Uçucu Kül Bazlı Jeopolimer Beton
Kömür ile çalışan elektrik santrallerinde üretilen uçucu kül, geniş atık depolama alanlarında ve kül barajlarında yeraltı suyu ve hava kirliliği yaratması nedeniyle çevresel bir sorun hâline gelmiştir. Atık ürünün bir kısmı, ısı kürü uygulanmış prekast yapı elemanları gibi jeopolimer beton elde etmek üzere kullanılmaktadır.
Bununla birlikte, şiddetli alkali saldırısına karşı direncinin düşük olması durabilite açısından önemli bir problem teşkil etmektedir. Johannesburg Üniversitesindeki araştırmacılar, yüksek sıcaklıkta ısıtma işleminin (HTHT), uçucu küllü jeopolimer betondaki bu zararlı mekanizmayı yarı yarıya azaltabileceğini keşfettiler.
Dr. Abdolhossein Naghizadeh, “Önceki bir çalışmada, uçucu küllü jeopolimer betonun, aşırı alkali koşulları altında savunmasız olabileceğinin farkına vardık. Çalışmadan aldığımız sonuç, bu malzemenin bazı kimyasal depolama tesisleri gibi yüksek oranda alkaliye maruz kalan yapılarda kullanılmaması gerektiği yönündeydi.”
“Yeni çalışmamızın bulguları, jeopolimer betonun alkali direncinin, ideali 200 ºC olan, kontrol edilmiş bir sıcaklığa maruz bırakılmasıyla önemli ölçüde geliştirilebileceğini gösteriyor.” dedi.
Çalışma, Naghizadeh’in Johannesburg Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bilimi Bölümündeki doktora araştırmasının bir parçasını oluşturmaktadır.
Aşırı alkali ortam
Yapı Malzemelerinde Vaka Çalışmaları’nda yayımlanan araştırmada, uçucu küllü jeopolimer harç blokları 100, 200, 400 veya 600 ºC’de 6 saat süreyle çeşitli şekillerde ısıyla kürlenmiştir. Harç blokları daha sonra suya, orta veya aşırı alkali ortama daldırılmış ve performans ölçümüne bağlı olarak 14 gün veya 28 gün 80 ºC’de muhafaza edilmiştir.
(28 günlük uzatılmış ısı kürü, sonuçları aynı yöntemi kullanan diğer çalışmalardan elde edilen veriler ile karşılaştırmak adına gerçekleştirilmiştir. Bu uzun süreli kürleme araştırma amaçları için uygundur, ancak gerçek yapım için önerilmemektedir. Orta seviyeli alkali ortamı 1M NaOH çözeltisi iken aşırı seviyedeki alkali ortam 3M NaOH çözeltisi olarak ayarlanmıştır.)
Naghizadeh, “200 ºC’de ısıyla kürlenen ve sonrasında aşırı alkali ortama (“200 / 3M” blokları) daldırılan sertleştirilmiş bloklar alkali saldırısına karşılık yaklaşık %50 oranında (22 MPa) artık dayanımını korudu. Farklı sıcaklıklarda kürlenen diğer bloklar dayanımını çok daha düşük oranlarda (10,3-14,6 MPa) korudu.” dedi.
“Şiddetli çatlama gösteren diğerlerine kıyasla, aşırı alkali ortama batırılmış 200 / 3M bloklar, az miktarda genleşmeye işaret eden, sınırlı ince çatlak oluşumu gösterdi. Silikon ve alüminyumun sızması 200 / 3M bloklarda en düşük seviyedeydi.
“X ışını kırınımı, albit ve sillimanit isimli kristal minerallerinin, 200 / 3M blokların bağlayıcı fazında oluştuklarını gösterdi. 200 / 3M bağlayıcılarının elektron mikroskobu görüntüleri, alkali saldırısını karakterize eden jel benzeri bir maddenin varlığını göstermiştir. Isı ile kürlenme, saldırının yoğunluğunu önemli ölçüde azalttı, ancak tam olarak engelleyemedi.” dedi.
“200 ºC’de gerçekleştirilen Yüksek Sıcaklıkta Isıl İşlem (HTHT), bu etkiyi, sertleşmiş jeopolimer beton matrisi içinde tepkimeye girmemiş uçucu kül partiküllerinin çözünmesini engelleyerek yarattı. Ancak HTHT, bu blokların basınç dayanımını da %26,7 oranında düşürdü.”
En iyi, prekast şeklinde kullanılmaktadır
Naghizadeh, uçucu küllü jeopolimer bağlayıcılarının dikkat çekici dayanıklılık özellikleri sergilediğini belirtti. Bunların arasında, alkali-silika reaksiyonuna ve yangına karşı yüksek direnç, yüksek asit direnci, düşük karbonatlaşma ve sınırlı sülfat saldırısı bulunmaktadır.
Uçucu küllü jeopolimer çimento, çoğunlukla, bir fabrika veya atölyede üretilen prekast beton için uygundur. Bunun nedeni, jeopolimer çimento karışımlarındaki dayanım gelişiminin ortam sıcaklıkları altında genellikle yavaş gerçekleşmesidir.
Bu durum, erken dayanım kazanımı için ısı kürünü gerekli veya şart kılmaktadır. Önceden dökülmüş Portland Çimentosunun (Normal Portland Çimentosu) ısı kürlemesi için oluşturulan pratik yöntemler bu durum için uyarlanabilir.
Bu özellik, uçucu kül jeopolimerlerini bina, köprü, demiryolu traversi, duvar paneli, boşluklu döşeme ve beton borular gibi yapılarda kullanılan kiriş veya ana kiriş gibi prekast beton elemanlar için elverişli hâle getirmektedir.
Sıradan uçucu küllü jeopolimer beton için, yeterli dayanımı elde etmek adına 60-80 ºC sıcaklıkta 24 saatlik bir ısıtma süresi yeterlidir. Kürün bu şekilde uygulanması (sıcaklık ve süre), bazı Portland çimento betonları için de kullanılmakta olup, çimento endüstrisinde yaygındır.
Jeopolimer çimento kullanımı her yıl artmasına rağmen, uygulaması Normal Portland Çimentosu’na kıyasla hâlâ çok azdır. Jeopolimer, çoğunlukla Avrupa ülkeleri, Çin, Avustralya ve ABD’deki konut yapılarında, köprülerde ve pistlerde bağlayıcı olarak kullanılmıştır.
Yeni nesil çimento
18. yüzyılın ortalarından beri, Normal Portland Çimentosu beton üretmek için yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. Dayanıklılık performansı iyi anlaşılmış olup uzun vadeli davranışı tahmin edilebilmektedir.
Bununla birlikte, belirli uygulamalarda Normal Portland Çimentosu’na uygun bir alternatif olarak yeni nesil çimento ortaya çıkmaktadır. Bu jeopolimer çimentolar (veya jeopolimer bağlayıcılar), Normal Portland Çimentosu’ndan tamamen farklı bir yapıya ve mikroyapıya sahiptir.
Jeopolimer bağlayıcı için kullanılacak bir başlangıç malzemesinin alümin ve silikat içeriği bakımından zengin olması gerekmektedir. Bu kritere göre, pirinç kabuğu külü, hurma yağı yakıt külü ve kömür santrali uçucu külü gibi çok sayıda endüstriyel atık veya yan ürün bu tarz bir kullanım için niteliklidir.
Ancak Naghizadeh, uçucu külün jeopolimer çimento olarak kullanılmasının iki avantajı olduğunu söylüyor.
Birincisi, uçucu kül, gelişmekte olan ülkeler de dâhil olmak üzere küresel olarak milyonlarca ton miktarında mevcuttur. Uçucu külün inşaat malzemesi olarak yeniden kullanılması potansiyel olarak çevresel etkilerinin bir kısmını azaltabilir. Mevcut durumda, uçucu küller hava ve yer altı suyu kirliliği yaratan kömür yakıtlı elektrik santrallerine yakın geniş kül barajlarında ve çöplüklerde bertaraf edilmektedir.
Jeopolimer çimento için başlangıç malzemesi olarak uçucu kül kullanımının ikinci avantajı ise kimyasal bileşimidir. Tipik olarak uçucu kül, daha iyi bir jeopolimerizasyon süreci sağlayan reaktif silisyum oksit ve alüminyum oksitler açısından yeterince zengindir.
Bu da alümino-silikat içeren diğer atık ürünler kullanılarak yapılan jeopolimer betonlara kıyasla bağlayıcıya daha üstün mekanik, fiziksel ve dayanıklılık özellikleri kazandırmaktadır.
Daha karmaşık bir karışım tasarımı
Bir bina tasarlarken, mühendisin yapıda kullanılan betonun hizmet ömrü boyunca beklenen dayanıma sahip olmasını sağlaması gerekir. Ancak beton ve diğer inşaat malzemelerinin fiziksel ve mekanik özellikleri zamanla değişebilir. Bu tür değişiklikler, yapının hizmet ömrü boyunca malzeme performansını etkileyebilir.
Genel olarak, bir Normal Portland Çimentosu betonu karışımı çimento, su ve agrega içermektedir. İnşaat mühendisleri, amaçlanan yapı için bu üç bileşeni belirli oranlarda kullanarak bir Normal Portland Çimentolu beton karışımı tasarımı geliştirmektedir.
Naghizadeh, “Sodyum silikat ve sodyum hidroksit ile aktive edilen uçucu kül bazlı jeopolimer beton için karışım tasarımı Normal Portland Çimentosu betonundan daha karmaşıktır.” dedi.
“Daha fazla parametre söz konusudur: uçucu kül, sodyum silikat, sodyum hidroksit, su ve agregat miktarının yanı sıra sodyum hidroksit konsantrasyonu; alkali içindeki cam oranı ve kalitesi de göz önünde bulundurulur.”
Kül barajlarından çıkan uçucu kül
Çalışmanın ortak yazarlarından ve Johannesburg Üniversitesi İnşaat Mühendisliği ve Yapılı Çevre Okulunun eski başkanı olan Prof. Stephen Ekolu, Güney Afrika’da, jeopolimer çimento olarak uçucu kül kullanımına ilişkin araştırmaların sınırlı olduğunu söylemektedir.
Ekolu, “Uçucu küllü jeopolimer betonla ilgili mevcut araştırmalarda doğrudan elektrik santrallerinden elde edilen uçucu kül kullanılmıştır. Jeopolimer çimento üretiminde, teknik olarak “taban külü” şeklinde adlandırılan, atık depolama alanları ve kül barajlarından elde edilen uçucu kül kullanımı hakkında daha fazla araştırma yapılmasına ihtiyaç vardır.”
“En önemli araştırma soruları, malzeme kalitesi, karışım tasarımı ve hâlihazırda kullanılan yüksek sıcaklıklarda kürleme uygulamasından ziyade, ortam koşullarında kürlemeye izin verecek teknolojinin geliştirilmesidir. Bu üç bilimsel sorun çözüldükten sonra, uçucu kül ve aslında çoğu diğer jeopolimer çimento formları, dünya çapında Normal Portland Çimentosu ikameleri olarak daha iyi bir şekilde yerleştirilebilir.” dedi.
Beton katkısı değil
Şu anda, az miktarda uçucu kül yaygın bir çimento katkısı olarak kullanılmaktadır. Güney Afrika’da bu miktar, yıllık üretilen 36 milyon tonun %10’unu karşılar. Puzolanik Portland Çimentosu (PPC) üretmek için klinker ile karıştırılmaktadır.
Uçucu kül yaygın bir Normal Portland Çimentosu katkısı olarak kullanılsa dahi, uçucu kül bazlı jeopolimer beton (FA-GC) Normal Portland Çimentosu bazlı beton ile birleştirilemez.
Bunun nedeni, Normal Portland Çimentolu betonun hidratasyon sürecinin, FA-GC’nin jeopolimerizasyon reaksiyonundan tamamen farklı olmasıdır. Ayrıca, Normal Portland Çimentosu bazlı beton ve jeopolimer betonun her biri farklı kürleme koşulları gerektirmektedir.
Normal Portland Çimentolu betondan farklı bir üretim
Normal Portland Çimentosu üretimindeki ana aşamalar, kalsinasyon ve öğütme işlemleridir.
Normal Portland Çimentosu’ndan farklı olarak, jeopolimer üretimi bu aşamaları gerektirmemektedir. Uçucu kül bazlı jeopolimer bağlayıcıları iki bileşenden oluşmaktadır: Uçucu kül ve bir alkali aktivatörü. Genellikle, uçucu kül daha fazla işleme gerek kalmadan, santralde üretildiği gibi kullanılmaktadır.
Sodyum silikat ve sodyum hidroksit gibi alkali aktivatör çözeltileri de endüstride yaygın olarak üretilmektedir. Bunlar, deterjan ve tekstil üretimi gibi birçok amaç için kullanılmaktadır.
“Daha yeşil” beton
Naghizadeh, “Jeopolimer çimentonun farklı çevre koşulları altındaki uzun vadeli dayanıklılığı daha fazla araştırmaya ihtiyaç duymaktadır. Ayrıca, inşaat endüstrisi küresel olarak jeopolimer üretimi konusunda yeterli teknik bilgiye sahip değildir. Jeopolimer bağlayıcıları kullanmak için, mühendisler, teknisyenler ve inşaat işçileri jeopolimer beton karışımı tasarlamak ve üretmek için gerekli olan eğitime tabi tutulmalıdır.” dedi.
Ekolu, “Portland çimentosu üretiminin, büyük çevresel etkileri nedeniyle gelecekte sınırlandırılması gerektiğine şüphe yok. Bu çevresel etkiler, yaklaşık %5-8 oranında antropojenik karbondioksitin atmosfere salınımını içermektedir ki bunun da iklim değişikliğinde payı bulunmaktadır.” şeklinde ekledi.
Johannesburg Üniversitesindekiler de dâhil olmak üzere, birçok çalışma uçucu kül jeopolimerinin Normal Portland çimentosundan üstün veya benzer özellikler gösterebileceğini göstermiştir. Bu, jeopolimeri belirli uygulamalarda Normal Portland çimentosunun yerini almaya uygun bir alternatif hâline getirmektedir.
Ayrıca, uçucu külün dünya çapında, özellikle gelişmekte olan ülkelerde bulunabilirliği, sorunlu bir atık ürünün potansiyel yeniden kullanımı açısından, Normal Portland Çimentosu’ndan daha ekonomik ve “daha yeşil” bir üretim fırsatı sağlamaktadır.
