Kolemanit atığı ve silis dumanı katkılı metakaolin tabanlı geopolimer harcın mekanik ve durabilite özelliklerinin incelenmesi
Investigation of colemanite waste and silica fume on the mechanical and durability properties of metakaolin based geopolymer mortar
Yazar: YURDAKUL AYGÖRMEZ
Danışman: DOÇ. DR. ORHAN CANPOLAT
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Günümüzde inşaat sektöründe en çok kullanılan bağlayıcı malzeme çimentodur. Fakat üretimde kullanılan enerji, ekonomik ve çevresel problemleri de ortaya çıkarmıştır. Dünyada oluşan toplam CO2 salınımının ortalama %7'sinin çimento üretiminden kaynaklandığı bilinmektedir. Bu yüzden Portland çimentosuna alternatif bağlayıcı üretmek güncel araştırma konuları arasında yer almaktadır.
Geopolimer, geleneksel Portland çimentosuna alternatif olan ve çok az CO2 salınımı yapan yeni nesil yapı malzemesidir. Geopolimerler kimyasal reaksiyonlarda CO2 açığa çıkarmazlar ve üretim tekniklerinden dolayı geleneksel Portland çimentolarına göre, enerji olarak daha tasarruflu ve çevre dostu oldukları bilinmektedir. Geopolimer çimentoların üretiminde kullanılan toplam enerji, geleneksel Portland çimentosu üretiminde kullanılan enerjiye göre yaklaşık %40 daha az olmaktadır.
Bu çalışmada, metakaolin kısmi olarak silis dumanı ve kolemanit ile %40 oranına kadar ikame edilmiş ve bu malzemelerin, elde edilen geopolimer kompozitlerin davranışına etkisi, mekanik ve durabilite özellikleri açısından incelenmiştir. İlk adım olarak, birim hacim ağırlık, ağırlıkça su emme ve boşluk oranı değerleri araştırılmış, daha sonra polipropilen lifli ve lifsiz numunelerin basınç ve eğilme davranışı, aşınma direnci ve ultrases geçiş hızı deneyleri ile bir karşılaştırma yapılmıştır. Genel olarak, sonuçlar, ikame malzemelerinin faydalı olduğunu kanıtlamıştır. Karşılaştırma amacıyla CEM I 42.5R çimentosundan üretilen numuneler kullanılmıştır.
Genel olarak, tüm numunelerde basınç ve eğilme dayanımı açısından önemli bir iyileşme sağlanmıştır, örneğin, 28 günlük sonuçlarda %100 metakaolin tabanlı geopolimer numuneler ile karşılaştırıldığında %10 kolemanit ve %20 silis dumanı katkılı numunelerde basınç dayanımı davranışında sırasıyla %2.02 ve %11.48'lik bir artış görülürken eğilme dayanımındaki artış ise %14.61 ve %29.44 olmuştur. Polipropilen lif takviyeli numuneler ile ilgili olarak, eğilme dayanımında önemli bir iyileşme görülmüş, fakat basınç dayanımında önemli bir artış elde edilmemiştir. Polipropilen liflerin eklenmesi genellikle, numunelerin eğilme dayanımının ve aşınma direncinin geliştirilmesine yardımcı olmuştur.
Geopolimer harçların mekanik özelliklerinin yanı sıra dayanıklılık özellikleri de araştırılmıştır. Bu kapsamda %100 metakaolin geopolimer numuneleri ile beraber %20 oranına kadar silis dumanı ve kolemanit katkılı numunelerde durabilite deneyleri yapılmıştır.
Bu çalışmada 56 döngüden oluşan donma-çözülme deneyi uygulanmıştır. Donma çözülme deneyinde numuneler hava sürükleyicili ve sürükleyicisiz olmak üzere iki şekilde üretilmiştir. Geopolimer karışımlarının donma çözülme etkisinde dayanım sonuçlarında azalma yerine bir artış oluşmuştur, bu durum esas olarak geopolimerik matrisin kompakt olması, donma ve çözülme etkisine karşı dirençli hale getiren iyi bir adezyon derecesine sahip olması ile ilgilidir. Buna ek olarak, donma-çözülme döngüleri sayesinde matrisin bir ilerleme süreci oluşur. Hava sürükleyici katkı, geopolimer numunenin iç yapısı gereği kompakt olmasından dolayı Portland çimentolarına göre daha az etki yapmıştır.
Geopolimer harç numunelerine 300oC, 600oC, 900oC sıcaklıklar uygulanmıştır. Yüksek sıcaklık deneyleri için polipropilen lifli ve lifsiz numuneler üretilmiştir. Deneylerin sonunda ağırlık kaybı, basınç ve eğilme dayanımı ve ultrases geçiş hızı sonuçlarına bakılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre yüksek sıcaklıklarda geopolimer harçlar Portland çimentosu harçlarından daha iyi sonuç vermiştir. 900oC'de bile metakolin tabanlı geopolimer numuneler daha kararlı yapı göstermiştir. Lif takviyeli numunelerde lifsiz numunelere göre yüksek sıcaklık etkisinde basınç dayanımı sonuçlarında hafif bir düşüş görülürken eğilme dayanımı sonuçlarında artış görülmüştür.
%10 sülfürik ve hidroklorik asit, magnezyum ve sodyum sülfat, sodyum klorür çözeltilerinde numuneler 3, 6 ve 12 ay bekletilmiş olup ağırlık değişimi, basınç ve eğilme dayanımı ve ultrases geçiş hızı sonuçlarına bakılmıştır. Geopolimer numunelerde asit etkisi sonucu dayanımda önemli bir azalma görülmüştür. Fakat 1 yıllık süre sonunda geopolimer numuneler yapısını korurken Portland çimentosu numuneleri 3 ay sonra dağılmıştır. Sülfürik asit hidroklorik asitten daha güçlü olduğundan daha fazla dayanım kaybı oluşturmuştur. Geopolimer numuneler, magnezyum sülfat, sodyum sülfat ve sodyum klorür etkilerine maruz bırakıldığında 3 aylık sürede dayanımda artış görülürken 6 aydan itibaren azalmalar görülmüştür. Bu durum bu çözeltilerin, 3 aylık sürede numunenin içyapısına girerek geopolimerizasyon sürecinin devamına katkı sağlamasından kaynaklanmaktadır, devam eden süreçte mikro çatlakların oluşması ile dayanımda azalmalar görülmeye başlamıştır.
Taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve XRD analizleri ile birlikte mikroyapısal analiz genel olarak iyi bir geopolimerizasyon bağı, matrisin sahip olduğu kabul görmüş bir kompaktlığı ve geopolimerik sistem içinde uyumlu bir şekilde davranan malzemeleri göstermiştir.

Abstract:
Today, cement is the most used binder material in the construction industry. But the energy used in the cement consumption also reveals economic and environmental problems. It is known that an average of 7% of the total CO2 emissions in the world originate from cement production. Therefore, producing alternative cements for Portland cement is among the current research topics.
Geopolymer is a new generation construction material which is an alternative to traditional Portland cement and emits very little CO2. Geopolymers do not reveal CO2 in the chemical reactions and are known to be more energy-efficient and environmentally friendly than traditional Portland cements due to their production techniques. The total energy used in the production of geopolymer cements is approximately 40% less than the energy used in traditional Portland cement production.
In this study, metakaolin was partially replaced up to 40% with silica fume and colemanite, and the effect of these materials on the behavior of the obtained geopolymer composites was investigated in terms of mechanical and durability properties. As a first step, unit weight, water absorption and void ratio values were investigated and then an experimental comparison was made with the compression and bending behavior, abrasion resistance and ultrasound velocity tests of polypropylene fiber and non-fibre samples. In general, the results have proven that substitute materials are useful. For comparison purposes, samples produced from CEM I 42.5R cement were used.
In general, a significant improvement in terms of compression and bending strength has been achieved in all samples, for example, in 28-day results, compressive strength increase in the samples with 10% colemanite and 20% silica fume compared to 100% metakaolin based geopolymer samples was 2.02% and 11.48% while the increase in flexural strength was 14.61% and 29.44%. With respect to polypropylene fiber reinforced samples, a significant improvement in flexural strength was observed, but no significant increase in compressive strength was achieved. The addition of polypropylene fibers has often helped to improve the flexural strength and abrasion resistance of the samples.
In addition to the mechanical properties of geopolymer mortars, durability properties were investigated. In this context, durability tests were carried out on samples with 100% metakaolin geopolymer and up to 20% silica fume and colemanite blended samples.
In this study, the freezing-thawing test consisting of 56 cycles was applied. In the freezing thawing test, samples were produced in two forms, with and without air entraining agent. In the freezing-thawing effect of the geopolymer blends, there was an increase rather than a reduction in the strength results, which is mainly due to the fact that the geopolymeric matrix is compact and has a good adhesion which makes it resistant to freezing and thawing effects. In addition, a progression process of the matrix occurs through freezing-thawing cycles. The air entraining agent impacted less than Portland cements due to the compact nature of the geopolymer sample's internal structure.
300oC, 600oC, 900oC temperatures were applied to geopolymer mortar samples. Polypropylene fiber and non-fibre samples were produced for high temperature tests. As a result of the tests, the results of weight loss, compressive and flexural strength and ultrasound velocity were analyzed. According to the results, geopolymer mortars at high temperatures were better than Portland cement mortars. Even at 900oC, metakaolin-based geopolymer samples have shown a more stable structure. A slight decrease in compressive strength was observed in fibre reinforced samples while an increase in flexural strength was observed.
In 10% sulfuric and hydrochloric acid, magnesium and sodium sulphate, sodium chloride solutions, the samples were kept for 3, 6 and 12 months and the results of weight change, compressive and flexural strength and ultrasound velocity were evaluated. In geopolymer samples, a significant decrease in strength was observed as a result of acid effect. But at the end of 1 year, while geopolymer specimens preserved their structure, Portland cement samples were dispersed after 3 months. Sulfuric acid is stronger than hydrochloric acid, resulting in more strength loss. When geopolymer samples were exposed to magnesium sulphate, sodium sulphate and sodium chloride effects, there was an increase in strength during 3 months and a decrease from 6 months. This is due to the fact that these solutions have contributed to the continuation of the geopolymerization process by entering the internal structure of the sample within 3 months. During the ongoing process micro cracks have started to occur and decrease in strength has begun to appear.
Microstructural analysis with scanning electron microscopy (SEM) and XRD analyses generally showed a good geopolymerization bonding, a well-accepted compactness of the matrix, and materials that behave in harmony within the geopolymer system.