Nano-silika kullanılarak üretilen betonların mekanik, elastik ve inelastik özelliklerinin incelenmesi

Abstract

Beton üretiminde nano silika (NS) kullanımı hakkında yapılan çalışmalar çoğunlukla betonun taze hal özellikleri, temel mekanik özellikleri (basınç ve çekme dayanımları) veya durabilitesi ile ilgili iken, betonun elastik ve elastik olmayan özelliklerinin değişimi ile ilgili yapılan çalışma sayısı çok sınırlıdır. Bu durum göz önünde bulundurularak tez çalışmasının odak noktası, NS kullanımının betonun mekanik, elastik ve elastik olmayan özelliklerine etkisinin detaylı ve sistematik bir şekilde araştırılması olarak belirlenmiştir. Bu bağlamda, kullanılacak deney yöntemlerine ve deneysel parametrelere karar verebilmek için öncelikle bir ön çalışma yapılmıştır. Bu ön çalışmada tek tip mikro silika (MS), tek tip NS ve 2 tip (çakıl ve kum taşı) iri agreganın kullanıldığı sabit su/bağlayıcı (s/b) oranına sahip betonlar üretilmiştir. Ön çalışmadan elde edilen bilgiler ışığında, öncelikle orta ve yüksek dayanımlı olacak şekilde iki farklı su/bağlayıcı oranına (0,55 ve 0,35) sahip, 3 tip iri agrega, 2 farklı boyuta sahip NS ve tek boyutta MS'nin kullanıldığı beton tasarımları yapılmıştır. Farklı dayanıma sahip beton gruplarının her biri kendi içerisinde sabit hamur ve agrega hacmine sahiptir. Böylelikle, betona eklenen mineral katkı, sabit hacme sahip olan çimento hamurunun özelliklerini değiştirmiştir. Diğer yandan, farklı şekil, yüzey ve dayanım özelliklerine sahip olan iri agregaların kullanımında da agrega özelliklerinin etkisi yine sabit olan agrega hacmi dâhilinde gerçekleşmiştir. Böylece hamur fazında veya agrega fazında yapılan değişiklikler daha sağlıklı bir şekilde değerlendirilmiştir. Çalışma kapsamında MS ağırlıkça %8 oranında çimento ile ikame edilerek kullanılmıştır. Ortalama 17 nm ortalama tane boyutuna sahip olan NS17, %0,8, %1,6 ve %2,1 oranlarında, ortalama 35 nm tane boyutuna sahip olan NS35 ise %1,5, %3,0 ve %4,0 oranlarında kullanılmıştır. Bu kullanım oranları belirlenirken hedef her bir adımda kullanılan nano silikalara ait toplam özgül yüzey alanının eşit olmasını sağlamaktır. Örneğin %1,6 oranındaki NS17 ile %3,0 oranındaki NS35'in toplam özgül yüzey alanları eşittir. Ayrıca %8 MS, %0,8 NS17 ve %1,5 oranındaki NS35 yine eşit özgül yüzey alanına sahiptir. Bunlara ek olarak her bir referans karışımı ve mineral katkılı karışımlar üretilirken dere çakılı, kalker veya bazalt olmak üzere 3 farklı iri agrega kullanılmıştır. Böylece çimento hamuru özelliklerinin aynı fakat agrega özelliklerinin farklı olduğu karışımlar elde edilmiştir. Bu karışımlarda kullanılan iri agreganın toplam agrega hacmi içerisindeki oranı %60'tır. Farklı agregaların kullanılmasının temel sebebi ise NS kullanımının çimento hamuru-agrega ara yüzeyi bölgesindeki iyileştirici etkisinin daha iyi bir şekilde belirlenebilmesini sağlamaktır. Çalışmanın buraya kadar bahsedilen kısmında NS ve MS hep ayrı ayrı kullanılmıştır. Farklı boyuta sahip olan NS ve MS'nin birlikte kullanılmasıyla oluşturacakları sinerjik etkiyi de gözlemleyebilmek için ayrı bir çalışma daha gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada da daha önceki tasarımlara paralel şekilde aynı su/bağlayıcı oranlarına sahip tek tip MS ve tek tip NS'nin farklı oranlarda kullanıldığı kombinasyonları içeren betonlar üretilmiş ve aynı deney yöntemleri uygulanarak beton özelliklerine etkileri irdelenmiştir. Çalışma kapsamında üretilen betonlar üzerinde öncelikle taze halde kıvam ve birim ağırlık deneyleri yapılmıştır. Sertleşmiş beton numuneleri üzerinde yapılan deneylerde ise yük ve deplasman kontrollü olmak üzere iki farklı basma cihazı kullanılmıştır. Yük kontrollü basma cihazından basınç dayanımı ve yarmada çekme dayanımı değerleri elde edilirken, deplasman kontrollü basma cihazı kullanılarak ASTM C469 standardında belirtilen yönteme uygun çerçeve sistemi yardımıyla; elastisite modülü, Poisson oranı, süreksizlik gerilmesi, çözülme gerilmesi, tepe yüke kadar absorbe edilen rölatif enerji miktarı gibi değerlerin yanı sıra betonun tepe yük sonrası düşen kol davranışını da içerecek şekilde gerilme-deformasyon eğrileri elde edilmiştir. Taze hal kıvam deneylerinden elde edilen sonuçlar göstermektedir ki, referans karışımla benzer kıvamda beton üretilebilmesi için kullanılan kimyasal katkı miktarı kullanılan mineral katkı oranına ve katkı tipine bağlı olarak ciddi artışlar göstermiştir. Referans karışımlara MS veya NS eklenmesiyle birlikte basınç dayanımı ve elastisite modülü değerlerinin belirgin bir şekilde arttığı gözlemlenmiştir. Yarmada çekme dayanımı sonuçları irdelendiğinde ise basınç dayanımında meydana gelen artış oranlarının yarmada çekme dayanımında meydana gelmediği, hatta yüksek oranda NS kullanılan karışımlardan elde edilen yarmada çekme değerlerinin referans karışıma göre daha düşük seviyelerde olduğu görülmüştür. Yarmada çekme dayanımın basınç dayanımına oranına bakıldığında ise mineral katkı kullanımıyla bu oranın ciddi bir şekilde azaldığı gözlemlenmiştir. Bu durum betonun gevrekleştiğini göstermektedir. Süreksizlik gerilmesi değerleri de NS kullanımı ile birlikte belirgin artış göstermiştir. Bu sonuçlar betonların lineer elastik bölgelerinin uzayarak daha yüksek gerilme değerlerine kadar devam ettiğini göstermektedir. Ayrıca süreksizlik gerilmesindeki bu artışlar agrega-çimento hamuru ara yüzeyi özelliklerindeki iyileşmenin de bir göstergesidir. Çözülme gerilmelerinde ise belirgin bir artış eğilimi gözlemlenmemiştir. Diğer yandan NS kullanımıyla birlikte tepe yüke kadar absorbe edilen rölatif enerji değerlerinde gözlemlenen azalma açık bir şekilde betonun tepe yük öncesi davranışının lineer-elastik gevrek davranışa doğru yaklaştığını göstermektedir. Tepe yük sonrası düşen kol eğrisinin ise NS kullanımı ile birlikte dikleştiği, yani betonun davranışının daha gevrek hale geldiği belirlenmiştir. Agrega tipinin NS'nin etkinliği ile ilişkisi irdelenecek olursa, NS kullanımı özellikle çakıl agregalı karışımlarda hem basınç dayanımı hem de elastisite modülü değerlerini diğer agrega tiplerine göre daha etkin bir şekilde iyileştirmiştir. Kırma taş agregalı karışımlarda ise basınç dayanımı değerleri genellikle birbirine yakın olmasına rağmen kalker agregalı karışımlardan elde edilen elastisite modülü değerleri, bazalt agregalı karışımlardan elde edilen elastisite modülü değerlerinden daha yüksektir. Son olarak NS ve MS'nin birlikte kullanımının oluşturacağı sinerjik etkinin araştırıldığı çalışmada, basınç dayanımında referans karışıma göre en yüksek artış 28 günde %37'lik yüzdeyle MS ve NS'nin birlikte kullanıldığı karışımdan (MS(%4)+NS35(%2,25)) elde edilmiştir. Bununla birlikte süreksizlik ve çözülme gerilmesi değerlerinde de basınç dayanımı sonuçlarına benzer bir şekilde artış eğilimi olduğu görülmüştür. Ancak betonların elastisite modülü değerlerine bakıldığında önemli bir değişiklik olmadığı gözlemlenmiştir. Yarmada çekme dayanımı sonuçları ise NS ve MS'nin birlikte kullanımının betonu daha ileri seviyede gevrekleştirdiğini göstermiştir. Tüm bunlara ek olarak taramalı elektron mikroskobu ve mikro indentasyon cihazı yardımıyla iç yapı incelemeleri gerçekleştirilmiş ve çalışmada elde edilen deneysel bulgular iç yapı incelemeleri ile desteklenmiştir.