Geri Dön

Improving moisture resistance of MDF cement composites with coatings and additives

MDF çimento kompozitlerinin su direncinin kaplamalar ve katkı maddeleri ile iyileştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 916702
  2. Yazar: AMRO SAAD ABDULWAHHAB AL DAHIREE
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZGÜR EKİNCİOĞLU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 121

Özet

1980'lerin başında İngiltere'de bulunan Imperial Chemical Industry (ICI)'den bilim insanları tarafından geliştirilen ve patenti alınan büyük boşluklarından arındırılmış çimento-polimer kompozitleri, büyük boşlukları en aza indirerek dayanımı artırmak için tasarlanmıştır ve MDF çimento kompozitleri olarak da adlandırılmaktadır. Bu kompozitler, çimentoya az miktarda polimer ve su eklenerek elde edilen karışımın kauçuk üretiminde kullanılan yönteme benzer şekilde işlenmesiyle üretilmektedir. Malzemeler, yüksek kesme kuvvetlerinin büyük (makro) boşlukları ortadan kaldırdığı farklı hızlarda dönen iki silindirli değirmen arasından geçirilir. Bu adım, malzemeyi zayıflatabilecek büyük boşlukların azaltılmasını sağladığı için üretim sürecinde çok önemlidir. Daha sonra, elde edilen malzeme orta derecede sıcaklık ve basınç altında kürlenerek boşluklar daha da azaltılır. Bu aşamada, polimerin kalan boşlukları doldurduğuna ve kompozitin genel mukavemetini artırdığına inanılmaktadır. MDF çimento kompozitlerinin en önemli özelliklerinden biri 150-300 MPa'ya ulaşan olağanüstü yüksek eğilme mukavemetleridir. Bu mukavemet, geleneksel çimento hamurunun eğilme dayanımı olan 5-10 MPa'yı çok aşarak neredeyse çeliğin dayanımına yaklaşmaktadır. Başlangıçta, bu dikkate değer derecede yüksek mukavemetin üretim sırasında boşlukların ortadan kaldırılmasından kaynaklandığı düşünülmüştür. Ancak, daha sonraki araştırmalar, çimentodaki iyonlar ile polimer zincirleri arasındaki çapraz bağ reaksiyonlarının da bu kadar yüksek mukavemet seviyelerine ulaşmada önemli olduğunu ileri sürmüştür. MDF çimento kompozitleri üretmek için farklı çimento ve polimer kombinasyonları araştırılmış olup, en yüksek eğilme mukavemetini kalsiyum alüminat çimentosu (CAC) ve poli(vinil alkol-ko-vinil asetat) (PVAc) kopolimerleri gösterirken, bunu poli(akrilamid) ve Portland çimentosu (OPC) kullanılarak üretilen kompozitler izlemiştir. Ancak, MDF çimento kompozitlerinin temel sınırlamalarından biri, suya maruz kaldıklarında dayanımlarında gözlenen hızlı düşüştür ve bu durum ticari olarak kullanımlarını da sınırlamaktadır. Bu tezde, çeşitli kaplamalar ve katkı maddeleri kullanılarak MDF çimento kompozitlerinin mukavemetini ve dayanıklılığını iyileştirme stratejilerini keşfetmek amaçlanmıştır. Araştırma, özellikle nano kaplamaların, silan ve siloksan kaplamaların ve karbon nanotüp gibi katkı maddelerinin MDF çimentosunun fiziksel ve kimyasal özellikleri üzerindeki etkilerini değerlendirmeye odaklanmaktadır. Birincil amaç, kompozitin mekanik mukavemetini artırırken suya karşı hassasiyetini azaltmaktır. Kullanılan katkıların ve kaplama işlemlerinin çimento matrisiyle mikro yapısal düzeyde nasıl etkileşime girdiği, özellikle su girişini önleme ve mukavemeti korumaya odaklanarak incelenmiştir. Tezde, bu kompozitlerin su hassasiyetini azaltmak için iki temel yaklaşım kullanılmıştır: Birincisi, MDF çimento kompozitlerinin yüzeyine hidrofobik kaplamalar uygulamak ve ikinci olarak da üretim sırasında katkı maddeleri eklemektir. Test edilen kaplamalar arasında silan ve siloksan bazlı, silika bazlı ve poliüretan bazlı kaplamalar ve nano kaplamalar, bulunurken, katkı maddeleri linyo sülfonatlar, silika bazlı malzemeler ve değişen konsantrasyonlarda karbon nanotüplerden oluşmaktaydı. Suda bekletmenin mukavemet üzerindeki etkisini değerlendirmek için hem kuru ortamda hem de suda beklemiş numuneler üzerinde iki eksenli eğilme mukavemeti testleri gerçekleştirildi. Su emilimi ve su temas açısı ölçümleri gibi diğer testler, suya maruz kalmadan önce ve sonra geçirgenliği ve hidrofobisiteyi değerlendirmek için gerçekleştirildi. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) kullanılarak yapılan mikroyapısal analiz, çimento matrisindeki değişiklikler hakkında ayrıntılı bilgiler sağlarken, X-ışını Kırınımı (XRD) analizi, numunelerdeki kristal fazları ortaya koydu. Bu deneyler, farklı işlemlerin mikroskobik düzeydeki etkilerini ve mekanik performansla korelasyonlarını ortaya çıkarmaya yardımcı oldu. Deneysel sonuçlar, silan ve siloksan kaplamanın su etkisi nedeniyle oluşan mukavemet kaybını azalttığını gösterdi. Bu kaplamalar sayesinde, MDF çimento kompozitleri uzun süre suya maruz kaldıktan sonra bile düşük geçirimlilik ve yüksek hidrofobisite seviyelerini koruyarak su temas açısı testlerinde de iyi performans göstermişlerdir. SEM görüntüleri, silan ve siloksan kaplamaların, diğer bazı kaplamaların aksine, çimento yüzeyinde tam ve düzgün katmanlar oluşturduğunu doğrulamıştır. XRD analizi, hidrofobisite sağlamak için yapılan çoğu işlem ile kontrol numunesi arasında minimum farklar ortaya koyarken, karbon nanotüp katkı maddeleri kullanılan numunelerde mukavemet değişimi ile ilişkilendirilebilecek sonuçlar göstermiştir. SEM analizi, bu nanotüplerin çimento matrisini iyileştirerek kompozit malzemenin genel performansını etkileme potansiyelini ortaya koymuştur. Su emilimini değerlendirmek için yapılan ilk deney sonuçları kontrol örneğinin %0,6 su emdiğini göstermiştir. Sırasıyla %0,7, %0,9 ve %1,9 su emen Poliüretan kaplama, %0,37 oranında karbon nanotüp katkı maddesi ve Silika bazlı katkı maddesi hariç diğer örneklerin çoğu kontrol numunesine göre daha iyi performans göstererek %0,2 ile %0,6 arasında su emme oranı göstermiştir. Silan ve Siloksan kaplama, en az su emme oranı göstererek öne çıkmış ve bu test hidrofobik kaplamaların ve katkı maddelerinin su girişini etkili bir şekilde engellediğini göstermiştir. Buna karşılık, suda beklemiş numunelerin kaynar suya daldırılma işleminden sonra, kontrol örneği %4,4 su emerek bir referans noktası oluşturdu. Yapılan uygulamalardan Nano kaplama 1, Nano kaplama 2 ve Nano kaplama 3, kontrole benzer bir oranda yaklaşık %3,9 ila 4,5 arasında su emmiş ve bu da hidrofobik işlemlerin kontrol numuneye kıyasla çok az etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Silika bazlı kaplama ve Poliüretan kaplama sırasıyla %3,1 ve %3,5 gibi biraz daha düşük su emme oranları göstermiştir ve bu da su direncinde bir miktar bir iyileşme olduğunu göstermektedir. Ancak, Silan ve Siloksan kaplama en iyi performansı göstererek yalnızca %2,4 emilim sağlamıştır ve bu da hidrofobik kaplamasının etkinliğine işaret etmektedir. Katkı maddesi kullanılan numuneler arasında, ağırlıkça %0,37 karbon nanotüp kullanılan katkı maddesi %3,9, ağırlıkça %1 karbon nanotüp kullanılan katkı maddesi %4,5 ve ağırlıkça %2 karbon nanotüp katkı maddesi kullanılan %4,2 oranlarında su emmeye neden olarak kontrol numunesine yakın sonuçlar vermişlerdir. Linyo sülfonat katkı maddesi %3,5 su emme oranı gösterirken, silika bazlı katkı maddesi %6,1 ile en yüksek su emme oranını göstermiştir ve bu da diğer katkı maddelerine kıyasla su penetrasyonuna karşı daha az etkili olduğunu göstermektedir. Ek olarak, kaplamaların ve katkı maddelerinin hidrofobiklikleri önce 28 gün kuru ortamda bekletilmiş numuneler üzerinde“kuru”su temas açısı (WCA) ölçümleriyle gösterilmiştir. Kontrol numunesinin WCA'sı 64,8 derece iken, silika kaplaması hariç hidrofobik kaplamalı numuneler, 117,0 ila 122,4 derece arasında, hidrofobik aralığa oldukça yakın, önemli ölçüde daha yüksek WCA'lar göstermişlerdir. Bu artış, yüzey özelliklerinin başlangıçta başarılı bir şekilde değiştirildiğini göstermiştir. Bununla birlikte, ağırlıkça %0,37 karbon nanotüp katkı maddesi, ağırlıkça %1 karbon nanotüp katkı maddesi, ağırlıkça %2 karbon nanotüp katkı maddesi, linyo sülfonat katkı maddesi ve silika bazlı katkı maddesi gibi katkı maddesi katılarak üretilmiş numunelerin WCA'ları, 62,4 ila 67,7 derece arasında ve kontrol numunesi ile çok yakın sonuçlar vermişlerdir. Daha sonra aynı numunelere uygulanan 28 günlük bir suda bekletme süresinden sonra, WCA değerleri tüm numunelerde azalmış ve uzun süreli suya maruziyetin hidrofobik işlemleri etkilediğini göstermiştir. Buna rağmen, silan ve siloksan kaplama 121,6 derecelik bir WCA ile oldukça hidrofobik kalırken, nano kaplama 3 58,6 dereceye düşerek hidrofobisitede önemli bir kayıp göstermiştir. Katkı maddesi kullanılarak üretilen numunelerde ise hemen hemen kontrol numunesine benzer şekilde çok az düşüşler gözlenmiştir. Kontrol numunesinde suda bekletilmiş numunelerde gözlenen WCA düşüşü %5 seviyesinde iken katkı maddesi ile üretilmiş numunelerde bu oran %1 ila %6 arasında değişmektedir. %1 karbon nanotüp katkı maddesi kullanılan numunede düşüş %1 olurken silika bazlı katkı maddesi kullanılan numunede %6 seviyesinde olmuştur. Önemli olarak, 28 günlük suda bekletme işleminden sonra numunelerin yüzeyinde ve suda beyaz bir tabaka gözlemlenmiştir. Bu tabaka WCA'ları önemli ölçüde azaltmış ve yüzey özelliklerinde geçici bir değişiklik olduğunu göstermiştir. Ancak, tabaka hafifçe fırçalandıktan sonra WCA değerleri, kaplamaların ve katkı maddelerinin doğal hidrofobisitesini daha iyi yansıtacak şekilde olmuş ve yüzeydeki tortular temizlendikten sonra işlemlerin etkililiğini bir kez daha doğrulanmıştır. XRD analizi, kontrol (C), nano kaplama 1, silan ve siloksan kaplama, silika bazlı katkı maddesi ve ağırlıkça %2 karbon nanotüp katkı maddesi dahil olmak üzere seçilen numunelerin mineralojik bileşimi hakkında daha derin bir anlayış sağlamıştır. Nano kaplama 1 ve silan & siloksan kaplama, eğilme dayanımı ve hidrofobisitedeki güçlü performansları açısından analiz edilirken, silika bazlı katkı maddesi ve ağırlıkça %2 karbon nanotüp katkı maddesi, özellikle yüksek başlangıç eğilme dayanımı göz önüne alındığında, katkı maddelerinin etkisini anlamak için değerlendirilmiştir. Analiz, tüm numunelerde baskın faz olarak kalsiyum dialüminyum oksit'in olduğunu göstermiş ve bu da benzer çalışmalardaki bulgularla tutarlı olarak hidrate olmamış çimento taneciklerinin olduğunu göstermiştir. İlginç bir şekilde, C3A fazı çoğu numunede stabil kalmış ancak ağırlıkça %2 karbon nanotüp katkı maddesi katılan numunede en yüksek çıkmıştır. Bu durum, karbon nanotüplerin çimentonun hidrasyonunu etkileyebileceğini düşündürmektedir. Tüm numunelerde bulunan mayenitin, ağırlıkça %2 karbon nanotüp katkı maddesinde hafifçe artmış olması; bu nanotüplerin alüminat kimyasını değiştirmiş olabileceğini düşündürmektedir. Hibşit, yalnızca ağırlıkça %2 karbon nanotüp katkı maddesinde ortaya çıkmış ve bu durum karbon nanotüplerin kalsiyum alüminat ve silika ile su arasındaki etkileşimleri kolaylaştırdığını göstermektedir. Ağırlıkça %2 karbon nanotüp katkı maddesinde Brownmillerit miktarının azalması, nanotüplerin yerel ortamı değiştirerek veya kristalleşme yollarını fiziksel olarak bozarak kristalleşmeyi, özellikle demir içeren fazları etkilediğine işaret ediyor olabilir. Gibsit düşük miktarlarda bulunmuş ve bu durum hidratasyon sürecinin neredeyse tamamlandığını ve alümina hidratlarının daha kararlı formlara dönüştüğünü göstermektedir. Ancak nano kaplama 1, muhtemelen nanopartiküllerle veya elverişli çevre koşullarıyla etkileşimler nedeniyle daha yüksek seviyelerde karmaşık silikatlar ve alüminosilikatlar göstermiştir. Genel olarak, bu XRD bulguları çeşitli işlemlerin ve katkı maddelerinin MDF çimento kompozitlerinin mikro yapısını nasıl etkilediğini göstererek, belirli uygulamalar için potansiyel performans iyileştirmelerine ilişkin içgörüler sunmaktadır. SEM analizi, kontrol (c), nano kaplama 1, silan ve siloksan kaplama ve ağırlıkça %2 karbon nanotüp katkısı dahil olmak üzere çeşitli MDF çimento kompozit numunelerinin mikro yapılarının 200 μm ila 10 μm arasında değişen büyütme seviyelerinde ayrıntılı bir incelemesini sağlamıştır. Bu aralık, çimento matrisi içindeki karmaşık özelliklerin kapsamlı bir şekilde araştırılmasına olanak sağlamıştır. Kontrol numunesi, tepkimeye girmemiş çimento parçacıklarının varlığını ortaya koymuştur. Nano kaplama 1 numunesinde, SEM görüntüleri koruyucu nano kaplamanın içinde yüzey çatlaması göstermiş; bu da muhtemelen suyun nüfuz etmesine izin vermiş ve hem mekanik mukavemette hem de hidrofobisitede düşüşe katkıda bulunmuş ve bu da nano kaplamaların çevresel etkiler altındaki sınırlamalarını vurgulamıştır. Bunun aksine, silan ve siloksan kaplama numunesinin SEM görüntüleri, nem girişini etkili bir şekilde önleyen ve yapısal bütünlüğü koruyan sağlam ve yoğun bir kaplama göstermektedir ve böylece bu kaplamanın hem mukavemet hem de nem direncindeki üstün performansını açıklamaktadır. En dikkat çekici bulgulardan biri ise, mikro yapının daha küçük hidrate olmamış çimento parçacıkları, daha pürüzsüz bir matris ve daha koyu bir renklendirme sergilediğinin ağırlıkça %2 karbon nanotüp katkı maddesi numunesinde gözlemlenmesidir; bu muhtemelen karbon nanotüplerin entegrasyonundan kaynaklanmaktadır. Mikro yapıdaki bu değişim, Hibschite'nin (XRD analizinde tanımlanmıştır) varlığıyla birlikte, karbon nanotüplerin yalnızca çimentonun fiziksel özelliklerini değiştirmediğini, aynı zamanda kimyasal hidratasyon yollarını da etkilediğini göstermektedir. Bu SEM bulguları, kaplamaların ve katkı maddelerinin MDF çimentosunun mikro yapısal gelişimi üzerindeki önemli etkisini vurgulayarak, mikroskobik özellikler ile malzemenin genel performansı arasında değerli korelasyonlar sunmaktadır. Sonuç olarak, bu araştırma çeşitli kaplamaların ve katkı maddelerinin MDF çimento kompozitlerinin mukavemetini, dayanıklılığını ve su direncini nasıl etkilediğine dair ayrıntılı bir inceleme sunmaktadır. Bulgular, silan ve siloksan kaplamaların özellikle su hassasiyetini azaltmada ve uzun vadeli dayanıklılığı iyileştirmede etkili olduğunu göstermektedir. Nano kaplamalar ve karbon nanotüpler bazı avantajlar gösterse de silan ve siloksan kaplamaların tutarlı performansı, bunları su direncinin önemli olduğu pratik uygulamalar için en umut verici çözümler haline getirmektedir. İleride yapılacak çalışmalar, bu işlemleri optimize etmeye ve karbon nanotüpler gibi katkı maddelerinin çimento matrisini nasıl daha fazla güçlendirebileceğini ve farklı çevre koşullarında uzun süreli performans sağlayabileceğini keşfetmeye odaklanmalıdır.

Özet (Çeviri)

Macro-Defect Free (MDF) cement composite, developed and patented by scientists from Imperial Chemical Industry (ICI) in the early 1980s, are cement-polymer composites designed to enhance strength by minimizing large voids. These composites are made by adding small amounts of polymer and water to the cement and processing the mixture using a method similar to rubber production. The material is passed between two roller mills at different speeds, where high shear forces eliminate macro voids, a crucial step in production. The composite is then cured under moderate temperature and pressure, which further reduces voids, with the polymer believed to fill them during this stage. A key feature of MDF cement composites is their unusually high flexural strength, reaching 150-300 MPa, which is comparable to the strength of steel and far exceeds the 5-10 MPa of conventional cement paste. While initial claims attributed this strength to void elimination, later research suggested that crosslinking reactions between cement ions and polymer chains play a more significant role. Different cement and polymer combinations can be used to produce MDF cement composite, with calcium aluminate cement (CAC) and poly(vinyl alcohol-co-vinyl acetate) (PVAc) copolymers achieving the highest flexural strength, followed by ordinary Portland cement (OPC) with poly(acrylamide). However, these composites have poor durability when exposed to water, experiencing swelling and rapid strength loss. Therefore, this thesis explores strategies to improve the strength and durability of Macro Defect-Free (MDF) cement composites by employing various coatings and additives. The primary focus is on assessing the effects of nano-coatings, silane and siloxane coatings, and carbon nanotube additives on the physical and chemical properties of MDF cement composites. It investigates the microstructural interactions between these treatments and the cement matrix, with a specific emphasis on mitigating water sensitivity and enhancing mechanical strength. The research employs two approaches: applying hydrophobic coatings and incorporating additives to reduce water sensitivity in MDF. The coatings examined include nano-coatings, silane and siloxane, silica-based, and polyurethane, while the additives tested include lignosulphonates, silica-based material, and carbon nanotubes at varying concentrations. Biaxial flexural strength tests were conducted on dry and wet specimens to evaluate the impact of water immersion on strength. Additional tests, such as water absorption and water contact angle measurements, were performed to assess permeability and hydrophobicity before and after water immersion. Microstructural analysis using Scanning Electron Microscopy (SEM) provided insights into the quality of adhesion and changes within the cement matrix, while X-ray Diffraction (XRD) analysis quantified the crystalline phases in the treated samples, shedding light on the effects of different treatments. The experimental results revealed that silane and siloxane coatings significantly reduced the strength loss due to water immersion and performed exceptionally well in water absorption tests, demonstrating low permeability. Water contact angle measurements showed that these coatings maintained high hydrophobicity, even after exposure to water. SEM images confirmed a uniform coating layer for silane and siloxane treatments, unlike other coatings, which displayed incomplete coverage. While XRD analysis showed minimal differences for most treatments compared to the control, carbon nanotube additives exhibited patterns that correlated with strength retention, as evidenced by SEM analysis, indicating their potential to enhance the cement matrix. The findings highlight the superior performance of silane and siloxane coating in improving the durability and water resistance of MDF cement composite. Although nano-coatings and carbon nanotubes provided some mechanical and microstructural advantages, the consistent performance of silane and siloxane across all tests makes them particularly suitable for practical applications. Future research should aim to further optimize these treatments and investigate how additives like carbon nanotubes can reinforce the cement matrix. In summary, this thesis offers a detailed examination of how different coatings and additives influence the strength, durability, and water sensitivity of MDF cement composite. The results suggest that silane and siloxane coatings are promising solutions for reducing water sensitivity in cementitious materials, contributing valuable insights to the field of construction materials and the improvement of MDF cement composite performance in various environmental conditions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    410027

    Cam elyaf, karbon elyaf ve organik madde takviyeli kompozit poliüretan köpük malzemelerin ısıl bozunma ve yanma davranışlarının incelenmesi

    Investigation the thermal degradation and fire behaviours of glass fibers, carbon fibers and organic matters reinforced composite polyurethane foam materials

    FATİH DEMİRYUĞURAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2015

    Makine MühendisliğiPamukkale Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NAZIM USTA

  2. Tez No

    967808

    Structure-property relationship in urea-formaldehyde resins: effect of methylene/ether bridge ratio and alkyl-substituted urea content on the performance of wood composites

    Üre-formaldehit reçinelerinde yapı-özellik ilişkileri: metilen/eter köprüsü oranı ve alkil-substitüe üre içeriğinin ahşap kompozit performansı üzerindeki etkisi

    S. M. ASHIK ABEDIN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    KimyaSabancı Üniversitesi

    Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    ASSOC. PROF. DR. BEKİR DIZMAN

  3. Tez No

    847177

    Durability and low temperature performance of asphalt mixtures modified by hydrophobic and hydrophilic nano-alumina

    Hidrofobik ve hidrofilik nanoalümina ile modifiye edilmiş asfalt karışımlarının dayanıklılığı ve düşük sıcaklık performansı

    MARYAM KHOOSHECHIN GILAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    İnşaat MühendisliğiAtılım Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ REZA SHABANI

  4. Tez No

    813143

    Yüksek fırın cürufu ve metakaolinin yarı rijit kaplamada katkı malzemesi olarak kullanılması

    Improving the performance of filling mortar used in semi-rigid pavement with blast furnace slag and metakaolin

    HASIB FAISAL HAFIZI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    İnşaat MühendisliğiAkdeniz Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SEVİL KÖFTECİ

  5. Tez No

    960868

    Isıl işlemli ahşabın yanmaya karşı dayanımının arttırılması

    Improving the fire resistance of heat treated wood

    VAHİT EŞENER

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Ağaç İşleriBursa Teknik Üniversitesi

    Orman Endüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EYLEM DİZMAN TOMAK

Geri Dön