Nano silikanın yüksek oranda uçucu kül içeren betonların taze hal, priz süresi ve mekanik ozellikleri üzerine etkisinin araştırılması
Investigation on the effect of nano-silica on the fresh state, setting times and mechanical properties of concrete with high fly ash content
Yazar: AHMET BARAN
Danışman: PROF. DR. HAKAN NURİ ATAHAN
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: Basınç dayanımı = Compressive strength ; Elastisite modülü = Modulus of elasticity ; Hidratasyon ısısı = Hidratation heat ; Priz süresi = Setting time ; Reoloji = Rheology ; Sinerji = Synergy ; Uçucu kül = Fly ash

Özet:
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).

Abstract:
Concrete is a composite building material that is widely used in the world due to the abundance of raw materials used in its components, high compressive strength and workability. Concrete consists of a combination of cement, aggregates, water and various minerals and chemical additives. A qualified concrete should have three basic properties. The first of these should be workable in fresh condition, the second should be able to meet the desired strength properties in hardened state, and the third should be able to meet the expected quality requirements throughout its service life (durability). 
Cement is the most basic component used in concrete and mortar mixtures. Cement is released high amount of carbon dioxide (CO2) to the environment during the production and transportation stages. Therefore, cement production causes great harm to the environment in terms of sustainability. In recent years, scientists have been trying to develop alternative materials to cement for a more sustainable environment. Although these materials cannot completely replace cement in some cases, they are used by replacing a certain amount of cement (pozzolanic materials). Fly ash is one of these pozzolanic materials.
Fly ash is a waste product formed after the burning of pulverized coal in power generation plants. Therefore; fly ash contributes significantly to sustainability. In addition, it has a critical importance as it binds the free lime formed as a result of cement hydration in a humid environment, giving strength to the cement-based material at advanced ages and contributing to the material durability. Moreover, studies show that fly ash increases the workability properties of concrete and lowers the hydration temperature. Although fly ash, which substitution of cement with, makes a serious contribution to sustainability, this material also has some disadvantages. For example, concrete, which contain fly ash, is low generally the early age strength. The reason for this, is that the presence of CH crystals, which is one of the hydration products, is required in order for the fly ash to gain binding property. The inability of fly ash to gain binding property before the hydration of the cement begins, causing a delay in the setting time.
Another way to make concrete more sustainable is to increase the concrete quality and extend its service life. In this sense, in recent years nanomaterials have been used in many cement-based composites due to their high specific surface area and high reactivity. Nano silica, among these nanomaterials, is one of the most researched materials on concrete. Nano silica can be defined as stable dispersions of discrete particles of amorphous silica in water. Amorphous silica, which is the major (>99%) component of this material, reacts with Ca(OH)2 to form CSH products. The resulting CSH improves the microstructure of both the matrix and the interfacial transition zone (ITZ). In addition, nano silica accelerates the hydration process by creating a nucleation effect due to its high specific area and accordingly reduces the setting time. It is also known to increase the early age strength of concrete. The relative disadvantages of nano silica are that it increases the hydration temperature and decreases the workability properties. 
In recent years, the synergistic effect of nano silica and pozzolanic materials (fly ash, blast furnace slag, silica fume) has been frequently studied by researchers. There is a literature gap regarding the disadvantages of using fly ash, which are the low early age strength and whether the delayed setting time can be compensated with nano silica. The same plasticizer amounts were used in the concretes used in the studies and it was thought that this situation might have a negative effect on the settlement properties.
In this context, in the study presented within the scope of this thesis, the effects of fly ash and nano-silica on the rheological properties, initial and final setting times and the temperature increment during hydration of concrete were investigated. 400 kg/m3 cement dosage was selected for the reference mixture and the amount of cement was replaced with the fly ash (by volume) at 3 different ratios (20%, 35%, and 50%). It is aimed to keep the aggregate volume of concrete mixtures at the same level and for all mixtures, the w/b (by vol.) ratio was kept constant. Therefore, the substitution of cement with fly ash was by volume. Three different ratios of nano silica were added to the concrete mixtures (0%, 1.7%, and 3.4% by volume of the total binder) for each of the four mixtures (REF, FA20, FA35, and FA50). In total, 12 different concrete mixtures were produced at the laboratory. In addition, the consistency of all the mixtures was adjusted at the same level (Slump: 20±1 cm) using a naphthalene-based high-range water reducer (HRWR). An important aim of this study is to investigate to what extent the strength losses or delays that will occur as a result of replacing the cement with fly ash at normal and high rates can be tolerated with the use of nano silica. In addition, the effects of nano silica and/or fly ash on the development of strength and modulus of elasticity were also investigated.
Initial and final setting times were determined using the penetration resistance test in accordance with ASTM C403. After the casting process, the temperature change was monitored for 45 hours using a data logger and thermocouple. The rheological properties were determined using ICAR rheometer. ICAR rheometer was used to obtain plastic viscosity , dynamic and static yield stresses of the mixtures. In addition, for the determination of the mechanical properties, uniaxial compressive strength and modulus of elasticity tests were performed on 7 samples for each age (7, 28 and 90 days). For this purpose, uniaxial compressive test machine with a capacity of 3000 kN was used to determine the compressive strength, according to TS EN 12390-3 and to determine the modulus of elasticity, according to ASTM C469.
According to the results obtained; the amount of high-range water reducer (HRWR) required to obtain a constant slump value increases significantly with increasing dosage of nano silica for each concrete group. On the other hand, the amount of HRWR dosage required by mixtures with similar nano silica contents tends to decrease significantly with the increase in the fly ash displacement (by vol.) rate. When the concrete mixtures were evaluated in terms of plastic viscosity values, it is seen that plastic viscosity decreases with the use of nano silica for all mixtures (REF, FA20, FA35 and FA50). In terms of plastic viscosity values, a similar trend can also be seen for the with the use of fly ash for REF mixture. When the "dynamic yield stress" values are examined, it is seen that the general tendency is to increase the yield stress with the increase in the amount of nano silica used in the mixture. The addition of nano silica to fly ash-replaced (FA20, FA35, and FA50) and non-replaced (REF) mixtures resulted in an increase in the dynamic yield stress of concretes in general. This trend is not valid only for REF (without fly ash) concrete containing 1.7% NS by volume. In terms of "static yield stress" values of concrete mixtures, the general trend, without any exception, is that the yield stress increases with the increase in the amount of nano silica used in the mixture. Another important point in is that the yield stress values tend to decrease up to 35% fly ash by volume, while this trend reverses at 50% FA, that is, the dynamic and static yield stresses tend to increase again. 
The addition of nano silica had an accelerating effect on the setting time for all mixtures (REF, FA20, FA35, and FA50). On the other hand, when the effect of fly ash on the setting times was examined, it was observed that as the ratio of fly ash substitution increased, the initial and final setting times were delayed. One of the important goals of the study presented in this article is to investigate to what extent the delay in setting time caused by fly ash can be recovered by nano silica. Although the use of nano silica dosages used within the limit of this study reduced the initial and final setting times, it was not able to recover the delay which took place as a result of partial fly ash replacement completely.
According to the results temperature (°C) vs. elapsed time graph of the mortar phase obtained, it was observed that the addition of nano silica slightly decreased the peak temperature for REF mixtures and increased the time required to reach the peak. On the other hand, when the effect of fly ash on the the results temperature (°C) vs. elapsed time graph of the mortar phase was examined, it was observed that as the ratio of fly ash substitution increased, slightly decreased the peak temperature for REF mixtures and increased the time required to reach the peak. It has been concluded that the amount of additives used has a serious effect on the rheological properties, setting time and hydration temperature. 
When the mechanical results were examined, the use of fly ash decreased the compressive strengths, as expected, especially at early ages (7 and 28 years old). In the advanced ages, the difference between the reference concrete and concrete mixes containing fly ash gradually decreased. In fact, it was observed that the FA20 mixture gave a higher compressive strength value than REF concrete in 90 days. Nano silica, on the other hand, shows an increasing effect on the 7-day compressive strength results, but this effect decreases at 28 and 90 days. It has been observed that the negative effect of fly ash at early ages is partially balanced by the addition of nano-silica. However, the effect of nano silica decreased with advancing age. 
According to the modulus of elasticity test results, it can be said that the modulus of elasticity increases with increasing compressive strength. The 28-90 day elasticity results show that fly ash and/or nano silica do not have a serious effect on the modulus of elasticity. When nano silica was added to REF, FA20 and FA50 mixtures, although the modulus of elasticity showed a small increase in 28 days and 90 days, a decrease was observed in the modulus of elasticity of the FA35 mixture. In general, the increase in strength from 28 days to 90 days was not reflected in the modulus of elasticity results. In addition, according to the results of the 7 day elasticity test, the elasticity modulus decreased with increasing fly ash substitution (except for the 20% fly ash mixture).