Determination of The Effect of Different Production Parameters on Geopolymer Components Obtained from Industrial/Mineral Wastes Using Taguchi Method

Abstract

The production of cement releases CO2 and other pollutants that significantly threaten environmental and human health, particularly in relation to climate change and global warming. In this study, the effect of different production parameters on geopolymer composite mortars was investigated. Industrial and mineral additives were added to the geopolymer structures containing blast furnace slag and fly ash as main binders. The effects of numerous parameters such as curing temperature, curing time, and industrial/mineral waste on binders have been investigated. In this context, the L27 (36) orthogonal matrix was formed with 3 different levels and 6 different parameters using the Taguchi method. Three different molar ratios (8M, 10M, 12M) of sodium hydroxide solution and sodium silicate were used in the study. After 56 days of atmospheric curing, ANOVA analyses were also performed. According to Taguchi and ANOVA statistical results, the most effective parameter on geopolymer samples was curing temperature. From the noise signal (S/N) ratio data prepared according to the results of the “biggest is best” criterion, it is understood that the most effective temperature is 75 ⁰C.

Keywords

• Taguchi method
• ANOVA
• Blast furnace slag
• Fly ash
• Mine waste

Endüstriyel/Madensel Atıklardan Elde Edilen Geopolimer Bileşenler Üzerinde Taguchi Metodu Yardımıyla Farklı Üretim Parametrelerinin Etkisinin Belirlenmesi

Öz

Çimento üretimi kaynaklı CO2 sera gazının ve diğer kirleticilerin başta iklim değişikliği ve küresel ısınma olmak üzere, çevre ve insan sağlığını tehdit ettiği bilinmektedir. Bu çalışmada, geopolimer kompozit harçlar üzerinde farklı üretim parametrelerinin etkisi incelenmiştir. Ana bağlayıcılar olarak yüksek fırın cürufu ve uçucu kül içeren geopolimer yapılara ek olarak endüstriyel ve madensel katkı maddeleri ilave edilmiştir. Bağlayıcılar üzerinde kür sıcaklığı, kür süresi ve endüstriyel /madensel atıklar gibi birçok parametrenin etkisi araştırılmıştır. Bu kapsamda Taguchi metodu kullanılarak 3 farklı seviye ve 6 farklı parametre ile L27 (36) ortogonal matris oluşturulmuştur. Çalışmada, üç farklı molar oranı (8M,10M,12M) olmak üzere sodyum hidroksit çözeltisi ile sodyum silikat kullanılmıştır. 56 gün atmosferik kür uygulanan numunelere ANOVA analizleri de yapılmıştır. Taguchi ve ANOVA istatistiksel sonuçlarına göre, geopolimer numuneler üzerinde en etkili parametrenin kür sıcaklığı olduğu belirlenmiştir. ‘En büyük en iyidir’ kriteri sonuçlarına göre hazırlanan sinyal/gürültü (S/N) oranı verilerinden en etkin sıcaklığın 75⁰C olduğu anlaşılmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Taguchi metodu
• ANOVA
• Yüksek fırın cürufu
• Uçucu kül
• Maden atığı

References

1. Altındal I. Değişik geopolimer beton numunelerin farklı kür koşulları altında basınç dayanımının değişimi. İstanbul Gelişim Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, sayfa no: 59, İstanbul, Türkiye, 2020.
2. Beglarigale A., Yazici H. Mitigation of detrimental effects of alkali-silica reaction in cement-based composites by combination of steel microfibers and groundgranulated blast-furnace slag. J. Mater. Civil Eng. 2014; 26(12): 04014091.
3. Belie ND., Soutsos M., Gruyaert E. Properties of fresh and hardened concrete containing supplementary cementitious materials: State-of-the-art Report of the RILEM Technical Committee 238-SCM, Working Group 4. K. Sideris., H. Justnes., M. Soutsos., Sui T. Fly Ash (ss.55-98). 2018; New York, NY: Springer.
4. Bingöl Ş. Farklı cüruf türlerinden geopolimer harç üretimi. Bandırma Onyedi Eylül Üniversitesi Mühendislik Bilimleri ve Araştırmaları Dergisi 2022; 4(2): 173-178.
5. Cheah CB., Part WK., Ramli M. Effect of sodium silicate and curing regime on properties of load bearing geopolymer mortar block. Journal of Materials in Civil Engineering 2016; 29(4): 04016244.
6. Chokkalingam P., El-Hassan H., El-Dieb A., El-Mir A. Development and characterization of ceramic waste powder-slag blended geopolymer concrete designed using Taguchi method. Construction and Building Materials 2022; 349: 128744.
7. Çavdar Ö., Temizer H. Effects on geopolymer mortars of the blast-furnace slags obtained from different regions. International Journal of Advanced Natural Sciences and Engineering Researches 2024; 8(10): 180-190.
8. Çavdar A., Çavdar Ö. Availability of sedimentary and volcanic rock deposits on Northeastern Turkey as concrete aggregates. Physics and Chemistry of the Earth, Parts A/B/C 2024; 134: 103567.

9. Durak U., Şimşek AA. Investigation of the use of waste iron powder instead of aggregate in fly ash and blast furnace slag based geopolymer systems. Journal of The Institute of Science and Technology 2022; 5(2): 812-828,
10. Duxson P., Fernández-Jiménez A., Provis JL. et al. Geopolymer technology: The current state of the art. J Mater Sci 2007; 42, 2917–2933.
11. El-Hassan H., Shehab E., Al-Sallamin A. Influence of different curing regimes on the performance and microstructure of alkali-activated slag concrete. J. Mater. Civil Eng 2018; 30(9): 04018230.
12. Ganes AC., Muthukannan M. Development of high performance sustainable optimized fiber reinforced geopolymer concrete and prediction of compressive strength. Journal of Cleaner Production 2021; 282: 124543.
13. Hamed E., Demiröz A. Optimization of geotechnical characteristics of clayey soils using fly ash and granulated blast furnace slag-based geopolymer. Construction and Building Materials 2024; 441: 137488.
14. Kaya M. Investigation of mechanical and durability properties of alkali activated mortars produced using different types of fly ashes. Sakarya University, Graduate School of Natural and Applied Sciences, PhD Thesis, June, Turkey, 2016.
15. Kop M., Yazıcıoğlu S. Mechanical properties of fly ash and blast furnace slag based geopolymer mortars in thermal curing environment. Gazi University Journal of Science 2023; 11(3): 756-765.
16. Litu L., Buema G., Mosoarca G., Harja M. Copper ion removal by adsorption using fly ash-based geopolymers: process optimization insights from Taguchi and Anova statistical methods. Materials 2024; 17: 3992.
17. Mehta A., Siddique R., Singh BP., Aggoun S., Łagód G., Hunek DB. Influence of various parameters on strength and absorption properties of fly ash based geopolymer concrete designed by Taguchi method. Construction and Building Materials 2017; 150: 817–824.
18. Muhammed DT., Yaltay N. Strength and elevated temperature resistance properties of the geopolymer paste produced with ground granulated blast furnace slag and pumice powder. Ain Shams Engineering Journal 15, 2024; 102483.
19. Özen S. Effect of curing time and temperature on compressive strength of volcanic tuff-based geopolymer. Gümüşhane University Journal of Science and Technology 2021; 11(2): 530-536.
20. Phoongernkham T., Maegawa A., Mishima N., Hatanaka S., Chindaprasirt P. Effects of sodium hydroxide and sodium silicate solutions on compressive and shear bond strengths of fa–gbfs geopolymer. Construction and Building Materials 2015; 91: 1–8.
21. Provis JL., van Deventer JSJ. (Eds.). Geopolymers: Structure, processing, properties and industrial applications. Woodhead Publishing, 2009.
22. Raja SR., Arulraja PG., Anand, N., Balamuralia K., Gokul G. Influence of various design parameters on compressive strength of geopolymer concrete: a parametric study by taguchi method. International Journal of Engineering 2021; 34(10): 2351-2359.
23. Raj PKA., Sarath D., Nagarajan P., Thomas BSA. simplified mix design for ggbs–dolomite geopolymer concrete using the taguchi method. Iranian Journal of Science and Technology. Transactions of Civil Engineering 2024; 48: 3189–3212.
24. Soltani A., Tarighat A., Rostami R., Tavakoli D., Moradi A. Investigation of mechanical properties of concrete with clinoptilolite and silica fume using Taguchi method. Innovative Infrastructure Solutions 2024; 9: 77.
25. Şenol AF., Demiral NÇ. Akışkanlaştırıcı katkı kullanımının yüksek fırın cürufu esaslı geopolimer harçların özelliklerine etkisi. 1st International Conference On Scientific and Innovative Studies 2023; 18-20 Nisan, 2023, Konya, s. 273-278.
26. Tonyalı T. Farklı tür atık malzemeler kullanılarak üretilen geopolimer harçların mekanik ve kalıcılık özelliklerinin incelenmesi. İstanbul Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü Doktora Tezi, sayfa no:88, İstanbul, Türkiye, 2021.
27. Tunçel O. Optimization of charpy impact strength of tough pla samples produced by 3d printing using the taguchi method. Polymers 2024; 16: 459.
28. Yenginar Y. Derin karıştırma kolonlarının performansını etkileyen faktörlerin model deneylerle araştırılması. Konya Teknik Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü Doktora Tezi, sayfa no: 426, Konya, Türkiye, 2020.
29. Yetgin Ş., Çavdar A. Doğal puzolan katkı oranının çimentonun dayanım, işlenebilirlik, katılaşma ve hacim genleşmesi özelliklerine etkisi. Fırat Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi 2005; 17(4): 687-692.
30. Yüksek S., Kaya S. Kömür baca külü, kireç ve jips ürünlerinden yapı malzemesi yapımı 2017; Yüksek/Apjes 58-70. doi: 10.21541/apjes.292066.