Geopolimer bağlayıcılı liflevha geliştirilmesi ve bazı değişkenlerin levha özellikleri üzerine etkisinin incelenmesi
Development of fibreboard with geopolymer binder and investigation of the effect of some variables on board properties
Yazar: ŞEBNEM SEVİL ARPACI
Danışman: PROF. DR. ERGÜN GÜNTEKİN
Bursa Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Orman Endüstri Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Ağaç İşleri = Wood Products ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Son yıllarda çimentonun neden olduğu sera gazı emisyonunun azaltılmasına yönelik pek çok araştırma yapılmaktadır. Yapılan çalışmaların sonucunda düşük CO2 emisyonu, yüksek mekanik ve dayanıklılık özellikleri nedeniyle, üçüncü nesil çimento olarak kabul edilen geopolimerler, Portland çimentolarına (PC) alternatif olarak kullanılabilecek çevre dostu bir ürün olarak görülmektedir.
Bu tez çalışmasında, yapı endüstrisinde kullanılabilecek geopolimer bağlayıcılı liflevhaların (GBL) geliştirilmesi amaçlanmaktadır. İki bölümden oluşan çalışmada, 1. bölümde cam lifi, kenevir lifi ve life ön işlem (%1 NaOH, sıcak su) uygulanarak üretilen çimentolu liflevhalar üretilmiştir. Üretilen çimentolu lif levhalarda 1,3 g/cm3 hedef yoğunluk belirlenmiştir. 1/4 odun lifi-çimento oranı ve odun-çimento uyumsuzluğunun giderilmesi amacıyla %5 CaCl2 kullanarak, 350 mm x 300 mm x 10 mm boyutlarında tek tabakalı çimentolu liflevhalar üretilmiştir. 42,5 CEM II çimento tipi ve %100 çam lifi ile üretilen levhalar 2-3 N/mm2 basınç altında 24 saat kürlendikten sonra 28 gün süreyle % 65 rutubet ve 21 °C sıcaklıkta bekletilerek kondisyonlanmıştır. Üretilen levhalardan standartlarda belirtilen ölçülerde test örnekleri hazırlanarak, yoğunluk, 24 saatteki su alma miktarı (SA) ve kalınlığına şişme (KŞ), eğilme direnci (ED), eğilmede elastikiyet modülü (EM) ve iç yapışma direnci (İYD) belirlenmiştir. Örnekler üzerinde ayrıca Fouirer Transform Infrared Spektrofotometre (FTIR), X-ray Fluorescence (XRF), X-ray Diffraction (XRD) ve Scanning Electron Microscobe (SEM) analizleri yapılmıştır.
2. bölümde çimento yerine bağlayıcı olarak 2.5:1 oranında sodyum silikat ve 12 M sodyum hidroksitten oluşan alkali aktivatör karışımı, metakaolin (MK) ve uçucu kül (UK) karışımı ile geopolimer sentezlenmiştir. Ardından optimum lif oranı belirlenmesi için %20, 10 ve 5 oranında lif ilavesi ile geopolimer bağlayıcılı lif levhalar (GBL) üretilmiştir. %5 Lif oranı belirlendikten sonra optimum kürleme için üretilen levhalar 100 ºC 6 saat, 60 ºC 24 saat ve 28 gün oda koşullarında bekletilmiştir.  %5 odun lifi ve 60 ºC kürleme sıcaklığının belirlenmesinin ardından, 350 mm x 300 mm x10 mm boyutlarında kalıpta, çimentolu liflevha üretimi ile aynı prosedürde levhaların tamamı üretilmiştir.
3. bölümde geopolimer sentezi yüksek fırın cürufu (YFC) kullanılarak yapılmıştır. Sodyum hidroksit ve silikat oranları, sodyum hidroksit molaritesi, lif oranı belirlenmesi 2. Bölümde oluşturulan çalışma deseni ile yapılmıştır. Kürleme 40 ºC 6 saat ve 25 ºC 24 saat olarak yapılmıştır. Optimum kürleme 40 ºC belirlenmiştir. Levhalar 1. Ve 2. bölümde belirtilen boyutlarda üretilmiştir.
1., 2. Ve 3. bölümde üretilen tüm kompozit malzemelere, matris içindeki lif miktarının %3, 6 ve 9 oranında cam lifi ve kenevir lifi eklenmiş, ve levha özelliklerine etkisi incelenmiştir. 
Çalışmada, gruplar arası yoğunluk değerleri hedef yoğunluğa (1,3 g/cm3) yaklaşık değer bulunmuştur. En yüksek yoğunluk değeri ÇBL örneklerindedir. Sırasıyla YFC ve UK ile sentezlenen GBL örnekleri gelmektedir. Eğilme direnci bulguları arşılaştırıldığında, her bir levha için standart karşılanmıştır (ortalama ÇBL 9 N/mm2, GBL (UK) 7 - 9 N/mm2 ,GBL (YFC) 8 - 9 N/mm2). En yüksek elastikiyet modülü yüksek fırın cürufu ile sentezlenen GBL örneklerden elde edilmiştir (ortalama 5315 N/mm2). Her bir levhanın İYD sonuçları standartı karşılamaktadır. Her bir gruptan elde edilen levhaların hidrofobik özllikte olduğu, TGA sonuçları değerlendirildiğinde malzemenin termal kararlığının olduğu bulunmuştur. Isıl iletkenlik değerleri tüm gruplarda standartı karşılamaktadır.
Elde edilen verilerde (fiziksel ve mekanik özellikler) istatistiksel olarak anlamlı bir fark olup olmadığını bulmak için ANOVA testi yapılmıştır. ANOVA testi IBM SPSS Statistics programında General Linear Model opsiyonu içerisinde yer alan Univariate analizi ile yapılmıştır.

Abstract:
In recent years, studies have been conducted to reduce greenhouse gas emissions caused by cement. As a result of these studies, geopolymers, considered the third generation of cement due to their low CO2 emissions and high mechanical and durability properties, are seen as an environmentally friendly alternative to Portland cements (PC).
In this thesis, it is aimed to develop geopolymer binder fibreboards (GBLs) that can be used in the construction industry. In the study consisting of two parts, cementitious fibreboards produced by applying glass fibre, hemp fibre and life pretreatment (1% NaOH, hot water) were produced in part 1. A target density of 1.3 g/cm3 was determined for the cementitious wood composites produced. Single layer cementitious fibreboards with dimensions of 350 mm x 300 mm x 10 mm were produced by using 1/4 wood fibre-cement ratio and 5% CaCl2 to eliminate wood-cement N/mm2. The boards produced with 42.5% CEM II cement type and 100% pine fibre were cured under 2-3 N/mm2 pressure for 24 hours and then conditioned by keeping them at 65% humidity and 21 °C for 28 days. Test samples were prepared from the produced boards in the dimensions specified in the standards and density, water absorption amount and thickness increase in 24 hours, bending resistance, modulus of elasticity in bending and adhesion resistance were determined. Fouirer Transform Infrared Spectrophotometer (FT-IR), X-ray Fluorescence (XRF), X-ray Diffraction (XRD) and Scanning Electron Microscope (SEM) analyses were also performed on the samples.
In the second section, a geopolymer was synthesized using a binder consisting of an alkali activator mixture of sodium silicate in a 2.5:1 ratio and 12 M sodium hydroxide, combined with a mixture of metakaolin (MK) and fly ash (FA). Subsequently, geopolymer binder-based fiber boards (GBL) were produced by adding fibers in proportions of 20%, 10%, and 5% to determine the optimum fiber ratio. After determining that 5% fiber was optimal, the produced boards were cured under optimum conditions: at 100 ºC for 6 hours, at 60 ºC for 24 hours, and then left at room temperature for 28 days. Following the determination of 5% wood fiber and the curing temperature of 60 ºC, all boards were produced in a mold measuring 350 mm x 300 mm x 10 mm, following the same procedure as for cement-based fiberboard production.
In the third section, the geopolymer synthesis was carried out using blast furnace slag (BFS). The ratios of sodium hydroxide and silicate, the molarity of sodium hydroxide, and the determination of fiber ratio were conducted using the experimental design established in Section 2. Curing was performed at 40 ºC for 6 hours and at 25 ºC for 24 hours, with the optimum curing temperature determined to be 40 ºC. The boards were produced in the dimensions specified in Sections 1 and 2.
In all composite materials produced in Sections 1, 2, and 3, glass fiber and hemp fiber were added in amounts of 3%, 6%, and 9% of the fiber content in the matrix, and their effects on the properties of the boards were investigated.
In the studies, physical and mechanical properties were calculated using five samples. The inter-group density values were found to be close to the target density (1.3 g/cm³). The highest density value was observed in the cement-bonded fiber board (CBB) samples, followed by the geopolymer binder-based fiber board (GBL) samples synthesized with blast furnace slag (BFS) and fly ash (FA). When the bending strength findings were compared, each board met the standard (average CBB 9 N/mm², GBL (FA) 7-9 N/mm², GBL (BFS) 8-9 N/mm²). The highest modulus of elasticity was obtained from the GBL samples synthesized with blast furnace slag (average 5315 N/mm²). The results of the water absorption tests for each board met the standard. The boards obtained from each group exhibited hydrophobic properties, and when the TGA results were evaluated, it was found that the material had thermal stability. The thermal conductivity values met the standard across all groups.
To determine whether there is a statistically significant difference in the obtained data (physical and mechanical properties), an ANOVA test was conducted. The ANOVA test was performed using the Univariate analysis option within the General Linear Model in IBM SPSS Statistics software.