Effect of microstructure on the mechanical behaviour of concrete: From nanoscale to macroscale
Betonun mekanik davranışında mikroyapının etkisi: Nano ölçekten makro ölçeğe
- Tez No: 935770
- Danışmanlar: PROF. DR. YILMAZ AKKAYA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 172
Özet
Malzeme bilimi, mikrometrelerden nanometrelere kadar değişen farklı uzunluk ölçeklerine odaklanır. İnşaat mühendisliği uygulamalarında boyutlar, betonarme yapılardaki küçük çatlaklar gibi milimetrenin onda biri büyüklüğünden, yüksek binalar, tüneller ve köprüler gibi yüzlerce metrelik devasa yapılara kadar geniş bir aralıkta değişmektedir. Bu çeşitlilik, malzeme davranışlarını anlamak için doğru modelleme ve analiz tekniklerinin kullanımını gerektirir. Malzemelerle ilgili araştırmaların başlıca zorluklarından biri, nanometre ve mikrometre ölçeğindeki fiziksel ve kimyasal süreçlerin temelini anlamak ve bu süreçleri, malzeme özelliklerini ve performansını makro ölçeğe kadar tahmin edip kontrol edebilmek için kullanmaktır. Beton, nano ölçekteki hidratlardan makro ölçekteki agregalara kadar çok fazlı bileşenlerden oluşan, nanoyapılı, heterojen bir kompozit malzemedir. Özellikleri ve dolayısıyla performansı, ancak farklı ölçeklerdeki modelleme tekniklerinin kullanımıyla doğru bir şekilde açıklanabilir. Beton, en yaygın kullanılan inşaat malzemesidir ve sudan sonra dünyada en fazla tüketilen ikinci malzemedir. Bu nedenle, betonun sürdürülebilirliği kritik öneme sahiptir. Betonun çevre dostu ve sürdürülebilir bir mühendislik malzemesi olabilmesi için optimize edilmiş çözüm, mühendislik performansı, çevresel etki ve ekonomik faktörler arasında bir denge sağlamaktır. Çimento ve beton sektörü, Avrupa ekonomisinde önemli bir rol oynamakta olup, Paris Anlaşması'nın hedeflerine ulaşılması açısından büyük bir öneme sahiptir. Bu anlaşma, hükümetlerden küresel ısınmayı 2°C'nin üzerine çıkarmamak için sınırlamalar getirmelerini ve bu hedefi 1.5°C altında tutmak için ek çabalar sarf etmelerini gerektirmektedir. Çimento ve beton üretiminde karbon emisyonlarının azaltılmasının sağlanması, sürdürülebilir inşaat uygulamaları ve iklim değişikliğiyle mücadele için anahtar bir faktördür. Bu çerçevede de, düşük karbonlu çimento ve düşük karbonlu beton kullanımının çok mühim konular olduğunu vurgulamak gereklidir. C-S-H tohumlarının kullanımının, düşük karbonlu çimentoların hidrasyonunu hızlandırma ihtiyacı göz önünde bulundurulduğunda önemli bir hız kazanması beklenmektedir. Bu tür çimentoların genel bir dezavantajı, erken yaşlarda düşük mekanik dayanım göstermeleridir. Bu nedenle, sentetik C-S-H kullanımının önemi, düşük karbonlu çimentoların erken yaşlardaki hidrasyonunu hızlandırabilme yeteneğinden kaynaklanmaktadır. Bu süreç, çimentoların ileri yaşlardaki dayanıklılık performanslarına zarar vermeden gerçekleşir. Sonuç olarak, erken yaşlarda daha yüksek mekanik dayanım elde edilir. Çimento esaslı malzemelerin hidrasyon hızı, beton üretiminin sürdürülebilirliğinde önemli bir rol oynamaktadır; enerji verimliliği, malzeme kullanımı ve yapıların dürabilitesi üzerinde etkili olmaktadır. Bu durum, çevresel, ekonomik ve yapısal sürdürülebilirliğin çeşitli yönleri üzerinde önemli etkiler yaratmaktadır. Bu nedenle, beton üretiminde C-S-H tohumlarının kullanımı, betonun kalite ve ekonomik açıdan istikrarını sağlamak için uygun bir seçenek olarak öne çıkmaktadır. Sentetik C-S-H kullanımı, hidratasyon hızının artırılması gerektiği için düşük sıcaklıklarda beton dökümü için de önemlidir. Ayrıca, inşaat süresi ve maliyetlerini minimize ederken prefabrik yapısal elemanların kullanımına olan talep giderek artmaktadır. Bu talebi karşılamak için, prefabrik sektörünün üretim hızını artırması gerekmektedir. Prefabrik elemanların üretim hızı, kalıp sökme süresi ile doğrudan ilişkilidir ve betonun erken dayanım gelişimine bağlıdır. Bu nedenle, üretim hızını artırmak için taze betonun mümkün olan en hızlı şekilde erken dayanım geliştirmesi sağlanmalıdır. Genellikle, üretim döngüsü yüksek sıcaklık kürleme yöntemleriyle veya betonun dayanıklılığını olumsuz etkileyebilecek geleneksel sertleşme hızlandırıcıları kullanılarak hızlandırılır. Ancak yüksek sıcaklık kürleme, yüksek enerji tüketimi gerektirir ve çevresel olumsuz etkisi olan sera gazlarının salınımına yol açar. Bu noktada, beton karışımına eklenen tohumlama malzemesi, hidratasyon sürecindeki çekirdeklenme süresini etkili bir şekilde ortadan kaldırabilir ve nihai dayanım ile dayanıklılık özelliklerinden ödün vermeksizin erken dayanım gelişimini hızlandırabilir. C-S-H tohumlama, prefabrik yapısal elemanların erken kalıp sökme işlemleri için betonda uygun bir şekilde kullanılabilir Bu çalışmada, sentezlenmiş C-S-H içeren çimento esaslı malzemelerin mikroyapısı ile mühendislik özellikleri arasındaki ilişkiyi açıklamak ve nicelendirmek amacıyla, alit hamuru, çimento hamuru ve harcın mikroyapısının gelişimini detaylı bir şekilde izlemek ve anlamak önemli olmuştur. Ardından, bu değiştirilen mikro yapının (mikro-) mekanik davranış üzerindeki etkileri analiz edilmiştir. Bu araştırmada, sentezlenmiş C-S-H tohumları eklenerek alit hamuru, çimento hamuru ve harçtaki C-S-H oluşumunun optimize edilmesi ve şekillendirilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca, bu karışımların mikro yapısındaki gelişimin değiştirilmesiyle mühendislik performansı ve sürdürülebilirlik özelliklerinin iyileştirilmesi hedeflenmiştir Sentezlenmiş C-S-H katkılı çimento esaslı malzemelerin nano ve mikro ölçekli yapısının ölçülmesi ve karakterizasyonu, bu (nano/mikro) yapının makro ölçekteki özelliklerini ve performansını nasıl etkilediğini anlamak için farklı ileri düzey karakterizasyon teknikleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. C-S-H'nin kimyasal ve mekanik özellikleri kontrol edilebildiğinden, sentezlenmiş C-S-H eklenerek alit hamuru, çimento hamuru ve harçın hidrasyon ürünlerinin nanoyapısının şekillendirilmesiyle, optimum mühendislik performansı ve sürdürülebilirlik özelliklerinin elde edilebileceği kanıtlanmıştır. Kullanılan test yöntemleri Termogravimetrik Analiz (TGA)-Diferansiyel Tarama Kalorimetrisi (DSC), nanoindentasyon, nitrojen BET yüzey alanı, ESEM-EDS analizi ve Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FT-IR) olmuştur. Termal analiz teknikleri, farklı numunelerin sıcaklıkla değişen davranışlarını incelemek için kullanılmıştır. Termogravimetrik Analiz (TGA)-Diferansiyel Tarama Kalorimetrisi (DSC), Ca(OH)2 yüzdesini belirlemek için tercih edilmiştir. Analiz neticelerine göre, Ca(OH)2 yüzdesi, artan hidrasyon derecesi ve ilave edilen sentezlenmiş C-S-H miktarının artışıyla birlikte artmaktadır. BET (Brunauer, Emmett ve Teller) yöntemi, numunelerin özgül yüzey alanını ölçmek için önemli bir analiz tekniği olarak temel bir rol oynamaktadır. Sentezlenmiş C-S-H'nin, alit hamurlarının özgül yüzey alanı gelişimi ve gözenek sistemi dağılımı üzerindeki etkilerini araştırmak amacıyla BET yöntemi kullanılmıştır. Yüzey alanı değerleri, sentezlenmiş C-S-H oranının artışıyla ve ilerleyen hidratasyonla birlikte artmıştır. Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi, çimentonun hidratasyonu hakkında bilgi sağlamak için uygun bir araçtır. Fourier dönüşümlü kızılötesi (FT-IR) tekniği, numunelerdeki bileşenlerin miktarlarını veya göreceli miktarlarını tahmin etmeyi sağlayan nicel/yarı nicel bir yöntemdir. Nanoindentasyon, malzemelerin mikromekanik özelliklerini analiz etmek için benzersiz bir fırsat sunar ve çimento esaslı malzemelerin temel kimyasal bileşenlerinin mekanik etkilerini belirlemeye olanak tanır. Bu teknik, alit hamurunda C-S-H'nin mikro/nanomekanik özelliklerini (sertlik ve elastik modül) değerlendirmede etkili bir araç olarak seçilmiştir. Hidrasyon derecesi ve ilave edilen sentezlenmiş C-S-H yüzdesi arttıkça, daha yüksek sertlikteki C-S-H fazının gözlemlendiği görülebilir. Hidrasyon kinetiğini değerlendirmek için alit ve çimento hamurlarının hidrasyonunu incelemek amacıyla izotermal kalorimetri deneyi kullanılmıştır. Alit ve çimento hamurlarının mikromekanik performansını değerlendirmek için, farklı oranlarda sentezlenmiş C-S-H içeren karışımların (alit ağırlığının %0, %4 ve %8'i ile çimento ağırlığının %0, %1.25, %2.5, %4 ve %8'i), 10x10x10mm boyutlarındaki miniküplerde farklı yaşlarda basınç dayanımı değerleri belirlenmiştir. Ayrıca, %0-4 ve %8 (çimento ağırlığının) sentezlenmiş C-S-H içeren farklı harç karışımları için, basınç dayanım değerleri 6., 9., 12., 24. saatlerde ve 2., 7. ve 28. günlerde belirlenmiştir. Analiz edilen sonuçlar, sentezlenmiş C-S-H ilavesinin alit, çimento ve harcın hidrasyonunu önemli ölçüde hızlandırdığını göstermiştir. Hem alit hem de çimentonun hidratasyon derecesindeki bu artış, C-S-H kümelerinin trikalsiyum silikat veya çimento tanelerinin etrafında değil, boşluk çözeltisi içine doğru büyümesini teşvik ederek sağlanmıştır. Hızlandırmanın derecesi, C-S-H tohumlarının miktarına (ve kimyasal bileşimine) bağlıdır. Daha yüksek hidrasyon derecesi, daha kompakt bir içyapı oluşumunu sağlar ve bu da artan basınç dayanımı ve iyileştirilmişmiş dayanıklılık özellikleriyle kendini gösterir.
Özet (Çeviri)
Materials science focuses on different length scales varying from micrometers to nanometers. In civil engineering practice, the dimensions vary from tenths of millimeters such as size of small cracks in reinforced concrete structures to hundreds of meters such as size of high-rise buildings, tunnels, bridges, etc. One of the major challenges of materials research is to have fundamental understanding of the nanoscale and microscale physical and chemical processes to predict and control the material properties and performance through to the macroscale. Concrete is a nanostructured, heterogeneous composite material which consists of multiphase components starting with nano-scale hydrates to macroscale aggregates. Its properties and consequently its performance can only be explained using different scale modelling techniques. Concrete is the most widely used construction material, its consumption is the second largest on the planet after water. Thus, the sustainability of concrete is critical. The optimized solution for concrete to become an eco-friendly and sustainable engineering material, is to achieve a balance among engineering performance, environmental impact and economic factors. The cement and concrete sector play a significant role in the European economy and in reaching the goals of the Paris Agreement which requires governments to limit global warming to no more than 2°C, with further efforts to keep it below 1.5°C. Ensuring the reduction of carbon emissions in cement and concrete production is key to sustainable construction practices and climate change mitigation. In this study, to explain and quantify the relation between the microstructure of synthesized C-S-H incorporated cementitious materials and their engineering properties, it was crucial to monitor and understand in detail the evolution of the microstructure of synthesized C-S-H incorporated alite paste, cement paste and mortar and then analyse the effects of this modified microstructure on the (micro-) mechanical behaviour. In this research, it is aimed at optimizing and tailoring C-S-H formation in alite paste, cement paste and mortar through the addition of C-S-H seeds for engineering performance and sustainability related properties while modifying the evolution of the microstructure of these pastes. Measurement and characterization of the nano and microscale structure of synthesized C-S-H incorporated cement-based materials have been carried out using different advanced characterization techniques to understand how this (nano/micro)structure affects their macroscale properties and performance. As the chemical and mechanical properties of C-S-H can be controlled, it is proved that tailoring the nanostructure of the hydration products of alite paste, cement paste and mortar through the addition of synthesized C-S-H is possible for optimum engineering performance and sustainability related properties. Test methods that have been used are Thermogravimetric Analysis (TGA)-Differential scanning calorimetry (DSC), nanoindentation, nitrogen BET surface area, ESEM-EDS analysis and Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR). Thermal analysis techniques have been used to investigate the behaviour of different samples as a function of the temperature. Thermogravimetric Analysis (TGA)-Differential scanning calorimetry (DSC) has been used to determine the percentage of Ca(OH)2. BET (Brunauer, Emmett and Teller) method has served as the basis for an important analysis technique for the measurement of the specific surface area of the samples. To investigate the effects of synthesize C-S-H on the specific surface area development and pore system distribution of alite pastes, the BET method has been used. Fourier transform infrared spectroscopy is a suitable tool to provide information about the hydration of cement. The Fourier transform infrared (FT-IR) technique is a quantitative/semiquantitative method, enabling the estimation of the amounts or relative amounts of the constituents in the samples. Nanoindentation offers a unique opportunity to study the micromechanical properties of materials, allowing for the identification of the mechanical effects of the elementary chemical components of cement-based materials. This technique has been chosen as an effective tool in the evaluation of micro/nanomechanical properties (hardness and elastic modulus) of C-S-H in alite paste. To evaluate the hydration kinetics, isothermal calorimetry test has been used to investigate the hydration of alite and cement pastes. To investigate the micromechanical performance of alite and cement pastes, compressive strength values of the mixes with different percentages of synthesized C-S-H (0%, 4% and 8% by weight of alite and 0%, 1.25%, 2.5%, 4% and 8% by weight of cement) have been determined at different ages on minicubes of 10x10x10mm. Additionally, for different mortar mixes incorporating 0-4 and 8% (by weight of cement) of synthesized C-S-H, the compressive strength values have been determined at 6th, 9th, 12th, 24th hours and 2nd, 7th and 28th days. The results that have been analysed show that the addition of synthesized C-S-H significantly accelerates the hydration of alite phase, cement and mortar. This increase of the degree of hydration of both is ensured by promoting the growth of C-S-H clusters into the pore solution instead of around the tricalcium silicate or cement grains. The extent of the acceleration depends on the amount (and chemical composition) of the C-S-H seeds.
Benzer Tezler
- Priz geciktirici katkıların uzun süre karıştırılmış beton özelliklerine etkisi
Başlık çevirisi yok
ABDULKADİR BAŞKOCA
- Türk boksitlerinin kullanılması ile refrakter kalsiyum alüminatların üretimi
Production of refractory calcium aluminates by using Turkish bauxites
CENGİZ KAYA
- Bakır elementinin ve bakır eşdeğerinin yapı çeliklerinde yorulma performansına etkisinin incelenmesi
Investigation of copper and copper equivalent effect on fatigue performance in structural steels
ALPER BAYRAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA KELAMİ ŞEŞEN
- En büyük agrega boyutunun betonun kuruma rötresine etkisi
The effect of maximum aggregate size on concrete shrinkage
ÇAĞIN SAĞLAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÜNAL ANIL DOĞAN