Faz değiştiren malzeme ile buzlanma geciktirme özelliği kazandırılmış beton yol kaplamalarının geliştirilmesi
Development of concrete road pavements with ice delaying properties using phase change material
- Tez No: 982959
- Danışmanlar: PROF. DR. İLHAMİ DEMİR, PROF. DR. CEMİL ALKAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Kırıkkale Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Beton köprüler, havaalanı apronları ve yol kaplamaları gibi dış ortam yapıları; yağmur, kar ve donma-çözülme döngüleri nedeniyle zamanla bozulmakta, çatlak ve oyuklar oluşturarak dayanıklılığı azaltmakta ve bakım maliyetlerini artırmaktadır. Geleneksel yöntemler (tuz, çözücüler) beton yüzeylere ve çevreye zarar vermektedir. Bu nedenle, güneş enerjisini depolayıp ortam sıcaklığına göre ısı salan faz değiştiren malzemeler (FDM) son yıllarda alternatif malzeme olarak önerilmiştir. Ancak doğrudan ve emdirilmiş FDM'lerde sızma ve işlev kaybı riski varken, mikrokapsüllenmiş FDM'ler (mFDM) bu sorunları azaltmaktadır. FDM'lerin zayıflattığı mekanik özellikleri, manyetize su (MS) kullanımı ile telafi edilebilmesi amaçlanmıştır. Tez çalışmasının ilk aşamasında, mFDM'nin fiziksel, termal ve mikroyapı uygunluğu test edilmiştir. İkinci aşamada, çimento harçlarına çimentonun ağırlığınca farklı oranlarda mFDM katılmış, karışım suyu olarak çeşme suyu (ÇS) ve MS kullanılmıştır. Çimento harçları üzerinde fiziksel, mekanik, termal ve mikroyapı analizleri gerçekleştirilmiştir. mFDM oranı arttıkça priz süreleri artarken, eğilme ve basınç dayanımları %38,4 ve %63,9'a varan oranlarda azalmıştır. Buna karşın MS kullanımı, dayanımlarda %15–%16 artış sağlamış, su emme, porozite ve hızlı klor geçirgenliği değerlerini %6,5–%21,5 arasında değişen oranlarda azaltmış, birim hacim ağırlık değerlerini ise %10'a varan oranlarda artırmıştır. Referans harç ile %20 mFDM katkılı harç arasında soğuma ve ısınma aşamalarında sıcaklık farkları sırasıyla 9,5 °C ve 3,3 °C olarak ölçülmüştür. Buz eritme testinde, aynı miktardaki buz kütlesini %20 mFDM katkılı harç, referans harca kıyasla 6 saat önce eritmiştir. Mikroyapı analizlerinde, mFDM'nin zayıf ara yüzey oluşturduğu, MS kullanımı ile daha kompakt yapı sağlandığı görülmüştür. Bu çalışmalar neticesinde optimum mFDM oranı %7,5 olarak belirlenmiştir. Üçüncü aşamada, %7,5 mFDM ve Polipropilen (PP) lif katkılı beton kaplamalar tasarlanmıştır. MS kullanımı taze beton hava içeriğini %13, su emme ve poroziteyi ise %15,4 oranında azaltmış; eğilme, basınç, yarmada çekme dayanımları ile elastisite modülünü sırasıyla %22,5, %17, %19 ve %24'e varan oranlarda artırmıştır. Termal testlerde, %7,5 mFDM katkılı beton ile referans arasında 3,6 °C sıcaklık farkı görülmüştür. Aynı miktardaki buz kütlesini %7,5 mFDM katkılı beton, referansa kıyasla 2 saat daha erken eritmiştir. Son olarak dış ortam koşullarında 100 × 150 × 20 cm ebatlarında Referans ve %7,5 oranında mFDM katkılı olmak üzere iki adet beton kaplama üretilmiş ve kaplamalar üzerinde sıcaklık ölçümü ile kar eritme performansı gözlemleri yapılmıştır. Ayrıca kaplamalardan alınan karot numuneler üzerinde fiziksel ve mekanik özellik testleri gerçekleştirilmiştir. mFDM katkılı beton kaplamaların eğilme, basınç ve yarmada çekme dayanımları referans betona kıyasla sırasıyla %28,6, %21,5 ve %21 oranında düşüş göstermiştir. Sıcaklık ölçüm sonuçlarına göre mFDM katkılı beton kaplama ile referans kaplama arasında 4 ℃'ye varan sıcaklık farkları oluşmuştur. Elde edilen sonuçlar çevreci ve sürdürülebilir, yeni nesil kendiliğinde kar/buz eritme özelliğine sahip olan aynı zamanda çimentolu kompozitlerin iç sıcaklık değişimini de kontrol altında tutabilen, PP lif ve MS ile mekanik özellikleri geliştirilen, mFDM katkılı beton kaplamaların üretilebileceğini göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Outdoor structures such as concrete bridges, airport aprons, and road pavements deteriorate over time due to rain, snow, and freeze-thaw cycles, creating cracks and cavities that reduce durability and increase maintenance costs. Traditional methods (salt, solvents) damage concrete surfaces and the environment. Therefore, phase change materials (PCMs), which store solar energy and release heat according to ambient temperature, have been proposed as alternative materials in recent years. However, while direct and impregnated PCMs carry the risk of leaching and loss of function, microencapsulated PCMs (mPCMs) mitigate these problems. The aim is to compensate for the weakened mechanical properties of PCMs by using magnetized water (MW). In the first phase of the thesis, the physical, thermal, and microstructural suitability of mPCM was tested. In the second phase, mPCM was added to the cement mortars at different proportions by weight of cement, and tap water (TW) and MW were used as mixing water. Physical, mechanical, thermal, and microstructural analyses were performed on the cement mortars. As the mFDM ratio increased, the setting times increased, while the flexural and compressive strengths decreased by up to 38.4% and 63.9%. In contrast, the use of MW provided a 15–16% increase in strength, reduced water absorption, porosity, and rapid chloride permeation values by 6.5%–21.5%, and increased unit weight values by up to 10%. The temperature differences between the reference mortar and the mortar with 20% mPCM during the cooling and heating stages were measured as 9.5 °C and 3.3 °C, respectively. In the ice melting test, the mortar containing 20% mPCM melted the same amount of ice 6 hours earlier than the reference mortar. Microstructural analyses revealed that mPCM created a weak interface, while the use of MW resulted in a more compact structure. These studies determined the optimum mPCM ratio to be 7.5%. In the third phase, concrete pavements containing 7.5% mPCM and Polypropylene (PP) fiber were designed. The use of MW reduced fresh concrete air content by 13%, water absorption and porosity by 15.4%, and increased flexural, compressive, splitting tensile strengths, and modulus of elasticity by 22.5%, 17%, 19%, and 24%, respectively. Thermal tests revealed a temperature difference of 3.6 °C between the 7.5% mPCM concrete and the reference concrete. The 7.5% mPCM concrete melted the same amount of ice mass 2 hours faster than the reference concrete. Finally, two concrete pavements, one containing reference concrete and the other containing 7.5% mPCM, were produced under outdoor conditions. Temperature measurements and snow melting performance were conducted on the pavements. Physical and mechanical property tests were also conducted on core samples taken from the pavements. The flexural, compressive, and splitting tensile strengths of the mPCM-added concrete pavements decreased by 28.6%, 21.5%, and 21%, respectively, compared to the reference concrete. Temperature measurement results revealed temperature differences of up to 4 °C between the mPCM-added concrete pavement and the reference pavement. The results demonstrated that environmentally friendly and sustainable, next-generation mPCM-added concrete pavements can be produced. They can also control internal temperature changes in cementitious composites, and their mechanical properties are enhanced with PP fiber and MW.
Benzer Tezler
- Multifunctional conductive cementitious composites including phase change materials with snow/ice melting capability
Kar/buz eritme özelliğine sahip, faz değiştiren malzeme içeren multifonksiyonel iletken çimento esaslı kompozitler
FATİH ACIKÖK
Doktora
İngilizce
2024
Mühendislik BilimleriHacettepe Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ŞAHMARAN
- Faz değiştiren malzeme ile ısıl depolamanın sayısal modellenmesi
Numerical modeling of heat storage with phase change material
HALUK AĞUSTOS
Doktora
Türkçe
2020
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GALİP TEMİR
- Faz değiştiren malzeme içeren 3-D yazıcı ile üretilmiş yapay agreganın alkaliler ile aktive edilmiş cüruf esaslı bağlayıcı sistemde buzlanmayı önleyici olarak kullanımı
The utilization of artificial aggregate containing phase change material produced by 3-D printer as an anti-icing agent in alkali-activated slag-based binder system
AHMET KAAN AKPUNAR
Doktora
Türkçe
2024
İnşaat MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİHAT KABAY
- Faz değiştiren malzeme dolgulu kanatlı tüpler ile entegre edilmiş yeni tip fotovoltaik modül tasarımı ve analizi
Design and analysis of a new type photovoltaic module integrated with phase change material-filled finned tubes
SERHAT ŞENGÜR
Doktora
Türkçe
2026
Makine MühendisliğiFırat ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLŞAH ÇAKMAK
- Güneş enerji sistemlerinde faz değiştiren malzeme ile ısıl enerji depolamada kullanılan bir ısı değiştiricisi tasarımı ve sayısal analizi
A heat exchanger design and numerical analysis of thermal energy storage used with phase change materials in solar energy systems
MELTEM KOŞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
EnerjiGazi ÜniversitesiEnerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA AKTAŞ