Bor madeni atıklarından tek bileşenli yeni tip geopolimer bağlayıcı geliştirilmesi
Development of one-part new type geopolymer binder from boron mine wastes
Yazar: CAVİT ÇAĞATAY KIZILTEPE
Danışman: PROF. DR. İSA YÜKSEL ; PROF. DR. SERDAR AYDIN
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Malzemeleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Alkali füzyon yöntemi = Alkali fusion method

Özet:
Dünya bor rezervlerinin önemli bir kısmı (>%70) Türkiye'de bulunmaktadır. Bu nedenle bor madeni, Türkiye açısından stratejik öneme sahip bir madendir. Bor madenine uygulanan zenginleştirme işleminin sonucunda; içerisinde yaklaşık %15-20 oranında bor içeren atık malzeme ortaya çıkmaktadır. Bu atıklar bütünüyle herhangi bir sektörde değerlendirilememekte olup, büyük bir kısmı işletmeler tarafından inşa edilen atık barajlarında depo edilmektedir. Bor zenginleştirme prosesi esnasında açığa çıkan atık malzemenin sürdürülebilir yapı malzemelerinin üretiminde değerlendirilmesi oldukça önemlidir. 
Bu tez kapsamında hammadde olarak Emet-Kütahya, Kırka-Eskişehir ve Bigadiç- Balıkesir bölgelerinde yer alan ve bor üretim tesislerinde ortaya çıkan bor atıklarının, alkali füzyon yöntemi ile kalsine edilerek, tek bileşenli geopolimer bağlayıcı üretiminde ham madde olarak kullanılabilirliği araştırılmıştır. Tez kapsamında gerçekleştirilen deneysel çalışmalar üç aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamada, tek bileşenli geopolimer bağlayıcı üretiminde, optimum kalsinasyon sıcaklığı ve süresi, aktivatör tipi ve oranları belirlenmiştir. Bu aşamada sodyum hidroksit ve sodyum karbonat olmak üzere iki farklı aktivatör kullanılmıştır. Kalsinasyon öncesinde toz malzemeler, belirli oranlarda sodyum hidroksit (bağlayıcının kütlece %2, %4, %6, %8 ve %10'u kadar Na2O içeren) ve sodyum karbonat (bağlayıcının kütlece %5, %10, %15, %20'si kadar) ile karıştırılmıştır. Daha sonrasında ise aktivatör içeren karışımlar 600 °C, 650 °C ve 700 °C kalsinasyon sıcaklıklarında 1, 2, 3, 4, 5 ve 6 saat süre ile kalsine edilmiştir.  İkinci aşamada, birinci aşama deneyleri sonucunda seçilen harç üzerinde optimum kür sıcaklığı ve süresi belirlenmiştir. Hazırlanan harç karışımları 60, 80 ve 100 °C sıcaklıklarda ve 12, 24 ve 36 saat süre ile kür edilmiştir. Kür işleminin ardından numunelerin basınç dayanımı değerleri belirlenmiştir. Üçüncü ve son aşamada ise tezin birinci ve ikinci aşamasında belirlenen optimum parametreler kullanılarak harç numuneleri üretilmiştir. Üretilen harç numunelerinin taze hal (priz süresi ve işlenebilirlik), mekanik (basınç ve eğilme dayanımları), permeabilite (kapiler su emme ve toplam su emme), kuruma büzülmesi, suya karşı kalıcılık, yüksek sıcaklığa karşı dayanıklılık deneyleri ve hamur karışımları üzerinde iç yapı analizleri yapılmıştır. Bu aşamada ayrıca proje kapsamında üretilen tek bileşenli geopolimer bağlayıcı ile elde edilen harç numunelerine yüksek sıcaklık kürünün yanı sıra, oda kürü de uygulanmıştır.
Elde edilen sonuçlara göre, tek bileşenli geopolimer bağlayıcı üretiminde ham madde olarak kullanıma en uygun atık Kırka-Eskişehir bölgesinde bulunan bor atığıdır. Bor atıklarından tek bileşenli geopolimer bağlayıcı elde edebilmek için, bor atığı alkali füzyon yöntemi ile en az 650 °C sıcaklıkta ve 3 saat kalsine edilmelidir. %100 bor atığı kullanılarak hazırlanan harç numunelerinden makul düzeyde basınç dayanımları elde edebilmek için kür sıcaklığının 100 °C ve kür süresinin 12 saat olması gerekmektedir. Oda kürü uygulanması durumunda, Kırka bor atığının, yüksek fırın cürufu ile kısmen yer değiştirmesi gerekmektedir. Yüksek sıcaklık kürü uygulanan numuneler içerisinde en yüksek basınç dayanımı (24,2 MPa) %4 Na2O içeren ve sodyum hidroksit ile aktive edilmiş numunelerden elde edilmiştir. Oda kürü uygulanan numuneler arasında 7. günde en yüksek basınç dayanımı değeri 18,4 MPa ile %50 bor atığı (%12 Na2O içeren ve sodyum hidroksit ile aktive edilmiş) ve %50 yüksek fırın cürufu karışımından elde edilmiştir. Bu karışımın basınç dayanımı değeri, 28. günde 28,9 MPa ve 56. günde 35,3 MPa bulunmuştur. İç yapı analizleri sonucunda, geopolimer hamur numunelerinde ana reaksiyon ürünü olarak oluşan ve bağlayıcılık özelliği olan riversideite fazı etkilidir. Bu faz tobermorit grubunun bir üyesi olup, harç numunelerinin basınç dayanımının gelişimini sağlayan C-S-H jelidir. Ayrıca, oda kürü uygulanan numunelerin iç yapısında C-(A)-S-H yapısı oluştuğu saptanmıştır.

Abstract:
Our country has the largest part of boron reserves of all over the World (>%70). Hence, boron is a stragetic mine for Turkey.Waste materials containing a sum of boron (15-20%) occur during boron benefication with different mining procedures. Boron mine tailings are not been evaluated completely in any sector and a large portion of these waste materials are stored in tailing dams. The evaluation of waste materials is of great importance in terms of producing the sustainable construction materials.
In the scope of this thesis, the use of of boron waste as a raw material, discarded from Boron facilities located at the regions of Emet-Kütahya, Kırka- Eskişehir ve Bigadiç- Balıkesir, was investigated to produce one-part geopolymer binder via alkali fusion method. The experimental studies have performed in three stages. At the first stage, the optimum calcination temperature and duration, the type and ratios of activator were determined in the production of one-part geopolymer binder. In this stage, two different activators, which were sodium hydroxide and sodium carbonate were used. The powder materials were mixed with sodium hydroxide (2%, 4%, 6%, 8% and 10%) sodium carbonate (5%, 10%, 15% and 20%) at several ratios. After that, the mixtures containing activator were calcined at 600 °C, 650 °C and 700 °C of calcination temperatures during1h, 2h, 3h, 4h, 5h and 6h. At the second stage, the optimum curing temperature and duration were determined on the mortar mixture, which was selected at the end of test results of first stage. The prepared mortar mixtures were cured at 60 °C, 80 °C and 100 °C during 12h, 24h and 36h. The compressive strength values of the mortar specimens were obtained after the end of curing process. At the third stage, the mortar specimens were produced using the optimum parameters, which were obtained at the end of both first and second stage. The experiments of the fresh state (setting time and workability), mechanical (compressive and flexural strengths), permability (capillary and total water absorption), drying shrinkage, resistance to water, resistance to high-temperatures were conducted on the mortar mixtures. Furthermore, microstructure investigations were performed on the selected paste mixtures. In addition to high temperature curing process, the ambient temperature curing process was carried out on some mortar specimens produced with one-part geopolymer binder.
According to obtained results, the best boron waste in the production of one-part geopolymer binder was the waste which is located Kırka-Eskisehir. The boron waste should be calcined at minimum 650 °C during 3h to produce one-part geopolymer binder. Furthermore, the curing temperature and duration should be at least 100 °C and 12 h to obtain reasonable level compressive strength from the mortar mixtures prepared with 100% boron waste. In case of implementing ambient temperature curing, the blast furnace slag should be partly replaced with boron waste. In case of heat curing, the maximum compressive strength value (24.2 MPa) was obtained from the mortar specimens with sodium hydroxide activator containing 4% Na2O. Among the mortar specimens cured at ambient temperature, the maximum compressive strength value (18.4 MPa) was obtained from the mortar specimens containing 50% of boron waste, which was activated with sodium hydroxide containing 12% Na2O at 7 days. Moreover, the compressive strength values of this mortar specimens at the age of 28 and 56 days were 28.9 MPa and 35.3 MPa, respectively. As a result of microstructure analyses, the main reaction product of one-part geopolymer paste specimens has been riversideite phase, which has the binding property. In other words, this phase is C-S-H gel which is a member of tobermorite gel. C-S-H gel is responsible for the improvement of the compressive strength of the mortar specimens. Finally, the C-(A)-S-H gel was detected to form in the microstructure of mortar specimens cured at ambient temperature.