Çimento Harcında Nanopartikül Kullanmanın Faydaları
Global olarak yılda yaklaşık 3 milyar ton çimento üretiliyor (Guillaume, 2014) ve bunun çoğunu, gelişmekte olan ülkelerin gittikçe büyüyen ekonomileriyle beraber durmaksızın artan talepleri oluşturuyor.
İnşaat faaliyetlerinin yanı sıra doğal afetler ve savaşlar birçok altyapının tahrip olmasına yol açarak, harç ve beton gibi çimento ve çimento bazlı malzemelere olan talebi sürekli olarak artırıyor.
Harç, malzemenin dayanıklılığını artırmak için ince kum, su, kireç ve çimento karışımından oluşur. Genellikle tuğla, beton bloklar ve taş gibi diğer yaygın duvar yapı malzemelerini bir arada tutan bir hamur olarak kullanılır.
Harcın birçok avantajı olmasına rağmen depreme daha az dayanıklı ve gevrek olmakla birlikte düşük çekme dayanımına sahiptir. Bu dezavantajlar, bilim insanlarını nanopartikül kullanımı da dâhil olmak üzere birçok alternatif çözüm aramaya itiyor.
Nanopartiküller Çimento Harcını Daha Dayanıklı Hâle Getiriyor
Richard Feynman’ın 1959 yılında Amerikan Fizik Derneği toplantısında sunduğu “Dipte Çok Boş Yer Var” isimli ünlü konferansından bu yana nanoteknoloji, maddeyi 1 ve 100 nanometre boyutunda incelemek adına tamamen evrildi.
Nanopartiküller, geniş yüzey alanı, yüksek fonksiyonel yoğunluk, olağanüstü yüzey etkisi ve yüksek birim şekil değiştirme direnci gibi (Mohajerani, vd., 2019) ayırt edici özellikleri ile, çeşitli uygulamalarda oldukça önemli bir rol üstleniyor. Malzeme özelliklerini geliştirdikleri ve yenilikçi uygulamaları mümkün kıldıkları düşünülüyor.
Geçtiğimiz on yılda birçok araştırmacı, üstün özelliklere sahip çimento bazlı malzemeler üretmek için inşaat sektöründe nanopartiküllerin kullanımını araştırdı.
Çimentoya metal oksit nanopartiküllerin eklenmesinin iyon geçirgenliğini azaltarak malzemenin mukavemetini ve dayanıklılığını artırdığı kanıtlandı (Al-Rifaie & Ahmed, 2016).
İncelenen nanopartiküller arasında nano-SiO2, TiO2, Al2O3, Fe2O3 karbon nanotüpler, karbon nanofiberler, grafen ve grafit oksit bulunuyor (Ramakrishna & Sundararajan, 2019). Bununla birlikte, nano-SiO2, boyutu ve puzolanik reaksiyonu nedeniyle en sık tercih edilen nanopartikül olarak kabul ediliyor (Wang, Zhang ve Gao, 2018).
Çimento harcının dayanımı, kalsiyum silikat hidrat (C-S-H) jelleri gibi trikalsiyum silikat (C3S) ve dikalsiyum sikilatın (C2S) hidratasyonundan elde edilen hidrate ürünün homojen dağılımı ve yoğunluğu ile ilişkilidir.
Nanopartiküller, hidratasyon reaksiyonunu aktive ederek ve çimento hamurunun yapısında bulunan mikro boşlukları doldurarak betonunun mukavemetini ve dayanıklılığını artırır. Bu durum, betonunun porozitesini azaltarak harcın dayanımını ve mekanik özelliklerini geliştirmektedir (Ramakrishna & Sundararajan, 2019).
Nanopartikül İçeren Çimento Harcının Özellikleri
Cavazos ve diğerleri (Cavazos, vd., 2017), çok duvarlı karbon nanotüp (MWCNT) ve haloysit nanotüp (HNT) kullanılan çimento harcının mekanik özelliklerini araştırdı.
Normal çimento harcı ile karşılaştırıldığında, %0,1 yoğunlukta MWCNT’lerin eklenmesi basınç dayanımını %56 artırırken, %0,1 yoğunlukta HNT’ler eklendiğinde %31 miktarında bir artış gözlendi.
MWCNT Nanopartiküllerin topaklaşması nedeniyle, düşük konsantrasyonlarda kullanımın daha etkili olduğu sonucuna varıldı. %0,5 konsantrasyonlu MWCNT nanopartikül kullanımı, basınç dayanımında %15 ve çekme dayanımında %36’lık artış sağladı (Kumar, Kolay, Malla ve Mishra, 2015).
Bir başka araştırma grubu da (Farzadnia, Ali, Demirboğa ve Anwar, 2013) %3 konsantrasyonlu HNT kullanımının basınç dayanımını %24 artırdığını kanıtladı.
TiO2 nanopartiküllerinin 0°C, 5°C ve 10°C’lik farklı sıcaklıklarda çimento harcı üzerindeki etkisinin fiziksel ve mekanik özellikleri analiz edildi ve 20°C’lik ortam sıcaklığı ile karşılaştırıldı (Wang, Zhang ve Gao, 2018). Sonuç olarak, araştırmacılar ağırlıkça %2 TiO2 nanopartikül oranının, düşük sıcaklığın çimento harcının priz süresini olumsuz etkilemesine rağmen, genel olarak çimento harcının hidratasyon sürecini hızlandırabilecek optimum konsantrasyon seviyesi olduğunu gözlemledi.
Düşük sıcaklıklarda hidratasyon hızının azalması nedeniyle hidratasyon ürünlerinin de oluşumu yavaşlamaktadır (Wang, Zhang ve Gao, 2018). Bu durum matriste boşluklara sebep olmakla beraber yoğun bir mikro yapı oluşumu için ilave süre gereksinimine neden olur. Geniş yüzey alanı / hacim oranına sahip nanopartiküller, daha fazla hidratasyon ürününün oluşması için uygun bir ortam sağlar (Wang, Zhang ve Gao, 2018).
Çimentoda Nanopartikül Kullanımı ile Çevresel Etkiler Azaltılabilir
Nanopartikül kullanımı, beton üretiminden kaynaklanan çevresel etkiyi azaltmak için etkili bir çözüm olarak ortaya çıkıyor.
Sadeghi-Nik ve araştırma ekibi (Sadeghi-Nik, Berenjian, Bahari, Safaei & Dehestani, 2017), harcın içindeki çimentoyu ağırlıkça %1, 2 ve 3 oranlarında nano-montmorillonite ve nano-Titanyum (nano-MT) parçacıkları ile ikame ederek mukavemeti artırmak ve çevresel etkiyi azaltmak amacıyla deneysel çalışma gerçekleştirdi
Elde edilen sonuçlara göre, ağırlıkça %1’e kadar nano-MT eklenmiş çimento kullanımının mikro yapı ve mekanik özellikleri geliştirmekle beraber sera gazı emisyonunu azalttığı gözlemlendi.
Araştırma, nanopartiküllerin çimento harcı özelliklerini genel olarak iyileştirdiğini ve yapısal kullanımda mukavemeti artırdığını ortaya koyuyor.
