prepared with relative density Dr = 50.28% in the tank; While the end bearing resistances were close to each other in both pile types, the environmental friction resistance of GPC concrete piles was higher. While the environmental friction resistance in GPC piles constituted approximately 40% of the total final bearing capacity, the environmental friction resistance in cement-based piles constituted approximately 30% of the total final bearing capacity. The ultimate bearing capacity of GPC piles has been obtained more and it has been determined that they can be used as a good alternative to cement-based piles.
   With the thesis study, the high compressive strength of GPC concrete piles, their early strength gain, freeze-thaw cycles and high resistance to salt resistance are important in terms of showing that this type of piles can be used especially in environments where adverse environmental conditions are effective.