NANO MALZEMELER: BETONDA KULLANIMI VE ÖZELLİKLERİ 10/24/2016 1

NANO MALZEMELER: BETONDA KULLANIMI VE ÖZELLİKLERİ 10/24/2016 1

10/24/2016 2

Çimento esaslı nano kompozitler: Nano parçacıklar boyutları 1 100 nm mertebelerinde olan partiküllerdir. Partikül boyutu küçüldükçe, iç kısımlardaki atomlara göre, atomların büyük oranı partikül yüzeyinde yer almaktadır. Bu da, nano tanelerin, sözkonusu malzemenin daha büyük boyutlarına kıyasla önemli derecede farklı özelliklerin kazanılmasına neden olmaktadır. Nano silika Nano TiO 2 Karbon nano tüpler Karbon nano lifler Clay particles 10/24/2016 3

Mikro ve Nano Silika: Silis dumanı (mikrosilika), SiO 2 in amorf bir polimorfu olarak tanımlanabilir. Silikon ve ferro-silicon alaşımlarının üretimi sırasında elektrik ark fırınlarının bir atık ürünü olarak ortaya çıkar. Bu malzeme yaklaşık 15~20 m 2 /g özgül yüzey alanina ve yaklaşık 100 200 nm tane boyutlarına sahip olup, çimento tanesinin yaklaşık 1/100 boyutlarındadır. Genel olarak, betona katıldığında betonun dayanım, aşınma gibi mekanik özelliklerini artırır, geçirimlilik özelliklerini iyileştirir. 10/24/2016 4

Tüm bu iyileşmeler çimento hamurunun daha iyi paketlenmesi ve buna bağlı olarak da porozitenin düşmesi ve ara yüzeyin iyileştirilmesi sonucu olur.. Ayrıca Ca(OH) 2 kristalleri ile reaksiyona girerek ilave C-S-H jeli oluşumunu destekler. Porozitenin bu sayede düşmesi sonucu dürabilitesi yüksek, kimyasal bozunmaya karşı daha dayanıklı ve dayanımı yüksek bir malzeme edilmiş olunur. : Klorür, sülfat iyon difüzyonu, Alkali silika reaksiyonu, Kalsiyum süzülme, Korozyon koruması vs 10/24/2016 5

Uçucu kül, cüruf ve mikro silica gibi mineral maddeler beton teknolojisinde dayanım ve dayanıklılığı artırmak ve aynı zamanda enerji tüketimini azaltmak amacıyla yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu malzemelerin beton dürabilitesi üzerindeki etkileri iyi bilinmektedir. Diğer taraftan Nano silika ise yeni sayılabilecek bir nano teknoloji ürünü olup, beton teknolojisindeki kullanımları yeni yeni araştırılmaktadır. Nano silika (Kolloidal silica) Su içinde stabil dağılımı sağlamış nano boyutta amorf silica parçacıkları şeklinde tanımlanabilir. Bu malzemenin major kısmını oluşturan amorf silica silikatların reaksiyonu ile açığa çıkan Ca(OH) 2 ile reaksiyona girer. Yüksek saflık ve ultra yüksek özgül yüzey alanı (>80 m 2 /g) bu malzemenin en önemli karakteristiğidir. 10/24/2016 6

Nano silikanın bazı diğer mineral malzemeler ile karşılaştırması: 10/24/2016 7

10/24/2016 8

Mikro and Nano Silika: Nano silikanın yüksek reaktivitesi ve özgül yüzey alanı, çimento hidratasyonunu hızlandırır ve dolayısıyla hidratasyonun erken yaşlardaki süreci üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. 10/24/2016 9

Nano sikanın hidratasyon kinetiği üzerine etkisi: 10/24/2016 10

Nano sikanın basınç dayanımı üzerine etkisi : 10/24/2016 11

10/24/2016 12

Expansion, % Expansion, % Expansion, % Expansion, % Nano sikanın sülfat dayanıklılığı üzerine etkisi : 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 Sample was damaged and the expansion readings has been stopped after 24 months of sulfate exposure. a- MICRO SILICA 3 month 6 month 12 month 24 month 36 month 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 b- NANO SILICA 3 month 6 month 12 month 24 month 36 month 0.30 0.30 0.20 0.20 0.10 0.10 0.00 Referance (in Na2SO4) Referance (in Water) 6% MS 9% MS 12% MS 0.00 Referance (in Na2SO4) Referance (in Water) 2% NS 4% NS 6% NS 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 c- FLY ASH 3 month 6 month 12 month 24 month 36 month 0.90 0.80 0.70 0.60 0.50 0.40 d- GGBS 3 month 6 month 12 month 24 month 36 month 0.30 0.30 0.20 0.20 0.10 0.10 0.00 Referance (in Na2SO4) Referance (in Water) 15% FA 30% FA 45% FA 0.00 Referance (in Na2SO4) Referance (in Water) 20% GGBS 40%GGBS 60% GGBS 10/24/2016 13

Intensity 60000 A G Q, G Q C C P F F P C P Q M Q GGBS-60%_Sulfate Cured 50000 GGBS-20%_Sulfate Cured FA-45%_Sulfate Cured 40000 FA-15%_Sulfate Cured NS-6%_Sulfate Cured 30000 NS-2%_Sulfate Cured 20000 MS-12%_Sulfate Cured MS-6%-Sulfate Cured 10000 Ref._Sulfate Cured 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 2 (degrees) Ref._Water Cured 10/24/2016 14

Intensity 60000 A G Q, G Q C C P F F P C P Q M Q GGBS-60%_Sulfate Cured 50000 GGBS-20%_Sulfate Cured FA-45%_Sulfate Cured 40000 FA-15%_Sulfate Cured NS-6%_Sulfate Cured 30000 NS-2%_Sulfate Cured 20000 MS-12%_Sulfate Cured MS-6%-Sulfate Cured 10000 Ref._Sulfate Cured Ref._Water Cured 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 10/24/2016 2 (degrees) 15

250 200 Q C 150 Intensity 100 G CH??? Q, G 50 0 5 10 15 20 25 30 35 2 tetha 10/24/2016 16

Karbon Nano Tüpler /Nano Fiberler (CNT/CNF): Karbon nano tüpler(cnts) genellikle yükesek dayanım ve rijitliğe sahip ve kimyasal olarak stabil ve elektriksel iletkenliğe sahiptirler. Bu özellikler, CNTleri farklı matris özelliklerine sahip kompozit malzeme üretiminde ilgi çekici kılmaktadır. CNT ler, karbon atomlarının hegzegonal düzende dizilerek oluşturduğu, silindirik kabuk şekline sahip makromoleküllerdir. : Tek tabakalı (single-walled) nanotüpler (SWNTs), ve Çok tabakalı (multi-walled) nanotüpler (MWNTs). 10/24/2016 17

SWCNT MWCNT 10/24/2016 18

SWCNT lerin çapları 1 nm ile 20 nm ve MWCNT lerin çapları 5 nm ile 100 nm aralığındadır. CNT lerin boyları ise ihtiyaca göre nm boyutundan mm boyutuna kadar üretilebilir. Narinlik değerleri 1000 ila 100,000,000 aralığında olabilir. Tek bir nano tüp düzeyinde ele alındığında; çekme dayanımı çelikten 50 kat, elastiklik modülü çelikten 5 kat daha yüksektir. Özgül yüzey alanı 300 m 2 /g mertebelerinde ve iletkenlik değeri ise bakırın iletkenlik kapasitesinde 1000 kat daha fazladır. CNT ler aynı zamanda, mevcut metaller ile mukayese edildiğinde çok daha iyi çevresel dayanıma sahiptir. 10/24/2016 19

CNT ler ve CNF lerin bazı genel özelliklerinin karşılaştırması: CNF ler, CNT lere göre daha düşük dayanım ve elastiklik modülü değerlerine sahiptirler. Ancak, bu değerleri çelik ile mukayese edildiğinde hala daha yüksektir. CNF ler, Karbon nano tüplere göre daha büyüktürler ve yine silindirik yapıla sahiptirler. CNF ler ortalama of 50 200 nm aralığında çapa ve 50 200 mikron uzunluğa sahiptirler. Narinlikleri 200-2000 aralığındadır ve CNT lere göre oldukça düşüktür. CNF ler de CNT ler gibi üstün mekanik ve elektriksel özelliklere sahiptirler. Bu özelliklerden dolayı betonda kullanımı önerilmiştir. 10/24/2016 20

MWCNT Eş merkezli grafit tüplerin içi içe geçmesi şeklinde oluşur CN Fiber Kesik konilerin içi içe yerleşmesi ile oluşmuştur. Fiberlerin iç ve dış yüzeylerinde reaksiyona açık düzlem kenarları mevcuttur. 10/24/2016 21

CNT lerin CNF lere göre çok daha küçük boyutlarda olmaları, CNT ler arasındaki Van der Waals kuvvetlerini daha güçlü yapmaktadır. Bu durum ise CNT lerin matris içinde daha zor dağılmasına (dispers olmasına) neden olmakta ve uygun dağılımlarının sağlanabilmesi amacıyla özel bir takım kimyasalların ve tekniklerin kullanılmasını gerektirmektedir. 10/24/2016 22

CNT lerin tersine, CNF ler Van der Waals kuvvetlerinden daha az etkilenmekte ve uzun süre dispers (ayrık) kalabilme eğiliminde olmaktadırlar. Bu özellikten dolayı, CNF ler basit mekanik bir takım uygulamalar ile (ilave ve maliyet artırıcı yöntemlere ihtiyaç duyulmadan) matris içinde dağıtılabilmekte ve bu sayede de kullanımı daha kolay ve az maliyetli olabilmektedir. 10/24/2016 23

A Summary of Comparison of Carbon Nanotubes and Carbon Nanofibers Fiberlerin iç ve dış yüzeylerinde reaksiyona açık düzlem kenarlarının bulunması nedeniyle yüzeyleri kimyasal veya ısıl işlemler ile modifiye edilebilmeye açıktır. Bu sayede herhangi bir matriks ile kimyasal bağ yapabilmesi kolaylaştırılabilir. CNF lerin gerek işlevsel hale getirilmesi ve gerekse matris içindeki dağılımlarının sağlanabilmesi, geleneksel metodların uygulanması ile kolaylıkla sağlanabilmektedir. 10/24/2016 24

Diğer taraftan, CNT lerin işlevsel hale getirilebilmesi, öncelikle yüzeylerde kusurlu (defect) bölgelerin oluşumunun sağlanması ile mümkün olabilmektedir. Bu şekilde, yüzeye bağlanması istenen diğer işlevsel gruplar CNT yüzeyine tutunabilmektedir. Bu adımlar pek çok proses gerektirmekte, zor olmakta ve aynı zamanda maliyeti de üst seviyelere çekmektedir. 10/24/2016 25

10/24/2016 26

CNT veya CNF lerin betonda kullanımı ile ilgili önemli zorluklar; homojen dağılım sağlanması, Cimento hamuru ile CNT/CNF arasındaki aderansın sağlanabilmesi 10/24/2016 27

No admixture Air entrained Polycarboxylate 10/24/2016 28

10/24/2016 29

10/24/2016 30

10/24/2016 31

Eğilme testi Nano-indentasyon 10/24/2016 32

Nano-indentasyon 10/24/2016 33

10/24/2016 34

Sonuçlar: Düşük miktarlarda ve etkin şekilde dağılmış CNT ler (0.025 0.08 ağ.%) çimento matrisini önemli derecede güçlendirmiş ve rijitliğini artırmıştır. Nano-indentasyon deney sonuçları CNT lerin çimento matrisini oldukça iyi modifiye ettiğini nano yapıyı güçlendirdiğini göstermiştir. Yalın çimento matrisine göre, nano-kompozitlerin daha yüksek miktarda ve rijitlikte C-S-H içerdiğini ve nano porozitenin azaldığı görülmüştür. Nano kompozitte ince boşlukların azaldığı tesbit edilmiştir. Bu durum kapiler basınçların azalmasına ve dolayısıyla erken yaş şekil değiştirme miktarlarının olumlu yönde etkilenmesine neden olmuştur. 10/24/2016 35