Termik santral taban küllerinden alkali aktivasyon ile geopolimer üretilmesi
Geopolymer production from thermal power plant bottom ashes by alkali activation
Yazar: MEHMET UĞUR TOPRAK
Danışman: PROF. DR. İLKER BEKİR TOPÇU
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2011
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu doktora tezinde, termik santral taban külünün (TK) alkali aktivasyonu ile üretilen geopolimerin dayanım, dayanıklılık ve mikroyapı özelikleri araştırılmıştır. Geopolimer için en uygun alkali çözeltiyi (AÇ) belirlemek amacıyla TK'ya göre ağırlıkça % 8, 12, 16 Na2O ve % 0, 4, 8 ve 12 SiO2 içeren 12 farklı AÇ, TK, kum (K) ve su (S) TK/K/S 1/2/0.5 oranlarında karıştırılarak üretilen ve 20 saat 85 oC'de % 40 bağıl nemde etüvde kür (EK) veya 20 oC'de % 90 bağıl nemde havada kür (HK) uygulanan 4x4x16 cm boyutlarında geopolimer harç (GH) numunelerin 1, 7 ve 28. günlerde birim ağırlık, ultrases geçiş hızı, eğilme ve basınç dayanımları belirlenmiştir.GH'lerin EK ve HK uygulamalarında 1 ve 7 günlük basınç dayanımları değerlendirilerek en uygun K/TK, Su/TK, EK ve ön bekleme süreleri belirlenmiştir. Geopolimer pasta (GP) numunelerinin priz süreleri ve hacim sabitliğinin Na2O ve SiO2 miktarı ile değişimi incelenmiştir. GH'lerin sülfat (ASTM C 1012) ve asit (% 3'lük H2SO4), donma-çözülme (DÇ: TS EN 12091) ve yüksek sıcaklık (YS: 200, 400 ve 800 oC) etkilerine dayanıklılığı 28 günlük GH'lerin ağırlık ve basınç dayanımı değişimleri dikkate alınarak incelenmiştir. Alkali ve kür tipinin, sülfat ve asit, DÇ ve YS gibi ısıl etkilerin geopolimerin mikroyapısına etkileri SEM-EDX analizleri ile araştırılmıştır.TK ağırlıkça % 12 Na2O ve % 8 SiO2 içeren AÇ ile aktive edilerek oda sıcaklığında 25-30 MPa dayanıma sahip GH'ler üretilmiştir. N-A-S-H jellerinin süreksiz ve küçük boşluklar içermeleri, yapılarında C-S-H jelleri gibi su bulunmaması, geopolimerleri çimento bağlayıcılı yapı malzemelerine göre daha hafif ve YS etkilerine daha dayanıklı yapmaktadır. GH'lerde amorf N-A-S-H jellerinin Si/Na atomik oranının 1 civarında olduğu, bu oran 0.5'e yaklaştığında kristal yapıda ve büyük olasılıkla daha gelişmiş bir yapı oluştuğu gözlenmiştir. Si/Na atomik oranı 2'ye yaklaştığında N-A-S-H jeli oluşmadan geopolimerin sertleştiği düşünülmektedir. DÇ etkisi ile GH'lerin Si/Al atomik oranı düşmüş (1.41-2.23), Si/Na atomik oranı yükselmiştir (1.56-1.64). Fırın sıcaklığı 400 oC'den 800 oC'ye çıktığında geopolimer pembeden griye dönmüş, Si/Al ve Si/Na atomik oranları 4.54 ve 0.98 olan amorf ve yoğun bir mikroyapı oluşmuştur.

Abstract:
In this dissertation; strength, durability and microstructure of the geopolymer obtained by alkali activation of thermal power plant bottom ash (CBA) were investigated. The optimum alkaline solution of the geopolymer was determined in terms of 1, 7 and 28 days unit weight, ultrasound pulse velocity, flexural and compressive strength (CS) of 4x4x16 cm geopolymer mortars (GM) produced with alkaline solutions containing 8, 12 and 16% Na2O and 0, 4, 8 and 12% SiO2 by mass of CBA, sand (S), CBA and water (W) in ratios of CBA/S/W :1/2/0.5 and exposed to oven curing (OC: 20 h at 85 oC, % 40 RH) or air curing (AC: 20 oC and 90% RH).The optimum mix composition and curing parameters such as S/CBA and W/CBA, the optimum curing and precuring time were investigated in terms of 1 and 7 day CS of GM. Effect of Na2O and SiO2 content on setting time and volume stability of geopolymer paste (GP) specimens were examined. Durability of GM to sulphate (ASTM C 1012), acid (3% H2SO4), freeze-thaw (FT: TS EN 12091) and high temperature effects (HT: 200, 400 and 800 °C) were investigated considering the mass and strength change of GM. Effect of alkali solution and curing type, durability tests on microstructure of GM were investigated through SEM-EDX analyses.GM with 25-30 MPa CS were manufactured at 20 °C by alkali activation (AS: % 12 Na2O ve % 8 SiO2) of CBA. Unlike C-S-H gels, N-A-S-H gels have no chemically bound water. N-A-S-H gels have discontinuous small pores in microstructure. Thus geopolymers are lighter and more durable to HT than cement. The Si/Na atomic ratio of N-A-S-H gel is close to 1. Geopolymer gel (apparently crystalline) having low Si/Na ratio (0.5) probably corresponds to a more developed stage of N-A-S-H. The reaction taking place in a geopolymer forming paste was completed prior to the N-A-S-H gel formation, as the Si/Na ratio reached to 2. The N-A-S-H gel attained lower Si/Al and higher Si/Na between 1.41-2.23 and 1.56-1.64 after FT. The color of GM changed from pink to grey when the temperature increased from 400 to 800 °C and the N-A-S-H gel became more amorphous attaining Si/Al and Si/Na ratios of 4.54 and 0.98.