Mechanical properties of geopolymer mortars produced with fly ash and various ceramic industry wastes

Year 2024, , 550 - 557, 15.04.2024

Ayşe Eser , Zahide Bayer Oztürk , İsmail İsa Atabey , Serhat Çelikten

https://doi.org/10.28948/ngumuh.1400321

Abstract

The ceramic industry holds a considerable position in Turkey's economy, with our country emerging as a frontrunner in the manufacturing of ceramic coating materials and sanitaryware. Pottery products form another distinct branch of ceramic production. The disposal of defective products in the industry leads to the generation of waste, causing environmental pollution and presenting challenges in terms of storage and disposal. Considering the substantial volume of waste produced, it becomes imperative to explore diverse avenues for the effective utilization of the sector's waste. The mechanical properties of geopolymer mortars produced by using ceramic tile factory filter-press cake, sanitaryware, and pottery wastes with and without fly ash with different activators were examined in this study. The mortar mixtures with a liquid/binder ratio of 0.40, incorporating NaOH and Na2SiO3, were subjected to thermal curing at 90ºC for 24 hours. 7 and 28-day flexural and compressive strength tests were applied to the samples. The flexural strengths of mortars produced with Na2SiO3 for 28 days were found to be in the range of 4.4 MPa-11 MPa, while those produced with NaOH ranged from 3.4 to 7.6 MPa. The compressive strengths of ceramic waste binary mixtures and fly ash ternary mixtures surpassed values of 30 MPa. The study demonstrates that ceramic industry wastes can be effectively employed in geopolymer production.

Keywords

Ceramic industry, Fly ash, Gepolymer, Mechanical properties

Project Number

TÜBİTAK 1002- 222M299

Uçucu kül ve farklı seramik sektörü atıklarının kullanımı ile üretilen geopolimer harçların dayanım özellikleri

Abstract

Türkiye'de seramik sektörü, ekonomik anlamda önemli bir paya sahip olup, ülkemiz seramik kaplama malzemeleri ve vitrifiye üretiminde lider konumdadır. Çanak-çömlek ürünleri seramik üretiminin bir başka kolunu oluşturmaktadır. Ancak, ilgili sektörde ıskartaya ayrılan hatalı ürünlerden kaynaklanan atıkların oluşması çevre kirliliği, depolama, tozlaşma sorunlarını beraberinde getirmekte ve atık üretim miktarı dikkate alındığında sektör atıklarının farklı alanlarda değerlendirilmesini zorunlu kılmaktadır. Bu çalışmada, seramik-karo fabrikası filtre-pres keki, vitrifiye ve çömlek atığının, farklı aktivatörlerle uçucu kül ile ve kül olmadan üretilen geopolimer harçların mekanik özellikleri incelenmiştir. Sıvı/bağlayıcı oranı 0.40 olan, NaOH ve Na2SiO3 içeren harç karışımları 24 saat boyunca 90ºC sıcaklıkta ısıl küre tabi tutulmuştur. Numunelere 7, 28 günlük eğilme ve basınç dayanımı deneyleri uygulanmıştır. 28 günlük Na2SiO3 ile üretilen harçların eğilme dayanımlarının 4.4 MPa-11 MPa, NaOH ile üretilen harçların 3.4-7.6 MPa aralığında olduğu tespit edilmiştir. Basınç dayanımlarında ise seramik atıklarının ikili ve uçucu küllü üçlü karışımlarının 30 MPa’dan yüksek değerlere ulaştığı belirlenmiştir. Çalışma seramik sektörü atıklarının geopolimer üretiminde başarıyla değerlendirilebileceğini ortaya koymaktadır.

Keywords

Seramik sektörü, Uçucu kül, Geopolimer, Mekanik özellikler.

Project Number

TÜBİTAK 1002- 222M299

Thanks

Bu araştırma, Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından 222M299 numaralı proje ile finanse edilmiştir. Yazarlar, TÜBİTAK'a sağladığı destek, Seranit Seramik (Bilecik), Turkuaz Seramik (Kayseri) ve Anadolu Çömlekçilik (Nevşehir) fabrikalarına atık temini desteği için teşekkür eder.

References

• Türkiye Cumhuriyeti Strateji ve Bütçe Başkanlığı, https://www.sbb.gov.tr/wpcontent/uploads/2018/10/10SeramikCalismaGurubu pdf, Erişim tarihi Eylül 2022.
• Türkiye Seramik Federasyonu, https://www.serfed.com/upload/ihracat- , Erişim tarihi Eylül 2022.
• M. Saygı, Seramik atıkların asfalt endüstrisinde kullanımı, Yüksek Lisans Tezi, Uşak Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Uşak, 2019.
• K. Kayacı, Y. Yıldırım, C. Genç, A. Keskin ve A. Çırpın, Seramik karo fabrikalarının kek ve seramik sağlık gereçleri pişmiş kırık atıklarının porselen karo bünyelerde kullanım olanaklarının araştırılması. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 19 Özel Sayı (353-358), 2019.
• http://www.avanospottery.com/tr/ , Erişim tarihi Eylül 2022.
• Y.H. Adıyaman, ETİBOR A.Ş. Hisarcık işletmesi atıklarının porselen karo üretiminde kullanılabilirliği. Yüksek Lisans Tezi, Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir, 2006.
• E. Alvarez-Ayuso, Querol X., F. Plana, A. Alastuey, N. Moreno, M. Izquierdo, O. Font, T. Moreno, S. Diez, E. Vazquez and M. Barra, Environmental, physical and structural characterisation of geopolymer matrixes synthesised from coal (co-) combustion fly ashes. Journal of Hazardous Materials, 154, 175-183, 2008. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2007.10.008
• İ.İ. Atabey, F sınıfı uçucu küllü geopolimer harcının durabilite özelliklerinin araştırılması. Doktora Tezi, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Kayseri, 2017.
• G.F. Huseien, J. Mirza, M. Ismail, Effects of high volume ceramic binders on flexural strength of self-compacting geopolymer concrete. Adv. Sci. Lett. 24 4097–4101, 2018. https://doi.org/10.1166/ asl.2018.11549
• G.F. Huseien, A.R.M. Sam, J. Mirza, M.M. Tahir, M.A. Asaad, M. Ismail and K.W. Shah, Waste ceramic powder incorporated alkali activated mortars exposed to elevated temperatures: performance evaluation. Construction and Building Materials, 187, 307–317, 2018.https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.07.226
• M. Keppert, E. Vejmelková, P. Bezdicka, M. Dolezelová, M. Cáchová, L. Scheinherrová, J. Pokorny, M. Vyšvar il, P. Rovnaníková and R. Cerny, Red-clay ceramic powders as geopolymer precursors: Consideration of amorphous portion and CaO content. Appl. Clay Sci. 161 82–89, 2018. https://doi.org/10.1016/j.clay.2018.04.019
• S.K. Amin, S.A. El-Sherbiny, A.A.M.A. El-Magd, A. Belal, M.F. Abadir, Fabrication of geopolymer bricks using ceramic dust waste. Construction and Building Materials, 157 610–620, 2017. https://doi.org/10.1016/ j.conbuildmat.2017.09.052
• S. Kulkarni, Experimental study on red mud, fly ash, GGBFS based geopolymer concrete. International journal of engineering research technology, 7(12) 107-111, 2018.
• G. Mucsi, R. Szabo, A. Racz, F. Kristaly, S. Kumar, Combined utilization of red mud and mechanically activated fly ash in geopolymers. The Mining Geology- Petroleum Engineering Bulletin, 27-36, 2019. https://doi.org/10.17794/rgn.2019.1.3
• M. Torres-Carrasco, F. Puertas, Waste glass in the geopolymer preparation. Mechanical and microstructural characterization. Journal of Cleaner Production, 90:397–408, 2015. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2014.11.074
• G.F. Huseien, A.R.M. Sam, K.W. Shah, J. Mirza and M.M. Tahir, Evaluation of alkali-activated mortars containing high volume waste ceramic powder and fly ash replacing GBFS. Construction and Building Materials, 210, 78-92, 2019. https://doi.org/10.1016/ j.conbuildmat.2019.03.194
• G.F. Huseien, A.R.M. Sam, K.W. Shah and J. Mirza, Effects of ceramic tile powder waste on properties of self-compacted alkali activated concrete. Construction and Building Materials, 236, 117574, 2020. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117574
• L. Reig, L. Soriano, M.V. Borrachero, J. Monzo and J. Paya, Influence of the activator concentration and calcium hydroxide addition on the properties of alkali-activated porcelain stoneware. Construction and Building Materials, 68, 214-222. 2014. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.04.023
• A.M. Rashad and G.M.F. Essa, Effect of ceramic waste powder on alkali-activated slag pastes cured in hot weather after exposure to elevated temperature. Cement and Concrete Composites, 111, 103617, 2020. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2020.103617
• L. Reig, M.V. Borrachero, J.M. Monzo, J.R.H. Savastono, M.M. Tashima, J.J. Paya, Use of ceramic sanitaryware as alternative for the development of new sustainable binders. Key Engineering Materials, 668, 172-180, 2015. https://doi.org/ 10.4028/ www.scientific.net/KEM.668.172
• Z. Bayer Öztürk, Y.C. Yılmaz, Y. Bozkurt, İ.İ. Atabey, Vitrifiye ürün atıklarından geopolimer yapı malzemesi üretimi, The Internatinonal Conference on Materials Science, Mechanical and Automotive Engineerings and Technology in Cappadocia/TURKEY (IMSMATEC’19), 1178-1181, June 21-23, 2019.
• İ.İ. Atabey, Z. Bayer Öztürk, Seramik sağlık gereci atıklarının geopolimer harç üretiminde kullanılabilirliğinin araştırılması. International Journal of Engineering Research and Development, 13( 1),212-219, 2021. https://doi.org/ 10.29137/umagd.782733
• Z. Bayer Öztürk ve İ.İ. Atabey, Mechanical and microstructural characteristics of geopolymer mortars at high temperatures produced with ceramic sanitaryware waste. Ceramics İnternational, 48 (9), 12932-12944, 2022. https://doi.org/10.1016/ j.ceramint.2022.01.166
• A.M. Rashad, A comprehensive overview about the influence of different admixtures and additives on the properties of alkali-activated fly ash. Materials & Design, 53, 1005-1025, 2014. https://doi.org/ 10.1016/j.matdes.2013.07.074
• V. G. Papadakis, Effect of supplementary cementing materials on concrete resistance against carbonation and chloride ingress. Cement and Concrete Research, 30, 291-299, 2000. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(99)00249-5
• G. Kaplan, A.B. Gültekin, Yapı sektöründe uçucu kül kullanımının çevresel ve toplumsal etkiler açısından incelenmesi, International Sustainable Building Symposium, 1-8, Ankara, 2010.
• https://www.dw.com/tr/avrupak%C3%B6m%C3%B%C3%BC-santralleri-kapat%C4%B1yor t%C3%BCrkiye-yenilerini-kuruyor/a-56391106. Erişim tarihi Eylül 2022.
• Ü. Yurt, An experimental study on fracture energy of alkali activated slag composites incorporated different fibers. Journal of Building Engineering, 32, 101519, 2020 https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101519
• M. Kaya, The effect of micro-SiO2 and micro-Al2O3 additive on the strength properties of ceramic powder-based geopolymer pastes. Journal of Material Cycles and Waste Management, 24(1), 333-350, 2022. https://doi.org/10.1007/s10163-021-01323-3
• A. Özsoy, E. Örklemez, S. İlkentapar, Effect of addition diatomite powder on mechanical strength, elevated temperature resistance and microstructural properties of industrial waste fly ash-based geopolymer. Journal of Material Cycles and Waste Management, 25, 2338–2349, 2023. https://doi.org/10.1007/s10163-023-01692-x
• TS EN 1097-6, Agregaların mekanik ve fiziksel özellikleri için deneyler - Bölüm 6: Tane yoğunluğunun ve su emme oranının tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2013.
• TS EN 1008, Beton-Karma suyu-Numune alma, deneyler ve beton endüstrisindeki işlemlerden geri kazanılan su dahil, suyun, beton karma suyu olarak uygunluğunun tayini kuralları, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2003.
• Z. Bayer Ozturk, R. Cırık and İ.İ. Atabey. Sustainable environment approach by the usage of ceramic pottery waste in geopolymer mortar. International Journal of Environmental Science and Technology, 1-12, 2023. https://doi.org/10.1007/s13762-023-04939-0
• TS EN 196-1, Çimento Deney Metodları – Bölüm 1: Dayanım Tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2009.
• R. Saxena, T Gupta, Assessment of mechanical, durability and microstructural properties of geopolymer concrete containing ceramic tile waste. Journal of Material Cycles and Waste Management, 24(2), 725-742, 2022. https://doi.org/10.1007/s10163-022-01353-5
• İ. İ. Atabey, O. Karahan, C. Bilim, C. D. Atiş, The influence of activator type and quantity on the transport properties of class F fly ash geopolymer. Construction and Building Materials, 264, 120268, 2020. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.120268
• I. Luhar, S. Luhar, A comprehensive review on fly ash-based geopolymer. Journal of Composites Science, 6(8), 219, 2022. https://doi.org/10.3390/jcs6080219