Farklı kaolenlerin metakaolen ve spinel yapılarda geopolimer davranışı

(1)

FARKLI KAOLENLERİN METAKAOLEN VE SPİNEL YAPILARDA GEOPOLİMER DAVRANIŞI

Özgül BOYACI Yüksek Lisans Tezi

Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Anabilim Dalı Haziran – 2018

(2)

FARKLI KAOLENLERİN METAKAOLEN VE SPİNEL YAPILARDA GEOPOLİMER DAVRANIŞI

Özgül BOYACI

Dumlupınar Üniversitesi

Lisansüstü Eğitim Öğretim ve Sınav Yönetmeliği Uyarınca Fen Bilimleri Enstitüsü

Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Anabilim Dalında YÜKSEK LİSANS TEZİ

Olarak Hazırlanmıştır.

Danışman: Doç. Dr. Veli UZ

(3)

KABUL VE ONAY SAYFASI

Özgül BOYACI’nın YÜKSEK LİSANS tezi olarak hazırladığı “FARKLI KAOLENLERİN METAKAOLEN VE SPİNEL YAPILARDA GEOPOLİMER DAVRANIŞI” başlıklı çalışması, jürimizce Dumlupınar Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Öğretim ve Sınav Yönetmeliğinin ilgili maddeleri uyarınca değerlendirilerek kabul edilmiştir.

26/ 06 /2018

Prof. Dr. Önder UYSAL

Enstitü Müdürü, Fen Bilimleri Enstitüsü Prof. Dr. İskender IŞIK

Bölüm Başkanı, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü Doç.Dr. Veli UZ

Danışman, Malzeme Bilimi Mühendisliği Bölümü

Sınav Komitesi Üyeleri

Doç. Dr. Veli UZ

Danışman, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü, Dumlupınar Üniversitesi

Doç, Dr. Mehmet Uğur TOPRAK

İnşaat Mühendisliği Bölümü, Dumlupınar Üniversitesi

Dr. Öğr. Üyesi Nihal DERİN COŞKUN Seramik ve Cam Bölümü, Ordu Üniversitesi

(4)

ETİK İLKE VE KURALLARA UYGUNLUK BEYANI

Bu tezin hazırlanmasında Akademik kurallara riayet ettiğimizi, özgün bir çalışma olduğunu ve yapılan tez çalışmasının bilimsel etik ilke ve kurallara uygun olduğunu, çalışma kapsamında teze ait olmayan veriler için kaynak gösterildiğini ve kaynaklar dizininde belirtildiğini, Yüksek Öğretim Kurulu tarafından kullanılmak üzere önerilen ve Dumlupınar Üniversitesi tarafından kullanılan İntihal Programı ile tarandığını ve benzerlik oranının % 3 çıktığını beyan ederiz. Aykırı bir durum ortaya çıktığı takdirde tüm hukuki sonuçlara razı olduğumuzu taahhüt ederiz.

(5)

FARKLI KAOLENLERİN METAKAOLEN VE SPİNEL YAPILARDA

GEOPOLİMER DAVRANIŞI

Özgül BOYACI

Malzeme Bilimi ve Mühendisliği, Yüksek Lisans Tezi, 2018 Tez Danışmanı: Doç. Dr. Veli UZ

ÖZET

Bu çalışmanın amacı, Al2O3 ve SiO2 kaynağı olarak seramik üretiminde kullanılan farklı

kaolenlerin ham, sinterlenerek metakaolen yapıda ve spinel yapıda geopolimer üretiminde kullanılabilirliğinin araştırılmasıdır. Farklı kaolenlerin metakaolen formu için 700°C ve spinel yapı için 1000°C sıcaklıklarda sinterlenmesiyle elde edilen üç farklı formda kaolen örneklerinin her birisi ayrı ayrı geopolimer ürün üretilmesi için kullanılmıştır. Kullanılan kaolenlerin kimyasal analizleri ve farklı sıcaklıklarda sinterlenen metakaolen ve spinel formda kaolenlerin mineralojik ve faz analizleri yapılmıştır. Ham ve ısıl işlem uygulanan kaolenler geopolimer reaksiyon oluşturulması amacıyla NaOH ile karıştırılarak öğütme işlemi yapılmıştır. Öğütme sonrası hazırlanan reçeteye göre su ilavesi yapılarak geopolimerizasyon için reaksiyonların tamamlanmasında tane-tane temasının artırılması amacıyla karışımlar presleme yöntemi ile şekillendirilmiştir. Şekillendirilen karışımlar sabit süreyle farklı sıcaklıklarda kür uygulamasına tutulmuşlardır. Kür sonrası ürünlerin faz analizleri, basma dayanımı, bulk yoğunlukları ve mikroyapı incelemeleri yapılmıştır.

Sonuç olarak; farklı sıcaklıklarda sinterenip, kür uygulanan İran kaoleniyle hazırlanan geopolimer numunelerin en iyi basma dayanımı değerleri verdiği belirlenmiştir. Ayrıca kaolenlerin içerdiği oksitlerin geopolimer malzeme üretiminde silikat kaynağı olarak %46 ile %60 aralığında SiO2 ve alümina kaynağı olarak %25 ile %38 aralığında Al2O3 içerip, ucuz ve

uygun hammadde kaynakları olarak kullanılabilmektedir. Ancak kaolen içerisinde bulunan minerallerin geopolimerizasyon reaksiyonlarında etkilerinin araştırılıp, kullanımına yönelik çalışmaların yapılması gerektiği belirlenmiştir. Her kaolenin uygun olmayacağı bu nedenle de kaolen örneklerinin geopolimerizasyon mekanizmalarının incelenerek kullanılabileceği görülmüştür.

(6)

THE GEOPOLYMER BEHAVIOR OF METAKAOLIN AND SPINEL

STRUCTURES OF DIFFERENT KAOLINS

Özgül BOYACI

Material Science and Engineering M.S. Thesis, 2018 Thesis Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Veli UZ

SUMMARY

The aim of this study is to examine the possibility of using different kaolins, which are used in the ceramic industry for the production of geopolymers as a source of Al2O3 and SiO2, in

raw, sintered metakaolin and spinel form. Each of these three different forms of kaolin specimens, obtained by sintering them at 700°C for the metakaolin form and at 1000°C for the spinel form, were separately used to produce geopolymer products. Alongside with the chemical analysis of the kaolin specimen, one realized the mineralogical and phase analysis of the kaolins in spinel and metakaolin form, which were sintered at different temperatures. In order to enable the raw and sintered kaolins to produce geopolymer reaction, one mixed and milled them with NaOH. In order to increase the grain-to-grain contact during the completion of the reactions in geopolymerization, water was added according to the recipe and this blend was shaped by pressing. The shaped blends were cured at a fixed period of firing time and varying temperatures. Following the curing, one realized the phase, compressive strength, bulk density and micro structure analysis of the products.

As a result; it has been determined that the geopolymer specimen obtained by using Iranian kaolin that was sintered at different temperatures and cured, revealed optimal compressive strength values. And it is also possible to use the oxides contained in kaolins for the production of geopolymer materials as cheap and suitable sources of silicate between an amount of 46-60% and as a source of SiO2 and alumina between an amount of 25-38%. However, it was determined

that is necessary to examine the effects of the minerals, contained in the kaolin, during the geopolymerization reactions and to conduct further researches about the utilization of this material. One determined that in this sense not all kaolins are suitable and therefore it is merely possible to use them by examining the geopolymerization mechanisms of the kaolin specimens. Key words: Geopolymer, Kaolin, Metakaolin, Spinel structure

(7)

TEŞEKKÜR

Lisans eğitimimden başlayarak bilimsel gelişimimde en önemli rolü üstlenen, her koşulda yanımda olan, bana zorluklara karşı mücadeleyi öğreten, bir baba gibi kol kanat geren, benden destek ve bilgilerini esirgemeyen, dürüstlüğü, çalışkanlığı ve sabrını örnek aldığım idolüm değerli danışmanım, Sayın Doç. Dr. Veli UZ’a en içten duygularımla teşekkürlerimi sunarım.

Tez sürecim kapsamında beni destekleyen, hammadde ve ekipman ihtiyacımı karşılamamda yardımcı olan, “sen halledersin” deyip sürekli beni motive eden, çalışma süresince deneyimlerini benimle paylaşan, bana ışık tutan, akademik çalışmanın eğlenceli yönünü gösteren, İnşaat Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi değerli Hocam, Sayın Doç. Dr. M. Uğur TOPRAK’a teşekkürlerimi sunarım.

Tanıştığım günden beri maddi, manevi her konuda hoca değil bana bir abla olan, tez sürecim boyunca da beni asla yalnız bırakmayan, destekleyen, bilgi ve deneyimlerini benimle paylaşan, kilometrelerce uzaklıkta olmasına rağmen yardımlarını esirgemeyen, Nihal deyince sözcüklerin bende yetersiz kaldığı güzel, iyi yürekli ve azimli insan, Ordu Üniversitesi Güzel Sanatlar Fakültesi Öğretim Üyesi Hocam, Sayın Dr. Öğr. Üyesi Nihal Derin COŞKUN’a yürekten teşekkürlerimi sunarım.

Son olarak; hayatım boyunca bana güvenen, yolumda sağlam adımlarla yürümemi sağlayan değerli annem, babam ve kardeşlerime, hayatımın en doğru kararı olan eşim, hayat arkadaşım Görkem BOYACI’ya, destekleriyle yanımda olan kayınvalidem Nermin BOYACI’ya ve ona ayırmam gereken zamanı tez çalışmama ayırdığım en kıymetli varlığım biricik kızım Elif Bade BOYACI’ya minnet ve sonsuz teşekkürlerimi sunarım.

(8)

İÇİNDEKİLER

Sayfa ÖZET ... v SUMMARY ... vi ŞEKİLLER DİZİNİ ... x ÇİZELGELER DİZİNİ ... xiii

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ ... xiv

1.GİRİŞ ... 1

1.1. Kaolin Nedir? ... 4

1.1.1. Kaolinin kristal yapısı ... 5

1.1.2. Kaolin ve ısıl işlem ... 6

1.2. Geopolimer Nedir? ... 7

1.2.1. Geopolimer türleri ... 10

1.2.2. Geopolimer avantajları ... 12

1.2.3. Geopolimerin dezavantajları ... 13

1.2.4. Geopolimerin kullanım alanları ... 14

1.3. Geopolimerizasyon Nedir?... 16

1.4. Su ... 16

1.5. Çimento ... 17

1.5.1. Çimento üretiminin çevreye verdiği zararlar ... 18

2. MATERYAL VE METOD ... 20

2.1. X-Işınları Floresans Spektrofotometresi (XRF) ... 23

2.2. X-Işını Kırınımı Deseni Analizi (XRD) ... 24

2.3. Mikroyapı Analizi (SEM/Scanning Electron Microscope/Taramalı Elektron Mikroskop) ... 25

2.4. Ultrasonik Test Analizleri... 26

2.5. Basınç Dayanım Testi... 27

(9)

İÇİNDEKİLER (devam)

Sayfa

3.1. Kimyasal Analiz Sonuçları ... 30

3.2.Mineralojik ve Faz analizi Sonuçları ... 30

3.3. Ses İletkenlik Sonuçları... 41

3.4. Bulk Yoğunluk Sonuçları ... 52

3.5. Basınç Dayanımı Sonuçları ... 60

3.6. Geopolimerlerin Faz analiz Sonuçları ... 68

3.7. Geopolimerlerin Mikroyapısal Analizleri ... 71

KAYNAKLAR DİZİNİ... 85 ÖZGEÇMİŞ

(10)

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil Sayfa

1.1. Kaolinin kristal yapısı ... 6

1.2. Geopolimerlerin kristal yapısı ... 8

1.3. Geopolimer reaksiyon oluşum mekanizması ... 8

1.4. Normal Portland çimentosu ile geopolimer çimentoların basınç dayanımları ile kür süresi arasındaki ilişki ...11

1.5. Portland çimetosu ile geopolimer malzemenin karşılaştırılması verilmiştir ...11

1.6. Dekoratif sanat ürünleri... 15

1.7. Geopolimer malzemden üretilmiş elektrik panoları ... 15

2.1. Milcrotest marka etüvde kaolenlerin 80˚C 24 saat kurutulması... 21

2.2. Kaolenlerin Nabertherm marka fırında sinterleme şekli ... 21

2.3. Gabbrielli Mill-2B marka jet değirmen ve seramik kavanoz ... 22

2.4. PANalytical - AXIOS XRF cihazı ... 24

2.5. Rigaku marka XRD cihazı ... 25

2.6. Fritsch marka agat havan ... 25

2.7. Fei Novanano sem 650 marka SEM cihazı ... 26

2.8. CnsFarnell marka ultrasonik test cihazı ... 27

2.9. Unıtest Materıal Testıng Equipment basınç dayanım test cihazı ... 27

2.10. 30mm çaplı silindir kalıp ... 28

2.11. Unitest Material Testing Equipment basınç dayanım test cihazı... 28

3.1. K1 kodlu İran kaoleninin X-ışınımı kırınım paternleri ... 31

3.2. K2 kodlu Ukrayna kaoleninin X-ışınımı kırınım paternleri ... 31

3.3. K3 kodlu CC31 kaoleninin X-ışınımı kırınım paternleri ... 32

3.4. K4 kodlu A-130 kaoleninin X-ışınımı kırınım paternleri ... 32

3.5. K5 kodlu Grolleg kaoleninin X-ışınımı kırınım paternleri ... 33

3.6. 700˚C sinterlenen K1 kodlu İran kaoleninin X-ışınımı kırınım paternleri ... 34

3.7. 700˚C sinterlenen K2 kodlu Ukrayna kaoleninin X-ışınımı kırınım paternleri ... 35

3.8. 700˚C sinterlenen K3 kodlu CC31 kaoleninin X-ışınımı kırınım paternleri ... 35

3.9. 700˚C sinterlenen K4 kodlu A-130 kaoleninin X-ışınımı kırınım paternleri ... 36

3.10. 700˚C sinterlenen K5 kodlu Grolleg kaoleninin X-ışınımı kırınım paternleri ... 36

3.11. 1000˚C’de sinterlenen K1 kodlu İran kaoleninin X-ışınımı kırınım paternleri ... 38

(11)

ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)

3.13.1000˚C’de sinterlenen K3 kodlu CC31 kaoleninin X-ışınımı kırınım paternleri ... 39

3.14. 1000˚C’de sinterlenen K4 kodlu A-130 kaoleninin X-ışınımı kırınım paternleri ... 39

3.15. 1000˚C’de sinterlenen K5 kodlu Grolleg kaoleninin X-ışınımı kırınım paternleri ... 40

3.16. Ham kaolenli geopolimerlerin kür sıcaklığına göre ses ilerleme hızları ... 42

3.17. Metakaolenli geopolimerlerin kür sıcaklığına göre ses iletim değerleri ... 43

3.18. Spinel kaolenli geopolimerlerin kür sıcaklığına göre ses iletim değerleri ... 44

3.19. K1 kaolenli geopolimerin kaolen yapısı ve kür sıcaklığına göre ses iletim değerleri ... 45

3.24. Farklı kaolen yapılarında geopolimerlerin 40˚C kürleme sonrası ses iletim değerleri ... 50

3.25. Farklı kaolen yapılarında geopolimerlerin 80˚C kürleme sonrası ses iletim değerleri ... 51

3.26. Farklı kaolen yapılarında geopolimerlerin 120˚C kürleme sonrası ses iletim değerleri .... 52

3.27. Ham kaolenli geopolimerlerin kür sıcaklığına göre bulk yoğunluk değerleri ... 53

3.28. Metakaolenli geopolimerlerin kür sıcaklığına göre bulk yoğunluk değerleri ... 54

3.29. Spinel kaolenli geopolimerlerin kür sıcaklığına göre bulk yoğunluk değerleri ... 54

3.30. K1 kaolenli geopolimerlerin kür sıcaklığına göre bulk yoğunlukları ... 55

3.35. Farklı yapıda kaolenli geopolimerlerin 40˚C kür sonrası bulk yoğunlukları ... 58

3.38. Ham kaolenli geopolimerlerin basınç dayanımı değerleri ... 61

3.39. Metakaolenli geopolimerlerin basınç dayanımı değerleri ... 62

3.40. Spinel kaolenli geopolimerlerin basınç dayanımı değerleri ... 63

3.41. K1 örneklerinin kür sıcaklığına göre basınç dayanım değerleri ... 64

(12)

ŞEKİLLER DİZİNİ (devam)

3.46. Yapılarına göre kaolenli geopolimerlerin 40˚C kür sonrası basınç dayanımları ... 67

3.49. K1 kodlu ham kaolenle hazırlanan geopolimerin X-ışını kırınım paternleri ... 69

3.50. K1 kodlu metkaolenle hazırlanan geopolimerin X-ışını kırınım paternleri ... 69

3.51. K1 kodlu kaolenle üretilip 80˚C’de kürlenen geopolimerin, farklı büyütme oranında mikroyapı görüntüleri ... 72

3.52. K1 kodlu kaolenli geopolimerin EDX görüntüsü ... 73

3.53. Şekil 3.52’de K1 kaolenli geopolimerde seçilen alan 1’nin elementel analizi... 74

3.56. K1 kodlu metakaolenle üretilip 120˚C’de kürlenen geopolimerin, farklı büyütme oranında mikroyapı görüntüleri ... 77

3.57. K1 kodlu metakaolenli geopolimerin EDX görüntüsü ... 78

3.58. Şekil 3.57’de K1 metakaolenli geopolimerde seçilen alan 1’in elementel analizi. ... 78

3.59. Şekil 3.57’de K1 metakaolenli geopolimerde seçilen alan 2’nin elementel analizi. ... 79

3.60. Şekil 3.57’de K1 metakaolenli geopolimerde seçilen alan 3’ün elementel analizi. ... 79

3.61. Şekil 3.57’de K1 metakaolenli geopolimerde seçilen alan 4’ün elementel analizi. ... 80

(13)

ÇİZELGELER DİZİNİ

Çizelge

Sayfa

1.1.Kaolin kullanan sektörler ve dağılımları (%) ... 5

1.2. Geopolimerlerin kimyasal yapılarına göre sınıflandırılması ... 7

3.1. Kaolenlere ait XRF analiz sonucu. ... 30

3.2. Ham kaolenlerin içerdiği mineraller ve oranları ... 33

3.3. Ham kaolenlerin içerdiği minerallerin kristal kafes parametreleri ... 34

3.4. 700˚C’de sinterlenen kaolenlerin içerdiği fazlar ve oranları ... 37

3.5. 700˚C’de sinterlenen kaolenlerin içerdiği fazların kristal kafes parametreleri ... 37

3.6. 1000˚C’de sinterlenen kaolenlerin içerdiği fazlar ve oranları ... 40

3.7. 1000˚C’de sinterlenen kaolenlerin içerdiği fazların kristal kafes parametreleri ... 41

3.8. K1 kaoleni ile üretilen geopolimerlerin mineral içeriği ... 70

3.9. K1 kaoleni ile üretilen geopolimerlerin içerdiği minerallerin kafes parametreleri ... 71

3.10. K1 kaolenli geopolimer örneğin elementel analizlerinin oksit olarak oranları ... 75

(14)

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ

Simge Açıklama σ : Basınç Dayanımı H : Entalpi U : İç Enerji V : Hacim P : Basınç A : Kesit Alan N : Newton d : Yoğunluk m : Kütle r : Yarı Çap h :Yükseklik K : Potasyum Na : Sodyum Ca : Kalsiyum Ba : Baryum O : Oksijen C : Karbon Si : Silisyum Al : Alüminyum Cu : Bakır Pb : Kurşun Cd : Kadmiyum Cu : Bakır ˚C : Santigrat Derece T1 : Soğuk taraf sıcaklığı T2 : Sıcak taraf sıcaklığı

ΔT : Sıcak ve soğuk uç arasındaki sıcaklık farkı

(15)

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam)

Simge Açıklama

nm : Nanometre

f : x-ışınının frekansı λ : Işığın dalga boyu

gr : Gram kg : Kilo Gram dk : Dakika sn : Saniye mm : Milimetre cm : Santimetre % : Yüzde W : Watt mK : Metre kelvin Kısaltma Açıklama

DSC : Diferansiyel Taramalı Kalolimetre TG : Termogravimetrik analiz

XRF : X-Işını Floresans Spektrometre XRD : X-Işını Difraktometresi

EDX : Enerji Saçılımlı X-ışını spektrometre SEM : Taramalı Elektron Mikroskobu

FTIR : Fourier Dönüşüm Kızıl ÖtesiSpektroskopisi NaOH : Sodyum Hidroksit

H2O : Su

CO2 : Karbondioksit

SiO2 : Silisyum Dioksit

Al2O3 : Alüminyum Oksit

Fe2O3 : Demir Oksit

(16)

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ (devam)

Kısaltma Açıklama

PS : Poli Sialat

PSS : Poli Sialat Silokso PSDS : Poli Sialat Disokso

MÖ : Milattan Önce

pH : Hidrojen Gücü

MPa : Mega Pascal

K1 : İran-1 Kaolen

K2 : Ukrayna Kaolen

K3 : CC-31 Kaolen

K4 : A-130 Kaolen

(17)

1.GİRİŞ

Artan dünya nüfusu, çevresel faktörler ve buna bağlı değişimi dünya çapında artan bir çevre duyarlılığı oluşturmuştur. Bu anlamda yapılan malzemelerin de değişmiş tasarım ve teknik özelliklerin yanında çevresel faktörler de değerlendirilmeye başlanmıştır. Bu doğrultuda alternatif malzeme arayışı pek çok çalışmaya öncü olmuştur. Yenilikçi malzemelerden öne çıkan malzemelerden biri de geopolimer malzemelerdir.

Geopolimerlere olan ilginin artışı ekonomik açıdan büyüme gösteren ülkelerin buna paralel olarak enerji kullanımının da artmasından kaynaklanmaktadır. Artan enerji kullanımı beraberinde çevre kirliliğini de getirmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarına duyulan ilgi küresel ısınmanın artışı ile doğrudan orantılı olarak artmakta ancak elde ki kaynakların da daha verimli kullanılması gerektiğini göstermiştir. Bu da alternatif yapı malzemeleri ve enerjinin geri dönüşümü çalışmalarına ivme kazandırmıştır (www.epdk.gov.tr/ yayin_rapor/yillik/2007/2007. pdf, 08.05.2016).

1979 yılında Davidovits tarafından ilk kez kullanılan geopolimer terimi aslında alümina silikat esaslı malzemelerin alkali silikatlarla aktive edilmesiyle oluşan alkali alümina silikat bağlayıcı yapıları olarak tanımlanmıştır. Geoplimer ve inorganik esaslı polimerler çevreye verdikleri katkı nedeniyle çevre koruyucu yeni mühendislik malzemelerdir. Kısaca alkali aktive alümina silikatlar olarak adlandırmak daha doğru bir yaklaşımdır. Portland çimentosuna kıyasla çok düşük CO2 salınımı yapmaktadırlar. Bunun yanı sıra sağlam ve çok yönlü üretim çeşitliliği

sağlanmasıdır. Kullanılacak geopolimerin yapısının amorf ya da kristalize olması yoğunlaşma sıcaklığına bağlıdır (Cioffi vd., 2003).

Artan Dünya nüfusu beraberinde çevre kirlenmesini de arttırmış ve bu sorunun giderilmesine yönelik çalışmalara yol açmıştır. Toplumda oluşturulmaya çalışılan çevre bilinci yanı sıra malzeme üretilmelerinin de bu anlamda şekillenmesine öncü olmuştur. Bu doğrultuda çevre dostu yeni teknolojiler, modern yapılar ve uygulamalar yeni nesil malzemelerin üretilmesi için itici bir güç olmuştur. (Lloyd vd., 2009) bu anlamda geopolimerizasyon üretimi ve yenilikçi bir malzeme oluşumu itibariyle geopolimer gelişen teknoloji ve yeni malzeme gereksimini birlikte karşılayabilmektedir (Xu ve Deventer, 2000).

Ukraynalı bilim adamı olan Glukhovsk’nin 70-80 yıl öncesinde inorganik esaslı malzemelerin ilk çalışmalarını yapmıştır. Glukhovsky çalışmalarında yüksek kalsiyum içerikli cüruflarla alkali çözelti karışımında elde ettiği sert ve dayanıklı malzemeleri bina inşasında

(18)

kullanmıştır. Glukhovsky geopolimerleri alkali aktive çimento olarak tanımlamıştır. 1940’lı yıllara gelindiğinde Purdon tarafından yenilikçi pek çok katkı sağlanmıştır (Duxson vd., 2005).

Purdon’un çalışmaları incelendiğinde NaOH ile yüksek fırın cürufunun aktive edildiği görülmektedir. Bu aktivasyon çalışmaları iki aşamadan oluşmaktadır. İlkinde silisyum, alüminyum ve kalsiyum hidroksit serbest kalmakta iken, ikinci aşamada silika ve alümina hidratların oluşumu söz konusudur (Khale ve Chaudhary, 2007; Pacheco-Torgal vd., 2008a).

1980’li yıllara gelindiğinde, Davidovits’in cüruf yerine kaolen kullandığı farklı pek çok çalışma yaptığı görülmektedir. Bu çalışmalarda düşük sıcaklıklarda kaolen ve alkali silikat çözeltisi reaksiyonuyla kısa zamanda sertleşen ve mukavemet kazanan çevresel koşullara dayanımlı malzemelerin üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada elde edilen ürün silika polimerizasyonu benzeri bir prosesle sentezlenmiştir. Çok miktarda alümina içeren inorganik hammaddeler kullanılarak üretilen malzemenin alkali silikat çözeltilerle muamele edilmesiyle sentezlenen bu tür malzemeler geopolimer olarak adlandırılmış ve bu ismin literatüre Davidovits tarafından geçişi gerçekleşmiştir (Xu ve Deventer, 2000).

Literatürdeki çalışmalar incelendiğinde Li vd.’nın NaOH ve kömür uçucu külünü kullanarak katı hal erime yöntemiyle (solid – state fusion method) geopolimer ürettiği çalışmada adsorbonlar sentezlemiştir. Bu adsorbonların ise amorf alümina silikat geopolimerlerden meydana geldiğini ifade etmektedir. Uçucu küllerden üretilen bu inorganik polimerlerin adsorban olarak kullanımının metilen mavi ve kristal mor benzeri bir takım bazik boyaların sulu çözeltilerden uzaklaştırılmasıyla mümkün olduğu ortaya konmuştur. Bu adsorban malzemenin adsorbsiyon kapasitesi başlangıçta kullanılan NaOH/Uçucu Kül oranı ve sıcaklığa bağlı olarak değişim göstermektedir. Nihai ürün özellikleri literatürde uçucu kül ve doğal zeolit içeren malzemelerle kıyaslandığında daha yüksek adsorpsiyona sahip olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçlar incelendiğinde Langmuir modelinin en iyi değeri sağladığı görülmüştür.

Li vd. (2006) ayrıca endotermik reaksiyon esnasında kristal morun adsorbe olduğu, ekzotermik reaksiyonda ise metilen mavisinin adsorpsiyonun meydana geldiğini göstermiştir (Li vd., 2006).

Wang vd. (2005) uçucu küle geopolimer üretilen bir başka çalışmada Wang vd. (2005) NaOH’ın uçucu kül oranından fazla olduğu miktarlardan daha yüksek adsorbsiyon elde etmiş bunun artan sıcaklıklarla (belirli bir noktaya kadar) daha da arttığını tespit etmişlerdir. Çalışmanın devamında kinetik hesaplamalarla adsorbsiyon sürecinin yalancı 2. Mertebe kinetiğini takip ettiği ortaya konmuştur (Wang vd., 2005).

(19)

Doğal zeolit tüfü ve kaolen karışımı kullanan El-Eswed vd. (2009) çalışmalarında alkali katı hal dönüşümü sağlayarak geopolimer elde etmişlerdir. Sonrasında bu ürüne dolgu katkısı olarak Ürdün bölgesi silis kumu ilave ederek basma mukavemetinde meydana gelen değişimi gözlemlemişlerdir. Çalışmanın sonucunda zeolit tüf ile katkılanan örnekler diğer katkılananlara oranla daha yüksek mukavemet değeri göstermiştir. X-ışını desenleri incelendiğinde ise, geopolimerizasyonla amorf fazların ortaya çıktığı görülmüştür. Adsorpsiyon deneyleri adsorban olarak üretilen geopolimerlere uygulanmıştır ve burada metilen mavisinin, Pb+2_{iyonlarının, Cd}+2

iyonlarının ve Cu+2_{iyonlarının reaksiyonel davranışları araştırılmıştır. Çalışmada sentezlenen}

adsorbanın adsobsiyon kapasitesiyle bileşenleri arasında ki karşılaştırma Langmuir parametreleri ile hesaplanarak tespit edilmiştir. Sonuçta elde edilen adsorbanların kaolen ve zeolitle sentezlenen örneklerden daha yüksek adsorpsiyon gösterdiği vurgulanmaktadır. Ayrıca kaolenin kullanıldığı geopolimer yapılarda zeolit dolgu malzemesi olarak ve su arıtımında ise, endüstriyel adsorban olarak kaolen ise, bağlayıcı olarak avantajlar sağlandığından da bahsedilmektedir (El - Eswed vd., 2009a;2009b; 2009c).

Atık kömür uçucu külüyle yapılan örneklere bakıldığında Al-Zboon vd.’nın yaptıkları Pb+2_{iyonlarını uzaklaştırmaya çalışmışlardır. Atık kömür külü adsorban olarak kullanılmış ve}

elde edilen geopolimer yüksek amorfluk göstermiştir. Pb+2_{‘nun adsobsiyonuna etki eden, polimer}

miktarı, başlangıç konsantrasyonu, pH, sıcaklık ve temas zamanı gibi parametreler araştırılmıştır. Kullanılan külün bileşenleri %91,53 SiO2, Al2O3 ve Fe2O3 ‘ten oluşmaktadır. Elde edilen

geopolimerin ham kömür külü ile yapılan örekleriyle kıyaslandığında Pb+2_{iyonları için daha fazla}

uzaklaştırma kapasitesine sahip olduğu ortaya çıkmıştır. Bu da göstermektedir ki uzaklaştırma verimi artan geopolimer miktarı, sıcaklık, temas zamanı ve azalan Pb+2_başlangıç

konsantrasyonuyla artmaktadır (Al - Zboon vd., 2011).

Adsobsiyon işleminin endotermik bir reaksiyon olduğu ve artan sıcaklıkla daha verimli çalıştığı görülmüştür (Al - Zboon vd., 2011).

Yapılan bu çalışmalardan yola çıkılarak kaolen, metakaolen ve spinel gibi puzolanik gibi karakteristiklere sahip malzemelerle alkali aktifleştiricilerin kullanılarak geopolimer üretimi amaçlanmıştır.

Geopolimer malzeme sentezinde elde edilecek örneklere uygulanan kür işlemleri nihai ürünün nihai dayanımları üzerinde oldukça etkili olduğu için çalışmada hazırlanan numunelere kür uygulanmıştır. Bu çalışmada üretilen geopolimerlerin optimum basınç dayanım özelliklerine sahip olması hedeflenmiş ve bu doğrultuda çalışmalar yürütülmüştür. Bu amaçla çalışmada

(20)

kaolenler kullanılmış ve uygulanan çalışmalarla geopolimer üretimi sağlanmıştır (Al - Zboon vd., 2011).

1.1. Kaolin Nedir?

Çin’in Kianski bölgesinde bulunan Kao-Ling (yüksek dağ) dağından ismini alan kaolin ana minerali kaolinit olan kil türevi malzemelerdir. Kaolinin hammaddesi Alüminyum -Hidra – Silika (Al2Si2O5(OH)4)’dır. Farklı mineralleri ise halloysit, dikit ve nakrittir. Sınıflandırma için

kristal yapıları göz önüne alacak olursa eş boyutta ve aynı yönde uzanan yapıda ki kaolinit grupları diğer türlerden ayrılmaktadır. Kaolinit mineralinin oluşumu; feldispat içerikli granitik ya da volkanik kayaçların feldispatlarının değişimiyle gerçekleşmektedir. Temelde ana kayada yer alan toprak alkali iyonlarının ortamdan çözünür tuzlar halinde uzaklaşmasıyla Al2O3 ihtiva eden

sulu silikat zengin kayaçlar kaolinitleri oluşturmaktadır (Salam, 2004; Özaydın, 2008).

Feldispatlar K, Na, Ca ve seyrek de olsa da Ba’lu alüminyum silikatlar olup doğada önemli mineral gruplarını oluşturmaktadır. Bu mineraller monoklinik ve triklinik sistemde kristalleşmelerine rağmen tümünün kristal şekilleri, yüzey açıları birbirine benzer ve 90° lik açı yapan iki iyi gelişmiş dilinimleri vardır. Sertlikleri 6, özgül ağırlıkları 2,55-2,76 gr/cm3_’dür.

Granitik veya volkanik kayaçların feldspatlarının bozunarak kaolinit mineraline dönüşmesi sonucu kaolinler oluşmaktadır (Özaydın, 2008).

Türkiye’deki kaolin yataklarını incelediğimizde oluşumlarının daha çok dasit, tüf, granit ve andezitlere bağlı geliştiği görülmektedir. Türkiye genelinde toplam 102 kaolin yatağı tespit edilmiştir. Kaolinin en büyük tercih nedenlerinden biri ise alternatifi pek çok malzemeden daha düşük maliyette olmasıdır. Ancak bazı alanlarda kaolin kullanımı tane boyut dağılımı, renk, parlaklık ve viskozite gibi özelliklerde çok ciddi spesifikasyonları gerektirmektedir. Ancak genel kullanımları pratikte hiçbir spesifikasyon içermemektedir. Kullanılan alana göre tercih edilen özellikler değişmektedir. Örneğin çimentoda kaolinin kimyasal birleşimi çok önem arz eder. Türkiye’de ki kaolinin %80’i çimentoda kullanılması itibariyle kimyasal içerik öne çıkan spesifikasyonlar arasındadır (Salam, 2004).

Bunun dışında kaolinler; seramik, kâğıt, plastik, ilaç ve boya gibi pek çok endüstriyel alanda kullanım imkânı bulmaktadır. Türkiye’de ki kaolinlerin %20’si ise bu alanlarda kullanılmaktadır. Bu da göstermektedir ki, Türkiye’de ki kaolinler ham olarak tüketim imkânı bulmaktadırlar (Özaydın, 2008).

Bu kaolen yatakları daha çok Marmara, Doğu Karadeniz, İç Batı ve Orta Anadolu bölgelerinde yer almaktadır. Aktif olarak işletilen ocaklara bakıldığında ise Çanakkale, Bursa,

(21)

Balıkesir, İstanbul, Bilecik, Uşak, Eskişehir illerinin başta gelen kaolin işletmelerini barındırdığını görülmektedir (Salam, 2004).

Ülkemizde yıllık ortalama kaolin üretimi birkaç yüz bin tondur. Dünyada ki en büyük kaolin üreticileri araştırıldığında ise; ABD, İngiltere, Hindistan, Fransa, Almanya, Çekoslovakya, İspanya ve Japonya başta gelen ülkeler olarak sıralanmaktadır (Salam, 2004).

Kaolin endüstriyel olarak pek çok alanda kullanılmaktadır ve yapılan çalışmalarla bu alanların sayısı gün geçtikçe artmaktadır. Kaolin geniş bir pH aralığına sahip olması, kimyasal olarak inert bir malzeme olması itibariyle endüstriyel açıdan essiz bir mineraldir ve yeni keşiflere neden olmaktadır. Kaolinin beyaz rengi kaplama filmlerinde ve dolgularda pigment ya da inceltici olarak kullanımına olanak vermektedir. Yumuşak ve aşınmaz yapısı ise, düşük ısı ve elektrik iletkenliğine sahip olmasına etkendir.

Çizelge 1.1.Kaolin kullanan sektörler ve dağılımları (%) (Özaydın, 2008).

SEKTÖR YÜZDE (%)

Kağıt, dolgu ve kaplama %50

Seramik %20 Refrakter %10 Lastik ve plastik %5 Beyaz çimento %5 Boya %3 Fiberglas %2,5 Diğer %4,5

1.1.1. Kaolinin kristal yapısı

Kaolinit minerali birim katmanlarından oluşmaktadır. Silika tetrahedralarının tepe noktası ve alümina tabakalarında yer alan oktahedraların bir yüzeyinde bulunan O2’lerin ortak

kullanımıyla oluşan birim katmanlar TO şeklinde simgelenmiştir. Bu her bir birim katmanın kalınlığı 0,72 nm’dir ve yaklaşık 100 birim katman üst üste gelerek kaolinit parçacıklarını meydana getirir. Ortaya çıkan parçacıkların gelişi güzel şekilde birleşmesi ise kaolinit minerallerini oluşturmaktadır. Kaolinitin tüm özelliklerini taşıyan en küçük kristal” birim hücre” olarak adlandırılmıştır. Birim hücre (OH)8Al4Si4O10 şeklinde gösterilmiştir. Bir birim hücrede

hücrenin yapı taşları tarafından ortak kullanılan oksijen iyonları yanında yalnız 1 yapı taşına ait O2 ve OH- iyonlarını barındırır (Salam, 2004). Şekil 1.1 de kaolinin kristal yapısı gösterilmektedir

(22)

Şekil 1.1. Kaolinin kristal yapısı (He, 2004).

1.1.2. Kaolin ve ısıl işlem

Kaolinit sıcaklığa bağlı olarak farklı reaksiyonel değişimler gösterir. Endotermik reaksiyon geçirdiği 450˚C sıcaklıkta yapısında bulunan su uzaklaşmaktadır. Bunun devamında Al2O3. 2SiO2 kimyasal formülüyle gösterilen metakaolen oluşumu meydana gelir. Sıcaklık

960-990˚C aralığına ulaştığında ekzotermik neaksiyon ile birlikte amorf metakaolin formu yeniden düzenlenerek,

Al2O3.2H2O.2SiO2→Al2O3. 2SiO2+2H2O+ Enerji (1.1)

formülüne sahip spinal benzeri yapı oluşmaktadır (Pekdemir, 2008).

Denklem 1.1 spinel yapı oluşum denklemidir. Bu sıcaklığın üzerinde kaolin plastiklik özelliğini kaybederek puzolanik bir yapıya dönüşmektedir. Metakaolen için ise; kaolinit yapısının sahip olduğu oktahedral alüminyum kaolinitin reaksiyona girmesinden ortada kalmasını sağlamaktadır. Ancak reaksiyona uğraması durumunda tedrahedral alüminyum meydana gelmektedir. Böylece bu durumun aşılabileceği görülür. Yanı kaolinite uygulanan ısıl işlem sonrası 914 cm-1_{bandı yerine 798 cm}-1_{bandı olduğu saptanmıştır (Davidovits, 2008).}

Hidroksitlerin kaolinit yapısından uzaklaşması ısıl işlemle mümkün olmaktadır. Bundan amaç, bünyede fazladan enerji depolamaktır (Xu ve Devanter, 2000b). Bünyede artan enerji sayesinde ise hammadde aktifliği artarak reaksiyon gücü de artmış olur (Santoro vd., 2003).

(23)

1.2. Geopolimer Nedir?

Doğal minerallerin kimyasal ve kristal yapılarını değiştirerek yeni malzeme üretilmesi olayına geopolimer denir. 1978’de Davidovits’in tanımladığı geopolimer bağlayıcılar sonrasında kimya dışında mühendislik alanlarının da ilgisini üzerine toplamıştır ve literatürde bu alanda pek çok çalışmaya öncü olmuştur.

Bugün gelinen noktada ise geopolimerler incelendiğinde çevre dostu özelliklerinin yanı sıra yüksek erken dayanım asit ve sülfatlara direnç özellikleri geopolimerlerin normal portland çimentolarına alternatif oluşumların ortaya çıkmasına neden oldukları görülmektedir (Thokchom vd., 2009).

Bu tür malzemelere olan ihtiyacın temeline bakıldığında 1970’li yıllarda Fransa’da yer alan ahşap ve çelik esaslı malzemelerden inşa edilen bina yangınlarının pek çok ülkede de artmasıdır. Bu ihtiyaç yeni kaplama malzemelerinin keşfine yol açmıştır. Binalarda özellikle kapı ve pencerelerde kullanılan Poli –Vinil- Klorür ve Poli Üretan benzeri polimerler yapısında petrol türevi malzemeler içerir ve bu nedenle yanma özelliklerinden kurtarmak mümkün değildir (Davidovits, 2008).

Yanmama özelliği ancak minerallerle sağlanabilmektedir. Si ve C elementleri ele alındığında organik kimyanın temel elementlerinden C’un ve Si ile atom özellikleri yönünden aynı grupta yer almasına rağmen Si bir alt periyotta yer almaktadır. Si’un bu konumu ametal özellikli C’dan farklı olarak metaloit özelliklere sahip olduğunu göstermektedir. Metaloit malzeme özellikleri incelendiğinde ise kimyasal açıdan ametal gibi davranmasına rağmen yarı iletkenlikleriyle metal özellikler gösterdiği ortaya konmuştur (Brady ve Holum, 1996).

Literatürde geopolimerler belli başlıklarda kimyasal yapılarına göre sınıflandırılmıştır. Çizelge 1.2’de

Davidovits’in yaptığı sınıflandırmayı görmek mümkündür (Davidovits,

2008).

Çizelge 1.2. Geopolimerlerin kimyasal yapılarına göre sınıflandırılması.

Geopolimer adı Kısaltması Kimyasal Yapısı

Poli (sialat) PS (-Si-O-Al-O)

Poli (sialat-silokso) PSS (-Si-O-Al-O-Si-O)

Poli(sialat-disilokso) PSDS (-Si-O-Al-O-Si-O-Si-O)

Tabloda verilen geopolimerlerin kristal yapısı ise aşağıda bulunan Şekil 1.2’degösterilmiştir.

(24)

Şekil 1.2. Geopolimerlerin kristal yapısı (Davidovits, 2008).

Bu kristal yapıya göre reaksiyonlar ekzotermik olarak üç boyutlu yapıyı oluşturur. Alümina Silikat Hidratlarının ısıya maruz bırakılması ile OH-_{iyonları su oluşturarak ayrışır ve}

Si-O-Al bağlarının oluşumunu gerçekleştirir. Geopolimerin bu oluşum mekanizması Şekil 1.3’de gösterildiği dibidir (Duxson vd., 2005).

(25)

Si, 4 elektron ve 1 metaloid verme eğiliminde olan iyonizasyon enerjisi C’a oranla daha az olan bir katyondur. Bu yüzden Si ‘un O ve diğer elementlerle kuracağı bağlar daha kararlıdır. Bu kararlı hal geopolimer kimyasının temelini oluşturur. Geopolimer kimyasının temelinde ki bu özelliklerden yola çıkılarak silikat moleküllerinin (AlO4) alüminat molekülleri ile O2 atomlarının

e-1_{‘larını paylaşmasıyla elde edilen polisilikatlar ve yine silika moleküllerinin zincir bağlarından}

meydana gelen siloksonların keşifleri gerçekleştirilmiştir. Bu keşiflerle geopolimer kimya çalışmalarının yapı taşları oluşturulmuştur (Davidovits, 2008).

Yapılan çalışmalar doğrultusunda bugüne kadar tanımlanan 9 tip geopolimer malzeme bulunmaktadır. Bu malzemeler aşağıda verildiği gibidir:

❖ Camsuyu esaslı geopolimer, polisiloksonat (Si: Al=1:0) ❖ Kaolin hidrosodalit esaslı geopolimer, polisialat (Si: Al=1:1) ❖ Metakaolinit esaslı geopolimer, poli(sialat-silokso) (Si: Al=2:1) ❖ Kalsiyum esaslı geopolimer, (Ca, K, Na)-sialat, (Si: Al=1, 2, 3) ❖ Kayaç esaslı geopolimer, poli(sialat-multisilokso) (1< Si: Al<5)

❖ Silika- esaslı geopolimer, sialat ve silokso bağlı poli(siloksonat) (Si: Al>5) ❖ Uçucu kül esaslı geopolimer

❖ Fosfat esaslı geopolimer

❖ Organik maden esaslı geopolimer (What is Geopolymer? www.geopolymer.org.). Organik kimyadan-fizikokimyaya, mineralojiden-jeolojiye gibi birçok mühendislik alanları gibi pek çok bilimsel alanlardan endüstriyel alanlara kadar geopolimerler kullanımı ve özellikleri açısından araştırılmaktadır. Bunun nedeni; yukarıda bahsedildiği gibi çok geniş bir alanda uygulanma imkânı sağlamasıdır. Uygulanma alanlarına göre ürünn açısından incelendiğinde; yangına dayanıklı malzemelerden, dekoratif taş eserlere, düşük enerjili seramiklerden, çimento-betona, alt yapı ve onarımda kullanılan kompozit karışımlardan, radyoaktif ve zehirli atıkların değerlendirildiği oluşumlara kadar pek çok kalemde avantaj sağlamaktadır (Davidovits, 2008).

Geopolimerler üretiminde kullanılan malzemeler incelendiğinde; kaolin, metakaolin, cüruf, uçucu kül, vb. bağlayıcılar ile potasyum hidroksit, sodyum hidroksit ve sodyum silikat gibi alkali çözeltileri karışımları ilk sıralarda yer almaktadır. Bahsi geçen bağlayıcılar ve aktivatörlerden sentezlenen yapı geopolimer hamuru olarak isimlendirilmiştir. Geopolimerler tek bir malzemeden üretildiği gibi birçok farklı malzeme kombinasyonundan da üretilmektedir (Xu ve Deventer, 2002).

(26)

Kimyasal bileşimi yönünden zeolite çok benzerlik göstermesine rağmen geopolimerler amorf mikroyapısındadırlar (Xu ve Deventer, 2000). Geopolimerler polimerik Si-O-Al-O kafes yapısından meydana gelmesinin yanında SiO4 ve AlO4 bileşikleri bu kafes yapısının bileşenlerini

oluşturmaktadır (Swanepoel ve Strydom, 2002).

Geopolimer malzemelerin sertleşen mikroyapıları Mısır‟daki piramitlerin, Roma‟daki amfi tiyatronun mikroyapılarına çok benzemektedir. Pek çok uzmana göre tarihi yapıların inşasında doğal taşların yapısından ziyade geopolimerizasyondan faydalanılmıştır. Eski dönemde ki yapıları inceleyen araştırmacılar geopolimer teorilerinin doğruluğunu ıspatlamak adına araştırmalar yapmaya devam etmektedirler (Li vd., 2004).

1.2.1. Geopolimer türleri

Geopolimerler içerdikleri malzemeler ve Si/Al oranına göre sınıflandırmalara tabi tutulmuştur. Bu sınıflandırmaları aşağıda ki gibi sıralamak mümkündür.

❖ Alkali silikatlar (siloksonat-silikat çözeltisi) Si/Al=1:0 ❖ Kaolonit/hidrosodalit esaslı geopolimerler Si/Al=1 ❖ Metakaolonit esaslı geopolimerler

❖ Kalsiyum esaslı geopolimerler Si/Al=1-3 ❖ Kayaç esaslı geopolimerler Si/Al=1-5

❖ Silis esaslı geopolimerler (silokso-siloksonat bağı) Si/Al>5 ❖ Uçucu kül esaslı geopolimerler

❖ Fosfat esaslı geopolimer ❖ Organik mineral geopolimer

❖ Geopolimer bağlayıcılar (Çimentolar) ❖ Zeolit tabanlı geopolimerler

❖ Ferronikel tabanlı geopolimerler ❖ Pomza tabanlı geopolimerler ❖ Geopolimer tuğlalar

❖ Çelik lif tabanlı geopolimerler ❖ Cüruf esaslı geopolimerler

(27)

Farklı çalışmalarda elde edilen deney sonuçları değerlendirilerek geopolimer çimentoların; klor solüsyonları, asit alkali ve sülfat gibi çimento esaslı malzemelerin bozunmasına neden olan kimyasal etkenlere daha fazla direnç gösterdiği tespit edilmiştir. Başka bir deyişle doğrudan su tutmayan geopolimerler betonda meydana gelen su kayıplarının çimento yapısına zarar vermesini kısmi olarak engellemektedir. Çimentolara ait özellikler kimyasal yapılardan kaynaklanmaktadır ve bu normal Portland çimentosu üzerinde gelişim sağlamaktadır. Şekil 1.4’de Portland çimentosu ve geopolimer esaslı çimentoya ait priz süresine bağlı olarak değişen basınç mukavemet değerleri görülmektedir (Mcnulty, 2009).

Şekil 1.4. Normal Portland çimentosu ile geopolimer çimentoların basınç dayanımları ile kür süresi arasındaki ilişki (Mcnulty, 2009).

Şekil 1.5. Portland çimetosu ile geopolimer malzemenin karşılaştırılması verilmiştir (www.geopolymers.com.au).

(28)

1.2.2. Geopolimer avantajları

Geopolimerlerin avantajları aşağıda maddeler halinde sıralanmıştır (Li vd., 2004). ❖ Geopolimerde kullanılan hammadde kaynaklarının doğada bol miktarda bulunması: alkali çözeltilerde çözünen silikat ya da alümina silikatlar doğada çok fazladır. Ayrıca endüstri atıkları veya yan ürünlerinden de geopolimer elde etmek mümkündür (Li vd., 2004).

❖ Enerji tasarrufu sağlaması ve çevre korumada yardımcı olması: Geopolimerler üretimi yüksek enerji tüketimine ihtiyaç duymaz. Doğal alüminasilikat yapılar düşük sıcaklıklarda (600-800˚C) Portland çimentosunun harcadığı enerjinin ancak 3/5’i gibi bir oranını kullanarak geopolimerik malzeme için hammaddeleri sağlamaktadır. Ayrıca ortama düşük miktarda CO2

salınımı yapar (Li vd., 2004).

❖ Basit üretim yöntemlerinin olması: Geopolimerler malzemelerin; alüminasilikat reaktif malzemelerin kuvvetli alkali çözeltilerle belli bir düzende karıştırılmasıyla kolayca sentezi mümkündür. Sonrasında oda sıcaklığında kür edilir ve kısa zamanda önemli ölçüde bir dayanım sağlamaktadır. Bu yöntem bir anlamda Portland çimentolu beton üretimine benzemektedir (Li vd., 2004).

❖ Hacmin kararlı değerlerde olması: Portland çimentolarıyla kıyaslandığında geopolimer malzemelerin %80 daha düşük rötreye sahip olduğu tespit edilmiştir (Li vd., 2004).

❖ Çok kısa zamanda dayanım kazanması: geopolimer prizlenmenin ilk 4 saatinde prizlenme sonunda elde edilmesi beklenilen nihai basınç dayanımının neredeyse %70’ini kazanabilme özelliği gösterirler (Li vd., 2004).

❖ Mükemmel derecede dayanıklı olması: beton ve harçlarla kıyaslandığında geopolimerlerin çok daha fazla dayanımı pek kayıp olmadan binlerce yıl dış etkilere dayanabilecek şekilde kazandığı ölçülmüştür (Li vd., 2004).

❖ Yüksek sıcaklıklara dayanım ve düşük ısıl iletkenlik: 1200°C gibi yüksek sıcaklıklarda bile geopolimerler dayanıklılık göstermektedir. Geopolimerler ısıl iletkenlik açısından ise hafif tuğlalara nispeten 2,24-0,3 W/mK aralığında düşük değerlere sahiptir (Li vd., 2004).

Geopolimer malzemelerin çevre dostu ve yenilikçi malzemeler olarak üretimsel açıdan önemli yapan özellikleri aşağıda ki gibi sıralayabiliriz;

(29)

1. Geopolimerler üretilirken kullanılan hammaddeler hem de ısıl süreçler açısından değerlendirildiğinde oldukça farklıdırlar. Proses aşamasında yüksek enerji ve sıcaklık gerektirmemesinin yanı sıra Portland çimentoya oranla %80 daha düşük CO2 salınım değerleriyle

çevre dostu bir teknolojiye sahiptirler (Mikuni vd., 2007).

2. Gelişen teknolojiyle tüketim toplumu haline gelinen günümüzde artan ekonomik faktörlere paralel olarak atık malzemelerin depolanması ve bertaraf edilmesi büyük bir sorun haline gelmiştir. Bu nedenle yapılan çalışmalar bunun yerine atıkların endüstriye geri kazanımı ve tekrar kullanımı yönüne kaymıştır. Bu doğrultuda uçucu kül, yüksek fırın cürufu ve maden posaları vb. pek çok endüstri atığı ve yan ürün malzemelerin modern yapı ve uygulamalarında kullanılan ana malzemelerden olan Portland çimentoya alternatif ve bunun dışında da pek çok alanda alternatif olan geopolimer malzeme üretiminde kullanımı önem kazanmıştır (Khale ve Chaudhary, 2007; Fernandez-Jimenez vd., 2006; Panias vd., 2007).

3. Geopolimerler çimento yerine de alternatif olan, ayrıca üretim süreciyle de çevre dostu özellikler göstermesi itibariyle evrenseldir. Ayrıca atık malzeme kullanımıyla da pek çok sorunu gidermektedir (Duxson vd., 2007a).

“Neden Geopolimer?” sorusunu yanıtlamak istersek; aşağıdaki şekilde açıklayabiliriz (www.geopolymers.com.au).

❖ Endüstriyel ortamlarda açığa çıkan yan ürünlerin geri kazanılacak faydalı ve değerli ürün haline dönüşümü.

❖ Büyük bir Pazar payına sahip inşaat malzemelerin de yeni ve cazip özelliklerde malzeme kazanımı.

❖ Çevreye zarar veren, zehirli ve sorunlu atık malzemelerin değerlendirilmesinde yenilikçi fırsatlar yaratmak.

❖ Gaz emilsiyon oranlarının düşürülmesi (www.geopolymers.com.au).

1.2.3. Geopolimerin dezavantajları

❖ Üretim alanına hammadde sevkiyatı ❖ Alkali çözelti maliyeti

❖ Alkali çözelti kaynaklı sağlık sorunları

❖ Buhar kür ve yüksek sıcaklık kür işlemlerinin zorluğu (Abdul Aleem ve Arumairaj, 2012).

(30)

1.2.4. Geopolimerin kullanım alanları

Geopolimerler yüksek sıcaklıkların meydana getirebileceği etkilere karşı dayanımlı, yüksek mukavemetli ve hızlı katılaşabilen yapılarıyla pek çok alanda fayda sağlar. Bunları sıralayacak olursak;

❖ Atık arıtmada,

❖ Yangın dayanıklılığında, ❖ Yapı ve askeri mühendislikte

❖ Biyo malzemelerde kullanılmaktadır (Yaoa vd., 2009). Geopolimerin fiziksel ve kimyasal özellikleriyle ise; ❖ Prefabrik yapı endüstrisi,

❖ Taşıyıcı ve taşıyıcı olmayan yapı malzemeleri, ❖ Heykelcilik ve süsleme sanatları,

❖ Beton esaslı yol kaplamaları,

❖ Zemin iyileştirme, nükleer atıkların depolanması, ❖ Refrakter seramik malzeme üretimi,

❖ Ağır iklim şartlarına ve yangına dayanıklı duvar kaplaması üretimi, ❖ Güçlendirme, tarihsel yapıların taşıyıcı sistemlerinin restorasyonu,

(31)

Şekil 1.6. Dekoratif sanat ürünleri (Davidovits, 2002).

Şekil 1.7. Geopolimer malzemden üretilmiş elektrik panoları (Davidovits, 2002).

Geopolimer bağlayıcıların kullanıldığı çok değerli tarihi yapı restorasyonlarında Hanzlicek vd., (2009) tarafından kullanılan malzemeler incelenmiştir. Bu anlamda Baroque heykelinin güçlendirilmesinde özel geopolimer bağlayıcıların hazırlandığı görülmektedir.

(32)

Heykelin dayanım ve stabilitesini sağlayan kavitesinde ki uygulamalarla görülmeyen kısımlar estetiği bozulmadan uygulamalar yapılmıştır. Son restorasyon işlemleri ve dış modülasyon klasik yöntemlerle kalsit yapıştırıcılar kullanılarak tamamlanmıştır.

Kullanıma açık binalar incelendiğinde; özellikle sürekli kullanılan ve çevresel faktörlere maruz kalan yerlerin (havaalanı gibi) onarımında geopolimer betonların sıkça kullanıldığı görülmektedir (Davidovits, 1994).

1.3. Geopolimerizasyon Nedir?

Geopolimerizasyonu moleküler seviyede incelersek oksijen köprüleri aracılığıyla sialat monomerlerin birleşmesi sonucu oluşan iki boyutlu zincir ya da üç boyutlu büyük ağ yapılı daha büyük moleküllere dönüştüğü bir sürece sahip olduğu anlaşılmaktadır (Maragkos vd., 2009).

Yeni ürünler ve süreçlere yol gösteren yenilikçi bir sürece sahip olan geopolimerizasyon hızla gelişen bir prosestir (Maragkos vd., 2009). Geopolimerizasyonun gelişime açık bir teknolik malzeme üretim sürecine sahip olmasının altında doğal mineraller, endüstriyel atık ve yan ürünlerinin kullanımına imkân vermesi nedeni yatmaktadır. Bu süreç yalnızca geoplimer sentezine has bir süreç olmamakla beraber geopolimer dışı seramik malzeme üretiminde de alternatif oluşturmaktadır (Long, 2008; Iwahiro vd., 2001).

1950’li yıllarda Glukhovsky’nin zeolit sentezi için önerdiği alkali aktivasyon süreci geopolimerizasyon sürecinin temelini oluşturmaktadır. Günümüzde Glukhovsky’nin modeli gelişen test ve analiz yöntemleriyle üretim aşamalarına müdahale imkânı sunmuştur. Böylece sentezlenen ürünlerle yapıların kontrolü mümkün olarak geopolimerizasyonun temelleri üzerine ilerlemeye olanak sunmuştur. Glukhovsky modeli olarak adlandırılan bu ana proses üç aşamadan meydana gelmiştir (Duxson vd., 2007a).

Geopolimerizasyon ekzotermik bir süreçtir ve bu aşamada su molekülleri dehitrate olmaktadır. Bu geopolimerler yoğunlaşmasında önemli bir reaksiyonel aşamadır. Kullanılan başlıca hammaddelerin; mineral bileşimleri, tane boyutları vb. özellikleri diğer malzeme üretimlerinde olduğu gibi geopolimerizasyon ürünlerinde fiziksel ve kimyasal özelliklerine etki etmektedir.

1.4. Su

Geopolimerizasyonda reaksiyon ortamı suyla oluşmaktadır. Bu ortamda O2 üreterek

birbiriyle bağlantılı olan ve homojen dağılıma sahip gözenekler üretebilmek adına uygun koşullar sağlaması gereklidir. Özellikle kendiliğinden köpüren geopolimer malzemeler incelendiğinde

(33)

çamurun su içeriğinin kontrol edilmesi gereken en temek parametre olduğu görülmektedir. Köpürmeyi sağlamak için gerekli H2 gazı çamurda yer alan sudan alındığı için bu proses çamurun

viskozitesini arttırmaktadır (Xu, 2002).

Geopolimer reaksiyonlar kendiliğinden başlayan bir sürece sahip olsa bile reaksiyonun ilerleyebilesi için suya (H2O) ihtiyaç duyulmaktadır. Bu süreçte kullanılan suyun miktarı önem

arz etmektedir. Gereğinden fazla su kullanımı konsantrasyonun seyredilmesine, dolayısıyla polimerizasyon hızının düşüşüne neden olmaktadır (Xu Van deventer, 2000a). Ayrıca su miktarının fazla olması ekstra kurutma işlemi ve bünyede boşluk olmasına bağlı olarak dayanımı da düşürmektedir. Suyun fazlalığı gibi yetersiz kalması da geopolimerizasyonu olumsuz şekilde etkileyen faktörler arasında yer almaktadır. Suyun az olduğu durumlarda alkali konsantrasyonu artarak geopolimerizasyonda metal oksitlerin reaksiyonlarını engelleyecektir (Xu Van deventer, 2000a). Bu durum malzemenin kimyasal dayanımını düşürmektedir (Singh, 2004).

1.5. Çimento

İnşaat sektörü denince günümüzde ilk akla gelen malzeme bağlayıcı olarak kullanılan normal Portland çimentosudur. Portland çimentosu üretilirken kullanılan yüksek enerji, ekonomik ve çevresel sorunları da beraberinde getirmektedir. Bunu yapılan araştırmalar sonucu dünya CO2

salınımının %5-7’sini çimento üretiminin neden olduğunu göstermektedir (Mcnulty, 2009). Bu nedenle alternatif çimento üretimine yönelik güncel araştırmalar temel konular arasında yer almaktadır. Çimento üretiminin 1400-1500˚C gibi yüksek sıcaklıklarda yapılması da büyük oranda enerji tüketimi ve dolayısıyla yüksek maliyetler getirmektedir. İlk çağlarda yapılan inşaatlar incelendiğinde en büyük en büyük sorunun bağlayıcı maddeler olduğu gözükmektedir. Doğal taş, kerpiç ve tuğla duvarlarda kullanılan ilk bağlayıcılar çamur harçlarıdır. Bağlayıcı olarak çamuru değerlendirmek doğru olmasa da Prehistorik devirlerde alçı, bitüm ve belli oranda kireçte kullanılmıştır. Lakin bu buluşlar yetersiz kalmış, en fazla zorlukta, gereken sıcaklığı sağlamak olmuştur. Açık havada ateş yakarak 400-800˚C’lerin üzerine çıkmak olanaksızdır. Bu şekilde ancak 190˚C’lere ulaşılabilmiştir. Ancak Mısır’da bulunan Sakkara ve Keops piramitleri incelendiğinde alçı harcıyla derz dolgularında istenilen bağlayıcılığı sağladığı görülmektedir (Akman, 2003).

Eski yapılar incelendiğinde temel amacın puzolanik reaksiyonla çimentonun ana taşıyıcılarından olan kalsiyum silikat ve alüminatların böylece suda çözünmeyen daha dayanımlı bağlayıcıların elde edilmesidir. Yunan medeniyetlerinden çok öncelerde metakaoline dönüştürülen pişirilmiş kilin kirece katıldığı puzolanik etki sağlanmıştır. Ürdün’ün Jericho, İsrail’in Yiftah-El ve Çayönü bölgelerinde kazılarla elde edilen örnekler incelendiğinde 35 MPA

(34)

gibi yüksek dayanımlara sahip parlak, iyi sıkışmış yer döşemeleri görmek mümkündür (Malinowski vd.,1991).

Suya dayanıklı harçların yalnızca kil, kireç veya alçıdan oluşmadığı Çatalhöyük’te büyük olasılıkla volkanik kül içeren topraklarla elde edildiği tahmin edilen harçlarda da gözlemlenmektedir. 3-4 bin yıl öncelere gidildiğinde Girit ve Rodos gibi pek çok yerde yapılan su yapıları ve mozaik türü işlerin hala dayanıklılığını koruduğu görülmektedir. Bu tarihi yapılarda da puzolan ve söndürülmüş kireçten meydana gelen bağlayıcıların kullanıldığı tespit edilmiştir. Ancak MÖ 300 yıllarında Romalılara kadar harç ve beton yapımında yaygın olarak kullanılan o tür malzemelere “Puzolan” ismi verilen tanımlama yapılmıştır. Bu terim Romalılarla birlikte literatüre girmiştir (Malinowski vd.,1979).

Romalıların kullandığı su içerisinde de sertleşebilen bağlayıcı hamur şeklinde ki malzemeler volkanik kül, volkanik küllü toprak veya pişirilmiş kilin söndürülmüş kireç-su ile birleşmesiyle elde edilmiştir. Hazırlanan bu bağlayıcıların içerisine taş parçaları eklenerek günümüzde kullanılan betonlara benzer yapılar üretilmiştir. Osmanlı döneminde kullanılan ve o dönem “Horasan Harcı” olarak adlandırılan bağlayıcılar incelendiğinde ise, kilden yapılan ve pişirilen tuğla, kiremit, çömlek vb. malzemelerin öğütülerek söndürülmüş kireçle birleştirilmesinden üretildiği görülmektedir. Bugün inşaat sektöründe kullanılan Portland çimentolarının ortaya çıkması ise ilk olarak 1824 yılında rastlanmaktadır. Yukarıda bahsi geçen puzolan içerikli harçlar ve betonlarda ki puzolanik malzeme, bu malzemenin “Portland çimentolu betonda mineral katkı maddesi olarak kullanılması” tanımına girmemektedir. Bu nedenle ince taneli puzolanik malzemelerin betonlarda katkı olarak kullanımı ancak 1900’lü yıllarda başlayabilmiştir (Erdoğan vd., 2007).

1.5.1. Çimento üretiminin çevreye verdiği zararlar

Artan dünya nüfusuyla ortaya çıkan çevresel kirlilik bütün endüstri alanlarında çevreyi korumaya ve tasarıma yönelik sürdürülebilir çalışmaları kaçınılmaz kılmıştır. Çimento sektörü de bu zorluktan muaf tutulamayacaktır. Çünkü çimento endüstrisi dünya çapında her yıl atmosfere yayılan CO2’nin %5-7 gibi azımsanmayacak bir oranına sebep olmaktadır. Doğada CO2

yayınımına sebep olan kaynaklar arasında çimento en önde gelen endüstrilerdendir. Bu sorun küresel ısınmaya neden olması dolayısıyla endüstri için en acil kaygılardan biridir. İnsandan kaynaklanan CO2 yayınımını diğer sera gazlarının yayınımı ile birlikte ele alacak olursak bunların

atmosferde sıcaklık artışının asıl sebebi olduğu ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle doğada CO2

emilimi de değerlerinin düşürülmesi gerekmektedir. Çimentoda bu konuyu ele alırsak geleneksel üretim yöntemlerinin değiştirilerek alternatif çimento bağlayıcıları kullanarak yeni çözümler

(35)

geliştirebiliriz. Bu amaca ulaşmada önümüze çıkan temel sorun olan çimento klinkeri üretiminde kullanılan kimyasal süreçlerdir. Bu süreç denklem 1.2’de verilen bağlantıda meydana gelen kalker ve silikanın kalsiyum silikata dönüştüğü ve CO2 üretimine neden olan süreç üzerine kuruludur

(Mcnulty, 2009).

5CaCO3 + 2SiO2. Ca3SiO5 + Ca2.SiO4 + 5CO2 (1.2)

Denklemden anlaşıldığı üzere her 1 ton çimento üretiminde 597 kg CO2 açığa çıkmaktadır

ve bu kimyasal süreçte ortaya çıkan CO2 salınımı toplam salınımın %50’sine tekabül etmektedir.

Alternatif enerji kaynaklarının kullanımı endüstride CO2 salınımın düşürmektedir. Ancak bu

düşüş yalnızca Portland çimento üretim yöntemlerini değiştirmekle değil, hibrit enerji ile çimento üretimi, karbon yakalama ve kireç taşı bulundurmayan bağlayıcılar kullanarak da sağlanabilir. Özellikle alternatif bağlayıcılar üzerine yapılan çalışmalar CO2 emülsüyonunu düşürmede umut

verici sonuçlar göstermiştir (Mcnulty, 2009).

Portland çimentolarıyla karıştırıldığında geopolimerlerin farklı durumlarda üretilebileceği görülmektedir. Gerek yüksek yakıt giderleri gerektirmemesi gerek yüksek sıcaklık fırınları ihtiyacı doğurmaması açısından geopolimerler avantajlı malzemelerdir. Bunlara ilave olarak fabrika ve malzeme yatırımı ihtiyacını da ortadan kaldırırlar. Doğal olarak meydana gelen alkali-silika-alüminatlar ve alümina silikatların termal işlemlerinin sürdürülebilir geopolimerik hammadde imkânı sunmaktadır. Ayrıca geopolimer kullanımı çimento üretiminde enerji tüketimini önemli ölçüde düşürmektedir. Düşük CO2 salınımına sahip geopolimerik çimentoları

tanımlayacak olursak bunu yalızca çevresel açıdan değil bunun yanı sıra inşaat ve yapı sektöründe çimento ve beton endüstrisinde %80’lere varan oranla CO2 emülsüyon düşüşü olarak da

(36)

2. MATERYAL VE METOD

Geopolimerizasyon mekanizmasıyla üretilen malzemelerde temel oksitler Al2O3 ve SiO2

olmakta ve bu oksitlerin katyonlarının valans değerlerine göre belirli bir orana kadar birbirlerinin yerini alarak yeralan atom olarak kristal yapıda yerleşebilmektedir. Al+3_{ve Si}+4_{değerlikleriyle}

birbirlerinin yerine yerleştiklerinde +1 boşluk oluşmakta bu boşluk ise Na+1_{, K}+1_{veya iki}

değerlikli katyonlarla elektriksel yük dengelenmeye çalışılmaktadır. Geopolimer ürünlerde genel katyonların alüminyum ve silisyum olması nedeniyle doğada bu katyonların sağlanabileceği birçok hammadde kaynağı mineral bulunmaktadır. Çalışmalarda alüminyum ve silisyum kaynağı olarak doğada oluşan ve seramik sektöründe kullanılan 5 farklı kaolen belirlenmiştir. Kullanılan kaolenler sırasıyla İran Kaoleni, Ukrayna Kaoleni, CC31 Kaoleni, A-130 Portekiz kaoleni ve Grolleg kaolenleri seçilmiştir. Seçilen kaolenlerin geopolimer üretiminde kullanımında ham olarak ve 700°C’de sinterlenerek metakaolen formunda, diğer bir formu olarak spinel form için 1000 °C’de sinterlenerek kullanılmıştır. Geopolimer reaksiyonlarının oluşması amacıyla Sodyum Hidroksit (NaOH) kullanılmıştır.

Literatürde; kaolen, metakaolen, silis dumanı ve alüminyumlu malzemelerin Sodyum Hidroksit, Sodyum Silikat, Potasyum Hidroksit ve Potasyum Silikat gibi aktifleştiriciler kullanarak geopolimer üretimi yapılmıştır (Barbosa vd., 2000; Davidovits, 1994; Palomo vd., 1992). Geopolimer üretiminde Si ve Al oksitlerinin çözünmesinde aktifleştiricilere ihtiyaç duyulabilmektedir. Bunun için en yaygın aktifleştiriciler olarak; Sodyum Hidroksit, Sodyum Silikat, Potasyum Hidroksit ve Potasyum Silikat kullanılmaktadır (Palomo vd.,1999). Kullanılan alkali çözeltiler arasında; Sodyum Hidroksit çözeltisinde Al3+_{ve Si}4+_{iyonlarının çözünmesi diğer}

aktifleştiricilere oranla daha iyidir (Rattanasak ve Chindaprasirt, 2009). Bu yüzden Sodyum Hidroksit’in geopolimerin yapısına ve basınç dayanımını arttırmaya yönelik etkisi fazladır. Ayrıca, Sodyum Hidroksit geopolimerizasyon sırasında, katı parçacıkları bağladığı gibi çözünmeyi de olumlu yönde etkiler (Panias vd., 2007). Geopolimerde bağlayıcılığı ve tokluğu oluşturanların silikatlar ve alüminatlar olması nedeniyle geopolimerizasyonda en önemli etken silikatlar ve alüminatlardır. Kaolende yüksek miktarda silika ve alüminatın bulunması, geopolimer üretilmesinde kaolenin tercih edilmesini sağlamıştır (Davidovits, 2008). Jeopolimerlerle ilgili kaolen ve diğer formlarının kullanımı olmasına rağmen farklı kaolenlerin kullanılarak geoplimer üretimi ve aralarındaki farkları belirten çalışma olmaması nedeniyle bu çalışmada farklı beş kaolenin ham halleri ile metakaolen ve spinel formunda gopolimer üretimi ile kaolenlerin farklılığına bağlı olarak ürün kalitelerinin ortaya koyulması önemli bir literatür oluşturulması amaçlanmıştır.

(37)

Beş farklı kaolen örnekleri seramik üretimi yapan firmalardan temin edilerek Milcrotest marka etüvde (Şekil 2.1) 80˚C’de 24 saat boyunca kurutulmuştur. Kaolenlerin içerdiği oksitlerin belirlenmesi amacıyla XRF kimyasal analizleri yapılmıştır. Kurutulan kaolenler; metakaolen formu için 700˚C ve spinel kaolen formu üretmek için 1000 ˚C sıcaklıklarda 5˚C/dk’lık ısıtma rejimiyle ve doğal soğutmaya bırakılarak Nabertherm marka fırında (Şekil 2.2) sinterlenmiştir.

Şekil 2.1. Milcrotest marka etüvde kaolenlerin 80˚C 24 saat kurutulması.

(38)

Ham olarak kurutulan, sinterlenerek metakaolen ve spinel yapıda kaolen formu oluşturulan sinterlenmiş kaolenler NaOH ile belirlenen stokiometrik oranlara göre tartımları yapılarak karıştırılmış ve homojen dağılımlarının sağlanması amacıyla Gabbrielli Mill-2B marka jet değirmende 30 dakika süreyle kuru olarak karıştırma ve öğütme işlemine tutulmuştur. Homojenleştirme ve öğütmede kullanılan değirmen ve seramik öğütme ortamı kavanoz Şekil 2.3’de verilmiştir.

Şekil 2.3. Gabbrielli Mill-2B marka jet değirmen ve seramik kavanoz.

Öğütme işlemi sonrası hazırlanan reçeteye göre su (H2O) ilavesi yapılarak

geopolimerizasyon reaksiyonlarının oluşası sağlanmıştır.Hazırlanan reçetede %78 kaolen, %19 NaOH ve %3 su (H2O) kullanılmıştır. Geopolimerlerde karışım aşamasında kullanılan su,

işlenebilirlik için en önemli faktörlerden biridir. Geopolimer malzemenin kurutulması veya kür işlemi sırasında geopolimer içerisinde nano boyutta boşluklar bırakır. Bu boşluklar geopolimer malzemenin dayanımında önemli rol oynar (Binici vd., 2012; Rangan, 2008). Hazırlanan geopolimer numuneler 24 saat bekletildikten sonra 30mm çaplı silindirik pres kalıp içerisinde 12 ton kuvvet ile presleme işlemine tabi tutularak şekillendirilmiştir. Şekillendirilen ürünlere farklı sıcaklıklarda ve sabit sürede kür işlemi uygulanmıştır. Kürleme sıcaklıkları olarak 40˚C’de 24 saat, 80˚C’de 24 saat, 120˚C’de 24 saat olmak üzere 3 farklı sıcaklıkta yapılmıştır.

Tokyay ve Ayturan (2010) çalışmalarında, sodyum hidroksit kullanarak geopolimer üretmişlerdir. Ürettikleri geopolimere 48 saat boyunca 65˚C’de kür uygulamışlardır. Böylece geopolimer malzemelerde 2,3-39,6 MPa arası basınç dayanımları elde etiklerini belirtmişlerdir. Diğer bir çalışmada ise 8 molar Sodyum Hidroksit ile aktive edilen kaolenler 85˚C’de 20 saat

(39)

boyunca küre tabi tutulmuştur. Bu kür sonrası bir günlük basınç dayanımlarının 70-80 MPa arasında değişen değerlerde olduğu belirtilmiştir (Fernandez-Jimenez ve Palomo, 2005).

Üç farklı sıcaklıkta örneklerin kürlenmesi sonrası örneklerin bulk yoğunlukları hesaplanmıştır. Daha sonra örnekler içerisinde sesin ilerleme hızının belirlenerek yapı içerisinde boşluk ve doluluk oranları ile ilgili ön bilgi veren ultrasonik ses cihazında ses iletim hızları belirlenmiştir. Ayrıca kaolenlerin ve geopolimerlerin mineralojik ve faz analizleri için X-Ray Difraktogram (XRD) analizi yapılmıştır. Şekillendirilen ve kürleme yapılan örneklerin dayanımlarının belirlenmesi amacıyla örneklerin basınç dayanımları ölçülmüştür. Bir malzemenin bulk yoğunluğu o malzemenin toz halinde veya şekillendirme sonrası fiziksel özellikleri ile ilgili bilgi verir. Bulk yoğunluk malzemenin şekillendirmede sıkıştırılabilirliği yani paketlenmesinin bir değeridir. Yapılan çalışmalarda farklı sıcaklıklarda sinterlenen ve kür işlemine tabi tutulan kaolen örneklerinin bulk yoğunlukları hesaplanmıştır. Ölçümlerde elde edilen sonuçların istatiksel ortalamaları alınarak doğruluk oranının yüksek tutulması amacıyla her deneyde beşer adet numune kullanılarak ortalama değerleri tespit edilmiştir

Örneklerin bulk yoğunluk hesabı aşağıda verilen formül kullanılarak hesaplanmıştır.

d=m/v (gr/cm3₎ _(3.2)

V=𝜋r2_{h (cm}3₎ _(3.3)

Yoğunlukta önemli parametreler vardır. Bunlar; kalıptaki toz malzemenin yoğunluğu (görünür yoğunluk) sıkıştırma ile elde edilen yoğunluk ve preslenmeden sonra elde edilen yoğunluk şeklindedir. Bahsi geçen parametreler toz malzemenin nitelikleriyle direk bağlantılıdır. Bir malzemenin görünür yoğunluğu, malzemenin sıkıştırılabilirliği ile ilgilidir. Yapılan çalışmalarda örneklere uygulanan analizler aşağıda sırasıyla açıklanmıştır.

2.1. X-Işınları Floresans Spektrofotometresi (XRF)

Üretilecek geopolimerin nihai ürün parametrelerinin belirlenebilmesinde kullanılacak hammaddelerin mineralojik ve kimyasal özellikleri büyük önem taşımaktadır. Başlangıçta reaksiyona girecek malzeme özelliklerinin bilinmesi istenilen özellikte nihai malzeme üretimine olanak sağlamaktadır. Bu amaçla gerçekleştirilen XRF (X-ışınları floresans spektrofotometresi) analizi malzemenin elementel ve kimyasal kompozisyonu belirlemede kullanılan önemli analiz yöntemlerinden biridir. Katı, sıvı ve toz halinde olan numunelerin nikel ya da nicel analizlerini yapmada kullanılır. Tüm elementlerin ppm seviyesinden %100’e kadar ölçümleri yapılabilir.