Beton ve Nanoteknoloji

Nano ölçekteki maddelerin anlaşılmasını, modellenmesini ve kontrol edilmesini inceleyen ve bu kapsamda ürün özelliklerinin gelişmesini amaçlayan bir bilim alanı olarak ifade edilebilir[1].

Son yıllarda tıp, tekstil, kimya, elektronik, biyomekanik, ilaç ve inşaat gibi birçok sektörde nanoteknoloji kavramı giderek yaygınlaşmaktadır[1-2].

Nano ölçeği daha iyi anlamak için verilecek en iyi örneklerden birisi insan saçının kalınlığının yaklaşık 80 bin nanometre olmasıdır. Bir diğer örnekte bir bilya ile dünya çapı arasındaki oranın bir nanometre ile bir metre ile aynı olmasıdır. Nano ölçekteki maddelere “nanomalzeme” veya “nanopartikül” denmektedir [1]. Maddeler nano ölçekte genel özelliklerinden farklı özellikler taşıyabilir. Bu duruma örnek olarak manyetik özellik, yalıtım özelliği, iletkenlik, kimyasal reaktiflik, optik özellik vb. verilebilir.

Nanoteknoloji, “üstten aşağı(top down)” ve “alttan yukarı(bottum up)” olarak ifade edilen iki yaklaşımı dikkate alır. Şekil 1’de görüldüğü gibi “üstten aşağı” yaklaşım büyü1k ebattaki maddelerin nano ölçek seviyesine getirilmesidir. “Alttan yukarı” yaklaşım ise atomik veya moleküler seviyeden nano ölçek seviyesine çıkılmasıdır. Bu yaklaşım “moleküler teknoloji” ya da “moleküler üretim” olarak da bilinmektedir [1].

İnşaat sektöründe, diğer bilim ve mühendislik dallarında olduğu gibi nanoteknolojideki gelişmeler yakından takip edilmekte ve olası yeni uygulama alanları belirlenmeye çalışılmaktadır. Nanopartiküllerin yapı malzemelerinde kullanımı her geçen gün daha da ilgi çekmektedir. Nanopartiküllerin kullanımıyla malzemelerin sadece mukavemet, dürabilite gibi özelikleri iyileştirilmekle kalmamakta, aynı zamanda fotokatalitik [3],  basınç algılama [4] gibi yeni fonksiyonlar kazanması mümkün olmaktadır [5].

Nanomalzemelerin ve nanoteknolojilerin gelişmesine katkı sağlamak amacıyla Avrupa Birliği kapsamında veya Amerika, Kanada, Japonya, Çin gibi ülkelerde çok sayıda ulusal projeler devreye sokulmuştur. Farklı uluslararası profesyonel örgütler tarafından çalışma komiteleri, komisyonları ve grupları kurulmuştur. Bu komitelerden birine örnek olarak RILEM tarafından kurulmuş TC 197-NCM verilebilir [6].

Son yıllarda yapı malzemesi alanında, özellikle de çimento esaslı malzemelerde nanoteknolojinin farklı uygulamalarıyla ilgili çok sayıda araştırma yapılmaktır [7].

Nanoteknoloji, çok disiplinli beton biliminin betonun davranışını tüm detaylarıyla açıklamasını, özeliklerini tasarlamasını, yapı malzemelerinin üretim ve ekolojik maliyetlerini düşürmesini mümkün kılmaktadır.

Beton, nano boyutta tasarlanırken nanopartikül veya nanotüp gibi malzemeler ilave edilerek malzeme davranışı kontrol edilebilirken yeni özelikler kazanması da sağlanabilir. Nano boyutta yapılan değişikler kapsamında çimento tanelerine, çimento fazlarına, agregalara veya katkılara (nano boyuta sahip olanlar da dahil olmak üzere) molekül aşılaması söz konusu olabilir.

Çimento esaslı malzemeler için büyük önem teşkil eden, aynı zamanda kendisi de bir nanomalzeme olarak nitelendirebilecek C-S-H jelinin ve diğer hidratasyon ürünlerinin nano ve mikro ölçekteki fiziksel ve kimyasal özeliklerinin anlaşılabilmesiyle malzemelerin makro boyuttaki özelik ve performansları kontrol edilebilir hale gelebilir. Nano ölçekte yapılan araştırmalar da nano boyuttaki nükleer manyetik rezonans, nanoindentasyon, atomik kuvvet mikroskopu gibi ileri karakterizasyon tekniklerinin gelişmesi sayesinde olmaktadır.

Beton Ve Nanoteknoloji

Beton çok fazlı kompozit bir malzemedir. Amorf faz yapısında olan beton nano ve mikro ölçekte hidratasyon ürünleri içermektedir [1]. Şekil 2’de beton bileşenlerinin tane boyutları ve özgül yüzey alanları görülmektedir. Şekil 2’den konvansiyonel betonun nanopartikül içermediği sonucu çıksa da hidratasyon ürünü olan C-S-H jelleri, jel boşluklarındaki su ve kimyasal katkılar aslında nano ölçekteki maddeledir. Günümüzde beton ve çimentoda nanoteknoloji konusunda araştırma yapan bilim insanları daha çok hidratasyon reaksiyonuna ve nanopartiküllerin beton özellikleri üzerindeki etkilerine yoğunlaşmıştır [2].

Diğer sektörlere göre nanoteknolojik gelişmelerin betonda geri kalmasının ve yavaş ilerlemesinin başlıca nedenleri:

1.Beton özelliklerinin nano ölçekte yeterince anlaşılmış ve araştırılmış olmaması

2.Nano gelişmelerin ve potansiyel modifikasyonların beton üzerinde olası etkilerinin anlaşılmış olmaması

3.Çok disiplinli çalışmaların yetersizliği

4.Ar-Ge çalışmalarının masraflı olması ve ürün bazında maliyet getireceğinin düşünülmesi

Nanopartiküller

Çimento esaslı malzemelere ilave edilen nanopartiküllerle çimentonun erken yaş hidratasyon reaksiyonları sırasında gerçekleşen çekirdeklenme sürecinini hızlandırmak mümkün olmaktadır.

Hidratasyonu hızlandırmak için tercih edilen yöntemlerden biri Nano-SiO₂, Nano-Al₂O₃, Nano-TiO₂ veya Nano-Fe₂O₃ gibi nanopartiküllerin kullanımıdır. Boyutları nanometrelerle ifade edilebilen bu nanopartiküller çok geniş reaktif yüzey alanları oluştururken, ortamda çok sayıda çekirdeklenme noktasının mevcut olmasını sağlar ve çekirdeklenme reaksiyonları hızlı bir şekilde bu noktalarda başlayabilir. Nano-SiO₂ gibi partiküllerin puzolanik reaksiyonla     C-S-H jeli oluşumuna katkıda bulunmasında olduğu gibi, bu nanopartiküllerin çimento hamurunun bileşenleriyle reaksiyona girme potansiyelleri yüksek olduğu için ilave çekirdek oluşumu da söz konusu olur.

Yapılan bir araştırmada bağlayıcı oranı olarak %10 Nano-SiO₂ içeren betonlarda 28 günlük basınç dayanımında %26 artış olduğu ve bu artışın %15 silis dumanı kullanımında ise %10 mertebesinde olduğu tespit edilmiştir [1]. Bağlayıcı oranı olarak %5 Nano-Al₂O₃’in kullanıldığı bir çalışmada elastisite modülünün 28 gün sonunda %143 arttığı ve basınç dayanımında kayda değer bir artış olmadığı tespit edilmiştir. Çimento harcına sentetik toz Nano-ZrO₂ ilavesi sonucu geçirimliliğin azaldığı, basınç dayanımında ve harcın mikro yapısında iyileşme olduğu tespit edilmiştir [1]. Nano ölçekteki kil partiküllerinin betonun mekanik özelliklerini iyileştirdiği, klorür geçirimliliğini ve rötresini azalttığı yapılan deneysel çalışmalar sonucunda bulunmuştur [8].

Hidratasyon sürecinin hızlanması nanopartikullerin reaktif yüzeylerinde gerçekleşen reaksiyonlarla ilgili olduğu için bu partiküllerin yüzey alanları veya boyutları çimento hidratasyon kinetiği açısından önem teşkil etmektedir [9].

Çimento hidratasyonunu hızlandırmak için sentetik C-S-H tohumu gibi nanopartikülerden de faydalanılmaktadır. Bu yöntemle, normal şartlarda kristal gelişimi için gerekli ama zaman kaybına sebep olan çekirdeklenme reaksiyonlarına ihtiyaç kalmamakta, çimento hidratasyonunun ölü evresi kısalmaktadır [10-13].

Nanopartikül ilavesiyle hidratasyon kinetiğinin iyileştirilmesine çalışılan her iki yöntemde de, hidratasyon ürünlerinin çekirdekleri sadece çimento tanelerinin üzerinde değil aynı zamanda bu nanopartiküllerin üzerinde, çimento taneleri arasında da Şekil 3’de belirtildiği gibi oluşmaktadır.

Sonrasında çimento hidratasyon ürünleri bu çekirdekler sayesinde kristal büyüme mekanizmasıyla oluşur. Nanopartiküllerin ilavesi sayesinde, hidratasyon ürünleri çimento tanelerinin arasında da oluşmaya başladığı için nanopartikül içermeyen bir referans karışıma göre çok daha boşluksuz bir içyapının oluşumu kısa sürede gerçekleşir. Bu şekilde, daha boşluksuz, erken yaşta yüksek basınç mukavemetine sahip çimento esaslı malzemelerin elde edilmesi mümkün olabilir [14-16].

Çok yüksek mukavemet ve elastisite modülü değerlerine, elastik davranışına, elektriksel ve termal özeliklerine ek olarak nanotüpler filler malzeme özeliği göstererek daha boşluksuz malzemeler elde edilmesine imkan verir. Çatlak oluşumunu ve yayılmasını engelleyici yönde fayda sağlarken (Şekil 4), çimento hamuru-agrega arayüzünün kalitesini arttırır. Sonuçta, çok daha dayanıklı ve enerji yutma kapasitesi yüksek karbon nanotüplü kompozitler elde edilebilir.

Tek duvarlı karbon nanotüplerle yapılan bir çalışmada [18], karbon nanotüplerin C-S-H jeli için çekirdeklenme noktası oluşturduğu ve C-S-H’ların nanotüpler üzerinde de oluştuğu gözlemlenmiştir (Şekil 5). Neticede tek duvarlı karbon nanotüplere sağlam bir şekilde bağlanmış, yoğun C-S-H jeli elde edilmiştir. Benzer durum çoklu duvarlı (katmanlı) nanotüplerle de elde edilmiştir [19].

Sonuçlar

Nanoteknolojinin betona uygulanmasıyla ilgili araştırmalar devam etmekte olup büyük ölçekteki uygulamalar çok sınırlıdır. Ancak, nanoteknolojinin çimento esaslı malzemelerin performansını ve dürabilite özeliklerini iyileştireceği şu ana kadar elde edilen sonuçlar çerçevesinde kesindir. Yapılan birçok araştırma sonucu nano-partiküllerin aşağıda belirtilen hususlarda önemli iyileşmelere neden olabileceği tespit edilmiştir [1,8]:

• Agrega-çimento hamuru arasında aderansın kuvvetlenmesi,
• Mikro çatlak oluşumunu azalması ve bu çatlakların kendiliğinden iyileşmesi,
• Beton geçirimliliğinin azalması,
• Rötre oluşumunun azalması,
• Kil içeren agregaların olumsuz etkisinin azalması,
• Elastisite modülünün artması,
• Betonun sıcaklığa direncinin artması,
• Alkali-silika reaksiyonu, korozyon, donma-çözülme gibi dürabilite özelliklerinin iyileşmesi.

Beton biliminin, her geçen gün gelişmekte olan nanoteknolojiden zaman içinde elde edeceği yarar artacaktır. Betonun nano boyutta tasarlanması konusunda yeni gelişmeler devam etmektedir [20]. Bunlara örnek olarak;

• Nanopartikül veya nanotüplerle güçlendirilmiş yüksek performanslı bağlayıcılar, nanoçimento,
• Sıcaklık, nem veya gerilme algılayabilen akıllı beton,
• Deforme olabilen, büzülmeyen, düşük termal genleşmeli beton,
• Az miktarda Portland çimentosu içeren, nanopartikül ihtiva eden modifiye eko-bağlayıcılar,
• MgO, fosfat, jeopolimer, alçıtaşı gibi alternatif nanopartiküller ihtiva eden eko-bağlayıcılar,
• Fotokatalitik teknoloji bazlı kendi kendini temizleyebilme özeliğine sahip beton,
• Kendi kendini onarabilen beton gösterilebilir.

Türkiye’de aktif biçimde nanoteknolojiden yararlanan kuruluşların sayısı bir hayli azdır. Nanoteknoloji ile ilgili kuruluşlar, genellikle; enerji, otomotiv, savunma, havacılık, tekstil, kimya ve inşaat sanayi ile ilgili çalışmalara odaklanmakta ve bu alanlarda nanoteknolojiyi kullanmaya çalışmaktadır. Üniversitelerimizde de nano teknoloji araştırma merkezleri kurulmakta ve araştırma etkinlikleri devam etmektedir.

Nanoteknolojinin yapı malzemelerine özellikle de çimento esaslı malzemelere adaptasyonuyla beton biliminin daha da ileri gideceği aşikardır. Bu çalışmaların devamında endüstriyel uygulamalara odaklanarak, temel araştırmaları daha da ilerletip sanayinin kullanabileceği düzeye gelmesini sağlamak en önemli hedeflerden biri olmalıdır.

Kaynaklar

1. Birgisson, B., et al., Nanotechnology in Concrete Materials, Transportation Research Board, 2012

2. Balaguru, P., Chong, K., “Nanotechnology and Concrete: Research Oppurtunities”, Proceedings of ACI Session on Nanotechnology of Concrete, 2006, pp.15-28

3. Lackhoff, M., et al., Photocatalytic Activity of Semiconductor-Modified Cement-Influence of Semiconductor Type and cement Ageing. Applied Catalysis B-Environmental, 2003, No.43(3), pp.205-216.

4. Hui L., Xiao H.G. and Ou J.P., “A Study on Mechanical and Pressure-Sensitive Properties of Cement Mortar with Nanophase Materials”, Cement and Concrete Research, 2004, No.34(3), pp.435-438.

5. Jayapalan A.R., Lee B.Y. and Kurtis K.E., “Can nanotechnology be ‘green’? Comparing efficacy of nano and microparticles in cementitious materials”, Cement & Concrete Composites, 2012, article in press.

6. Falikman V.R., Petushkov A.V., “Development of Russian Market of Nanotechnology Construction Products till 2020”, NICOM 4: 4th International Symposium on Nanotechnology in Construction, Agios Nikolaos, Crete, Greece, May 20-22, 2012, proceedings CD-ROM.

7. Kawashima S., Pengkun H., David J. Corr D.J., and Surendra P. Shah S.P., “Modification of Cement-Based Materials with Nanoparticles”, Cement & Concrete Composites, 2012, article in press.

8. Sanchez, F., Sobolev, K., “Nanotechnology in Concrete-A Review”, Construction and Building Materials, 2010, 24, pp.2060-2071
9. Land G., Stephan D., “The Influence of Nano-silica on the Hydration of Ordinary Portland Cement”, J Mater Sci., 2012, No.47(2), pp.1011–1017.

10. Thomas J.J., Jennings H.M., Chen J.J., “Influence of Nucleation Seeding on the Hydration Mechanisms of Tricalcium Silicate and Cement”, Phys. Chem. C., 2009, No.113(11), pp.4327–4334.

11. Alizadeh R., Beaudoin J., Raki L., Rakar J., Moudrakovski I., “C-S-H Seeding: An Approach for the Nanostructural Tailoring of Cement-Based Materials”, Conference Proceedings: 13th International Congress on the Chemistry of Cement, Madrid, Spain; 2011.

12. Nicoleau L., “New Calcium Silicate Hydrate Network”, Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, No. 2142, Transportation Research Board of the National Academies, Washington, D.C., 2010, pp. 42–51.

13. Nicoleau L., “Accelerated Growth of Calcium Silicate Hydrates: Experiments and simulations”, Cement and Concrete Research, 2011, No.41, pp.1339–1348.

14. Porro A., Dolado J. S., Campillo I., Erkizia E., De Miguel Y., De Ibarra Y., Ayuela A., “Effects of Nanosilica Additions on Cement Pastes”, Applications of Nanotechnology in Concrete Design, 2005, pp.87-96.

15. Qing Y., Zenan Z., Deyu K., Rongshen C., “Influence of Nano-SiO₂ Addition on Properties of Hardened Cement Paste as Compared with Silica Fume”, Construction and Building Materials, 2007, No.21(3), pp.539–545.

16. Björnström J., Martinelli A., Matic A., Börjesson L., Panas I., “Accelerating Effects of Colloidal Nano-silica for Beneficial Calcium–silicate–hydrate Formation in Cement”, Chemical Physics Letters, 2004, No.392(1-3), pp.242–248.

17. Raki L., Beaudoin J., Alizadeh R., Makar J. and Sato T., “Cement and Concrete Nanoscience and Nanotechnology”, Materials 2010, No.3, pp.918-942.

18. Makar, J.M.; Chan, G.W. Growth of cement hydration products on single walled carbon nanotubes. J. Am. Ceram. Soc. 2009, No.92, 1303–1310.

19. Li, G.Y., Wang, P.M., Zhao, X., “Pressure-Sensitive Properties and Microstructure of Carbon Nanotube Reinforced Cement Composites”, Concr. Comp. 2007, No.29, pp.377–382.

20. Sobolev K. and Sanchez F., “The Application of Nanoparticles to Improve the Performance of Concrete”, NICOM 4: 4th International Symposium on Nanotechnology in Construction, Agios Nikolaos, Crete, Greece, May 20-22, 2012, proceedings CD-ROM.

Bu makale 2013 yılında Beton 2013 Kongresinde yayınlanmıştır.

Yazarlar: Yasin Engin, Aslı Özbora Tarhan, Muhittin Tarhan

BetonveCimento.com için Patreon üzerinden destekte bulunmak ister misiniz?