Yeni nesil jeopolimer bağlayıcılı lif donatılı kompozitler

Abstract

Günümüzde en çok kullanılan yapı malzemesi beton olmakla birlikte, çimento üretimi önemli ölçüde enerji tüketiminden ve karbon salınımından sorumludur. Ayrıca beton ve çimento üretimi sırasında farklı amaçlarla çok ciddi seviyede kil, kireçtaşı, alçı gibi doğal kaynaklar da yok olmakta, bu nedenle beton ve çimento sektörünün çevreye verdiği zararlar daha da artmaktadır. Bu sebeple, son zamanlarda çevreye duyarlı ve doğal kaynakları asgari seviyede tüketen çalışmalara ilgi oldukça artmıştır. Portland çimentosuna (PÇ) alternatif olarak, jeopolimer olarak adlandırılan camsı alümino-silisli malzemelerin (örn.: uçucu kül, cüruf, ısıl işlem görmüş kil, vb.) yüksek alkali ortamlarda aktive edilmesi ile elde edilen yeni nesil bağlayıcılar, daha düşük enerji gereksinimi duyan ve düşük CO2 salınımlı sürdürülebilir kompozitlerin geliştirilmesinde önemli bir aşama olarak görülmektedir. Geçmişte endüstriyel yan ürün olarak adlandırılan birçok malzeme (örn.: farklı sınıf uçucu küller ve cüruf) jeopolimerizasyon mekanizması için bağlayıcı malzeme olarak başarıyla kullanmıştır. Bu malzemelere ek olarak, jeopolimerizasyon için uygun alternatif çevreci hammaddeler bulunması yönünde yoğun araştırmalar yapılmaya başlanmıştır. Türkiye'de kentsel dönüşümden yaklaşık 6,5 milyonun üzerinde yapının etkileneceği belirtilmektedir. Ortaya çıkacak inşaat yıkıntı atığı (İYA) mevcut durumda dahi oldukça yüksek miktarlara ulaşmış olup, çevresel açıdan çok ciddi bir sorun haline geldiği için İYA'ların geri dönüşümü zorunlu hale gelmiştir. Portland çimentolu sistemlere alternatif olarak jeopolimer bağlayıcılı sistemlerin geliştirilmesinde İYA'ların değerlendirilmesi çimento ve geleneksel beton üretiminden kaynaklı çevresel problemlerin çözümüne katkı sunup sürdürülebilir olmayan doğal malzemelerimizin yok oluşu engellenmiş olacaktır. Sürdürülebilir çevre dostu "yeşil" yapı malzemeleri olarak tanımlanan jeopolimerler, geleneksel betona benzer şekilde doğası gereği gevrek malzemeler olup üstün özellikleri çatlakların varlığında genellikle kötüleşmektedir. Gevrek malzemelerin özellikle büyük yapılarda kullanıldıkları durumlarda çatlak oluşumunun engellenmesi neredeyse imkansızdır. Bu tez çalışmasında, çevresel ve ekonomik olarak büyük sorun teşkil eden ve artan nüfusa oranla giderek büyüyen bir problem olan İYA'nın, jeopolimerizasyon tekniği aracılığıyla geri dönüşümünün sağlanması ve çeşitli liflerin eklenmesiyle şekil değiştirme sertleşmesi ve yük altında çoklu mikro çatlak oluşturma özelliği gösterebilen tasarlanmış jeopolimer bağlayıcılı lif donatılı kompozitlerin (EGC) geliştirilmesi hedeflenmektedir. Bu sayede hem günümüzde önemli çevresel problem teşkil eden İYA en aza indirilecek ve Portland çimentosu kaynaklı sera gazı salınımlarının alternatif bir malzeme geliştirilerek önüne geçilmesi sağlanacak, hem de yük altında sünek özellik göstererek çoklu çatlak oluşturabilme kapasitesi ile ani kırılmaların engellendiği bir tasarım geliştirilecektir. Tez çalışmaları kapsamında, 90 günlük ortam kürünün ardından 27,8-49,6 MPa basınç dayanımına, 8,8-12,8 MPa eğilme dayanımına ve 23,6-48,3 mm orta açıklık deformasyonuna sahip lif donatılı jeopolimer bağlayıcılı kompozit malzemeler geliştirilmiştir. Geliştirilen bu kompozit malzemelerin yük altında oluşturduğu çoklu mikro çatlak parametreleri incelenmiş ve 0,043-0,259 mm aralığında çok sayıda mikro çatlak gözlemlenmiştir.

Although concrete is the most used building material today, cement production is responsible for significant energy consumption and carbon emissions. In addition, during the production of cement and concrete, natural resources such as clay, limestone and gypsum are being exhausted for different purposes, therefore, the detrimental effect on the environment of the concrete and cement industry further increases. Therefore, studies on the use of environmentally friendly materials and researches on minimizing the use of natural materials increased in the last decade. As an alternative to Portland cement (PC), new generation materials which are obtained by alkali activation of aluminous and siliceous materials (such as fly ash, slag, calcined clay, etc.) are becoming more popular in the development of sustainable composites with less energy requirement and less CO2 emission. In the past, many materials called industrial by-products (eg: different class fly ashes and slag) used successfully as binding material for the geopolymerization mechanism. Additionally, intensive researches have been started to find out alternative eco-friendly raw materials suitable for geopolymerization. It is stated that approximately 6.5 million buildings will be affected by urban transformation in Turkey. The construction and demolition waste (CDW) is a serious environmental problem currently and the problem will become more severe in future, which makes the use of CDW mandatory. Its use in the production of geopolymers, its potential for being an alternative to PC and its recycling in the constructions are thought to be the solutions of many problems in the civil engineering field. Geopolymers, defined as sustainable environmentally friendly "green" building materials, are brittle materials by nature, similar to conventional concrete, and their superior properties generally worsen in the presence of cracks. Cracks are almost inevitable in brittle materials, especially in large-scale field applications. In this thesis study, it is aimed to assess the geopolymerization technique in order to recycle CDW, which is a major problem in terms of environment and economy and a growing problem by the increasing population, and develop engineered geopolymer composites (EGC), which can exhibit strain hardening behavior and forming multiple micro cracks under load by the addition of various fibers. In this way, CDW, which is an important environmental problem today, will be minimized and greenhouse gas emissions caused by Portland cement will be prevented by developing an alternative material, and a design that prevents sudden fractures will be developed with the capacity to formation multiple cracks and showing ductile properties under load. Within the scope of thesis studies, fiber-reinforced engineered geopolymer composites with 27.8-49.6 MPa compressive strength, 8.8-12.8 MPa flexural strength and 23.6-48.3 mm mid-span deformation have been developed after 90 days of ambient curing. Multiple micro crack parameters under load were examined and a quite number of micro cracks in the range of 0.043-0.259 mm were observed.