Zeolit ve tras karışımlarıyla hazırlanan harçların mekanik özelliklerinin incelenmesi ve yüksek sıcaklık sonucu termal analizi
Investigation of the mechanical properties of mortars prepared with zeolite and trass mixtures and thermal analysis at elevated temperatures
Yazar: YEŞİM MERAL
Danışman: PROF. DR. AHMET FERHAT BİNGÖL
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Malzemeleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Amaç: Günümüzde çimento üretiminin düşük maliyetli ve çevre dostu olması için puzolanik malzemeler kullanılmaktadır. Böylece daha az çimento kullanılmakta, çimento ürünlerinin işlenebilmesi kolaylaşmakta ve dayanımı artmaktadır. Yangınlar ise betonarme yapılar için büyük bir risktir, çünkü yapıda çok ciddi kimyasal/fiziksel değişimlere neden olmaktadır. Betonda oluşan hasarların büyük bir bölümü betonun en temel öğesi olan çimento harcında gerçekleşmektedir. Bu çalışmada, çimento yerine farklı oranlarda zeolit ve tras katkıları ikame edilen çimento harçlarının kullanılabilirliğinin belirlenmesi amaçlanmaktadır.

Yöntem: Çalışma kapsamında geleneksel CEM I 42,5 R türü çimento ve farklı oranlarda 
(%5, 10, 15) puzolanik maddeler ikame edilerek hazırlanan çimento harçlarının oda sıcaklığı ve beş farklı yüksek sıcaklıktaki (100, 250, 400, 650, 800ºC) basınç dayanımı ve mikro yapısı incelenmiştir. Ayrıca çimento harçlarının ısıl davranışlarını belirlemek için termogravimetrik analiz uygulanmış ve çimento harcının yüksek sıcaklık seviyelerindeki bozunma sürecinin kimyasal kinetik analizi gerçekleştirilmiştir. Katkılı çimento harçlarında yüksek sıcaklıkta oluşan fiziksel ve kimyasal değişimlerin daha iyi anlaşılmasında XRD, SEM, FTIR ve BET analizleri uygulanmıştır. Ayrıca, zeolit ve tras katkılı çimento harçları için yüksek sıcaklık seviyelerinde oluşan fiziksel ve kimyasal değişimlerin belirlenmesi amacıyla TG-DTG/DSC analizleri gerçekleştirilmiştir.

Bulgular: Basınç dayanımı deneylerinin gösterdiği üzere, zeolit katkılı harçlarda tras katkılı harçlara kıyasla her sıcaklık seviyesinde asgari %5 civarında daha düşük basınç dayanımı elde edilmiştir. Kullanılan zeolit miktarı arttıkça görülen dayanım kaybı, trasa kıyasla yine oransal olarak daha fazladır. Ayrıca, gerek tamamen çimento içeren ve gerekse zeolit veya tras katkılı harç numunelerinin 650ºC ve 800ºC'deki basınç dayanımları arasında diğer sıcaklık seviyelerine göre daha bariz bir düşüş görülmüştür. Bu düşüş, yine zeolit içeren numunelerde trasa kıyasla daha belirgin olmuştur.

Sonuç: Mikro görüntüleme ile çimento harcı bileşiminde ortaya çıktığı tespit edilen değişiklikler, toplam gözeneklilik ve mukavemet özelliklerinde önemli kayıplara yol açmıştır. Özellikle XRD ve FTIR sonuçları, çimento harcının sıcaklık etkisiyle su kaybını, karbonatlı yapıların bozunmasını ve C-S-H'ların da bozunarak C2S ve C3S'ye dönüşümünü açıkça göstermektedir. Sonuç olarak, katkısız ve katkılı çimento harçlarında sıcaklık etkisi sebebiyle fiziksel ve kimyasal yapının olumsuz yönde etkilendiği anlaşılmaktadır.

Abstract:
Purpose: Nowadays, pozzolanic materials are used to make cement production cost-effective and environmentally friendly. Thus, less cement is used, cement products are easier to process and their strength is increased. Fires are a great risk for reinforced concrete structures because they cause very serious chemical/physical changes in the structure. Most of the damage to concrete occurs in the cement mortar, which is the most basic element of concrete. In this study, it is aimed to determine the usability of cement mortars with different proportions of zeolite and trass additives substituted for cement.

Method: Within the scope of the study, the compressive strength and microstructure of cement mortars prepared by substituting conventional CEM I 42.5 R type cement and pozzolanic agents at different ratios (5, 10, 15%) at room temperature and five different elevated temperatures (100, 250, 400, 650, 800ºC) were investigated. In addition, thermogravimetric analysis was applied to determine the thermal behavior of the cement mortars and chemical kinetic analysis of the degradation process of the cement mortar at high temperature levels was carried out. XRD, SEM, FTIR and BET analyses were applied to better understand the physical and chemical changes occurring at high temperature in cement mortars with admixtures. In addition, TG-DTG/DSC analyses were performed to determine the physical and chemical changes at high temperature levels for zeolite and trass admixed cement mortars.

Results: The compressive strength tests showed that the compressive strength of zeolite admixed mortars was at least 5% lower at all temperature levels compared to trass admixed mortars. As the amount of zeolite used increases, the strength loss is proportionally higher than that of trass. Furthermore, there was a more significant decrease in compressive strength between 650ºC and 800ºC for both all-cement and zeolite or trass admixed mortar specimens compared to the other temperature levels. This decrease was again more pronounced in the specimens containing zeolite compared to trass.

Conclusion: The changes in cement mortar composition identified by micro-imaging resulted in significant losses in total porosity and strength. In particular, XRD and FTIR results clearly show the loss of water, degradation of carbonated structures, and degradation of C-S-H to C2S and C3S in cement mortar under the influence of temperature. As a result, it is understood that the physical and chemical structure of unadmixed and admixed cement mortars are adversely affected due to temperature effect.