Uçucu kül ve yüksek fırın cürufu esaslı geopolimer kompozit malzeme özelliklerine polipropilen lif katkısının etkisi

Abstract

Bu çalışmada, uçucu kül (UK) ve öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu (ÖGYFC) esaslı geopolimer kompozitlerin mekanik ve fiziksel özellikleri araştırılmıştır. Polipropilen lif ilaveli (ağırlıkça % 0.5, % 1.0 ve % 1.5) karışımlardaki uçucu kül (UK) ve öğütülmüş granüle yüksek fırın cürufu (ÖGYFC), 10 M sodyum hidroksit (NaOH) ve farklı silikat modülü (2 ve 3 modül) değerlerine sahip sodyum silikat (Na2SiO3) solüsyonları ile aktive edilmiştir. Geopolimer kompozit örnekler, 4 x 4 x 16 cm boyutlarındaki metal kalıplara titreşimli sehpa yardımıyla yerleştirilmiştir.

İlgili örnekler sıcaklığı 90 °C olan laboratuvar tipi etüvde 5 saat süreyle ısı kürüne tabi tutulduktan sonra 7 gün boyunca oda sıcaklığında bekletilmiştir. Ardından fiziksel özelliklerinin belirlenmesi amacıyla ilgili örnekler su tankında 24 saat bekletilmiş akabinde de Arşimet prensibine göre örneklerin ağırlıkça su emme, görünen porozite, birim hacim ağırlık ve görünür yoğunluk gibi fiziksel özellikleri belirlenmiştir. Ardından örneklerin eğilme ve basınç dayanım değerleri belirlenmiştir. Elde edilen fiziksel ve mekanik özellikler değerlendirilmiş ve ideal değerleri sağladığı düşünülen örnek grupları (% 50 UK ve % 50 ÖGYFC içerikli geopolimer harçlar) üzerinden deneylere devam edilmiştir. Bu örnek grupları üzerinde XRD analizleri ile faz içerikleri, SEM-EDX analizleri ile de yüzey morfolojisi ve donma-çözünme, yüksek sıcaklık ve sülfatlı ortamlara (% 5 NaSO4 ve % 5 MgSO4 çözeltileri ile) maruz kalma gibi durabilite testlerinden elde edilen bulgularla örnek özellikleri incelenmiştir.

Lifsiz (referans) örneklerin eğilme dayanımları; 0.1 MPa - 5.6 MPa, lif katkılı örneklerde ise eğilme dayanımları 2.4 MPa - 11.4 MPa arasında değişkenlik göstermiştir. Referans örneklerin basınç dayanım değerleri ise 15.3 MPa - 60.9 MPa arasında değişkenlik gösterirken, lif katkılı örneklerde bu değer 21.4 MPa - 77.60 MPa arasında değişmiştir. Dolayısıyla karışımalardaki lif oranının artmasıyla örneklerin mekanik özelliklerinde olumlu gelişimler gerçekleştiği görülmüştür.

Sonuç olarak hazırlanan geopolimer kompozit malzeler içerisinde elde edilen tüm bulgular değerlendirildiğinde; % 50 UK ve % 50 ÖGYFC ile hazırlanan karışımların 3 modül sodyum silikat solüsyounu ve 10 M NaOH ile aktifleştirilmeleri durumunda en ideal sonuçların alındığı tespit edilmiş ve yapılarda kullanılabilir oldukları kanaatine varılmıştır. Bu sebeple aynı içeriğe sahip örnekler durabilite testlerinde ve deneylerinde de kullanılmıştır. Durabilite deneylerinden elde edilen bulgular değerlendirildiğinde ise % 1.5 PP lif ilaveli geopolimer kompozit harçlarının daha iyi dayanıklılık özelliklerine sahip oldukları düşünülmektedir.

In this study, mechanical and physical properties of geopolymer composites based on fly ash (FA) and ground granulated blast furnace slag (GGBFS) were investigated. Fly ash (FA) and ground granulated blast furnace slag (GGBFS) mixtures with polypropylene (PP) fiber addition by weight (0.5 %, 1.0 % and 1.5 %) were activated by 10 M sodium hydroxide (NaOH) and sodium silicate solutions (Na2SiO3) (2 and 3 module). Geopolymer composite samples were placed in 4 x 4 x 16 cm metal molds with the help of a vibrating table.

The relevant samples were subjected to heat curing for 5 hours in a laboratory oven at 90 °C, and then stored at room temperature for 7 days. Subsequently, in order to determine their physical properties, the relevant samples were kept in the water tank for 24 hours, and then the physical properties of the samples such as water absorption by weight, apparent porosity, unit volume weight and apparent density were determined according to Archimedes principle. Then the flexural and compressive strength values of the samples were determined. The obtained physical and mechanical properties were evaluated and experiments were continued on the sample groups (geopolymer mortars with 50 % FA and 50 % GGBFS content), which were thought to provide ideal values. On these sample groups, phase contents with XRD analysis, surface morphology with SEM-EDX analysis, and sample properties were examined with findings obtained from durability tests such as freezing-thawing, exposure to high temperature and sulphated environments (with 5 % of NaSO4 and 5 % of MgSO4 solutions).

Flexural strength of reference samples varied between 0.1 MPa - 5.6 MPa, and between 2.4 MPa - 11.4 MPa in fiber reinforced samples. The compressive strength values of the reference samples varied between 15.3 MPa - 60.9 MPa, while this value varied between 21.4 MPa - 77.60 MPa in fiber reinfoeced samples. Therefore, it has been observed that positive developments occurred in the mechanical properties of the samples with the increase in the fiber ratio in the mixtures.

Consequently, when all the findings obtained in the prepared geopolymer composite materials are evaluated; It has been determined that mixtures prepared with 50 % FA and 50 % GGBFS are activated with 3 modules of sodium silicate solution and 10 M NaOH, and it has been concluded that they can be used in structures. For this reason, samples with the same content were also used in durability tests and experiments. When the findings obtained from the durability tests are evaluated, it is thought that 1.5 % PP fiber added geopolymer composite mortars have better durability properties.