Metakaolin ve cüruf esaslı mermer tozu atığı ikameli geopolimer harçların mekanik özelliklerinin ve yüksek sıcaklık direncinin incelenmesi

Gelişen dünya ve artan nüfus ile beraber yeni yaşam alanları, altyapı ve endüstriyel alanlara da ihtiyaç artmaktadır. Bu ihtiyaçla dünya üzerinde çimento kullanımı da artış göstermektedir. Küresel ısınma günümüzde en önemli sorunlardan bir tanesidir ve çimento üretimi sırasında açığa çıkan CO2 gazı çevreye oldukça zarar vermektedir. İlaveten çimento üretimi için enerji maliyetleri de oldukça yüksektir. Çimento iyi bir dayanıma sahip olmasına rağmen yapılan çalışmalar çimento kullanılarak yapılan betonların kimyasal etkiler ve çevresel koşullara karşı durabilite dayanımının zayıf olduğunu göstermiştir. Artan küresel ekonomi, çevre ve hava kirliliği ile sürdürülebilir uygulamaların yapı sektöründe de kullanılabilmesi amacıyla çevre dostu bir bağlayıcı malzeme ve iyileştirilmiş dayanım şartları ile farklı beton türleri gerekliliği oluşmuştur. CO2 salınımının yanında artan endüstriyel atıklar da çevreyi tehdit etmektedir. Uçucu kül, yüksek fırın cürufu, silis dumanı gibi endüstriyel katı atıklar ve maden atıkları, Metakaolin gibi malzemeler geopolimer endüstrisinin ham maddesini oluştururlar. Hem çevresel koşullar hem de durabilite gereklilikleri doğrultusunda geopolimerler bir alternatif oluşturmuştur. Bu çalışmanın amacı geleneksel betonda kullanılan çimentoya alternatif bağlayıcılar ile hazırlanan daha çevreci, maliyeti düşük ve durabilite dayanımı daha yüksek olan harç üretmektir. Bu çalışmada çimento yerine bağlayıcı olarak metakaolin (MK) ve bağlayıcı malzemenin %47 oranında öğütülmüş yüksek fırın cürufu (ÖYFC) kullanılmıştır. Alkali aktivatör olarak Sodyum Silikat Mod 2 (SS) ve Sodyum Hidroksit (SH) 2/1 oranda kullanılmıştır. Farklı molaritelerde (M) hazırlanan SH çözeltileri ile dört faklı seri hazırlanmıştır. Deneyin devamında üretilen geopolimer harç serilerinde en yüksek mekanik dayanım alınan seride farklı oranlarda mermer tozu, silis kumu ile ikame edilerek kullanılmıştır. Genel olarak üretilen harçların performansını değerlendirmek amacıyla mekanik, fiziksel ve durabilite testleri yapılmıştır. Üretilen numunelerin su emme ve ağırlık kaybı değerleri elde edilmiştir. Basınç ve eğilme dayanımları testleri ve taramalı elektron mikroskobu (TEM) analizi yapılmıştır. Üretilen geopolimer harç numuneler; 300°C, 600°C ve 900°C'lik sıcaklıklara maruz bırakılarak yüksek sıcaklık deneyi yapılmıştır. Yüksek sıcaklık deneylerinin sonunda; ağırlık kaybı oranı, basınç dayanımı ve taramalı elektron mikroskobu (TEM) analizi sonuçları elde edilmiştir. 10 M, 12 M, 14 M ve 16 M olarak hazırlanan serilerde 7 ve 28 günde en yüksek basınç dayanımı elde edilen seri olan 14M ile %20 (20MT), %40 (40MT) ve %60 (60MT) oranda silis kumuna ikame mermer tozu ile üç yeni seri harç hazırlanmıştır. Yapılan çalışma sonucunda harç içerisinde mermer tozu miktarı arttıkça karışımın sıvı ihtiyacının arttığı görülmüştür. Ayrıca mermer tozu miktarı arttıkça numunelerin basınç ve eğilme dayanımlarında düşmeler olduğu görülmektedir. Bu anlamda son hazırlanan seride en düşük basınç ve eğilme dayanımı 60MT karışım numunelerinde elde edilmiştir. Yüksek sıcaklık deneyi sonucunda %20 mermer tozu atığı içeren harçların, sadece silis kumu ile hazırlanan geopolimer numunelere kıyasla formunu daha iyi koruduğu, ağırlık kaybının daha az olduğu görülmüştür. Yüksek sıcaklık deneyi sonrası yapılan basınç mukavemeti tayininde en yüksek sonuçlar %20 mermer tozu atığı içeren geopolimer numunelerden elde edilmiştir. 14M ve 20MT geopolimer harç numuneleri üzerinde yüksek sıcaklık öncesi ve sonrası TEM analizi kontrolü yapılmıştır. Sonuç olarak, %20 mermer tozu atığı içeriğinin bağlayıcı matrisin yoğunluğunu artırdığı görülmüştür. Bu durum çevresel sürdürülebilirlik açısından pozitif bir katkı sağlamıştır. Çalışma sonucunda geopolimer harçlara belirli oranda ikame edilerek kullanılan mermer tozu atığı dolgu malzemesinin numunelerin mekanik, fiziksel ve durabilite dayanımlarını iyileştirdiği görülmüştür.

With the developing world and increasing population, the need for new living spaces, infrastructure and industrial areas is increasing. With this need, the use of cement in the world is also increasing. Global warming is one of the most important problems today and CO2 gas released during cement production is very damaging to the environment. In addition, energy costs for cement production are quite high. Although cement has a good strength, studies have shown that concretes made using cement have poor durability resistance against chemical effects and environmental conditions. With the increasing global economy, environmental and air pollution, different types of concrete with an environmentally friendly binding material and improved strength conditions have become necessary in order to use sustainable practices in the construction sector. In addition to CO2 emissions, increasing industrial wastes also threaten the environment. Industrial solid wastes such as fly ash, blast furnace slag, silica fume, mine wastes and materials such as metakaolin constitute the raw material of the geopolymer industry. In line with both environmental conditions and durability requirements, geopolymers have created an alternative. The aim of this study is to produce more environmentally friendly, low cost and higher durability mortar prepared with alternative binders to cement used in traditional concrete. In this study, metakaolin (MK) was used as a binder instead of cement and 47% of the binder material is ground blast furnace slag (FFS). Sodium Silicate Mod 2 (SS) and Sodium Hydroxide (SH) are used as alkaline activators in 2/1 ratio. Four different series are prepared with SH solutions prepared at different molarities (M). In the geopolymer mortar series produced in the continuation of the experiment, marble powder is substituted with silica sand at different ratios in the series with the highest mechanical strength. Mechanical, physical and durability tests were carried out to evaluate the performance of mortars produced in general. Water absorption and weight loss values of the produced samples are obtained. Compressive and flexural strength tests and scanning electron microscopy (SEM) analysis are performed. The produced geopolymer mortar samples were exposed to temperatures of 300°C, 600°C, and 900°C and high temperature tests are performed. At the end of high temperature tests, weight loss rate, compressive strength and scanning electron microscopy (SEM) analysis results are obtained. In the series prepared as 10M, 12M, 14M and 16M, three new series of mortars were prepared with 20% (20MT), 40% (40MT) and 60% (60MT) of marble dust substituted to silica sand with 14M, the series with the highest compressive strength obtained on the 7 and 28th day. As a result of the study, it is observed that the liquid requirement of the mixture increased as the amount of marble powder in the mortar increased. In addition, it is observed that the compressive and flexural strengths of the specimens decreased as the amount of marble powder increased. In this sense, the lowest compressive and flexural strength is obtained in 60MT mixture specimens in the last prepared series. As a result of the high temperature test, it is observed that the mortars containing 20% marble dust waste retained their form better and weight loss is less compared to the geopolymer samples prepared with silica sand only. In the compressive strength determination after high temperature test, the highest results were obtained from geopolymer samples containing 20% marble dust waste. SEM analysis control is performed on 14M and 20MT geopolymer mortar samples before and after high temperature. As a result, it was observed that 20% marble dust waste content increased the density of the binder matrix. This made a positive contribution in terms of environmental sustainability. As a result of the study, it is observed that the marble dust waste filler material used by substituting geopolymer mortars at a certain rate improved the mechanical, physical and durability strengths of the samples.