Alkalilerle aktive edilmiş yüksek fırın cürufu bağlayıcılı lifli kompozit geliştirilmesi

Abstract

Yüksek performanslı bağlayıcılar, üstün özelliklere sahip harç, beton ve lifli kompozit malzemelerin üretiminde vazgeçilmez malzemelerdir. Özellikle yüksek performanslı lifli kompozitler (RPC ve SIFCON gibi) arzu edilen performansa erişebilmek açısından oldukça yüksek dayanımlı bir bağlayıcıya gereksinim duymaktadır. Bu nedenle, bu kompozitlerin üretiminde çok yüksek miktarda (800-1000 kg/m3'e çıkan) çimento kullanılmaktadır. Bu derece yüksek miktarda çimento kullanımı ise birçok teknik, ekonomik ve çevresel sorunları da beraberinde getirmektedir. Uçucu kül ve yüksek fırın cürufu gibi amorf karakterli malzemeler bir aktivatör vasıtasıyla aktive edilerek bir bağlayıcıya dönüştürülebilmektedir. Alüminosilikat uçucu küllerin aktivatörlerle reaksiyonu sonucunda ?geopolimer? adı verilen amorf yapıdaki inorganik polimerler oluşurken, yüksek fırın cürufunun reaksiyonu sonucunda çimento esaslı bağlayıcılardaki C-S-H jeline benzer hidrate kalsiyum silikat oluşmaktadır. Alkali aktivasyonu ile üretilen bağlayıcıların kullanımı, yüksek mekanik performans, düşük enerji giderleri, düşük kirletici gaz emisyonları (CO2, SO2, NOx vb.) ve çevrenin daha az tahribi (doğal kaynaklar yerine atıkların kullanımı ile) gibi avantajlar sunmaktadır. Ayrıca, atık malzemelerin kullanımıyla, atıkların çevreye verdiği zararlar ve depolama problemleri de azalmaktadır. Bu bağlayıcılar, normal Portland çimentoları ve betonlarına göre erken ve daha yüksek dayanım, daha düşük hidratasyon ısısı ve agresif kimyasallara karşı daha iyi dayanıklılık gibi birçok önemli teknik avantaja sahiptir. Bu çalışma kapsamında, amorf karakterli bir malzeme olan yüksek fırın cürufu sodyum silikat ve sodyum hidroksit ile aktive edilerek yüksek performanslı bağlayıcı üretilmesi amaçlanmıştır. İlk aşamada, farklı kür koşulları altında (standart su, buhar ve otoklav kürü) en uygun aktivatör çözeltisi (Ms oranı (SiO2/Na2O) ve Na2O içeriği bakımından) araştırılmıştır. Karışım özelliklerini geliştirmeye yönelik olarak yüksek fırın cürufu yerine, belirli oranlarda uçucu kül, silis dumanı, metakaolin, alçı ve bazı kimyasal katkıların (hava sürükleyici, büzülme önleyici ve köpük önleyici) kullanım olanakları araştırılmıştır. Sonuç olarak Portland çimentosu kullanılmadan basınç dayanımı 200 MPa'ın üzerinde olan ARPC (Alkali Aktivasyon Yöntemiyle Üretilmiş Reaktif Pudra Betonu) adı verilen bazı özellikleri RPC'den üstün yüksek performanslı lifli kompozit üretilmiştir. Üretilen kompozitin reolojik, mekanik ve mikroyapı (SEM, XRD, termal analiz, cıva porozimetresi vb.) özellikleri belirlenmiş, elde edilen sonuçlar Portland çimentosu esaslı Klasik RPC (KRPC) karışımı ile kıyaslanmıştır. Son olarak, bu kompozitin çeşitli dış etkilere karşı dayanıklılığı KRPC ile kıyaslanmıştır. Deney sonuçları, her iki RPC karışımının da dış etkilere karşı dayanıklılığının oldukça iyi olduğunu göstermiştir. Bununla birlikte, genel olarak ARPC'nin dış etkilere karşı dayanıklılığının KRPC'den daha iyi olduğu görülmüştür. High performance binders are indispensable materials in the production of mortar, concrete and fibre reinforced composites with superior high mechanical and durability properties. High performance fibre reinforced composites (such as RPC and SIFCON) require high strength binders to achieve desirable properties. Cement content of these composites may be as high as 800 - 1000 kg/m3. Such a high cement content may cause several technical, economical and environmental problems. Materials that have amorphous structure such as fly ash and slag can be modified to a strong binder by using some activators. The product of modification reaction of type F fly ashes is an inorganic polymer called geopolymer. While the main reaction product of glassy blast furnace slag is a hydrated calcium silicate, similar to the C-S-H structure of a cementitious binder. Alkali-activated binders are characterized by their high mechanical performance, low energy cost and low pollutant gases emission (CO2, SO2, NOx, etc.) as well as their less environmental deterioration (almost exclusively usage of secondary raw materials instead of surface-excavated natural resources). Related to the properties and characteristics of alkali - activated binders and concretes, some advantages with respect to the traditional Portland cements and concretes such as earlier and higher strengths, lower heat of hydration and better resistance to aggressive chemicals are worth mentioning. The object of this research was to develop a high performance binder by modifying ground granulated blast furnace slag by NaOH and water glass solutions. Optimum activator concentration has been investigated with respect to Ms ratio (SiO2/Na2O) and Na2O content under various curing conditions (normal water curing, low pressure steam curing and autoclave curing). Silica fume, fly ash, metakaolin, plaster of Paris and some chemical admixtures (air entraining, shrinkage reducing admixture and anti-foam agent) were also tried in the mixtures besides slag in order to improve the properties of composite. As a result, an alkali activated steel fiber incorporated composite ARPC, having a compressive strength over 200 MPa was developed. Rheological, mechanical, micro structural (SEM, XRD, thermal analysis, mercury porozimeter etc.) and durability properties of ARPC were determined and compared with the conventional RPC (KRPC). Test results indicate that both of the RPC mixtures have desirable durability properties. Additionally, ARPC generally exhibits better durability properties than KRPC.