Geopolimerlerde aktivatör oranı etkisi

Vargas et al,. (2011) yaptıkları çalıĢmada uçucu küllerin, puzolanik olarak beton yapılarda kullanılmakta olduğunu ve büyük bir kısmının çevre ortamına atılmakta olduğunu belirtmiĢlerdir. Yapılan çalıĢmada uçucu küllerin değerlendirilmesi ve mühendislik projeleri için yeterli mekanik özelliklere sahip, alkali aktive uçucu kül tabanlı geopolimerler üretilmesi amaçlanmıĢtır. Na2O/SiO2 molar oranı 0.20, 0.30 ve 0.40 olan ve kür sıcaklıkları 50, 65 ve 80⁰C olan uçucu kül tabanlı geopolimer harç ve hamur numuneler hazırlanmıĢtır. Bu hamurların XRD ve SEM/EDS kullanılarak mikroyapı özellikleri incelenmiĢtir. Bu deneyler sonucunda 1, 7, 28, 91 ve 180 günlük basınç dayanımları incelenmiĢ ve molar oranı N/S 0.40 olan harçların basınç dayanımı değerlerinin en yüksek olduğu görülmüĢtür. N/S oranı 0.40 olan numunenin 180 günlük basınç dayanımı değerinin 20 MPa olduğu tespit edilmiĢtir.

Pan et al., (2011) çalıĢmalarında, F tipi uçucu kül kullanarak geopolimerler üretilmesi amaçlamıĢ ve bunların farklı sıcaklıklarda mekanik özelliklerini incelemiĢtir. Yapılan gözlemler sonucunda, katyonlarda, sodyumdan potasyuma çevrilirken (Ts) sıcaklığı 800⁰C‟ye çıkarılmıĢtır. Ayrıca, Na/K karıĢtırılırken (Ts) sıcaklığı 570^oC‟ye düĢmüĢtür. 530^oC ve 730^oC sıcaklarda gopolimerlerin dayanımında önemli artıĢlar görülmüĢtür. Bu dayanımdaki artıĢlar reaksiyonun ekzotermik olduğunu göstermektedir. Alkali aktivatörler olarak sodyum hidroksit, potasyum hidroksit, sodyum silikat ve potasyum silikat kullanılmıĢtır. Uçucu kül ve aktivatörler arasındaki reaksiyon ekzotermik olduğundan, bu reaksiyon yüksek sıcaklıklarda olduğunda basınç dayanımında artıĢ olmadığı gözlenmiĢtir. Sonuç

35

olarak, geopolimerlerde alkali katyonlar ve silikat kullanılmasının mikroyapı ve mekanik özeliklerinin iyileĢtirilmesinde önemli ölçüde katkılarının olduğu tespit edilmiĢtir.

Bernal et al., (2011) yaptıkları çalıĢmada, yüksek fırın cürufu ve metakaolini karıĢtırarak, alkali aktivatörlerle geopolimerler üretmiĢlerdir. Reaksiyonun ilk evrelerinde metakaolinin eklenmesiyle, toplam priz süresinin arttığını, çıkan ısı miktarının ise azaldığını belirlemiĢlerdir. Yüksek miktarda silika içeren alkali aktivatörlerin kulanımında, mekanik dayanımlarında bir azalma görülürken, priz süresinde ise önemli ölçüde bir artma gözlenmiĢtir. Kızılötesi spektroskopi ile 180 gün içerisinde jel yapısının geliĢtiği gözlenmiĢtir. Sonuç olarak, metakaolin cürufların ve alkali aktivasyonların karıĢımıyla oluĢan geopolimerlerin SiO2/Na2O oranı malzeme özeliklerinin gücünü göstermektedir. Yüksek modüle (2.4) sahip numunelerin, mekanik dayanımlarının düĢük, priz sürelerinin yavaĢ ve düĢük modüle sahip numunelere göre daha az hidratasyon ısısı oluĢturdukları gözlenmiĢtir.

Xie et al., (2009) yaptıkları çalıĢmada 54 mikrondan daha küçük boyutlu uçucu küller, metakaolin ve cüruf kullanarak geopolimer üretmiĢlerdir. Alkali aktivatör olarak, KOH ve K₂SiO₃ kullanılmıĢtır. Uçucu kül, metakaolin ve cüruf, alkali aktivatörlerle birlikte farklı oranlarda kullanılarak mekanik özelikleri incelenmiĢtir.

Ayrıca, katı/sıvı ve KOH/K2SiO3 oranları değiĢtirilerek basınç dayanımına etkileri araĢtırılmıĢtır. KOH/K2SiO₃ oranı düĢük olan numunelerin basınç dayanımlarının da düĢük özellik gösterdikleri tespit edilmiĢtir. Sonuç olarak en yüksek basınç dayanımı değerinin (31.6 MPa) metakalin, uçucu kül ve cürufun 1:3:3 ağırlıklarında kulanılması ve 24 saat 60°C sıcaklıktaki kür ortamındaki numunelerden elde edildiği belirtilmiĢtir.

Rattanasak et al., (2009) yaptıkları çalıĢmada, uçucu külle birlikte sodyum hidroksit çözeltisi karıĢtırılarak geopolimer üretmiĢlerdir. Alkali aktivatör olarak sodyum silikat ve sodyum hidroksit kullanılmıĢtır. SiO2/Na2O oranı 3.2 olan ve 5, 10 ve 15 M yoğunluklarda sodyum hidroksit içeren çözeltiler hazırlanmıĢtır. Uçucu kül sodyum

36

hidroksitle karıĢtırılmıĢ ve daha sonra sodyum silikat çözeltisi eklenmiĢ ve geopolimer hamurlar oluĢturulmuĢtur. Geopolimer numuneler 65⁰C, 48 saat kür edilmiĢ ve bunların mikroyapıları ve basınç dayanımları araĢtırılmıĢtır. Sonuç olarak, bu özeliklerin sodyum hidroksit yoğunluğuna ve karıĢtırma süresine bağlı olduğu gözlenmiĢtir. Ayrıca, geopolimer harçlarda en yüksek basınç dayanımı değeri 70 MPa olarak, çözelti oranları (Na2SiO3/NaOH) 1 ve 10 M yoğunlukta NaOH çözeltilerinde tespit edilmiĢtir.

Rattanasak ve Chindaprasirt (2009), yaptıkları çalıĢmada NaOH solüsyonu ile karıĢtırılmıĢ uçucu kül süzüntüsü ile geopolimeri karıĢtırma üzerine çalıĢmıĢlardır.

SiO2 ve Al2O3 süzüntüleri, uçucu kül ile NaOH solüsyonu farklı zaman aralıklarında karıĢtırılarak araĢtırılmıĢtır. Geopolimer hamuru yapmak için bireysel karıĢtırma ve normal karıĢtırma yöntemleri kullanılmıĢtır. Bireysel karıĢtırma için NaOH solüsyonu ile uçucu kül ilk 10 dk için karıĢtırılmıĢtır. Daha sonra sodyum silikat solüsyonu karıĢıma eklenmiĢtir. Normal karıĢtırma için, uçucu kül, sodyum hidroksit ve sodyum silikat solusyonu birleĢtirilerek aynı süre karıĢtırılmıĢtır. Geopolimerler 65°C‟de 48 saat kür edilmiĢtir. Üretilen hamurun mikro analizi ve harcın basınç dayanımı araĢtırılmıĢtır. Sonuçların, uçucu külün çözünürlüğüne, NaOH konsantrasyonuna ve NaOH ile karıĢtırılma süresine bağlı olduğu belirtilmiĢtir.

KarıĢtırma iĢlemi içinse; ayrı karıĢtırmanın normal karıĢtırmaya göre biraz daha iyi dayanım harcı sonucunu verdiğini göstermiĢtir. 10 M NaOH, Sodyumsilikat/NaOH oranı 1 olan ve ayrı karıĢtırma kullanıldığında 70 MPa kadar dayanımlı geopolimer harçlar elde edilmiĢtir (ġekil 7).

37

ġekil 7. Sodyum Silikat/NaOH (ağırlık) oranı ile dayanım arasındaki iliĢki

Chindaprasirt et al., (2007) yaptıkları çalıĢmada uçucu kül, 10, 15 ve 20 M yoğunlukta sodyum hidroksit ve sodyum silikat kullanmıĢlardır. Geopolimer harç yapımında özgül ağırlığı 2.65 olan dere kumu kullanılmıĢtır. Bütün numunelerde dere kumu/uçucu kül oranı 2.75 olarak alınmıĢtır. Sodyum silikatın, sodyum hidroksite oranı 0.67, 1.00, 1.50 ve 3.00 olan çözeltiler hazırlanmıĢtır. Örneğin, 10 M sodyum hidroksit ve çözelti oranları 1 olan karıĢımda, 503 kg uçucu kül, 1382 kg kum, 127.5 kg NaOH, 127.5 kg sodyum silikat ve 40 kg taban suyu kullanılmıĢtır.

Bu malzemeler, laboratuar Ģartlarında karıĢtırılmıĢtır. Bu 5 dakika karıĢtırmadan sonra, sodyum silikat, su ve süperakıĢkanlaĢtırıcılar eklenmiĢtir. Bu numunelerin basınç dayanımları araĢtırılmıĢtır. Sonuç olarak, sodyum silikat /sodyum hidroksit oranı 0.67-1.0 arasında olan çözeltilerin yüksek basınç dayanımı gösterdiği görülmüĢtür. Ayrıca, 10 M ve 20 M arasındaki yoğunluğa sahip sodyum hidroksitlerin basınç dayanımına etkisinin az olduğu gözlenmiĢtir. Bu çalıĢma sonucunda en yüksek basınç dayanım değeri 65 MPa olarak tespit edilmiĢtir.

Ġnorganik polimerler (geopolimerler) ortam sıcaklığında oluĢan üç boyutlu amorf alümino-silikatlardır. Reaksiyon süresi alümino-silikat tozu ile sert konsantrasyonlu alkali metal silikat solüsyonunun reaksiyona girdiği kısa süredir. Bu mükemmel

38

fiziksel ve kimyasal özellikler gösteren yeni malzemeler, maden ve metal atıklarından belirli koĢullar altında elde edilebilir. Son günlerde bu malzemeleri tanımlamak için, alkali bağlı seramikler, hidro seramikler ve alkali aktive edilmiĢ çimentolar gibi isimler kullanılmaktadır. Fakat her durumda alkali aktivasyonu iĢlemin özünde yer alır. Bu çimento esaslı malzemelerin (M2O-Al2O3-SiO2-H2O) oluĢumu genel olarak komplekstir ve birincil katı fazların yıkımını gerektirir. Bu mekanizmalar pıhtılaĢmıĢ tiksotropik ve yoğunlaĢmıĢ/kristal yapılara sahip hidrate olmuĢ ürünlerin oluĢumuyla meydana gelir. Faz dönüĢümü/kararlılığı ve dayanım özellikleri arasında geçici bir bağ oluĢur. Genellikle daha düĢük basınç dayanımına sahip zeolit ürünlerin oluĢumuna benzetilir. Ġnorganik polimerler kimyasal bileĢim açısından zeolitlere benzerler, ancak yüksek yoğunlukta oluĢurlar ve yarı kristal üç boyutlu alümino-silikat yapıya sahiptirler. Sıcaklık, pH ve belirli katyonların varlığı gibi zeolitlerin oluĢumunu etkileyen faktörlerin aynı zamanda da inorganik polimer oluĢumunu da etkilediği görülmektedir. Amorf inorganik polimerlerin yapısı zeolitlerin hidrotermal Ģekilde oluĢtuğu alümino-silikat jellerinden oluĢur (Komnitsas et al., 2009).

Alkali metal katyonlarının varlığı katalitik rol oynar, inorganik polimer sentezinin sertleĢmesini ve kristalleĢmesini kontrol eder ve güçlü yapı oluĢumuna katkıda bulunur. KOH, NaOH‟e göre daha inorganik polimer yapı sağlar. Çünkü K⁺ daha fazla oranda Al(OH)^-4 ile bağlanmayı tercih eden silikat polimer oluĢturur. Böylelikle daha iyi sertleĢme ve daha yüksek basınç dayanımı elde edilir (ġekil 8-9). Ġnorganik polimer teknolojinin zararlı metalik ve maden atıkları değerlendirmek ve önündeki endüstriyel engelleri aĢmak için daha fazla çalıĢmaya ihtiyaç vardır (Komnitsas et al., 2009).

39

ġekil 8. Alkali hidroksit konsantrasyonu ile basınç dayanımı değiĢimi

ġekil 9. NaOH veya KOH kullanılması durumunda basınç dayanımının Na2SiO₃ oranına göre değiĢimi

Geopolimerizasyon, atık malzemelerin büyük çoğunluğunu fiziksel ve kimyasal özellikleri çok iyi olan malzemelere dönüĢtürebilir. Yapılan çalıĢmada inĢaat atıklarının, Na2SiO3 ve NaOH bileĢimine dayalı alkali aktivatör ile geopolimerizasyonu çalıĢılmıĢtır. Parametre olarak su/kuru bağlayıcı oranı, silis modulü, kür süresi ve 28 günlük basınç dayanımı çalıĢılmıĢtır. Sonuçlara göre, inĢaat atıkları uygun iĢlenebilirlik, kabul edilebilir priz süresi ve basınç dayanımı olan geopolimer çimentoların oluĢumuyla sonuçlanan NaSiO3 ve NaOH‟ın orantılı karıĢımı kullanılarak aktive edilebilir (Allahverdi and Kani, 2009).

40