Nano silikanın yüksek oranda uçucu kül içeren betonların taze hal, priz süresi ve mekanik ozellikleri üzerine etkisinin araştırılması

Abstract

Beton; çimento, agrega, su ve katkı malzemelerinden oluşmaktadır. Beton ve harç yapımında bağlayıcı malzeme olarak kullanılan çimentonun üretim ve nakliye aşamalarında çevreye yüksek miktarda karbondioksit (CO2) salınmaktadır. Bu nedenle, çimento üretimi, çevreye sürdürülebilirlik anlamında büyük zarar vermektedir. Son yıllarda daha sürdürülebilir bir çevre için bilim insanları, çimentoya alternatif malzemeler geliştirmeye çalışmaktadır. Bu malzemeler, bazı durumlarda çimentonun yerini tamamen alamasa da çimentonun belirli bir miktarı ile ikame edilerek (puzolanik malzemeler) kullanılmaktadır. Bu puzolanik malzemelerden birisi olan uçucu kül, hem atık bir malzeme olması hem de çimento hidratasyonu sonucu oluşan serbest kireci nemli ortamda bağlayarak çimento esaslı malzemeye ileri yaşlarda mukavemet kazandırması ve malzeme dürabilitesine katkı sağlaması nedenleri ile kritik bir öneme sahiptir. Ayrıca araştırmalar, uçucu külün, betonun işlenilebilirlik özelliklerini arttırdığı ve hidratasyon sıcaklığını düşürdüğünü de göstermektedir. Uçucu kül ile çimentonun ikamesi sürdürülebilirliğe ciddi bir katkı yapsa da bu malzemenin bazı dezavantajları da vardır. Örneğin, uçucu kül içeren betonların erken yaş dayanımları genel olarak düşüktür. Bunun sebebi uçucu külün bağlayıcılık özelliği kazanması için ortamda hidratasyon ürünlerinden olan CH kristallerinin bulunması gerekliliğidir. Çimentonun hidratasyonu başlamadan uçucu külün bağlayıcılık özelliği kazanamaması, priz süresinde de gecikmeye yol açmaktadır. Betonu daha sürdürülebilir yapmanın başka bir yolu da beton kalitesini arttırarak servis ömrünü uzatmaktır. Bu anlamda, yüksek özgül yüzey alanı ve yüksek reaktiflerinden dolayı nanomalzemeler, son yıllarda birçok çimento esaslı kompozitlerde kullanılmaktadır. Bu nanomalzemelerden, beton üzerinde en çok araştırma yapılan malzemelerden biri de nano silikadır. Nano silika, amorf silikanın ayrı parçacıklarının su içindeki kararlı dağılımları olarak tanımlanabilir. Nano silikanın, ana bileşeni olan amorf silika (>%99), CSH jelleri oluşturmak için Ca(OH)2 ile reaksiyona girer (puzolanik etki). Oluşan CSH, hem matrisin hem de arayüzey geçiş bölgesinin mikro yapısını iyileştirmektedir. Ek olarak, nano silika, sahip olduğu yüksek özgül alanına bağlı olarak bir çekirdeklenme etkisi yaratarak hidratasyon sürecini hızlandırmakta ve buna bağlı olarak priz süresini azaltmaktadır. Ayrıca, betonun erken yaş dayanımını arttırdığı da bilinmektedir. Nano silikanın görece dezavantajları ise hidratasyon sıcaklığını arttırması ve işlenebilirlik özelliklerini azaltmasıdır. Son yıllarda, nano silika ile puzolanik malzemelerin (uçucu kül, yüksek fırın cürufu, silis dumanı) sinerjitik etkisi araştırmacılar tarafından sıklıkla çalışılmaktadır. Uçucu kül kullanmanın dezavantajları olan erken yaş dayanımının düşük olması ve geciken priz süresinin, nano silika ile telafi edilip edilemeyeceği ile alakalı bir literatür boşluğu bulunmaktadır. Araştırmalarda kullanılan betonlarda, aynı akışkanlaştırıcı miktarları kullanılmış ve bu durumun da yerleşme özellikleri üzerinde olumsuz bir etki yaratabileceği düşünülmüştür. Bu bağlamda, bu tez kapsamında sunulan çalışmada, aynı kıvamlarda (Naftalin esaslı akışkanlaştırıcı kullanılmıştır; Slump: 20±1 cm) 4 farklı uçucu kül oranında (çimentonun hacimce %0, %20, %35 ve %50 ikame edilmiş) ve 3 farklı nano silika dozajındaki (bağlayıcının hacimce %0, %1,7 ve %3,4 ü oranlarında) toplam 12 farklı karışım üzerinde reoloji (Plastik viskozite, statik ve dinamik akma gerilemesi), priz süresi, hidratasyon sıcaklık ölçümü, ve 3 farklı yaşta (7, 28 ve 90 gün) basınç dayanımı ve elastisite modülü testleri yapılmıştır. Sunulan bu çalışmanın önemli bir amacı, çimentonun, normal ve yüksek oranlarda uçucu kül ile yer değiştirilmesi sonucu oluşacak dayanım kayıplarının veya gecikmelerinin nano silika kullanımı ile ne derece tolere edilebileceğinin araştırılmasıdır. Ayrıca, nano silikanın ve/veya uçucu külün dayanım ve elastisite modülü gelişimi üzerine etkileri de araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre; uçucu kül ikame oranı arttıkça aynı kıvamı elde edebilmek için kullanılması gereken katkı miktarı azalırken, nano silika dozajı arttıkça, aynı kıvamı elde edebilmek için gerekli katkı miktarı artmıştır. Uçucu külün ikame oranı arttıkça işlenilebilirlik özelliklerinin geliştiği ve tersine, nano silika dozajı arttıkça işlenebilirlik özelliklerinin zayıfladığı gözlemlenmiştir. Kullanılan katkı miktarlarının, reolojik özelliklere ve hidrataston sıcaklığı üzerine ciddi olarak etki ettiği sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca, uçucu külün priz süresini geciktirdiği ve nano silikanın priz süresini azalttığı sonucuna varılmıştır. Kullanılan nano silika, uçucu kül kullanımı ile oluşan priz süresindeki gecikmeyi bir nebze tolere etse de gecikmenin tamamını karşılayamamıştır. Mekanik deneylere ait sonuçlar irdelendiğinde, uçucu kül ikamesi arttıkça 7 ve 28. günlerde basınç dayanımının azaldığı fakat aradaki dayanım farkının 90 günde azaldığı sonucuna ulaşılmıştır. Nano silika, öte yandan, 7 günlük basınç dayanımı sonuçları üzerinde bir artış etkisi gösterse de bu etki 28 ve 90 günlerde azalmaktadır. Uçucu külün erken yaşlarda oluşturduğu olumsuz etkinin, nano-silika ilavesi ile kısmen dengelendiği görülmüştür. Ancak ilerleyen yaşlarda nano silikanın etkisi azalmıştır. Elastisite modülü deney sonuçlarına göre, genel olarak, artan basınç dayanımı ile elastisite modüllerinin arttığı söylenebilir. 28-90 günlük elastisite sonuçları, uçucu külün ve/veya nano silikanın elastisite modülü üzerinde ciddi bir etkisi olmadığını göstermektedir. Bunun yanında, 7 günlük elastisite deneyi sonuçlarına göre artan uçucu kül ikamesi ile elastisite modülü azalmıştır (%20 uçucu kül içeren karışım hariç).