Modelling of pore formation in porous materials

Abstract

The purpose of this thesis is to model the expansion behavior of aqueous slurries. Foamed or cellular material made using such method is known, especially in the concrete industry. What appears to be lacking in the literature is the knowledge of pore formation and pore growth in inorganic particles based on aqueous slurry systems that result in the formation of cellular structures. The motivation of this study is to provide a scientific view in identifying and explaining the critical parameters that govern the pore growth and expansion of such slurry based systems. Bubble growth and pore formation are also studied experimentally. Experimental results are used to compare with the empirical study conducted by Kanehira at al. (Kanehira, et al., 2013), and mathematical modeling of pore formation plotted with Wolfram Mathematica software. Experimental procedure consists of three types of aluminum and calcium ratios which provide information about bubble growth and pore formation. These types are 50% aluminum – 50% calcium hydroxide (50/50), 70% aluminum – 30% calcium hydroxide (70/30), and 80% aluminum – 20% calcium hydroxide (80/20). According to the results of studies, mathematical modeling system consists of the pressure difference between the inside and outside of a spherical bubble as the driving force for defining growth. While aluminum ratio increases, bubble growth rate decreases due to release of hydrogen gases which affect bubble expansion phenomenon. In the experimental and mathematical modeling, 50/50 ratio has maximum bubble growth rate compared to 70/30 and 80/20 ratios. The results of experimental and mathematical modeling suggest that viscosity is a very significant parameter which controls the bubble growth rate.

Bu tezin amacı, sulu çamurların genişleme davranışını modellemektir. Köpüklü veya hücresel malzeme, özellikle beton endüstrisinde bu yöntem kullanılarak yapılmış olduğu bilinmektedir. Literatürde eksik olan şey, hücre yapılarının oluşumuyla sonuçlanan sulu çamur sistemlerine dayanan inorganik parçacıkta gözenek oluşumu ve gözenek büyümesinin bilgisidir. Bu çalışmanın amacı, çamur esaslı sistemlerin gözenek büyümesini ve genişlemesini yöneten kritik parametrelerin tanımlanmasında ve açıklanmasında bilimsel bir görüş sağlamaktır. Kabarcık büyümesi ve gözenek oluşumu ayrıca deneysel olarak incelenmiştir. Deneysel sonuçlar, Kanehira ve arkadaşları tarafından yürütülen deneysel çalışma ve Wolfram Mathematica yazılımı ile çizilen gözenek oluşumunun matematiksel modellenmesi karşılaştırmak için kullanılmıştır. Deney prosedürü, kabarcık büyümesi ve gözenek oluşumu hakkında bilgi veren üç tip alüminyum ve kalsiyum oranını içerir. Bu tipler %50 alüminyum- %50 kalsiyum hidroksit (50/50), %70 alüminyum- %30 kalsiyum hidroksit (70/30) ve %80 alüminyum- %20 kalsiyum hidroksittir (80/20). Bu çalışmanın sonuçları; matematiksel modelleme sistemi, büyümeyi tanımlamak için itici güç olarak küresel bir kabarcığın içi ve dışı arasındaki basınç farkını içerir. Alüminyum oranı arttıkça, kabarcık oluşma hızı, kabarcık genişleme olgusunu etkileyen hidrojen gazlarının salınmasına bağlı olarak azalır. Deneysel ve matematiksel modellemede 50/50 oranı, 70/30 ve 80/20 oranlarına göre maksimum kabarcık büyüme oranına sahiptir. Deneysel ve matematiksel olarak, viskozite, kabarcık büyüme oranını kontrol eden çok önemli bir parametredir.