Uçucu kül esaslı hafif geopolimer harçların taze ve sertleşmiş özelliklerinin incelenmesi, modellenmesi ve optimizasyonu
Investigating, modelling and optimization of fresh and hardened properties of fly ash based lightweight geopolymer mortars
Yazar: ŞEVİN EKMEN
Danışman: DOÇ. DR. KASIM MERMERDAŞ ; DOÇ. DR. ZEYNEP ALĞIN
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu çalışma, karışım parametrelerinin ve bileşenlerin özelliklerinin hafif geopolimer harçların mühendislik özellikleri üzerindeki etkisinin değerlendirilmesi için kapsamlı bir deneysel çalışma sunmaktadır. Farklı sodyum hidroksit (SH) çözelti molariteleri, sodyum silikat/sodyum hidroksit (SS/SH) alkali çözelti oranları ve toplam alkali/uçucu kül (A/UK) oranları dikkate alınarak harç numuneleri hazırlanmıştır. Taze halde iken, hafif geopolimer harçların reolojisi ve işlenebilirlik özellikleri incelenmiştir. Ayrıca, sertleşmiş harçların mekanik ve durabilite özelliklerini değerlendirmek için birim ağırlık, basınç dayanımı, eğilme dayanımı, ultrases geçiş hızı, su emme, kılcal su emme, rötre (kuruma, otojen) ve termal iletkenlik değerleri incelenmiştir. Kimyasal bileşenlerin ve iç yapı analizinin belirlenmesi için mikro yapı incelemesi gerçekleştirilmiştir. Son aşamada genetik algoritma tabanlı esnek hesaplama yöntemi olan gen ekspresyon programlama (GEP) ve çoklu doğrusal regresyon (ÇDR) kullanılarak istatistiksel analiz ve modelleme işlemleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, deneysel çalışmanın sonuçları dikkate alınarak tepki yüzey metodu (TYM) ile optimizasyon çalışması yapılmıştır. Sonuçlar, SS/SH ve A/UK oranlarının taze harç karışımların reolojik davranışını önemli ölçüde etkilediğini ve taze harçların kayma incelmesi davranışı ile Herschel-Bulkley reolojik modeline iyi uyum sağladığını göstermiştir. Sertleşmiş harçların mekanik özellikleri, oksit bileşimleri ile güçlü bir korelasyon göstermiştir. A/UK, SS/SH oranlarının düşmesi ve sodyum hidroksit molaritesinin artması, basınç dayanımının artmasına rötre değerlerinin ise azalmasına neden olmuştur. Mikroyapısal özelliklerin incelenmesi sonucunda ise, harçların karışım oranlarının ve oksit bileşimlerinin geopolimerizasyon sürecinde büyük önem taşıdığı belirlenmiştir. Yapılan istatistiksel analiz ve modellemelerde GEP modeli kullanılarak ulaşılan veri tahminlerinin ÇDR modeli ile tahmin edilen verilere göre hedeflenen değerlere daha yakın sonuçlar verdiği görülmüştür. TYM kullanılarak gerçekleştirilen optimizasyon çalışması sonucunda ulaşılan optimum A/UK, SS/SH oranları ve SH molarite değeri sırasıyla 0.45, 1.586 ve 14 M olarak bulunmuştur.

Abstract:
This study provides a comprehensive experimental study to evaluate the effect of mixture parameters and properties of components on the engineering properties of lightweight geopolymer mortars. Mortar samples were prepared considering different sodium hydroxide (SH) solution molarities, sodium silicate/sodium hydroxide (SS/SH) alkaline solution ratios and alkaline/fly ash (A/FA) ratios. The rheology and workability properties of fresh lightweight geopolymer mortars were investigated. Besides, unit weight, compressive strength, flexural strength, ultrasound pulse velocity, water absorption, water sorptivity, shrinkage (drying, autogenous), and thermal conductivity values were examined to evaluate the mechanical and durability properties of hardened mortars.  A microstructural investigation was carried out to determine the chemical components and to analyze the internal structure of the geopolymer mortars. In the last stage, statistical analysis and modeling processes were conducted by using gene expression programming (GEP) and multiple linear regression (MLR). Besides, an optimization study with the response surface method (RSM) was carried out considering the results of the experimental study. The results showed that SS/SH and A/FA ratios significantly affect the rheological behavior of fresh mortar mixes and the shear-thinning behavior of fresh mortars well matched to the Herschel-Bulkley rheological model. The mechanical properties of the hardened mortars showed a strong correlation with their oxide composition. The decrease in A/FA ratio, SS/SH ratio, and the increase in SH molarity caused the compressive strength increment and decrease of the shrinkage values. As a result of the investigation of microstructural properties, it has been determined that the mixing ratios and oxide compositions of the mortars have great importance in the geopolymerization process. In the statistical analysis and modeling, it was observed that the data estimations obtained by using the GEP model gave results closer to the targeted values compared to the data estimated with the MLR model. As a result of the optimization study performed using RSM, the optimum A/FA ratio, SS/SH ratio, and SH molarity value were found as 0.45, 1.586, and 14 M, respectively.