Jeotermal sulara maruz kalan uçucu kül ve silis dumanı içeren betonların özelliklerinin incelenmesi
Investigation of properties of concretes containing fly ash and silica fume exposed to geothermal waters
Yazar: TUĞÇE KARS
Danışman: PROF. DR. RIZA POLAT
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Yapı Malzemeleri Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Amaç: Jeotermal enerji, çevreci ve yenilenebilir bir kaynak olmasının yanında farklı kullanım alanlarına uygunluğu nedeniyle alternatif olarak öne çıkmaktadır. Ancak kimyasal içerik ve sıcaklık farklılıklarından dolayı jeotermal sular, bu enerjiden faydalanılabilmesi için gerekli tesis veya sistemlerde kullanılan beton ve betonarme yapıların verimliliğini durabilite açısından etkilemektedir. Bu çalışmada uzun süreli jeotermal sulara maruz kalan betonlarda, durabilite özelliklerini iyileştireceği beklenilen mineral katkıların etkisinin araştırılması amaçlanmıştır.
Yöntem: F tipi uçucu kül ve silis dumanı, %10, %20 ve %30 oranlarında çimento yerine kullanılarak beton numuneler üretilmiştir. 28 günlük standart kürden sonra her gruptan numunelerin bir kısmı Nenehatun Termal ve Pasinler Termal tesisinde bulunan suların kaynak noktalarına bırakılarak 270 gün boyunca bu sulara maruz kalması sağlanmıştır. Ayrıca, jeotermal tesislerdeki suların sıcaklıkları referans alınarak laboratuvar ortamında 20˚C (standart kür havuzu), 40˚C ve 60˚C'de sabit tutulan sıcak su banyolarında aynı süreyle bekletilmiştir. Numunelerin 28 ve 270 gün sonunda basınç dayanımı, ultrasonik ses hızı (UPV), birim ağırlık, su emme ve kılcal su emme özellikleri belirlenerek farklı kür ortamlarında elde edilen özellikleri karşılaştırılmıştır. Ayrıca beton numunelerin içyapısındaki değişimler, SEM analizi ile incelenmiştir.
Bulgular: 270 gün sonunda, sıcaklığın 20˚C'den 40˚C'ye ve 40˚C'den 60˚C'ye artmasıyla, referans karışımlarının basınç dayanımlarında sırasıyla artma ve azalma, mineral katkılı karışımlarda ise sırasıyla genel olarak değişiklik olmadığı ve arttığı görülmüştür. Jeotermal sulara maruz bırakılan karışımlarda optimum katkı oranının uçucu külde %20, silis dumanında ise %10 olduğu değerlendirilmiştir. Nenehatun jeotermal sularının içeriğindeki SO4-2, HCO3- ve çökelme etkisi ve Pasinler jeotermal sularının içeriğindeki Cl-, Na+ ve K+ etkilerinden dolayı hem referans hem mineral katkılı numunelerin özellikleri önemli oranda değişmektedir.
Sonuç: Uçucu kül katkılı karışımların Nenehatun jeotermal tesise ait sularda, silis dumanı katkılı karışımların ise Pasinler jeotermal tesise ait sularda daha iyi özellikler gösterdiği görülmektedir. Sıcak suyun genel olarak mineral katkılı karışımlarda betonun özelliklerini iyileştirdiği, jeotermal tesislere ait suların ise kimyasal içeriğinden dolayı tüm karışımlarda betonun özelliklerini olumsuz etkilediği görülmektedir.

Abstract:
Purpose: Geothermal energy stands out as an alternative due to its suitability for different areas of use, as well as being an environmentally friendly and renewable resource. However, due to chemical content and temperature differences, geothermal waters affect the efficiency of concrete and reinforced concrete structures used in facilities or systems required to benefit from this energy, in terms of durability. This study aimed to investigate the effect of mineral additives, which are expected to improve durability properties, on concrete exposed to geothermal waters for a long time.
Method: Concrete samples were produced by using F type fly ash and silica fume instead of cement at the rates of 10%, 20% and 30%. After the 28-day standard cure, some of the samples from each group were left at the source points of the waters in Nenehatun Thermal and Pasinler Thermal facilities and were exposed to these waters for 270 days. In addition, using the temperatures of the water in geothermal facilities as reference, it was kept in hot water baths at 20˚C (standard cure pool), 40˚C and 60˚C in the laboratory environment for the same period of time. At the end of 28 and 270 days, the compressive strength, ultrasonic sound velocity (UPV), unit weight, water absorption and capillary water absorption properties of the samples were determined and the properties obtained in different curing environments were compared. Additionally, changes in the internal structure of concrete samples were examined by SEM analysis.
Findings: At the end of 270 days, as the temperature increased from 20˚C to 40˚C and from 40˚C to 60˚C, it was observed that the compressive strengths of the reference mixtures increased and decreased respectively, while there was generally no change and increased respectively in the mineral-added mixtures. It was evaluated that the optimum additive ratio in mixtures exposed to geothermal waters was 20% for fly ash and 10% for silica fume. The properties of both reference and mineral added samples change significantly due to the SO4-2, HCO3- and sedimentation effects in the Nenehatun geothermal waters and the Cl-, Na+ and K+ effects in the Pasinler geothermal waters.
Results: It is seen that fly ash-added mixtures show better properties in the waters of the Nenehatun geothermal facility, and silica fume-added mixtures show better properties in the waters of the Pasinler geothermal facility. It is observed that hot water generally improves the properties of concrete in mixtures with mineral additives, while water from geothermal facilities negatively affects the properties of concrete in all mixtures due to its chemical content.