Alkali ile Aktifleştirmenin Önemi

Çeşitli doğal ve teknojenik alüminosilikat malzemelerden, düşük sıcaklıkta, Portland çimentosuyla karşılaştırılabilir özellikleri olan çimento üretimi için bir yaklaşım olan alkali ile aktivasyon, teorik araştırma ve uygulamaya yönelik geliştirme açısından artan bir ilgi görmektedir (Provis ve Van Deventer 2014; Pacheco-Torgal ve diğ, 2014). Bu alandaki ilerleme ham madde tabanının sürekli genişlemesinden, aynı zamanda geniş bir yelpazede doğal ve atık alüminosilikat malzemelerinin kullanım

olasılığından kaynaklanmıştır (Mehta ve Siddique, 2016; Yun-Ming ve diğ, 2016; Provis ve Bernal, 2014). Alkali ile aktifleştirilmiş malzemelerin performansını arttırmak için yapılan çalışmalar, çeşitli mineral ve kimyasal katkıların ilavesi, farklı liflerin kullanımı üzerine yapılan araştırmalarla günden güne gelişmektedir (Sa Ribeiro ve diğ, 2017; Bernal ve diğ, 2016; Rashad, 2014; Rakhimova ve Rakhimov, 2014; Rashad, 2013).

Portland çimentosu ve kalsiyum sülfoalüminat bağlayıcı kimyasıyla karşılaştırmalar ve alkali ile aktifleştirilmiş malzemelerin farklı alt kümelerinin sınıflandırılması Şekil 1.1’de verilmiştir. Burada, renk tonlaması, yaklaşık alkali içeriğini belirtmektedir, daha koyu tonlama, daha yüksek sodyum ve/veya potasyum konsantrasyonlarına karşılık gelmektedir (Van Deventer ve diğ, 2010).

Şekil 1.1 : Alkali ile aktifleştirilmiş malzemeler (Van Deventer ve diğ, 2010). Hem Portland klinker esaslı, hem de geleneksel olmayan bağlayıcıların geliştirilmesi üzerine son çalışmalar; tekli, çiftli veya üçlü bileşenli, mineral harmanlama ve/veya modifiye edici katkıların birlikte kullanımı konularında yoğunlaşmaktadır. Karışık çimentoların araştırılması ve geliştirilmesi; ekonomik/ekolojik performansı kontrol etmenin, reaksiyon ürünlerinin birleşiminin, yapısının, teknolojik, fiziko-teknik özelliklerinin ve dayanıklılığının tasarlanması ile uyarlanmasının en etkili yollarından biridir (Scrivener ve diğ, 2018; Cheung ve diğ, 2018; Brylewska ve diğ, 2018; Papa ve diğ, 2018; Clausi ve diğ, 2018; Rakhimov ve diğ, 2017; Ludwig, 2015; Lothenbach ve diğ, 2011). Alkali ile aktifleştirilmiş malzemelerin yapısı,

özellikleri ve mikro yapıları üzerine araştırmalar devam etmektedir (Rakhimova ve Rakhimov, 2019; Rakhimova, 2015).

Kalsiyum içeriği yüksek olan cüruf gibi ham maddelerle üretilen alkali aktifleştirilmiş alüminosilikat malzemelerde, ana reaksiyon ürünü olarak kalsiyum alüminosilikat hidrat (C-A-S-H) jeli oluşur. Bu yapı, çimento hidratasyon ürünü tobermorit (C-S-H) jeli ile benzerlik göstermektedir ancak Portland çimentosu hidratasyon ürününden daha düşük CaO/SiO2 oranına sahiptir ve iç yapıları açısından farklar taşımaktadır (Torres-Carrasco ve Puertas, 2017a). Burada, reaksiyonun yan ürünü olarak yüksek MgO içeriğine sahip hidrotalsit; zeolit, yüksek Al2O3, düşük (%5’ten az) MgO içeren gismondin oluşur (Haha ve diğ, 2011; Bernal ve diğ, 2010; Bernal ve diğ, 2011). Kalsiyum içeriği yüksek olan cüruf gibi ham maddelerle üretilen alkali aktifleştirilmiş alüminosilikat malzemelerde, üç boyutlu polimer yapı oluşmamaktadır. Bu malzemelerde çelik ile oluşan adhezyon, Portland çimentosu ile çelik arasındaki adhezyondan kuvvetlidir. Hızlı priz, rötre, çatlama gibi problemler görülebilmektedir, rötre çatlaklarını önlemek için su kürü uygulanması gerekir, bu malzemeler su içinde kendi kendini iyileştirebilmektedir (Šimonová ve diğ, 2019). Bu malzemelerde, oda sıcaklığında kristal yapı yıllarca gözlenmeyebilir, yüksek sıcaklıkta C-S-H kristalinitesi artar (Shi ve diğ, 2003). Sodyum hidroksit ile aktive edilenlerde, silikat ile aktive edilene kıyasla daha fazla kristalinite gözlenir. pH değerleri 13,8-14 arasında değişebilmektedir. Sülfat direnci, asit direnci, alkali-silika reaksiyonu ve yüksek sıcaklığa dayanıklılık konularında dürabilite performansları iyidir (Shi ve diğ, 2003). Bu malzemelerin dayanımları geopolimerlerden iyi olmakla birlikte, dürabilite özelliklerinin geopolimerlerden kötü olduğuna ilişkin çalışmalar mevcuttur (Torres-Carrasco ve Puertas, 2017a).

Geopolimerler, metakaolin, uçucu kül gibi düşük Ca içeriğine sahip ham maddeler kullanılarak sentezlenir. Silis ve alüminyum tetrahedronları, rastgele, bir polimerik zincir üzerinde dizilir ve inorganik mineral polimer üzerinde dağılarak üç boyutlu bir yapı oluşturur. Geopolimerler, asit ile de sentezlenebilir ancak bu, daha pahalı bir uygulamadır ve tıp, diş hekimliği gibi özel alanlarda uygulama bulmaktadır. Geopolimerlerde 160 MPa’a varan yüksek basınç dayanımları elde edilebilmektedir. Uzun kür süreleriyle, silis açısından zengin yapı sayesinde iyileşen özellikler elde edilir. Yüksek sıcaklıkta uygulanan kür olumlu etkiler oluştururken, su kürü dayanımlarda kayıp gerçekleşmesine neden olabilmektedir. Çelik ile adhezyon,

oluşan kovalent bağlar nedeniyle çok kuvvetlidir, kullanılan malzemenin Portland çimentosundan çok daha ince, reaktif ve yapışkan olmasının da bu konuda etkisi bulunmaktadır. Geopolimerlerde, çeşitli alkalilerle (potasyum/sodyum silikat/hidroksit) gerçekleşen sıralı reaksiyon, üç adımda meydana gelir: yıkım-koagülasyon, koagülasyon-kondenzasyon, kondenzasyon-kristalizasyon. Burada, ana reaksiyon ürünü N-A-S-H jeli veya (Mn-(SiO2)-(AlO2)n·wH2O) olarak da bilinen amorf bir alkali alüminosilikat hidrattır (Palomo ve diğ, 2005). İkincil reaksiyon ürünleri hidroksisodalit, zeolit P, Na-çabazit, zeolit Y ve fojasit gibi zeolitlerdir (Duxson ve diğ, 2007). Elde edilen ürünün reaksiyonu, yapısı ve özellikleri; alüminosilikat kaynağının doğası ve bileşimi, alkali aktivatörün tipi ve konsantrasyonu, kür koşulları dâhil olmak üzere birden fazla faktör tarafından kontrol edilir (Provis ve Van Deventer, 2014; Pacheco-Torgal ve diğ, 2014; Tennakoon ve diğ, 2014; Rovnanik, 2010; Duxson ve Provis, 2008). Bu malzemede karşılaşılabilecek sorunlar; kaolin kilinin azlığı nedeniyle ham madde kıtlığı, yüksek alkalinite ihtiyacı, yüksek incelik ve yüksek özgül yüzey alanı gerekliliği, buna bağlı olarak fazla su ihtiyacı, fazla rötre oluşumu ve çatlamadır (Lloyd, 2009). Alkali ile sentezlenen geopolimerlerde pH, 13,2-13,4 arasındadır. Geopolimer ile alkali aktifleştirilmiş malzeme ayrımını yapabilmek için oluşan C-S-H miktarının seviyesi önemlidir (Torres-Carrasco ve Puertas, 2017a).

Literatürde SIFCON üretimi ve geopolimerleşme mekanizması üzerinde araştırmaların yoğunlaştığı konular olmasına rağmen, bu iki sürecin bir arada kullanıldığı bir çalışma, tamamen atıklardan oluşan ve çimento kullanılmayan bir beton üretimi sağlamasıyla, atıkların yeniden değerlendirilmesine olanak tanıyarak daha sürdürülebilir bir yapı malzemesi üretimine katkı sağlama açısından bir yenilik olmuştur. Yapılan çalışmayla her iki yöntemin de kendine özgü avantajlarından faydalanılmıştır. Yapılan çalışmayla, tamamen atık malzemeleri kullanarak sürdürülebilir bir yapı malzemesi geliştirilmesi, çalışmanın odak noktasını oluşturmaktadır. Bunun çevresel anlamda katkı getireceği, atık malzemelerin taşınması, depolanması ve bertaraf edilmesi için gerekli olan enerji ve maliyetten kazanım sağlanarak bu malzemelerin bir yapı malzemesi üretiminde yeniden değerlendirilmesine olanak sağlayacağı; bu şekilde gerek çimento üretimi için gereken yüksek enerji ihtiyacında gerekse bu süreçte açığa çıkan sera gazı emisyonlarında azalma sağlanarak ekolojik ve ekonomik anlamda katkı

yaratılabileceği düşünülmektedir. 2004 yılı itibarıyla, sadece Avrupa Birliği ülkelerinde, kullanılmış araç lastiklerinden geri kazanılan yüksek kaliteli çelik liflerin 500.000 tondan fazla olduğu göz önünde bulundurulursa, bu çelik liflerin betonda tel donatı olarak kullanımın, uygulama potansiyeli olduğu açıktır (Pilakoutas ve diğ, 2004). Lastiklerden geri dönüştürülmüş çelik tellerle beton üretimi gerçekleştirildiğinde, yaklaşık olarak aynı mukavemete veya tokluğa sahip bir beton elde etmek için kullanılan lif miktarı, endüstriyel çelik lifler ile üretilen betonda kullanılandan yaklaşık %1-2 daha fazla olmalıdır (Zhang ve Gao, 2020). Tez çalışmasında elde edilen sonuçlardan, atıklardan oluşan, tel miktarı ve dayanımı yüksek prefabrike eleman üretiminde faydalanılabileceği beklenmektedir. Literatürde, atık çelik teller ile yapılmış olan çalışmalar sınırlıdır, bu alandaki çalışmalara son yıllarda ağırlık verilmektedir (Hamzaçebi, 2015; Şengül, 2016; Şengül 2018; Onuaguluchi ve Banthia, 2018; Centonze ve diğ, 2012; Aghaee ve Yazdi, 2014). Kullanılmış araç lastiklerinin parçalanarak lif olarak kullanıldığı lif takviyeli betonlar üzerine çalışmalar yapılmıştır (Li ve diğ, 2004a; Li ve diğ, 2004b). Yapılan tez çalışmasıyla, kullanım ömrünü doldurmuş araç lastiklerinin geri kazanımı ile elde edilen hurda çelik teller kullanılarak daha önce yapılmış çalışmaların kapsamı genişletilmiş, böylece alkali ile aktifleştirilmiş malzemelerin performansını arttırmaya ve sürdürülebilir bir beton üretimi gerçekleştirmeye katkı sağlanmıştır.