Production and properties of alkali activated binders from industrial waste materials

Abstract

ENDÜSTRİYEL ATIKLARDAN ALKALİ AKTİVE EDİLMİŞ BAĞLAYICILARIN ÜRETİMİ VE ÖZELLİKLERİ Dünyada ve özellikle Türkiye'de endüstriyel atıkların yol açtığı çevresel ve ekonomik kayıplar, katma değerli ürünlerin üretimi için, atıkların geri dönüşümünü tetikledi. Bu tez kapsamında; endüstriyel üretim işlemlerinden sonra çok çeşitli ve büyük miktarlarda ortaya çıkan bazı atık/ yan ürün türlerinin (yüksek fırın cürufu, seramik atığı ve mermer atığı), alkali çözeltiler (sodyum hidroksit ve sodyum silikat) ile aktive edilmesi sonucunda alkali aktivasyonu yöntemi ile bağlayıcı malzemeler elde edilmiştir. Yüksek fırın cürufu, seramik ve mermer atıkları, hammadde yerine, hem tek olarak ve hem de ikili ve üçlü karışımlar halinde kullanılmıştır. Böylece, bu atıkların tek başlarına bağlayıcı hammaddesi olabilme yetenekleri araştırılmış ve ikili ve üçlü karışımları sonucunda üretilen bağlayıcıların dayanım, dayanıklılık ve mikro yapı özellikleri belirlenmiştir. Deneysel çalışmalar sonunda, yeni nesil bağlayıcılar ile üretilmiş pasta numuneleri için elde edilen veriler, %100 yüksek fırın cürufunun kullanılması ile üretilmiş kontrol numuneleri ve standart çimento pastası numunelerinin deneysel sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Bu şekilde, alkali aktivasyon yöntemi ile üretilen yeni nesil bağlayıcıların; mekanik, fiziksel, dış etkilere dayanıklılık ve mikro yapı özellikleri bakımından Portland çimentosunun yerine, bağlayıcı malzeme olarak kullanılabilirlikleri değerlendirilmiştir. Sonuç olarak, ikili ve üçlü karışım bağlayıcı numunelerinin eğilme ve basınç mukavemeti açısından Portland çimentosunun mukavemet değerlerine çok yaklaştığı ve yüksek fırın cürufunun tek bileşenli mukavemet değerlerini arttırdığı gözlemlenmiştir. Bunun yanı sıra, özellikle mermer atığın, yüksek fırın cürufunun kuruma büzülmesi değerini oldukça düşürdüğü ve işlenebilirlik özelliklerini iyileştirdiği tespit edilmiştir. Ayrıca üretilen ikili ve üçlü bağlayıcıların yüksek sıcaklık etkilerine dayanım açısından çimento numunesine göre çok daha düşük dayanım kaybına sahip olduğu belirlenmiştir. Cüruftaki mermer atığının %50'sinin ve cüruf içindeki seramik atığının %25'inin ikamesi, BFS'nin tek bileşenli bağlayıcısının mukavemet değerlerini iyileştirmiştir. Mikroyapısal analizler sonucunda ikili ve üçlü bileşenli bağlayıcı sistemler için yeni bir majör faz oluşumu gözlemlenmemesine rağmen, dayanım ve dayanıklılık özelliklerini iyileştiren minör ve ikincil faz oluşumları gözlenmiştir. Tüm kullanılan malzemelerin tek, iki ve üç bileşenli bağlayıcı sistemleri için en uygun üretim şartları belirlenmiştir. Bu kaynak malzemeler ile taşıyıcı özellikte olan ve olmayan bağlayıcı malzeme üretilebileceği araştırılmıştır. Bu çalışmada çimento üretiminin aksine, CO2 ve diğer zararlı gaz emisyonları olmaksızın düşük enerji maliyetli üretim yöntemi ile çimento benzeri mukavemet ve dayanıklılığa sahip çeşitli bağlayıcı malzemeler üretilmiştir. Çimento ve üçlü bileşenli BFS/ CW/ MW-TB-F numunesi için yapılan basit maliyet analizinin karşılaştırılmasında alkali aktivasyonlu bağlayıcı üretim yönteminin çimentoya göre biraz daha pahalı bir sistem olduğu anlaşılmıştır. Tüm çevresel faktörler, çevre kirliliği ve karbon ayak izi gibi çevresel kısıtlamalar göz önüne alındığında, bu çalışmada elde edilen yeni nesil bağlayıcı türleri, yeşil ve sürdürülebilir malzemeler olarak, çimentodan daha uygun ve düşük maliyet sağlamışlardır. Bu çalışmanın, endüstriyel atık malzemelerin yeniden kullanılmasına ve çimento yerine kullanılabilecek çok düşük zararlı gaz emisyonları ve enerjisine sahip yeni bağlayıcı malzemelerin üretilmesine olanak sağladığı, çevre dostu ve sürdürülebilir malzemelerin üretimine katkı sağladığı söylenebilir. ksek fırın cürufu, Alkali aktivasyonu, seramik atıkları, mermer atıkları, mekanik ve dayanıklılık özellikleri, mikroyapı analizi June, 2022 Gülden Çağın ULUBEYLİ

PRODUCTION AND PROPERTIES OF ALKALI ACTIVATED BINDERS FROM INDUSTRIAL WASTE MATERIALS Environmental and economic losses caused by industrial wastes globally and particullarly in Turkey triggered recycling for the production of value added products. In this thesis; various types of waste/ by-products (blast furnace slag, ceramic waste, and marble waste), which are produced in large quantities, after the industrial production process were activated by alkaline solutions (sodium hydroxide and sodium silicate) and the binding materials were obtained by alkali activation method. Blast furnace slag, ceramic and marble wastes were used both as unary, binary and ternary mixtures instead of reference cement raw materials. Thus, firstly the ability of these wastes to be replaced by cement, the unary binder as raw materials were investigated. Then in addition to binary and ternary mixtures strength, durability and microstructure properties of the developed binders were determined. At the end of the experimental studies, the data obtained for the paste samples produced with new generation binders were compared with the experimental results of the control samples produced by using 100% blast furnace slag and standard cement paste samples. In this way, it was evaluated that their usability as a binding material instead of Portland cement in terms of their mechanical, physical, durability and microstructural properties of new generation binders produced by alkaline activation method. As a result, it has been observed that the compressive strength of the binary and ternary binder samples produced by adding ceramic and marble waste are very close to the strength values of Portland cement and the wastes increase the strength values of unary component binder system produced by the blast furnace slag. Marble waste reduced considerably the drying shrinkage value of the binding systems and improve the workability properties of binary and ternary binder sample. In addition, it was determined that the binary and ternary binders produced had a much lower strength loss than the cement sample in terms of resistance to high temperature effects. Substitution of 50% of the marble waste in the blast furnace slag and 25% of the ceramic waste in the slag improved the strength values of unary binder of BFS. As a result of microstructural analysis, although no new major phase formation was observed for binary and ternary component binder systems, secondary or minor phase formations that improved strength and durability properties were observed. The most suitable production conditions for unary, binary and ternary component systems of all these materials determined. It was studied that these source materials could be produced as a bearing and non-bearing binder material by activating with alkali activators. Contrary to cement production, in this study variety of binder materials were produced having cement-like strength and durability with a low energy cost production method without CO2 and other harmful gas emissions. In the comparison of the simple cost analysis performed for the cement and the ternary component BFS/ CW/ MW-TB-F sample it was understood that the alkali-activated binder method is a slightly more expensive system than cement. Considering all these environmental factors, environmental restrictions such as environmental pollution and carbon footprint, this novel binder material obtained as green and sustainable materials in this study which provides lower cost values and more appropriate than cement. It could be concluded that this work enabled the reuse of industrial waste materials and production of novel binding materials that can be used instead of cement with very low harmful gas emissions and energy, and contributed to the production of environmentally friendly and sustainable materials. Key words: Blast furnace slag, alkali activation, ceramic waste, marble waste, mechanical and durability properties, microstructural analysis. June, 2022 Gülden Çağın ULUBEYLİ