Çimento esaslı silis dumanlı uçucu küllü kompozitlerin sem ve xrd destekli görsel analizlerin yapay sinir ağları ile modellenmesi
Modeling of sem and xrd visual analysis of cement base silica fume fly ash composites with artificial neural networks
Yazar: BURHAN UZBAŞ
Danışman: PROF. DR. ABDULKADİR CÜNEYT AYDIN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışmada, beton içerisindeki çimento yerine farklı miktarda uçucu kül (UK), silis dumanı (SD) ve bunların ikili kombinasyonunun kullanılmasının çimento hamuru ve beton hidratasyon ürünlerine (C-S-H ve CH), betonun mekanik ve mikroyapısına etkisi araştırılmıştır. Portland çimentosu yerine ağırlıkça %5, %10, %15 ve %20 oranında uçucu kül, silis dumanı ve uçucu kül + silis dumanı ikame edilmiştir. Elde edilen betonların basınç dayanımı ile birlikte mikroyapıları X-ışını kırınımı (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) teknikleri kullanılarak incelenmiştir. Çalışmada, UK 7 günlük betonun basınç dayanımını olumsuz etkilerken 28 ve 90 günlük yaşlarda ise basınç dayanımını olumlu etkilediği görülmüştür. SD kullanılan betonlarda ise 7, 28 ve 90 günlük numunelerin basınç dayanımı kontrol numunesine kıyasla daha yüksek bulunmuştur.  Nihai basınç dayanımında, SD numunelerinden en yüksek basınç dayanımı %15 oranında SD katıldığında,  UK içeren numunelerde %10 oranında UK katıldığında, SD ve UK birlikte kullanıldığı durumlarda ise %15 (%7,5 SD+%7,5 UK) oranında katıldığında elde edilmiştir. 
SEM ve XRD analizinde, SD, UK ve SD+UK birlikte beton içerisinde kullanıldığında hidratasyon sonucu oluşan CH oranının yaşa ve kullanılan mineral katkı oranına bağlı olarak azaldığı görülmüştür. Tüm yaşlarda UK içeren numunelerde CH miktarı, katkısız numunelere göre daha az gerçekleşmiştir.  SEM analizinde ise SD ve UK kullanılması boşlukları ve oluşan CH yoğunluğunu azaltırken, C-S-H oranını artırdığı gözlemlenmiştir. Kullanılan mineral katkı (SD ve UK) miktarındaki artış ile oluşan C-S-H yoğunluğundaki artış arasında doğrusal orantılı ve oluşan CH yoğunluğu arasında ise ters orantılı bir ilişki olduğu görülmüştür. Bunun sebebi SD ve UK ile portlandit (CH) arasında meydana gelen reaksiyondan dolayı oluşan Ca(OH)2 miktarında azalmaya neden olması ve boşlukları doldurmasıdır. 
Çalışmada SEM analizinden elde edilen görüntüler fotograf işleme programı aracılığıyla analiz edilmiştir. Analiz sonucunda hidratasyon ürünlerinin yoğunlukları elde edilerek bu yoğunlukları esas alan bir model geliştirilmesi hedeflenmiştir. SEM ve XRD analizlerinden elde edilen veriler doğrultusunda betonun basınç dayanımın teorik olarak tahmini için model önerilmiştir. Yapay sinir ağları (YSA) üzerine kurulan modelde SEM ve XRD verilerinden elde edilen CH ve C-S-H yoğunlukları, silis dumanı oranı, uçucu kül ve yaş parametreleri girdi olarak alınmış ve basınç dayanımı elde edilmiştir. Modellerden elde edilen sonuçlar deneylerden elde edilen sonuçlarla kıyanlanmış ve %96,26 oranında korelasyon elde edilmiştir. Bu yöntem ile mevcut yapıda tahribat yapmadan küçük bir beton numunesinin SEM ve XRD analizi ile elde edilen sonuçlardan betonun basınç dayanımının öngörülebileceği anlaşılmıştır.

Abstract:
In this study, different quantities of fly ash (FA), silica fume (SF) and their binary combinations are used instead of cement in concrete and its impact on cement dough and concrete hydration products (C-S-H and CH) are investigated. Substitution of weight 5%, 10%, 15% and 20% of fly ash, silica fume and combination of fly ash and silica fume are used in cement. The compressive strength and microstructures of obtained concrete are examined by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) techniques. The present study shows that while FA has adverse impact on the compressive strength of 7-day concrete, it affects the compressive strengths of 28 and 90 day concrete, positively. For concrete which contains SF, the compressive strengths of 7, 28 and 90 day concrete are greater than the compressive strengths of control samples with the same ages of concrete. The ultimate compressive strengths are obtained by using 15% of SF, 10% of FA and 15 % of SF and FA combination (7.5% of SF, 7.5% of FA) for SF concrete, FA concrete and combination of SF and FA concrete, respectively.  
SEM and XRD analyses show that when SF, FA, and combination of SF and FA are used in concrete, the ratio of CH, as a result of hydration, decreases, depending on age and the proportion of mineral additive ratio. For all ages of concrete which contain FA, the amount of CH is smaller than additive-free concrete. In the SEM analysis, while the usage of SF and FA decreases the porosity and the CH concentration, it increases the C-S-H ratio. The increase in the amount of mineral additive (SF and FA) is proportional to the increase in C-S-H concentration; however it is inversely proportional to CH concentration. A reasonable explanation for this is that the decrease in the amount of Ca(OH)2, which is obtained by the reaction between SF and FA and portlandit (CH), and the filled porosities. 
The images obtained from the SEM analysis are analysed by the image processing tool. In this framework, the aim is to develop a model based on densities of hydration products from analysis. According to the data obtained from SEM and XRD analyses, a model is proposed for the theoretical estimation of compressive strength of concrete. In the model, which is based on artificial neural networks (ANN), the densities of CH and C-S-H obtained from SEM and XRD data, silica fume ratio, fly ash, age parameters are taken as input, and compressive strength is calculated. The model and experimental results are compared and 96,76% of correlation is found between them. The findings of this study suggest that with the results of SEM and XRD analysis of a small concrete sample without damaging the existing structure, the compressive strength of concrete can be predicted.