YÜKSEK SICAKLIĞIN NANO VE MİKRO PARTİKÜLLÜ REAKTİF PUDRA BETONLARIN MEKANİK VE MİKROYAPI ÖZELLİKLERİNE ETKİSİ
The Effect Of High Temperatures On Mechanical And Microstructural Properties Of Nano And Micro Particulate Reactive Powder Concrete
Yazar: YAKUP MURAT ÇEBİ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ARİF EMRE SAĞSÖZ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Malzemeleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Alümina = Alumina ; Basınç dayanımı = Compressive strength ; Nano-silika = Nano-silica ; Reaktif pudra beton = Reactive powder concrete ; Yüksek sıcaklık = High temperature

Özet:
Amaç: Nüfus artışına bağlı olarak artan ihtiyaçlar ve gelişen teknolojiye bağlı olarak ülkemizde ve tüm dünyada yüksek dayanımlı betonlara ve özel betonlara ihtiyaç giderek artmaktadır. Gökdelenler, nükleer reaktörler, askeri amaçlı yapılar, özel sığınaklar, yeraltı ve deniz yapıları gibi birçok yapıda istenilen yüksek dayanımlar için reaktif pudra betonları en çok tercih edilen beton türü olmuştur. Yapılan bu çalışmada çelik lif ve/veya başka malzemeler kullanılmadan silis dumanı katkılı reaktif pudra betonlarının yangın etkisinde davranışı belirlenerek, yüksek sıcaklık etkisinde kalacak özel alanlarda kullanılabilecek 200 MPa üzeri basınç dayanımı veren betonların üretilmesi hedeflenmiştir. 
Yöntem: Bu çalışmada; birinci aşamada silis dumanı (çimentonun %20-%25-%30 oranlarında) katkılı beton numuneleri farklı basınç (10 ve 15 Atm), sıcaklık (160oC ve 175oC) ve sürelerde (4 ve 8 saat) otoklav ile kür edildikten sonra dört farklı sıcaklıkta (200oC, 400oC, 600oC ve 800oC) yangın-yüksek sıcaklık etkisine maruz bırakılmışlardır. İkinci aşamada ise %23 silis dumanı kullanılan numunelere çimento yerine %5-%10 ve %15 oranlarında mikro silika ile %2-%4 ve %6 oranlarında nano silika ve nano alümina ayrı ayrı kullanılarak beton numuneleri yine dört farklı şekilde otoklav ile kür edildikten
sonra dört farklı sıcaklıkta (200oC, 400oC, 600˚C ve 800oC) yangın-yüksek sıcaklığa etkisine maruz bırakılmışlardır. Üretilen beton numunelerin basınç dayanımları belirlenmiş ve numunelere ait SEM görüntüleri elde edilerek beton mikroyapısının değişimi araştırılmıştır.
Bulgular: Silis dumanı katkısının yüksek sıcaklık etkisine maruz bırakılmaktan bağımsız olarak, tüm numunelerin basınç dayanımlarını arttırdığı elde edilmiştir. Sadece silis dumanı katkılı reaktif pıudra betonlarından en yüksek basınç dayanımı %25 silis dumanı katkılı (175oC ve 15 Atm basınçta 4 saat otoklavlanarak kür edilen) 400oC sıcaklığına maruz bırakılan numunede 231 MPa olarak elde edilmiştir. Bunun yanında, nano malzeme katkılı beton numunelerinin basınç dayanımları 200 MPa ve üzerinde elde edilmiştir. En yüksek basınç dayanımı %2 nano silis katkılı numunelerin 160oC ve 10 Atm basınçta 4 saat otoklavlanmasında 263.52 MPa olarak elde edilmiştir. Yüksek sıcaklığa maruz kalmış mikro ve nano malzeme katkılı beton numunelerinin basınç dayanımları ise 200oC ve 400oC sıcaklık etkilerinde 150 MPa üzerinde elde edilmiştir. 600oC ve 800oC etkisinde ise %6 nano alümina katkılı numune haricinde tüm numuneler parçalanmıştır.
Sonuç: Silis dumanı, mikro silika ve nano silika katkısı beton içindeki boşluk oranını azalttığı ve çimentonun hidratasyonuna ve puzolanik reaksiyonlara olumlu katkı sağlaması sebebiyle 150 MPa (sadece silis dumanı katkısında)-200 MPa ve üzerinde dayanım gerektiren uygulamalar için reaktif pudra betonu üretiminde rahatlıkla kullanılabilir. Kür süre, sıcaklık ve basıncın özellikle nano silika katkılı numunelerde belirgin etkisinin olmaması sebebiyle 4 saatlik kür sürelerinde daha yüksek dayanımlı betonlar üretilebilir. Farklı katkıların kullanıldığı (çelik lif, vb.) ve daha uzun kür sürelerine (12 saat 24 saat gibi) ihtiyaç duyulan reaktif pudra betonlarına kıyasla daha ekonomik olması sebebiyle,
bu çalışmada kullanılan %2 nano silika ile %5 mikro silika katkısı ve 4 saat kür süresinin yüksek dayanım gerektiren ve yüksek sıcaklığa maruz kalınan birçok uygulamalarda kullanılması tavsiye edilmektedir. Ayrıca, bu çalışmada kullanılan RPB'lerin kullanıldığı alanlarda yangın meydana gelmesi durumunda, söndürme ve soğutma çalışmalarında su yerine farklı malzemelerin kullanılmasıın daha olumlu sonuçlar vereceği düşünülmektedir.

Anahtar Kelimeler: Reaktif pudara betonu, yüksek sıcaklık, basınç dayanımı, nano silika, nano alümina

Abstract:
Purpose: Depending on the increasing needs due to population growth and developing technology, the need for high-strength concretes and special concretes is increasing in our country and all over the world. Reactive powder concrete has been the most preferred concrete type for the high strengths required in many structures such as skyscrapers, nuclear reactors, military-purpose structures, private shelters, underground and sea structures. In this study, it is aimed to produce concretes with a compressive strength of over 200 MPa that can be used in special areas that will be exposed to high temperatures by determining the behavior of silica fume additive reactive powder concretes under the influence of fire, without using steel fibers and/or other materials.
Method: In this study; In the first stage, silica fume (20%-25%-30% of cement) added concrete samples were cured by autoclave at different pressures (10 and 15 Atm), temperature (160˚C and 175°C) and times (4 and 8 hours) at four different temperatures. (200˚C, 400˚C, 600˚C and 800˚C) were exposed to fire-high temperature effects. In the second stage, the concrete samples were cured by autoclave in four different ways, by using 5%-10% and 15% micro silica and 2%-4% and 6% nano silica and nano alumina separately instead of cement in the samples using 23% silica fume. Then they were exposed to fire-high temperature at four different temperatures (200˚C, 400˚C, 600˚C and 800˚C). The compressive strengths of the produced concrete samples were determined and the SEM images of the samples were obtained and the change of the concrete microstructure was investigated.
Finding: It was obtained that the silica fume additive increased the compressive strength of all samples, regardless of exposure to high temperature effects. The highest compressive strength of only silica fume added reactive powder concrete was obtained as 231 MPa in the 25% silica fume added sample (cured by autoclaving at 175˚C and 15 Atm pressure for 4 hours) exposed to 400˚C temperature. Besides, compressive strengths of nanomaterial added concrete samples were obtained as 200 MPa and above. The highest compressive strength was obtained as 263.52 MPa in the autoclaving of 2% nano silica added samples at 160˚C and 10 Atm pressure for 4 hours. The compressive strengths of concrete samples with micro and nano material additives exposed to high temperatures were obtained above 150 MPa at 200˚C and 400˚C temperature effects. At 600˚C and 800˚C, all samples were shattered except for the 6% nano alumina doped sample.
Results: Since silica fume, micro silica and nano silica additives reduce the void ratio in the concrete and contribute positively to the hydration of cement and pozzolanic reactions, it can be easily used in the production of reactive powder concrete for applications requiring strength of 150 MPa (only with silica fume additive) - 200 MPa and above. Since curing time, temperature and pressure do not have a significant effect, especially in nano silica added samples, higher strength concretes can be produced in 4-hour curing times. Since it is more economical compared to reactive powder concretes where different additives are used (steel fiber, etc.) and longer curing times (12 hours and 24 hours) are required, 2% nano silica and 5% micro silica additive used in this study and 4 hours curing. It is recommended to use in many applications that require high strength and are exposed to high temperatures. In addition, in case of fire in the areas where the RPBs used in this study are used, it is thought that using different materials instead of water in extinguishing and cooling works will give more positive results.

Keywords: Reactive powder concrete, high temperature, compressive strength, nano silica, nano alumina