Çimento Bağlayıcılı Kompozitlerde Nano Mineral Katkı Kullanımının Fiziksel ve Kimyasal Etkileri Prof. Dr. Mustafa ŞAHMARAN Hacettepe Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü İstanbul, Eylül 2017
Hayatımızda Beton Beton dünyada en yaygın biçimde kullanılan yapı malzemesidir. Dünya çapında yıllık üretim miktarı yaklaşık 13 milyar ton seviyelerindedir. İnsanoğlu sadece suyu betondan daha yüksek oranda tüketmektedir.
Neden Beton? Yapımı kolay Su, çimento, kum, çakıl.. Kolay şekil verilebilir Akıcı, püskürtülebilir.. Güvenli Yangına ve depreme dayanım.. Tarihsel olarak kanıtlanmış 100 yılı aşkın servis ömrü.. Ekonomik
Betonda Değişim İstenilen gerilme-şekil değiştirme davranışı gösteren Yeni nesil betonlar Akıllı fonksiyonlara sahip Sürdürülebilir bir şekilde üretilen Maliyet ve enerji etkin bir TASARIM İHTİYACI 23.11.2017
Betonarme Yapılardaki Problemler Beton oldukça kullanışlı bir yapı malzemesi olsa da uzun süreli kullanımda dürabilite (çevresel etkilere karşı dayanıklılık) temelli problemler sebebiyle sıklıkla bozularak sürdürülebilirliğini yitirmektedir.
Çimento Üretimi Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği verilerine göre 2016 yılında Türkiye pazarında çimento üretimi 2015 yılına kıyasla %5,6 oranında artarak 75,4 milyon ton olarak gerçekleşmiştir. * Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği üyesi üreticilerin bilgisini içeren verilerdir. 23.11.2017
Dürabilite ve Yüksek Hacimde Mineral Katkı Kullanımı (YHMK) Geleneksel beton malzemesinde korozyon, donma-çözülme etkisi, ıslanma-kuruma, sıcaklık değişimleri, sülfat ve asit saldırısı, alkali-silika reaksiyonu gibi temel dürabilite sorunlarının önüne geçilmesinde yüksek hacimlerde mineral katkı (ör. Yüksek hacimde uçucu kül YHUK) kullanımı yoluna gidilebilmektedir.
Betonda Değişim Karmaşık hidratasyon ürünlerinin yapısı Sözü edilen şimdi ve gelecekteki ihtiyaçlara cevap verecek yeni nesil betonlar; karmaşık çimento esaslı malzeme yapılarının tam olarak anlaşılarak, nano seviyede mühendisliğinin yapılması ile mümkün olabilecektir. 23.11.2017
Betonda Nanoteknoloji Nano ölçek kavramı boyutları 1-100 nm (1nm=10-9 m dir. Yani 1 nm, metrenin milyarda biridir) arasında olan ölçüler için kullanılmaktadır. Örneğin bir nano karbon ile greyfurt arasındaki oran, greyfurt ile Dünya arasındaki oranla aynıdır. 23.11.2017 Sırasıyla nano karbon, greyfurt ve Dünya
Betonda Nanoteknoloji Sayesinde Elde Edilen Kazanımlar Betonda nano bilim sayesinde önemli ilerlemeler Ana hidrat fazlarının yapısal ve mekanik özellikleri Arayüzler ve bozunma mekanizmaları Çimento kohezyonunun kaynakları Çimento hidratasyonu 23.11.2017
Güncel Sorunlar Nano malzemelerin çimento bağlayıcılı kompozitlerdeki kullanımı ile ilgili en önemli problem, nano malzemelerin matris içerisine etkili bir şekilde dağıtma yöntemleridir. Bunun temel nedeni ise nano malzemelerin çok yüksek yüzey alanına sahip olmasıdır. 23.11.2017
Güncel Sorunlar Beton döküldükten sonra karışımdaki boşluk suyunun erken yaşlarda daha çok olduğu unutulmamalıdır. Dolayısıyla böyle bir karışım suyu kullanmak ileri yaşlarda üniform olmayan bir nano malzeme dağılımına yol açabilir. Basit bir karıştırma sonrasında başlangıçta homojen dağılan farklı oranlardaki nano silika solüsyonunun birkaç gün sonra dibe çökelmesi Bu durum gereksiz bir masrafın oluşmasına neden olacaktır. 23.11.2017
Homojen Dağılmış Nano Malzemeleri İçeren Beton Karışımları Ultrasonik karıştırma yöntemi ile homojen olarak dağılmış nano silika solüsyonu Karışım suyunda polikarboksilat esaslı katkılar ile birlikte kullanılan karbon nano tüplü solüsyonlar ve matrise ilavesi 23.11.2017
Homojen Dağılmış Nano Malzemeleri İçeren Beton Karışımları 28. Gün sonunda topaklaşmamış ve dibe çökelmemiş nano silika esaslı karışım suyu ph metre 23.11.2017
Amaçlar YHMK içeren beton karışımlarının özelliklerinin nano malzemeler kullanımı ile iyileştirilmesi: Mekanik Basınç dayanımı Eğilme yüklemeleri altında dayanım Süneklilik Dayanıklılık Mikroyapısal özellikler
DENEYSEL PROGRAM I
Malzemeler Erken yaş yüksek dayanımlı çimento (CEM I 52.5R) F-sınıfı UK Çimento Silis Kumu PVA lifleri Su Su azaltıcı katkı Sentetik lif UK Kum Nano malzemeler (2 çeşit nano kalsit, 1 çeşit nano silika) NS AC NC
Karışımların Oranları ve Hazırlanması Karışım Adı Çimento S/BM Kum YOSA (kg/m 3 ) PVA (kg/m 3 ) UK/Ç UK/BM YHUK 1 0.27 0.36 5.1 26 1.2 - YHUK-NS 1 0.27 0.36 7.2 26 1.2 2 YHUK-NC 1 0.27 0.36 6.9 26 1.2 2 YHUK-AC 1 0.27 0.36 6.1 26 1.2 2 (%) 2 PÇ, UK ve kum harç mikseri içerisinde kuru halde düşük hızda 1 dk. karıştırılmıştır. 3 Nano malzeme solüsyonu kuru karışıma eklenmiş ve düşük hızda 1 dk. daha karıştırılmıştır. Öncelikle tüm karışım suyu nano malzemeyle birlikte 5 dakika boyunca sonik karıştırıcı kullanılarakkarıştırılmıştır. 1 İstenilen taze özellikler elde edilene kadar YOSA eklenmiş ve karışım yüksek hızda 3 dk. daha karıştırılmıştır. 4 5 Son olarak PVA lifleri eklenmiş ve taze karışım yüksek hızda 3 dk. daha karıştırılmıştır.
En az 6 adet numuneyle 1, 7, 28 ve 90 gün sonunda testler gerçekleştirilmiştir. Numune Hazırlanması ve Test Yöntemleri 95±5% BN, 23±2 o C Kalıplarından çıkarılan numuneler Numunelerin kür edilmesi 50 mm küplerin basınç dayanımı deneyleri 360x75x50 mm kirişlerin 4-noktalı eğilmede çekme deneyleri 50x100 mm silindirlerde hızlı klorür iyonu geçirimlilik testi
TARTIŞMA I
Porozite (%) CH Miktarı (%) Karışım Adı TGA/DTG ve MIP Toplam Porozite, % Yaş 1 Gün 28 Gün 90 Gün YHUK 15.5 12.3 10.1 YHUK NC 13.6 13.1 10.1 YHUK AC 14.8 11.3 10.3 YHUK NS 13.5 9.2 8.6 Gün YHUK YHUK NC YHUK AC YHUK NS YHUK YHUK NC YHUK AC YHUK NS
Basınç dayanımı (MPa) Eğilme dayanımı (MPa) Sehim (mm) Dayanım ve Sehim YHUK YHUK NC YHUK AC YHUK NS YHUK YHUK NC YHUK AC YHUK NS YHUK YHUK NC YHUK AC YHUK NS Basınç dayanımındaki artışlar MIP sonuçlarıyla doğru orantılıdır. 1 gün sonunda YHUK karışımından en fazla %29.5 (YHUK NC) daha fazla basınç dayanımı elde edilmiştir. 1 gün sonunda en yüksek eğilme dayanımı kontrol karışımından %27 fazla olarak YHUK NC karışımından elde edilmiştir. 90 günün sonunda tüm karışımların eğilme dayanımları birbirine benzerdir. YHUK NC karışımı 1 gün sonunda en yüksek sünekliği göstermiş ve bu değer YHUK karışımından %43 fazla bulunmuştur.
SEM Görüntüleri YHUK (a) ECC NC (a) (b) YHUK AC (b) ECC AC YHUK (c) ECC NS YHUK NS
DENEYSEL PROGRAM II
Karışımların Oranları ve Hazırlanması Karışım Adı Çimento S/BM Kum YOSA (kg/m 3 ) PVA (kg/m 3 ) UK/Ç UK/BM (%) YHUK_0.8 1 0.27 0.36 5.0 26 0.8 - YHUK_CC*_0.8 1 0.27 0.36 5.0 26 0.8 2 YHUK_AC_0.8 1 0.27 0.36 7.5 26 0.8 2 YHUK_NS_0.8 1 0.27 0.36 11.3 26 0.8 2 YHUK_1.2 1 0.27 0.36 5.1 26 1.2 - YHUK_CC_1.2 1 0.27 0.36 5.1 26 1.2 2 YHUK_AC_1.2 1 0.27 0.36 4.1 26 1.2 2 YHUK_NS_1.2 1 0.27 0.36 11.0 26 1.2 2 YHUK_2.2 1 0.27 0.36 4.5 26 2.2 - YHUK_CC_2.2 1 0.27 0.36 4.5 26 2.2 2 YHUK_AC_2.2 1 0.27 0.36 4.5 26 2.2 2 YHUK_NS_2.2 1 0.27 0.36 10.0 26 2.2 2 *CC bir önceki çalışma için NC ye karşılık gelmektedir.
TARTIŞMA II
TGA/DTG
XRD UK/PÇ=1.2 UK/PÇ=2.2
MIP Toplam Porozite, % Karışım Adı Yaş 1 gün 28 gün 90 gün YHUK_1.2 15.5 12.3 10.1 YHUK_CC_1.2 13.6 10.1 9.4 YHUK_AC_1.2 14.8 11.3 10.3 YHUK_NS_1.2 13.5 9.2 9.0 YHUK_2.2 18.9 17.0 15.0 YHUK_CC_2.2 15.4 13.0 11.0 YHUK_AC_2.2 18.0 15.4 12.2 YHUK_NS_2.2 15.6 12.1 10.0
HKİG
Basınç Dayanımı
Eğilme Dayanımı
Sehim
SEM (180 gün) UK/PÇ=1.2 UK/PÇ=2.2 Yoğun mikroyapı YHUK_CC_1.2 YHUK_CC_2.2 Parçalanmış UK Kümelenme YHUK_NS_1.2 YHUK_NS_2.2
SONUÇLAR Yüksek hacimlerde uçucu kül içeren karışımların erken yaş özellikleri nano mineral malzemelerin kullanılmasıyla (%2 oranında) önemli ölçüde iyileştirilmiştir. Nano mineral katkılardan istenilen performansın elde edilmesinin birinci koşulu nano malzemelerin çimento esaslı matris içerisinde etkili bir şekilde homojen olarak dağıtılmasıdır. Aksi taktirde topaklanan nano malzemeler fayda sağlamanın aksine fazladan maliyetle sonuçları kötüleştirmektedir. Gerçekleştirilen tüm deneylerde NC karışımlarının NS karışımlarına benzer performanslar sergiledikleri görülmüştür. Nano malzemelerin genel maliyetleri düşünüldüğünde, NS e kıyasla oldukça az maliyetli ve yaygın bulunabilen NC kullanımının teşvik edilmesi birçok bakımdan daha akılcıdır.
TEŞEKKÜRLER