Nano-silika katkısının sodyum karbonatla aktive edilmiş cüruf-reaktif MgO esaslı sistemlerin mekanik ve içyapı özellikleri üzerindeki etkileri
Effects of nano-silica on the mechanical and microstructural properties of sodium carbonate activated slag-reactive MgO based systems
Yazar: ÖMER CAN ÖZEN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ DİDEM OKTAY ; DR. ÖĞR. ÜYESİ BÜŞRA AKTÜRK
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Malzemeleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Cüruf, uçucu kül, silis dumanı, metakaolin gibi endüstriyel atık veya yan ürün malzemelerin alkali çözeltilerle birlikte kullanılması sonucu elde edilen sürdürülebilir yapı malzemelerine alkaliler ile aktive edilen malzemeler (AAM) denir. AAM'ler, yapı endüstrisinde Portland çimentosu (PÇ) kullanılarak üretilen yapı sistemlerinin sebep olduğu CO2 emisyonunun ve PÇ'nin üretiminden kaynaklanan enerji tüketiminin azaltılması açısından günümüzde oldukça önemli bir yere sahiptir. PÇ esaslı yapı malzemelerine göre daha sürdürülebilir olarak nitelendirilebilen AAM'ler ile ilgili cüruf kullanılarak elde edilen bağlayıcı sistemler üzerine yapılan önceki çalışmalarda, çoğunlukla alkali silikat veya hidroksit çözeltileri kullanılmıştır. Ancak bu çalışma kapsamında alkali aktivatör olarak sodyum karbonat (NC) kullanılması tercih edilmiştir. Bu tercihin nedeni, sodyum karbonatın bulunabilirliği ve Türkiye'nin dünya çapında ikinci en büyük sodyum karbonat rezervine sahip ülke olmasıdır.
Bu çalışmada, solüsyon hazırlanmadan (one-part) NC ile aktive edilmiş cüruf esaslı 
sistemlerin aktivasyon mekanizması ve dayanım gelişimi incelenmiştir. Yavaş 
reaksiyon mekanizması, %15'e kadar farklı seviyelerde reaktif MgO (r-MgO) 
ikame edilerek geliştirilmiştir. Ayrıca, nano-silikanın (NS) bu ikili karışımlara dâhil 
edilmesinin dayanım gelişimi ve içyapı özellikleri üzerindeki etkileri ortaya 
konmuştur. Dayanım gelişimi 56. güne kadar belirlenmiş ve Fourier dönüşümlü 
kızılötesi spektroskopisi, X-ışını difraktometresi, termogravimetrik analiz ve 
taramalı elektron mikroskopisi gibi çeşitli içyapı analizleri ile gelişim mekanizması 
açıklanmıştır. Düşük miktarda r-MgO kullanılmasının dahi reaksiyon 
mekanizmasını geliştirebileceği, priz süresini kısalttığı ve hem erken yaş hem de 
nihai basınç dayanımı değerlerini önemli ölçüde arttırdığı görülmüştür. NS 
kullanımı, tüm yaşlarda basınç dayanımını arttırmada ve daha yoğun bir yapı elde 
edilmesinde etkili olmuştur. En yüksek basınç dayanımı NS ve en yüksek miktarda 
r-MgO içeren üçlü karışımlarda elde edilmiştir. Bu çalışma, solüsyon 
hazırlanmadan tek parça kullanılan NC ile aktive edilmiş cüruf esaslı malzemelerin 
r-MgO içermesi durumunda uygulanabilir bir alternatif olabileceğini göstermiştir. 
Ayrıca, NS kullanımı dayanım özelliklerini iyileştirmektedir.

Abstract:
Sustainable building materials obtained by using industrial waste or by-product 
materials such as slag, fly ash, silica fume, metakaolin with alkaline solutions are 
defined as alkali-activated materials (AAMs). Today, AAMs have a very important 
role in the construction industry in terms of reducing the CO2 emissions caused by 
building systems produced using Portland cement (PC) and the energy consumption 
caused by the production of PC. In previous researches, generally alkaline silicate 
or alkaline hydroxide solutions are used on slag-based AAMs, which can be defined 
as sustainable materials compared to PC-based materials. However, in this 
investigation, it was preferred to use sodium carbonate as an alkaline activator. 
Notably, sodium carbonate was chosen for its availability, and Turkey's status as 
the second-largest reserve holder of sodium carbonate globally.
In this study, the activation mechanism and strength development of slag-based systems activated with sodium carbonate (NC) without the need to prepare an alkaline solution, utilizing a one-part mixing methodology was investigated. The slow reaction mechanism was improved by substituting different levels of reactive MgO (r-MgO) up to 15%. Furthermore, the effects of the substitution of nano-silica (NS) in these binary mixes on strength development and microstructural properties were revealed. The strength development was determined up to 56 days and clarified by various microstructural analyses such as Fourier transform infrared spectroscopy, X-ray diffractometry, thermogravimetric analysis and scanning electron microscopy. It was found that the reaction mechanism could be improved by incorporating low amounts of r-MgO, expediting the setting time and significantly increasing both the early age and final compressive strength values. The substitution of NS was effective in increasing the compressive strength at all ages and achieving a more compacted structure. The highest compressive strength was obtained in ternary mixes containing NS and the highest amount of r-MgO. This study has shown that one-part NC-activated slag-based mixes can be a feasible alternative when they contain r-MgO. In addition, the substitution of NS improves the strength properties.