Nano-silika kullanılarak üretilen betonların mekanik, elastik ve inelastik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the mechanical, elastic and inelastic properties of concrete produced using nano-silica
Yazar: HASAN NURİ TÜRKMENOĞLU
Danışman: PROF. DR. HAKAN NURİ ATAHAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Beton basınç dayanımı = Concrete compressive strength ; Elastik davranış = Elastic behavior ; Geleneksel yapı = Traditional structure ; Nanoteknoloji = Nanotechnology ; Yüksek dayanımlı beton = High strength concrete ; İnelastik davranış = Inelastic behavior

Özet:
Beton üretiminde nano silika (NS) kullanımı hakkında yapılan çalışmalar çoğunlukla betonun taze hal özellikleri, temel mekanik özellikleri (basınç ve çekme dayanımları) veya durabilitesi ile ilgili iken, betonun elastik ve elastik olmayan özelliklerinin değişimi ile ilgili yapılan çalışma sayısı çok sınırlıdır. Bu durum göz önünde bulundurularak tez çalışmasının odak noktası, NS kullanımının betonun mekanik, elastik ve elastik olmayan özelliklerine etkisinin detaylı ve sistematik bir şekilde araştırılması olarak belirlenmiştir. 
Bu bağlamda, kullanılacak deney yöntemlerine ve deneysel parametrelere karar verebilmek için öncelikle bir ön çalışma yapılmıştır. Bu ön çalışmada tek tip mikro silika (MS), tek tip NS ve 2 tip (çakıl ve kum taşı) iri agreganın kullanıldığı sabit su/bağlayıcı (s/b) oranına sahip betonlar üretilmiştir. Ön çalışmadan elde edilen bilgiler ışığında, öncelikle orta ve yüksek dayanımlı olacak şekilde iki farklı su/bağlayıcı oranına (0,55 ve 0,35) sahip, 3 tip iri agrega, 2 farklı boyuta sahip NS ve tek boyutta MS'nin kullanıldığı beton tasarımları yapılmıştır. Farklı dayanıma sahip beton gruplarının her biri kendi içerisinde sabit hamur ve agrega hacmine sahiptir. Böylelikle, betona eklenen mineral katkı, sabit hacme sahip olan çimento hamurunun özelliklerini değiştirmiştir. Diğer yandan, farklı şekil, yüzey ve dayanım özelliklerine sahip olan iri agregaların kullanımında da agrega özelliklerinin etkisi yine sabit olan agrega hacmi dâhilinde gerçekleşmiştir. Böylece hamur fazında veya agrega fazında yapılan değişiklikler daha sağlıklı bir şekilde değerlendirilmiştir. Çalışma kapsamında MS ağırlıkça %8 oranında çimento ile ikame edilerek kullanılmıştır. Ortalama 17 nm ortalama tane boyutuna sahip olan NS17, %0,8, %1,6 ve %2,1 oranlarında, ortalama 35 nm tane boyutuna sahip olan NS35 ise %1,5, %3,0 ve %4,0 oranlarında kullanılmıştır. Bu kullanım oranları belirlenirken hedef her bir adımda kullanılan nano silikalara ait toplam özgül yüzey alanının eşit olmasını sağlamaktır. Örneğin %1,6 oranındaki NS17 ile %3,0 oranındaki NS35'in toplam özgül yüzey alanları eşittir. Ayrıca %8 MS, %0,8 NS17 ve %1,5 oranındaki NS35 yine eşit özgül yüzey alanına sahiptir. Bunlara ek olarak her bir referans karışımı ve mineral katkılı karışımlar üretilirken dere çakılı, kalker veya bazalt olmak üzere 3 farklı iri agrega kullanılmıştır. Böylece çimento hamuru özelliklerinin aynı fakat agrega özelliklerinin farklı olduğu karışımlar elde edilmiştir. Bu karışımlarda kullanılan iri agreganın toplam agrega hacmi içerisindeki oranı %60'tır. Farklı agregaların kullanılmasının temel sebebi ise NS kullanımının çimento hamuru-agrega ara yüzeyi bölgesindeki iyileştirici etkisinin daha iyi bir şekilde belirlenebilmesini sağlamaktır. Çalışmanın buraya kadar bahsedilen kısmında NS ve MS hep ayrı ayrı kullanılmıştır. Farklı boyuta sahip olan NS ve MS'nin birlikte kullanılmasıyla oluşturacakları sinerjik etkiyi de gözlemleyebilmek için ayrı bir çalışma daha gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada da daha önceki tasarımlara paralel şekilde aynı su/bağlayıcı oranlarına sahip tek tip MS ve tek tip NS'nin farklı oranlarda kullanıldığı kombinasyonları içeren betonlar üretilmiş ve aynı deney yöntemleri uygulanarak beton özelliklerine etkileri irdelenmiştir.
Çalışma kapsamında üretilen betonlar üzerinde öncelikle taze halde kıvam ve birim ağırlık deneyleri yapılmıştır. Sertleşmiş beton numuneleri üzerinde yapılan deneylerde ise yük ve deplasman kontrollü olmak üzere iki farklı basma cihazı kullanılmıştır. Yük kontrollü basma cihazından basınç dayanımı ve yarmada çekme dayanımı değerleri elde edilirken, deplasman kontrollü basma cihazı kullanılarak ASTM C469 standardında belirtilen yönteme uygun çerçeve sistemi yardımıyla; elastisite modülü, Poisson oranı, süreksizlik gerilmesi, çözülme gerilmesi, tepe yüke kadar absorbe edilen rölatif enerji miktarı gibi değerlerin yanı sıra betonun tepe yük sonrası düşen kol davranışını da içerecek şekilde gerilme-deformasyon eğrileri elde edilmiştir.
Taze hal kıvam deneylerinden elde edilen sonuçlar göstermektedir ki, referans karışımla benzer kıvamda beton üretilebilmesi için kullanılan kimyasal katkı miktarı kullanılan mineral katkı oranına ve katkı tipine bağlı olarak ciddi artışlar göstermiştir. 
Referans karışımlara MS veya NS eklenmesiyle birlikte basınç dayanımı ve elastisite modülü değerlerinin belirgin bir şekilde arttığı gözlemlenmiştir. Yarmada çekme dayanımı sonuçları irdelendiğinde ise basınç dayanımında meydana gelen artış oranlarının yarmada çekme dayanımında meydana gelmediği, hatta yüksek oranda NS kullanılan karışımlardan elde edilen yarmada çekme değerlerinin referans karışıma göre daha düşük seviyelerde olduğu görülmüştür. Yarmada çekme dayanımın basınç dayanımına oranına bakıldığında ise mineral katkı kullanımıyla bu oranın ciddi bir şekilde azaldığı gözlemlenmiştir. Bu durum betonun gevrekleştiğini göstermektedir. Süreksizlik gerilmesi değerleri de NS kullanımı ile birlikte belirgin artış göstermiştir. Bu sonuçlar betonların lineer elastik bölgelerinin uzayarak daha yüksek gerilme değerlerine kadar devam ettiğini göstermektedir. Ayrıca süreksizlik gerilmesindeki bu artışlar agrega-çimento hamuru ara yüzeyi özelliklerindeki iyileşmenin de bir göstergesidir. Çözülme gerilmelerinde ise belirgin bir artış eğilimi gözlemlenmemiştir. Diğer yandan NS kullanımıyla birlikte tepe yüke kadar absorbe edilen rölatif enerji değerlerinde gözlemlenen azalma açık bir şekilde betonun tepe yük öncesi davranışının lineer-elastik gevrek davranışa doğru yaklaştığını göstermektedir. Tepe yük sonrası düşen kol eğrisinin ise NS kullanımı ile birlikte dikleştiği, yani betonun davranışının daha gevrek hale geldiği belirlenmiştir.
Agrega tipinin NS'nin etkinliği ile ilişkisi irdelenecek olursa, NS kullanımı özellikle çakıl agregalı karışımlarda hem basınç dayanımı hem de elastisite modülü değerlerini diğer agrega tiplerine göre daha etkin bir şekilde iyileştirmiştir. Kırma taş agregalı karışımlarda ise basınç dayanımı değerleri genellikle birbirine yakın olmasına rağmen kalker agregalı karışımlardan elde edilen elastisite modülü değerleri, bazalt agregalı karışımlardan elde edilen elastisite modülü değerlerinden daha yüksektir. 
Son olarak NS ve MS'nin birlikte kullanımının oluşturacağı sinerjik etkinin araştırıldığı çalışmada, basınç dayanımında referans karışıma göre en yüksek artış 28 günde %37'lik yüzdeyle MS ve NS'nin birlikte kullanıldığı karışımdan (MS(%4)+NS35(%2,25)) elde edilmiştir. Bununla birlikte süreksizlik ve çözülme gerilmesi değerlerinde de basınç dayanımı sonuçlarına benzer bir şekilde artış eğilimi olduğu görülmüştür. Ancak betonların elastisite modülü değerlerine bakıldığında önemli bir değişiklik olmadığı gözlemlenmiştir. Yarmada çekme dayanımı sonuçları ise NS ve MS'nin birlikte kullanımının betonu daha ileri seviyede gevrekleştirdiğini göstermiştir.
Tüm bunlara ek olarak taramalı elektron mikroskobu ve mikro indentasyon cihazı yardımıyla iç yapı incelemeleri gerçekleştirilmiş ve çalışmada elde edilen deneysel bulgular iç yapı incelemeleri ile desteklenmiştir.

Abstract:
Concrete is the most widely used building material in today's world. A wide variety of concrete types can be produced depending on the areas of use and the performance characteristics expected to provide, and in line with the evolving needs as time progresses, it is expected from concrete to provide higher strength, higher durability and longer service life. For this reason, researchers are constantly in search of new features in order to further improve the properties of concrete. On the other hand, thanks to the rapidly developing technological possibilities, there have been great advances in nanotechnology. In this way, new materials with much more advanced properties can be produced by changing the nano-sized properties of a material.
The micro structure of the concrete consists of an amorphous main phase, micro and nano-sized crystals and pore water. In other words, the properties that characterize concrete, like other materials, are mainly shaped at the nanoscale. Therefore, a nano-scale process will affect all the properties of the concrete. In this context, using nanomaterials is very common in recent studies on cement-based composites. Although many different nanomaterials are used in these studies, nano-silica (NS) is the most attractive one. The main reasons for the preference of NS are that it contains more than 99% amorphous SiO2 , it belongs to very high specific surface area which provides a huge reaction surface and also it has pozzolanic reactivity. Studies show that the use of NS, due to its mentioned properties, improves the performance of concrete by improving the properties of the cement paste-aggregate interface, which is generally the weakest link that determines the strength of concrete.
While studies on the use of NS in concrete are mostly related to the fresh state properties, basic mechanical properties (compressive and tensile strengths) or durability of concrete, the number of studies on the change of elastic and inelastic properties of concrete is very limited. Considering this situation, the focus of the thesis study was determined as a detailed and systematic investigation of the effect of NS utilization on the mechanical, elastic and inelastic properties of concrete.
Firstly, a preliminary study was carried out in order to decide on the experimental methods and experimental parameters to be used. In this preliminary study, concrete mixtures with a constant water/binder ratio were produced using one type of micro silica (MS), one type of NS and 2 types of coarse aggregate (gravel and sandstone). In the light of the information obtained from this study, within the scope of the thesis, medium and high strength concrete mixtures with two different water/binder ratios (0.55 and 0.35) were designed. In these concrete, 3 types of coarse aggregate, 2 different sizes of NS and one type of MS was used. Each of the concrete groups with different strength classes has a constant paste and aggregate volume in itself. Thus, the mineral admixtutes added to the concrete changed the properties of the "matrix phase" within the constant paste volume. Moreover, with the selection of 3 types of coarse aggregates having different shape, surface texture and strength properties, the "aggregate phase" characteristics of the mixtures were also changed. Within the scope of the study, the cement was replaced with MS with 8% by weight. On the other hand, NS17 with an average size of 17 nm was used at the ratios of 0.8%, 1.6% and 2.1%, while NS35 with an average size of 35 nm was used at ratios of 1.5%, 3.0% and 4.0%. While determining these usage rates, the main goal is to ensure that the total specific surface area of the nano silica used in each step is equal to each other. For example, the total specific surface areas of 1.6% NS17 and 3.0% NS35 are equal. In addition, 8% MS, 0.8% NS17 and 1.5% NS35 also have equal specific surface area. In addition to these, 3 different coarse aggregates as gravel, limestone and basalt were used while producing each mixture having 2 different water to cement ratio. Thus, mixtures with the same matrix properties but different aggregate types/characteristics were obtained. The proportion of coarse aggregate in the total aggregate volume (including the fine aggregates) is 60%. The main reason for the use of different aggregates is to provide a better determination of the efficacy of the use of NS on the interface region between the cementitious paste and aggregate. For example, the paste-aggregate interface region of gravel aggregates with a round shape and smooth surface will be weaker than the others, and thus the effect of the use of NS can be observed more effectively.
Up to this part of the study, NS and MS have always been used individually. Besides that, an additional study was also planned to observe the "synergistic effect" by which the combined use of MS and NS can create. In this part, in parallel with the previous designs, concrete mixtures having the same water/binder ratios and combinations of MS and NS in different ratios were produced and, the effects on the concrete properties were examined by applying the same test methods.
In fresh state, consistency and unit weight tests were carried out on the mixtures produced within the scope of the study. For the mechanical tests, on the other hand, load-controlled and displacement-controlled compression devices were used in the experiments on hardened concrete samples. The compressive strength and splitting tensile strength values are obtained from the load-controlled compression device. On the other hand, in accordance with the method specified in the ASTM C469 standard, pre-peak and post-peak stress-strain relations of the mixtures were obtained using a displacement-controlled compression test device to calculate the modulus of elasticity, Poisson's ratio, discontinuity and critical stress limits, post-peak behavior and relative energies absorbed up to peak load.
The results obtained from the fresh state consistency tests have show that, because of the high specific surface area of NS and also depending on the mineral admixture ratio and admixture type used, the amount of chemical admixture consumed to produce concrete with a similar consistency to the reference mix increased significantly. The increased utilization of NS increased the need for chemical additives between 42-65% for 0.55 w/c ratio and between 12-31% for 0.35 w/c ratio compared to the reference mixture.
28-day compressive strength values obtained from reference concrete with a w/b ratio of 0.55 are 40.2, 44.9 and 45.6 MPa respectively for the mixtures containing gravel, limestone and basalt aggregates. Besides that, compressive strengths of reference concretes with a w/b ratio of 0.35 are 66.0, 70.7 and 76.0 MPa. It was determined that the compressive strength and modulus of elasticity values increased significantly with the addition of MS or NS to the mixtures. For example, the highest increase in compressive strength (usually obtained from the NS35(4.0%) mixture) is between 39% and 48% at 0.55 w/b ratio and between 28% to 40% at 0.35 w/b ratio. On the other hand, the rate of increase in the modulus of elasticity values is between 12% and 21% at 0.55 w/b ratio, while it is between 9% and 18% at 0.35 w/b ratio. When the splitting tensile strength results are examined, it is seen that the increase rates in the compressive strength do not occur in the splitting tensile strength. Moreover,  the splitting tensile values obtained from the mixtures with higher NS usage are at lower levels than the reference mixture. When the ratio of splitting tensile strength to compressive strength is examined, it is observed that this ratio decreases significantly with the use of the high amount of NS. This indicates that the concrete has become more brittle.
The discontinuity stress values increased between 16% and 34% with the use of NS. These results show that the linear elastic regions of concretes elongated up to higher stress values. These increases in discontinuity stress limits are the proof of the improvement in aggregate-cement paste interface properties. However, no significant increase trend was observed in the critical stress limits. On the other hand, the decrease observed in the relative energy values absorbed up to the peak load with the use of NS clearly shows that the behavior of concrete before peak load approaches the linear-elastic and brittle behavior. It was determined that the descending part of the stress-strain curve after the peak load became steeper with the use of NS, so the behavior of the concrete became more brittle.
If a few words are said about the effectiveness of the NS additive in different sizes and proportions used in the study, it can be concluded that the particle size makes a big difference on the effectiveness of NS, especially in concretes with high w/b ratio. Although they have equal specific surface area, NS with a larger particle size provided more effective results in the mixtures with large capillary voids, due to both its large particle size and higher amount. Another result obtained within the scope of the study is that NS17(1,6%) and NS17(2,1%) or, NS35(3,0%) and NS35(4,0%) mixtures give very close test results. In other words, the optimum utilization rate of the NS is close to 1.6% for NS17 and 3% for NS35.
If the relationship between the aggregate type and the effectiveness of NS is examined, the use of NS improved both the compressive strength and the modulus of elasticity more effectively, especially in mixtures with gravel aggregates used, compared to other aggregate types. Although the compressive strength values of the crushed stone aggregate mixtures are generally close to each other, the modulus of elasticity values obtained from the limestone aggregate mixtures are 5-10% higher than the elastic modulus values obtained from the basalt aggregate mixtures. Considering the aggregate strengths, this result, which is expected to be the opposite, is attributed to the fact that the limestone aggregate can better bond with the cement paste due to its mineralogical structure and chemical properties.
Finally, to briefly mention the results of the study investigating the synergistic effect of the combined use of NS and MS, the highest increase in compressive strength compared to the reference mixture was obtained at 37% in 28 days from the mixture (MS4%+NS2.25%), in which micro silica and nano-silica were used together. Besides that, it was observed that there was a tendency to increase in discontinuity and critical stress values, similar to the compressive strength results. However, when the modulus of elasticity values of the concretes were examined, it was observed that there was no significant change. The splitting tensile strength results showed that the combined use of NS and MS further embrittles the concrete.
In addition, microstructure examinations were carried out with the help of a scanning electron microscope and micro indentation device. These microstructure examinations supported the experimental findings obtained in the study.