Farklı faz ve boyutlardaki titanyum dioksitin çimento bağlayıcılı kompozitlerin özellikleri üzerine etkileri
Effects of titanium dioxide with different phases and dimensions on the characteristics of cement binding composites
Yazar: KEMAL KOCA
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ŞAHMARAN
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Hacimsel olarak sudan sonra en çok kullanılan malzemenin beton olduğu düşünüldüğünde, modern toplumların karşı karşıya kaldığı hava kirliliklerini aşmanın temel yollarından birisinin de, var olan temel yapı malzemelerini havada kirliliği oluşturan maddeleri kimyasal olarak bağlayarak azaltacak nitelikte, yenilikçi, fonksiyonel ve ekonomik tasarımlar ile geliştirmek olduğu söylenebilir. Bu kapsamda fotokatalitik malzemelerin bir türü ve aynı zamanda bir yarı iletken olan titanyum dioksit (TiO2), UV ışıkları altındaki güçlü oksidasyon kapasitesi, asidik ve bazı temel bileşiklere maruz kaldığı durumlarda kimyasal stabilitesini koruyabilmesi, UV ışıklarının yokluğunda aktive olmaması ve toksik herhangi bir özellik göstermemesi nedenlerinden ötürü önemli bir yapı malzemesi olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu tez çalışması kapsamında, bahsedilen çevre problemlerine uygulanabilir çözümler sunabilen, geleneksel yöntemlerden farklı olarak, tasarımında aynı anda farklı ölçeklerde (nano ve mikro ölçekler) birçok parametre dikkate alınan, TiO2 katkılı çimento bağlayıcı kompozitler geliştirilmiştir. Bu bağlamda, anataz ve rutil fazında TiO2'nin farklı ölçeklerde (nano, mikron-altı ve mikron) tekli ve aynı anda kullanıldıkları durumlarda boyut etkisi araştırılıp optimum tane boyut karakterizasyonu yapılmıştır. Daha sonra farklı boyutlardaki özellikle nano ölçekli TiO2 taneciklerinin homojen olarak dağıtılabilmesi amacı ile uygun pratik karıştırma yöntemleri üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Elde edilen veriler doğrultusunda farklı kristal formlardaki (anataz ve rutil) TiO2 toplam bağlayıcı ağırlığının %2,5, %5, %7,5 ve %10 oranlarında ikame edilmiş ve kompozit malzemeler üzerindeki etkileri araştırılıp en uygun kullanım oranı tespit edilmiştir. Sonuçların değerlendirilmesinde fotokatalitik etki ve mühendislik özelliklerinin yanı sıra, mikro yapısal analizler ile hidratasyon kinetiği üzerinde de incelemeler yapılmıştır. Sonuç olarak literatürdeki sonuçlara ek olarak, bütüncül tasarım yaklaşımıyla geliştirilen TiO2 ikameli çimento bağlayıcılı kompozitlerin mikromekanik özelliklerinin yanında, fotokatalitik kabiliyetlerinin de piyasada kullanılan ürünlere benzer ya da üstün performans sergilediği sonucuna varılmıştır. Elde edilen sonuçların sürdürülebilirliğe ve rekabetçi ortama büyük katkı sağlayacağı düşünülmektedir.

Abstract:
Considering the fact that concrete, on a volumetric basis, is the most commonly used material after water, it can be stated that one of the fundamental ways to overcome air pollution facing modern societies is to develop innovative, functional and cost-effectively-designed construction materials in a way to reduce the air-pollutants by chemical binding. Within this context, titanium dioxide (TiO2) which is a type of photocatalytic materials and a semiconductor, is regarded as an important construction material thanks to its strong oxidation capacity under UV lights, ability to protect chemical stability when subjected to acidic and certain compounds, inactivity in the absence of UV lights and nontoxic characteristics. In the scope of current thesis, TiO2-doped cementitious composites which are capable of providing solutions for abovementioned environmental issues were developed by taking different-scale (nano- and micro-scale) parameters into account simultaneously, different from traditional techniques. In this sense, optimum particle size characterization was made after researching the size effect for different-size (nano, submicron and micron) anatase- and rutile-type TiO2 for the cases where they were used either singly or in combination. After, improvements were made on suitable practical mixing methods for homogenous distribution of different-size, especially nano-scale, TiO2 particles. In the direction of obtained results, TiO2, which were in different crystal forms (anatase and rutile) were incorporated by 2.5%, 5%, 7.5% and 10% of the total weight of cementitious materials and the most suitable utilization rates were determined after assessing their effects on composite materials. During the discussion of results, in addition to photocatalytic effect and engineering properties, observations on hydration kinetics and microstructural analyses were made. As a result it is concluded that along with the results available in the literature, TiO2-doped cementitious composites developed by the holistic design approach exhibit similar or better performance than their counterparts available in the market in terms of their photocatalytic capabilities together with micromechanical properties. It is believed that obtained results will make a significant contribution to the sustainability and competitive environment.