Ultra yüksek performanslı çimento esaslı ağır kompozit malzemelerin radyasyon zırhlama özelliklerinin araştırılması

Abstract

Çimento esaslı kompozitler üzerinde son yıllarda yapılan birçok çalışmalar sonucunda yüksek dayanımın yanında yüksek süneklik kapasitesine ve üstün dayanıklılık özelliklerine sahip ultra yüksek performanslı çimento esaslı kompozitler (UHPC) geliştirilmiştir. UHPC, çok düşük bir su içeriği ile birlikte tane düzenin geliştirilmesiyle elde edilen yoğun bir mikroyapıya sahiptir. Ayrıca, hem basınç hem de çekme gerilmesi altında UHPC malzemesinin sünekliği ve enerji yutma kapasitesini karışımda kullanılan çelik lifler arttırmaktadır. Bu özellikleri nedeniyle UHPC malzemesi, inşaat sektöründe birçok uygulamada meydana gelen problemlerin çözümüne yönelik uygun bir yapı malzemesi olduğu düşünülmektedir. Bu nedenle farklı inşaat uygulamalarında UHPC malzemesinin kullanımı son yıllarda hızla yaygınlaşmıştır. Diğer taraftan, son yıllarda nükleer teknolojinin kullanım alanlarının artması sonucu radyoaktif malzemelerin kullanımının yaygınlaşmasıyla radyasyondan korunmanın önemi de artmıştır. Ayrıca, ülkemizde yapımı devam eden nükleer santral reaktörlerinden ileride oluşacak atıkların zırhlanması, taşınması ve depolanması amacıyla kullanılacak tankların gereksinimleri olacaktır. Radyasyon zırhlamada yaygın olarak kurşun ve ağır agregalı geleneksel betonlar kullanılmaktadır. Kurşun malzemesinin maliyetinin yüksek ve bünyesinde bulundurduğu ağır metaller ile çevreye zararlı olmasından ve ağır betonların dayanıklılık problemleri nedeniyle kısa servis ömürleri olmasından dolayı radyasyon zırhlama amacıyla kullanılacak yeni malzemelerin geliştirilmesine ihtiyaç vardır. Bu nedenle radyasyon zırhlama performansı geliştirilmiş UHPC malzemesinin önemli bir zırh malzemesi olabileceği düşünülmektedir. Bu amaç doğrultusunda gerçekleştirilen doktora çalışmasında, farklı agregalar ve karışım parametreleri ile üretilen UHPC malzemesinin fiziksel, mekanik ve radyasyon zırhlama özellikleri incelenmiştir. UHPC malzemesinin üretiminde, yaygın olarak kullanılan kuvars kumunun dışında radyasyon zırhlama özelliği olan ağır agregalar kullanılmıştır. Deneysel çalışma, 3 farklı su/bağlayıcı oranı (0,18, 0,24 ve 0,36), 3 farklı çelik lif içeriği (%1, %2 ve %3), 3 farklı agrega tipi (silis ve kuvars kumu karışımı, barit kumu ve granüle atık demir tozu) ve 2 farklı kür uygulaması (su ve buhar kürü) olmak üzere 4 farklı parametre ile tasarlanmış ve gerçekleştirilmiştir. Üretilen UHPC serilerinde; çökme-yayılma deneyi ve V-hunisi akış deneyi ile reolojik özellikler, basınç deneyi, eğilme deneyi ve çekme deneyi ile mekanik özellikler incelenmiştir. Ayrıca, 0,200 MeV enerjili X-ışını kaynağı ile 0,662 MeV enerjili sezyum (137Cs) ve 1,250 MeV enerjili kobalt (60Co) radyoizotopları olmak üzere 3 farklı enerji kaynağı için radyasyon zırhlama özellikleri deneysel ve teorik olarak belirlenmiştir. Teorik radyasyon zırhlama özellikleri, XCOM bilgisayar programı yardımıyla tüm serilerin XRF analiz yöntemi ile belirlenen kimyasal içerikleri kullanılarak 1 keV'den 1000 MeV'e kadar olan tüm enerjiler için belirlenmiştir. Elde edilen deney sonuçlarına bağlı olarak her bir seri için, Design-Expert bilgisayar programı yardımıyla matematiksel ve istatistiksel tekniklerin kullanılması ile deney sonuçları üzerinde tekli ve kombinasyon halinde agrega tipi, su/bağlayıcı oranı, çelik lif içeriği ve kür tipi etkilerini tanımlayabilecek matematiksel bağıntılar üretilmiştir. Daha sonra, belirlenen matematiksel bağıntılar optimizasyon amaç fonksiyonu olarak tanımlanmış ve işlenebilirlik, mekanik ve farklı enerji değerlerinde radyasyon zırhlama açısından üstün özellikler ile birlikte en ekonomik tasarım koşullarında UHPC malzemesinin optimum karışım tasarımlarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Tezin sonuç bölümünde ise deneysel ve teorik çalışmalardan elde edilen tüm sonuçlar karşılaştırmalı olarak irdelenmiş ve ortaya çıkan bulgular hakkında sebep-sonuç ilişkisi kurulmaya çalışılmıştır.