Mimari restorasyonda nanoteknoloji
Nanotechnology in architectural restoration
Yazar: ŞELALE ELÇİN SUNGUR DÖLGEN
Danışman: DOÇ. DR. DENİZ MAZLUM ; PROF. DR. LEVENT TRABZON
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Restorasyon Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Mimarlık = Architecture

Özet:
Mayıs 1964 tarihli Venedik Tüzüğü' nün 10. maddesinde belirtildiği üzere "Geleneksel tekniklerin yetersiz kaldığı yerlerde, koruma ve inşa için bilimsel verilerle ve deneylerle geçerliliği saptanmış herhangi çağdaş bir teknik kullanılarak anıt sağlamlaştırılabilir". Bu ilke kapsamında "Mimari Restorasyonda Nanoteknoloji" başlıklı bu tezde amacım, bir kimya mühendisi ve bir mimar olarak; mühendislik ve mimarlık disiplinlerini birleştiren, günümüzde kullanılan en ileri teknolojik yöntem olarak nanoteknoloji uygulamalarının tarihi yapıların korunması ve restorasyonu alanındaki başarısını incelemek ve Dünya'da İngiltere'de ve özellikle de Almanya, İtalya ve İspanya'da  geçtiğimiz 5 yıl içerisinde bilimsel çalışmaların odak noktası haline gelen, Avrupa Komisyonu projelerine konu olan, inovatif yöntemlerin tarihi kültür mirasının korunması ve restorasyonu alanında kullanılması tekniği için Türkiye'de bir öncü olacak bu tezle araştırılmaya başlanmasını sağlamaktır. 

Aylar süren detaylı literatür araştırmalarında gözlendiği üzere, bu tedavi yönteminin başarısı SEM taramalı elektron mikroskobu analizlerindeki penetrasyon derinliği ve adhezyon kuvveti değerleri ölçümü ile bilimsel olarak kanıtlanabilmiştir. Ayrıca mukavemet artışı, deney standartları çerçevesinde, 3 nokta eğilme testleri ile ölçülerek nano-restorasyon tedavisinin yapı malzemesinin başlangıç mukavemet değerine oranla ne kadar bir yükselme sağladığı açıkça tespit edilebilir. 

İTÜ Mimarlık Fakültesi Restorasyon Anabilim Dalı ve İTÜ Nanobilim ve Nanomühendislik Anabilim Dalı olarak disiplinlerarası çalışılan bu projede yapılan deneyler ve analizler; İTÜ Ayazağa Kampüsü Nanoteknoloji Araştırma Laboratuvarları: itünano, MEMS laboratuvarları, İTÜ Gümüşsuyu Kampüsü Makina Fakültesi Mekanik Deneyler Laboratuvarları ve Prof. Dr. Gerald Ziegenbalg'den alınan davet neticesinde Tübitak Seyahat Destek Bursu vasıtasıyla ve Sayın Prof Ziegenbalg'in desteğiyle Almanya Dresden Freiberg "Prof Dr Gerald Ziegenbalg Conservation" laboratuvarlarında gerçekleştirilmiştir. 

Yine bu tez kapsamında çalıştığımız konunun "Tübitak Araştırma Konuları: Öncelikli Alanlar" statüsünde yer alması sonucu yaptığımız başvuruda, çalışmalarımız "TÜBİTAK 2210 C Öncelikli Alanlara Yönelik Yurt İçi Yüksek Lisans Bursu" kazanmaya layık görülmüştür. 

Projemiz ayrıca İTÜ BAP Bilimsel Araştırma Projelerini Destekleme fonu tarafından desteklenmiş, Rektörlük tarafından tarafımıza sağlanan bu maddi imkanlar ile Türkiye stoklarında uaşamadığımız, ancak deneylerimizde kullanmamız gereken önemli kimyasallar yurtdışından tedarik edilmiştir. 

Tez çalışması kapsamında küfeki doğal taş numuneleri üzerinde çalışılmış ve bu doğrultuda; Barshan Madencilik'den elde edilen yeni küfeki taşı numuneleri (2.tip numuneler) ve Bayezid Camisi'nden Vakıflar Müdürlüğü'nün izni ile alınan ve 16.yüzyıla ait olduğu tahmin edilen eski taş numuneleri (1.tip numuneler) üzerine çalışmalar sürdürülerek aralarında bir kıyaslama yapılması amaçlanmıştır. Bayezid Camisi'nden alınan numuneler için Bayezid Camisi restorasyonu sırasında çürütülmüş taşların molozları içinden seçilen örneklerin yanısıra; kubbe ayağı, mihrap duvarı ve avlu duvarından elde edilen, yapıya hiç zarar vermeyecek hassasiyette davranılarak cımbız ile çok küçük ölçekte alınan numuneler özel olarak elde edilmiş ve ardından SEM ve EDX ile karakterizasyon testlerine tabi tutularak analiz edilmiştir. 

Nanoteknolojik tedavi yöntemleri geliştirilmesi amacıyla literatürde ilk defa yapılan bu çalışma ile küfeki taşı kimyasal yapı bileşiminde yer alan kalsiyum ile onu tedavi etme yönünde kullanılacak olan kalsiyum bazlı nanopartiküller, mekanik mukavemet etkisinin arttırılması yönünde rol oynayacağı öngörülen karbon nanotüplerle (CNT) kombinlenmiş, oluşan bu kompleks yapı 2.tip numuneler üzerinde uygulamaya tabi tutulmuş ve mekanik mukavemet etkisindeki değişim irdelenmiştir.

Ayrıca restorasyon uygulamalarında yaygın olarak kullanılan ancak yapı malzemesine verdiği zarar bilinen epoksi reçinenin CNT ile farklı konsantrasyonlarda kombinasyonları hazırlanmış, bunlar da yine 2.tip doğal küfeki numuneleri üzerine uygulanarak, nano bazlı tedavi ile karşılaştırma yapılabilmesi amaçlanmıştır.

Bu doğrultuda Bayezid Camisi'nden alınan numuneler öncelikle bozulma faktörlerinin ve yapı morfolojilerinin incelenmesi amacıyla SEM ve EDX analizlerine tabi tutulmuş ve ICOMOS'un 2003 tarihli "Mimari Mirasın Analizi Korunması ve Strüktürel Restorasyonu için İlkeler" metni 1.6.maddede yer aldığı üzere numuneler tıbbi bir inceleme yaparmışçasına bir araştırma sürecinin ardından tespit edilen bozulmalara özel nanoformülasyon önerileri geliştirilmesi ve bunların laboratuvar ortamında her bir numuneye ayrı ayrı uygulanması vasıtasıyla tez çalışması sürdürülmüştür. Yine aynı ICOMOS metni madde 3.10.'da yer aldığı üzere kullanılan nanoformülasyonların bileşimlerine karar verilirken daha önce literatürde en iyi sonuçların alındığı konusunda mütabık kalınmış olan küfeki yapı malzemesi ile uyumunun en iyi sağlanması gerekçesiyle Ca(OH)2 tabanlı nanoformülasyonlar üzerine yoğunlaşılmıştır.

Yapılan çalışmalarda nano-solüsyonların tedavi sırasında yapının ne denli içine işleyebildiğine dair elektron mikroskobu görüntüleri ele alınmış, penetrasyon derinliği ve adhezyon gücü etkileri nano-solüsyonların uygulamadaki başarısını ortaya koymuştur.
Restorasyon uygulamalarında kullanılan epoksi reçineler ile bu tez kapsamında malzeme geliştirme basamağında üretilen nano-formülasyonların başarısının, 3 Point Bending - 3 nokta eğilme testi kapsamında mukayese edilmesi amaçlanmıştır. 3 nokta eğilme testleri, Alman DIN EN 12372-1999 standartlarına bağlı kalınarak ve 2. tip yeni doğal taş numunelerinin bu deney standartlarına uygun boyutlarda kesilmesi ile hazırlanmıştır. 

Bu tez kapsamında restorasyon malzemesi olarak yaygın kullanımı olan epoksi reçineler ile nanosolüsyonlar arasında bir karşılaştırma yapılması amaçlanmıştır. Nanosolüsyonların yapının iç yüzeyine penetre olabilmesi ve yapı iç strüktüründe karbonatlaşma reaksiyonu vermesi sonucunda yapı içinde kemikleşmesi ve bu sayede yapıya mukavemet kazandırması üzerinde yapılan deneysel çalışmalar, epoksi reçine ile yapılan deneysel çalışmalar ile mukayese edilecektir. Bu aşamada kullanılan epoksi reçine saf halinin yanısıra 3 farklı şekilde modifiye edilmiştir, bu modifikasyonlar amacıyla epoksi reçine; düşük, orta ve yoğun konsantrasyon seviyesinde olmak üzere 3 farklı konsantrasyonda CNT karbon nanotüp ile kombinlenerek CNT – epoksi reçine kombinasyonları oluşturulmuştur.  

Nanoformülasyonlar ile tedavi yöntemleri sonrasında F11 formülasyonu, işlem görmemiş hali 3 nokta eğilme mukavemeti testlerinde 2,6484 MPa max stress değeri olarak ölçülen dayanım kuvvetinin 11,0391 MPa değerine yükselmesini sağlamıştır. Ayrıca  yine F11 formülasyonu ile elastisite değeri 3415,33 N/mm2 değerine kadar yükseltilmiştir. Bu inanılmaz mukavemet artışı ve elastisite kazanımı nanopartiküllerin yapı içerisine tam olarak penetre olmasıyla ve ardından yapı bileşimine katılarak yapı bünyesinde karbonatlaşma reaksiyonu vermesiyle mümkün olmuştur. F11 formülasyonunda nano ve mikro nanopartiküller birarada kullanılmış ve etkin bir konsolidasyon sağlanmıştır. Bu tedavi yönteminin tarihi yapılarda özellikle mukavemetin arttırılmasına ihtiyaç duyulan kubbe ayağı gibi önemli ölçüde yük taşıyan yerlerde kullanılması yapıların günümüz ileri teknolojilerinin el verdiği imkanlarla en doğru şekilde restore edilmiş olmasını sağlayacaktır. 

Yapılan deneylerde epoksi reçine uygulaması sonuçları, piyasada mevcut olan en iyi kalite epoksi reçine seçilmiş olmasına rağmen, nanotedavi yöntemlerine nazaran çok daha başarısız sonuçlar vermiştir. Ayrıca epoksi reçine yapı bünyesine penetrasyon sonrası yapı malzemesinde geri dönüşü mümkün olmayan hasar, doku farklılaşması ve renk değişikliklerine neden olmuştur. Bütün bu testler Avrupa'da özellikle Almanya ve İtalya'da son yıllarda uygulamaları etkin olarak başlatılan nano formülasyonlarla restorasyon tedavilerinin şu an günümüzde uygulanabilecek ve tercih edilebilecek en doğru tedavi şekli olduğu gerçeğini ortaya çıkarmıştır. 

F20 nolu formülasyon 3 nokta eğilme muavemeti testlerinde, koruma ve restorasyon açısından çok önemli olabilecek, önemli bir sonuç ortaya çıkarmıştır. F20 formülasyonu diğer tüm tedavilerden farklı olarak 3 nokta eğilme mukavemeti testi sırasında ani yük altında kırıldıktan sonra bile mukavemetini kaybetmeyerek tezin sonuçlar kısmındaki grafik üzerindeki gösterimde ikinci bir pik daha oluşturmayı başarmıştır. Bu formülasyonun tarihi yapıların deprem gibi ani yük altında etki edebilecek ve yapıya ani hasar verebilecek temel taşıyıcı noktalara uygulanması, deprem yükü altında bile yapının mukavemetini koruyarak yıkılmasının engellenmesi anlamına gelmektedir. 

Ani yük altında kırılmanın gerçekleşmesinin ardından yapının durabilitesini, stabilitesini koruyabilmesi ve yeniden ikinci bir yüke bile belli ölçüde dayanabilmesi F20 nanoformülasyonu ile mümkün olmuştur. Bu senaryo adeta bir depremi anımsatır, ani büyük bir deprem sonrasında gelişen daha küçük sarsıntılar sırasında bile yapının konsolidasyon etkisinin korunması sağlanmıştır.

Nanoformülasyonlar ile tedavinin etkili sonuç verdiği bir başka önemli nokta ise yapı malzemesinin yük altında kırılmadan önce stabil kalabildiği süreyi uzatmak olmuştur. Deneyler sonucunda işlem görmemiş saf haldeki Barshan doğal taş numunelerinin yük altında dayanım süresi sadece 27 saniye iken, F1 nanoformülasyonu ile bu sürenin 150 saniyeye kadar arttırıldığı tespit edilmiştir.

Nanoformülasyon kullanılarak uygulanan nano – restorasyon tekniği Avrupa'da son yıllarda hak ettiği değeri görmüş ve bu alanda Avrupa Komisyonu tarafından önemli projeler başlatılmıştır. Bu tez kapsamında ulaşılan başarılı sonuçlar bu tekniğin Türkiye'deki restorasyon uygulamalarında da başlatılabilmesi ve sürdürülebilmesi için cesaret vericidir. 

Türkiye'de bundan sonra yapılacak olan anıtsal yapı restorasyonlarında bu tekniğin uygulanması, ülkemizin de artık Avrupa'da özellikle de Almanya ve İtalya'da kabul görmüş ve son yıllarda başarı ile uygulanan bu tekniğe yönelimin arttırılması, kısa süreli geçici çözümler değil, uzun süreli kalıcı gerçek çözümler üretilmesi yönünde önemli bir adımdır. 

Özellikle anıtsal yapı uygulamalarında epoksi reçine uygulanmasına ve yapıya geri dönüşü mümkün olmayan kalıcı hasarlar verilmesine bir son verilmelidir. Bir kimya mühendisi ve bir mimar olarak dileğim tarihi kültür mirasımızın en doğru şekilde restorasyonu ve kalıcı konsolidasyon etkisinin kazandırılması amacıyla, yurtdışında gidip yerinde gördüğüm ve hayranlıkla izlediğim, tekniklerini anlamaya çalıştığım, öğrendiğim bu uygulamaların kendi ülkemde de kabul görmesi ve en başarılı şekilde uygulanmasıdır. 

Avrupa ülkelerinde artık anıtsal tarihi yapılar için en uygun tekniğin nano-restorasyon uygulaması olduğu Avrupa Komisyonu 7.çerçeve projeleri kapsamında çalışılmış önemli projeler ile kanıtlanmıştır. Dünya bu alana yönelirken, kendi ülkemizde de anıtsal yapıların buna değer olduğunun düşünülmesini ve bu bağlamda Vakıflar Müdürlüğü, Kültür Bakanlığı gibi ilgili mercilerin ülkemizin bu alana yönelimi için gerekli yardımları göstermelerini saygılarımla rica ederim.

Abstract:
The aim of this study is to examine nanotechnology applications for conservation and restoration of Cultural Heritage in 2 different ways; 

(1) Original stone samples from the 16th Century Ottoman Bayezid Mosque –which have been restored by Mimar Sinan in 1573. 

(2) the new limestone samples which will be applied on real site applications for the conservation and restoration projects in Istanbul. 


Traditional techniques used in conservation and restoration of historical/preserved buildings could not be technically adequate to ensure a long-term (or permanant) solution for these destructive factors. The main idea must be to give strength to the building structural composition rather than only filling the gaps or have some make up for the destroyed facades of the cultural heritage. The long-term effects must be chosen and applied on the problem rather than instant/easy solutions with inadequate outcomes. The solution must treat the building as if it would have restored its strength for future destructive factors like climate conditions, the temperature differences between summer and winter, or day and night and other aforementioned factors. According to Venice Charter in the article 10, which is known like the constitution of conservation and restoration, if the traditional treatment techniques are not adequate in order to restore the preserved building, then the new technology must be applied to the building in a correct way if the scientific results shows the new treatment idea is valid and ready to be used. Thus, under the umbrella of Venice Charter, we need to say that we must find some new technologic conservation and restoration treatments to prevent the preserved building from possible destructive effects and also can be able to restore better for the problems associated with their structural configuration. For instance, when you search for a column's structural morphology you are not able to see its internal cracks and morphology/deformations by traditional techniques, but it is possible to see internal structure in details with the help of Scanning Electron Microscopy (SEM) so that a better understanding of conditions in the historical buildings. Thus, long-term and permanent solutions could be developed with help of innovative and unique approaches by nanotechnology.


The aim of the study is also to increase the mechanical durability and flexural strength of the architectural heritage buildings by using innovative technologies like nano-technology. I planned to study not only on site applications but also in laboratory investigations. Under the permission of the General Directorate of Pious Foundations, I have studied on Bayezid Mosque from 16th Century. I have taken some samples from 3 different parts of the mosque; column of the dome, wall of the courtyard and the inside wall of the mosque. The differences between these samples were the deterioration factors between them. The samples which were taken from the columns of the dome were under the effect of pressure, the samples from the wall of the courtyard were under the effect of weather conditions, and the samples which are taken from the inside wall of the mosque were under the effect of exfoliation. 

At first I have taken SEM images of these samples in order to evaluate the deterioration factors inside the structure. Then I formulated some new nanoparticles in laboratory and I managed to penetrate this nanoformulations into the structure of these samples. Then I put these samples into the climate chamber to provide the suitable conditions for carbonation process. I studied with nanolimes and some modified forms of nanolimes with different nanoparticles for my formulations because my samples were from limestone. 

After this nanotreatment I have taken SEM images again in order to prove the perfect consolidation effect on the cracks and gaps when compared with before treatment condition. I have also taken 3point bending tests in order to prove the flexural strength increased from 2.81 MPa to 11.82 MPa. 

According to our studies, the solution to deterioration factors of traditional cultural heritage is using some special designed and new formulated nanoparticles in order to be absorbed completely for the building material and can be able to give strength from the inside to the surface. The main parameter is the correspondence between the nanomaterial, which will take role as a consolidant and the building material which acts as a substrate.

The interactions between the nano based consolidant and the surfactant has gained durability and high performance to the building material inside. The importance of the nanoparticles comes from their particle size, they can be able to penetrate from the surfactant easily and they can perform reactions with the building material effectively. The clue is to keep them inside the morphology of the building material effectively and then make them a component of the material combination by saturation and assimilation processes for the building material inside. 

The solution can be examined by the way of consolidation of stone by new designed nano-formulations, as we have studied on, in our laboratories. Penetration depth and the surface adhesive strength performance prove the success of the treatment. Interaction of the materials inside the building material affects the treatment performance effectively.

Besides the application technique, the conditions like temperature and relative humidity also indicates the treatment efficiency. Application has been done on limestone samples from the Ottoman Bayezid Mosque dating from the 16th century, as an instance of on site preserved buildings as a Cultural Heritage. 

As a result of the experimental analysis, it can be said that the efficiency of nano-restoration treatment is more than 4 times in mechanical durability of the building material. It is important to say that it is a good way to preserve the Cultural Heritage from an instant earthquake and its serious damages. 
The idea behind the experimental analysis is to restore the cultural heritage with its own building material, but in nano-size. So there will never be a problem like inconsistence between the nano-treatment formulations and building material's inside structure. In the initial stage, the EDX analysis are obtained in order to get informed about the components of the samples which are taken from the cultural heritage. So the nano-formulations are planned to produced according to building material inside morphology. The good correspondence between the nano-solutions and substrate is so important for the efficiency of the treatment. 

In some European Countries, this science called " Medicine of the Stone". This labeling indicates us the importance of the analysis and correspondence between the consolidant and the substrate. 

The treatment provides long term consolidation effects, so it is not a short term solution. It is also important to say that the nano-treatment have no residues or poisonous chemicals, it is safe and an advanced method in order  to gain mechanical durability. 

The components which are used to produce the nanoformulations are non-toxic, this also allows comfortable working conditions to the workers who will use this kind of restoration techniques for cultural heritage conservation applications on cites in future. 

As an instance of the well – known consolidation materials: epoxy resins are not safe and not comfortable for working conditions. The solvents in these kind of synthetic based materials are seriously harmful for human health. The workers are under the risk of breathing this poisonous vapour of these epoxy resins. 

Moreover, in the experimantal analysis part of this master thesis, it is exactly shown that the consolidation efficiency of the epoxy resins are not adequate when compared with nano-formulation treatments. 

Besides, epoxy resin deteriorates the cultural heritage building material in a nonreversible way. It also not cares about the patina layer of the surface. It is also important to say that preserving the patina layer is an important point for a well-thought conservation and restoration project of any cultural heritage. One more, epoxy resins consolidation effect are also not a long term solution method. It can easily undergo a change as a result of the weather conditions or salt crystallization. 

All these factors has shown the difference, importance and long term effects of nano-treatment methods. As a result of this nano-treatment, SEM images can be able to prove that the morphology of the building material gains its mechanical resistance and the development of the flexural strength of the material approves, nanoparticles shape the morphology like a trawl by the way penetrate into deep zones easily.