Show simple item record

dc.contributor.advisorŞahmaran, Mustafa
dc.contributor.authorİlcan, Hüseyin
dc.date.accessioned2024-10-15T06:48:01Z
dc.date.issued2024
dc.date.submitted2024-05-09
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/11655/35951
dc.description.abstractThe extent of environmental damage caused by construction activities executed to address the increasing population's housing and infrastructure needs and to construct a more livable world has been more clearly observed in recent years, especially as the magnitude of encountered natural phenomena is witnessed. The rises in greenhouse gas emissions, escalating soil and water pollution, the excavation use of clean and arable lands, significant depletion of natural resources, and various other factors can be detected as aspects missed by the construction sector in its pursuit of building a more livable world. Concrete stands out as the dominant material in the construction sector, with an annual global consumption of approximately 30 billion tons, making it the most commonly utilized material in the world after water. This widespread use contributes significantly to the consumption of Portland cement, the primary binder in traditional concrete production, which is energy-intensive and has high carbon emissions. To slow down this negative trend and lower the environmental burdens associated with the construction sector, various steps have been taken. At this point, some studies are being conducted on decreasing the clinker ratio in cement production, changing fuels and raw materials in cement production, substituting industrial by-products for cement, utilizing waste in cementitious systems, and developing alternative binding systems to cement. As a result of these studies, it has been discovered that a new generation binding system, synthesized through the alkali activation of precursor materials called geopolymers, which reduces the environmental impact of cementitious systems, can be used as an alternative to cementitious systems in the construction sector. Its ability to utilize industrial waste as precursor materials in synthesis has led to rapid progress in its use as a construction material, providing both environmental and economic benefits. While the precursors used in traditional geopolymer synthesis are industrial by-products, their elevated demand by the cement/concrete industry, as they can serve as substitutes, has diminished the ready availability of these materials and climbed their costs. Increasing costs and supply-related issues have induced researchers to explore the incorporation of innovative aluminosilicate precursors in geopolymer synthesis. The objective is to use easily accessible and affordable materials while dealing with the challenge of currently unvalorized wastes. These dual objectives endeavor to design more economical and environmentally friendly materials while simultaneously addressing issues coupled with generated wastes. In this context, considering that construction and demolition wastes (CDW) are predominantly composed of aluminum, silicon, and calcium sources, coupled with the global prevalence of CDW generation where it is mostly either disposed of in appointed landfill areas or used for low-tech applications, the incorporation of CDW-based materials in geopolymer production emerges as a promising avenue for effective and innovative material development, along with the high-quality valorization of wastes. In addition to material-sourced issues in the construction sector, despite holding a considerable market share among industrial sectors, the construction industry has fallen behind in keeping pace with emerging technology in the past few decades and has been indecisive in taking required steps in traditional production processes to improve productivity compared to the other sectors. The growing demand for housing because of ongoing population growth, disasters, and wars, has resulted in the recognition in recent years by academics and companies that manufacturing processes in the construction sector required to be more efficient, cheap, and fast. Given this context, three-dimensional additive manufacturing (3D-AM), whose usage is rapidly gaining popularity due to the numerous advantages it offers in other sectors, has started to be employed in the construction industry. 3D-AM systematically constructs tailored structures through the successive deposition of layers following the digital models, offering a high degree of design freedom. With the adaptation of 3D-AM in the construction industry, digitalization, automation and individualization in built environments can be acquired. The key benefits provided by the 3D-AM technique involve the reduction of production-related errors, shortened production time, decreased occupational safety risks, reduced need for skilled workforce, increased customization, and lowered costs. Furthermore, 3D-AM which provides moldless production and the reduced generation of waste materials during the operation process, contributes significantly to mitigating the high environmental burdens caused by the construction sector. Considering all these circumstances, within the scope of this thesis, studies have been conducted to (i) evaluate the effects of incorporation of the industrial wastes into CDW-based geopolymer mixtures, (ii) to provide comprehensive insights and knowledge about tailoring the fresh and hardened properties of the CDW-based geopolymer mixtures considering environmental burdens, (iii) to develop more environmentally friendly, economical, sustainable, and value-added 3D-AM-compatible geopolymer binder systems using CDW, (iv) to minimize the use of alkaline activators and maximize waste materials, (v) to investigate the effects of various additives on the engineering properties of geopolymer mortars, (vi) to mitigate shrinkage-related crack formation in 3D-printed filaments and efflorescence issues in CDW-based geopolymer mixtures, (vii) to investigate reinforcing strategies for 3D-printed structures and possibility of modular system in 3D-printed construction. The study utilized a comprehensive testing approach, encompassing a range of assessments such as flow table, setting time, flow curve, three-interval thixotropy, ram extruder, LCA, compressive and flexural strength, direct tensile, water absorption, sorptivity, efflorescence, drying shrinkage, wet-dry and freeze-thaw cycling tests. This comprehensive methodology facilitated a thorough exploration of the properties and performance of the geopolymer mixtures, effectively fulfilling the research objectives.tr_TR
dc.language.isoentr_TR
dc.publisherFen Bilimleri Enstitüsütr_TR
dc.rightsinfo:eu-repo/semantics/openAccesstr_TR
dc.subjectConstruction and demolition wastestr_TR
dc.subjectGeopolymertr_TR
dc.subject3D-AMtr_TR
dc.subjectWaste upcyclingtr_TR
dc.subjectCircularity in built environmenttr_TR
dc.subject.lcshİnşaat mühendisliğitr_TR
dc.titleDevelopment of Low Alkalinity Activated Construction and Demolition Waste Based Geopolymer Binder Systems for 3D Printing Applicationtr_TR
dc.typeinfo:eu-repo/semantics/doctoralThesistr_TR
dc.description.ozetArtan nüfusun barınma ve altyapı ihtiyaçlarının karşılanması ve daha yaşanabilir bir dünya inşa edilmesi amacıyla gerçekleştirilen inşaat faaliyetlerinin çevreye verdiği zararın boyutları, özellikle karşılaşılan doğa olaylarının büyüklüğüyle birlikte son yıllarda daha iyi gözlemlenmektedir. Sera gazlarının emisyonlarındaki artışlar, artan toprak ve su kirlilikleri, temiz ve tarıma elverişli arazilerin hafriyat amaçlı kullanılması, doğal kaynakların yüksek miktarlarda tüketilmesi vb. gibi bir çok husus inşaat sektörünün daha yaşanabilir bir dünya inşa etmek isterken gözden kaçırdığı noktalar olarak hanesine yazılabilir. Beton, yıllık yaklaşık 30 milyar tonluk küresel tüketimiyle inşaat sektörünün baskın malzemesi olarak öne çıkmaktadır ve dünyada sudan sonra en çok kullanılan malzemedir. Bu yaygın kullanım, geleneksel beton üretiminde birincil bağlayıcı olan enerji yoğunluğu yüksek ve yüksek karbon salımına sahip Portland çimentosunun önemli miktarlarda tüketilmesine katkıda bulunmaktadır. Bu kötü gidişatı yavaşlatabilmek ve inşaat sektörünün sahip olduğu çevresel yükleri azaltmak için çeşitli adımlar atılmaya başlanmıştır. Bu noktada, çimento üretiminde klinker oranının azaltılması, çimento üretiminde yakıt ve hammadde değişimi, endüstriyel yan ürünlerin çimentoya ikamesi, atıkların çimentolu sistemlerde değerlendirilmesi ve çimentoya alternatif bağlayıcılı sistemlerin geliştirilmesi üzerine bir takım çalışmalar yürütülmektedir. v Yapılan bu çalışmalar neticesinde, çimentolu sistemlerin çevresel etkisini azaltacak, jeopolimer olarak adlandırılan, öncül malzemelerin alkali aktivasyonu yoluyla sentezlenen yeni nesil bağlayıcı sistemin inşaat sektöründe çimentolu sistemlere alternatif olarak kullanılabileceği keşfedilmiştir. Sentezinde endüstriyel atıkların öncül malzeme olarak kullanılabirliği sayesinde sağlamış olduğu hem çevresel hem de ekonomik pozitif etkiler yapı malzemesi olarak kullanımı noktasında hızlı ilerlemeler kaydetmesini sağlamıştır. Fakat, geleneksel jeopolimer sentezi için kullanılan öncüller endüstriyel yan ürünler olsa da, bu malzemelerin çimento/beton endüstrisindeki artan talep nedeniyle hazır bulunabilirlikleri azalmış ve maliyetleri artmıştır. Artan maliyetler ve tedarikle ilgili sorunlar, araştırmacıları jeopolimer sentezi için yenilikçi alüminosilikat öncüllerinin kullanımını incelemeye yönlendirmiştir. Hedef, kolayca ulaşılabilir ve uygun maliyetli malzemeler kullanarak mevcut değerlendirilmemiş atıkların zorluğuyla başa çıkmaktır. Bu çift hedef, daha ekonomik ve çevre dostu malzemeler tasarlamayı amaçlar ve aynı zamanda üretilen atıklarla ilişkili sorunları ele almayı hedeflemektedir. Bu bağlamda, inşaat ve yıkım atıklarının (IYA) çoğunlukla alüminyum, silikon ve kalsiyum kaynaklarından oluştuğu, küresel olarak IYA üretiminin yaygın olduğu ve genellikle belirlenmiş depolama alanlarında bertaraf edildiği veya düşük teknoloji uygulamalarında kullanıldığı göz önüne alındığında, IYA kaynaklı malzemelerin geopolimer üretimine entegrasyonu, etkili ve yenilikçi malzeme geliştirmek için umut vadeden bir yol olarak ortaya çıkmaktadır ve aynı zamanda atıkların yüksek kaliteli değerlendirilmesini sağlamaktadır. İnşaat sektöründe malzeme kaynaklı sorunlara ek olarak, endüstri sektörleri arasında önemli bir pazar payına sahip olmasına rağmen, inşaat endüstrisinin son birkaç on yılda ortaya çıkan teknolojiye ayak uydurmakta geride kalmış ve diğer sektörlere kıyasla üretkenliği artırmak için gerekli adımları atmada kararsız kalmış olması karışımıza çıkmaktadır. Süregelen nüfus artışı, felaketler ve savaşlar nedeniyle konut talebinin artması, son yıllarda akademisyenler ve şirketler tarafından inşaat sektöründeki üretim süreçlerinin daha verimli, ucuz ve hızlı olması gerektiği yönünde bir farkındalığa yol açmıştır. Bu bağlamda, diğer sektörlerde sunduğu birçok avantaj nedeniyle hızla popülerlik kazanan üç boyutlu katmanlı üretim (3B-Eİ), inşaat sektöründe de kullanılmaya başlanmıştır. 3B-Eİ, dijital modellere uygun olarak katmanları ardışık bir şekilde biriktirerek özel yapılar oluşturmaktadır. 3B-Eİ tekniği tarafından sağlanan temel avantajlar, üretimle ilgili hataların azaltılması, üretim süresinin kısaltılması, iş güvenliği risklerinin azaltılması, nitelikli işgücüne duyulan ihtiyacın vi azaltılması, özelleştirmenin artırılması ve maliyetlerin düşürülmesidir. Ayrıca, 3B-Eİ, kalıpsız üretim ve işlem sırasında atık malzeme oluşturmanın azaltılması ile inşaat sektörü tarafından neden olan yüksek çevresel yükleri önemli ölçüde azaltmaya katkıda bulunmaktadır. Bu tez kapsamında, (i) endüstriyel atıkların İYA tabanlı jeopolimer karışımlarına dahil edilmesinin etkilerini değerlendirmek, (ii) çevresel yükleri göz önünde bulundurarak İYA tabanlı jeopolimer karışımlarının taze ve sertleşmiş özelliklerini şekillendirmeye yönelik kapsamlı bilgi ve anlayış sağlamak, (iii) İYA kullanarak daha çevre dostu, ekonomik, sürdürülebilir ve katma değerli 3B-Eİ-uyumlu jeopolimer bağlayıcı sistemler geliştirmek, (iv) alkali aktivatörlerin kullanımını en aza indirgeyerek atık malzemeleri maksimum düzeyde kullanmak, (v) jeopolimer harçlarının mühendislik özellikleri üzerinde çeşitli katkı maddelerinin etkilerini araştırmak, (vi) 3B-baskılı yapılarda kuruma ile ilişkili çatlak oluşumunu ve İYA tabanlı jeopolimer karışımlarındaki kusma sorunlarını azaltmak, (vii) 3B-baskılı yapıların güçlendirme stratejilerini ve 3B-baskılı inşaat için modüler sistem olasılığını araştırmak amacıyla çalışmalar yapılmıştır. Bu kapsamlı metodoloji, akış tablosu, priz süresi, akış eğrisi, üç aralıklı tiksotropi, ram ekstrüder, yaşam döngüsü analizi, basınç ve eğilme dayanımı, doğrudan çekme, su emilimi, emme yeteneği, kusma deneyi, kuruma büzülmesi, ıslanma-kuruma ve donma-çözülme döngüsü gibi çeşitli değerlendirmeleri içeren bir dizi testi içermiştir. Bu kapsamlı metodoloji, jeopolimer karışımlarının özelliklerini ve performansını detaylı bir şekilde keşfetmeyi sağlamış ve araştırma hedeflerini etkili bir şekilde yerine getirmiştir.tr_TR
dc.contributor.departmentİnşaat Mühendisliğitr_TR
dc.embargo.termsAcik erisimtr_TR
dc.embargo.lift2024-10-15T06:48:01Z
dc.fundingYoktr_TR


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record