Günümüzde yeni yapılan yapılarda yeterli miktarlarda mineral katkı kullanarak Alkali Silika Reaksiyonunu (ASR) yavaşlatmak popüler bir yöntemdir. Betona ilave edilen mineral katkılar (uçucu kül, cüruf, silis dumanı) çimento hidratasyonu ile oluşan kalsiyum hidroksit ile reaksiyona girerek ortamın pH derecesini azaltır ve agregadaki reaktif silisin çözünmesini minimize ederek ASR jelinin oluşumunu önler. Mineral katkılar betonun geçirgenliğini azaltarak alkali iyonlarının yayılmasını zorlaştırır. Özelikle düşük kalsiyum miktarı ve yüksek silis içeriğine sahip mineral katkılar ASR reaksiyonunu önlemekte çok etkilidirler. Portland tipi çimento (OPC) ile yapılan çalışmalarda mineral katkıların betonun mekanik ve dayanıklılık performansını iyileştirdiği için bu malzemelerin kullanımı son yıllarda çok artmıştır. Mineral katkılar ile yapılan çalışmalar jeopolimer betonun yani yeni bir çimentosuz beton türünün ortaya çıkmasını sağlamıştır. Endüstriyel atık ürünleri olan uçucu kül ve yüksek fırın cürufu sodyum silikat, sodyum hidroksit, potasyum hidroksit veya sodyum silikat ve sodyum hidroksit kombinasyonu gibi kuvvetli alkali aktive edici kimyasallar ile tepkimeye girerek OPC betonuna benzer veya daha yüksek mukavemetli jeopolimer betonu elde edilebilir.
Jeopolimer betonların mukavemet kazanması için alkali solüsyonlarla birlikte kullanılmalıdır. Eğer reaktif silika içeren agregalarla birlikte kullanılması durumunda mevcut alkali solüsyonlar (sodyum hidroksit, sodyum silikat veya potasyum hidroksit) alkali silika reaksiyonlarını tetikleyip daha da artırabilir. Uçucu kül içeren jeopolimer betonun basınç dayanımı, yüksek kür sıcaklığı ve artan alkali solüsyon miktarlarıyla artmaktadır.
Jeopolimer betonların ASR davranışı ile ilgili sınırlı çalışmalar farklı sonuçlar ortaya çıkarmaktadır. Yapılan bir çalışmada cüruf içeren jeopolimer harç numunelerinde ASR riskinin düşük olacağı çünkü alkalilerin %80’den fazlasının farklı hidratasyon ürünlerini oluşturmak için bağlandığı belirtilmiştir. Başka bir çalışmada jeopolimer betonda ASR riskinin olabileceği fakat, bu etkinin OPC betonuna etkisinden daha az olacağı ifade edilmiştir. Bunun sebebi ise düşük Ca/Si oranına sahip yüksek fırın cürufu içeren betonlarda ana hidratasyon ürününün kalsiyum alüminat silikat hidrat (C-A-S-H), uçucu kül ve metakaolin içeren jeopolimer betonlarda sodyum alüminat silikat hidrat (N-A-S-H) olmasından kaynaklanmaktadır. Diğer bir çalışmada ASR reaksiyonun jeopolimer harç ve beton numunelerinde çok fazla genleşme gösterdiğini ve bu genleşmenin bir çok parametreye bağlı olduğunu ve bu parametrelerin ayrı ayrı analizi halinde yanlış sonuçlar alınabileceğini bildirilmiştir. Bulunan farklı sonuçlardan ASR riskinin jeopolimer betonlarda tam olarak anlaşılamadığı ve jeopolimer betonun ASR riskinin incelenmesi gerektiği ortaya çıkmaktadır. Ayrıca, jeopolimer yapılardaki su reaksiyon mekanizmaları ve faz geçişleri hakkında zıt görüşler olup ve mekanizmalar ve faz geçişleri açık bir şekilde ortaya koyulamamıştır.
ASR’nin belirlenmesinde İnşaat Mühendisliği alanında uygulanan tekniklerden biri basınç ve gerginlik dayanımları testi ile mikroskopik (SEM ve EDS ölçümleri) özellikleri arasında bağlantının kurulması üzerindedir. OPC ve jeopolimer malzemelerin mekanik özelliklerinin belirlenmesinde İnşaat Mühendisliğinde uygulanan teknikler genellikle kullanılan malzemeye zarar vermektedir. Bu sebeple, bu tip teknikler tahrip edici yöntemler olarak ifade edilmektedir. Örneğin, betonun basınç dayanımının testi, betondan karot olarak adlandırılan silindir bir numunenin alınması ve sonrasında laboratuar ortamında test edilmesini içermektedir. Ekonomik olmayan, zaman alıcı ve tahribatlı karot yönteminde, incelenen numuneye özel elde edilen karot sonuçları tüm yapınının sonucunun belirlenmesinde kullanıldığından hata payı içermektedir. Sonuç olarak, OPC ve jeopolimer yapılarda ASR’nin belirlenmesi için tahribatsız yöntemlerin geliştirilmesi hata payını azaltma noktasında büyük önem arz etmektedir.
ASR tespiti için kullanılan tahribatsız yöntemlere genişleme ölçüm yöntemi, elektromanyetik yöntemler (elektriksel direnç ölçüm yöntemi, mikrodalga ölçüm yöntemi) ve sismik-dalga yöntemleri (akustik yöntem ve sismik tomografi) örnek olarak verilebilir. OPC ve jeopolimer yapılarda ASR jel oluşumu yapının içerisindeki serbest ve bağıl su miktarlarına bağlı olduğu ve serbest su ve bağlı su molekülleri mikrodalga frekanslarında (yaklaşık 300 MHz-30 GHz arasındaki elektromanyetik frekans aralığı) farklı tepkiler (farklı dielektrik katsayıları) verdiği için, OPC ve jeopolimer yapılarda ASR oluşumunun belirlenmesinde mikrodalga sinyallerinin diğer yöntemler ile kıyaslandığında temassız ölçüm yapabilme, iyi bir çözünürlük ve metal olmayan malzemelere iyi nüfuz etme gibi avantajlara sahip olduğu gösterilmiştir.
Açık uçlu dalga kılavuzu, eş düzlemli dalga kılavuzu, boynuz-lens antenler; örnek-doldurulmuş dalga kılavuzu ve zaman-uzayı-reflektometri gibi farklı tip mikrodalga teknikleri kullanılarak OPC ve jeopolimer yapıların içerisindeki ASR’nin tespiti ve miktarının numuneyi tahrip etmeden belirlenmesi, bu yapıların kompleks dielektrik geçirgenlik, iletim katsayısı ve yansıma katsayısı üzerinden etkin bir şekilde gerçekleştirilebilir. Yapmış olduğumuz detaylı literatür araştırmaları sonucunda, OPC ve/veya jeopolimer yapıların kimyasal, mekanik ve yapısal özellikleri eski-nesil ve ölçüm hassasiyeti sınırlı olan açık-uçlu dalga kılavuzları, koaksiyel prob ve serbest-uzay mikrodalga yöntemleri kullanılarak belirlenmiştir. Ayrıca, literatürde mikrodalga frekanslarında jeopolimer malzemelerin özelliklerinin belirlenmesi konusunda yapılan çalışmalar çok sınırlıdır. Bu durum yukarıda bahsedildiği üzere jeopolimer yapılarda reaksiyon başlatıcı malzemelerin kalsiyum içeriğine göre vermiş oldukları tepkinin ve jeopolimer yapılardaki su reaksiyon mekanizmalarının ve faz geçişlerininin tam olarak anlaşılmamasıyla ilgilidir. Projemizde daha önce literatürde kullanılmamış yeni nesil ve hassasiyeti yüksek metamalzeme tabanlı mikrodalga sensör teknolojisini, OPC ve jeopolimer yapılarda ASR oluşumunu ve miktarını tahribatsız bir şekilde tespit etmek ve jeopolimer yapılardaki su reaksiyon mekanizmalarını ve faz geçişlerini analiz etmek için kullanacağız.
Metamalzeme rezonatörlere sahip mikrodalga sensörlerin, konvansiyonel mikrodalga sensörlere kıyasla güçlü lokalize-iyileştirilmiş seçicilik, evanesans (evanescent) spektrumunu iyileştirmek vasıtası ile yüksek ölçüm hassasiyeti, çalışma dalga boyundan çok daha küçük MM hücreleri barındırdığı için elektriksel olarak hap kutuları boyutlarında küçük sensörler olarak dizayn edilebilmesi gibi avantajları bulunmaktadır.
Projemiz kapsamında üretilecek bu mikroşerit hatlı MM sensörlerinin literatürde bir ilk olduğunu düşünüyoruz. Projemiz kapsamında bu sensörler, literatürdeki diğer sensörlere göre hassasiyetlerinin ve seçiciliklerinin daha yüksek olmasının yanı sıra, literatürde ilk defa OPC ve jeopolimer yapılarda ASR oluşumu ve miktarının belirlenmesi ile jeopolimer yapılardaki su reaksiyon mekanizmalarının ve faz geçişlerinin analiz edilmesi için kullanılacaktır.
Malzemelerin elektromanyetik özelliklerinin belirlenmesi için yapılan mikrodalga ölçümlerinde ölçüm düzeneğinin kalibre edilmesi gerekmektedir. Literatürde, farklı amaçlar için kullanılabilecek ve farklı hassasiyetlere sahip kalibrasyon teknikleri mevcuttur. Kısa-açık-yük-arasından (SOLT), arasından-yansıma- hat (TRL), çok-hatlı TRL, arasından-yansıma-eşleme (TRM), hat-yansıma-yansıma-eşleme (LRRM) ve anahtarlamalı-yansıma-hat (GRL) yöntemleri bu yöntemlere örnek olarak verilebilir. Bu kalibrasyon teknikleri her ne kadar ölçüm sistemindeki sistematik hataların çoğunu düzeltebilse de kalibrasyon işleminde kalibrasyon standardındaki veya standartlarındaki en küçük bir sapma, ölçülen elektromanyetik parametrelerin doğruluk payı azalmaktadır. Ayrıca, beklenmedik çevresel durumlar (farklı kayıp ve radyasyon etkileri gibi) kalibrasyonlu ölçümlerin doğruluğunu önemli derecede etkilemektedir. Bu problemleri ortadan kaldırmak için öz-kalibrasyon teknikleri etkin bir şekilde kullanılabilir.
Son olarak, OPC ve jeopolimer yapılarda ASR oluşumu ve miktarının tespiti ile jeopolimer yapılardaki su reaksiyon mekanizmalarının ve faz geçişlerinin analiz edilmesi için yapılan mikrodalga ölçümleri, pahalı ve taşınması genelde zor ölçüm düzeneğinin (VNA cihazı) minyatür olmamasından dolayı laboratuvar ortamı ile sınırlı kalmaktadır. Bu bağlamda, proje kapsamında dizayn edilmesi düşünülen iletim ve yansıma rezonanslı mikroşerit hatlı MM sensörleri ile yapılacak ölçümlerin minyatür girişim-ölçer cihazını tasarlamayı planlamaktayız. Bu cihazın temel çalışma prensibi, iki eş parçaya bölünen mikrodalga kaynaktan üretilen ve malzeme sensöründe (numune yerleştirildikten sonra) ve referans (hava) sensöründe farklı değer üreten sinyallerin çıkarımın (2 adet çeyrek dalga boyu faz kaydırıcı vasıtası ile) genliğinin ölçümü (RF genlik ölçüm devresi) ve ekranda gösterilmesi (mikrokontrolör yardımı ile) prensibine göre çalışacaktır. Bu cihazın çalışma prensibinden anlaşılacağı üzere, numune olarak hava kullanıldığında ölçülen değer çok küçük (teorik olarak sıfır) olacaktır. Bu cihazın en önemli avantajı yukarıda bahsedilen kalibrasyon hatalarını minimuma indirmesi ve bir nevi öz kalibrasyon yapabilmesidir.