Lif donatili obsidyen ve silis dumani tabanli geopolimer bağlayici sistemlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of the mechanical properties of fiber-reinforced obsidian and silica fume-based geopolymer binder systems
- Tez No: 1000190
- Danışmanlar: PROF. DR. İLKER USTABAŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu doktora tezi çalışmasında, çimento esaslı sistemlere çevresel açıdan sürdürülebilir bir alternatif olarak değerlendirilen doğal bir volkanik cam olan obsidyenin ana bağlayıcı olduğu ve silis dumanı ikameli geopolimer harç ve betonların mekanik, fiziksel ve mikroyapısal özellikleri deneysel ve sayısal yöntemler kullanılarak kapsamlı biçimde incelenmiştir. Bu bağlamda çalışmanın temel amacı sadece deneysel sonuçların raporlanması değil, bağlayıcı türü ve oranları, kür sıcaklığı ve süresi, alkali aktivatör özellikleri, lif türleri gibi önemli karışım parametrelerinin geopolimer malzemelerin performanslarını üzerindeki etkilerinin araştırılmasıdır. Ayrıca, deneysel çalışmalar sonucunda elde edilen verilerden yararlanarak farklı yaklaşımlara sahip makine öğrenmesi modellerinin geliştirilmesidir. Çalışma kapsamında, bağlayıcı olarak ağırlıkça %100-90 oranında obsidyen, %0-10 oranında silis dumanı, alkali aktivatör olarak sodyum hidroksit ve sodyum silikatın farklı molar özellikleri değerlendirilmiştir. Ayrıca hazırlanan geopolimer betonların lif ikamesindeki etkilerinin incelenmesi amacıyla polivinil alkol (PVA), bazalt ve çelik lifler kullanılmıştır. Hazırlanan numuneler belirli sürelerde belirli sıcaklıklarda ısıl kür işlemine tabi tutulmuştur. Ardından numuneler mekanik özelliklerin tespiti amacıyla basınç ve yarmada çekme dayanım testleri yapılmıştır. Fiziksel özelliklerinin tespiti amacıyla su emme, kılcal su geçirimlilik ve ultrases darbe hızı (UPV) deneyleri yapılmıştır. Son olarak mikroyapısal özelliklerin tespiti amacıyla, XRD, FTIR, TGA, SEM, EDS, MIP gibi önemli bir dizi mikroyapısal testler yapılmıştır. Elde edilen bulgular, obsidyenin bağlayıcı olarak kullanıldığı numunelerin erken yaş dönmelerinde dayanımlarının gelişimi açısından avantajlı olduğu, silis dumanı içeren numunelerin ise ileri yaş dönemlerinde mikroyapısal özelliklerin gelişimine katkı sağlayarak mekanik ve dayanıklılık özelliklerine olumlu katkılar sağladığı tespit edilmiştir. %100 obsidyen içeren karışımlar yüksek erken yaşda basınç dayanımı verirken, %5 ve %10 oranlarında silis dumanı ikamesi içeren sistemlerde daha homojen, yoğun ve düşük geçirgenliğe sahip mikroyapılar elde edilmiştir. Lif katkılarının etkisi lif türüne bağlı olarak farklılaşmış; bazalt liflerin erken yaşta, çelik liflerin ise geç yaşta mekanik performansı belirgin biçimde artırdığı, PVA liflerin ise daha dengeli ancak sınırlı katkı sunduğu belirlenmiştir. UPV ve kılcal su geçirimliliği gibi önemli testlerden elde edilen sonuçlar ile mikroyapısal özellikler arasındaki ilişki açık bir şekilde ortaya koyulmuştur. Silis dumanı içeren karışımların, daha düşük su emme ve yüksek mikroyapısal bütünlüğe sahip olduğu görülmüştür. SEM görüntülerinde elde edilen silis dumanı artışıyla birlikte amorf geopolimer jel yapısının güçlendiğini ve bağlayıcı matris sürekliliğinin arttığını doğrulamıştır. Bu mikroyapısal gelişim, mekanik dayanım ve fiziksel performans verileriyle uyumlu sonuçlar vermiştir. Çalışma kapsamında elde edilen sayısal sonuçlar, basınç dayanımı tahmini yapılması amacıyla farklı çalışma prensiplerine sahip makine öğrenmesi modelleri geliştirilmiştir. Makine öğrenmesi modelleri yalnızca basınç dayanımı tahmini amacıyla değil, deneysel değişkenlerin göreli önemlerinin ortaya konması ve çok parametreli sistem davranışının anlaşılması için analitik bir araç olarak kullanılmıştır. Öncelikle tekil modellerin tahmin performansları kıyaslanmış, ardından tekil modellerin tahmin performansları ve hataları üzerinde inşa edilmiş bir meta hibrit topluluk modeli geliştirilmiştir. Geliştirilen meta hibrit topluluk modeli, tekil modellere kıyasla daha yüksek doğruluk ve genelleme yeteneği sergileyerek geopolimer sistemler için güvenilir bir tahmin çerçevesi sunmuştur. Ayrıca farklı eğitim–test oranları kullanılarak modellerin genelleme yetenekleri değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, makine öğrenmesi yöntemlerinin geopolimer sistemlerin mekanik davranışlarını yüksek doğrulukla tahmin edebildiğini ve deneysel çalışmalar için güçlü bir tamamlayıcı araç olduğunu göstermiştir. Genel olarak bu doktora tez çalışması, obsidyen ve silis dumanı esaslı geopolimer harç ve betonların mekanik–fiziksel–mikroyapısal davranışlarını bütüncül bir yaklaşımla ortaya koymakta; lif katkıları ve alkali aktivatör özelliklerinin performans üzerindeki etkilerini detaylı biçimde açıklamakta ve makine öğrenmesi uygulamaları ile literatüre özgün ve çok disiplinli bir katkı sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This doctoral thesis study comprehensively investigated the mechanical, physical and microstructural properties of geopolymer mortar and concrete, in which obsidian a natural volcanic glass and an environmentally sustainable alternative to cement-based systems serves as the primary binder, replacing silica fume. The main objective of the study is to report on the effects of important mixture parameters, such as binder type and ratios, curing temperature and duration, alkali activator properties, and fibre types, on the performance of geopolymer materials, as well as to report on the experimental results. Furthermore, the aim is to develop machine learning models using different approaches with the data obtained from the experimental studies. The study evaluated the different molar properties of obsidian at a ratio of 100–90% by weight and silica fume at a ratio of 0–10%, as well as the properties of sodium hydroxide and sodium silicate as alkali activators. Additionally, the effects of fibre substitution in the prepared geopolymer concretes were investigated using polyvinyl alcohol (PVA), basalt and steel fibres. The prepared samples were subjected to thermal curing at specific temperatures for set periods of time. The samples then underwent compression and tensile strength tests to determine their mechanical properties. Their physical properties were determined using water absorption, capillary water permeability and ultrasonic pulse velocity (UPV) tests. Finally, a series of important microstructural tests were performed, including XRD, FTIR, TGA, SEM, EDS and MIP, to determine the microstructural properties. The findings revealed that samples using obsidian as a binder offered advantages in terms of strength development during the initial stages, while samples containing silica fume contributed to the development of microstructural properties during later stages, positively impacting mechanical and durability properties. Although mixtures containing 100% obsidian offered high compressive strength at an early stage, systems with 5% or 10% silica fume replacement produced denser, more homogeneous, and lower-permeability microstructures. The effect of fibre additives varies depending on the type of fibre. It has been determined that basalt fibres significantly increase mechanical performance at an early stage, steel fibres at a later stage, and PVA fibres provide a balanced, albeit limited, contribution. A clear relationship has been demonstrated between the results obtained from important tests such as UPV and capillary water permeability, and microstructural properties. Mixtures containing silica fume were found to have lower water absorption and higher microstructural integrity. SEM images confirmed that an increased amount of silica fume strengthened the amorphous geopolymer gel structure and increased the continuity of the binder matrix. This microstructural development yielded results consistent with mechanical strength and physical performance data. The numerical results obtained within the scope of the study were used to develop machine learning models with different working principles to estimate compressive strength. These models were not only used for compressive strength estimation, but also as an analytical tool to reveal the relative importance of experimental variables and understand the behaviour of multi-parameter systems. First, the predictive performance of the individual models was compared. Then, based on the predictive performance and error of the individual models, a meta-hybrid ensemble model was developed. This model demonstrated greater accuracy and generalisation capabilities than the individual models, providing a reliable framework for predicting the properties of geopolymer systems. Furthermore, the models' generalisation capabilities were evaluated using different training–test ratios. The results obtained showed that machine learning methods can predict the mechanical behaviour of geopolymer systems with high accuracy and can be used as a powerful complementary tool in experimental studies. Overall, this doctoral thesis provides a comprehensive overview of the mechanical, physical and microstructural behaviour of obsidian and silica fume-based geopolymer mortars and concretes. It also explains the effects of fibre additives and alkali activator properties on performance in detail, and contributes to the literature by presenting machine learning applications in a unique, multidisciplinary manner.
Benzer Tezler
- Lif donatılı çimentolu ince kompozitler – mimaride kullanımı
Fiber reinforced cementitious composites – architectural applications
MEHTAP YILDIRIM
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
MimarlıkYıldız Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ZEHRA CANAN GİRGİN
- Lif donatılı çimento malzemeler ile güçlendirilmiş konsol betonarme kirişlerin yapısal davranışının incelenmesi
Investigation of the structural behavior of concrete beams strengthened with fiber reinforced cement materials
ŞEVKET TUFAN BAYRAKCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
İnşaat MühendisliğiKonya Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALPTUĞ ÜNAL
DOÇ. DR. OĞUZHAN ÖZTÜRK
- Lif donatılı yüksek performanslı geopolimer harçların dayanım ve dayanıklılık özellikleri
Strength and durability properties of fiber reinforced high performance geopolymer mortars
MUSTAFA YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
İnşaat MühendisliğiKonya Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÜLKÜ SULTAN KESKİN
DOÇ. DR. OĞUZHAN ÖZTÜRK
- Çelik lif donatılı betonlar
Steel reinforced concrete
ALİ İHSAN ATEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
İnşaat MühendisliğiKırıkkale Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. HÜSEYİN İLTER TAŞKIRAN
- PVA lif donatılı çimento esaslı kompozitlerin mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation on the mechanical properties of PVA fiber reinforced cement based composits
KEMAL KILIÇ BOĞAZKESEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. HAKAN NURİ ATAHAN