Analysis of mechanical and sorptivity properties of mortar mixtures containing fly ash modified with nano-silica using the Taguchi design method
Nano-silika ile modifiye edilmiş uçucu kül içeren harç karışımlarının mekanik ve kapiler su emme özelliklerinin Taguchi tasarım yöntemiyle analizi
- Tez No: 807229
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN NURI ATAHAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 64
Özet
Deney Tasarım (DT) yöntemleri, süreç ve ürün bileşenleri seçildikten sonra, son ürünün kalitesini etkileyen süreç veya ürün faktörlerinin sistematik araştırmalarını yapmak için kullanılır. İyi tasarlanmış denemeler, önemli unsurların uygunluğunun belirlenmesine yardımcı olur. Bugüne kadar birçok DT tekniği geliştirilmiştir. Bu tekniklerden en yaygın olanlarından biri de Taguchi tasarımıdır. DT tekniğine dayanan Taguchi tasarımı, ürünlerdeki veya süreçlerdeki varyasyonu en aza indirmek amacıyla kullanılan sağlam bir parametre tasarım yöntemidir. Taguchi Metodu, en az deney sayısı ile maksimum verim alınarak, optimum sonucun bulunmasına yardımcı olur, böylece zamandan ve maliyetten tasarruf sağlar. Tasarım yapılırken, az sayıda deney ile çok sayıda değişkenin analizini sağlayan bir ortogonal dizi sistemi kullanılır. Ortogonal dizi sistemi esas alınarak deneyler yapılır ve elde edilen sonuçlar analiz edilerek sinyal-gürültü oranları elde edilir. Sinyal-gürültü oranları elde edilirken, deneysel amaca göre 3 farklı formülüzasyon yöntemi kullanılır. (1. Büyük olan iyidir, 2. Küçük olan iyidir, 3. Nominal en iyidir.) Taguchi metodu, etkili bir metod olması nedeniyle endüstri alanı dışında, birçok faklı alanda da kullanılmıştır. Literatür araştırması yapıldığında, çimento esaslı malzemelerin deneysel tasarımında Taguchi metodunun kullanımı ile ilgili birçok çalışmaya rastlanır. Bu çalışmada da, Taguchi tasarım metodu aracılığıyla, uçucu kül ve nano-silika kullanımının, çimento esaslı karışımların mekanik ve durabilite özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla; bağlayıcı miktarı (hacimce), uçucu kül yüzdesi (hacimce), NS yüzdesi (toplam bağlayıcı hacmine oranla) ve su/bağlayıcı oranı (hacimce) olmak üzere dört farklı parametre seçilmiştir. Seçilen parametrelerin her biri için dört farklı seviye belirlenmiştir. (Bağlayıcı hacmi: 96-115-134-153 dm3/m3, uçucu kül hacmi: %0-20-40-60, nano-silika yüzdesi: 0-1,37-2,73-4,10 su/bağlayıcı (hacimce): 1,26-1,48-1,70-1,92). Parametreler ve seviyeler göz önüne alındığında, Taguchi tasarım dizayn metodu esas alınarak belirlenen, L16 ortogonal tasarım dizisi kullanılmıştır. L16 ortogonal dizisi tarafından belirlenen seviyeler doğrultusunda, toplam 16 farklı karışım üretilmiştir. Karışım malzemesi olarak, EN 197-1'e uygun CEM I 42.5 R Portland çimentosu, ASTM C618'e uygun F tipi uçucu kül, ortalama 35 nm tane boyutuna sahip nano-silika, kalker kökenli kırma kum, doğal kum ve polikarboksilat esaslı hiper akışkanlaştırıcı kullanılmıştır. Karışım oranları belirlenirken, agrega olarak, granülometri eğrisi TS 802'de yer alan referans eğrileri esas alınarak belirlenen %18 doğal kum, %27 kırma kum ve %55 iri agrega hacmine sahip beton karışımları tasarlanmıştır. Daha sonrasında, belirlenen beton karışımlarının harç fazları üretilmiştir. Karışımların işlenebilirliğinin, EN 1015-3'e göre yayılma çapı 20±2 cm olması hedeflenmiştir. Her karışım için 15 adet 40×40×160 mm3 boyutlarında harç numuneler hazırlanmıştır. Hazırlanan numuneler bir gün sonra kalıplardan çıkarılarak kür havuzlarına yerleştirilmiştir. Daha sonra, numuneler üzerinde, 7, 28 ve 90. günlerde tek eksenli basınç, eğilme ve kılcal su emme deneyleri yapılarak, eğilme ve basınç dayanımları ve kılcallık katsayıları belirlenmiştir. Yapılan deneylerde elde edilen tekil sonuçların ortalaması ve standart sapması hesaplanmıştır. Basınç dayanım ve eğilme sonuçları“Büyük olan iyidir”ve kılcal su emme deneyi sonuçları içinse“Küçük olan iyidir”formülüzasyonu kullanılarak sonuçlar analiz edilmiştir. Yapılan analizler sonucunda, parametrelerin sinyal-gürültü oranları elde edilmiştir. Sinyal-gürültü oranı Taguchi tarafından geliştirilen bir performans ölçüsüdür. Sinyal-gürültü oranı değeri arttıkça, parametrenin sonuca olan pozitif etkisi artar. Ayrıca sinyal-gürültü oranları ile parametrelerin önem derecesi belirlenebilir. Parametrelerin önem derecesi, sinyal-gürültü oranı değerleri dikkate alınarak hesaplanır. Her bir parametrenin en yüksek ve en düşük sinyal gürültü oranı arasındaki fark, seviyelerin önem derecesi hakkında bilgi verir. Bu fark ne kadar yüksek ise parametre o derecede önemli rol oynar. Deneylerin sonuçları incelendiğinde, uçucu kül oranının, her üç test günü için de basınç dayanımı üzerinde en büyük etkiye sahip olduğu gözlemlenmiştir. Öte yandan, su/bağlayıcı oranı 28. ve 90. günlerde eğilme mukavemeti açısından en önemli parametre olarak ön plana çıkarken, 7. Günde yapılan deney sonuçlarına göre ise, bağlayıcı hacmi en önemli parametre olarak ortaya çıkmıştır. Bağlayıcı hacmi azaldıkça agrega hacmi artar ve dolayısıyla, toplam agrega-çimento hamuru ara yüzey alanında artış meydana gelir, bu durum özellikle yüksek su/bağlayıcı oranına sahip betonlarda basınç dayanımını olumsuz etkiler. Bağlayıcı hacminin çok yüksek olması ise benzer olarak agrega miktarını azaltır ve çimento hamuru-agrega birleşiminden oluşan kompozit bir malzeme olan betonun, kompozit özelliklerinin azalmasına yok olmasına ve çimento hamur fazı gibi davranmasına neden olur. Kılcallık katsayısı bakımından, tüm deney günleri için su/bağlayıcı oranı en önemli parametre olarak dikkat çekmiştir. Nano-silika ise genel olarak diğer parametrelere göre daha az önemli rol oynamıştır. Betona nano-silika ilave edilmesi, nano-silikanın yüksek özgül yüzey alanından kaynaklı olarak, betonun işlenebilirliğinin azalmasına neden olur ve su veya akışkanlaştırıcı katkı ihtiyacını arttırır. Bu nedenle yüksek oranlarda kullanımı uygun görülmez. Düşük oranlarda kullanıldığında ise, çok düşük tane boyutuna sahip olduğu için, özellikle yüksek su/bağlayıcı oranına sahip betonlarda, hidratasyon ürünlerinin beton içindeki boşlukları doldurma etkisinin azaldığı söylenebilir. Bu da basınç dayanımı üzerindeki olumlu etkinin azalmasına neden olur. Özetle, deney, analiz edilen mekanik ve dayanıklılık özelliklerine ve testlerin süresine bağlı olarak farklı parametrelerin değişen önem seviyelerine sahip olduğunu göstermektedir. Seviyelerin etkisi incelendiğinde ise, her üç deney günü içinde uçucu kül hacmi ve su/bağlayıcı oranı arttıkça basınç dayanımında düşüş gözlemlenmiştir. Nano-silika ve bağlayıcı hacmine bakıldığı zaman, her üç deney günü için de, 3. Seviyeye kadar (%2,73) nano-silikanın basınç dayanımını arttırdığı, ancak 4. Seviyeye çıktığında (%4,10) basınç dayanımını azalttığı gözlemlenir. Yukarıda da bahsedildiği gibi, betona nano-silika ilavesinin basınç dayanımını genel olarak arttırdığı söylenebilir ancak nano-silika yüksek oranda kullanıldığında, çok yüksek özgül yüzey alanına sahip olmasından dolayı, betonun işlenebilirliğinin azalmasına neden olur. Bu durumda, aynı su/bağlayıcı oranında, akışkanlaştırıcı katkı ihtiyacı artar ve yüksek oranlarda akışkanlaştırıcı katkı kullanımı basınç dayanımını olumsuz etkileyebilir. Eğilme deneyi ve kılcal su emme deneyi sonuçlarında da genel olarak benzer sonuçlar elde edilmiştir. Taguchi metodu, deneyler ve analizler tamamlandıktan sonra, seçilen her seviye ve parametre için bir sonuç tahmininde bulunulmasına olanak sağlar. Yapılan çalışmada, 4 farklı parametre, 4 farklı seviyede kullanılmıştır. Bu durumda 256 (44) farklı sonuç tahmininde bulunulabilir. Bu sonuçların güvenilirliğinin test edilmesi için, her parametrenin en yüksek sinyal-gürültü oranı seviyesi belirlenerek iki farklı beton karışımı tasarlanmış ve tasarlanan karışımların harç fazı üretilerek, 12 adet 40×40×160 mm3 boyutlarında prizmatik numuneler alınmıştır. Daha sonra, numuneler üzerinde, 7 ve 28. günlerde basınç, eğilme ve kılcallık deneyleri yapılmış ve elde edilen sonuçlar, Taguchi metodunda tahmin edilen sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, her iki deney günü için de Taguchi tahmin değerlerine yakın değerler elde edilmiştir. Bu da metodun amacına ulaştığını ve güvenle 256 farklı sonuç tahmininde bulunulabileceğini gösterir.
Özet (Çeviri)
The present study focuses on investigating the impact of four different parameters, namely, nano-silica dosage, fly ash replacement percentage, total binder quantity, and water/binder ratio, on the mechanical and durability properties of cement-based mortar mixtures modified with nano-silica. The study employs the Taguchi experimental design matrix, which enables the identification of the optimal mixture ratios that can achieve the desired properties. The orthogonal L16 design matrix is used, with four distinct levels selected for each parameter. Experiments are conducted on mortar samples produced using different mixture ratios, and the samples are tested for compressive strength, flexural strength, and sorptivity at 7th, 28th, and 90th days. The results are analyzed, and signal-to-noise ratios are obtained to determine the significance of each parameter and the optimal mixture ratios. After analyzing the results of the experiments, it was observed that the proportion of fly ash has the greatest impact on the compressive strength of the cement-based mortar on all three test days. On the other hand, the water-to-binder ratio was found to be more significant in terms of flexural strength on the 28th and 90th day. For early-age (7-day) tests, the binder volume emerged as the most important parameter. On the other hand, nano-silica played a less important role in general compared to other parameters. However, when the nano-silica and binder volume is considered, it is observed that for all three test days, nano-silica increased the compressive strength up to Level 3 (2.73%), but decreased when it reached Level 4 (4.10%). In terms of sorptivity, the water-to-binder ratio was the most significant parameter for all test days. In sum, the experiment demonstrates that different parameters have varying levels of significance depending on the mechanical and durability properties being analyzed and the duration of the tests. The best-performing mixtures are selected for further testing, and compressive, flexural and sorptivity tests are conducted again on the seventh and twenty-eighth days for confirmation. The results are compared with the Taguchi estimation results to determine the reliability of the method. Overall, the study provides valuable insights into the effects of different parameters on the mechanical and durability properties of cement-based mortar mixtures modified with nano-silica. By identifying the most significant parameters, the study provides insights that can inform the development of more effective, durable, and sustainable cement-based mixtures. The Taguchi experimental design matrix is demonstrated to be a reliable and effective method for identifying the optimal mixture ratios.
Benzer Tezler
- Taguchi yöntemi ile uçucu kül ve kalker katkılı zeolit esaslı geopolimer harçların tasarlanması
Design of zeolite based geopolymer mortars with fly ash and limestone additives by Taguchi method
ROBLE IBRAHIM LIBAN
Doktora
Türkçe
2022
İnşaat MühendisliğiKonya Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜLKÜ SULTAN KESKİN
- Durability and mechanical performance of ground granulated blast furnace slag based geopolymer mortars incorporating various earth materials
Çeşitli toprak malzemeler içeren öğütülmüş yüksek fırın cüruf esaslı geopolimer harçların dayanıklılığı ve mekanik performansı
NADHIM ABDULWAHID HAMAH SOR
Doktora
İngilizce
2024
İnşaat MühendisliğiHarran Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KASIM MERMERDAŞ
DOÇ. DR. RADHWAN ALZEEBAREE
- Uçucu kül esaslı hafif geopolimer harçların taze ve sertleşmiş özelliklerinin incelenmesi, modellenmesi ve optimizasyonu
Investigating, modelling and optimization of fresh and hardened properties of fly ash based lightweight geopolymer mortars
ŞEVİN EKMEN
Doktora
Türkçe
2021
Mühendislik BilimleriHarran Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KASIM MERMERDAŞ
DOÇ. DR. ZEYNEP ALĞIN
- Mermer tozu ve cam elyaf katkılı çimento harçlarının aşınma, yüksek sıcaklık ve donma-çözülme davranışlarının incelenmesi
Investigation of behaviors of marble powder and glass fiber reinforced cement mortars, abrasion resistance, high temperature and freeze-thaw
BİHTER GÖKÇER
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
İnşaat MühendisliğiFırat ÜniversitesiYapı Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SERVET YILDIZ
- Kalsine kil ve kireçtaşı ikameli çimentonun bağlayıcı olarak harç üretiminde kullanımı
The use of calcined clay and limestone replaced cement as binder in mortar production
ÖMER FARUK BEHÇET
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
İnşaat MühendisliğiKocaeli Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SALİH TANER YILDIRIM