Metakaolin tabanlı pişirilmiş taş tozu atığı ikameli kolemanit ve boraks penta hidrat katkılı geopolimer harçların fiziksel ve mekanik özellikleri
Physical and mechanical properties of metakaolin based heat-treated stone powder waste substitution colemanite and borax penta hydrate additive geopolymer mortars
Yazar: MEHMET AKTÜRK
Danışman: PROF. DR. ÜLKÜ SULTAN KESKİN ; PROF. DR. İLKER BEKİR TOPÇU
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Günümüz dünyasında sahip olduğu avantajlardan dolayı sıklıkla kullanılan geleneksel be-ton ve harçlara alternatif olarak üretilen geopolimerler, yüksek puzolanik aktiviteye sahip bağlayı-cıların alkali aktivatörler ile aktivasyonu sonucunda ortaya çıkan yüksek dayanım değerlerine, düşük enerji tüketimine ve düşük CO₂ salınımına sahip son derece çevreci malzemelerdir. Bu çalış-mada geopolimer üretiminde bağlayıcı olarak, puzolanik aktivitesi son derece yüksek olan ve kao-lin kilinin kalsine edilmesiyle elde edilen metakaolin kullanılmıştır. İkame malzemesi olarak asfalt şantiyelerinden temin edilen atık malzeme niteliğindeki pişirilmiş taş tozu atığı kullanılmıştır. Katkı olarak ise ülkemiz için son derece stratejik öneme sahip bor minerallerinden kolemanit ve boraks penta hidrat kullanılmıştır. Çalışma kapsamında ana bağlayıcı olan metakaolin kullanılarak geopo-limer harçlar üretilmiş ve bu numuneler referans olarak alınmıştır. Bunun dışında ikame malzemesi olarak pişirilmiş taş tozu atığı sırasıyla %10, %20 ve %30 ikame oranlarında metakaolinin yerine ikame edilmiştir. Katkı malzemesi olarak ise kolemanit ve boraks penta hidrat sırasıyla %5, %10 ve %15 katkı oranlarında metakaoline ilave edilmiştir. Tüm geopolimer harç karışımlarında alkali ak-tivatör olarak sodyum hidroksit (SH) ve sodyum silikat (SS) kullanılmıştır. Ana deneylere geçilme-den Taguchi optimizasyon yöntemi kullanılarak kum/bağlayıcı oranı, likit/bağlayıcı oranı, SS/SH oranı ve sodyum hidroksit'in molaritesi olmak üzere harç bileşenlerinin optimum değerleri bulun-muş ve bu değerler tüm karışımlarda kullanılmıştır. Üretilen geopolimer harçlara fiziksel özellikle-rin tespiti için birim hacim ağırlık tayini, yayılma testi, priz sürelerinin tayini, görünen özgül ağırlık tayini, hacimsel özgül ağırlık tayini, su muhtevası, su emme oranı tayini ve boşluk oranı tayini de-neyleri yapılmıştır. Mekanik özelliklerin tespiti için 7, 28 ve 90 günlük eğilme ve basınç dayanımı deneyleri yapılmıştır. Mikroyapısal özelliklerinin tespiti için ise çeşitli görüntüleme teknikleri kul-lanılmıştır.
Üretilen geopolimer harçlara uygulanan deneyler sonucunda, 7., 28. ve 90. gündeki eğilme ve basınç dayanımlarında tüm karışımlar içinde en yüksek değerler metakaolin bağlayıcılı harçlarda elde edilmiştir. Mekanik dayanım değerleri ve fiziksel özellikler birarada düşünüldüğünde meta-kaolin bağlayıcılı geopolimer harçlarda %20 oranında pişirilmiş taş tozu atığının ikame edilebilece-ği, %10 oranında kolemanitin ve %5 oranında boraks penta hidratın katkı olarak kullanılabileceği görülmüştür. Harçların fiziksel özelliklerine bakıldığında işlenebilme değeri en iyi olan numunele-rin pişirilmiş taş tozu atığı ile üretilen numuneler olduğu görülmüştür. Ayrıca bor minerallerinin özellikle de kolemanit katkısının su emme oranını ve boşluk yüzdesini azaltarak geopolimer harca önemli bir fayda sağladığı görülmüştür. SEM görüntüleri de bor minerallerinin sağladığı katkıyı teyit eder niteliktedir. Mikroyapısal açıdan baktığımızda ise harcın karakterizasyonun genel olarak iyi olduğu ve iyi bir geopolimerizasyon bağı oluşturduğu görülmüştür. Geopolimer harcın mikroya-pısal karakterizasyonuna negatif olarak etki eden karışımların pişirilmiş taş tozu atığı kullanılan numuneler olduğu görülmüştür. Bor minerallerinin katkı malzemesi olarak kullanıldığı karışımlarda ise bor minerallerinin harcın karakterizasyonu üzerine pozitif bir etki yaptığı görülmüştür.

Anahtar Kelimeler: Geopolimer harç, metakaolin, pişirilmiş taş tozu atığı, kolemanit, alkali aktiva-tör

Abstract:
Due to their advantages, the geopolymers are produced to be an alternative to traditional concrete and mortars frequently used in today's world, and they are extremely eco-friendly materi-als with high strength values, low energy consumption and low CO2 emissions resulting from the activation of the binders having high pozzolanic activity with the alkaline activators. In this study, the metakaolin having an extremely high pozzolanic activity and obtained by the calcination of the kaolin clay was used as the binder of the geopolymer production. The heat-treated stone powder waste having the quality of waste material obtained from asphalt worksites was used as the substi-tute material. The boron minerals colemanite and borax penta hydrate having extremely strategic importance for our country were used as the additives. Within the scope of the study, geopolymer mortars were produced using the main binder metakaolin and taken as the reference. Additionally, the heat-treated stone powder waste was replaced as the substitute material instead of metakaolin at 10%, 20% and 30% replacement rates, respectively. As the additive materials, colemanite and borax penta hydrate were added to metakaolin at 5%, 10% and 15% additive ratios, respectively. Sodium hydroxide (SH) and sodium silicate (SS) were used as alkali activators in all geopolymer mortar mixtures. Before starting the main experiments, the optimum values of the mortar components such as the amount of binder, liquid/binder ratio, SS/SH ratio and the molarity of sodium hydroxide were obtained by using the Taguchi optimization technique and used in all mixtures. In order to deter-mine the physical properties of the produced geopolymer mortars, the spreading test and the tests to determine the unit volume weight, setting time, apparent specific gravity, volumetric specific gravi-ty, water content, water absorption rate and the void ratio were carried out. In order to determine the mechanical properties, the flexural and compressive strength tests of 7, 28 and 90 days were per-formed. Moreover, various imaging techniques were used to determine the microstructural proper-ties.
As a result of the tests applied on the produced geopolymer mortars, the highest flexural and compressive strength values of 7th, 28th and 90th days were obtained in the metakaolin binder mortars among all the mixtures. When the mechanical strength values and the physical properties are considered together, it was observed that 20% of the heat-treated stone powder waste can be substituted in metakaolin binder geopolymer mortars, and 10% colemanite and 5% borax penta hydrate can be used as additives. Considering the physical properties of the mortars, it was seen that the samples having the best workability values were produced with the heat-treated stone pow-der waste. In addition, it was observed that the boron minerals, especially the colemanite additives, provided a significant benefit to the geopolymer mortar by reducing the water absorption rate and the void percentage. SEM images also confirmed the contribution of boron minerals. From the microstructural point of view, it was seen that the characterization of the mortar was good in general and it formed a good geopolymerization bond. The mixtures negatively affected the microstructural characterization of the geopolymer mortar were observed to be the samples using the heat-treated stone powder waste. It was also observed that the boron minerals presented a positive effect on the characterization of the mortar for the mixtures where the boron minerals were used as additives.

Keywords: Geopolymer mortar, metakaolin, heat-treated stone powder waste, colemanite, alkaline activator