Nano silika-mikro silika içeren normal ve yüksek dayanımlı betonlarda donatı-beton aderans özelliklerinin incelenmesi
Investigation of reinforcement-concrete bond properties in normal and high strength concrete containing nano silica and/or micro silica
Yazar: BÜŞRA BOYACI
Danışman: PROF. DR. HAKAN NURİ ATAHAN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER TUĞRUL TURAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Silika jel = Silica gel ; Yüksek dayanımlı beton = High strength concrete

Özet:
Günümüz dünyasında en çok tüketilen yapı malzemesinin beton olduğu bilinmektedir. Zaman geçtikçe beton yapılardan daha yüksek dayanım ve daha uzun hizmet ömrü beklenmektedir. Yıllar içinde inşaatta kullanılan betonun dayanım gerekliliği arttıkça yüksek dayanım tanımı da değişmektedir. Yüksek dayanımlı beton üretimi; yüksek kaliteli malzemeler ile birlikte düşük su/çimento oranının kullanılmasına ve agrega-matris ara yüzey bölgesi özelliklerinin iyileştirilmesine bağlıdır. Bu beklentileri karşılamak için betonun tasarım parametrelerinin geliştirilmesinin yanı sıra beton karışımına kimyasal ve mineral katkılar eklenmektedir. Ancak, son yılların en popüler malzemelerinden biri nano malzemelerdir. Özellikle boyut ve reaksiyon özellikleri açısından mikro silika kullanımı, yüksek dayanımlı beton üretimi için vazgeçilmez bir malzemedir. Ayrıca mikro silikanın beton mikro yapısında yarattığı iyileştirme nano silika kullanımı ile daha etkin hâle getirilebilir. Örneğin, mikro ve nano silikanın birlikte sağladığı mikro yapısal iyileştirme, betonun gözenek yapısına daha duyarlı hale gelmesine neden olur. Gözenek yapısı geçirimliliği etkiler ve bilindiği gibi betonun geçirimliliği betonun dayanıklılığında en önemli etkenlerden biridir.
Betonarme, yapılarda en çok kullanılan taşıyıcı sistemlerden biridir. Betonarme yapıların değerlendirilmesinde, beton ve donatının kalitesi kadar önemli olan bir diğer etken beton ve donatı arasındaki bağdır. Özellikle betonarme yapıların yaygınlaşması beton-donatı arasındaki aderans özelliklerinin anlaşılmasını önemli kılmıştır. Beton ve donatıdan oluşan bir yapı elemanının betonarme olarak davranabilmesi için donatıların betona kenetlenmesi gerekir. Bu kenetlenme; betonun çekme dayanımı, donatının yüzey geometrisi, donatı çapı, çeliğin akma dayanımı, aderans boyu, donatı etrafındaki beton örtü kalınlığı (pas payı), kullanılan agreganın cinsi ve katkı maddeleri gibi birçok değişkenden etkilenir. Bu nedenle betonun karakteristik özelliklerinin de beton-donatı aderansı üzerinde etkisi büyüktür. 
Mineral katkıların, donatı ve beton arasındaki bağ etkisi birçok araştırmada ele alınmış ve incelenmiştir. Bu çalışmada da mineral katkı olarak mikro silika ve nano silika kullanılmıştır. Nanosilika ve mikrosilikanın; beton-donatı arasında oluşan aderans özellikleri üzerindeki ve beton karışımlarının tek eksenli basınç altında ölçülen tepe öncesi gerilme-şekil değiştirme davranışları üzerindeki sinerjik etkileri araştırılmıştır. Farklı oranlarda nano-silika ve/veya mikrosilika (MS8%, NS1,5%, NS3%, MS8%+NS1,5%, MS4%+NS2,25%) içeren beş karışım ve mineral katkı içermeyen (REF) bir karışım olmak üzere toplam altı karışım ele alınmıştır. Tüm karışımlar İki farklı su/çimento oranı ile hazırlanmıştır (w/c=0,36, w/c=0,55). Numunelere basınç dayanımı deneyi, deplasman kontrollü tek eksenli basınç deneyi, yarma-çekme deneyi ve çekip-çıkarma (pull-out) deneyi uygulanmıştır. Çekip-çıkarma deneyi uygulanan deneylerde donatılı küp numuneler kullanılmıştır. Bu numuneler hem düz hem nervürlü donatılar ile hazırlanmıştır. Diğer deneyler için silindir numuneler kullanılmıştır.
Öncelikle farklı beton karışımlarına MS ve/veya NS ilave edildiğinde, değişen parametrelerin betonun karakteristik özelliklerini nasıl etkilediği belirlenmeye çalışılmıştır. Bu özellikleri belirleyebilmek için silindir numunelere gerekli deneyler yapılarak, numunelerin basınç dayanımı (28 ve 90 gün), elastisite modülü ve süreksizlik ve çözülme sınırları belirlenmiştir. Deney sonuçlarına göre mikro ve nano silika katkılı numunelerin basınç dayanımı referans karışımına göre daha yüksek çıkmıştır. Ayrıca basınç dayanımında en yüksek artışın (28 günde referans karışıma göre %37 oranında artan) mikro silika ve nano silikanın birlikte kullanıldığı karışımdan (NS2,25%+MS4%) elde edildiği görülmüştür. Deplasman kontrollü tek eksenli basınç deneyi sonuçlarından elde edilen normalize süreksizlik ve çözülme sınır değerlerinde de benzer bir trend görülmüştür. Karışımlarda MS ve /veya NS ilavesi, normalize süreksizlik ve çözülme sınırlarını artırmıştır. Ancak karışımlar arasında elastisite modülü değerlerinde önemli bir değişiklik saptanmamıştır.
Beton-donatı arasındaki bağ özellikleri ise hem düz hem de nervürlü donatı için incelenmiştir. Donatı ve betonun aderans özelliklerini belirlemek için her iki donatı tipine de çekip-çıkarma (pull-out) testi yapılmıştır. Bu test sonucunda yük-yer değiştirme ve sıyrılma enerjisi-yer değiştirme ilişkileri elde edilmiştir. Ayrıca, bağ kopma mekanizmasının daha iyi değerlendirilmesi için elastisite modülü, yarma çekme ve basınç dayanımı deney sonuçları ile çekip-çıkarma deneyi sonuçları birlikte incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre; nano ve mikro silika ayrı ayrı kullanıldığında basınç dayanımı üzerinde önemli bir etkiye sahip olmadığı gözlemlenmiştir. Ancak birlikte kullanıldıklarında (NS1,5%+MS%8), basınç dayanımı değerlerinde yaklaşık %14'lük artışa ulaşılmıştır. Çekme dayanımı test sonuçlarında ise farklı bir durum gözlenmiştir. Mikro ve nano silikanın birlikte sağladığı mikro yapısal iyileştirme, betonun gözenek yapısına daha duyarlı hale gelmesine neden olmuştur. Bağ dayanımı ve sıyrılma enerjisi sonuçlarında, nano ve mikro silikanın birlikte kullanıldığı ve düz donatı içeren numunelerde referans numunelere göre önemli bir artış gözlemlenmiştir. Nervürlü donatı içeren numunelerde ise özellikle normal dayanımlı betonlarda en yüksek gerilme ve sıyrılma enerjisi referans numuneden elde edilmiştir. 
Bunların yanı sıra, ortaya çıkan sonuçlar doğrultusunda bağ dayanımını ve sıyrılma davranışını öngören tahmin modelleri önerilmiştir. Düz donatı içeren numunelerde artık gerilme 0,7×τu olarak belirlenirken, nervürlü donatıya sahip numunelerde bu değer 0,4×τu olarak belirlenmiştir. Bu, tepe gerilimine (bağ dayanımına) ulaşıldıktan sonra, özellikle MS ve/veya NS kullanıldığında, artık bağ geriliminin, nervürlü olanlara kıyasla düz donatıda daha etkili bir şekilde korunabileceğini göstermiştir.

Abstract:
It is known that the most consumed building material in todays and longer service life are expected from concrete structures. As the strength of the concrete used in construction increases over the years, the deﬁnition of high strength also changes. The lower limit for high-strength concrete (HSC) is 55 MPa in ACI 363R. High strength concrete production requires the use of high-quality materials and low water to cement ratio, as well as further refinement of the matrix and interfacial transition zone characteristics. To meet these expectations, besides the design parameters, materials such as chemical and mineral additives and various ﬁbers are added to the concrete, but one of the most popular materials of recent years is nanomaterials. Nanomaterial is deﬁned as material with particle size smaller than 100 nm, thus it provides ultra-high speciﬁc surface area and hence, the high reactivity. The use of micro silica in terms of size and reaction properties is an indispensable material for high strength concrete production. Moreover, the improvement that micro silica creates in the concrete microstructure can be made even more effective with the use of nano-silica. For example, the microstructural improvement provided by micro and nano silica together causes the concrete to become more sensitive to the pore structure, and as it is known, the permeability of the concrete is one of the most important factors in the durability of the concrete. 
Recently, the usage area of concrete has increased a lot. Reinforced concrete (RC) is one of the most used carrier systems in buildings. Another factor that is as important as the quality of concrete and reinforcement in the evaluation of reinforced concrete structures is the bond between concrete and reinforcement. Especially the widespread use of reinforced concrete structures has made it important to understand the bonding properties between concrete and steel. In order for a structural element consisting of concrete and reinforcement to act as reinforced concrete, the bars must be clamped to the concrete. This interlocking; is affected by many variables such as the tensile strength of the concrete , the bond strength between reinforcement and concrete highly depends on concrete compressive strength, concrete reinforcement interface properties, geometric properties of the reinforcement (ribbed/plain), reinforcement production technique (hot-rolled or cold-rolled), reinforcement diameter, corrosion, embedment length, concrete confinement, and concrete cover thickness and the type of aggregate used and the additives. For this reason, the characteristic properties of concrete have a great effect on the bond between concrete-reinforcement. The bond effect of mineral additives between reinforcement (plain and ribbed) and concrete (bond strength) has been investigated and considered in many studies. Although there are many methodologies available in the literature to determine the bond properties of steel and concrete, the most used method is the pull-out test since it is the most practical, inexpensive, and less time-consuming test.
In this study, the synergistic effects of nano silica and micro silica on the bond properties between concrete and reinforcement and on the pre-peak stress-strain behavior of concrete mixtures measured under uniaxial compressive were investigated. Five mixtures containing different proportions of nano-silica and/or micro silica (MS8%, NS1,5%, NS3%, MS8%+NS1,5%, MS4%+NS2,25%) and a mixture without mineral additives (REF) total of six mixtures were considered. All mixtures were prepared with two different water/cement ratios (w/c=0,36, w/c=0,55). Compressive strength test, split-tensile test, displacement-controlled uniaxial compressive test and pull-out test were applied to the samples. Reinforced cube specimens were used in the pull-out experiments. These samples were prepared with both plain and ribbed reinforcements. Cylindrical specimens were used for other experiments. 
First, when MS and/or NS are added to different concrete mixtures, it has been tried to determine how the changing parameters affect the characteristic properties of the concrete. In order to determine these properties; compressive strength (28 and 90 days), the modulus of elasticity, discontinuity and critical limits (28 days) of the cylindrical samples were determined. Based on the experimental results, the compressive strength of micro and nano silica added samples were higher compared to reference concrete. Moreover, it was observed that the highest increase in compressive strength (up to 37% compared to the reference mixture at 28 days) was obtained in the concrete which micro silica and nano-silica were used together (MS4%+NS2,25%). A similar trend was observed in the normalized discontinuity and critical stress limit values as obtained in deformation controlled compressive test results, i.e., normalized discontinuity and critical stress limits were increased with the addition of nano and micro silica. However, no significant change was observed on modulus of elasticity values between the mixtures.
The properties of bonding were examined for both plain and ribbed reinforcement bars. Pull-out tests were performed for both of reinforcing bars in order to determine bond characteristics of reinforcing steel and concrete. Load-displacement and slip energy-displacement relationships were obtained. In addition, the results of the modulus of elasticity, splitting tensile and compressive strength tests and the pull-out test results were examined together for a better evaluation of the bond failure mechanism. According to the results obtained; nano and micro silica did not have a significant effect on compressive strength when used individually. However, when they used together (MS8%+NS1,5%), approximately 14% of increment in the compressive strength values were reached. An opposite situation was observed in the tensile strength test results. The microstructural improvement provided by micro and nano-silica together caused the concrete to become more sensitive to its pore structure. In terms of bond strength results, compared to reference sample, although an increase was observed in plain reinforcing bar samples with the addition of nano and micro silica, no significant change was observed in ribbed reinforcing bar samples. However, results for plain reinforcing bar samples, the addition of nano and micro silica significantly increased the slip energy, especially when they were combined. In the case of ribbed reinforcing bar samples, on the contrary, the highest bond energy was obtained for reference sample. Overall, the high bond strength between concrete and steel increases the efficiency of the RC element.
In addition to these, prediction models that predict bond strength and bond-slip behavior have been proposed in line with the results. While the residual strength was determined as 0,7×τu for the samples containing plain rebar, this value was determined as 0,4×τu for the samples containing ribbed ones. This shows that after the peak stress (bond strength) is reached, the residual bond stress, especially when MS and/or NS is utilized, can be maintained more effectively in plain rebar compared to ribbed ones.