Yüksek kompasiteli çimento bağlayıcılı sistemler için uçucu kül tane boyut dağılımlarının optimizasyonu
Optimization of particle size distributions of fly ash for cementitious systems with high compactness
Yazar: ÖZER SEVİM
Danışman: PROF. DR. İLHAMİ DEMİR
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bir cismin mukavemeti, içinde bulunduğu boşluklarla doğrudan ilişkilidir. Boşluk oranı fazla yani porozitesi yüksek ise malzemenin mukavemeti düşük olur. Betonda da aynı durum geçerlidir. Betonda porozitenin düşük yani kompasitenin yüksek olması, içinde bulunan agreganın kompasitesinin yüksek olmasıyla ilişkilidir. Granülometrik bileşim bazı durumlarda porozitenin yüksek olmasına, bazı durumlarda ise kompasitenin yüksek olmasına neden olmaktadır. Düşük kompasiteli bir agrega ile beton üretilecek ise fazla miktarda boşluğun doldurulması için bağlayıcı malzemenin artırılması gerekecektir. İyi bir beton üretimi için yeterli doluluk oranını sağlayacak agrega granülometrisi seçilmesi gerekmektedir. Agregalarda bu durum önemsenmektedir. Fakat uçucu kül gibi puzolanik malzemelerde toz malzeme gradasyonu göz ardı edilmektedir. Agregalarda olduğu gibi toz malzemelerde de iyi bir gradasyon olmadığı sürece boşluk oranları fazla olacak ve hidratasyon sonucu elde edilen ürünler boşlukların tamamını dolduramayacaktır. 
Bu çalışmada vakumlu elek yardımıyla farklı biçimlerde uçucu kül tane boyut dağılımları Funk ve Dinger tarafından önerilen denklemde farklı q dağılım modülüne göre oluşturulmuş, oluşturulan uçucu kül tane boyut dağılımlarının 7, 28 ve 90 günlük uçucu kül ikameli çimento harcı basınç ve eğilme dayanımlarına etkisi incelenmiştir. Optimum uçucu kül gradasyonunun etkisini görebilmek için uçucu kül ikameli çimento harçları, mikro-yapısal olarak Elektron Tarayıcı Mikroskop (SEM) ile incelenmiştir. Optimum tane dağılımı belirlenen uçucu külün çimento harcında farklı ikame oranlarında hızlı klorür iyonu geçirimliliği, su emme özellikleri ve kılcal geçirgenlik özelliklerine bakılarak durabilite özellikleri incelenmiştir. q=0.4 dağılım modülünde en iyi mekanik ve durabilite sonuçları elde edilmiştir. SEM görüntülerinde q=0.4 dağılım modülüne karşılık gelen çimento harçlarında C-S-H jellerinin çok yoğun olduğu görülmüştür. Optimum uçucu kül ikameli çimento harçları ve optimizasyonsuz uçucu kül ikameli çimento harçlarının su emme özellikleri ve kılcal su emme katsayıları incelendiğinde optimum uçucu kül ikameli harçların su emme yüzdelerinin ve kılcal su emme katsayılarının daha düşük olduğu görülmüştür. Hızlı klorür iyonu geçirimlilik sonuçları karşılaştırıldığında 90 günde optimize edilen uçucu kül ikameli harçların optimizasyonsuz uçucu kül ikameli harçlara göre hızlı klorür iyonu geçirimliliği %39.1 oranlarına varan iyileşmeler göstermiştir. Deneysel sonuçlar ile doğrulanan yüksek kompasiteyi sağlayan uçucu kül optimizasyonu betonda dayanım ve dayanıklılığa büyük katkı sağlayacaktır.

Abstract:
The strength of an object is related to the number of pores in it. An object with a high ratio of pores (with high porosity) can be of low strength. This is also valid for concrete material. Low porosity and high compactness of concrete are in relation with the high degree of compactness of aggregate within the concrete. Depending on the granulometry, either porosity or compactness can be high. If concrete with low compactness of aggregates will be produced, an increase in the amount of binder is needed for filling the higher number of pores. A suitable aggregate granulometry fulfilling the compactness requirement needs to be selected for the production of high-quality concrete. A suitable granulometry is considered to be important for aggregates. However, considering pozzolanic materials such as fly ash, gradation of powdery materials is generally disregarded. Unless a suitable gradation similar to that of aggregates is also achieved for powdery materials, the ratio of pores will be high and hydration products will be insufficient to completely fill the pores in concrete.
In this study, with the help of vacuum sieve, different fly ash particle size distributions following the equation suggested by Funk and Dinger were formed in accordance with different q distribution modulus and the effects of these distributions on the 7-, 28- and 90-day compressive and flexural strengths of cement mortars with fly ash replacement were investigated. To monitor the influence of optimal fly ash gradation on the microstructural properties of cement mortars with fly ash replacement, Scanning Electron Microscopy (SEM) was used. After deciding the optimal fly ash gradation, durability properties of cement mortars with different fly ash replacement ratios were evaluated by rapid chloride permeability, water absorption and capillary absorption. The best mechanical and durability properties were obtained for the fly ash distribution modulus (q) of 0.4. In accordance with the SEM images, formation of C-S-H gels for the cement mortars with "q" of 0.4 was found to be relatively dense. When the water absorption and capillary absorption properties of cement mortars with and without optimal fly ash were examined, it was found that water absorption percentages and capillary water absorption coefficients of mortars with optimal content of fly ash were lower. 90-day rapid chloride permeability results of cement mortars with optimal fly ash were able drop up to 39.1% compared to those without. It is believed that optimization of fly ash which provides high compactness as confirmed by the experimental results will greatly contribute to the strength and durability characteristics of concrete material.