ÇİMENTO BAĞLAYICILI KOMPOZİTLERDE KENDİLİĞİNDEN İYİLEŞME DAVRANIŞININ NANO MALZEMELERLE HIZLANDIRILMASI. Vadood FARZANEH

ÇİMENTO BAĞLAYICILI KOMPOZİTLERDE KENDİLİĞİNDEN İYİLEŞME DAVRANIŞININ NANO MALZEMELERLE

HIZLANDIRILMASI

Vadood FARZANEH

YÜKSEK LİSANS TEZİ

İNŞAAT MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

HAZİRAN 2018

Vadood FARZANEH tarafından hazırlanan “ÇİMENTO BAĞLAYICILI KOMPOZİTLERDE

KENDİLİĞİNDEN İYİLEŞME DAVRANIŞININ NANO MALZEMELERLE

HIZLANDIRILMASI” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından OY BİRLİĞİ ile Gazi Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalında YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.

Danışman: Prof. Dr. Mustafa ŞAHMARAN

İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Hacettepe Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum.

...………

Başkan: Prof. Dr. Özgür ANIL

İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum.

………...

Üye: Prof. Dr. İsmail Özgür YAMAN

İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı, Orta Doğu Teknik Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. …….………..

Tez Savunma Tarihi: 07/06/2018

Jüri tarafından kabul edilen bu tezin Yüksek Lisans Tezi olması için gerekli şartları yerine getirdiğini onaylıyorum.

……….…….

Prof. Dr. Sena YAŞYERLİ Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

ETİK BEYAN

Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;

 Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,

 Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,

 Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi,

 Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı,

 Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu,

bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim.

Vadood FARZANEH 07/06/2018

ÇİMENTO BAĞLAYICILI KOMPOZİTLERDE KENDİLİĞİNDEN İYİLEŞME DAVRANIŞININ NANO MALZEMELERLE HIZLANDIRILMASI

(Yüksek Lisans Tezi)

Vadood FARZANEH

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Haziran 2018

ÖZET

Ekonomik ve çevresel açıdan daha sürdürülebilir bir inşaat endüstrisi oluşturmaya katkı sağlamak amacıyla son yıllarda Yüksek Performanslı Lif Donatılı Betonların özel bir türü olan Tasarlanmış Çimento Esaslı Kompozitler (Engineered Cementitious Composites, ECC) geliştirilmiştir. Bu tür kompozitler sayesinde çeşitli mekanik yüklemeleri tolere edebilen, kontrollü çatlak gelişimi gösteren (genellikle 100 μm’dan daha dar), hasar dirençli beton davranışları elde edilmektedir. Çatlak büyüklüğünün belirli bir seviyenin altında olduğu durumlarda çimento esaslı kompozitlerde çatlakların kendiliğinden iyileşme imkanı olabilmektedir. Kendiliğinden iyileşme mekanizması ile beton yapıların mevcut çatlakları çeşitli iyileşme ürünleri (hidrate olmamış bağlayıcıların hidrate olması, kalsit oluşumu, çatlak kenarlarında genleşme vb.) ile kapanabilmektedir. Bu tez çalışmasında, yeni nesil ECC karışımlarını kendiliğinden iyileşme özelliği ile bütünleştirerek çatlaklardaki iyileşme ürünlerinin kalitesinin ve hızının çok daha üst seviyeye geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bu amaçla kendiliğinden iyileşme ürünlerinin hızı ve etkinliği, son yıllarda birçok alandaki yeni gelişmelere öncülük eden nano teknoloji ürünleri ile arttırılmıştır. Tez çalışmalarında, tezin hedeflerine ulaşabilmesi için yöntemsel olarak öncelikle nano malzeme-ECC matris uyumunu sağlanmıştır. Karışımlarda nano malzeme olarak karbon nano tüpler ve nano silika kullanılmış ve yeni geliştirilen ECC karışımları ile yapılan deneyler sonucu kendiliğinden onarılmış çatlaklar elde edilmiştir. Tez kapsamında kendiliğinden iyileşme ürünlerinin hızı ve kalitesi mekanik ve dayanıklılık testleri ile değerlendirilmiştir.

Bilim Kodu : 91127

Anahtar Kelimeler : Tasarlanmış çimento esaslı kompozitler, kendiliğinden iyileşme, nano malzemeler

Sayfa Adedi : 85

Danışman : Prof. Dr. Mustafa ŞAHMARAN

ACCELARATING OF SELF-HEALING BEHAVIOR OF CEMENTITIOUS COMPOSITES THROUGH NANO MATERIALS

(M. Sc. Thesis)

Vadood FARZANEH

GAZİ UNIVERSITY

GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES June 2018

ABSTRACT

Engineered Cementitious Composites (ECC), one of the specific type of high performance fiber reinforced concrete, has been developed in order to contribute to more sustainable construction industry in terms of economical and environmental issues. Thanks to such composites, it is possible to obtain composite behaviors that tolerate several mechanical loading, exhibit restrained crack development (mostly smaller than 100 μm) and damage- resistance. Existing cracks in concrete structures can have potential to close by healing products under the circumstances of limited crack widths. Existing cracks of concrete structures can be healed by various healing products (hydration of unhydrated cementitious materials, calcite formation, swelling in the edges of cracks etc.) with self-healing concepts.

In this thesis, new generation ECC mixtures were aimed to integrate by healing products enhancing the quality and expedition at higher level. For this purpose, efficiency and expedite of self-healing products were improved by nano technology products that have led new developments recently in many fields. In the study, optimization of the nano material- ECC matrix adaption was achieved methodologically by following the objectives of the thesis. Carbon nano tubes and nano silica were utilized as nano materials in the mixtures and self-healing cracks were obtained after tests by developing new ECC mixtures. In the scope of the thesis, quality and expedite of self-healing products were handled with mechanical and durability tests.

Science Code : 91127

Key Words : Engineered cementitious composites, self-healing, nano materials Page Number : 85

Supervisor : Prof. Dr. Mustafa ŞAHMARAN

TEŞEKKÜR

Yüksek lisans tez çalışmalarımın başladığı ilk andan itibaren değerli fikirlerini ve yardımını esirgemeyen danışman hocam sayın Prof. Dr. Mustafa ŞAHMARAN’A teşekkürü bir borç bilirim. Yüksek lisans tez jürime katılan sayın Prof. Dr. İsmail Özgür YAMAN ve Prof. Dr.

Özgür ANIL’A teşekkür ederim. Deneysel çalışmalarımın tamamlanmasında fikir alışverişinde bulunduğumuz ve desteklerini göz ardı edemeyeceğim değerli çalışma arkadaşlarımdan Yrd. Doç. Dr. Gürkan YILDIRIM, Arş. Gör. Oğuzhan ÖZTÜRK ve Mohammad HATAM’E en içten teşekkürlerimi sunarım. Tez çalışmalarım süresince beni hiç yalnız bırakmayan, maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen aileme yürekten teşekkür ederim.

İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖZET ... iv

ABSTRACT ... v

TEŞEKKÜR ... vi

İÇİNDEKİLER ... vii

ÇİZELGELERİN LİSTESİ ... ix

ŞEKİLLERİN LİSTESİ ... x

SİMGELER VE KISALTMALAR... xii

1. GİRİŞ

2. LİTERATÜR ÖZETİ

2.1. Tasarlanmış Çimento Bağlayıcılı Kompozitler ... 7

2.2. ECC'nin Mikro-mekanik Tabanlı Tasarım Yaklaşımı ... 10

2.3. Nano Teknoloji ve İnşaat Mühendisliği... 12

2.4. Kendiliğinden İyileşen Çimento Bağlayıcılı Kompozitler ... 19

2.4.1. Çimento esaslı kompozitlerde kendini iyileştirme teknikleri ... 19

2.4.2. Kendiliğinden iyileşen ECC numunelerinin mekanik ve dürabilite özellikleri ... 23

3. DENEYSEL PROGRAM

3.1. Malzemeler ... 29

3.1.1. CEM I 42,5R Portland çimentosu... 29

3.1.2. F-sınıfı uçucu kül (UK) ... 29

3.1.3. Kuvars kumu ... 31

3.1.4. Poli-vinil-alkol (PVA) lifleri ... 32

3.1.5. Nano malzemeler ... 33

3.1.6. Yüksek oranda su azaltıcı (YOSA) katkı ... 38

3.2. Karışımların Hazırlanması ... 39

Sayfa

3.2.1. Karbon nanotüplerin karışımlara eklenmesi ... 39

3.2.2. Nano silislerin karışımlara eklenmesi ... 39

3.2.3. ECC Numunelerinin üretilmesi ... 40

3.3. Test Yöntemleri ... 41

4. DENEY SONUÇLARI VE TARTIŞMA

4.1. Nano Malzemelerle Modifiye Edilmiş ECC’lerin Kendiliğinden İyileşme Performansı ... 47

4.1.1. Kendiliğinden iyileşmiş nano-modifiye ECC numunelerinin HKİG testi sonuçları ... 48

4.1.2. Kendiliğinden iyileşmiş nano-modifiye ECC numunelerinin ED testi sonuçları ... 55

4.1.3. Nano-modifiye ECC numunelerinin mekanik test sonuçları ... 62

5. SONUÇ VE ÖNERİLER

KAYNAKLAR ... 77

ÖZGEÇMİŞ ... 85

ÇİZELGELERİN LİSTESİ

Çizelge Sayfa

Çizelge 1.1. Geleneksel betonun karakteristik özellikleri ... 4

Çizelge 2.1. ECC malzemesinin tipik karışım tasarımı ... 8

Çizelge 2.2. Geleneksel beton ile ECC'nin özelliklerinin karşılaştırılması ... 9

Çizelge 3.1. Portland çimentosu ve puzolanik malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri ... 30

Çizelge 3.2. ECC üretiminde kullanılan PVA lifinin mekanik ve geometrik özellikleri ... 33

Çizelge 3.3. Çok duvarlı karbon nanotüplerin özellikleri ... 36

Çizelge 3.4. NS’in kimyasal kompozisyonu ve fiziksel özellikleri ... 38

Çizelge 3.5. ECC karışım oranları ... 41

Çizelge 4.1. Nano ölçekte modifiye edilmiş ECC numunelerinin HKİG testi sonuçları ... 48

Çizelge 4.2. ASTM C 1202 Standardına göre farklı beton tipleri için klorür geçirgenlik seviyeleri ... 50

Çizelge 4.3. Nano modifiye ECC numunelerinin elektriksel direnç testi sonuçları ... 56

Çizelge 4.4. Farklı ECC karışımlarının 7, 28 ve 90 günlük basınç dayanımları ... 62

Çizelge 4.5. Hasarlı nano modifiye ECC kiriş numunelerinin eğilme dayanımları ve iyileşme performansları ... 65

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

Şekil Sayfa

Şekil 1.1. Kendiliğinden iyileşme mekanizmaları ... 5

Şekil 2.1. ECC’nin tipik çekme gerilmesi-birim şekil değiştirme eğrisi ve çatlak genişliği gelişimi ... 9

Şekil 2.2. ECC’nin eğilme yükleri altındaki davranışı ... 9

Şekil 2.3. Kararlı durum düz çatlak ve Griffith tipi çatlak oluşumu ... 11

Şekil 2.4. Şekil değiştirme sertleşmesi gösteren kompozit için tipik çatlak köprüleme gerilmesi-çatlak açıklığı eğrisi: Taralı alan tamamlayıcı enerjiyi (J’b); gölgeli alan ise çatlak ucu tokluğunu (Jtip) ifade etmektedir ... 11

Şekil 2.5. Karbon fulleri, greyfurt ve Dünya ... 12

Şekil 2.6. TEM kullanılarak gözlemlenen düzgün dağılımlı küresel nano-SiO2 tanecikleri ... 15

Şekil 2.7. Referans Portland çimentosu ve silis dumanı harçlarına karşılık farklı dozajlardaki nano silis ve nano demir oranları ile üretilen çimento harçları basınç dayanımı değerleri ... 15

Şekil 2.8. NO’nun zararlı etkilerini incelemek için kullanılan deney düzeneği (solda) ve NT ile üretilmiş olan mimari betonun performansı (sağda) ... 16

Şekil 2.9. Mikrokapsülasyon yöntemiyle iyileştirme tekniği ... 20

Şekil 2.10. İçi boş liflerin kendiliğinden iyileşme amacıyla kullanılması ... 21

Şekil 2.11. Bakteri ile kendiliğinden iyileşme mekanizması ... 22

Şekil 2.12. Kendiliğinden iyileşme öncesi (solda) ve sonrası (sağda) ... 24

Şekil 3.1. CEM I 42,5R Portland çimentosunun (a) dijital kamera ve (b) SEM görüntüsü ... 29

Şekil 3.2. Portland çimentosu, F-sınıfı uçucu kül ve kuvars kumunun tanecik boyut dağılımları ... 30

Şekil 3.3. F-sınıfı uçucu kül taneciklerinin (a) dijital kamera ve (b) SEM görüntüsü .... 31

Şekil 3.4. Mikro-kuvars kumunun görüntüsü ... 32

Şekil 3.5. ECC karışımlarının üretiminde kullanılan (a, b, c) PVA liflerinin ve (d) lif yüzeylerindeki su itici kaplamanın taramalı elektron mikroskobu (SEM) altındaki görüntüsü ... 33

Şekil 3.6. Tek duvarlı KNT... 35

Şekil Sayfa

Şekil 3.7. Çok duvarlı KNT ... 35

Şekil 3.8. a) 200 μm b) 50 μm c) 10 μm d) 5 μm ölçeklerde alınan KNT’lerin SEM görüntüleri ... 36

Şekil 3.9. NS taneciklerinin taramalı elektron mikroskobu altındaki görüntüleri ... 38

Şekil 3.10. Toz KNT’lere YOSAK eklenmesi (a), KNT solüsyonunun hazırlanması (b), solüsyonun toz karışıma ilave edilmesi (c) ... 39

Şekil 3.11. Nano silisin karışıma uygun hale getirilmesi... 40

Şekil 3.12. HKİG testi deney düzeneği ... 42

Şekil 3.13. Elektriksel Direnç (ED) deney düzeneği ... 43

Şekil 3.14. Küp numune üzerinde basınç dayanımı testi ... 44

Şekil 3.15. Dört noktalı eğilmede çekme testi için deney düzeneği ... 45

Şekil 3.16. Numunelere ön yükleme ile ağır hasar verilmesi ... 46

Şekil 4.1. ECC-Ref. numunelerinin 7, 7+7, 7+28 ve 7+90. günlerdeki HKİG değerleri ... 52

Şekil 4.2. ECC-NS numunelerinin 7, 7+7, 7+28 ve 7+90. günlerdeki HKİG değerleri ... 52

Şekil 4.3. ECC-KNT numunelerinin 7, 7+7, 7+28 ve 7+90. günlerdeki HKİG değerleri ... 53

Şekil 4.4. ECC-Ref kiriş numunelerinin gerilme-sehim grafiği ... 68

Şekil 4.5. ECC-NS kiriş numunelerinin gerilme-sehim grafiği ... 68

Şekil 4.6. ECC-KNT kiriş numunelerinin gerilme-sehim grafiği ... 69

SİMGELER VE KISALTMALAR

Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.

Simgeler Açıklamalar

Em Harç matrisin elastik modülü

J’b Tamamlayıcı enerji

Jtip Harç matrisin kırılma enerjisi Km Harç matrisin kırılma tokluğu

δ0 Maksimum çatlak köprüleme gerilmesindeki açıklık

σ0 Maksimum çatlak köprüleme gerilmesi

σfc Harç matrisinde ilk çatlak oluşum dayanımı

Kısaltmalar Açıklamalar

C-S-H Kalsiyum silikat hidrat jeli

ECC Tasarlanmış çimento bağlayıcılı kompozitler KNT Karbon nano tüp

NS Nano silis

PÇ Portland çimentosu

PVA Polivinil alkol lifi

SD Silis dumanı UK Uçucu kül

UK-F F-sınıfı uçucu kül

YOSA Yüksek oranda su azaltıcı katkı

1. GİRİŞ

Tezin amacı

Tez çalışmasının temel amacı; yüksek dayanıklılığa sahip yeni nesil akıllı çimento bağlayıcılı kompozitler geliştirmek ve beton yapıların bozulmasına neden olan birçok mekanizmayı hızlandırılmış kendiliğinden iyileşme ürünleri ile etkisini azaltmaktır. Bu tez çalışmasında, geliştirilen kompozitlerin çatlaklı hallerinin tıkanarak su ve zararlı kimyasalların beton bünyesine sızması engellemek adına kendiliğinden iyileşme yeteneği hızlandırılmaya çalışılmıştır. Özellikle çatlaklı betonun çatlaklarının tıkanması, su ve zararlı kimyasalların bünyesine sızmasını engellenmesi ile betonun kendiliğinden iyileşen mekanik ve dayanıklılık özellikleri orijinal haline yakın mertebelere getirilmesi amaçlanmıştır. Tez kapsamında, yukarıda sözü edilen özelliklerin sağlanması amacıyla yeni nesil çimento esaslı kompozit tasarımları yapılmıştır. Bu çalışmada çimento bağlayıcılı kompozitlerde hasarın yani çatlakların dışarıdan hiç bir ek müdahale olmaksızın kendiliğinden iyileşebilme performansını gözlenerek değerlendirilmesi hedeflenmiştir. Çimento esaslı malzemede kendiliğinden iyileşme genel olarak sürekli devam eden hidratasyon reaksiyon ve karbonatlaşma etkisiyle oluşmaktadır. Bu çalışmada nano malzemeler kullanılarak çimento esaslı malzemelerin kendiliğinden iyileşme performansının hızlandırılmasına odaklanılmıştır.

Tezin önemi

Çimento esaslı kompozitlerde kendiliğinden iyileşme performansının tetiklenmesiyle, hasarların nano malzemelerin kullanımıyla daha hızlı ve daha geniş çatlaklarda iyileşmesi hedeflenmiştir. Böylelikle sürekli tekrarlanan bakım/onarım uygulamalarının ve bu uygulamalar için sarf edilen doğal kaynak ve bütçe harcamalarının önüne geçilmesi için mevcut çalışmada elde edilen sonuçların katkı sağlayacağı düşünülmektedir. Tüm dünyada ülkeler sürdürülebilir bir şekilde ekonomik olarak sürekli gelişme sağlama çabası içindedirler. Söz konusu çabalar, özellikle gelişmekte ve hızlı büyüyen ekonomilere sahip ülkelerde daha net görülebilmektedir. Otoyollar, havaalanları, köprüler, yer altı toplu taşıma sistemleri, barajlar, atık su arıtma tesisleri, deniz yapıları ve bina formatında gelişen altyapı, ticareti destekleyen ve dış yatırımı teşvik eden unsurların temelini oluşturmaktadır. Bu sebeple, betona ekonomik gelişmenin temel taşlarından biri olduğu yorumu yapılabilir.

Bilindiği üzere ekonomilerin gelişmesi için bir ihtiyaç olması ile birlikte, bu altyapıların inşası ve bakımında kullanılacak betonlarda genellikle yüksek miktarlarda Portland çimentosu ve agregaya ihtiyaç duyulmaktadır. Bu malzemelerin üretimi giderek insan sağlığı üzerinde ciddi problemlere neden olmaktadır. Bir ton Portland çimentosunun üretilmesi sonucu birçok parçacık atmosfere salınmaktadır (Marlowe, 2003). Her yıl görülen birçok ölüm vakası atmosferdeki PM10konsantrasyonunun 20 mg/m³ seviyesine ulaşmasıyla yakından ilgilidir (Ostro, 1994).İnsan sağlığı üzerindeki doğrudan etkilerinin yanı sıra, bir ton Portland çimentosunun üretimi için 4 GJ enerjiye ihtiyaç duyulmaktadır ve bu üretim sonucu atmosfere yaklaşık 1 ton CO2 gazı salınmaktadır. Sadece Portland çimentosu üretimi, dünya genelinde CO2 salınımının yaklaşık %7’sini oluşturmaktadır. Bu durum ozon tabakasının delinmesi sebebiyle küresel ısınmaya önemli ölçüde neden olan etmenlerden biridir (Malhotra, 1998; Mehta, 1998). Ayrıca, kireç, kil ve çimento fırınlarında kullanılacak kömür gibi ham maddelerin fazla miktarlarda çıkarılması genellikle geniş orman alanlarının ve verimli toprakların kaybolmasına neden olmaktadır. Üretimdeki artış sebebiyle, son yıllarda yeni çimento fabrikalarına ihtiyaç duyulmuştur. Ayrıca, çimento üretiminde olduğu gibi, beton üretiminde kullanılacak agregaların ocaklardan çıkarılması da büyük çevresel hasara yol açmaktadır. Genel sonuç, ekonomik, çevresel ve sosyal göstergeler tarafından da desteklenen sürdürülebilir bir altyapı ağı oluşturmanın gerekliliğidir. Sürdürülebilirlik, çevresel zarara yol açmadan enerji tasarrufu sağlayabilen, yüksek dayanıklılığa sahip malzeme uygulamalarını içermektedir. Birçok yapı, belirli çevresel şartlar altında, hatalı tasarım, malzeme seçimi ve uygulamalar sebebiyle bozulmaktadır. Bu sebeple, beton üretimi, dünya çapında çevresel sürdürülebilirlik açısından büyük bir problem olmaya devam etmektedir. İnşaat yönetmeliklerinde yapı tiplerine göre değişmekle birlikte genellikle 50-100 yıllık servis ömürleri söz konusuyken edinilen deneyimlerde birçok yapının mekanik yüklemeler ve çevresel koşulların birleşik etkisiyle 20 ya da 30 yıl sonucunda bozulmaya başladığı tespit edilmiştir. Beton yapıların servis ömürlerinin kısalığı, bozulan yapıların tamir ve değişimi, inşaat sırasında oluşan trafik yoğunluğu, salınan zararlı gazlar ve yakıt tüketimi sonuçlarından dolayı da önem arz etmektedir. Betonarme yapıların düşük dayanıklılığıyla ilişkilendirilen çatlak oluşumu servis ömrünü kısaltan temel sebeplerden biridir.Çatlama genel olarak beton ve çevre arasında oluşan çeşitli fiziksel, kimyasal ve mekanik etkileşimlerin sonucu olup yapının servis ömrü boyunca farklı aşamalarda görülebilir. Çatlak genişliğinin kontrolsüz olduğu gevrek geleneksel betonda, çatlak oluşumu negatif etki yaratan iki temel olayın oluşmasından sorumludur. Bunlar, betonun dayanımı ve rijitliğindeki azalma ile beraber; paslanma, alkali-silika reaksiyonu,

donma/çözülme hasarı ve sülfat hücumu gibi çeşitli bozulmalara ve ilerleyen çatlak oluşumuna sebep olabilecek diğer bozulma tipleridir.Bu sebeplerden dolayı, dayanıklılık özelliği hayati önem taşımakta olup betonun dayanıklılığı betonun gevrek yapısıyla doğrudan ilişkilidir. Son zamanlarda beton teknolojisi hızlı bir gelişme göstermiştir. Betonun kırılgan yapısını iyileştirmek için yapılan çalışmalar, tek yönlü çekme deneyi altında sünek davranış gösteren yüksek performanslı lif donatılı çimento bağlayıcılı kompozitlerin (YP- LDK) ortaya çıkmasına sebep olmuştur. Normal ve lif donatılı betonlardan farklı olarak YP- LDK’de, ilk çatlak oluşumundan sonra, lifler fazladan yük taşıyabilmektedir. Yüklemedeki artış ile birlikte, matrise, lif-matris arayüz özelliklerine, lif tipi ve kullanım oranına bağlı olarak, daha dar çatlak genişliğine (genellikle 100 μm’dan daha dar) sahip çoklu mikro çatlaklar oluşmakta ve betonun şekil değiştirme kapasitesi önemli ölçüde artmaktadır. Bu sebeple, çekme gerilmesi-birim şekil değiştirme eğrisi alüminyum gibi sünek malzemelere benzer şekilde çatlak sonrası şekil değiştirme sertleşmesi göstermektedir. Çatlak genişliğinin yeterince dar olduğu durumlarda çatlakların kendiliğinden iyileşme ihtimali ortaya çıkmaktadır. Kısaca dayanıklılık, dolayısıyla sürdürülebilirlik elde edilmesi amaçlandığında; yüksek dayanım kriterinin yanı sıra yük altında kontrollü dar çatlak genişliğine sahip davranış sergileyen ya da tamamen çatlaksız beton yapıların elde edilebilmesi için var olan uygulamalar ve tavsiye edilen standartların yaklaşımında değişime gidilmesi gerekliliğidir. Kırılgan geleneksel ve lif donatılı betondaki çatlak kontrolü eksikliği sebebiyle çatlak genişliği hızla artıp bu çatlaklar betonun uzun vadede dayanıklılık performansını önemli ölçüde düşüren tehlikelerin oluşmasından sorumludur. Bu tez çalışmasının amaçları genel olarak değerlendirildiğinde, kendiliğinden iyileşme fonksiyonelliğine sahip çimento bağlayıcılı kompozitlerin tasarlanıp uygulamalarda yer alması durumunda, ulusal ekonomi ve toplumsal refahın bir parçası olan sürdürülebilir kalkınmaya katkı sağlanacağı düşünülmektedir. Günümüzde yaygın kullanılan bir yapı malzemesi olan beton, önemli ölçüde düşük maliyeti ve nispeten yüksek basınç dayanımından ötürü kullanılmaktadır. Beton mekanik özellikler yönünden avantajlı olsa da zayıf dayanıklılık ve yüksek deformasyon göstermektedir. Çelik donatı ile beraber kullanılan beton, bu malzeme ile çekme gerilmelerine karşı da mukavemet göstererek günümüzde yapı sektörünün vazgeçilmez yapı malzemesidir. Çelik donatı ile betonlarda oluşan çatlaklar kısmen engellenirken tamamen çatlak gelişimine engel olmak mümkün değildir. Yapıların dayanımı çoğunlukla, zararlı sıvıların, iyonların ve gazların yapı malzemesine nüfuz etmesiyle ilişkilidir. Bu tür etmenler yapı malzemesine nüfuz ettiklerinde bozulmalara, zararlara ve yıpranmalara neden olurlar. Bu tür dış çevre etkilerine maruz kalan çeliklerde

de dayanımı azaltan ve malzemenin deforme olmasına neden olan etmenler, yapısal çeliğin çekme mukavemetini aşağıya çekerler. Dış çevre etkileri inşaat demirinde korozyana sebep olduğunda ise; çeşitli hasarlar oluşabilmekte ve hatta göçmeye varan sonuçlar ortaya çıkabilmektedir. Bu aşamada dış çevre koşullarına bağlı malzemeye zarar veren etkilerin yarattığı çatlaklar bakım ve/veya onarım yoluyla iyileştirilmekte ve yapının zararı giderilmeye çalışılmaktadır. Anlaşıldığı gibi çatlakların bakımı ve onarımı, yapının performansının devam etmesi için hayati önem taşımaktadır. Ancak her zaman çatlaklar gözle görülür veya ulaşılması mümkün yerde değildirler. Üstelik bakım-onarım çalışmaları, ek maliyetlere, zaman kaybına, yapıda devam eden diğer işlerin aksamasına sebep olmaktadır. Bu zararlı etkilere karşı beton elemanlarda çeşitli takviyeler yapılarak yapıların nitelikleri arttırılmaya çalışılmıştır. Yapı ömrünü uzatma, dayanım, maliyetleri düşürme gayretleri doğrultusunda yapılan çalışmalar günümüzde de devem etmektedir. Bu çalışmaların bir ürünü de mikro mekanik olarak tasarlanmış çimentolu esaslı kompozitlerdir (ECC). Sözü edilen bu beton türüne gelene kadar beton çok çeşitli araştırmalara konu olmuştur. Bu anlamda geleneksel beton malzemeyi tanımak ve detaylı incelemek yerinde olacaktır. Betonun; düşük birim ağırlık, yüksek mukavemet, yüksek kırılma tokluğu ve yüksek çarpma dayanımı gibi özellikler beklenen en temel niteliklerdir. Betonun; kolayca karılabilmesi, ayrışma yapmadan taşınabilmesi, yerleştirilebilmesi, sıkıştırılabilmesi ve yüzeyinin düzeltilebilmesi gibi özelliklerin tümüne işlenebilme; beton karışımının ıslaklık derecesine yani betonun ne ölçüde ıslak veya kuru olduğunu tanımlayan özelliğe ise kıvam denilmektedir (Taşdemir vd., 2003). Geleneksel betonun tipik değerleri aşağıda Çizelge 1.1’de verilmiştir.

Çizelge 1.1. Geleneksel betonun karakteristik özellikleri

Basınç Dayanımı 35 MPa

Eğilme Dayanımı 6 MPa

Çekme Dayanımı 3 MPa

Elastisite Modülü 28000 MPa

Poisson Oranı 0,2

Isısal Genleşme Katsayısı 10x10-6/ 0C

Rötre %0,05-0,1

Yoğunluk

Ağır Beton >2800 kg/m³

Normal Beton 2350 kg/m³

Hafif Beton 1800 kg/m³

Geleneksel beton hacim olarak genellikle içerisinde %10 çimento, %20 su ve hava, %30 kum, %40 çakıl barındırır. Sünek davranış özelliği çok düşüktür ve yük altında gevrek bir kırılma davranışı göstermektedir. Betonun mekanik yükler altında gösterdiği davranışlar

malzemenin içeriği ile ilişkilidir. Betonun dezavantajlı yapısı daha önce vurgulandığı gibi mekanik, fiziksel ve kimyasal özellikleri iyileştirilerek giderilmeye çalışılmaktadır. Bu bağlamda tasarlanan çimento esaslı kompozitler, kendini iyileştirme yetenekleri ile dayanım, rijitlik, mekanik-kimyasal-fiziksel niteliklerin korunması ve güçlenmesi gibi avantajlar sağlamaktadır. Yapı içerisinde kullanılan malzemenin uzun süre dayanması, çatlak oluşumunu yönetip iyileştirebilmesi kuşkusuz yapı malzemelerinin niteliklerini geliştirmektedir. Tasarlanan bu malzemelerin çıkış noktası ise doğa olmuştur. Tıpkı canlılar gibi beton da deforme olan bölümlerini temel yapı taşları ile onarıp iyileşme sağlayarak uzun ve nitelikli kalıcılık sağlayabilmektedir. Şekil 1.1’de betonda kendini iyileştirme mekanizmalarının şematik gösterimi verilmiştir.

Şekil 1.1. Kendiliğinden iyileşme mekanizmaları

Çimento esaslı kompozitlerde kendiliğinden iyileşme için olası mekanizmalar sırasıyla; a) kalsiyum karbonat veya kalsiyum hidroksit oluşumu, b) suyun içerisindeki mineraller, c) gevşek beton parçacıkları, d) reaksiyona girmemiş çimento taneciklerin hidratasyonudur (Schlangen, 2010).

2. LİTERATÜR ÖZETİ

2.1. Tasarlanmış Çimento Bağlayıcılı Kompozitler

Betonda oluşan çatlaklar genellikle beton ve çevre koşulları arasındaki çeşitli fiziksel, kimyasal ve mekanik etkileşimlerin sonucu olup yapının kullanım süresi boyunca farklı aşamalarda oluşmaktadır. Çatlak genişliği kontrolü olmayan geleneksel gevrek betonlarda çatlakların yapısı meydana gelen hasarlardan sorumludur. Bu hasarlar, betonun mukavemeti ve rijitliğinin düşmesi ve korozyon, alkali-silika reaksiyonları, donma-çözülme hasarları ve sülfat hücumu gibi betona zarar veren zararlı kimyasalların betona daha fazla nüfuz etmesidir (Mindess ve diğerleri, 2003). Bu nedenle, dayanıklılık bütün beton yapılar için son derece önemli olup söz konusu özellik büyük oranda betonun gevrek yapısıyla ilgilidir.

Yüksek basınç dayanımına sahip betonlar geçmiş yıllardan bu yana yapısal amaçlarda kullanılmaktadır. Fakat yüksek dayanıma sahip betonlar normal dayanımlı betonlara oranla daha gevrek bir davranış sergilemektedir. Ayrıca, betonun gevrekliği basınç dayanımı yükseldikçe daha da artmaktadır. Bu durum ise yapısal uygulamalarda olası tehlikeler meydana getirmektedir. Günümüzde sık sık karşılaşılan dayanıklılık problemlerinin ve beton ömrünün az olmasının en önemli sebeplerinden birisi de betonun gevrek kırılma davranışıdır. Oysaki yüksek sünekliğe sahip betonların kullanımı ile beton yapıların deprem yüküne vereceği tepkilerde ve çevresel koşullar altındaki dayanıklılığında kayda değer bir biçimde iyileşmeler olacaktır. Bu nedenlerden dolayı yapısal uygulamalarda çimento esaslı yüksek sünekliliğe sahip bir kompozit malzemenin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmuştur.

Yüksek performanslı lif donatılı çimento esaslı kompozitlerin yeni bir türü olan mikro- mekanik olarak tasarlanmış şekil değiştirme sertleşmesi gösteren yüksek performanslı lif donatılı çimento bağlayıcılı kompozitler (Engineered Cementitious Composites – ECC), ağır yüklemeler altında yüksek hasar toleransı ve normal servis şartlarında yüksek dayanıklılık göstermesi için mikro-mekanik olarak tasarlanmış sünek lif donatılı çimento esaslı kompozitlerdir (Emmons ve Vaysburd, 1995; Morgan, 1996). ECC’yi geleneksel ve lif donatılı betonlardan (LDB) ayıran en önemli özelliği, karışımına göre %3 ile %5 arasında değişen eksenel çekme şekil değiştirme kapasitesine sahip olmasıdır. Bu kapasite normal betonun 300 katından daha fazla şekil değiştirme kapasitesine izin veren çok dar açıklıklı mikro-çatlakların oluşumuyla ilgilidir. Çatlakların oluşumundan sonra daha yüksek yükleri taşıyabilen bu çatlaklar, malzemenin sünek metallere benzer bir şekilde şekil değiştirme sertleşmesi göstermesini sağlamaktadır. ECC’nin bileşenleri LDB’a benzer olmasına

rağmen, ECC’de mikroçatlaklar aracılığıyla göstermiş olduğu şekil değiştirme sertleşmesi özelliği, bileşenleri (çimento, kum ve lif) arasındaki ara yüz özelliklerinin kontrolü ve mikro- mekanik tasarımlar yoluyla elde edilmektedir (Emmons ve Vaysburd, 1995; Mather ve Warner, 2003; Morgan, 1996). Dayanım, elastisite modülü ve en-boy oranı gibi lif özellikleri ECC’de kullanım amacıyla isteğe göre uyarlanmıştır. Poli-vinil-alkol (PVA) lifler kullanılarak üretilen tipik ECC’nin karışım oranları Çizelge 2.1’de verilmiştir.

Çizelge 2.1. ECC malzemesinin tipik karışım tasarımı

Çimento Su Kum Uçucu Kül SA Lif (%)

1,00 0,58 0,80 1,20 0,013 2,00

SA = süper akışkanlaştırıcı; lif hariç tüm bileşenlerin ağırlıkça oranları.

Birçok yüksek performanslı lif donatılı çimento esaslı kompozit malzemelerde yüksek performans elde edebilmek için yüksek hacimde life ihtiyaç duymasına rağmen, ECC üretiminde hacimce %2 oranında, kısa süreksiz lifler kullanılmaktadır. ECC üretiminde düşük hacimde lif kullanımı ile beraber yaygın bileşenlerin kullanımı ile inşaat uygulamalarında esnekliğe olanak sağlamaktadır. Bugüne kadar, ECC malzemeleri, kendiliğinden yerleşen dökümler, ekstrüzyon, püskürtme ve geleneksel karıştırıcı ya da hazır beton kamyonu kullanılarak üretimi gerçekleştirilmiştir (Li ve Stang, 2004; Vaysburd ve Emmons, 2004). Üretiminde %2 oranında PVA lif içeren ECC’nin tipik eksenel çekme gerilmesi – birim şekil değiştirme eğrisi Şekil 2.1’de gösterilmektedir (Heiman ve Koerstz, 1991). Şekilden görüleceği üzere ilk çatlaktan sonra karakteristik şekil değiştirme sertleşmesi özelliği çoklu mikro-çatlak gelişimi ile birlikte meydana gelmiştir. Plastik deformasyon sırasında meydana gelen çatlakların gelişimi de Şekil 2.1’de gösterilmiştir.

Şekil 2.1’den görüleceği üzere çatlak genişliği azami yük taşıma kapasitesinde dahi 100 µm seviyesinin çok altında kalmıştır. Çok aşırı eğilme yüklemelerinde, ECC kiriş numunesi plastik deformasyon göstererek sünek bir metal gibi deformasyon göstermektedir (Şekil 2.2).

Basınç yüklemeleri altında ise ECC malzemesi normal veya yüksek dayanımlı betona benzer basınç dayanımı göstermektedir (Vaysburd ve Emmons, 2004). ECC'nin geleneksel betona kıyasla diğer avantajları Çizelge 2.2'de özetlenmiştir.

Şekil 2.1. ECC’nin tipik çekme gerilmesi-birim şekil değiştirme eğrisi ve çatlak genişliği gelişimi

Şekil 2.2. ECC’nin eğilme yükleri altındaki davranışı

Çizelge 2.2. Geleneksel beton ile ECC'nin özelliklerinin karşılaştırılması

Özellikler Geleneksel Beton ECC

Boyutsal uyumluluk Zayıf Geleneksel betonlaçok uyumlu

Şekil değiştirmesi kapasitesi 0,01% - 0,02% ~ 2-5% (yaklaşık 200-500kat daha sünek) Eğilmede çekme dayanımı

(MPa)

5-8 10-14 (yaklaşık iki katdaha yüksek)

Basınç Dayanımı (MPa) 30-60 40-150 (üç kata kadardaha yüksek)

Kısıtlanmış rötre çatlak genişliği 1 mm 0,03 mm

Geçirimlilik (m/s) 1,7 x 10^-5 2,5 x10^-10(çok düşük geçirimlilik)

Dona karşı dayanım Hava

sürüklenmişse iyi En az hava sürüklenmiş beton kadar dayanıklı

Yorulma mukavemeti Zayıf Geleneksel betona oranla onlarca kat daha iyi Çatlama/Tabakalanma

Korozyona dayanım Darbe dayanımı

Gevrek Zayıf Zayıf

Sünek Üst Düzey Üst Düzey

2.2. ECC'nin Mikro-mekanik Tabanlı Tasarım Yaklaşımı

ECC tasarımında ilk olarak yük altında kompozitin çoklu mikro çatlak oluşumu ve şekil değiştirme sertleşmesi davranışının sağlanmasıdır. Bu durum büyük deformasyonların çoklu mikro-çatlakların üzerine yayılmasına izin vermektedir. ECC'de şekil değiştirme sertleşmesinin ve çoklu çatlak oluşumun dayanağı olan kararlı düz çatlak yayılması ilk kez Marshall ve Cox (1988) tarafından nitelendirilmiş, ardından Li ve Leung (1992) tarafından lif donatılı çimento esaslı kompozitlere uyarlanmıştır. Griffith tipi çatlak oluşumundan (şekil değiştirme yumuşaması sergileyen lif donatılı betonlarda olduğu gibi çatlak yayılırken aynı anda çatlak genişliği artmakta) farklı olarak, kararlı durum düz çatlak (çatlak yayılırken genişliği sabit kalmakta) oluşumu sayesinde ECC aşırı çekme deformasyonları altında şekil değiştirme sertleşmesi davranışı sergilemektedir. Böylece tüm numuneye yayılmış çoklu mikro çatlaklar meydana gelmektedir (Şekil 2.3). Çoklu kararlı durum çatlak oluşumu matris kırılma tokluğu ile birlikte "Çatlak Köprüleme Dayanımı-Çatlak Açıklığı" ilişkisi ile yönetilmektedir. Bu durumun elde edilebilmesi için aşağıda sunulan eşitsizlik denkleminin sağlanması gerekmektedir.

m 2 m tip 0

0 0 '

b E

J K d ) ( J

0   







 ^



Bu denklemde J’b tamamlayıcı enerji (Şekil 2.4'e bkz.), 0 ve 0 maksimum çatlak köprüleme gerilmesi ve bu gerilmede meydana gelen çatlak açıklığı, Jtip harç matrisin kırılma enerjisi, Km harç matrisin kırılma tokluğu ve Em ise harç matrisin elastik modülüdür. Kırılma enerji kriterine ilaveten, aşağıdaki denklemde açıklanan dayanım kriterinin de sağlanması gerekmektedir.

fc

0 

 (2.2)

Bu denklemde 0 maksimum çatlak köprüleme gerilmesi, fc ise harç matrisinde ilk çatlak oluşum dayanımıdır. Yayılı çoklu çatlakların oluşabilmesi için, Wang ve Li (2004) dayanım kriterinin her bir çatlak düzleminde sağlanması gerektiğini bulmuşlardır.

Şekil 2.3. Kararlı durum düz çatlak ve Griffith tipi çatlak oluşumu (Li ve Leung, 1992)

Şekil 2.4. Şekil değiştirme sertleşmesi gösteren kompozit için tipik çatlak köprüleme gerilmesi-çatlak açıklığı eğrisi: Taralı alan tamamlayıcı enerjiyi (J^’b); gölgeli alan ise çatlak ucu tokluğunu (Jtip) ifade etmektedir (Wang ve Li, 2004)

Yukarıda detayları verilen enerji ve dayanım kriterlerinin her ikisini de sağlayan ECC karışımları sayesinde çoklu kararlı durum düz çatlak oluşumu ve şekil değiştirme sertleşmesi davranışı mümkün olmaktadır. Ancak çoklu kararlı durum düz çatlakların oluşumuna ilaveten, kompozitte oluşacak çatlakların genişlikleri sınır değeri olan 100 m mertebesinin

altında olması gerekmektedir. Bu durum yukarıda Eşitlik 1’de verilen Çatlak Köprüleme Dayanımı-Çatlak Açıklığı İlişkisinin uygun hale getirilmesi ile elde edilebilir. Şekil 2.4’te ECC’nin çoklu çatlak davranışı esnasında sergileyeceği maksimum kararlı durum çatlak genişliğinin 0 ve bu çatlak açıklığına karşılık gelecek maksimum çatlak köprüleme gerilmesinin 0 olduğu ifade edilmiştir. Çatlak genişliği 0 değerini aşınca, çatlak köprüleme gerilmesi düşmeye başlayıp, bu durumda çatlak bölgeselleşip çoklu çatlak oluşumu meydana gelemeyecektir. Maksimum kararlı durum çatlak genişliğinin 0’ı sınır değeri olan 100 m mertebesinin altında tutarak, ECC malzemesi çoklu çatlama davranışı sergilerken aynı anda dayanıklılık özellikleri için önemli olan dar çatlak genişliği özelliği de elde edilmiş olmaktadır.

2.3. Nano Teknoloji ve İnşaat Mühendisliği

Nano ölçek kavramı boyutları 1-100 nm (1nm=10^-9 m, yani metrenin milyarda biri) arasında olan ölçüler için kullanılmaktadır. Bir başka deyişle, nano ölçeğin ne düzeyde küçük olduğunu anlamak için insandaki saç örneği de verilebilir. İnsan saçı 100000 nm (0,1 mm) kalınlığındadır. Şekil 6’da nano teknoloji ürünlerinin fiziksel üstünlüğünün daha iyi anlamak adına bir analoji yapılmıştır. Örneğin bir karbon fuller ile (karbon grafit ve elmas haricindeki allotroplara verilen isim) greyfurt arasındaki oran yaklaşık olarak greyfurt ile Dünya arasındaki oran ile aynıdır.

Şekil 2.5. Karbon fulleri, greyfurt ve Dünya (Jones ve diğerleri, 2016)

Nano malzemeler yapı alanında giderek artan bir oranda kullanılmaktadır (Teizer ve diğerleri, 2011). Örneğin, nano malzemelerin betona eklenmesi basınç dayanımı, aşınma direnci ve eğilmede çekme dayanımını geliştirmektedir. Bunu bağlı olarak, enerji ve çevresel faydalar da göz önünde bulundurulduğunda global çimento tüketimini azaltmada nano teknoloji ürünleri önemli faydalar sağlayabilir. (Raki ve diğerleri, 2010). Nano-teknolojinin anlamı alandan alana ve ülkeden ülkeye değişkenlik göstermesine rağmen, nano-teknoloji

kavramı maddenin nanometre mertebesinde (100 nm’den küçük ölçekler için) anlaşılması, kontrol edilmesi, yeniden yapılandırılması ve temel olarak yeni özellik ve fonksiyonlarda malzemelerin yeniden üretilmesi şeklinde yaygın olarak tanımlanmaktadır (Roco, 2007).

Nano-teknoloji iki temel yaklaşımı kapsamaktadır. Birincisi, “Top-down” yaklaşımı ki yukarıdan aşağıya yaklaşımı olarak tanımlanabilir. Bu yaklaşımda, büyük yapılar boyut itibariyle atomik düzeyde kontrol yapılmaksızın malzemenin orijinal özelliklerinin muhafaza edildiği bir nano boyuta düşürülür ya da daha büyük yapılardan daha küçük yapılara veya kompozit parçalarına ayrıştırma yaklaşımıdır. İkincisi ise, “Bottom-up”

yaklaşımıdır ki moleküler nano-teknoloji ya da moleküler üretim olarak bilinen (Drexler ve diğerleri, 1991) bu yaklaşımda malzemeler atomlar veya moleküler bileşenlerinden belirli bir prosesten geçirilerek tasarlanmaktadır. Nano-teknoloji malzeme ve üretimlerinde, elektronik, tıp ve sağlık, enerji, biyoteknoloji, bilgi teknolojisi ve ulusal güvenlikteki atılımlar için büyük bir potansiyel içermektedir. Bugüne kadar, yapı ve yapı malzemeleri alanındaki nano-teknoloji uygulamaları ve ilerlemeleri düzensiz ve inişli çıkışlı bir halde olduğu görülmektedir. Betonda nanoteknolojinin ticari boyutta kullanımı çok az sayıda sonuç ile pazarlanabilir ürünlere başarılı bir şekilde dönüştürülmesi kısıtlı durumunu korumaktadır. En önemli ilerlemeler, çimento bağlayıcılı malzemelerin özellikle çimentodaki temel olayların nano düzeyde bilinmesi ve anlaşılması ile meydana gelmiştir (Scrivener ve Kirkpatrick, 2008; Scrivener, 2009), (örneğin ana hidrat fazlarının yapısal ve mekanik özellikleri, çimento kohezyonunun kaynakları, çimento hidratasyonu, betonda ara yüzler ve bozunma mekanizmaları).

Beton, dünyada en yaygın kullanılan/üretilen, nano yapılı, çok fazlı ve zamanla sertleşen kompozit bir malzemedir. Amorf bir faz, nano boyuttan mikro boyuta kadar değişen kristal yapılar ve bu yapıya bağlı sudan oluşmaktadır. Amorf faz olan kalsiyum-silikat-hidrat (CSH) jelleri hem nano düzeyde bir malzemedir hem de betonu bir yapıştırıcı gibi bir arada tutar (Chong ve Garboczi, 2002). İnşaat mühendisliğinde nano teknoloji daha çok nano- modifikasyon uygulamaları ile yaygın olarak kullanılmaktadır (Scrivener ve Kirkpatrick, 2008; Scrivener, 2009; Raki ve diğerleri, 2009; Garboczi, 2009). Nano-bilim, ileri düzey karakterizasyon teknikleri ve atomik/moleküler düzeyde modellemeleri kullanarak malzeme yapısının özellik ve performansının makro düzeyde nasıl etkilendiğini daha iyi anlamak için, çimento esaslı malzemelerin nano ve mikro yapılarının karakterizasyon ve ölçümlerine değinmektedir. Nano-mühendislik ise, en üstün mekanik ve dayanıklılık performansına

sahip olan tasarlanmış, çok fonksiyonlu ve bağlayıcı malzemeli kompozitlerin yeni bir jenerasyonunu nano düzeyde geliştirmeyi hedeflemektedir. Beton içine nano tanecikler ve nanotüpler gibi nano boyutlu maddelerin eklenmesiyle, beton davranışını kontrol etmek ve performansı ileri seviyelere çıkarmak mümkün hale gelmektedir. Çimento nano- mühendisliği hızla gelişmekte olan bir alan olarak karşımıza çıkmaktadır. Nano düzeyde malzemelerin sentezlenmesi ve üretilmesi, yeni süper akışkanlaştırıcı malzemeler, nano tanecikler ya da nano donatılar gibi yeni çimento katkılarının geliştirilmesi imkanını sağlamaktadır. Hibridizasyon ve moleküllerin aşılanması için geliştirilen metotlar, çimento fazlarının temel/ana yapısının doğrudan manipüle edilmesi imkanını sunmaktadır. Bu teknikler beton özelliklerini, performansını, bozunma süreçlerini kontrol etmek ve yeni fonksiyonlu ve şu anda mevcut olmayan akıllı özellikli malzemeleri tedarik etmek için kullanılabilmektedirler. Nano düzeyde betonun tasarlanması şu üç konumdan birinde veya daha fazlasında gerçekleştirilebilir (Garboczi, 2009); (i) katı faz, (ii) sıvı faz ve (iii) arayüz (sıvı-katı veya katı-katı arasındaki ara yüzler). Nano boyutlu taneciklerde üstün kimyasal reaktiviteyi sağlayan yüksek bir yüzey alanı-hacim oranına bulunmaktadır (Şekil 7). Bugüne kadar nano taneciklerle yapılan çalışmaların çoğunluğunu nano-silika (nano-SiO2) (Björnström ve diğerleri, 2004; Ji, 2005; Jo ve diğerleri, 2007; Qing ve diğerleri, 2007; Lin ve diğerleri, 2008; Sobolev ve diğerleri, 2009) ve nano titanyum oksit (nano-TiO2) oluşturmaktadır. Nano demir oksit (nano-Fe2O3), nano-alüminat (nano-Al2O3) ve nano-kil (Chang ve diğerleri, 2007; Kuo ve diğerleri, 2006) tanecikleri içeren çalışmalar ise çok az düzeydedir. Bunlara ilave olarak, nano bağlayıcıların geliştirilmesi ve nano boyutlu çimento taneciklerinin üretimi üzerine değinen çok kısıtlı sayıda çalışma bulunmaktadır (Sobolev ve Gutiérrez, 2005; Lee ve Kriven, 2005). Çimento fazları için nano tanecikler bir çekirdek gibi davranabilmekte ve böylece çimento hidratasyonunun reaktivitesi artmaktadır. Ayrıca, nano donatı ve taş unu/filler gibi davranarak ara yüzü ve mikro-yapıyı yoğunlaştırarak porozitenin azalmasını sağlamaktadır. Nano malzemelerde en önemli problem nano malzemelerin matris içerisine etkili bir şekilde dağıtılabilmesidir. Nano-SiO2 (Şekil 7) betonun işlenebilirlik ve dayanımını (Sobolev ve diğerleri, 2009; Sobolev ve Gutiérrez, 2005; Li ve diğerleri, 2004) geliştirmekte olup, su geçirimliliği direncini artırmaktadır (Ji, 2005).

Bunlara ilave olarak, nano-SiO2 kullanılmasıyla nano taneciklerin geniş ve yüksek reaktif yüzey alanlarının bir neticesi olarak kül-çimento harçları ve C3S’in hidratasyon reaksiyonlarında artış/hızlanma gözlemlenmiştir (Bjornstrom ve diğerleri, 2004). Nano silis’in silis dumanından daha çok dayanımda geliştirmeler sağlandığı bulunmuştur (Jo ve

diğerleri, 2007; Qing ve diğerleri, 2007). Akışkanlaştırıcı kimyasal katkı yardımıyla %10 oranında nano silis eklenmesiyle çimento harcının 28 günlük basınç dayanımında %26 oranında bir artış gözlemlenirken %15 oranında silis dumanı eklenmesiyle bu oran % 10 değerine karşılık gelmektedir (Li ve diğerleri, 2004) (Şekil 2.7). Bu nedenle, nano silis mikro-yapıyı geliştirmek için sadece bir filler/dolgu malzemesi gibi davranmayıp aynı zamanda bir aktivator gibi puzolanik reaksiyonları ilerletmektedir (Jo ve diğerleri, 2007).

Şekil 2.6. TEM kullanılarak gözlemlenen düzgün dağılımlı küresel nano-SiO2 tanecikleri

Şekil 2.7. Referans Portland çimentosu ve silis dumanı harçlarına karşılık farklı dozajlardaki nano silis ve nano demir oranları ile üretilen çimento harçları basınç dayanımı değerleri (Li ve diğerleri, 2004)

Nano-TiO2 (NT) kullanılmasıyla betonun kendiliğinden temizlenmesi etkili bir şekilde başarılmış ve çevreyi kirliliğini önlemede faydalar sağlanmıştır (Şekil 2.8). Kendiliğinden temizlenme ve çevresel kirliliği önleme özelliğine sahip beton ürünleri birçok firma tarafından hali hazırda üretilmektedir. Bu tür ürünler özellikle bina cephelerinde yollarda kaplama malzemesi olarak Avrupa ve Japonya'da kullanılmaktadır. Kendinden temizleme özelliğine ilave olarak, NT kullanılmasıyla Portland çimentosunun basınç ve eğilmede çekme dayanımı ile aşınma direnci geliştirilmiştir (Li ve diğerleri, 2006; Li ve diğerleri, 2007). Ayrıca erken yaş hidratasyonun hızlandığı (Jayapalan ve diğerleri, 2009) gözlemlenmiştir. Fakat, karbonatlaşma nedeniyle oluşan sertleşme katalitik etkinlikte/verimlilikte kayıp ile neticelenebilmektedir (Lackhoff ve diğerleri, 2003).

Şekil 2.8. NO’nun zararlı etkilerini incelemek için kullanılan deney düzeneği (solda) ve NT ile üretilmiş olan mimari betonun performansı (sağda) (Skliarov, 2010)

Nano demir oksit (ND) kullanımında kendiliğinden algılama kabiliyetine ilave olarak hem basınç dayanımında hem de eğilmede çekme dayanımında iyileşmeler gözlemlenmiştir (Li ve diğerleri, 2004). ND ile üretilen çimento harcının elektrik direncinin uygulanan yüke göre değiştiği belirlenmiştir. Bu durum ND ile üretilen harcın kendi basınç gerilmesini algılayabileceğini göstermektedir. Nano boyutlu çimento taneciklerinin üretimi için iki

yol/metot rapor edilmiştir. Birincisinde geleneksel Portland çimentosu klinkerinin yüksek enerjili değirmenlerde öğütülmesi (top-down yaklaşımı) öngörülürken, ikincisinde ise kimyasal sentezleme (Bottom-up yaklaşımı) öngörülmektedir (Lee ve Kriven, 2005). Nano boyutlu çimento tanecikleriyle üretilen çimento hamurlarının priz alma sürelerinde kısalmalar gözlemlenmiş, yani priz almaları hızlanmış olup normal geleneksel çimentoya kıyasen erken yaşta basınç dayanımında artış saptanmıştır (Lee ve Kriven, 2005). Örneğin yüksek hacimde granüle fırın cüruflu çimentonun mekanik ve kimyasal nano modifikasyonu neticesinde %62 oranlarına kadar basınç dayanımında bir artış meydana gelmiştir (Sobolev, 2005). Nano kil parçacıkları kullanılmasıyla mekanik performansta gelişme, klor geçirimliliği direncinde artış, betonun kendiliğinden yerleşebilme özelliklerinde gelişme, geçirimlilik ve rötrede azalma gibi performans geliştirici sonuçlar elde edilmiştir (Chang ve diğerleri, 2007; Kuo ve diğerleri, 2006). Nano tanecikli ve nano taneciksiz harç numunelerinin mikro yapısal SEM çalışmaları nano-SiO2 (NS) ile arttırılmış bir performans elde edildiğini doğrulamıştır. Miktarca oldukça az orandaki nano silis tanecikleri çimento hamurunda homojen bir şekilde dağıtıldığında, nano taneciklerin daha yüksek yüzey enerjilerinden dolayı çimentonun hidrate olmuş ürünleri nano tanecikler üzerine çökelmektedir. Nano tanecikler üzerine hidratasyon ürünlerinin çekirdeklenmesi çimento hidratasyonunu ilerletmekte ve hızlandırmaktadır (Bjornstrom ve diğerleri, 2004). Kolloidal silika eklenmesiyle çimento hamurunda C-S-H fazı oluşumu hızlanmış ve C3S’ın reaksiyon göstermesi hızlanmaktadır (Bjornstrom ve diğerleri, 2004). Performansı artıran diğer mekanizmalar şu şekilde belirtilebilir: (1) nano tanecikler çimento hamurunun nano boyuttaki gözeneklerini doldurmaktadır ve (2) NS hidratasyon ürünü olarak oluşan Ca(OH)2

(CH) ile puzolanik bir kimyasal reaksiyon göstererek ilave C-S-H jelleri oluşumunu hızlandırmaktadır (Sobolev, 2005). NS eklenmesi sonucu çimento harcında C-S-H içeriğinde artış ve CH miktarında azalış Tang ve diğerleri (2003) tarafından Diferansiyel Termal Analiz (DTA) ve XRD testleri ile incelenmiştir. Qing ve diğerleri (2007) tarafından ağırlıkça NS’ten %3 oranında kullanılmasıyla, erken yaş arayüz özelliklerinde çok iyi gelişmeler gözlemlenmiştir. Lu ve diğerleri (2006) tarafından yapılan çalışmada nano boyuttaki SiO2 tozunun kullanılmasıyla CH miktarında bir azalma, hidratasyon ısısı ve kimyasal olarak bağlanmış su miktarında bir artış gözlemlenmiştir. Dolado ve diğerleri (2005) tarafından yapılan bir diğer çalışmada dayanımda meydana gelen gelişimin puzolanik reaksiyona bağlı bir değişim olmadığı belirtilmiş ve CSH jellerinde silika zincirlerinin büyümesi neticesinde daha yoğun bir mikro-yapının oluşmasından kaynaklandığını rapor etmişlerdir. Nano karbon tüpler (KNT) ve karbon nano fiberler (KNF) çimento bazlı

malzemelerde nano donatı olarak kullanılmak için potansiyel adaylardır. Elektronik ve kimyasal özelliklere sahip olan KNT-KNF kullanılmasıyla elastik modül itibariyle TPa ve eğilme dayanımında ise GPa düzeyinde sıradışı dayanımlar elde edilmektedir (Ajayan, 1999;

Salvetat, 1999; Srivastava, 2003). Beton gibi bağlayıcılı malzemeler yapısı gereğince gevrek bir malzeme gibi davranmakta olup, düşük çekme dayanımına sahiptir ve çatlamaya eğilimlidir. Çekme dayanımını ve sünekliği artırmak ve dayanıklılığı iyileştirmek için bağlayıcı malzemeler içine fiberlerin eklenmesi bilindik bir metottur. KNT ve çimento hidratasyon ürünleri ara yüzünde yüksek bir bağ dayanımı oluşmaktadır. KNT’ler çekmede yüklerin aktarılması ile neticelenen çatlak ve boşluklar boyunca bir köprü gibi davranmaktadır (Makar, 2005). Yapılan bu araştırma, homojen olarak matris içine dağılan çok duvarlı KNT’lerin düşük oranlarda (ağırlıkça çimentonun %0,025) kullanılmasıyla bağlayıcı malzemelerin eğilme dayanımında ve rijitliklerinde artış elde edilebilmektedir.

Başka bir çalışmada da ağırlıkça düşük bir oranda (%1 oranında) KNT eklenmesiyle hem basınç dayanımında hem de eğilme dayanımında artış gözlemlenmiştir (Mann, 2008).

Araştırmalar, çimento bağlayıcılı sistemlerde makro ve mikro fiberlerin kullanılmasıyla çatlaklar ve gözenekler arasında yük aktarmasının kontrol edilebileceğini göstermiştir (Makar, 2005). Mikro fiberler mikro-çatlak gelişimini geciktirmesine rağmen onların başlamalarını durdurmamaktadırlar. KNF’lerin kullanılmasıyla hem nano çatlaklar ile gözenekler arasında köprü vazifesi görmekte hem de çimento hidratasyon ürünleri arasında iyi bir bağ oluşturmaktadır. Metaxa ve diğerlerinin (2010) yapmış olduğu bir çalışmada, KNF’lerin optimal miktarı olan ağırlıkça yaklaşık %0,048 oranında kullanılmasıyla bağlayıcı matriste önemli ölçüde eğilme dayanımı iyileşmesi gözlemlenmiştir. KNF fiberlerinin düzensiz/uygunsuz dağılımı nedeniyle çimento hamuru içinde KNF’lerin segregasyonu bir problem olarak ortaya çıkmaktadır. Bu nedenle nano fiberli çimento bağlayıcılı nano kompozitlerin yüksek performansta geliştirilmesi için çimento matrisi içerisinde nano fiberlerin homojen bir şekilde dağıtılması gerekmektedir. Çok duvarlı KNT’lerin daha küçük boylarda kullanılmasıyla daha yüksek basınç dayanımları elde edilmekte olup, nano düzeydeki gözenek alanları daha etkili bir şekilde doldurulmaktadır.

Karşılaşılan zorluklardan bazıları şu şekildedir; (1) uygun bir lif dağılımının başarılabilmesi, (2) nano tüp donatılı çimento kompozitlerinde uygun işlenebilirliğin elde edilmesi için ihtiyaç duyulan yüksek oranda su ve (3) büyük boşluk oluşumu nedeniyle basınçta azalma meydana gelmesi. Polikarboksilat esaslı yüksek oranda su azaltıcı kimyasal katkı kullanılmasıyla KNF’lerin kümeleşmeleri iyileştirilmiştir ancak KNF’ler düşük yoğunluk ve yüksek yüzey alanına sahip olduğundan liflerin matris içerisindeki homojen olmayan

dağılımları kaçınılmazdır. Ağırlıkça %0,2 oranında KNF kullanılması Portland çimentosu kompozitlerinde yarmada çekme dayanımında %22 oranında bir artış elde edilmesini sağlayabilmektedir. Su-bağlayıcı oranına bağlı olarak terleme suyuyla KNF’lerin taşınması bazen kompozitin yüzeyinde KNF’lerin kümeleşmesi ile oluşmuş gözenekli bir tabaka ile neticelenebilmektedir (Gay ve Sanchez, 2010). İşlenmemiş KNT donatılı çimento hamuruna kıyasla işlenmiş KNT donatılı çimento hamurunda daha yüksek mekanik dayanım ve daha düşük elektrik iletkenliğini göstermiştir (Li ve diğerleri, 2007). 30 nm tane boyutundaki ND taneciklerinin çimentolu sisteme eklenmesi ile uygulanan yüke göre çimento harcında elektrik direncinin değiştiği saptanmıştır. Bir başka deyişle, normal katkısız beton uygulanan gerilmenin kendiliğinden algılanmasında son derece zayıftır. Bu gözleme dayalı olarak, ND ile üretilen betonda kendi basınç gerilmesini algılama yeteneğine sahip olabilmesi mümkün görünmektedir.

2.4. Kendiliğinden İyileşen Çimento Bağlayıcılı Kompozitler

Yapısal malzemelerin zamanla deforme olarak işlevlerini yitirmesi günümüzde önemli bir problem olduğu için ECC gibi malzemelerin tasarlanması kaçınılmaz olmuştur. Yapıların yalnızca tamir edilmesi veya bozulmanın gecikmesi değil aynı zamanda deforme olan alanın kendiliğinden iyileşebilmesi servis ömrünün devam etmesini mümkün kılacaktır. Doğada canlı yaşamı kendini iyileştiren mekanizmalar prensibiyle hayatını devam ettirmektedir.

Böylece bir canlı, hayatını tehlikeye sokan durumlar dışında deforme olan bölgelerini sürekli olarak onarabilmektedir. Malzemelerin de insan veya hayvan gibi canlı organizmaların temel prensibiyle çalışabilmesinin düşünülmesi malzeme teknolojisi için bir dönüm noktasıdır. Kendini iyileştiren çimento bağlayıcılı kompozitler bu aşamada etkin bir rol oynamaktadır. Bu malzemeler hasar aldığında belli prensiplerle bünyede reaksiyonlar oluşturarak kendi hasarını giderebilmektedir.

2.4.1. Çimento esaslı kompozitlerde kendini iyileştirme teknikleri

Yakın zamanda, özellikle de son on yılda, kendini iyileştirebilen kompozitlerle ilgili çeşitli teknikler geliştirilmiştir. Mikrokapsülasyon, içi boş lifler, bakteri katkısı, mineral katkılar ve bazı iyileştirici ajan katkısı kendiliğinden iyileşme tekniklerinde kullanılan yöntemlerdir.

Mikrokapsülasyon

Mikrokapsülasyon, doğadan hareketle tasarlanmış bir tekniklerden birisidir. Örnek olarak ise bir kuş yumurtası ele alınmıştır. Bu iyileştirme tekniğinde, belirli tipte çok küçük parçacıklar, maruz kaldıkları dış ortam şartlarından korunmak için koruyucu bir kapsülün içine yerleştirilirler.

Şekil 2.9. Mikrokapsülasyon yöntemiyle iyileştirme tekniği Kapsülün SEM görüntüsü, Boh ve Sumiga (2008)

Şekil 2.9’da kendi kendini iyileştirme ajanı içeren mikro kapsüllerin çalışma prensibi görülmektedir. Şekilde görüldüğü gibi; mikrokapsülasyon sayesinde, kompozit için kendini iyileştirme yeteneğine sahip ajanlar bir çatlak oluştuğunda kapsülün açılmasıyla çatlaklara dolarak tepkimeye girerler. İyileştirme ajanları çatlak yüzeyine kılcal damarlar şeklinde nüfuz etmektedir. Serbest kalan iyileştirme ajanları ile tepkime başlamakta ve çatlaklar iyileşmektedir. Boh ve Sumiga (2008), yapı malzemelerinde çimentolu matrislerin hidratasyon üretim yeteneğini artırmak amacıyla bu yöntemi kullanmışlardır. Bir başka çalışmada ise; kendiliğinden iyileşme sağlanması için birden fazla bileşen içeren epoksi reçine bir kapsüle yerleştirilmiştir (Nishiwaki, 1997).

İçi boş lifler (Hollow Fiber)

İçi boş lif olarak adlandırılan bu tip malzemeler yardımıyla bir başka kendiliğinden iyileşme yöntemi de mümkündür. Bu yöntemde, boş bir pipet veya tüp çapına bağlı olarak

yerleştirilen kendini iyileştirme parçacıkları çatlak oluşmasıyla açığa çıkmakta ve kompozitin kendiliğinden iyileşme mekanizmasını tetiklemektedir.

(a) İyileştirme ajanı içeren cam tüp

(b)Cam tüpün kırılması ve iyileştirici ajanların çatlakları doldurması

Şekil 2.10. İçi boş liflerin kendiliğinden iyileşme amacıyla kullanılması

Şekil 2.10’un (a) gösteriminde tüp veya pipet benzeri bir kanala yerleştirilen kendini iyileştirme ajanları görülmektedir. Aynı şeklin (b) gösteriminde ise; çatlak oluşumuyla ajanların yerlerinden çıkarak tepkimeye girmesi görülmektedir. İçi boş lif kullanımının kendini iyileştirme ajanı taşıyan kapsüllere göre daha özel bir kullanım olduğu bilinmektedir. Metilmetakrilat (Dry ve McMillan, 1996), etil siyanoakrilatı (Joseph ve arkadasları 2010), poliüretan (VanTittelboom ve arkadasları 2011) gibi kendini iyileştirici ajan malzemeleri birçok araştırmacı tarafından çeşitli çalışmalarda kullanılmıştır. Bu çalışmalarda; betonun kendisini hem mekanik hem dürabilite performansı açısından iyileştirdiği gözlemlenmiştir. İçi boş liflerin kullanıldığı araştırmalarda, düşük viskoziteye sahip kimyasal katkı maddeleriyle dolu haldeki tüpün açılmasıyla akışkan katkı maddesinin kolayca çatlaklara sızarak çatlakları onardığı tespit edilmiştir. Araştırmalarda iyileştirici ajan olarak düşük viskoziteli iki bileşenli epoksi reçinelerin kullanıldığına rastlanmaktadır.

Çalışmalarda tatmin edici düzeyde kendiliğinden iyileşme performansı elde edilmiştir. Sözü edilen çalışmalarda numune rijitliğinin ve süneklik oranının arttığı; etil siyanoakrilatı maddesinin emilimi geniş alana yayabildiği de aktarılmıştır Thao ve arkadasları (2009) .

Bakteri ile kendiliğinden iyileşme

Çimento karışımına kendiliğinden iyileşmeyi sağlayan bir bakteri türü katılmaktadır. Bu bakteri yoluyla kalsiyum karbonat çökeltisi elde edilmektedir. Aşağıdaki Şekil 12’de, bakteri yoluyla kendiliğinden iyileşme mekanizmalarının şematik gösterimi verilmiştir.

a) Çatlağın bakteriye maruz kalması

b) Çatlağa suyun dolmasıyla bakterilerin çoğalması

c) Bakterilerin iyileşme ürünleri oluşturması

Şekil 2.11. Bakteri ile kendiliğinden iyileşme mekanizması Wang ve arkadaşları, (2012)

Şekil 2.11’deki (a) gösteriminde çatlakla birlikte açığa çıkan bakteriler; (b) gösteriminde bakteriyle suyun buluşması; (c) gösteriminde ise bakterinin iyileştirici ürün üretmesi görülmektedir. Bu yöntemde özellikle bakterinin dikkatli seçilmesi gerekmektedir. Çimento hidratasyonunu artıracak ve destekleyici ürünler içerecek bakteriler seçilmelidir. Yapılan pek çok araştırmayla daha iyi teknikler geliştirilmeye çalışılmıştır. Çalışmalarda kalsiyumun çökmesine yardımcı olmak için betonun içine üreolitik bakteriler de ilave edilmiştir. Wang ve arkadaşları, (2012) tarafından yapılan çalışmada "sphaericus" bakterisi ile numuneler üzerinde kendini iyileşme özelliği araştırılmıştır. Çalışma sonucuna göre, ortamda yüksek miktarlarda kalsiyum iyonları bulunduğunda, bakteri hücrelerinin duvarlarında kalsiyum

karbonat çökelmesi gözlemlenmiş olup; numunenin geçirgenliğinde hatırı sayılır azalmalar tespit edilmiş ve mekanik özelliklerinin geri kazanılabileceği görülmüştür.

Mineral katkılar ve ajanlar

Çatlak oluşumundan sonra betonun geçirgenliğinin azaltılması amacıyla mineral katkı malzemelerinin kullanımı ve çatlak kenarlarının genişlemesini sağlayan maddelerin (ajanların) kullanıldığı çalışmalar da yapılmıştır. Bu çalışmalarda hidratasyon reaksiyonlarının sonucu olarak elde edilen çimento ürünleri ve bu ürünlerin oluşumları incelenmiştir (Kishi ve diğerleri, 2007; Ahn, 2008). Kishi ve diğerleri (2007) tarafından sözü edilen teknikle performans karşılaştırması yapılmış; ajan içermeyen referans beton numunesi ve çimentonun %10'u oranında C4A3S, CaS04 ve CaO içeren numuneler üzerinden bir çalışma yürütülmüştür. Deney sonuçlarına göre, bir aylık numune yaşından sonra beton kiriş numunelerinde, çatlak genişliklerinin yaklaşık 220 μm'ye kadar iyileştiği gözlenmiştir.

Kendiliğinden iyileşme kabiliyetindeki değişiklikler üzerine yapılan başka bir araştırmada (Ahn ve Kishi, 2008), benzer teknikle SiO2 içeriği %71,3 ve Al2O3 içeriği %15,4 olan katkı ile deneme yapılmıştır. Sonuç olarak karbonat ve genleşebilen ajan kullanılmasının, çatlak iyileştirme özelliğini sağladığı net bir biçimde anlaşılmıştır.

2.4.2. Kendiliğinden iyileşen ECC numunelerinin mekanik ve dürabilite özellikleri

Tez kapsamında yapılan detaylı literatür taraması sonucunda çeşitli araştırmalardan anlaşıldığı üzere, kendiliğinden iyileşme davranışı temel olarak hidratasyonun artması ve karbonatlaşmaya bağlıdır. Kendiliğinden iyileşme sağlayan ürünler sayesinde çimento esaslı numunelerin mekanik ve taşınma özellikleri iyileşmektedir. Detayları önceki kısımlarda verilen kendiliğinden iyileşme mekanizmalarının yanında, bu kısımda, iyileşme ürünlerinin mekanik ve dürabilite özelliklerine yaptığı katkı açıklanmıştır. Kendiliğinden iyileşme davranışı öncesi ve sonrasında malzemelerin; geçirimlilik, difüzyon ve su emme davranışlarının farklı olacağı düşünülmektedir. Bu nedenle ECC numunelerinde sözü edilen bu tür nitelikleri detaylı olarak incelemek gereklidir.

Su geçirimliliği: Lepech ve Li (2009), tarafından yapılan çalışmada ECC’nin su geçirimlilik özelliği incelenmiştir. ECC ile ilgili geniş bir veriye sahip olan bu çalışmada üç farklı çelik hasır donatı oranına sahip harç numuneleri ile birlikte CEM I 42,5R standart Portland

çimentosu, düşük kalsiyum oksitli F-sınıfı uçucu kül, ince kuvars kumu, polivinil alkol (PVA) (hacimce %2 oranında) lifleri, su ve süper akışkanlaştırıcı ve standart ECC (literatürde M45 olarak bilinen) olarak adlandırılan çelik donatısız ECC-M45 karışımı kullanılmıştır. 14 gün laboratuvar ortamında kür edilen numuneler su geçirimlilik için doygun hale getirilmesi için ilave 14 gün daha laboratuvarda tutulmuşlardır. Tüm numuneler aynı dış çevre koşullarında tutularak farklı hasar oluşumlarının elde edilebilmesi için çekme gerilemeleri altında önyükleme uygulanmıştır. Kıyaslama yapılabilmesi amacıyla bazı numunelere önyükleme uygulanmamıştır. Araştırma sonunda çatlaklı numunelerin su geçirimlilik değeri normal numunelerden 10⁷ kat yüksek çıkmıştır. ECC numunelerinin su geçirimlilik katsayısı 1.95×10^-10 m/s olarak hesaplanmıştır. ECC’nin çok düşük su geçirimlilik oranının, önyükleme sırasında oluşan minik çatlaklarla alakalı olduğu anlaşılmıştır. Ayrıca önyükleme seviyesinin büyük farklara sebep olmadığı da araştırma sonuçları içinde yer almaktadır. Su geçirimlilik sonuçlarını mikroskobik görüntülerde destekler niteliktedir (Şekil 2.12). Elde edilen bulgulara göre numuneler üzerindeki mikro çatlaklar onarılmıştır. Ayrıca çalışmada kendiliğinden iyileşmeyi sağlayan son ürünün daha çok kalsiyum karbonat kristalleri olduğu da ispatlanmıştır (Lepech ve Li, 2009).

(a) (b)

Şekil 2.12. Kendiliğinden iyileşme öncesi (solda) ve sonrası (sağda) (Lepech ve Li, 2009)

Bir başka çalışmada düşük lif hacmine (%0,5) sahip karışımlar seçilerek tek çatlaklı numuneler üzerinde araştırma yapılmıştır. Geleneksel lif donatılı betonlardaki gibi tek çatlaklı oluşumu sağlayarak gerilme yumuşamasını elde etmek amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında; açıklıkları 0-300 𝜇m olan çatlakların su geçirimlilik düzeyleri araştırılmıştır.

Elde edilen sonuçlarda; ıslanma-kuruma döngüsüne maruz kalan numunelerde, açıklığı