Endüstriyel bir atığın bağlayıcılık özelliğinin alternatif yöntemlerle araştırılması
Investigation of the binding feature of an industrial waste by using alternative methods
Yazar: SENEM BİLİCİ
Danışman: PROF. DR. NİHAT KABAY
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Alkali-aktif malzemeler = Alkali-active materials ; Dayanıklılık = Durability ; Dayanım = Strength ; Puzolanik aktivite = Pozzolanic activity

Özet:
Son yıllarda atık malzeme üretimindeki artış, sürdürülebilirliğin önündeki en büyük engellerden biri olarak görülmekte olup atık yönetimi kavramı inşaat sektöründe de ele alınmaya başlanmıştır. Sektördeki artan bağlayıcı malzeme talebi, araştırmacıları, Portland çimentosunun (PÇ) tamamen veya kısmen ikamesi için bu atık malzemeleri daha fazla kullanabilme yollarını araştırmaya itmiştir. PÇ'ye en yeni alternatifler, alkali-aktive malzemeler (AA) ve geopolimer bağlayıcılardır. Bu tür malzemeler, çimento esaslı bağlayıcılara alternatif olarak geliştirilip normal beton üretiminden kaynaklanan sera gazı emisyonlarını azaltmakta ve çevreci bir çözüm olarak dikkat çekmektedir. 
Bu tez çalışmasında daha önce bağlayıcı olarak kullanılmayan atık malzeme sınıfındaki agrega yıkama çamurunun (AYÇ) öncelikle puzolanik aktivitesi değerlendirilmiş, daha sonra alkali-aktive harç (AAH) numune üretiminde granüle yüksek fırın cürufu (GYFC) ile ikameli olarak kullanılmıştır. Dayanım aktivite indeksi (DAİ) sonuçlarına göre ısıl işleme maruz bırakılmayan AYÇ içeren numunelerin DAİ sınır değerlerin üzerinde çıkmış, AYÇ ısıl işleme maruz bırakılınca DAİ de artmıştır. TS 25 standardına göre üretilen numunelerde de AYÇ ısıl işleme maruz bırakıldığında dayanım değerinde %50 artış görülmüştür. Ek olarak, Frattini deneyinde ısıl işleme maruz bırakılan/bırakılmayan numuneler tarafından portlanditin tüketildiği ve puzolanik özellik gösterdiği tespit edilip bu durum Termogravimetrik (TG/DTA) ve X-Işını Kırınım yöntemi (XRD) analizleri ile de desteklenmiştir. Yarı adyabatik kalorimetri deney sonucuna göre ise PÇ'ye %20 oranda ısıl işleme maruz kalan/kalmayan AYÇ ilavesinin priz süresi tayininde de belirlendiği üzere hidratasyon sürecinde benzer özellik gösterdiği görülmüştür. Puzolanik aktivite için değerlendirilen numunelerin Taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri yorumlandığında ısıl işleme maruz kalmayan AYÇ içeren serilerde etrenjit oluştuğu, bu sebeple mukavemet gelişiminin diğer numunelere göre daha yavaş olduğu belirlenmiştir. 
Çalışmanın ikinci aşamasında ise GYFC ağırlıkça %0, 25, 50 ve 75 oranında AYÇ ile ikame edilerek üretilen AA'ların fiziksel, mekanik ve dayanıklılık (kılcal su emme, ıslanma-kuruma çevrimi, rötre gibi) özellikleri araştırılmış, deney sonuçları detaylı içyapı incelemeleri ile desteklenmiştir. Deney sonuçlarından görülebileceği üzere GYFC'nin hızlı priz alma sürecinin, belirli bir oranda AYÇ ikamesi ile uzatılabileceği tespit edilmiştir. Ayrıca AYÇ oranındaki artış ile harç numunelerin su emilimi, boşluk içeriği ve sorptivitesinde artış gözlenmiştir. Harç numunelerinin basınç dayanımı AYÇ oranındaki artışla azalış göstermesine rağmen %25 AYÇ içeren numunelerin makul bir dayanım değerine sahip olduğu belirlenmiştir. Durabilite deneylerinden ıslanma-kuruma döngüsü sonuçlarına göre çevrimler tamamlandığında, tüm numunelerin yapısal bütünlüğünü koruduğu ve referans numunelerle karşılaştırıldığında AYÇ içeren numunelerin basınç dayanımlarının bir miktar arttığı belirlenmiş ve böylece daha çevreci olan bu malzemenin sıcak ve nemli iklimlerde kullanımının mümkün olabileceği öngörülmüştür. Arşimet deneyi sonuçlarına göre, AYÇ oranındaki artış ile kılcal gözenek hacmi artmış ve jel gözenek hacmi azalmış, bu durumun kuruma rötresi değerleri ile uyumlu olduğu belirlenmiştir. XRD ve SEM analizi sonuçlarına göre AYÇ'nin kullanılmadığı referans seride ağırlıklı olarak C-A-S-H tipi jeller oluşurken, AYÇ ikamesi arttıkça N-A-S-H tipi jeller de oluşmaya başlamıştır. 
Deney sonuçları değerlendirildiğinde, genel olarak inşaat malzemesi olarak GYFC bazlı AA üretmek için %25'e kadar AYÇ ikamesinin sürdürülebilirlik açısından uygun olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In recent years, the increase in waste material production has been one of the biggest obstacles to sustainability, and the waste management concept has been more significantly discussed in the construction sector. The increasing demand for binder materials in the industry has prompted researchers to explore ways to utilize these waste materials as a complete or partial replacement for Portland cement (PC). The recent alternatives for PC are alkali-activated materials (AA) and geopolymer binders. These materials are developed as an alternative to cement-based binders, reducing greenhouse gas emissions from PC production and attracting attention as an environmentally friendly solution. 
In this thesis, initially, the pozzolanic activity of washing aggregate sludge (WAS) waste, which was not used as a binder before, was evaluated and then it has been used as a substitute for granulated blast furnace slag (GBFS) to produce alkali-activated mortar. According to the strength activity index (SAI) values of the samples incorporating untreated WAS, the SAI was found above the limit value, and this value increased after the heat treatment of WAS. Similarly, the test results in accordance with TS 25 showed that the strength of samples produced with heat treated WAS increased by 50%. In addition, the Frattini test results showed that portlandite was consumed by the specimens incorporating heat treated/untreated WAS and showed pozzolanic activity which was also supported by Thermogravimetric (TG/DTA) and X-Ray Diffraction (XRD) analyses. According to the semi-adiabatic calorimetry test results, it was observed that the replacement of PC with 20% heat-treated/untreated WAS showed similar characteristics in terms of hydration kinetics and setting. The Scanning Electron Microscope (SEM) images of the samples showed the formation of ettringite in the samples containing untreated WAS, which reduced the strength development. 
In the second stage of the study, the physical, mechanical, and durability (capillary water absorption, wet-dry cycle, shrinkage) properties of the AA samples produced by substituting WAS by 0, 25, 50 and 75% by weight of GBFS were investigated, and the test results were supported by detailed microstructural analyses. As can be seen in the test results, the rapid hardening of GYFC can be prevented by the incorporation of WAS. Furthermore, an increase in the water absorption, void content, and sorptivity of the mortar specimens was observed with the increase in the WAS content. Even though the compressive strength of the mortar decreases with the increase in the WAS, the samples containing 25% WAS possessed a reasonable strength. At the end of the wet-dry cycles, all specimens preserved their structural integrity and the compressive strength values of samples incorporating WAS increased compared to the reference, which might suggest that this eco-friendly material could be used in warm and humid climates. According to Archimedes' test results, with the increase in WAS content resulted in higher capillary pore volume and lower gel pore volume, which is compatible with drying shrinkage values. The XRD and SEM analyses showed that, while C-A-S-H type gels were formed predominantly in the reference sample, N-A-S-H type gels formed with the incorporation of WAS. 
Considering the overall test results, in general, it was found that 25% WAS substitution is suitable in terms of sustainability to produce GBFS-based AA as a construction material.