Yüksek sıcaklık ve sülfat hücumuna maruz kalmış çimento esaslı lifli kompozitlerin mühendislik özelliklerinin makine öğrenmesi yöntemleriyle incelenmesi
Investigation of engineering properties of cement-based fibrous composites exposed to high temperature and sulfate attack using machine learning methods
Yazar: NECİM KAYA
Danışman: DOÇ. DR. SERHAT DEMİRHAN
Batman Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Mevcut çalışmada, farklı sıcaklık etkileri (25°C, 200°C ve 500°C), ve farklı kür yaşları (7, 28 ve 90 gün) ile yüksek sıcaklık ve sülfat etkisi altında iki farklı lif türünün basınç dayanımı, eğilme dayanımı ve ultrases dalgası yayılma hızı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Çalışmanın amacı, bu parametrelerin malzemenin mekanik özellikleri üzerindeki etkilerini belirlemektir. Deneysel çalışmalar sonucunda elde edilen veriler, Aşırı Öğrenme Makinesi (ELM) ve Grup Yöntemi Veri İşleme (GMDH) modelleri kullanılarak analiz edilmiştir. Elde edilen bulgular, belirlenen parametrelerin malzeme performansını nasıl etkilediğini ortaya koymuş ve ELM ile GMDH'nin bu etkilerin modellenmesindeki etkinliğini göstermiştir. Yüksek sıcaklık parametreleri dikkate alındığında; farklı kür yaşlarında ve sıcaklık seviyelerinde yapılan testler, erken kür aşamasında mikro yapısal boşlukların ve çatlakların tam olarak dolmadığını, daha ileri kür yaşlarında ise daha kararlı mikro yapılar oluştuğunu ve basınç dayanımının arttığını göstermiştir. 200°C'de mikro yapısal gelişim teşvik edilirken, 500°C'de belirgin hasarlar ve dayanım kayıpları gözlemlenmiştir. Mikro çelik ve polipropilen liflerin birlikte kullanımı, yüksek sıcaklıklarda daha dengeli bir performans sunmuştur. Uçucu kül, ilerleyen kür yaşlarında dayanımı artırırken, genel olarak mikro yapısal performansı iyileştirmiştir. UPV değerleri, kür yaşı ve sıcaklığa bağlı olarak değişiklik göstermiştir. Mikro çelik ve polipropilen liflerin bir arada kullanılması, malzemelerin yüksek sıcaklıklara karşı dayanıklılığını artırmış; uçucu kül ve nano kalsit ise lif-matris ara yüz özelliklerini iyileştirerek eğilme dayanımını artırmıştır. Bu bulgular, yüksek sıcaklığın çimento esaslı malzemeler üzerindeki dayanım etkilerini ve farklı malzeme ve katkı maddelerinin bu etkileri azaltmada yardımcı olabileceğini göstermektedir. Sülfat etkisi koşullarında; düşük su/bağlayıcı oranı ve lif kullanımının sonucu olarak sülfattan kaynaklanan yıpratıcı bir değişim gözlenmemiştir. Sülfat çözeltisinin mikro yapıya nüfuz etmesiyle ek hidratasyon reaksiyonları teşvik edilmiş ve dayanım artışı sağlanmıştır. Uçucu kül ve nano kalsit içeren karışımlarda daha yoğun bir matris oluşmuş ve bu durum dayanım değerlerinde artış sağlamıştır. Yüksek sıcaklık sonrası sülfat çözeltisine maruz kalan numunelerde basınç dayanımı artışı gözlemlenmiş, ancak kritik düzeyde bir fark oluşmamıştır. Polipropilen lifler yüksek sıcaklıklarda eriyerek sülfatların çimento esaslı kompozitlerin içine daha kolay nüfuz etmesine neden olmuş iken çelik liflerin kullanıldığı karışımlarda ise en yüksek eğilme dayanımını göstermiştir. Sülfat etkisinin mikroyapısal özellikler üzerinde önemli bir değişim yapmadığı, 7, 28 ve 90 günlük kür yaşlarında ölçülen UPV değerleriyle ortaya konulmuştur.

Abstract:
In the present study, the effects of different temperature effects (25°C, 200°C and 500°C), different curing age (7, 28 and 90 days), and high temperature and sulpfate effects on the compressive strength, flexural strength and ultrasound wave propagation speed of two different fiber types were investigated. The aim of the study is to determine the effects of these parameters on the mechanical properties of the material. The data obtained from the experimental studies were analysed by using the Extreme Learning Machine (ELM) and Group Method Data Processing (GMDH) models. The findings revealed how the determined parameters affect the material performance and demonstrated the effectiveness of ELM and GMDH in modelling these effects. Considering the high temperature parameters, tests performed at different curing ages and temperature levels showed that microstructural voids and cracks were not completely filled in the early curing age, while more stable microstructures were formed and compressive strength increased at later curing ages. While microstructural development was encouraged at 200°C, significant damage and strength losses were observed at 500°C. The hybrid combination of micro steel and polypropylene fibres provided a more stable performance at high temperatures. Fly ash increased the strength at later curing ages, while nano calcite, in general, improved the microstructural performance. UPV values varied with curing age and temperature. The combination of micro steel and polypropylene fibers increased the resistance of the materials against high temperatures, while fly ash and nano calcite improved the flexural strength by improving the fiber-matrix interface properties. These findings indicate the significant effects of high temperature on cementitious materials and that different materials and mineral admixture can help to reduce these effects. Considering sulphate effect conditions; no corrosive change due to sulphate was observed as a result of low water/binder ratio and fiber usage. The penetration of sulphate solution into the microstructure promoted additional hydration reactions and increased strength. A denser matrix was formed in mixtures containing fly ash and nano calcite and this resulted in an increase in strength values. An increase in compressive strength was observed in specimens exposed to sulphate solution after high temperature, but no critical difference was observed. Polypropylene fibers melted at high temperatures, causing sulphates to penetrate more easily into the cement-based composites, while the mixtures using steel fibers showed the highest flexural strength. UPV values measured at 7, 28 and 90 days of curing age showed that the effect of sulphate did not have a significant effect on microstructural properties.