Birinci seride KOH ile aktive edilmiş uçucu kül esaslı geopolimer malzemenin basınç dayanımı çok düşük olduğu için Na2SiO3 ve alüminyum oksit
matrise ilave edilerek basınç dayanımı iyileştirilmiş, Na2SiO3/KOH aktiveli ikinci
deneme serisi geliştirilmiştir.
Isı yalıtımı anlamında bakıldığında en iyi ısı iletimi katsayısı değerini gösteren Na2SiO3 / KOH aktiveli geopolimerleri NK342 kodlu numunesi revize
edilerek yeni bir seri deneme yapılmıştır. Denemesi yapılan numunelerin Su/Katı oranı 0,50 olarak alınmıştır. Na2SiO3/KOH oranı 2,5; 1,25 ve 0,6 oranlarında
kullanılmıştır. Si/Al oranı 0,65; 0,85 ve 1,05 oranlarında çalışılmıştır. Bu şartlar altında yeni reçeteler oluşturulmuştur.
1. NK57, NK521, NK342, NK542 kodlu Na2SiO3/KOH aktiveli geopolimer karışımların FT- IR analizi sonucu elde edilen grafiklerde görülen ~1700 cm-1 bant, kür süreci sonrası geopolimer matrisinde kalan yapısal su varlığından ortaya çıkmaktadır. Bunun nedeni, sodyum, potasyuma göre su alma yeteneği açısından daha iyidir. O yüzden geopolimer oluşumundan sonra potasyum içeren KOH aktiveli geopolimer karışımların bünyesinde hiç su tutmadığı anlaşılmaktadır. 2. KOH, Na2SiO3/KOH aktiveli geopolimer karışımların hepsinde ve D10 kodlu numunede görülen 1600 cm-1 ve 1650 cm-1 bölgesi içinde görünen geniş bantlar yüzeyde absorbe edilen veya polimer kafeslerin büyük boşluklarında sıkışmış olan bağıl su moleküllerinin (O-H) gerilmeleri ve (H-O-H) eğilmelerine atfedilir. 1400-1450 cm-1 aralığındaki OH bantları, polikondenzasyon sürecinde içindeki suyu hem kimyasal hem de fiziksel yollarla vererek amorf üç boyutlu hegzagonal moleküler bağ yapıda olan alümina silikat geopolimer malzeme oluşumuna bir göstergedir.
3. Tüm KOH, Na2SiO3/KOH aktiveli geopolimer karışımların ve D10 kodlu numunemizin FT- IR spektrumları, Si-O-M (M=Si, Al, K) bağları, jelleşme, aktivatör alkalinitesi ve sertleşme süresine de bağlı olarak geopolimerlerin karakteristik bir özelliği olan Si-O-Si gerilme titreşimlerine karşılık gelen 960-985 cm-1 aralığında yer alan bantlar geopolimerizasyon oluşumunu desteklemektedir. Küçük aglomeratlardan oluşan FS’nın bu oluşuma katkı sağladığını ve aynı zamanda bu bantlar, alkalin aktivatörün, UK’ün çözünmesinden dolayı yeni bir ürün (amorf alümina silikat jel fazı) oluşturduğunu gösteren Al-O-Si asimetrik gerilim titreşimleri geopolimerizasyon reaksiyonun varlığına işaret eder.
4. NK17, NK121 ve NK321 numunelerinin Si-OH'in gerilme titreşimine bağlı olarak yaklaşık olarak 867 cm-1'deki bantları, bağıl olmayan oksijen atomlarını içeren suyun oluşmasını açıklayan bir göstergedir.
5. K524 ve K151 numunelerinde görülen ~840 cm-1 de Si-OH eğilme titreşim bandı, FS’nın bazik bir ortamda çözünmesi sonucu oluşan silisin, Si(OH)4 nötr türlerinin oluşumunu tetiklediğini aynı zamanda geopolimer matris sisteminin suyunu tüketerek geopolimerizasyon miktarını azalttığını göstermektedir.
6. Sabit 85 °C kür sıcaklığında, en düşük kür süresinden en yüksek kür süresine doğru gözeneklerle birlikte mikro çatlakların da azaldığı Na2SiO3/KOH aktiveli geopolimer karışımların SEM görüntülerinden izlenmektedir. Kür sıcaklığından ziyade kür süresinin granüler yapıyı ve jelin küçülmesiyle oluşan büzülme sonucu mikro çatlakları etkilediği anlaşılmaktadır. Aynı zamanda gözenekli yapının da mikro çatların oluşumunda etken olduğu anlaşılmaktadır.
7. Geopolimer yapıdaki suların uzaklaşması oranında kanal boşluklarının oluştuğu ve gözeneklar arasında bağlantı kurduğu SEM görüntülerinden izlenmektedir. XRD sonuçlarınında da görülen kristal fazların gözenekliliğe etki ettiği görülmektedir.
8. Pekçok gözenekli katı malzemenin tam tanımlanması, aynı malzemede farklı şekillerde gözenekler bulunması, boyutu, şekli ve konumu değişebilen gözenekler arası bağlantılar bulunması ve gözeneklerin boyut dağılımı nedenlerinden dolayı zordur. Ürettiğimiz numunelerin karakterize edilmesi için kullandığınız gaz adsorpsiyonu yöntemi ile elde ettiğimiz BET izotermlerindeki histerisis döngüleri malzemelerin gözenekli olduğunu teyit etmektedir. KOH, Na2SiO3/KOH aktiveli geopolimer karışımların ve D10 kodlu numunenin N2 adsorpsiyon/desorpsiyon izotermlerinde ⁓P/P° <0,05 olduğu bölgede adsorpladığı gaz hacminin yüksek olduğu görülmektedir ve bu sonuçlar mezo gözeneklerin yanı sıra mikro gözeneklerin varlığını da teyit etmektedir. Ayrıca adsorpsiyonun bu noktada tamamlanmış olması mikrogözeneklerin birbirine eşit olduğunu da göstermektedir. Kısa süreli kür işlemi yapılan numunelerde gözenek şekillerinin farklılaştığı görülmektedir.
9. Adsorpsiyon ve desorpsiyon izotermlerinin çakışması, adsorpsiyonun büyük ölçüde monomoleküler olduğunu göstermektedir. Ayrıca tüm numunelerde adsorpsiyon izoterminin desorpsiyon izotermi ile çakışması adsorpsiyonun tersinir olduğunu göstermektedir. IUPAC sınıflandırmasına göre KOH ve Na2SiO3/KOH aktiveli geopolimer karışımların N2 adsorpsiyon/desorpsiyon izotermlerinde, tüm numuneler histerisis H3 döngüsüne benzerlik göstermektedir. Literatürde en basitleştirilmiş hali ile H3 döngüsü yarık şeklinde gözenekler
oluşturan plaka benzeri partiküllerin agregalarını temsil eder. D10 kodlu numunenin adsorpsiyon/desorpsiyon izotermleri histerisis H1 döngüsüne benzerlik göstermektedir. H1 histerisisi, belirgin silindirik benzeri gözenek kanallarından veya yaklaşık olarak tektip kürelerin yoğunlaşan aglomeralarından oluşan gözenekli malzemelerle ilişkilendirilir.
10. BET çizelgelerine göre KOH aktiveli geopolimer karışımların numunelerinde ⁓5-25 cm3g-1 aralığında, adsorpsiyon miktarı sergilemiştir. Na2SiO3/KOH aktiveli geopolimer karışımların numuneleri ⁓ 7 - 13 cm3g-1 adsorpsiyon miktarı sergilemiştir. D10 kodlu numune ise ⁓ 82 cm3g- 1 adsorpsiyon miktarı sergilemiştir. Adsorpsiyon miktarındaki değişiklikler gözenek boyutlarındaki farklılıkları göstermektedir. Bu sonuçlar doğrultusunda FS miktarı açısında lineer bir bağlantı olmamakla birlikte kür süresinin uzaması gözenek boyutlarında bir azalmaya neden olmaktadır. KOH aktiveli numunelerde adsorpsiyon miktarının aynı şartlarda Na2SiO3/KOH aktiveli geopolimer karışımlardan daha yüksek olduğu görülmektedir.
11. KOH aktiveli geopolimer karışımların gözenek boyut dağılımlarına göre ortalama mezo gözenek çap değerleri yaklaşık olarak 1,3 - 8,3 nm aralığında belirlenmiştir. Kısa süreli kür işlemi uygulanmımş numunelerde ortalama mezo gözenek çap değerlerinin büyük olduğu görülmektedir. Na2SiO3/KOH aktiveli geopolimer karışımların ortalama mezo gözenek çap değerleri yaklaşık olarak 3,2 - 4,8 nm’dir. Görüldüğü gibi bu seri içersinde kür süresinden ziyade bileşiminde yer alan Na2SiO3 ile ortalama mezo gözenek çap değerleri birbirine yakın sonuçlar vermiştir. D10 kodlu numunenin gözenek boyut dağılımlarına göre ortalama mezo gözenek çap değeri yaklaşık olarak 3,8 nm’dir. Literatürde 7,1-8,3 nm boyut aralığındaki gözeneklerin esasen gözenek hacmine katkıda bulunduğu yer almaktadır. Mezo gözenekler önemli ölçüde azalır ve hem S BET (yüzey alanı) hem de Vp (gözenek hacmi) azalması sonucu geopolimer matrisi temel
olarak daha küçük gözeneklerle karakterize edilir (maksimum 3,6 nm'lik bir değer).
12. KOH aktiviteli seri içerisinde gözenek hacmi olarak 0,021 - 0,132 cm3g-1 olarak belirlenmiştir. Bu seride gözenek hacmi, kür süresinin kısa olmasıyla birlikte daha yüksek değerlere sahip olduğu izlenmiştir. Na2SiO3/KOH aktiveli karışımların gözenek hacmi 0,039 - 0,071 cm3g-1 olarak belirlenmiştir. Bu seride Na
2SiO3 kullanımıyla birlikte gözenek hacim değerlerinin birbirine yakın olduğu tespit edilmiştir. D10 kodlu numunenin gözenek hacmi 0,450 cm3g-1 olarak belirlenmiştir. Si/Al oranı belirleyici olmuştur. Na
2SiO3/KOH aktiveli karışımlarda Si/Al 0,5 iken D10 kodlu numunede 0,65 yükselmesi olumlu anlamda bir değişime neden olmuştur. Değişim FS miktarının yükselmesiyle gerçekleşmiştir. FS miktarındaki ve kür süresindeki değişim mikro gözeneklerin daha büyük yapıdaki mezo gözenek boyutlarına kayması
şeklinde bir etki yaptığını, gözenek oluşumunuda yapısal çökmeler, büzülmeler ve/veya kapalı gözenek oluşturduğunu, açık gözenekliliği azaltığını göstermektedir.
13. Kapalı ve açık gözenek olarak bakıldığında BET cihazı ile yapılan ölçümler sonucunda elde edilen değerler bize açık gözenekler hakkında bilgi vermekte olup bu sonuçlar çerçevesinde KOH aktiviteli numunelerin “VT” değerleri 0,021 - 0,132 cm3g-1 aralığında elde edilmimştir. Na2SiO3/KOH aktiveli numunelerin “VT” değerleri 0,039-0,071 cm3g-1 aralığında bir birlerine çok yakın bulunmuştur.
14. Yüzey alanı genellikle aktive edici maddenin türü, aktive edici maddenin miktarı, aktivasyon sıcaklığı ve süre gibi dört ana faktörden etkilenmektedir. KOH aktiveli geopolimer karışımların çok noktalı BET yüzey alanı değerleri 1,52 - 19,13 m2g-1, olarak bulunmuştur. Na
2SiO3/KOH aktiveli karışımların çok noktalı BET yüzey alanı değerleri 1,82 - 10,19 m2g-1 olarak belirlenmiştir. Her iki seri içersinde kısa süreli kür işlemine sahip olan numunelerin yüzey alanlarının daha büyük olduğu görülmektedir. D10 kodlu numunenin çok noktalı BET yüzey alanı değeri 25,80 m2g-1 olarak her iki seridende yüksektir. KOH, Na
2SiO3/KOH aktiveli karışımların ve D10 kodlu numunenin tek nokta BET yüzey alanları, BJH yöntemi ile adsorpsiyon verileri kullanılarak hesaplanan yüzey alanları, t-metot kullanılarak hesaplanan toplam özgül yüzey alanları ve dış yüzey alanları değerleri ile uyumlu olduğu görülmektedir (bakınız Çizelge 4.2, Çizelge 4.4 ve Çizelge 4.11).
Aynı zamanda. KOH ve Na2SiO3/KOH aktiveli karışımların özgül yüzey alanı değerleri literatürde bildirilen geopolimer malzemelerin özgül yüzey alanı değerlerine (20-140 m2g-1) kıyasla belirgin olarak daha düşük olduğu görülmektedir. Ancak D10 kodlu numunenin özgül yüzey alanı değeri alt sınırın biraz üzerinde bulunmuştur. Yüzey alanı değerlerinin kür süresi ile değişkenlik gösterdiği anlaşılmaktadır. Kür süresi uzadıkça yüzey alanı değerlerinin azaldığı net şekilde görülmektedir. Aynı zamanda yüzey alanı ve gözenek boyut dağılım değerleri arasında bir bağlantı vardır. 7 saat olan kür süresinde hem KOH aktiveli numunelerde hem de Na2SiO3/KOH aktiviteli numunelerde yüzey alanı ve gözenek boyut dağılım değerlerinin yüksek olduğu görülmektedir. Sonraki kür sürelerinde bu değerlerin düşük olduğu, çünkü oluşan mikro gözenekler mezo gözeneklere doğru kaymaktadır. Belirli bir süre sonra da gözeneklerde kapanma (kapalı gözenek), çökme ve gözenekler içinde oluşan kristal yapıların oluşturduğu daralma nedeniyle gözenek hacminde ve yüzey alanında azalma meydana gelmektedir.
15. KOH ve Na2SiO3/KOH aktiveli karışımları karşılaştırdığımızda Na2SiO3/KOH aktiviteli numunelerin gözenek hacmi ve özgül yüzey alanı değerleri daha düşüktür. Düşük özgül yüzey alanı değerleri, reaksiyona girmemiş Na2SiO3’ın reaksiyona girmemiş UK partikülleri
çevreleyerek mezo gözenekleri doldurması ile açıklanabilir. KOH aktivasyonu, daha yüksek mikro gözenek hacmi ve dolayısıyla yüksek yüzey alanına sahip daha fazla sayıda mikro gözenek üretmiştir. Kür süresinin düşük tutulması halinde hem gözenek hacmi hem de özgül yüzey alanı değerlerinin yüksek çıktığı söylenebilir. Aktivasyon süresi yüzey alanı ile bağlantılı olarak mikro ve mezo gözeneklerinin büyümesinde de hayati bir rol oynamaktadır.
16. Ayrıca. KOH aktiviteli karışımda Si/Al molar oranı 0,5 ve Na2SiO3/KOH aktiveli karışımda Si/Al molar oranı 0,4 olarak hesaplamış olup KOH aktiveli karışımlar Na2SiO3/KOH aktiveli karışımlara oranla daha fazla silika içermektedir. Geopolimerle reaktif karışıma girerek inorganik bir köpük oluşuturan FS, KOH aktiveli karışımlarda gözenek hacim ve özgül yüzey alanı değerlerinin yükselmesine neden olmuştur.
17. FS’nin yanısıra Metalik Al, alkalin bir sulu ortamda reaksiyona girme yeteneği ile H2 gazı geliştirilerek, inorganik köpükleştirici bir madde olarak işlemini tamamlamıştır. Köpürtücü ajan konsantrasyonunun artırılması ile üretilen gaz miktarında bir artışa, dolayısıyla gözenek boyutu ve toplam gözeneklilikte bir artışa yol açar. Elde edilen etkiler. geopolimerin nihai hacminin çoğalması ve yoğunlukta azalmadır. Böylece, iyi tasarlanmış jel kompozisyonlar ile nanometrik ve mikrometrik gözenek boyutlarına sahip olan geopolimerler üretilmiştir.
18. Na2SiO3/KOH aktiveli geopolimer numunelerin SEM görüntülerine baktığımızda hava boşluklarındaki reaksiyon ürünlerini, jeller ve kristaller olmak üzere iki şekilde sınıflandırmak mümkündür. Kristal yapıdaki ürünlerin tabakalı, iğnemsi, çubuksu ve yapraksı olmak üzere tipik morfolojileri olduğu görülmüştür. Bütün numunelerin EDX spektrumlarında tespit edilen yüksek O ve Na varlığı Na2CO3 kristalleri olduklarını göstermektedir. Bu hipotez tüm numunelerin FT- IR spektrumlarında ~1450 cm-1 bandının varlığı ile desteklenmektedir. SEM resimlerinde izlenen jelin görünümündeki değişiklikler, kür işlemi esnasındaki büzülmenin tip ve miktarına bağlı olabileceği gibi, EDX spektrumlarında tespit edilen kompozisyonlardaki farklılıklardan da kaynaklanabilir.
19. Çözeltideki yüksek alkali silikatlar aşırı doymuş olabilir veya sodyum meta-silikatın bir kombinasyonu olan katı bir fazın kristalleşmesine neden olmuş olabilir. Aynı zamanda tüm numunelerde gözlenen kristal oluşumlar ya ağı bütünleştirerek ya da kristal dolgu maddesi olarak. geopolimer yapının oluşumunda yer alan UK kaynaklı reaktif kalsiyum, demir ve magnezyum içeriğini işaret etmektedir.
20. NK17, NK521 numunelerinde SEM görüntülerinde tespit edilen kristal yapılar üzerinden alınan EDX spektrumlarında tespit edilen fazla potasyum içeriği potasyum karbonat oluşumuna
işaret etmektedir. Potasyum karbonatlara dayalı iğnemsi kristallerin oluşumu, KOH'deki karbonat safsızlıkları ve başlangıçtaki SiO2 tarafından emilen CO2'e ya da alkali sistemi ile tepkimeye giren atmosferik CO2'e atfedilebilir. Aynı şekilde alkali silikatta zenginleşme iğne benzeri faz oluşumuna neden olur.
21. Özellikle yüksek silikat kaynaklı karışımlar ve daha yüksek alkali içeriği daha yüksek kuruma büzülmesi değerlerine neden olur. Kuruma büzülmesindeki kontrolsüzlük mikro çatlakların oluşmasına neden olmaktadır ve Na2SiO3/KOH aktiveli geopolimer numunelerin SEM görüntülerinde bunu görmek mümkündür.
22. Çizelge 5.1’de görüldüğü gibi D10 kodlu numunenin maliyet hesabı tahmini olarak yapılmıştır. Çizelgede görülen parasal değerler 10.09.2017 tarihindeki birim fiyatlarıdır. 250*600*150 mm. ölçülerindeki ve 22500 cm3 hacmindeki bir adet tuğla için fiyatı hesaplandığında 2,9 ₺’dir.
Çizelge 5.1. D10 kodlu numunenin satış fiyatının hesaplaması.
23. Laboratuvar şartlarında üretilen NK342 ve D10 kodlu numunelerin piyasa şartlarında muadili olan ısı yalıtım ürünleri ile fiziksel özellikleri ve fiyat karşılaştırması yapıldığında NK342 numunesi ısı iletkenliği bakımından gazbeton G3 ve G4 ile yakın değerlere sahiptir (Çizelge 5.2). Ancak Bims Plakadan daha iyi değerlere sahiptir. Birim hacim kütlesine bakıldığında nispeten ağır olduğu görülmektedir. Su buharı geçirgenliği bakımından en düşük değer D10 kodlu numunenin sahip olduğu görülmektedir. Dolayısıyla yoğuşma olmaması için dışarıdan yalıtımda, “μ” değeri düşük, yani su buharı geçirgenliği yüksek, su buharının dışarı atılmasında direnç
göstermeyen ısı yalıtım malzemesi olarak uygundur. Fiyat olarak gazbeton ürünlerle aynı değer yakalanmış olup, Bims plakadan nispeten pahalıdır. D10 numunesi ise Gazbeton G3 ile yaklaşık aynı değerlere sahipken; gazbeton G4, bims plaka ve NK342 numunelerinden daha iyidir. Isı iletkenliği bakımından da hepsinden daha düşük bir değere sahip olduğu görülmektedir.
Çizelge 5.2 Isı yalıtım malzemelerin fiziksel özelliklerinin ve fiyat karşılaştırması (gazbeton, 10.09.2017;
Blokbims, 10.09.2017; xpsturkiye, 20.02.2018; Pakboard, 20.02.2018; Balkotrade, 20.02.2018).
24. TS EN ISO 11925-2 küçük alev testine (SFI) benzer bir yöntem ile yapılan testte (Şekil 5.1a), ürün üzerinde alev yürümemiştir ve alev kaynağı yüzeyden uzaklaştırıldığında alevin kesildiği görülmüştür. Alev kaynağı uzaklaştırıldıktan sonra malzeme yanmaya devam etmediği için, Alman Standardı DIN 4102’ye göre B2 yanmazlık sınıfında olduğunu söyleyebiliriz. 30 sn süre ile yapı malzemesi açık aleve maruz bırakıldığında etkilenen kısımın yüksekliği max. 12 cm olması beklenir. Daha fazla yükseklik olması durumunda malzemenin “B3 sınıfı” olarak değerlendirilir (Metal, 26.05.2018). Test numunemiz 30 sn süre ile açık aleve maruz bırakılarak yanan kısmının yüksekliği yaklaşık 9 cm ölçülmüş ve “B2 sınıfı” olarak değerlendirilmiştir (Şekil 5.1b). Ancak duman oluşumu ve yanma damlamaları/tanecikleri görülmemiştir. Haklarında çok fazla geçmiş veri olan katkısız ahşap, metal ve çimento esaslı malzemeler gibi bazı ürün grupları için belirlenmiş standart sınıflar bulunmaktadır. Bu gibi istisnai durumlara en yaygın örnek 96/603/EC sayılı Avrupa Komisyon kararı uyarınca A1 olarak sınıflandırılabilen ürünlerdir (TSE, 26.05.2018a). D10 NK342 Gazbeton G3 Dolu Blok Bims Blok Bims Plaka XPS EPS Ebatlar (cm) 6*50*20 6*50*20 15*39*18,5 6*50*20 3*50*100 5*50*100 Birim Hacim Kütlesi (kg/m3) 571 1686 600 700 500 1230 1090 - - Isı İletkenliği (W/mk) 0,085 0,19 0,16 0,2 0,14 0,45 0,45 0.030 - 0.035 0.034 - 0.036 Su Buharı Geçirgenliği (μ) 3 - 10 12 50 - 250 50 - 70 Basınç Dayanımı (N/mm2) 0,6 - 4,9 4,9 3,43 5 5 0,12 0,25 Fiyat (₺) 2,92 4,3 4,3 4,3 4,3 1,04 0,72 8,41 8,64 Gazbeton G4 5 - 10 60*25*10
Şekil 5.1. (a) TS EN ISO 11925-2 küçük alev testi, (b) Alman Standardı DIN 4102 testi.
25. Testere, maket bıçağı veya benzeri aletlerle kolaylıkla ve düzgünce kesilebildiği için hızlı işlenebilen bir malzemedir. Selsil Ultra Clear solvent içermeyen silikon yapıştırıcı ve çimento esaslı Kale Mantotech ısı yalıtım levhası yapıştırma harcı kullanılarak terracota üzerine iki adet levha yapıştırılmıştır (Şekil 5.2a-b). Her iki uygulama için Atışkan marka, A-therm 102 ısı yalıtım levha sıva harcı kullanılmıştır. Bir kat sıva uygulamasından sonra bir file uygulaması üzerine yine aynı sıva malzemesi kullanılarak ikinci kat sıva yapılmıştır (Şekil 5.2c-d). Uygulama sonrası sıva tutma sıkıntısı yaşanmamış, yüzeyde çatlama ve yırtılma oluşmamıştır.
Sonuç olarak, Kütahya Seyit Ömer termik santrali atık uçucu küllerinin (UK) yapılarda ısı yalıtımı için geopolimer malzeme üretiminde kullanılması ekonomi ve teknolojik özellikler bakımından mümkün olacağı saptanmıştır. Elde edilen polimerik ısı yalıtım malzemesine gerek yapılan karakterizasyon çalışmaları ve gerekse ekonomik analiz sonuçları, bu malzemenin ticari olarak satılan benzerlerinden üstünlüklerini ortaya koymaktadır. Böylece temiz çevreye, düşük karbon salınımına, yerli kaynak esaslı ve ekonomik üretime, ayrıca cari açığa katkıda bulunacak olması bakımından inşaat sektörü için ticari değerde tercih edilebilecek nitelikli bir polimerik ısı yalıtım malzemesi laboratuvar şartlarında üretilmiştir denilebilir.