Düşük Sıcaklıklarda Kür Edilen Alkali Aktive Edilmiş Yüksek Fırın Cürufu/Portland Çimentolu Harçların Sülfat Direnci

Abstract

ÖZET: Soğuk hava beton dökümlerinde, don öncesi önlemler ve geleneksel çimento bazlı malzemelerin kullanımındaki sınırlamalar nedeniyle yüksek enerji talepleri ve CO₂ emisyonlarıyla ilişkilidir. Bu çalışma, düşük sıcaklıkta inşaat için sürdürülebilir bir çözüm olarak hibrit alkali-aktivasyonlu cüruf/Portland çimentosu (AACPC) harçlarını sunmaktadır. Portland Çimentosu (PÇ) yerine geçirme oranlarının (%0, %10 ve %20) ve farklı alkali aktivatör dozajlarının (AD) (%6, %8 ve %10) mekanik performans, mikroyapısal özellikler ve dayanıklılık üzerindeki etkileri, 0°C' lik bir kürleme sıcaklığında değerlendirilmiştir. Hibrit karışımlar, saf alkali-aktivasyonlu cüruf (AAC) sistemlerine kıyasla mukavemet gelişimi ve sülfat direncinde önemli iyileşmeler göstermiştir. %20 PÇ ve %8 AD’ ye sahip bir karışım, 90 günde en yüksek basınç dayanımını olan 66,88 MPa' la ulaşmıştır. Daha düşük PÇ içeriği (%10) ile bu karışım, sülfat maruziyeti altında üstün bir dayanıklılık sergileyerek 90 gün sonunda yalnızca %4,19'luk bir mukavemet kaybı yaşarken, saf cüruf sistemlerinde bu kayıp %10,6'ya kadar çıkmıştır. Saf granüle edilmiş yüksek fırın cürufu (GYFC) karışımları, %8 AD ile 90 günde 58,37 MPa' la ulaşarak, soğuk iklimlerde alkali aktivasyonunun potansiyelini göstermektedir. Ultrasonik darbe hızı (UPV) sonuçları, hibrit karışımlarda gelişmiş matris yoğunlaşmasını doğrulamış ve yüksek değerler, erken kürleme aşamalarında basınç dayanımı ile güçlü bir şekilde ilişkilendirilmiştir. Tarama elektron mikroskobu (SEM) analizleri, hibrit karışımlarda, özellikle %10-20 PC içeren sistemlerde, mukavemet ve dayanıklılık için kritik olan yoğun bir kalsiyum silikat hidrat (C-S-H) ve kalsiyum-alüminosilikat-hidrat (C-A-S-H) jel ağı ortaya koymuştur. Bu jeller, 0°C' de boşlukları azaltarak mikro çatlakları engellemiştir. Ancak, aşırı AD (%10) alkali zengin fazların oluşumuna yol açarak uzun vadeli dayanımı düşürmüştür. Bu araştırma, cüruf aktivasyonu ve PÇ hidratasyonunun sinerjik etkilerinden yararlanarak, dışarıdan ısıtma ve kimyasal katkılara olan bağımlılığı azaltırken enerji verimli ve dayanıklı soğuk hava inşaatı için hibrit alkali-aktivasyonlu harçların uygulanabilirliğini vurgulamaktadır.

ABSTRACT: Cold weather concreting is associated with high energy demands and CO₂ emissions, driven by frost-prevention measures and limitations in using traditional cementitious materials. This study presents hybrid alkali-activated slag/Portland cement (PC) mortars as a sustainable solution for low-temperature construction. The effects of PC substitution (0%, 10%, and 20%) and varying alkali activator dosages (6%, 8%, and 10%) on mechanical performance, microstructural properties, and durability were evaluated at a curing temperature of 0°C. Hybrid mixtures demonstrated significant improvements in strength development and sulfate resistance compared to pure alkali-activated slag systems. A mixture containing 20% PC and 8% activator dosage achieved the highest compressive strength of 66.88 MPa at 90 days. At lower PC contents (10%), the blend exhibited superior durability under sulfate exposure, with only a 4.19% strength reduction after 90 days, compared to pure slag systems which experienced up to 10.6% strength loss. Pure granulated blast furnace slag (GBFS) mixtures activated with 8% alkali dosage reached 58.37 MPa at 90 days, demonstrating the potential of alkali activation in cold climates. Ultrasonic pulse velocity (UPV) results confirmed improved matrix densification in hybrid mixtures, with higher values correlating strongly with compressive strength at early curing stages. Scanning electron microscopy revealed a dense network of calcium silicate hydrate (C-S-H) and calcium-aluminosilicate-hydrate (C-A-S-H) gels, crucial for strength and durability, particularly in systems with 10–20% PC. These gels mitigated voids and reduced micro cracks at 0°C. However, excess alkali dosage (10%) led to the formation of alkali-rich phases, which reduced long-term strength. This research highlights the feasibility of hybrid alkali-activated mortars for energy-efficient and durable cold-weather construction, leveraging the synergistic effects of slag activation and PC hydration while reducing the reliance on external heating and chemical additives.