Geri Dön

Mitigating alkali silica reaction using waste glass powder

Alkali silika reaksiyonunun azaltılması için atık cam tozu kullanımı

PDF İndir

  1. Tez No: 884115
  2. Yazar: ABED ALİOGLU
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR EKİNCİOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Kimya Mühendisliği, Çevre Mühendisliği, İnşaat Mühendisliği, Chemical Engineering, Environmental Engineering, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 165

Özet

Alkali agrega reaksiyonunun (AAR) en yaygın şekli olan alkali silika reaksiyonu (ASR), betonu etkileyen önemli bir dayanıklılık sorunu olarak bilinmektedir. Na+ ve K+ gibi alkali oksitler ile reaktif silis içeren bazı agregalar arasındaki reaksiyon nedeniyle zararlı bir jel oluşur. Bu jel suyun da etkisi ile şişerek genleşmeye ve iç gerilmelerin artmasına neden olur ve bu da daha sonra betonun dayanıklılığını ve mekanik özelliklerini etkileyen ve harita şekilli olarak adlandırılan ince çatlaklara neden olur. Bununla birlikte, ASR ile ilgili asıl endişe kaynağı bu çatlaklar değil, geçirimliliğin artması ile çelik çubukların korozyonu gibi diğer dayanıklılık problemlerinin ortaya çıkma potansiyelidir. ASR kaynaklı genleşmeleri ilgili standartların belirttiği sınırlar dahilinde tutmak için birçok araştırma yapılmıştır. Mümkünse reaktif olmayan bir agrega ile düşük alkali içeriğine sahip bir çimento kullanmak ve ortamdan nemi uzak tutmak en başta gelen çözüm yöntemlerinden olmakla birlikte bu durum her zaman kolay veya mümkün olmayabilir. ASR genleşmelerini azaltmak için lityum gibi kimyasal katkılar ve uçucu kül, silis dumanı, metakaolin, yüksek fırın cürufu gibi çok çeşitli mineral katkı maddeleri de kullanılabilir. Mineral katkıların kullanılmasının arkasındaki temel neden, hidratasyonun erken aşamalarında amorf silisin salınmasını kolaylaştıran puzolanik reaksiyon göstermeleridir. Bu reaksiyon, kalsiyum silikat hidrate (C-S-H) oluşturmak için kalsiyum hidroksit (CH) tüketir. Sonuç olarak, agrega kaynaklı reaktif silis, alkaliler ile reaksiyona girerek alkali silis hidratı (zararlı jel) oluşturmak için yeterli kalsiyumdan yoksundur. Son zamanlarda yapılan bazı çalışmalarda, beton ve harç gibi çimento esaslı malzemelerde ASR'yi azaltmak için toz haline getirilmiş atık camlar da mineral katkı maddesi olarak kullanılmış ve her ne kadar mekanik özelliklerde bazı problemler gözlenmiş olsa da ASR genleşmelerinde umut verici sonuçlar elde edilmiştir. Bazı çalışmalara göre atık cam tozu kullanılarak üretilen harç ve betonların erken yaş dayanımlarında düşmeler gözlenmiştir. Bununla birlikte, atık camın ASR kaynaklı genleşmeleri nasıl azalttığını ve mekanik özellikler üzerindeki olumsuz etkisini nasıl giderebileceğimizi anlamak için daha fazla araştırma yapılmasına ihtiyaç vardır. Günümüzde çevre sorunları bilim camiasının en önemli sorunlarından biri olarak kabul edilmektedir. Atık camlar, Dünya'mızdaki en yaygın katı atıklardan biridir ve yavaş ayrışma hızı nedeniyle önemli bir çevre sorunudur. Camın biyolojik olarak parçalanması mümkün değildir ve çöplüklerde parçalanması binlerce yıl alabilir. Uygun şekilde atılmayan atık camlar kirlilik, iklim değişikliği ve habitat tahribatı gibi çevresel sorunlara katkıda bulunabilir. Bu nedenle atık camların çimento esaslı malzemelerin üretiminde kullanılması çevresel sorunları azaltarak sürdürülebilirliğe katkı sağlayabilir. Günümüzde atık camlar agrega olarak veya çimento ile ikame olarak kullanılabilmektedir. Çimento ile ikame edildiğinde tane boyutuna bağlı olarak ASR'nin olumsuz etkisini azalttığı gözlenmiştir. Bunun sebepleri üzerine çok çeşitli teoriler öne sürülmesine rağmen bu konuda araştırmalar devam etmektedir. Bu çalışmada ASR'yi azaltmak amacıyla atık cam tozu (ACT) ve nano silikanın (NS) mineral katkı maddesi olarak kullanılması önerilmiştir. Çimento yerine ikame olarak %10, %15, %20 ve %25 ACT ile %1, %1.5 ve %2 nano silikanın farklı yüzdelerde kullanılması ile toplam 20 farklı harç karışımı üretilmiştir. Atık cam tozu diğer mineral katkı malzemelerine benzer şekilde hidratasyon reaksiyonlarını yavaşlatarak çimento esaslı malzemelerin erken yaş mukavemetini azaltmaktadır. Nano silika ise daha büyük yüzey alanı nedeniyle daha reaktif bir malzemedir ve erken yaş dayanımlarını artırması beklenmektedir. Bu iki malzeme birlikte farklı oranlarda kullanılarak ikisinin optimum bir kombinasyonu bulunmaya çalışılmıştır. ACT-NS kombinasyonlarının harç özelliklerine etkisini araştırmak amacıyla farklı testler yapılmıştır. Taze harçların işlenebilirliği yayılma testi ile belirlenmiş ve hava miktarları hesaplanmıştır. ASR kaynaklı genleşmeleri ölçmek için farklı oranlarda ACT-NS içeren kombinasyonlara hızlandırılmış harç çubuğu deneyi uygulanmış ve boy değişimleri ölçülmüştür. Mekanik özellikleri belirlemek için 4x4x16 cm boyutunda üretilen prizmatik numunelere ise 7 ve 28. günlerde eğilme ve basınç dayanımı testleri uygulandı. Öncelikle prizmatik numunelere eğilme dayanımı testi uygulanarak numuneler iki parçaya bölünmüş ve bu iki parçanın biri üzerinde basınç dayanımı testi yapılırken diğer parça daha sonra kılcal su emme deneyi yapılmak üzere ayrılmıştır. Sonuçlar, ACT ve NS'nın ASR'yi azaltmada olumlu etkisi olduğunu ve ayrıca harçların mekanik özelliklerindeki azalmanın sınırlı kaldığını gösterdi. Elde edilen sonuçlara göre, %20 ACT ve %1,5 NS ile üretilen harç karışımının hem ASR genleşmelerini azaltmada hem de yeterli dayanımlara ulaşmada en uygun karışım olduğu sonucuna varılmıştır. Cam tozu ve çimentonun kristal yapısı arasındaki farkın anlaşılması amacıyla çimento ve cam tozu üzerine X-Işını Kırınımı (XRD) testleri uygulandı. Ayrıca, bazı harç numuneleri de toz haline getirilerek onlar üzerinde de XRD deneyleri yapıldı ve ACT ve NS'nın CH tüketimi ile CSH jeli ve quartz oluşumuna etkileri incelendi. Atık cam tozunun puzolanik etkisini incelemek ve numunelerdeki çatlakları ve farklı hidratasyon ürünlerini görmek amacıyla da Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ve Termogravemetrik Analiz (TGA) deneyleri yapıldı. SEM sonuçlarına göre, kullanılan ACT'nun ASR kaynaklı çatlakları azaltmada etkili olduğu gözlendi. Aynı zamanda, sonuçlar ACT ve NS ile üretilen harçların daha sıkı bir içyapıya sahip olduğunu da göstermiştir. XRD ve TGA deneyleri ACT'nun puzolanik aktivite gösterdiğini ortaya koymuştur. İnce taneli atık cam tozu yüksek oranda Si+4 ve Ca+2 içermektedir ve puzolanik reaksiyon sonucunda tamamen çözünerek C-S-H oluşturur. Bu puzolanik reaksiyon sonucunda ortamdaki SiO2, ASR jeli oluşumu için yetersiz kalmaktadır. Harç özelliklerindeki iyileşmelere ilave olarak, çimentonun ACT ve NS gibi mineral katkılar ile ikame edilmesi geri dönüşüm olarak da düşünülebilir ve sürdürülebilirlik ilkelerine katkıda bulunur. Sonuç olarak bu çalışmanın, biyobozunur atıklardan biri olmayan camın harç ve beton gibi çimento esaslı malzemelerin üretiminde kullanılmasıyla hem çevresel kaynaklı problemleri azaltarak sürdürülebilirliğe katkıda bulunmayı hem de ASR gibi önemli bir dayanıklılık sorununa çözüm olmasını umuyoruz. Bununla birlikte atık cam tozlarının çimento esaslı malzemelerdeki etki mekanizmasını anlamak için daha fazla sayıda çalışma yapılmasına ihtiyaç duyulmaktadır ve bu tezin de bu tarz çalışmalara katkıda bulunmasını umuyoruz.

Özet (Çeviri)

Alkali silica reaction (ASR), the most widespread alkali-aggregate reaction (AAR), is a significant durability problem affecting concrete. A deleterious gel is formed due to the reaction between alkali oxides and reactive aggregates containing silica. This gel causes expansion, which in turn causes small cracks that affect the durability and mechanical properties of the concrete later. Although ASR causes cracks in concrete, the fundamental issue with ASR is the prevalence of additional durability concerns, such as corrosion in steel, that could ultimately lead to extreme results. Much research has been done to keep ASR expansion within the safe limits mentioned in related standards. Chemical and mineral additives, such as lithium and different supplementary cementitious materials (SCMs), can mitigate the expansion of ASR. Recently, some studies introduced waste glass in powder form as a mineral additive to mitigate ASR, and they found promising results with some problems in mechanical properties. However, more research is needed to understand how waste glass mitigates ASR and how we can solve its negative effect on mechanical properties. Environmental problems are considered one of the most significant problems in scientific society. Waste glass is an important environmental problem due to its large volume and slow decomposition rate. Glass is non-biodegradable and can take thousands of years to decompose in landfills. Improperly disposed of waste glass can contribute to environmental problems such as pollution, climate change, and habitat destruction. Therefore, using waste glass to produce cement-based materials can contribute to sustainability by reducing environmental issues. This experimental study proposes using waste glass powder (WGP) and nano silica (NS) as mineral additives to mitigate ASR. Different percentages of (WGP): 10%, 15%, 20%, and 25%, with 1%, 1.5%, and 2% of nano silica as cementitious replacement were examined. Nano-silica accelerates the early-age hydration reactions in mortar, while waste glass powder mitigates. Waste glass powder and cement used for the production were tested using an X-ray fluorescence test (XRF) to learn the elemental composition of both materials. The average particle size of WGP was 60µm before production to increase the effectiveness in mitigating ASR. Different tests were conducted to investigate the effect of WGP-NS combinations on mortar properties. A flowability test determined the workability of mortars with glass powder and Nano silica. Air content for mortars containing different amounts of WGP and NS was calculated during the production phase. An accelerated mortar bar test was conducted for different combinations to measure the expansion in each mortar. Flexural and compressive strength tests were conducted on prismatic specimens at 7 and 28 days. First, three flexural strength tests were conducted on samples to divide each specimen into two pieces (6). Three of the six pieces were tested in a compression machine, and the other three were used for a capillary water absorption test to see the influence of WGP and NS on the permeability of mortar. The results showed a positive effect of WGP-NS on mitigating ASR and limiting the reduction in the mechanical properties of mortars, especially at an early age. Scanning Electronic Microscope (SEM) and Thermo Gravimetric Analysis (TGA) tests were performed to examine the pozzolanic reaction of glass powder and see the cracks and different hydration products in the specimens. Also, X-ray diffraction analysis was performed to investigate the effect of WGP and NS on CH consumption C-S-H formation and quartz formation. SEM showed the ability of WGP to reduce the cracks that resulted from alkali-silica gel formation. Also, results showed a denser microstructure in mortars produced with WGP and NS. XRD and TGA tests presented the pozzolanic activity of WGP. The fine particles of glass powder, which contain high levels of Si+4 and Ca2+, conduct a pozzolanic reaction, and they dissolve completely in the hydration process to form C-S-H. This pozzolanic reaction causes insufficient presence of SiO2 to form the ASR gel. In addition to the improvements in the properties of mortars, replacing the cement with these mineral additives (WGP and NS) can be considered a recycling process and contribute to sustainability principles.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    389937

    Mineral katkıların alkali-silika reaksiyonunu iyileştirmede etkilerinin araştırılması

    Investigation on the effects of mineral additives in mitigating of alkali-silica reaction

    SAFA NAYIR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    İnşaat MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ŞAKİR ERDOĞDU

  2. Tez No

    885956

    Korozyon inhibitörlerinin çimentolu harçlarda agresif ortamlara karşı gösterdiği etkinin araştırılması

    Investigation of the effect of corrosion inhibitors in cementitious mortars against aggressive environments

    İLKAY KARA

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    İnşaat MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İLKER BEKİR TOPÇU

  3. Tez No

    901566

    Evaluating the efficacy of polyethylene glycol and magnesium chloride as anti-freeze agents on the mechanical properties of clays subjected to freeze-thaw cycles

    Polietilen glikol ve magnezyum klorürün antifriz maddeleri olarak donma-çözülme döngülerine maruz kalan killerin mekanik özellikleri üzerindeki etkinliğinin değerlendirilmesi

    AMIN YEGANEH RIKHTEHGAR

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ BERRAK TEYMÜR

  4. Tez No

    866835

    Development of low alkalinity activated construction and demolition waste based geopolymer binder systems for 3D printing application

    Üç boyutlu baskı uygulaması için düşük alkalinite ile aktive edilmiş inşaat ve yıkıntı atığı esaslı jeopolimer bağlayıcılı sistemlerin geliştirilmesi

    HÜSEYİN İLCAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    İnşaat MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ŞAHMARAN

  5. Tez No

    361994

    Fıkhi kaideler ışığında hafifletici istisnai haller ve hükümleri

    Mitigating exceptional cases and their judgments under the light of rules of fiqh

    RAHMAN JADDOA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    DinÇanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi

    Temel İslam Bilimleri Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. TEVHİT AYENGİN

Geri Dön