Sentetik C-S-H bileşiklerinin kendiliğinden yerleşen betonların taze ve sertleşmiş özelliklerine etkisi
Effect of synthetic C-S-H compounds on fresh and hardened properties of self compacting concrete
Yazar: MUSTAFA OĞUZ SAF
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ÜNAL ANIL DOĞAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Dünyada inşaat sektörünün gelişmesiyle; daha yüksek ve özellikli yapıların dizayn edilmesi, prefabrik elemanların inşaat sektörünün  içinde daha fazla yer alması, özel mimari detayların projelerde öne çıkması ve imalat hızının giderek önem kazanması gibi faktörler , özel betonlar üretmeyi de  zorunlu hale getirmiştir
1987 yıllarının başlarında ilk kez Tokyo Üniversitesinde üretilen kendiliğinden yerleşen beton(KYB) kendi ağırlığı altında hiçbir dış etki uygulanmadan (vibrasyon, sarsma vb.) istenilen yere kolayca yerleşebilen ve homojen bir şekilde yayılan özel bir betondur. KYB akıcı kıvamı ve ayrışmaya karşı yüksek direnciyle sık donatılı ve dar kesitli yapı elemanlarında kolayca yerleşme özelliği sayesinde, şantiyelerde işlenebilirlikten doğan işçilik kusurlarını da en aza indirmektedir
KYB'nin akıcı kıvamlı bir beton olmasından dolayı bu tür betonların taze hal ve reolojik özeliklerinin iyi bilinmesi gerekmektedir. Taze hal özeliklerinde meydana gelebilecek bir olumsuzluk KYB'nin mekanik ve durabilite özeliklerini de olumsuz etkilemektedir. Bu nedenle, KYB'nin kendiliğinden yerleşebilirlik mekanizmasının bilinmesi iyi bir tasarım yapmak için oldukça önemlidir. Kendiliğinden yerleşebilirlik için hem betonun harç fazının yüksek akıcılıkta olması hem de harç fazının iri agrega ile ayrışmadan donatılar arasından akması ve kalıplara yerleşmesi gerekmektedir. Bu mekanizmanın gerçekleşmesi için üç temel kriter belirlenmiştir. Bunlar; maximum agrega çapının sınırlanması, su/toz oranının düşük olması ve akışkanlaştırıcı katkı maddesi kullanılmasıdır. Süperakışkanlaştırıcı kimyasal katkılar KYB için temel bileşenlerden bir tanesi konumundadır.KYB lerin içeriğinde olması gereken yüksek  dozdaki ince malzemenin önemli bir kısmı , puzolanik özelliği  keşfedildiğinden, sanayi atığı olan YFC ile ikame edilerek, hem maliyetin düşürülmesi hem de doğaya verilecek zararların azaltılması sağlanmaktadır.
Günümüzde zaman en önemli parametredir. İnşaat imalatları ve beton dökümleri sonucunda bir sonraki aşamaya geçebilmek için, betonun yeterli dayanıma ulaşmasını beklemek gerekmektedir..Bu bekleme süresinin azaltılabilmesi, bağlayıcı malzemenin hidratasyonunu hızlandırılmasıyla mümkündür.Çimento ve özellikle puzolanik özellikli bağlayıcıların sıcaklıkla hidratasyon süreleri çok ilintilidir. Sıcak havalarda (20-30)°C lerde dökülen betonların hidratasyon hızı 5-10°Clerde dökülenlere göre çok daha fazladır.Bu yüzden soğuk havalarda dökülen betonlara, bazı ilave önlemler almak gerekmektedir.(sıcak buhar kürü yapmak kalıba sıcaklık uygulamak, priz hızlandırıcı katkılar kullanmak gibi) . Tabi bu yöntemlerin bir kısmı zahmetli bir kısmı da betonun bazı özelliklerine zarar verici nitelikte olabilmektedir.
Son yıllarda yapılan çalışmalarda çimento hidratasyonunu hızlandırmak için bir hidratasyon ürünü olan C-S-H bileşiklerinin, sentetik olarak elde edilmiş  C-S-H  nanopartiküllerden de faydalanılmaktadır. Bu yöntemle, normal şartlarda kristal gelişimi için gerekli ama zaman kaybına sebep olan çekirdeklenme reaksiyonlarına ihtiyaç kalmamakta, çimento hidratasyonunun ölü evresi kısalmaktadır.
Nanopartikül ilavesiyle hidratasyon kinetiğinin iyileştirilmesine çalışılan bu yöntemde, hidratasyon ürünlerinin çekirdekleri sadece çimento tanelerinin üzerinde değil aynı zamanda bu nanopartiküllerin üzerinde, çimento taneleri arasında da oluşmaktadır. Sonrasında çimento hidratasyon ürünleri bu çekirdekler sayesinde kristal büyüme mekanizmasıyla oluşur. Nanopartiküllerin ilavesi sayesinde, hidratasyon ürünleri çimento tanelerinin arasında da oluşmaya başladığı için nanopartikül içermeyen bir referans karışıma göre çok daha boşluksuz bir içyapının oluşumu kısa sürede gerçekleşir. Bu şekilde, daha boşluksuz, erken yaşta yüksek basınç mukavemetine sahip çimento esaslı malzemelerin elde edilmesi mümkün olabilir.
Bu tez çalışmasında KYB lerde maliyeti düşürmek amacıyla kullanılan YFC nin soğuk havalarda çok yavaş hidrate olmasından kaynaklanan olumsuz özelliğinin sentetik C-S-H kullanımı ile düzeltilmesi amaçlanarak , KYB nin taze ve sertleşmiş özelliklerine etkisi araştırılmıştır.
Bu labaratuvar çalışmasında 8°C ortam sıcaklığında,   su miktarı 185 lt olarak sabit olmak üzere 500 kg/m3 çimento içeren referans betonu üretilmiş ,daha sonra çimentonun ağırlıkça yüzde 40' ı eksiltilerek yerine sırasıyla 1: 1 ,1:1,25 ve 1:1,5 oranlarında YFC ikame edilerek 4 farklı  KYB hazırlanmış ve bu karışımlara ayrıca ince malzemenin % 2 si oranında sentetik C-S-H ilave edilerek 4 farklı karışım daha hazırlanmış ve bu 8 karışıma KYB  taze hal deneyleri uygulandıktan sonra 10x10x10 cm lik küp numuneler alınmıştır. Tüm karışımların 70± cm  yayılmaya standartlarda öngörülen  süreler içinde ulaştığı ,YFC katkısının yayılma çapını arttırdığı görülmüştür. Kalıplar yaklaşık 9 saat sonra söküldükten sonra numunelerin yarısı 8 derecedeki su havuzuna diğer yarısı da 20 derecedeki su havuzuna koyulmuştur. İki farklı sıcaklıkta kürlenen  numunelere  9saatlik,1 günlük,3 günlük,7 günlük,28 günlük ve 90 günlük basınç testleri uygulanmıştır.8°Cdeki suyla dolu olan havuzun su sıcaklığı düzenli olarak ölçülmüş gerektiğinde buz kalıbı ilavesiyle sabit sıcaklıkta olması sağlanmıştır.
Ayrıca üretilen 8 farklı karışımın taze haldeyken, reometre cihazında dönme hızına karşı ölçülen moment değerlerinden hareketle 15 er dakika aralıklarla viskozite katsayıları tespit edilmiş ve toplam 1 saat sonucunda viskozite katsayılarındaki değişimler tespit edilerek kıvam kaybı tespit edilmeye çalışılmıştır.
Bütün yapılan deneyler sonucunda 8°C de kürlenen  numunelerde özellikle  1,3,7 günlük basınç mukavemetleri incelendiği zaman sentetik C-S-H katkılı olan numünelerin tamamında katkısız olanlara göre daha yüksek basınç dayanımları elde edilmiştir.Ancak  20°Cde kürlenen numuneler kıyaslandığı zaman 3.günden sonra  sentetik C-S-H katkılı ve katkısız numunelerin yaklaşık kendi gruplarında aynı değerleri yakaladığı gözlenmiştirAyrıca sentetik C-S-H katılmasının ilerki yaşlarda beton performansına olumsuz etkisi de olmamıştır.Bir önemli tespitte, özellikle YFC katkılı KYB lerde kendi grupları içinde (28 gün dahil) 8°C de kürlenen numunelerin  dayanımları ,aynı numunelerin 20°C de kürlenenlerinden daha düşük dayanımda kalmış olmalarıdır.Bu da YFC nin puzolanik etkisinin  yüksek sıcaklıkta daha iyi olduğunu göstermektedir.Sentetik C-S-H  katılan beton numunelerinde özellikle 8°C de kürlenen numunelerde YFC nin soğuk hava koşullarındeki olumsuz özelliğinin büyük ölçüde giderildiği anlaşılmış olup en azından daha erken zamanlarda kalıp sökümünün  mümkün olabileceği kanaatine varılmıştır.
Reometre cihazıyla yapılan deneylerde her bir karışıma 15' er dakika arayla bir saat boyunca uygulanan deneyde kendi gruplarında viskozite katsayılarında  kayda değer bir değişim tespit edilmemiştir.Ancak  sabit su miktarına karşılık YFC miktarının artması kayma eşiklerinde ve viskozite katsayılarında artışa sebep olmuştur. Yapılan kılcallık deneyleri sonucunda YFC ikame oranlarının artmasıyla kılcallık katsayısının düştüğü, YFC ve  sentetik C-S-H ın aynı anda kullanılmasının ise kılcallık katsayısını dahada düşürdüğü gözlenmiştir.
Sonuç olarak  mineral katkı olarak YFC kullanılarak  üretilen KYB lerin soğuk iklim şartlarında  üretilmesi gerektiği hallerde  sentetik C-S-H  bileşiklerinini betona katılmasının düşük sıcaklık etkilerinin olumsuz özelliklerini azaltarak beton performansına olumlu katkıda bulunduğu söylenebilir.

Abstract:
With the development of the building construction in the world, the sector now designs higher and more specialized buildings, uses prefabricated buildings within the sector more often, highlights architectural details in projects and enjoys a higher pace of productivity, which made it essential to manufacture special kinds of conrete.
Self-compacting concrete (SCC), which was first developed in the Tokyo University in the beginning of 1987, is a special type of concrete which spreads homogenusly  and settles into the desired area without any external force (vibration, jolting etc.) but its own weight. SCC also minimizes the risk of workmanship defects born out of the machinability on the worksite with the help of its fluid consistency, its high weathering resistance and its ability to easily settle in the densely packed and narrow section of structural elements. 
As SCC is a fluid concrete, it is essential to know their rheological and fresh state properties. A negativity that could occur in fresh state properties would affect the SCC's mechanical and durability properties negatively as well. That is why is it important to know SCC's self-compacting mechanism well while creating a good design. For self-compactablity, the mortar phase of the concrete should be highly fluid and it should flow through reinforcements without decomposing with the coarse aggregate. Three criteria have been identified for the occurance of this mechanism. These are: the limiting of the maximum aggregate diameter, a low water/dirt ratio and the use of fluidizing additives. Superfluidizing chemical additives are one of the main components for SCC. An important part of the high dosage fine material that is supposed to be in SCC matter has been replaced by blast furnace slag (BFS), which is an industrial waste material, since its pozzolanic property has been discovered,  in order to decrease costs and minimize environmental damage.
In today's world, time is the most important parameter. In order to get to the next step after construction production and concreting, it is necessarry to wait for the concrete to reach the proper strength. It is possible to reduce this waiting time by hydrating the binding material. The temperature and hydration time of the concrete and the pozzolanic binding materials are highly related. The hydration time of concrete poured in warm temperatures (20-30) is a lot faster compared to concrete poured in 5-10 degrees. That is why it is necessary to take some extra precautions for concrete poured in cold weather, such as a hot steam cure, heating the mold or using accelerating additives. Of course, some of these methods can be laborious, whereas some could harm some properties of the concrete.
Studies done in recent years use the C-S-H nanoparticules synthetically acquired from C-S-H compounds, which is a hydration product, in order to accelerate concrete hydration. With this method, nucleation reaction, which are required under normal circumstances for crystal growth, become unnecessary and the dead stade of concrete hydretian is shortened. With this method where hydration kinetics are improved with nanoparticul additions, we see that the nuclei of the hydration products are not only formed on and between concrete parts but also on the nanoparticules. Later on, hydration units form with a crystal growth mechanism with the help of these nuclei. Thanks to the nanoparticule addition, hydration units will start to form between concrete pieces as well, therefore the formation of closely-graded microstructures will occur shortly, compared to a reference mixture without nanoparticules. This way it is possible to acquire more closely-graded concrete-based material with high compressive strength at early ages.
In this dissertation we have analyzed the affects of the usage of C-S-H compounds as an alternative to use blast furnace slag (BFS) commonly used to correct the negative affects of slow hydration in cold weather and their effects on SCC's fresh and solid properties.
This lab study has been conducted in 8 degrees of ambient temperature. Firstly, the amount of water fully meeting the requirements have been identified as 185 lt and 500 dosages of cement binding reference cement has been produced. Then, 40% of the cement was subtracted, and 4 different SCC's have been prepared, substituting them with BFS at the rates of 1:1, 1:1.25, 1:1.5 respectively. To these mixtures, 2% of synthetic C-S-H was added on top of the fine material. Four additional mixtures were prepared, and after conducting SCC fresh state experiments on all these 8 mixtures, they were put in 10x10x10 cm steel forms. We observed that all mixtures achieved a 65 cm spread within the standard time time frame, and that the BFS addition increased the spread diameter. After the forms have been disassembled after 9 hours, half of the samples were put into a 8 degree water pool, while the others were put into a 20 degree water pool. The sample cured in two different temperatures underwent pressure tests that lasted for 9-hours, 1-day, 3-days, 7-days, 28-days and 90-days, respectively. The 8-degree-cold water pool's water temperature was regularly measured and ice was added when needed in order to keep a fixed temperature.
Also, the viscosity coefficient was identified with the measured torque value corresponding to the rotational speed of a reometer device with 5 min intervals when the 8 mixtures were in a fresh state and after a total 1 hour, the differences in the viscosity coefficient were observed in order to identify viscosity loss.
The results of all the experiments showed higher pressure resistance in the 8-degree -cured samples, especially when analyzing the pressure strength of the 1, 3 and 7 day long experiments. All of the synthetic C-S-H added samples showed better pressure resistance when compared to the ones without additives. However the 20-degree-cured samples showed that after the 3rd day, all samples, with or without synthetic C-S-H additives, caught up to the same rates of their own groups. Additionally we can say that there has been no negative effect on the cement at advanced age when added synthetic C-S-H compounds. Another important fact is that especially BFS added SCCs showed within their own groups (including the 28-day-group) that 8-degree-cured samples had lower resistance compared to the 20-degree-cured samples. This shows that BFS's puzzolanic effect is better on higher temperatures. In samples with synthetic C-S-H additives we see that, especially in the 8 degree cured samples, the negative effects of cold weather conditions were substantially fixed and that form diassembly could be done earlier.
Experiments done with the reometer device, which have been done for an hour with 15 min intervals, showed no significance difference in the viscosity coefficient of the samples within the same group. However corresponding to the fixed amount of water, the increase of BFS has caused an increase in the shear stress treshold and the viscosity coefficient. 
It has been observed that synthetic C-S-H additives slightly decreased the viscosity coefficients.
The results of capillarity tests showd that by increasing BFS substitution rates the capillarity decreased and that by using both BFS and synthetic C-S-H additives decreased capillarity even more.
To sum up, SCCs where BFS are used as mineral additions benefit from synthetic C-S-H compounds added into the concrete, when SCC has to be manufactured in cold weather conditions, as these help reduce the negative effects of low temperature and positively affect concrete performance.