Nano silika kullanımının kendiliğinden yerleşen betonların reolojik, mekanik ve içyapısal özellikleri üzerine etkilerinin araştırılması
Investigating the effects of nano silica usage on rheological, mechanical and microstructural properties of self-consolidating concretes
Yazar: MUHAMMED YASİN DURGUN
Danışman: DOÇ. DR. HAKAN NURİ ATAHAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Kendiliğinden yerleşen betonlar = Self compacting concretes

Özet:
Beton; çimento, agrega, su ve gerektiğinde çeşitli katkı malzemelerinin belirli miktarlardaki karışımlarından meydana gelmektedir. Teknolojinin ilerlemesiyle birlikte birçok farklı beton türü ortaya çıkmıştır. Betonu oluşturan ham maddeler doğada bol miktarda bulunmaktadır. Ucuza sağlanması ve kolay şekil verilmesinin yanı sıra dış etkenlere karşı dayanıklı olması bakımından en yaygın yapı malzemesi olmuştur.
Beton ve betonarme yapıların daha dayanımlı ve daha uzun ömürlü olabilmesi için, beton dizayn parametrelerinin yanında, beton döküm aşamasında vibrasyon yapılması kaçınılmaz bir ihtiyaçtır. Bu sayede beton içerisindeki boşluklar dışarıya atılmış, daha sıkı ve boşluksuz bir beton elde edilmiş olur. Günümüzde inşaat teknolojisindeki gelişmelere bağlı olarak dar kalıp kesitlerinin kullanımı ve sık donatı aralıklarına sahip özel projeler ve güçlendirme projeleri yaygınlaşmıştır. Bu gelişmeler beraberinde vibrasyon uygulanması ile ilgili büyük zorluklar getirmiştir. Dolayısıyla vibrasyona ihtiyaç duyulmadan ve kendi ağırlığı altında rahatlıkla donatılar arasından geçerek kalıpları doldurabilen, "kendiliğinden yerleşen beton" teknolojisi ortaya çıkmıştır.
Öte yandan, günümüzde beton özelliklerini iyileştirmek için "nano teknoloji" kullanımı üzerine de çalışmaların yapıldığı görülmektedir. Nano teknolojinin çimento esaslı karışımlara uygulanması kapsamındaki en yaygın çalışma alanı, karışımda nano taneler içeren malzemelerin kullanılmasıdır. Nano tane kullanılarak üretilen geleneksel betonların mekanik ve durabilite özelliklerinde iyileşmeler olduğu yapılan çalışmalar sonucu görülmüştür.
Gerçekleştirilen bu çalışmada, kendiliğinden yerleşen betonların yüksek oranda ince malzeme içeriklerinin farklı boyut özelliklere sahip kolloidal nano silika (CNS) kullanımı ile azaltılması ve bu sayede toplam agrega içeriklerinin yükseltilmesi hedeflenmiştir. Betonların karışım tasarımlarında yapılan bu değişikliklere bağlı olarak mekanik ve elastik özelliklerin nasıl etkilendiği sistematik olarak incelenmiştir.
Esas üretimlere geçmeden önce uygun gradasyonun, uygun kimyasal katkının, uygun bağlayıcı oranının tespit edilebilmesi için birçok deneme çalışması gerçekleştirilmiştir. Çimento – katkı uyumunun test edilebilmesi için mini slump yöntemi kullanılmış ve çalışmada kullanılan çimento ile en uygun kimyasal katkı türü belirlenmiştir. Kimyasal katkı, agrega gradasyonu, çimento ve ince malzeme miktarının belirlenmesiyle öncelikle uygun özelliklere sahip bir referans karışımı üretilmiştir.
Referans karışımı 400 kg/m3 çimento ve 160 kg/m3 uçucu kül içermektedir. Kullanılan uçucu kül miktarı dört kademede, her bir kademede 40 kg/m3 uçucu kül azaltmak suretiyle 120 kg/m3, 80 kg/m3, 40 kg/m3 ve sıfıra kadar indirilmiştir. Karışımdaki uçucu kül hacminin azalmasıyla meydana gelen boşluk granülometrisi değiştirilmeksizin agregalar ile doldurulmuştur. Böylece karışımdaki toplam agrega miktarı artırılmıştır. Bu işlem gerçekleştirilirken aynı zamanda karışıma kolloidal formda nano silika ilavesi yapılmıştır. Çalışma boyunca 35 nm, 17 nm ve 5 nm olmak üzere üç farklı ortalama tane boyutuna sahip nano silika kullanılmıştır. Her bir uçucu kül oranı için nano silikalar beş farklı oranda denenmiştir. Bu oranlar 35 nm ve 17 nm ortalama tane boyutuna sahip nano silikalar için %0 - %2,5 aralığında %0,5'lik artışlar şeklinde olmuştur. 5 nm ortalama tane boyutuna sahip nano silika için ise bu oranların kullanımı mümkün olmamıştır. Tane boyutunun küçülmesiyle birlikte özgül yüzey alanının yüksek derecede artması, 5 nm boyutuna inildiğinde sadece %0 - %0,5 aralığında %0,1'lik artışlar ile çalışabilmeyi mümkün kılmıştır. 
Bu şekilde hazırlanan karışımlar üç farklı ana başlık altında test edilmiştir. Birinci başlık karışımların reolojik özelliklerinin test edilmesini kapsamaktadır. İkinci başlık, mekanik özelliklerinin incelenmesi ve üçüncü başlık mikro yapı çalışmalarını içermektedir.
Birinci başlık olan reolojik incelemeler kapsamında hazırlanan karışımlara T500, çökme – yayılma, V hunisi, statik penetrasyon direnci ve elek segregasyonu gibi standartlaşmış tek noktalı reoloji testleri uygulanarak karışım özellikleri ve davranışları incelenmiştir. Karışımlardan görseller alınarak görsel stabilite indeksine göre sınıflandırmalar yapılmıştır. Bunun yanında karışımların statik akma gerilmesi, dinamik akma gerilmesi ve plastik viskozitesi gibi reolojik parametrelerin elde edilebilmesi için ICAR Beton Reometresi kullanılarak çift nokta reoloji testleri gerçekleştirilmiştir. Bu başlık altında yapılan testler sonucu kendiliğinden yerleşen beton özelliği gösterebilen karışımlar başarılı olarak kabul edilmiş ancak arzu edilen kendiliğinden yerleşebilme özelliğini gösteremeyen karışımlar başarısız olarak nitelenmiş ve çalışma dışında bırakılmıştır.
Çalışmanın ikinci başlığı olan mekanik özelliklerin tespiti kısmında, reolojik testlerde başarılı olan karışımlar kullanılarak devam edilmiştir. Başarılı olan karışımlar tekrar üretilerek 100 mm çapında ve 200 mm boyutunda kalıplar kullanılarak kalıplanmıştır. 28 ve 120 günlük süreler boyunca kürlenen örneklere bu süreler sonunda basınç dayanımı tayini ve basınç altında elastisite modülü tayini testleri uygulanmıştır.
Çalışmanın üçüncü başlığında ise daha önce belirlenen 14 adet seriden, beton üretimi esnasında istenilen ölçülerde çeşitli örnekler alınmıştır. Bu örnekler mekanik deneylere tabi tutulacak olan örneklerle aynı şartlar altında, aynı süreler içinde kür edilmişlerdir. Kürlenmesi tamamlanan örneklerin boşluk yapılarının detaylı biçimde incelenebilmesi için cıvalı porozimetre testi (MIP), kristal yapıya sahip ürünleri tanımlayabilmek için X-ışını difraksiyonu analizi (XRD) uygulanmıştır. Termogravimetrik analiz (TGA) kullanılarak hidratasyon süreci sonunda oluşan bazı hidratasyon ürünü miktarları belirlenmeye çalışılmış ve son olarak taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak örneklerden görüntüler alınmış ve hidrate olmuş çimento yapısında görsel incelemelerde bulunulmuştur.
Reolojik testler sonucunda kullanılan nano silikanın ortalama tane boyutunun azalmasıyla başarısız karışım oranı artmış, nano silika kullanım aralığı düşmüştür. Tek nokta ve çift nokta deneyleri birlikte değerlendirildiğinde nano silika kullanımı için eşik dozajlar 35 nm, 17 nm ve 5 nm için sırasıyla %1,5, %1,0 ve %0,3 olarak görülmüştür. Elde edilen başarılı ölçümlerin statik akma gerilmesi değerleri 150 Pa – 200 Pa, dinamik akma gerilmesi değerleri 30 Pa – 40 Pa ve plastik viskozite değerleri 20 Pa.s – 30 Pa.s değerleri arasında değişmektedir. Bu aralıkların altında kalan değerlerde betonların segregasyon eğilimlerinin yükseldiği, üzerine çıkan değerlerde ise kıvamlarda kalınlaşma eğilimi olduğu, KYB akış özelliklerinin kaybedildiği gözlenmiştir.
Karışımlarda toplam çimento ve su miktarı değiştirilmeden uçucu kül miktarının azaltılmasıyla dayanım kayıpları gözlenmiştir. Bu dayanım kayıpları nano silika kullanımıyla telafi edilememiştir. Ancak uçucu kül ile nano silikanın birlikte kullanımı basınç dayanım özelliklerini önemli derecede etkilemezken, elastik modül üzerinde belirgin derecede etkili olduğu görülmüştür. Hem 28. günde hem de 120. günde, CNS içeren örneklerin büyük bir kısmının elastik modül değerleri referans karışımından elde edilen değerlerin üzerinde olmuştur. Özellikle 120. gün sonuçları incelendiğinde yüksek oranda uçucu kül içeren karışımlarda dikkate değer sonuçlarla karşılaşılmıştır.
Yapılan mikro yapı incelemelerinde nano silika kullanımının matris fazını daha yoğun ve sıkı bir hale getirdiği gözlenmiştir. Bununla birlikte agrega taneleri ile sertleşmiş çimento arasında bulunan ara yüz fazının varlığı üretilen örneklerde görülememiştir. Betonun zayıf halkası olarak nitelendirilen bu fazın ortadan kalkması elastik özelliklerde meydana gelen iyileşmenin de açıklaması olmaktadır.
Yapılan çalışmaların sonucunda, nano silika kullanımının kendiliğinden yerleşen beton karışımlarında toplam ince malzeme miktarını düşürmek için oldukça etkin bir yöntem olabileceği sonucuna varılmıştır. Ayrıca kendiliğinden yerleşen beton kullanımının getirdiği önemli endişelerden biri olan geleneksel betona göre daha düşük elastiklik modülü verme eğiliminin, uygun boyutta ve oranda optimize edilmiş nano silika kullanımıyla ortadan kaldırılabilmesinin mümkün olabileceği görülmüştür. Bu bakımdan, günümüz modern beton teknolojisinde nano silikanın, betonların hem taze hal özelliklerine hem de mekanik ve elastik özelliklerine olumlu yönde etki eden çok fonksiyonlu bir malzeme olarak kullanılabilirliği ve bu sayede özel beton tasarımlarının yapılabileceği ortaya konulmuştur.

Abstract:
Concrete constitutes of cement, aggregates, water and if necessary various additive materials, at certain amounts. With the progress in concrete technology, many different types of concretes have been come out in recent years. The raw materials of concrete are abundant in nature. Besides cheap production and easy forming, concrete is the most common building material in the market by its high durability against environmental factors.
Besides the parameters of design, vibration is one of the unavoidable needs at concrete casting step for long service life and durable reinforced concrete structures. Thus, voids in the fresh concrete could be removed and in this way it becomes possible to obtain more dense and low void concretes. Nowadays, by the development of construction technology special projects and retrofitting projects with dense reinforcements, narrow sections and rebar spaces are widespread. These developments bring many difficulties about the vibration applications with it. Accordingly, "self-consolidating concrete" have been developed, which can be consolidated under its own weight, passes through the reinforcements easily and fills the formworks excellent, without any internal or external vibration effort.
On the other hand, today it can be seen that there are some studies on using "nano technology" for enhancing the properties of concrete. The most common research field of using nano technology on cement based mixtures is the usage of nano particles and nano sized materials. As a result of the studies using nano particles in cement based systems, improvement of mechanical and durability properties of conventional concrete can be seen.
In this experimental study, the reduction of total fine material content used in self-consolidating concrete designs have been targeted by means of the addition of colloidal nano silica (CNS) having various average particle size. By this way the total aggregate content of the mixtures was increased. Accordingly, the effect of the modifications made in concrete designs, on the mechanical and elastic properties of concrete has been investigated.
Before starting the production of main mixtures, in order to choose the proper aggregate gradation, chemical admixture and binder amount, many preliminary mixtures have been tested. Cement and admixture compatibility tests were performed by using mini slump method in order to choose the proper chemical admixture type for the study. After determining the chemical admixture type, aggregate gradation, cement and fine material dosages, a reference mixture was produced which has the desired self-consolidating properties.
The reference mixture contains 400 kg/m3 of cement and 160 kg/m3 of fly ash. The fly ash content of reference mixture was reduced at four steps to 120 kg/m3, 80 kg/m3, 40 kg/m3 and finally to zero. The volumetric reduction occurred by this fly ash decrease was filled by aggregates, without changing its grading. In this way total aggregate content of mixtures was increased. While this process was carried out, colloidal nano silica addition was practiced to see its compensating effects of fly ash in concrete. Three different types of nano silica were used throughout the study with average sizes of 35 nm, 17 nm and 5 nm. For each content of fly ash five different amounts of nano silica were used. These amounts were 0% to 2.5% with 0.5% increments for 35 nm and 17 nm average particle sized nano silica. However, it was not possible to use this range for 5 nm average particle sized nano silica due to the large increase in surface area; thus the rage of 0% to 0.5% with 0.1% increments were used.
Mixtures prepared by this way were tested in three major topics. The first topic contains testing the rheological properties of mixtures. Second topic is about investigating the mechanical properties and the third one contains the microstructural investigations.
Within the scope of the first topic, which is rheological investigations, standardized single point tests which are T500 test, slump – flow test, V funnel test, static penetration resistance test and sieve segregation test were performed and mixture properties and behaviors were investigated. Visuals of every mixture recorded and categorization was made according to the classification of visual stability index. Besides, rheological parameters such as static yield stress, dynamic yield stress and plastic viscosity were determined by two-point rheological tests by using an ICAR concrete rheometer. Mixtures which exhibit the self-consolidating properties were accepted as "successful mixtures" according to the results of the tests under this topic. On the other hand, mixtures which could not exhibit the desired self-consolidating properties were accepted as "unsuccessful mixtures" and they were excluded from the study.
In the second part of the study, which investigates the mechanical properties, only the successful mixtures have been considered.  Successful mixtures were produced one more time and were casted to 100 mm diameter and 200 mm height molds. Specimens were cured for 28 days and 120 days. After curing period, compressive strength tests and elastic modulus tests under compression were performed.
As a part of the third topic, mortar samples in various sizes and shapes were taken during the concrete production from the previously determined 14 series of mixtures. These samples were cured under the same conditions and duration time with the specimens prepared for mechanical test. After curing period of the specimens, in order to determine the pore size distribution, mercury intrusion porosimetry (MIP) tests, and in order to analyze the mineral composition of samples, X-ray diffraction (XRD) analysis were performed. To understand the amounts of some of the hydration products after the hydration process of samples, thermogravimetric analysis (TGA) were performed and finally by using scanning electron microscope (SEM), micrographs were taken from the samples and visual investigations were performed on the hydrated mortar.
According to the results of the rheological tests, by decreasing the average particle size of nano silica, number of unsuccessful mixtures were increased and range of nano silica usage dosage was limited. As a result of evaluating the single point and two-point rheological tests together, the threshold dosages for 35 nm, 17 nm and 5 nm average particle size nano silicas' were 1.5%, 1.0% and 0.3% respectively for the successful mixtures. Rheological parameters of successful mixtures were changed between 150 Pa and 200 Pa for static yield stress, 30 Pa and 40 Pa for dynamic yield stress and 20 Pa.s and 30 Pa.s for plastic viscosity. Mixtures having values under these intervals have shown an increasing segregation tendency, and over these values have presented extremely thickening and flow loss behavior.
By decreasing the fly ash content in the mixtures, keeping the cement and water content same, strength decrements were observed. These strength decrements could not be compensated by using nano silica. However, the usage of fly ash and the nano silica together was extremely effective on the increment of elastic modulus, but, its effects on strength development is not very significant. Both on 28th and 120th day, a major part of the samples have higher elastic modulus results compared to the reference sample. Especially on 120th day, elastic modulus results of the high amount of fly ash content samples were noteworthy.
The microstructure investigations have shown that nano silica usage created a denser and compact matrix phase. Besides, the existence of interfacial transition zone (ITZ) between aggregate particles and hardened cement matrix phase cannot be observed in the micrographs. Disappearing of the ITZ phase which is called as the weakest chain of the concrete structure can be the explanation of the extraordinary elastic behavior of the samples.
As a result of the experimental studies, it can be concluded that the nano silica usage in self-consolidating concrete is a very effective method in order to decrease the total fine material amount. Besides, one of the main concerns of self-consolidating concretes, regarding their lower stiffness tendency compared to the conventional concrete mixtures, can be overcome with the use of nano silica by optimizing its size and the amount. In this regard, it has been shown that the use of nano silica in modern concrete technology as a multi functioning material which improves the fresh state, mechanical and elastic properties of self-compacting concretes and also yields the design of special concrete mixtures is possible.