Nano silika ve mikro silika katkılı harçlarda durabilite ve mekanik özellikler

Abstract

Beton; çimento, agrega, katkı maddeleri ve karışım suyunu içeren karmaşık yapıya sahip olan bir yapı malzemesidir. Aynı zamanda en yaygın olarak kullanılan insan yapımı yapı malzemelerinden biridir ve her yıl yaklaşık 20 milyar metrik ton üretilmektedir. Beton yapımı için üretilen çimento, küresel karbondioksit emisyonunun büyük bir kısmına neden olmakta ve çevre kirliliği açısından büyük endişe yaratmaktadır. Bu etkiyi azaltmak için son zamanlarda birçok araştırmacı çimento kullanımını azaltmak ve betonun servis ömrünü artırmak için çalışmalar yapmaktadır. Betonun servis ömrünün en önemli göstergelerinin durabilite ve mekanik performans olduğu söylenebilir. Beton, çeşitli boyutlarda ve farklı miktarlarda boşluklar içeren bir yapı malzemesi olduğundan, çeşitli çevresel faktörler betonun özelliklerini etkiler ve değiştirir. Sıvı ve/veya gazın betona sızması bu boşluklar sebebiyle gerçekleşir. Bu olaya betonun geçirgenliği denir. Boşluklara penetrasyon, difüzyon, basınç altında emme veya kılcal emme ile gerçekleşir ve beton içindeki boşlukların miktarına, dağılımına ve boyutuna bağlıdır. En yaygın durum kılcal emmedir, bu nedenle kılcal boşluklar betonun durabilitesi ve mekanik performansında önemli bir role sahiptir. Betondaki boşluklardan içeri giren sıvılar veya gazlar zamanla betonda fiziksel veya kimyasal reaksiyonlara neden olur, sonrasında ise betonda çatlaklar oluşturur ve onun yapısını bozar. Bu kimyasal saldırılardan biri de sülfat saldırısıdır. Bu reaksiyonlar sonucunda oluşan ürünler birleşerek sertleşmiş betonun genleşmesine neden olur. Bu genişleme nedeniyle derin çatlaklar oluşur. Bu, betonun dayanım ve durabilitesinin azalmasına neden olur. Sonuç olarak da betonun servis ömrünü azaltır. Betonun durabilitesini ve mekanik özelliklerini arttırmanın en temel yolu betondaki boşlukları azaltmaktır. Betondaki boşluklar azaltıldığında daha yoğun bir yapı elde edilir, böylece gaz ve sıvı girişleri daha zor hale gelir. Bu sayede daha dayanıklı bir beton elde edilir. Bu konuda bugüne kadar birçok çalışma yapılmış ve teknolojinin gelişmesiyle birlikte mikro ve nano boyutta birçok farklı mineral katkı maddesi denenmiştir. Betonda kullanılan mikro ve nano malzemelerin, özellikle arayüz bölgesinde, filler etkisi nedeniyle genel olarak betonun özelliklerini iyileştirdiği gözlemlenmiştir. Ancak en iyi etki, silika içeriğinden dolayı nano-silika (NS) ve mikro-silika (MS) minerallerinde gözlenmiştir. Filler etkisinin yanı sıra silika içeren mineral malzemeler betonda puzolanik etkiye de neden olmaktadır. Nemli bir ortamda betondaki CH kristalleri ile silis arasındaki reaksiyonla C-S-H yapısının oluşması puzolanik reaksiyon olarak adlandırılır. Bu sayede daha yoğun bir arayüz ve daha güçlü bir yapı elde edilir. Nano malzemeler üzerine yapılan çalışmalar incelendiğinde genel olarak beton yerine harç numuneleri üzerinde yapıldığı görülmektedir. Bazı araştırmalarda harçlarda NS ve MS birlikte kullanılır ve bu sinerjik bir etki yaratır. Yapılan bu çalışma kapsamında sinerjik etkinin değerlendirilmesi amacıyla harç numuneleri üretilmiş ve mikro ve nano silika tek tek veya birlikte kullanılmıştır. Üretilen numuneler üzerinde mekanik (basınç ve eğilme) ve durabilite (sülfat direnci, su emme ve ağırlıkça su emme) deneyleri yapılarak bu malzemelerin ve bunların kombinasyonlarının karışımların mekanik ve durabilite özelliklerine etkisinin görülmesi amaçlanmıştır. Üretilen numuneler bir yılı aşkın bir süredir sülfat içeren çözelti içersinde tutulmaktadır ve belirli periyotlarda boy ölçümleri alınmaktadır ve MS ve NS kullanımının dış sülfat etkisinden dolayı kaynaklanabilecek deformasyonları ne ölçüde sınırlayabileceği araştırılmıştır. Sonuçlara göre mikro silika ilavesi basınç ve eğilme dayanımlarını %25'e kadar arttırmıştır. Öte yandan nano silikanın bu parametreler üzerinde önemli bir etkisi gözlenmemiştir. Ayrıca kapiler su absorpsiyon ve sülfat dayanım testleri sonuçları değerlendirildiğinde, mikro ve nano silikanın ayrı ayrı ilave edildiği karışımlarda sorptivitenin azaldığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, mikro ve nano-silika kombinasyonu çok daha önemli (sorptivite için %50'ye kadar) bir azalma ile sonuçlanmıştır.