Influence of Retempering with Superplasticizer on Fresh and Hardened Properties of Prolonged Mixed Concretes Containing Supplementary Cementitious Materials

Ready-mixed concrete suffers in terms of fresh and hardened properties as a result of prolonged mixing, hot weather concreting and/or possible delays in construction site. To overcome these problems, this study focused on the provision of sufficient workability with the retempering of concrete mixtures during prolonged mixing periods with use of superplasticizer (SP). Four mixtures with substitution of different mineral admixtures such as blast furnace slag (BFS), fly ash (FA), ground clay brick (GCB) and natural pozzolan (NP) and control mixture were designed. 5, 60, 120, 180 and 240 minutes mixing periods were applied on the mixtures. 15 ± 2 cm slump value was targeted after the retempering. In addition, air content, 7 and 28 day compressive and splitting tensile strength of the mixtures were tested. Results showed that slump values fall to zero after prolonged mixing when mixtures were not retempered, while slump loss was completely eliminated after retempering with SP. The air content of the mixtures decreased significantly as a result of the stiffening of the concrete after prolonged mixing. After the retempering process, compressive and splitting tensile strengths of the mixtures slightly increased. Also, the fresh and hardened properties of concrete improved with the use of high amounts of mineral admixtures

New generation fiber reinforced geopolymeric composites Yazar:İSMAİL RACİ BAYER

Günümüzde en çok kullanılan yapı malzemesi beton olmakla birlikte, çimento üretimi önemli ölçüde enerji tüketiminden ve karbon salınımından sorumludur. Ayrıca beton ve çimento üretimi sırasında farklı amaçlarla çok ciddi seviyede kil, kireçtaşı, alçı gibi doğal kaynaklar da yok olmakta, bu nedenle beton ve çimento sektörünün çevreye verdiği zararlar daha da artmaktadır. Bu sebeple, son zamanlarda çevreye duyarlı ve doğal kaynakları asgari seviyede tüketen çalışmalara ilgi oldukça artmıştır. Portland çimentosuna (PÇ) alternatif olarak, jeopolimer olarak adlandırılan camsı alümino-silisli malzemelerin (örn.: uçucu kül, cüruf, ısıl işlem görmüş kil, vb.) yüksek alkali ortamlarda aktive edilmesi ile elde edilen yeni nesil bağlayıcılar, daha düşük enerji gereksinimi duyan ve düşük CO2 salınımlı sürdürülebilir kompozitlerin geliştirilmesinde önemli bir aşama olarak görülmektedir. Geçmişte endüstriyel yan ürün olarak adlandırılan birçok malzeme (örn.: farklı sınıf uçucu küller ve cüruf) jeopolimerizasyon mekanizması için bağlayıcı malzeme olarak başarıyla kullanmıştır. Bu malzemelere ek olarak, jeopolimerizasyon için uygun alternatif çevreci hammaddeler bulunması yönünde yoğun araştırmalar yapılmaya başlanmıştır. Türkiye'de kentsel dönüşümden yaklaşık 6,5 milyonun üzerinde yapının etkileneceği belirtilmektedir. Ortaya çıkacak inşaat yıkıntı atığı (İYA) mevcut durumda dahi oldukça yüksek miktarlara ulaşmış olup, çevresel açıdan çok ciddi bir sorun haline geldiği için İYA'ların geri dönüşümü zorunlu hale gelmiştir. Portland çimentolu sistemlere alternatif olarak jeopolimer bağlayıcılı sistemlerin geliştirilmesinde İYA'ların değerlendirilmesi çimento ve geleneksel beton üretiminden kaynaklı çevresel problemlerin çözümüne katkı sunup sürdürülebilir olmayan doğal malzemelerimizin yok oluşu engellenmiş olacaktır. Sürdürülebilir çevre dostu "yeşil" yapı malzemeleri olarak tanımlanan jeopolimerler, geleneksel betona benzer şekilde doğası gereği gevrek malzemeler olup üstün özellikleri çatlakların varlığında genellikle kötüleşmektedir. Gevrek malzemelerin özellikle büyük yapılarda kullanıldıkları durumlarda çatlak oluşumunun engellenmesi neredeyse imkansızdır. Bu tez çalışmasında, çevresel ve ekonomik olarak büyük sorun teşkil eden ve artan nüfusa oranla giderek büyüyen bir problem olan İYA'nın, jeopolimerizasyon tekniği aracılığıyla geri dönüşümünün sağlanması ve çeşitli liflerin eklenmesiyle şekil değiştirme sertleşmesi ve yük altında çoklu mikro çatlak oluşturma özelliği gösterebilen tasarlanmış jeopolimer bağlayıcılı lif donatılı kompozitlerin (EGC) geliştirilmesi hedeflenmektedir. Bu sayede hem günümüzde önemli çevresel problem teşkil eden İYA en aza indirilecek ve Portland çimentosu kaynaklı sera gazı salınımlarının alternatif bir malzeme geliştirilerek önüne geçilmesi sağlanacak, hem de yük altında sünek özellik göstererek çoklu çatlak oluşturabilme kapasitesi ile ani kırılmaların engellendiği bir tasarım geliştirilecektir. Tez çalışmaları kapsamında, 90 günlük ortam kürünün ardından 27,8-49,6 MPa basınç dayanımına, 8,8-12,8 MPa eğilme dayanımına ve 23,6-48,3 mm orta açıklık deformasyonuna sahip lif donatılı jeopolimer bağlayıcılı kompozit malzemeler geliştirilmiştir. Geliştirilen bu kompozit malzemelerin yük altında oluşturduğu çoklu mikro çatlak parametreleri incelenmiş ve 0,043-0,259 mm aralığında çok sayıda mikro çatlak gözlemlenmiştir.Although concrete is the most used building material today, cement production is responsible for significant energy consumption and carbon emissions. In addition, during the production of cement and concrete, natural resources such as clay, limestone and gypsum are being exhausted for different purposes, therefore, the detrimental effect on the environment of the concrete and cement industry further increases. Therefore, studies on the use of environmentally friendly materials and researches on minimizing the use of natural materials increased in the last decade. As an alternative to Portland cement (PC), new generation materials which are obtained by alkali activation of aluminous and siliceous materials (such as fly ash, slag, calcined clay, etc.) are becoming more popular in the development of sustainable composites with less energy requirement and less CO2 emission. In the past, many materials called industrial by-products (eg: different class fly ashes and slag) used successfully as binding material for the geopolymerization mechanism. Additionally, intensive researches have been started to find out alternative eco-friendly raw materials suitable for geopolymerization. It is stated that approximately 6.5 million buildings will be affected by urban transformation in Turkey. The construction and demolition waste (CDW) is a serious environmental problem currently and the problem will become more severe in future, which makes the use of CDW mandatory. Its use in the production of geopolymers, its potential for being an alternative to PC and its recycling in the constructions are thought to be the solutions of many problems in the civil engineering field. Geopolymers, defined as sustainable environmentally friendly "green" building materials, are brittle materials by nature, similar to conventional concrete, and their superior properties generally worsen in the presence of cracks. Cracks are almost inevitable in brittle materials, especially in large-scale field applications. In this thesis study, it is aimed to assess the geopolymerization technique in order to recycle CDW, which is a major problem in terms of environment and economy and a growing problem by the increasing population, and develop engineered geopolymer composites (EGC), which can exhibit strain hardening behavior and forming multiple micro cracks under load by the addition of various fibers. In this way, CDW, which is an important environmental problem today, will be minimized and greenhouse gas emissions caused by Portland cement will be prevented by developing an alternative material, and a design that prevents sudden fractures will be developed with the capacity to formation multiple cracks and showing ductile properties under load. Within the scope of thesis studies, fiber-reinforced engineered geopolymer composites with 27.8-49.6 MPa compressive strength, 8.8-12.8 MPa flexural strength and 23.6-48.3 mm mid-span deformation have been developed after 90 days of ambient curing. Multiple micro crack parameters under load were examined and a quite number of micro cracks in the range of 0.043-0.259 mm were observed.İÇİNDEKİLER DİZİNİ ÖZET............................................................................................................................ i ABSTRACT...............................................................................................................iii TEŞEKKÜR ............................................................................................................... v İÇİNDEKİLER DİZİNİ.........................................................................................viii ŞEKİLLER DİZİNİ................................................................................................... x ÇİZELGELER DİZİNİ.......................................................................................... xiv SİMGELER DİZİNİ.............................................................................................. xvii KISALTMALAR DİZİNİ ..................................................................................... xvii 1. GİRİŞ .................................................................................................................. 1 2. LİTERATÜR ÖZETİ........................................................................................ 6 2.1. Giriş............................................................................................................... 6 2.2. Lif Donatılı Çimentolu Kompozitler............................................................. 6 2.2.1. Sünek Lif Donatılı Çimentolu Kompozitler............................................... 9 2.2.2. Yüksek Performanslı Lif Donatılı Çimentolu Kompozitler....................... 9 2.3.1. Tasarlanmış Çimento Bağlayıcılı Kompozitler (ECC) ............................ 11 2.3. Jeopolimer Terminolojisi ............................................................................ 25 2.3.1. Jeopolimer Aktivatörleri .......................................................................... 27 2.3.2. Jeopolimer Bağlayıcılar ........................................................................... 29 2.3.3. Jeopolimerlerde Bağ Yapısı ve Matris Özellikleri................................... 37 2.3.4 Jeopolimer Üretiminde İnşaat ve Yıkıntı Atıklarının Kullanılması.......... 46 2.3.5. İnşaat Yıkıntı Atığı Bazlı Geri Dönüşüm Agregası ................................. 50 2.4. Tasarlanmış Jeopolimer Bağlayıcılı Kompozitler (EGC) ........................... 55 3. MATERYALLER VE METODOLOJİ......................................................... 65 3.1. Kullanılan Malzemeler.................................................................................... 65 3.1.1. İYA Bazlı Bağlayıcı Malzemeler............................................................. 65 3.1.2. Yüksek Fırın Cürufu ................................................................................ 71 3.1.3. Uçucu Kül (UK)....................................................................................... 72 3.1.4. Alkali Aktivatörler................................................................................... 73 3.1.5. Geri Dönüşüm Agregası (GDA) .............................................................. 77 3.1.6. Lifler......................................................................................................... 80 ix 3.2. Metodoloji ....................................................................................................... 82 3.2.1. Karışımların Hazırlanması ....................................................................... 82 3.2.2. Döküm ve Kalıplara Yerleştirme ............................................................. 82 3.2.3. Kür Koşulları............................................................................................ 83 3.2.4. Kıvam ve Priz Testleri ............................................................................. 84 3.2.5. Agrega Sağlamlık Testi............................................................................ 88 3.2.6. Lif Deneyleri............................................................................................ 90 3.2.7. Basınç ve Eğilme Testleri ........................................................................ 91 3.2.8. Mikro-mekanik Analizler......................................................................... 93 4. SONUÇ VE BULGULAR ............................................................................... 94 4.1. Jeopolimer Hamur Karışımlarının Geliştirilmesi ............................................ 95 4.2. Jeopolimer Harç Karışımlarının Geliştirilmesi ............................................. 103 4.2.1. İYA Esaslı Malzemelerin İkili Kombinasyonu ile GDA Parametrelerinin Fırın Küründe İncelenmesi............................................................................... 103 4.2.2. Jeopolimer Harç Karışımlarında Çeşitli Parametrelerin Değişiminin Etkisinin İncelenmesi....................................................................................... 119 4.3. Jeopolimer Kompozit Karışımlarının Geliştirilmesi ..................................... 127 4.4. Nihai EGC Tasarımlarının Geliştirilmesi...................................................... 137 4.4.1. Nihai EGC Karışımlarının Mikro-Mekanik Analizleri.......................... 158 5. TARTIŞMA VE ÖNERİLER ....................................................................... 170 KAYNAKLAR ....................................................................................................... 175 ÖZGEÇMİŞ............................................................................................................ 20

New generation fiber reinforced geopolymeric composites

YÖK Tez ID: 643924Günümüzde en çok kullanılan yapı malzemesi beton olmakla birlikte, çimento üretimi önemli ölçüde enerji tüketiminden ve karbon salınımından sorumludur. Ayrıca beton ve çimento üretimi sırasında farklı amaçlarla çok ciddi seviyede kil, kireçtaşı, alçı gibi doğal kaynaklar da yok olmakta, bu nedenle beton ve çimento sektörünün çevreye verdiği zararlar daha da artmaktadır. Bu sebeple, son zamanlarda çevreye duyarlı ve doğal kaynakları asgari seviyede tüketen çalışmalara ilgi oldukça artmıştır. Portland çimentosuna (PÇ) alternatif olarak, jeopolimer olarak adlandırılan camsı alümino-silisli malzemelerin (örn.: uçucu kül, cüruf, ısıl işlem görmüş kil, vb.) yüksek alkali ortamlarda aktive edilmesi ile elde edilen yeni nesil bağlayıcılar, daha düşük enerji gereksinimi duyan ve düşük CO2 salınımlı sürdürülebilir kompozitlerin geliştirilmesinde önemli bir aşama olarak görülmektedir. Geçmişte endüstriyel yan ürün olarak adlandırılan birçok malzeme (örn.: farklı sınıf uçucu küller ve cüruf) jeopolimerizasyon mekanizması için bağlayıcı malzeme olarak başarıyla kullanmıştır. Bu malzemelere ek olarak, jeopolimerizasyon için uygun alternatif çevreci hammaddeler bulunması yönünde yoğun araştırmalar yapılmaya başlanmıştır. Türkiye'de kentsel dönüşümden yaklaşık 6,5 milyonun üzerinde yapının etkileneceği belirtilmektedir. Ortaya çıkacak inşaat yıkıntı atığı (İYA) mevcut durumda dahi oldukça yüksek miktarlara ulaşmış olup, çevresel açıdan çok ciddi bir sorun haline geldiği için İYA'ların geri dönüşümü zorunlu hale gelmiştir. Portland çimentolu sistemlere alternatif olarak jeopolimer bağlayıcılı sistemlerin geliştirilmesinde İYA'ların değerlendirilmesi çimento ve geleneksel beton üretiminden kaynaklı çevresel problemlerin çözümüne katkı sunup sürdürülebilir olmayan doğal malzemelerimizin yok oluşu engellenmiş olacaktır. Sürdürülebilir çevre dostu "yeşil" yapı malzemeleri olarak tanımlanan jeopolimerler, geleneksel betona benzer şekilde doğası gereği gevrek malzemeler olup üstün özellikleri çatlakların varlığında genellikle kötüleşmektedir. Gevrek malzemelerin özellikle büyük yapılarda kullanıldıkları durumlarda çatlak oluşumunun engellenmesi neredeyse imkansızdır. Bu tez çalışmasında, çevresel ve ekonomik olarak büyük sorun teşkil eden ve artan nüfusa oranla giderek büyüyen bir problem olan İYA'nın, jeopolimerizasyon tekniği aracılığıyla geri dönüşümünün sağlanması ve çeşitli liflerin eklenmesiyle şekil değiştirme sertleşmesi ve yük altında çoklu mikro çatlak oluşturma özelliği gösterebilen tasarlanmış jeopolimer bağlayıcılı lif donatılı kompozitlerin (EGC) geliştirilmesi hedeflenmektedir. Bu sayede hem günümüzde önemli çevresel problem teşkil eden İYA en aza indirilecek ve Portland çimentosu kaynaklı sera gazı salınımlarının alternatif bir malzeme geliştirilerek önüne geçilmesi sağlanacak, hem de yük altında sünek özellik göstererek çoklu çatlak oluşturabilme kapasitesi ile ani kırılmaların engellendiği bir tasarım geliştirilecektir. Tez çalışmaları kapsamında, 90 günlük ortam kürünün ardından 27,8-49,6 MPa basınç dayanımına, 8,8-12,8 MPa eğilme dayanımına ve 23,6-48,3 mm orta açıklık deformasyonuna sahip lif donatılı jeopolimer bağlayıcılı kompozit malzemeler geliştirilmiştir. Geliştirilen bu kompozit malzemelerin yük altında oluşturduğu çoklu mikro çatlak parametreleri incelenmiş ve 0,043-0,259 mm aralığında çok sayıda mikro çatlak gözlemlenmiştir.Although concrete is the most used building material today, cement production is responsible for significant energy consumption and carbon emissions. In addition, during the production of cement and concrete, natural resources such as clay, limestone and gypsum are being exhausted for different purposes, therefore, the detrimental effect on the environment of the concrete and cement industry further increases. Therefore, studies on the use of environmentally friendly materials and researches on minimizing the use of natural materials increased in the last decade. As an alternative to Portland cement (PC), new generation materials which are obtained by alkali activation of aluminous and siliceous materials (such as fly ash, slag, calcined clay, etc.) are becoming more popular in the development of sustainable composites with less energy requirement and less CO2 emission. In the past, many materials called industrial by-products (eg: different class fly ashes and slag) used successfully as binding material for the geopolymerization mechanism. Additionally, intensive researches have been started to find out alternative eco-friendly raw materials suitable for geopolymerization. It is stated that approximately 6.5 million buildings will be affected by urban transformation in Turkey. The construction and demolition waste (CDW) is a serious environmental problem currently and the problem will become more severe in future, which makes the use of CDW mandatory. Its use in the production of geopolymers, its potential for being an alternative to PC and its recycling in the constructions are thought to be the solutions of many problems in the civil engineering field. Geopolymers, defined as sustainable environmentally friendly "green" building materials, are brittle materials by nature, similar to conventional concrete, and their superior properties generally worsen in the presence of cracks. Cracks are almost inevitable in brittle materials, especially in large-scale field applications. In this thesis study, it is aimed to assess the geopolymerization technique in order to recycle CDW, which is a major problem in terms of environment and economy and a growing problem by the increasing population, and develop engineered geopolymer composites (EGC), which can exhibit strain hardening behavior and forming multiple micro cracks under load by the addition of various fibers. In this way, CDW, which is an important environmental problem today, will be minimized and greenhouse gas emissions caused by Portland cement will be prevented by developing an alternative material, and a design that prevents sudden fractures will be developed with the capacity to formation multiple cracks and showing ductile properties under load. Within the scope of thesis studies, fiber-reinforced engineered geopolymer composites with 27.8-49.6 MPa compressive strength, 8.8-12.8 MPa flexural strength and 23.6-48.3 mm mid-span deformation have been developed after 90 days of ambient curing. Multiple micro crack parameters under load were examined and a quite number of micro cracks in the range of 0.043-0.259 mm were observed

Experimental Evaluation of New Geopolymer Composite with Inclusion of Slag and Construction Waste Firebrick at Elevated Temperatures

This study investigates the effect of elevated temperatures on slag-based geopolymer composites (SGC) with the inclusion of firebrick powder (FBP). There is a limited understanding of the properties of SGC with the inclusion of FBP when exposed to elevated temperatures and the effects of cooling processes in air and water. In this regard, in the preliminary trials performed, optimum molarity, curing temperature, and curing time conditions were determined as 16 molarity, 100 °C, and 24 h, respectively, for SGCs. Then, FBP from construction and demolition waste (CDW) was substituted in different replacement ratios (10%, 20%, 30%, and 40% by slag weight) into the SGC, with optimum molarity, curing temperature, and curing time. The produced SGC samples were exposed to elevated temperature effects at 300, 600, and 800 °C and then subjected to air- and water-cooling regimes. The ultrasonic pulse velocity, flexural strength, compressive strength, and mass loss of the SGCs with the inclusion of FBP were determined. In addition, scanning electron microscopy (SEM) analyses were carried out for control (without FBP) and 20% FBP-based SGC cooled in air and water after elevated temperatures of 300 °C and 600 °C. The results show that the compressive and flexural strength of the SGC samples are higher than the control samples when the FBP replacement ratio is used of up to 30% for the samples after the elevated temperatures of 300 °C and 600 °C. The lowest compressive and flexural strength results were obtained for the control samples after a temperature of 800 °C. As a result, the elevated temperature resistance can be significantly improved if FBP is used in SGC by up to 30%

The Effect of Magnetized Water on the Fresh and Hardened Properties of Slag/Fly Ash-Based Cementitious Composites

The physicochemical structure of the mixing water used in concrete has a significant effect on the physical and mechanical properties of cementitious composites. The studies on the effect of magnetized water (MW) on the properties of FA/BFS-based cementitious composites are still in their infancy. This study explores the effect of MW on the fresh and hardened properties of fly ash (FA)/blast furnace slag (BFS)-based cementitious composites. A total of 22 different mixture groups having FA/BFS (0, 5, 10, 15, 20, and 25%) by weight of cement were produced using tap water (TW) and MW. The fresh-state properties (the initial and final setting times and the consistency) and hardened-state properties (the compressive strength, water absorption properties, and rapid chloride ion permeability test) of produced cementitious composites were investigated. The development of hydration products was analyzed using scanning electron microscopy (SEM) and the mercury intrusion porosimetry (MIP) test. The results reveal that the fresh- and hardened-state properties of cementitious composite samples produced with MW are significantly improved. The properties of the samples utilizing MW showed that FA and BFS could be used at a higher rate for the same target properties in cementitious composites by using MW as mixing water. Using up to 25% FA/BFS in cementitious composites prepared with MW is recommended