Alkali - Aktif Yüksek Fırın Cürufunun Soğuk Hava Şartları İçin Üretim Parametrelerinin Belirlenmesi

Abstract

ÖZET: Günümüzde gelişen beton endüstrisinin temel bileşenlerinden biri olan Portland çimentosu (PC) ile üretilen betonlarda, düşük hava sıcaklıklarında gerçekleştirilen kürleme işlemleri çeşitli sorunları beraberinde getirmektedir. Bu sıcaklık koşullarında, çimento bileşenlerinin çözünme hızı büyük ölçüde azalmakta ve hidratasyon reaksiyonları önemli ölçüde yavaşlamaktadır. Bunun sonucunda betonun priz alma süresi uzamakta, bu da beton imalatında uygulama ve dayanım gelişimi açısından ciddi zorluklara yol açmaktadır. Bu tür olumsuzluklar, PC’ye alternatif bağlayıcı malzemelere olan gereksinimi ortaya koymuştur. Bu bağlamda, yüksek kalsiyum içeriği sayesinde harici ısı uygulamasına gerek kalmaksızın yüksek mekanik performans sergileyebilen alkali aktif cüruf (AAC) sistemleri, PC’ye potansiyel bir alternatif olarak dikkat çekmiş ve araştırmaların odağı hâline gelmiştir. Bu tez çalışmasında, düşük sıcaklıklarda (2 °C) gerçekleştirilen kürleme koşullarında PC yerine yada PC ile birlikte AAC’nin kullanılabilirliği araştırılmıştır. Çalışmanın temel amacı, AAC'nin düşük sıcaklıkta da sürekli hidratasyon sağlayabilme özelliği sayesinde PC’ye alternatif bir bağlayıcı malzeme olup olamayacağının değerlendirilmesidir. Bu kapsamda, yüksek fırın cürufu, sodyum silikat ve sodyum hidroksit kullanılarak alkali aktivasyon yoluyla AAC üretilmiştir. Deneysel çalışmalarda; alkali modülü 1,2 ve 1,5, alkali dozajı %5, %7 ve %9, PC ikame oranı ise %0, %10 ve %20 olacak şekilde toplam 18 farklı karışım hazırlanmıştır. Deneysel aşamada öncelikle karışımların priz alma süreleri belirlenmiş, ardından yaşına ulaşan numunelerde basınç dayanımı ve ultrases geçiş hızı testleri (UGH) gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, mikro yapı incelemeleri için taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) analizleri yapılmıştır. Alkali dozajının artırılması, erken yaş dayanımını artırmış; ancak 90 günlük dayanımda düşüşe neden olmuştur. Alkali modülü ile PC ikame oranının birlikte artırılması ise, büzülmeye bağlı çatlak oluşumları nedeniyle dayanımı daha da azaltmıştır. En uygun karışım tasarımları; %5 alkali dozajı içeren, 1,2 modül değerine sahip karışıma %10 PC ilavesi ve yine %5 alkali dozajı içeren, 1,5 modül değerine sahip karışımda PC kullanımından tamamen vazgeçilmesiyle elde edilmiştir. Düşük sıcaklıkta kürleme işlemi gerçekleştirilmesine karşın PC ikamesi priz sürelerini önemli ölçüde hızlandırmıştır. Modül ve alkali dozajındaki değişiklikler, FTIR spektrumundaki pik yoğunluklarını önemli ölçüde etkilemiştir. SEM analizlerinde özellikle 90 günlük numunelerde PC’nin ilave edilmesi ile birlikte meydana gelen çatlaklar çok net görülmüştür. Elde edilen bulgular, PC’nin hidratasyonunun sınırlı olduğu 5 °C altı sıcaklıklarda uygun karışım tasarımlarıyla AAC sistemlerinin umut vadettiğini göstermektedir.

ABSTRACT: In today's rapidly developing concrete industry, concrete produced with Portland cement (PC), one of the fundamental components of modern construction, faces significant challenges when curing is carried out under low ambient temperatures. Under such conditions, the dissolution rate of cement components is greatly reduced, and hydration reactions slow down considerably. As a result, the setting time of concrete is extended, leading to serious difficulties in terms of workability and strength development during concrete production. These unfavorable conditions have highlighted the need for alternative binder materials to PC. In this context, alkali activated slag (AAC) systems, which exhibit high mechanical performance without the need for external heating due to their high calcium content, have emerged as a potential alternative to PC and have become the focus of recent research. In this thesis study, the usability of AAC as a partial or full replacement for PC under curing conditions at low temperatures (2 °C) was investigated. The main objective of the study is to evaluate whether AAS can serve as an effective alternative binder by sustaining hydration even under low temperature conditions. For this purpose, alkali activation was carried out using ground granulated blast furnace slag, sodium silicate, and sodium hydroxide. A total of 18 different mixtures were prepared by varying the alkali modulus (1.2 and 1.5), alkali dosage (5%, 7%, and 9%), and PC replacement ratios (0%, 10%, and 20%). Initially, the setting times of the mixtures were determined. Subsequently, compressive strength and ultrasonic pulse velocity (UGH) tests were performed on samples at designated curing ages. In addition, microstructural investigations were carried out using scanning electron microscopy (SEM) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analyses. Increasing the alkali dosage improved early age strength; however, it led to a reduction in 90 day strength. Simultaneous increases in alkali modulus and PC replacement ratio further reduced strength due to shrinkage induced cracking. The most favorable mixture designs were obtained with 10% PC substitution at a modulus of 1.2 and with no PC at a modulus of 1.5. Despite low temperature curing, PC replacement significantly accelerated the setting time. Variations in modulus and alkali dosage notably affected the intensity of peaks observed in the FTIR spectrum. SEM analyses revealed that cracks, especially evident in 90 day samples, became more pronounced with the addition of PC. The findings suggest that AAC systems hold promise as alternative binders under temperatures below 5 °C, where PC exhibits limited hydration performance, provided that appropriate mixture designs are implemented.