Beton özelliklerinin elektromanyetik dalgalar yoluyla tespiti

Abstract

Bu çalışmada; betonun elektromanyetik karakteristiği incelenerek dört farklı çalışma yapılmıştır. İlk çalışmada lifli beton içerisindeki liflerin yönünün ve dağılımının tespitinin elektromanyetik dalga kullanılarak hasarsız bir şekilde yapılabileceği görülmüştür. Bu test tekniği lifli beton numunenin önüne ve arkasına yerleştirilmiş iki doğrusal polarize edilmiş anten ile yapılmıştır. Lifli betonlardaki dielektrik ve kayıp faktörleri değişiklikleri beton içerisindeki lif yönünü ve dağılımını belirlemede kullanılmıştır. İkinci çalışmada; betonun su-çimento oranı, mekanik özellikler ve elektriksel özellikler 3-18 GHz frekans aralığında birbirleri ile ilişkilendirilmiştir. Elde edilen datalar, hassas sonuçlar veren sabit frekansta çalışan mikro dalga sensör tasarımı için yeterli görülmüştür. Ayrıca betonların elektriksel özellikleri ve basınç dayanımları arasında da bir ilişki kurulmuştur. Deneysel çalışmalar dielektrik sabitini kullanarak betonun mekanik özelliklerinin belirlenmesinin mümkün olduğunu göstermiştir. Dielektrik sabitleri, yansıma ve iletim parametreleri Nicolson Ross Weir (NRW) yönteminde kullanarak elde edilmiştir. Deney sonuçlarına göre su-çimento oranını belirlemek için 18 GHz frekansı en belirgin sonuçları vermekle birlikte 17 GHz frekansının da betonların basınç dayanımını tespit etmede en kullanışlı frekans değer olduğuna karar kılınmıştır. Üçüncü çalışmada; Nicolson Ross Weir (NRW) metodu kullanılarak su muhtevası değişikliği, yüksek sıcaklık etkisi, olgunluk ve çatlak oluşumu gibi betonun kimyasal ve fiziksel özellikleri ile betonun elektromanyetik davranışı arasında ilişki kurulmuştur. Beton numunelerinin dielektrik sabitlerini ve kayıp faktörlerini bulmak için her bir numunenin yansıma ve iletim katsayıları 3-18 GHz frekans aralığında ölçümler yapılmıştır. Numerik datalar NRW metod yardımıyla kurulan sistemden çekilmiştir. Bu çalışmanın en önemli çıktısı ise betonun fiziksel özelliklerinin elektromanyetik davranışı ile açıklanıp hasarsız bir şekilde yeni yöntemlerle bulunabileceğidir. Bu çalışmada son derece geniş bant frekans aralığı incelenmiş olup doğrusal polarize olmuş antenler kullanılmıştır. Araştırmada betonunun su muhtevası değişikliği, mukavemeti, yüksek sıcaklık altındaki davranışı, olgunluğu ve çatlak oluşumu gibi özellikleri ile bu koşullar altındaki elektromanyetik davranışı arasında çok güçlü ilişkiler kurulmuştur. Son çalışmada ise; bor ürünü ve atığı içeren betonların mekanik, elektromanyetik karakteristiği ve ekranlama etkinliği detaylı bir şekilde incelenmiştir. Betonun elektromanyetik dalga ekranlama etkinliğini arttırmak için bor ürünü ve atığı içeren sertleşmiş betonun elektromanyetik davranışı Elektrik Enstitüsü ve Elektronik Mühendisleri (IEEE) standartlarına göre incelenmiştir. Buna ek olarak bor ürünü ve atığı içeren beton numunelerin katkı içermeyen betonlara göre ekranlama yeteneğinin arttığı bunun yanı sıra mekanik özelliklerinde de azalma olmadığı görülmüştür. Bunu göstermek için dayanım testleri de ayrıca yapılmıştır. Sonuç olarak bor ürünü ve atığı ihtiva eden betonların ekranlama etkinliğinin katkı içermeyen betonlara göre 3.16 ile 100 kat daha fazla olduğu gözlemlenmiştir. Bunun yanı sıra betona eklenen minerallerin dayanımı düşürmediği hatta arttırdığı ayrıca rapor edilmiştir. Bu çalışma ile birlikte betona ilave edilen bor ürünü ve atıklarının betonun dayanımını düşürmeden ekranlama etkinliğini arttırdığı rahatlıkla söylenebilir.

In this thesis, electromagnetic properties of the concrete is studied in four steps. In the first study; determination of both orientation and dispersion of the fibers regardless of the fiber types in concretes is possible by extracting electromagnetic properties of the structures in microwave regime as a nondestructive method. The measurement technique requires sample under test (SUT) and two wideband linearly polarized antennas placed in the front and the backside of material. A simple and confidential model is carried out to determine both orientation and dispersion of fibers in concrete by observing the changes of dielectric constant and loss factor. In the second study; relationship between water/cement ratios/mechanical properties and electrical characteristics of the concrete is investigated in the frequency spectrum of 3 GHz-18 GHz. The proposed data provides an accurate measurement results for researchers to design microwave sensors operating at constant frequencies. Besides, the relationship between electrical properties and applied pressure to the concrete is investigated experimentally for various cement types. The experimental study demonstrates the determinable mechanical characteristic of the concrete by using dielectric constant. The dielectric constant is retrieved by using Nicolson Ross Weir technique from reflection and transmission coefficients. It is revealed that the most significate frequency point is 18 GHz to determine water/cement ratio and 17 GHz to differentiate applied pressure level by using dielectric constant of concrete. In the third study; Nicolson Ross Weir (NRW) based technique is used to demonstrate the relationship between the changes of some physical and electrical properties of concrete under various effects such as humidity ratio, temperature range, maturity and cracking amount. In order to evaluate the dielectric constant and loss tangent values of the material under test (MUT), the reflection and transmission coefficients are measured for each sample in the frequency spectrum of 3 GHz-18 GHz. The extraction of the electrical properties of each sample is carried out with numerical technique of NRW Method. In the first investigation, the dielectric constant of concrete is extracted for humidity variations and it has been determined that 7 GHz is the most decisive frequency point for this particular parameter. The relationship is also explored for the other physical changes. The importance of the study is to present a novel relationship between the change of some physical and electrical properties of the concrete for microwave engineers to design novel sensing devices as non-destructive systems. In this study, a novel non-destructive approach is developed and some of the most crucial parameters of the concretes are measured by using the variation in the electromagnetic responses of the concrete samples. For this method, a network analyzer working in an extremely wide-band frequency range and two high gain, wideband and linearly polarized horn antennas are used. Frequency bands in which the electrical permittivity has a direct relation with water content, high temperature that the samples are exposed, maturity status and crack propagation for the concretes are determined. In the last study; we have investigated the electromagnetic (EM) and mechanical properties and shielding effectiveness of concrete samples containing boron product and wastes in details. In order to increase shielding effectiveness of concrete samples from electromagnetic waves, hardened concretes containing boron product and wastes are analyzed according to the Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) standards. In addition, the effects of the additives on the strength behaviors of the concretes are also examined to report that besides improving shielding behavior, addition of the minerals would not diminish strength parameters. As a result, the concretes containing boron product and wastes provides 3.16 to 100 times better shielding effectiveness than that of concrete containing only Portland cement which is the control sample. While the additives increase or do not affect negatively compressive strength of the concrete. As a conclusion, additives in concretes enhance shielding effectiveness without affecting the strengths parameters negatively.