Ultra yüksek performanslı çimento esaslı ağır kompozit malzemelerin radyasyon zırhlama özelliklerinin araştırılması
Investigation of radiation shielding properties of ultra high performance cement based heavy composite materials
Yazar: MUZAFFER MANSUR TÜFEKÇİ
Danışman: YRD. DOÇ. DR. AHMET GÖKÇE
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Ağır beton = Heavyweight concrete ; Gama radyasyonu = Gamma radiation ; Lif takviyeli beton = Fiber reinforce concrete ; Tasarım optimizasyonu = Design optimization ; Yüksek performanslı beton = High performance concrete

Özet:
Çimento esaslı kompozitler üzerinde son yıllarda yapılan birçok çalışmalar sonucunda yüksek dayanımın yanında yüksek süneklik kapasitesine ve üstün dayanıklılık özelliklerine sahip ultra yüksek performanslı çimento esaslı kompozitler (UHPC) geliştirilmiştir.  UHPC, çok düşük bir su içeriği ile birlikte tane düzenin geliştirilmesiyle elde edilen yoğun bir mikroyapıya sahiptir. Ayrıca, hem basınç hem de çekme gerilmesi altında UHPC malzemesinin sünekliği ve enerji yutma kapasitesini karışımda kullanılan çelik lifler arttırmaktadır. Bu özellikleri nedeniyle UHPC malzemesi, inşaat sektöründe birçok uygulamada meydana gelen problemlerin çözümüne yönelik uygun bir yapı malzemesi olduğu düşünülmektedir. Bu nedenle farklı inşaat uygulamalarında UHPC malzemesinin kullanımı son yıllarda hızla yaygınlaşmıştır. 
Diğer taraftan, son yıllarda nükleer teknolojinin kullanım alanlarının artması sonucu radyoaktif malzemelerin kullanımının yaygınlaşmasıyla radyasyondan korunmanın önemi de artmıştır. Ayrıca, ülkemizde yapımı devam eden nükleer santral reaktörlerinden ileride oluşacak atıkların zırhlanması, taşınması ve depolanması amacıyla kullanılacak tankların gereksinimleri olacaktır. Radyasyon zırhlamada yaygın olarak kurşun ve ağır agregalı geleneksel betonlar kullanılmaktadır. Kurşun malzemesinin maliyetinin yüksek ve bünyesinde bulundurduğu ağır metaller ile çevreye zararlı olmasından ve ağır betonların dayanıklılık problemleri nedeniyle kısa servis ömürleri olmasından dolayı radyasyon zırhlama amacıyla kullanılacak yeni malzemelerin geliştirilmesine ihtiyaç vardır. Bu nedenle radyasyon zırhlama performansı geliştirilmiş UHPC malzemesinin önemli bir zırh malzemesi olabileceği düşünülmektedir. 
Bu amaç doğrultusunda gerçekleştirilen doktora çalışmasında, farklı agregalar ve karışım parametreleri ile üretilen UHPC malzemesinin fiziksel, mekanik ve radyasyon zırhlama özellikleri incelenmiştir. UHPC malzemesinin üretiminde, yaygın olarak kullanılan kuvars kumunun dışında radyasyon zırhlama özelliği olan ağır agregalar kullanılmıştır. Deneysel çalışma, 3 farklı su/bağlayıcı oranı (0,18, 0,24 ve 0,36), 3 farklı çelik lif içeriği (%1, %2 ve %3), 3 farklı agrega tipi (silis ve kuvars kumu karışımı, barit kumu ve granüle atık demir tozu) ve 2 farklı kür uygulaması (su ve buhar kürü) olmak üzere 4 farklı parametre ile tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Üretilen UHPC serilerinde; çökme-yayılma deneyi ve V-hunisi akış deneyi ile reolojik özellikler, basınç deneyi, eğilme deneyi ve çekme deneyi ile mekanik özellikler incelenmiştir. Ayrıca, 0,200 MeV enerjili X-ışını kaynağı ile 0,662 MeV enerjili sezyum (137Cs) ve 1,250 MeV enerjili kobalt (60Co) radyoizotopları olmak üzere 3 farklı enerji kaynağı için radyasyon zırhlama özellikleri deneysel ve teorik olarak belirlenmiştir. Teorik radyasyon zırhlama özellikleri, XCOM bilgisayar programı yardımıyla tüm serilerin XRF analiz yöntemi ile belirlenen kimyasal içerikleri kullanılarak 1 keV'den 1000 MeV'e kadar olan tüm enerjiler için belirlenmiştir.
Elde edilen deney sonuçlarına bağlı olarak her bir seri için, Design-Expert bilgisayar programı yardımıyla matematiksel ve istatistiksel tekniklerin kullanılması ile deney sonuçları üzerinde tekli ve kombinasyon halinde agrega tipi, su/bağlayıcı oranı, çelik lif içeriği ve kür tipi etkilerini tanımlayabilecek matematiksel bağıntılar üretilmiştir. Daha sonra, belirlenen matematiksel bağıntılar optimizasyon amaç fonksiyonu olarak tanımlanmış ve işlenebilirlik, mekanik ve farklı enerji değerlerinde radyasyon zırhlama açısından üstün özellikler ile birlikte en ekonomik tasarım koşullarında UHPC malzemesinin optimum karışım tasarımlarının belirlenmesi amaçlanmıştır.
Tezin sonuç bölümünde ise deneysel ve teorik çalışmalardan elde edilen tüm sonuçlar karşılaştırmalı olarak irdelenmiş ve ortaya çıkan bulgular hakkında sebep-sonuç ilişkisi kurulmaya çalışılmıştır.

Abstract:
As a result of numerous studies about cement based composites conducted in recent years, ultra high performance cement based composites (UHPC) with high strength, high ductility capacity and superior durability have been developed. UHPC has a dense microstructure obtained by the improvement of particle packing combined with a very low water content. Also, steel fibers are used to enhance the ductility and energy absorption capacity of UHPC material under both compressive and tensile stress. Due to these characteristics, UHPC material is considered to be a suitable building material for the solution of the problems in many applications in the construction sector. For this reason, the use of UHPC materials in different construction applications has become widespread in recent years.
On the other hand, with increasing areas of use for nuclear technology in recent years the utilization of radioactive materials has become widespread, as a result the radiation shielding has as well gained significant importance. Moreover, the nuclear facilities under construction in our country will be generating considerable amounts of radioactive waste in the future which will require suitable tanks for shielding, transportation and storage purposes. The lead and conventional concrete incorporating heavy aggregates are widely used for radiation shielding materials.  However, since lead is not a cost-effective option and since it is not an environmentally friendly material owing to its heavy metal content and since heavy concrete has a short service life due to its durability problems there is a need for the development of new materials for radiation shielding purpose. For this reason, it is considered that UHPC material with improved radiation shielding performance may be an important shielding material.
In this doctoral study, the physical, mechanical and radiation shielding properties of UHPC materials produced by different aggregates and mixing parameters were investigated. Besides the commonly used quartz sand the production of UHPC material included the utilization of heavy aggregates possessing radiation shielding properties. An experimental program involving four main variables, namely, the curing regime (standard water curing and steam curing), the aggregate type (silica sand-quartz powder blend, barite sand, granulated ferrous waste powder), the steel fiber volume fraction (1%, 2% and 3%), and the w/b ratio (0.18, 0.24 and 0.36) was designed and conducted. Rheological properties such as flow table and V-Funnel test; mechanical properties such as compressive strength, flexural strength, load–deflection response, flexural toughness and tensile strength of UHPCC series were investigated. In addition, the experimental and theoretical radiation shielding properties have been investigated via three separate radiation sources, an X-Ray source of 0.200 MeV energy, a cesium (137Cs) radioactive isotope of 0.662 MeV energy and a cobalt (60Co) radioactive isotope of 1.250 MeV energy. The theoretical shielding properties on the other side were investigated for the energy range of 1 keV and 1000 MeV by means of XCOM software by analyzing the data regarding the chemical composition determined through XRF analysis.  Based on the experimental results obtained, mathematical correlations were generated for each series by using mathematical and statistical techniques with the help of the Design-Expert computer program, which can identify aggregate types, water/binder ratios, steel fiber contents and cure types which are effect on the test results in a single and combined manner. Then, the determined mathematical correlations are defined as the optimization objective function and aimed to determine the optimum mixture design of UHPC material in the most economical design conditions with superior properties in terms of workability, mechanical and radiation shielding in different energy values.
Based on the experimental results obtained, mathematical correlations identifying the single and combined effect of aggregate types, water/binder ratios, steel fiber contents and curing types were generated for each series by using mathematical and statistical techniques provided by the Design-Expert computer program. Then, the determined mathematical correlations were defined as the optimization objective function and they were aimed to be used for the determination of the optimum mixture design of UHPC material in the most economical design conditions with superior properties in terms of workability, mechanical and radiation shielding in different energy values.
In the conclusion part of the thesis, all the results obtained from experimental and theoretical studies were examined comparatively and cause-effect relationships were investigated about the findings.