Alkali ile aktive edilmiş harç ve atık çelik tel donatılı betonların (SIFCON) fiziksel, mekanik ve dayanıklılık özelliklerinin araştırılması
A study on the investigation of physical, mechanical and durability properties of alkali activated mortars and waste steel fiber reinforced concretes (SIFCON)
Yazar: SAADET GÖKÇE GÖK
Danışman: DOÇ. ÖZKAN ŞENGÜL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Geleneksel beton üretimi, günden güne büyümekte olan büyük ölçekli bir endüstridir. Çimento üretimi sırasında açığa çıkan yüksek miktarlardaki karbondioksit emisyonu ve üretim için ihtiyaç duyulan büyük enerji ihtiyacı, bu süreci maliyetli, kirletici ve çevreye zararlı hale getirmektedir. Bu durum, uygun işlenebilirlik, dayanım ve dayanıklılık özelliklerine sahip olmanın yanı sıra ekonomik de olan alternatif yapı malzemeleri arayışına ihtiyaç doğurmaktadır. Sürdürülebilir bir beton üretimi için, sürdürülebilirliğin temel ayakları olan çevresel, ekonomik ve sosyal açıdan iyileştirme gerekmektedir. Farklı sanayilerden elde edilen yan ürünlerin veya atık ürünlerin betonda yeniden değerlendirilmesi, söz konusu sürece dikkate değer bir katkı sağlayacaktır. Alkali ile aktifleştirilmiş malzemeler, sürdürülebilir olmaları ve çimento içermeyişleriyle öne çıkan birtakım olumlu özelliklere sahip doğa dostu malzemelerdir. 
Bu araştırmada, atık ya da yan ürünlerin kullanımıyla bir malzeme üretmek amaçlanmış olup öğütülmüş yüksek fırın cürufu; sodyum hidroksit (NaOH) çözeltisi ve sıvı sodyum silikat kullanılarak aktive edilmiştir. Sodyum silikat yerine, silikat kaynağı olarak öğütülmüş atık camın kullanılabilirliği araştırılmıştır. Bu amaçla, sodyum silikat, öğütülmüş atık cam ile ikame edilerek değişen molaritelerde (8-14 M) NaOH içeren harç numuneler üretilmiştir. Alkali ile aktifleştirilmiş harçların mekanik ve dürabilite özellikleri, su kürü, hava kürü ve ısıl işlem (24 saat 60˚C) olmak üzere üç farklı kür koşulunda incelenmiştir. Referans karışımlarda, CEM I 42,5 R Portland çimentosu, su ve standart kum kullanılmıştır. Üretilen numunelerin 3, 7, 28 ve 90 günlük basınç dayanımları ve eğilmede çekme dayanımları ölçülmüştür. Bununla birlikte harçlar üzerinde, sülfat direnci, donma-çözülme, kılcal su emme, toplam su emme miktarının belirlenmesi, hızlı klor geçirimliliği ve elektriksel özdirenç deneyleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın sonunda, atık camın alkali ile aktifleştirilmiş harçlarda alternatif silikat kaynağı olarak kullanılabileceği sonucuna varılmıştır.
Çalışmanın diğer aşamasında alkali ile aktive edilmiş beton üretimi gerçekleştirilmiş ve alkali ile aktifleştirilmiş beton numunelerin geçirimliliğini incelemek amacıyla kılcal su emme, toplam su emme miktarı, hızlı klor geçirimliliği ve elektriksel özdirenç deneyleri gerçekleştirilmiştir. 
Çalışmanın son aşamasında çimento bulamacı emdirilmiş lifli beton üretimi gerçekleştirilmiştir. Burada, Portland çimentosu ile yapılan üretimin yanı sıra, 14 M sodyum hidroksit çözeltisi ve sıvı sodyum silikat, 8 M sodyum hidroksit çözeltisi ve sıvı sodyum silikat, 14 M sodyum hidroksit çözeltisi ve öğütülmüş atık cam, 8 M sodyum hidroksit çözeltisi ve öğütülmüş atık cam aktivatör olarak kullanılarak yüksek fırın cürufu ve ince kum ile üretim gerçekleştirilmiştir. Kullanılmış araç lastiklerinin geri dönüştürülmesiyle elde edilen hurda çelik teller, çelik lif olarak kullanılmıştır. Yanak teli (sürekli lif) ve kırılmış tel (süreksiz lif) olmak üzere iki farklı lif tipinin etkisi incelenmiştir. Çelik tel olarak atık lastiklerin içerisinde bulunan çeliğin seçilmesindeki sebep, bu tellerin yüksek çekme dayanımına sahip olması ve büyük miktarlarda kullanılması gerektiğinde, temininde bir zorlukla karşılaşılmayacak olmasıdır. Kullanılamaz duruma gelen, otomobil ve kamyon/tır lastiklerinin miktarı göz önünde bulundurulduğunda, bu lastikleri depolamak ve bertaraf etmek bir sorun haline gelmektedir. Türkiye'de, bu telleri ayrıştırmada ve malzemenin geri kazanımını sağlamada, piroliz ve geri dönüşüm hizmeti veren çok sayıda firma mevcuttur. Çalışmada, farklı geri dönüşüm firmalarından temin edilen hurda çelik tellere ait boy/çap dağılımları histogram olarak verilmiştir. Üretilen lifli betonlarda fiber hacim oranı %0, 1, 2, 3, 4 ve 5 olarak değişmektedir. Üretimi gerçekleştirilen numunelerde deplasman kontrollü üç noktalı eğilme deneyi yapılmış ve yük-sehim grafikleri elde edilmiş; numunelerin eğilmede çekme, yarmada çekme ve basınç dayanımları belirlenmiş, tokluk ve kırılma enerjisi değerleri hesaplanmıştır. Atık çelik liflerin kullanımı, eğilme dayanımlarını ve toklukları arttırmıştır. Kullanılan atık çelik lifler, uygulamada kullanılan ticari liflere benzer sonuçlar vermiştir.

Abstract:
Conventional concrete production is a large-scale industry growing day by day.  High levels of carbon dioxide emission and energy consumption during cement production make this process pollutant and environmentally hazardous. This phenomenon creates the need of searching for alternative construction materials having appropriate characteristics in workability, strength and durability as well as being economical. Environmental, economic and social improvement, which are the main pillars of sustainability, is required for a sustainable concrete production. Re-evaluation of by-products or waste products from different industries in concrete will make a remarkable contribution to this process. Alkali-activated mortars and concretes are materials with advantageous properties such as being more sustainable and environmentally-friendly thanks to containing no cement. The concept of alkali-activated materials has been known since early 1900s. The early researches about alkali-activated binders were performed with blast furnace slag, which is a by-product of metallurgical industry. The ability to achieve high strengths at early ages by rapid hardening is one of the important properties of alkali-activated materials. Although studies on alkali-activated materials have intensified recently, there has not been any application to replace the Portland cement yet. In alkali-activated materials, there can be problems in workability which cannot be solved with adding chemical admixtures such as plasticizers that work with ordinary Portland cement.
There are various studies with different binders (ground granulated blast furnace slag, fly ash, metakaolin, etc.) and different alkaline solutions (hydroxides, silicates, alkali carbonates, sulfate solutions, etc.) which investigate the properties of the materials produced through alkali-activation. By the substitution of by-products like blast furnace slag and fly ash for traditional cementitious materials, the emissions of greenhouse gases during cement production can be decreased and their environmentally hazardous effects can be eliminated. However, to produce a sustainable construction material, workability, durability and strength characteristics of alkali-activated materials should be investigated thoroughly as well as their cost of production, and the need of the development of standards for these materials become apparent. 
This study differs from others with the aim of re-evaluating waste or by-products to produce a construction material which is more environmentally-friendly and sustainable. The evaluation of waste glass as an alternative activator with investigating the effect of activator concentration and curing condition makes this study different from the existing studies. In this study, the strength and durability properties of alkali-activated mortar were investigated extensively through performing compressive and flexural strength, the capillary suction, total absorption of water, rapid chloride penetration, electrical resistivity, freeze-thaw and sulfate resistance tests. In this research, producing a material by using waste or by-products was aimed, and ground granulated blast furnace slag was activated with sodium hydroxide solution and liquid sodium silicate. The use of ground waste glass as a source of silicate instead of sodium silicate was investigated. For this purpose, mortar specimens with NaOH content in different molarities (8-14 M) were produced by replacing sodium silicate with ground waste glass. Mechanical and durability properties of alkali-activated mortars were examined in three different curing conditions: moist curing entire-time, in laboratory air entire-time, and in laboratory air after 24 hours in 60˚C. Portland cement CEM I 42.5 R, water and standard sand were used in reference samples. The compressive and flexural strengths of the mortar specimens were determined at the ages of 3, 7, 28 and 90 days. Furthermore, the capillary suction, total absorption of water, rapid chloride penetration, electrical resistivity, freeze-thaw and sulfate resistance tests were performed on mortars. The electrical resistivity of alkali-activated slag mortars (AASMs) increased with the use of ground waste glass as an activator. The flexural and compressive strength decreased but the durability properties were enhanced with the use of ground waste glass. The chloride ion penetrability decreased with the use of ground waste glass in alkali-activated slag mortars compared to AASMs produced with sodium silicate. The capillary suction and total absorption of water of AASMs produced with ground waste glass were less than the reference sample produced with Portland cement. Based on the test results, it was concluded that the alkali-activated mortars produced with waste glass as an alkaline activator have a potential on being alternative materials to ordinary Portland cement mortars with their similar mechanical and durability properties.
At the other stage of the study, alkali-activated concrete was produced and experiments were carried out for capillary water absorption, total water absorption, rapid chloride permeability and electrical resistivity in order to examine the durability properties of alkali-activated concrete specimens.
At the last stage of the study, slurry infiltrated fiber reinforced concrete (SIFCON) was produced. Scrap steel obtained by recycling used vehicle tires were used as steel fiber. Since steel fibers used in concrete production, which are used to improve toughness and ductility of concrete, are expensive materials, the use of scrap steel provides a significant cost benefit. The effects of two different fiber types, continuous and discontinuous fibers, were investigated. The reason for choosing the waste steel fibers recovered from tires as steel fiber is that these materials have high tensile strength and it will not be difficult to obtain when used in large quantities. Considering the amount of unused car and truck tires, it becomes a problem to store and dispose of these tires. The recovery of the scrap tires, and the separation of steel fiber and rubber in used tires can be provided by pyrolysis and recycling services, which are available in numerous companies in Turkey. In the study, the length/diameter distributions of scrap steel obtained from different recycling companies were given as histograms. The fiber volume ratio in the slurry infiltrated fiber concretes produced changed as 0, 1, 2, 3, 4 and 5%. Also, the usability of ground glass as a silicate source in activator solutions in production of alkali-activated SIFCONs was investigated. For this purpose, productions were made using both 8 M NaOH and 14 M NaOH. While sodium hydroxide and sodium silicate were used in one group, ground glass was used instead of sodium silicate in the other group. Durability problems such as bleeding and crystallization on the surface were observed in production with 14 M sodium hydroxide and ground waste glass. Three-point bending test was carried out on the specimens produced and load-deflection curves were obtained, the flexural, split tensile and compressive strengths of the specimens were determined, the toughness and fracture energy values were calculated, and compared with those of produced by using Portland cement. The use of waste fibers has increased the flexural strength and toughness. The waste steel fibers used gave similar results to commercially available fibers.