Taguchi yöntemi ile uçucu kül ve kalker katkılı zeolit esaslı geopolimer harçların tasarlanması

Günümüzde en önemli ve kritik faktörlerden birisi sürdürülebilir bir çevre yaklaşımıdır. Bu nedenle pratikte tüm endüstriyel sektörler çevre dostu ürünlerin üretimini teşvik etmektedir. Düşük karbon dioksit (CO2) emisyonu, yüksek mekanik ve dayanıklılık özellikleri nedeniyle, kireç ve Portland Çimentosu'ndan sonra üçüncü nesil çimento olarak kabul edilen geopolimerler, Portland çimentolarına alternatif olarak kullanılabilecek çevre dostu bir ürün olarak görülmektedir. Geopolimerler, uçucu kül ve yüksek fırın cürufu gibi endüstriyel yan ürünlerin geri dönüşümü ve yeniden kullanılma gibi CO2 emisyonlarını azaltmanın yanı sıra çevresel ve ekonomik faydalara sahiptir. Bu çalışmada, doğal zeolit (DZ), C sınıfı uçucu kül (UK) ve toz kalker (LS) bağlayıcı olarak, sodyum hidroksit (NH) ve sodyum silikat (NS) alkali aktivatör olarak içeren geopolimer harçların özelliklerinin belirlenmesi amacıyla harç numuneleri hazırlanmıştır. Taguchi optimizasyon yöntemi kullanılarak bağlayıcı miktarı, aktivatör/bağlayıcı oranı, NS/NH oranı ve sodyum hidroksitin molaritesi olmak üzere zeolit bazlı geopolimer harç bileşenlerinin optimum karışım oranları belirlenmiş ve bu oranlar diğer karışımlarda kullanılmıştır. Zeolit bazlı geopolimer harçların optimum karışım oranlarını bulunduktan sonra zeolit yerine katkı maddesi olarak uçucu kül, kalker ve uçucu kül-kalker farklı miktarları kullanılmıştır. Geopolimer harç numuneleri önce fırında 24 saat boyunca 80 oC kür edilmiş, sonra test günlerine kadar oda sıcaklığında bekletilmiştir. Kür işleminden sonra geopolimer harç numunelerinin özgül ağırlık, birim ağırlık, su emme, boşluk oranı, kapilarite katsayısı, 7, 28 ve 90 günlük basınç ve eğilme dayanımları, donma-çözülme, ıslanma-kuruma, sülfat ve asit dirençleri gibi fiziksel özellikleri belirlenmiştir. Geopolimer harçların mikroyapı özelliklerini SEM ve EDS analizleri ile araştırılmıştır. Üretilen geopolimer harçlarda uygulanan mekanik deneyler sonucunda, 7., 28., ve 90. gündeki eğilme ve basınç dayanımlarında tüm karışımlarda en yüksek değerler doğal zeolit, uçucu kül ve toz kalker birlikte içeren geopolimer harçlarda elde edilmiştir. Zeolit yerine %20 uçucu kül ve %20 toz kalker içeren geopolimer harçlarda en yüksek basınç dayanımı (31.8 MPa) ve eğilme dayanımı (7.5 MPa) olmuştur. Geopolimer harçların fiziksel özellikleri incelendiğinde işlenebilme değeri en iyi olan numunelerin uçucu kül katkılı zeolit bazlı geopolimer harç numuneler olduğu görülmüştür. Zeolit bazlı geopolimer harçlarında, toz kalker katkı maddesi olarak kullanıldığında su emme ve boşluk oranı bir miktar artarken, uçucu kül kullanılması durumunda ise, su emme ve boşluk oranı azalmıştır. Ayrıca, toz kalker içeren harçların kapilarite katsayısı değerleri artarken, uçucu kül içeren harçların kapilarite katsayısı değerleri azalarak geopolimer harçlara önemli bir fayda sağladığı görülmüştür. Üretilen geopolimer harçlarda uygulanan dayanıklılık deneyleri sonucunda, 50 donma-çözülme çevrimlerden sonra basınç dayanım değerleri azalmıştır. Donma-çözülme çevrimlerinden sonra %100 doğal zeolit içeren geopolimer harçlarda en yüksek basınç dayanım kaybı (%24.1) olurken, %30 uçucu kül ve %30 toz kalker içeren harçlarda en düşük basınç dayanım kaybı (%7.3) olmuştur. Geopolimer harçlar 12 ıslanma-kuruma çevrim uygulandıktan sonra, %100 doğal zeolit içeren harçlarda en yüksek basınç dayanım kaybı (%62.7) olurken, %30 uçucu kül ve %30 toz kalker içeren harçlarda ise, en düşük basınç dayanım kaybı (%33.9) olmuştur. Bununla birlikte, uçucu kül, toz kalker ve uçucu kül-toz kalker içeren zeolit bazlı geopolimer harçlar 2 ay boyunca %5 magnezyum sülfat çözeltisinin etkisine maruz bırakıldıktan sonra basınç dayanımında artış göstermiştir. %20 uçucu kül ve %20 toz kalker içeren harçları, sülfat etkisinden sonra en yüksek basınç dayanımı (%16) artış sağlamıştır. Son olarak, geopolimer harçlar %2.5 sülfürik asit çözeltisine 6 hafta boyunca tabi tutulduktan sonra basınç dayanımlarının azaldığını görülmüştür. %100 doğal zeolit içeren harçların asit etkisinden sonra en yüksek basınç dayanım kaybı (%50.6) olurken, %30 uçucu kül ve %30 toz kalker içeren harçlarda ise, en düşük basınç dayanım kaybı (%18) olmuştur. SEM görüntüleri de uçucu kül ve toz kalkerin sağladığı katkıyı teyit eder niteliktedir. Mikroyapısal açıdan baktığımızda ise, geopolimer harçların genel olarak iyi olduğu ve yoğun bir matris kompaktlığı ile geopolimerizasyon bağı oluşturduğu görülmüştür. EDS ölçümleri kullanılarak geopolimer harçların üzerinde yapılan elemental analiz, orijinal doğal zeolit, uçucu kül ve toz kalkerine göre daha yüksek bir Si/Al oranının varlığını göstermiştir.