Üç boyutlu baskı uygulaması için düşük alkalinite ile aktive edilmiş inşaat ve yıkıntı atığı esaslı jeopolimer bağlayıcılı sistemlerin geliştirilmesi

Artan nüfusun barınma ve altyapı ihtiyaçlarının karşılanması ve daha yaşanabilir bir dünya inşa edilmesi amacıyla gerçekleştirilen inşaat faaliyetlerinin çevreye verdiği zararın boyutları, özellikle karşılaşılan doğa olaylarının büyüklüğüyle birlikte son yıllarda daha iyi gözlemlenmektedir. Sera gazlarının emisyonlarındaki artışlar, artan toprak ve su kirlilikleri, temiz ve tarıma elverişli arazilerin hafriyat amaçlı kullanılması, doğal kaynakların yüksek miktarlarda tüketilmesi vb. gibi bir çok husus inşaat sektörünün daha yaşanabilir bir dünya inşa etmek isterken gözden kaçırdığı noktalar olarak hanesine yazılabilir. Beton, yıllık yaklaşık 30 milyar tonluk küresel tüketimiyle inşaat sektörünün baskın malzemesi olarak öne çıkmaktadır ve dünyada sudan sonra en çok kullanılan malzemedir. Bu yaygın kullanım, geleneksel beton üretiminde birincil bağlayıcı olan enerji yoğunluğu yüksek ve yüksek karbon salımına sahip Portland çimentosunun önemli miktarlarda tüketilmesine katkıda bulunmaktadır. Bu kötü gidişatı yavaşlatabilmek ve inşaat sektörünün sahip olduğu çevresel yükleri azaltmak için çeşitli adımlar atılmaya başlanmıştır. Bu noktada, çimento üretiminde klinker oranının azaltılması, çimento üretiminde yakıt ve hammadde değişimi, endüstriyel yan ürünlerin çimentoya ikamesi, atıkların çimentolu sistemlerde değerlendirilmesi ve çimentoya alternatif bağlayıcılı sistemlerin geliştirilmesi üzerine bir takım çalışmalar yürütülmektedir. Yapılan bu çalışmalar neticesinde, çimentolu sistemlerin çevresel etkisini azaltacak, jeopolimer olarak adlandırılan, öncül malzemelerin alkali aktivasyonu yoluyla sentezlenen yeni nesil bağlayıcı sistemin inşaat sektöründe çimentolu sistemlere alternatif olarak kullanılabileceği keşfedilmiştir. Sentezinde endüstriyel atıkların öncül malzeme olarak kullanılabirliği sayesinde sağlamış olduğu hem çevresel hem de ekonomik pozitif etkiler yapı malzemesi olarak kullanımı noktasında hızlı ilerlemeler kaydetmesini sağlamıştır. Fakat, geleneksel jeopolimer sentezi için kullanılan öncüller endüstriyel yan ürünler olsa da, bu malzemelerin çimento/beton endüstrisindeki artan talep nedeniyle hazır bulunabilirlikleri azalmış ve maliyetleri artmıştır. Artan maliyetler ve tedarikle ilgili sorunlar, araştırmacıları jeopolimer sentezi için yenilikçi alüminosilikat öncüllerinin kullanımını incelemeye yönlendirmiştir. Hedef, kolayca ulaşılabilir ve uygun maliyetli malzemeler kullanarak mevcut değerlendirilmemiş atıkların zorluğuyla başa çıkmaktır. Bu çift hedef, daha ekonomik ve çevre dostu malzemeler tasarlamayı amaçlar ve aynı zamanda üretilen atıklarla ilişkili sorunları ele almayı hedeflemektedir. Bu bağlamda, inşaat ve yıkım atıklarının (IYA) çoğunlukla alüminyum, silikon ve kalsiyum kaynaklarından oluştuğu, küresel olarak IYA üretiminin yaygın olduğu ve genellikle belirlenmiş depolama alanlarında bertaraf edildiği veya düşük teknoloji uygulamalarında kullanıldığı göz önüne alındığında, IYA kaynaklı malzemelerin geopolimer üretimine entegrasyonu, etkili ve yenilikçi malzeme geliştirmek için umut vadeden bir yol olarak ortaya çıkmaktadır ve aynı zamanda atıkların yüksek kaliteli değerlendirilmesini sağlamaktadır. İnşaat sektöründe malzeme kaynaklı sorunlara ek olarak, endüstri sektörleri arasında önemli bir pazar payına sahip olmasına rağmen, inşaat endüstrisinin son birkaç on yılda ortaya çıkan teknolojiye ayak uydurmakta geride kalmış ve diğer sektörlere kıyasla üretkenliği artırmak için gerekli adımları atmada kararsız kalmış olması karışımıza çıkmaktadır. Süregelen nüfus artışı, felaketler ve savaşlar nedeniyle konut talebinin artması, son yıllarda akademisyenler ve şirketler tarafından inşaat sektöründeki üretim süreçlerinin daha verimli, ucuz ve hızlı olması gerektiği yönünde bir farkındalığa yol açmıştır. Bu bağlamda, diğer sektörlerde sunduğu birçok avantaj nedeniyle hızla popülerlik kazanan üç boyutlu katmanlı üretim (3B-Eİ), inşaat sektöründe de kullanılmaya başlanmıştır. 3B-Eİ, dijital modellere uygun olarak katmanları ardışık bir şekilde biriktirerek özel yapılar oluşturmaktadır. 3B-Eİ tekniği tarafından sağlanan temel avantajlar, üretimle ilgili hataların azaltılması, üretim süresinin kısaltılması, iş güvenliği risklerinin azaltılması, nitelikli işgücüne duyulan ihtiyacın azaltılması, özelleştirmenin artırılması ve maliyetlerin düşürülmesidir. Ayrıca, 3B-Eİ, kalıpsız üretim ve işlem sırasında atık malzeme oluşturmanın azaltılması ile inşaat sektörü tarafından neden olan yüksek çevresel yükleri önemli ölçüde azaltmaya katkıda bulunmaktadır. Bu tez kapsamında, (i) endüstriyel atıkların İYA tabanlı jeopolimer karışımlarına dahil edilmesinin etkilerini değerlendirmek, (ii) çevresel yükleri göz önünde bulundurarak İYA tabanlı jeopolimer karışımlarının taze ve sertleşmiş özelliklerini şekillendirmeye yönelik kapsamlı bilgi ve anlayış sağlamak, (iii) İYA kullanarak daha çevre dostu, ekonomik, sürdürülebilir ve katma değerli 3B-Eİ-uyumlu jeopolimer bağlayıcı sistemler geliştirmek, (iv) alkali aktivatörlerin kullanımını en aza indirgeyerek atık malzemeleri maksimum düzeyde kullanmak, (v) jeopolimer harçlarının mühendislik özellikleri üzerinde çeşitli katkı maddelerinin etkilerini araştırmak, (vi) 3B-baskılı yapılarda kuruma ile ilişkili çatlak oluşumunu ve İYA tabanlı jeopolimer karışımlarındaki kusma sorunlarını azaltmak, (vii) 3B-baskılı yapıların güçlendirme stratejilerini ve 3B-baskılı inşaat için modüler sistem olasılığını araştırmak amacıyla çalışmalar yapılmıştır. Bu kapsamlı metodoloji, akış tablosu, priz süresi, akış eğrisi, üç aralıklı tiksotropi, ram ekstrüder, yaşam döngüsü analizi, basınç ve eğilme dayanımı, doğrudan çekme, su emilimi, emme yeteneği, kusma deneyi, kuruma büzülmesi, ıslanma-kuruma ve donma-çözülme döngüsü gibi çeşitli değerlendirmeleri içeren bir dizi testi içermiştir. Bu kapsamlı metodoloji, jeopolimer karışımlarının özelliklerini ve performansını detaylı bir şekilde keşfetmeyi sağlamış ve araştırma hedeflerini etkili bir şekilde yerine getirmiştir.