Investigation of High Temperature Performance of Fly Ash and Blast Fur-nace Slag Based Alkali Activated Composites

Yıl 2024, Cilt: 10 Sayı: 2, 418 - 432, 31.12.2024

Edip Furkan Özsoy

https://doi.org/10.29132/ijpas.1519240

Öz

In this study, alkali activated composite specimens were prepared using ground granulated blast furnace slag (YFC) and F class fly ash (UK). NaOH with 14 mol concentration and Na2SiO3 solutions were used as alkaline activators. The activa-tor/binder ratio was set as 0.40 in all mixtures and series were prepared by using 0% UK-100% YFC, 75% UK-25% YFC, 50% UK-50% YFC, 75% YFC-25% UK and 100% UK-0% YFC by weight. The produced samples were subjected to 90°C activa-tion temperature. The demolded specimens were kept in the laboratory for 7 and 28 days and their performances under high temperatures of 20 °C (laboratory tempera-ture), 200°C, 400°C, 600°C and 800°C were investigated. The, compressive strength, flexural strength, tests were performed after determined curing period compared with the reference specimens. In addition, SEM method was used for microstructure analysis of the samples before and after high temperature. As a result, decreases in the strength of the composite specimens prepared due to temperature increase were ob-served. The highest compressive strength and flexural strength were obtained in the reference specimens containing 50% UK-50% YFC kept at 20°C for 28 days. The lowest values were obtained in specimens containing 75% YFC-25% UK kept at 800°C for 28 days.

Anahtar Kelimeler

Alkali Activated Composites, High Temperature, Blast Furnace Slag, Fly Ash, alkaline activator

Uçucu Kül ve Yüksek Fırın Cürufu Esaslı Alkali Aktivasyonlu Kompozitlerin Yüksek Sıcaklık Performanslarının Araştırılması

Öz

Öğütülmüş yüksek fırın cürufu (YFC) ve F sınıfı uçucu kül (UK) kullanılarak alkali aktivasyonlu kompozitlerin yüksek sıcaklık altındaki davranışları bu çalışma kapsa-mında incelenmiştir. Çalışmada, alkali aktivatör olarak Na2SiO3 solüsyonu ile 14 mol konsantrasyonlu NaOH kullanılmıştır. Tüm karışımlarda aktivatör/bağlayıcı oranı 0.40 olarak belirlenmiş ve üretilen numuneler 90°C aktivasyon sıcaklığına tabi tutulacak şekilde ve ağırlıkça %0 UK-%100 YFC, %75 UK-%25 YFC, %50 UK-%50 YFC, %75 YFC-%25 UK ve %100 UK-%0 YFC kullanılarak seriler hazırlanmıştır. Hazırlanan taze harç numuneleri üzerinde yayılma çapı ve priz süreleri belirlenmiştir. Kalıptan çıkartılan numuneler laboratuvar ortamında 7 ve 28 gün süresince bekletil-dikten sonra 20°C (laboratuvar sıcaklığı), 200°C, 400°C, 600°C ve 800°C yüksek sı-caklık altındaki performansları incelenmiştir. Yüksek sıcaklık uygulaması sonrasında numunelerin basınç ve eğilme dayanımları belirlenerek referans numuneyle karşılaş-tırılmıştır. Ayrıca yüksek sıcaklık öncesi ve sonrasında numunelerin mikro yapı ana-lizleri gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak sıcaklık artışına bağlı olarak hazırlanan kompozit numunelerin dayanımlarında düşüşler gözlemlenmiştir. En yüksek basınç dayanımı, eğilme dayanımı ve aşınma direnci %50 UK-%50 YFC içeren 20°C’de 28 gün bekletilen referans numunelerinde elde edilmiştir. En düşük değerler ise %75 YFC-%25 UK içeren 800°C’de 28 gün bekletilen numunelerde elde edilmiştir. Karı-şımlarda yüksek UK kullanımı ile (%75 ve %100) 800oC sıcaklık uygulaması sonra-sında dayanım kaybı %30-%50 seviyelerinde kalırken YFC kullanımının yüksek ol-duğu serilerde yüksek sıcaklık sonrası basınç dayanımı kayıpları %60-%80 gibi yüksek değerler almıştır.

Anahtar Kelimeler

Alkali Aktivasyonlu Kompozitler, Yüksek Sıcaklık, Yüksek Fırın Cürufu, Uçucu Kül, alkali aktivatör

Kaynakça

• Guerrieri, M. ve Sanjayan, J. G. (2010). Behavior of combined fly ash/slag-based geopolymers when exposed to high temperatures. Fire and Materials: An International Journal, 34(4), 163-175.
• Yazıcı, N. ve Karagöl, F. (2022). Uçucu Kül Esaslı ve Cüruf Katkılı Geopolimer Betonların Mekanik ve Durabilite Özelliklerinin Araştırılması. Journal of the Institute of Science and Technology, 12(3), 1592-1606.
• Nawaz, M., Heitor, A. ve Sivakumar, M. (2020). Geopolymers in construction-recent develop-ments. Construction and Building Materials, 260, 120472.
• Ekinci, E. ve Türkmen, İ. (2021). Farklı Aktivatör ve Ham Madde Değişkenlerinin Geopolimer Hamurun Basınç Dayanımına Etkisinin İncelenmesi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (24). 169-175.
• Sharma, A., Basumatary, N., Singh, P., Kapoor, K. ve Singh, S. P. (2022). Potential of geopolymer concrete as substitution for conventional concrete: A review. Materials Today: Proceedings, 57, 1539-1545.
• Guo, X. ve Pan, X. (2018). Mechanical properties and mechanisms of fiber reinforced fly ash–steel slag based geopolymer mortar. Construction and Building Materials, 179, 633-641.
• Zhang, P., Gao, Z., Wang, J., Guo, J., Hu, S. ve Ling, Y. (2020). Properties of fresh and hardened fly ash/slag based geopolymer concrete: A review. Journal of Cleaner Production, 270, 122389.
• Somna, K., Jaturapitakkul, C., Kajitvichyanukul, P. ve Chindaprasirt, P. (2011). NaOH-activated ground fly ash geopolymer cured at ambient temperature. Fuel, 90(6), 2118-2124.
• Junaid, M. T., Khennane, A., Kayali, O., Sadaoui, A., Picard, D. ve Fafard, M. (2014). Aspects of the deformational behaviour of alkali activated fly ash concrete at elevated temperatures. Cement and Concrete research, 60, 24-29.
• Puligilla, S. ve Mondal, P. (2013). Role of slag in microstructural development and hardening of fly ash-slag geopolymer. Cement and concrete Research, 43, 70-80.
• Ding, Y., Dai, J. G. ve Shi, C. J. (2016). Mechanical properties of alkali-activated concrete: A state-of-the-art review. Construction and Building Materials, 127, 68-79.
• Abd. Razak, S. N. ve Nuruddin, M. F. (2015). The Effects of Alkali Silica Reaction (ASR) towards Fly Ash Based Geopolymer Concrete. Applied Mechanics and Materials, 699, 271-276.
• Ferdous, W., Manalo, A., Khennane, A. ve Kayali, O. (2015). Geopolymer concrete-filled pul-truded composite beams–concrete mix design and application. Cement and concrete composites, 58, 1-13.
• Ariffin, M. A. M., Bhutta, M. A. R., Hussin, M. W., Tahir, M. M. ve Aziah, N. (2013). Sulfuric acid resistance of blended ash geopolymer concrete. Construction and building materials, 43, 80-86.
• Khater, H. M. (2014). Studying the effect of thermal and acid exposure on alkali-activated slag geopolymer. Advances in Cement Research, 26(1), 1-9.
• Moon, J., Bae, S., Celik, K., Yoon, S., Kim, K. H., Kim, K. S. ve Monteiro, P. J. (2014). Char-acterization of natural pozzolan-based geopolymeric binders. Cement and Concrete Composites, 53, 97-104.
• Guo, X. ve Yang, J. (2020). Intrinsic properties and micro-crack characteristics of ultra-high toughness fly ash/steel slag based geopolymer. Construction and Building Materials, 230, 116965.
• Waqas, R. M., Butt, F., Zhu, X., Jiang, T. ve Tufail, R. F. (2021). A comprehensive study on the factors affecting the workability and mechanical properties of ambient cured fly ash and slag based geopolymer concrete. Applied Sciences, 11(18), 8722.
• Durak, U. ve Şimşek, A. A. (2022). Uçucu kül ve yüksek fırın cürufu temelli geopolimer sis-temlerde atık demir tozunun agrega yerine kullanımının araştırılması. Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 5(2), 812-828.
• Yurt, Ü. (2020). High performance cementless composites from alkali activated GGBFS. Con-struction and Building Materials, 264, 120222.
• Öz, H. Ö. ve Güneş, M. (2023). Tasarlanmış çimento esaslı kompozit ile uçucu kül ve cüruf esaslı tasarlanmış geopolimer kompozitlerin mekanik ve mikroyapısal özellikleri. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 12(2), 452-471.
• Kurtoglu, A. E., Alzeebaree, R., Aljumaili, O., Nis, A., Gulsan, M. E., Humur, G. ve Cevik, A. (2018). Mechanical and durability properties of fly ash and slag based geopolymer concrete. Advances in concrete construction, 6(4), 345.
• Senff, L., Barbetta, P. A., Repette, W. L., Hotza, D., Paiva, H., Ferreira, V.M. ve Labrincha, J. A. (2009). Mortar composition defined according to rheometer and flow table tests using factorial designed experiments. Construction and Building Materials, 23, 3107-3111.
• Bayer Ozturk, Z., Cırık, R. ve Atabey, İ. İ. (2023). Sustainable environment approach by the usage of ceramic pottery waste in geopolymer mortar. International Journal of Environmental Science and Technology, 20, 7577–7588.
• Bayer Ozturk, Z. ve Çam, T. (2023). Performance of eco-friendly fly ash-based geopolymer mortars with stone-cutting waste. Materials Chemistry and Physics, 307, 128112.
• Zhang, D. W., Sun, X. M., Zhao, K. F., Xu, Z. Y., ve Li, H. (2022). An application of alka-li-activated fly-ash materials with low-compressive strength: Thermal stability at elevated tem-peratures. Journal of Building Engineering, 61, 105256.