Doğal puzolan esaslı hafif jeopolimer duvar malzemesi
Natural pozzolan based lightweight geopolymer wall material
Yazar: KÜBRA EKİZ BARIŞ
Danışman: PROF. DR. LEYLA TANAÇAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Duvarlar = Walls ; Geopolimerler = Geopolymers ; Puzolan = Pozzolan

Özet:
İskelet sistemli yapılarda yoğunluğu en fazla 1 gr/cm3 ve basınç dayanımı 2.5-7.5 MPa olan yatay ve düşey delikli pişmiş toprak tuğla, gazbeton blok ve bimsblok gibi bölücü duvar malzemeleri, TS 825 standardında belirtilen Uduvar değerlerini "ince kesitli halde" tek başına sağlayamamaktadır. Diğer yandan, gözenekli bir yapıya sahip olan bu malzemelerin, dış iklim koşullarına karşı herhangi bir koruyucu katman olmaksızın kullanılması halinde fiziksel ve mekanik performansının yüksek olması beklenemez. Bundan dolayı, yapı kabuğu tasarımında, kendini taşıma, ısı yalıtımı sağlama ve kaplama işlevlerinin farklı malzemeler tarafından karşılandığı katmanlı duvar kesiti yaklaşımı günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu yaklaşımda, çok sayıda farklı malzeme aynı duvar kesitinde bir arada kullanılmakta, yapım süreci birçok adımdan oluşmakta, inşaat süresi uzamakta ve daha yüksek yapım maliyetleri ortaya çıkmaktadır. Farklı malzemelerin bir arada kullanımı detay tasarımını daha karmaşık hale getirebilmektedir. Katmanlı duvar kesiti yaklaşımının neden olduğu bu dezavantajları ortadan kaldıracak bir monolitik duvar malzemesi geliştirmek, bu doktora tezinin temel anlamını ve önemini ortaya koymaktadır.
Doktora tezinin amacı, ülkemiz yerel hammadde kaynaklarından üretilen; iç/dış bölücü duvar elemanı tasarımında kullanılabilen; belirli bir dayanım, rijitlik ve stabiliteye sahip; hafif ve kolay taşınabilen; ülkemiz iklim koşulları altında dış duvar için gereken ısı geçirgenlik katsayısı gereksinimini sağlayabilen; koruma gereksinimini kendi bağlayıcısı kullanılarak sağlayabilen; geleneksel çok katmanlı duvara nazaran daha az sayı ve çeşitte malzeme kullanılarak daha hızlı uygulama sürecine olanak sağlayan bir doğal puzolan esaslı hafif jeopolimer duvar malzemesi geliştirilmesidir. Söz konusu monolitik duvar malzemesi kendi içerisinde üç katmanlı olarak tasarlanmaktadır. Ortada yer alan gözenekli çekirdek katmanının işlevi malzeme gövdesini oluşturmak ve ısıl performansı sağlamak, çekirdeğe nazaran daha ince tasarlanan iç ve dış koruyucu katmanlarının işlevi ise nispeten boşluklu malzeme gövdesini fiziksel ve mekanik etkenlerden korumak ve gerekli strüktürel stabiliteyi sağlamaktır.
Deneysel yöntem üç aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamada, hedeflenen hafif jeopolimer duvar malzemesinin iç ve dış koruyucu katmanını tasarlamak amacıyla bağlayıcı cinsi, karışım oranı ve kür koşulları saptanmaktadır. Bu aşamada, monolitik bölücü duvar malzemesinin iç ve dış koruyucu katmanının fiziksel ve mekanik özelikleri üzerinde ideal alkali aktivatör türü; sıcaklık kürü koşulları; alkali hidroksit konsantrasyonu ve aktivatör oranı; toplam aktivatör / puzolan oranının etkileri tespit edilmektedir. İkinci aşamada hedeflenen hafif jeopolimer duvar malzemesinin ısıl performansa sahip çekirdek katmanını tasarlamak amaçlanmaktadır. Yüksek ısıl performans sağlamak amacıyla, birinci aşamada ideal karışım oranları ve kür koşulları belirlenmiş olan bağlayıcının içerisinde kimyasal yöntemle köpük oluşturulmaktadır. Köpükleştirici ajan oranının çekirdek katmanının fiziksel, mekanik ve ısıl performansı üzerindeki etkileri araştırılmaktadır. Çalışmanın son aşamasında, Datça puzolanı esaslı jeopolimer bağlayıcıdan üretilen, fiziksel, mekanik ve ısıl özelikleri belirlenen iç/dış koruyucu ve çekirdek katmanlarının, ülkemizin Binalarda Isı Yalıtım Kuralları Yönetmeliği (TS 825) ile belirlenmiş beş iklim bölgesi için dış duvar malzemesi olarak kullanım olanakları belirlenmektedir.
Karışımlar hazırlanırken ilk olarak puzolan ve dolgu maddeleri (dış ve iç koruyucu katmanlarda standart kum, çekirdek katmanında ince öğütülmüş silis kumu) kuru halde karıştırılmış ve bu karışıma 24 saat önceden hazırlanmış olan NaOH/KOH çözeltileri, sıvı sodyum silikat çözeltisi ve su eklenmiştir. Kalıplanan karışım, bünyesinde sahip olduğu nemi kaybetmemesi için PE kaplanarak 20±2 °C ve % 95±5 bağıl nemde 24 saat ön kürlemeye tabi tutulmuştur. Ön kürlemenin ardından, kalıplar sökülerek numuneler 90 °C sıcaklıkta ve PE kaplı halde 24 saat etüvde kürlenmiştir.
Fiziksel özeliklerin belirlenmesi için özgül kütle, birim hacim ağırlık, kapiler su emme, atmosfer basıncı altında su emme, kompasite ve porozite, buhar geçirgenlik direnci, ultrases hızı ve elastiklik modülü; mekanik özeliklerin belirlenmesi için eğilmede çekme dayanımı ve basınç dayanımı; ısıl performansın belirlenmesi için ısı iletkenlik katsayısı ve makro boyutlu boşluk yapısının belirlenmesi için optik analizler yapılmıştır.
Çalışma sonunda, Datça Puzolanı alkali kimyasallar ile aktive edildiğinde, jeopolimer bağlayıcı üretimine elverişli olduğu ve söz konusu puzolanın jeopolimer öncüsü olarak kullanılabileceği tespit edilmiştir. En yüksek mekanik özeliklere sahip Datça Puzolanı esaslı jeopolimer bağlayıcı, 12.5 M potasyum hidroksit ve sodyum silikat alkali aktivatörlerinin kombinasyonuyla üretilebilmektedir. 12.5 M KOH çözeltisinin 2.5 aktivatör oranı (Na2SiO3/KOH) ile birlikte kullanılması, polikondansasyon reaksiyonlarının gelişimi için gerekli olan öncü maddenin daha fazla çözünmesine, daha az gözenekli ve daha az geçirgen bir matris oluşumuna ve en yüksek mekanik özeliklere sahip malzeme üretimine imkan vermektedir.
Datça Puzolanı esaslı jeopolimer harcın ideal toplam alkali aktivatör/puzolan oranı kütlece 0.3'tür. Alkali aktivatör miktarı daha fazla artırıldığında, fazla miktardaki alkali kimyasal suyun buharlaşmasını ve buna bağlı olarak harcın içyapı gelişimini engellediğinden fiziksel ve mekanik özelikleri olumsuz yönde etkilemektedir. Ayrıca konu ekonomik açıdan değerlendirildiğinde, malzemeden beklenen performans kriterlerinden ödün verilmeksizin, alkali aktivatörlerin minimum miktarda kullanımına yönelmek gerekmektedir.
Datça Puzolanı esaslı jeopolimer harcın ideal kür koşulu 90 °C sıcaklıkta ve PE kaplanarak 24 saat etüv kürüdür. PE kaplı halde kürleme daha yüksek mukavemet sonuçları sağlarken, PE kaplanmaksızın kürleme kuruma rötresinden dolayı numunelerin yüzeyinde gözle görülür çatlaklara neden olmaktadır. Bu nedenle kürleme sırasındaki nem koşulları sağlanmalıdır.
Karışım oranları ve kür koşullarının optimize edilmesiyle 2.0 g/ cm3 yoğunluk, % 5.48 su emme oranı ve 10.57 MPa basınç dayanımına sahip jeopolimer bağlayıcı üretilmesi mümkündür. Malzemenin su emme oranı (% 5.48) ve doyma derecesinin (0.64) cephede kullanılan malzeme özelikleriyle ilgili gereksinimleri karşılamasından dolayı, sertleşmiş harcın iç ve dış koruyucu katman olarak kullanılabilmesi mümkün olabilmektedir.
Datça Puzolanı esaslı jeopolimer bağlayıcının alüminyum tozu ile köpürtülmesiyle yüksek poroziteye ve iyi ısıl performansa sahip bir jeopolimer köpük üretilebilmesi umut vaat etmektedir. Söz konusu jeopolimer köpüğün taze haldeki hacimsel stabilitesini koruması ve çökmenin engellenebilmesi için karışıma ince öğütülmüş silis kumu eklemek önemlidir. Köpükten beklenen fiziksel, mekanik ve ısıl özelikleri sağlayan ideal Al tozu/puzolan oranı ağırlıkça % 0.5 olarak tespit edilmiştir. Söz konusu orana sahip numuneler, daha küçük gözenek çapına, daha düzenli gözenek boyutu dağılımına, gözeneklerin birbirleriyle daha az bağlantısına ve daha homojen bir içyapıya sahiptir.
İdeal karışım oranları tespit edilmiş olan Datça Puzolanı esaslı jeopolimer köpüğün ısı iletkenlik katsayısı (0.088 W/mK), yapı sektöründe yaygın olarak kullanılan hafif duvar malzemesi alternatifleri olan düşey delikli hafif tuğla, pomza betonu, gazbeton ve köpük beton gibi bölücü duvar malzemelerinin ısı iletkenlik katsayılarına nazaran daha düşük olması, geliştirilmiş olan malzemenin herhangi bir ısı yalıtım malzemesine gerek duyulmadan kullanılma potansiyelinin olabileceğini göstermektedir.
İç ve dış koruyucu katman ve çekirdek katmanı olmak üzere üç tabakalı monolitik duvar malzemesinin Türkiye'nin beş farklı iklim bölgesinde kullanılma olanakları değerlendirildiğinde, birinci derece iklim bölgesinde gereken Uduvar değerini sağlayan ve yıl içerisinde herhangi bir ayda yoğuşmaya sebep olmayan optimum katmanlaşma, 2'şer cm'lik iç ve dış koruyucu katman ve 10 cm'lik çekirdek katmanı olarak tespit edilmiştir. İkinci derece iklim koşulları altında, optimum katmanlaşma 2'şer cm'lik iç ve dış koruyucu katman ve 12.5 cm'lik çekirdek katmanı ile elde edilmiştir. Üçüncü derece iklim bölgesinde, Uduvar gereksinimi 2'şer cm'lik iç ve dış koruyucu katman ve 15 cm'lik çekirdek katmanı kullanılarak elde edilebilmiştir. Dördüncü ve beşinci derece iklim bölgelerinde, 2 cm iç, 2 cm dış koruyucu ve 20 cm çekirdek katmanı ile kriterler sağlanabilmiştir.
Ülkemiz iklim koşullarının sıcak/ılıman iklimden soğuk ve karasal iklime doğru ilerlemesiyle, Uduvar gereksinimini sağlayan ve yıl içerisinde herhangi bir ayda yoğuşma oluşumuna neden olmayan ideal duvar kalınlığı kademeli olarak artmaktadır. Bundan dolayı, her bir iklim bölgesi için uygun duvar katmanlaşması tasarlanırken aynı türde duvar kesiti tasarımı yerine, sistem bir bütün olarak ele alınmalı, duvarlardaki ısıl performansın yanısıra yoğuşma ve bunların kullanıcı sağlığı üzerindeki etkileri birlikte değerlendirilmeli ve ideal malzeme katmanlaşmasına karar verilmelidir.
Üretilen monolitik duvar malzemesinin kesiti, geleneksel çok katmanlı dış duvar kesitleriyle karşılaştırmalı olarak değerlendirildiğinde, monolitik malzemenin Uduvar değerini sağlayan ve yoğuşma oluşmayan toplam kalınlığı, düşey delikli pişmiş toprak tuğla ve gazbeton gövdeli çok katmanlı ve dıştan yalıtımlı duvarların toplam kalınlığının yaklaşık yarısı olması bakımından önemlidir. Yani, monolitik duvar malzemesinin yapılarda kullanılabilmesiyle, toplam duvar kalınlığı yarı yarıya azalması ve yapının kullanılabilir alanında artış olması beklenmektedir. Gerek duvar kalınlığındaki azalma gerekse malzeme çeşidinin ve sayısının azalması, yapıdaki duvar ağırlığının azalmasını beraberinde getirebilmektedir.
Türkiye'nin yerel hammadde kaynağı olan doğal Datça Puzolanı'nın alkali aktivasyonuyla üretilen, ideal karışım oranları, kür koşulları, fiziksel, mekanik ve ısıl özelikleri tespit edilmiş, ülkemizdeki farklı iklim koşulları altında dış duvar kesitinden beklenen ısıl performansı herhangi bir ısı yalıtım malzemesi kullanılmadan sağlayabilen, koruma gereksinimini herhangi ek bir kaplamaya gerek duyulmaksızın sağlayabilen, kendi içinde katmanlı ancak makro ölçekte homojen davranan bir jeopolimerin üretilebileceği tespit edilmiştir.

Abstract:
Lightweight partition wall materials such as vertically perforated fired clay bricks, aerated autoclaved concrete and pumice concrete blocks with maximum density of 1 g/cm3 and compressive strength of 2.5-7.5 MPa are insufficient to fulfill the minimum requirements of TS 825 (Thermal insulation requirements for buildings) Standard as in the "thin section form" by itself. On the other hand, if these materials, which have a porous structure, are applied without any protective layer, they may deteriorate quickly due to the effect of external climatic conditions, and adequate physical and mechanical performance cannot be expected. Therefore, in the design of the building envelope, the layered wall section approach, in which the functions of self-supporting, providing thermal insulation and protecting are met by different materials, is commonly used. In this approach, many different materials are used together in the same wall section, the construction process consists of many steps, the construction period is prolonged and higher construction costs arise. The use of various materials together can make the detail design more complex. Designing a monolithic wall material that will eliminate these disadvantages caused by the layered wall section approach reveals the basic meaning and importance of this doctoral thesis.
The aim of the doctoral thesis is to investigate the possibilities of producing a natural pozzolan-based lightweight geopolymer wall material that utilizes local raw material resources of our country; can be used in interior/exterior partition wall element design; have certain strength, rigidity and stability; lightweight and easy to carry; can provide the required thermal transmission coefficient (U-value) for the exterior walls built under the climatic conditions of our country; able to meet the protection requirement of the building by using its own binder; allows a faster application process by using less number and variety of materials compared to the traditional multi-layered wall.
The monolithic wall material is designed as three layers in itself. The function of the porous core layer in the middle is to form the material body and to provide thermal performance, while the function of the inner and outer protective layers, which are designed thinner than the core, is to protect the material body from physical and mechanical factors and to provide the structural stability.
The experimental method consists of three stages. In the first stage, binder type, mixing ratio, and curing conditions are determined in order to design the inner and outer protective layers of the targeted lightweight geopolymer wall material. At this stage, the effects of the ideal alkaline activator type, temperature curing conditions; alkali hydroxide concentration and activator ratio; total activator/pozzolan ratio on the physical and mechanical properties of the protective layers of the monolithic wall material are investigated.
In the second stage, it is aimed to design the core layer of the targeted lightweight geopolymer wall material with thermal performance. To provide high thermal performance, foam is produced by using chemical foaming method in the geopolymer binder whose optimum mixture ratios and curing conditions were determined in the first stage. The effects of the foaming agent (aluminum powder) ratio on the physical, mechanical and thermal performance of the core layer are investigated.
In the last stage of the study, the possibilities of using the monolithic wall material, produced from Datça pozzolana-based geopolymer binder, as an external wall material in the five climate regions of our country determined by the Regulation on the Thermal Insulation Rules in Buildings (TS 825) are tried to be determined.
While preparing the mixtures, firstly, the pozzolan and fillers (standard sand in the protective layers, finely ground silica sand in the core layer) were mixed in a dry state and NaOH/KOH solutions, which were prepared 24 hours beforehand, and liquid sodium silicate solution, and water were added to this mixture. The molded mixture was covered with PE so that it did not lose its moisture and was pre-cured at 20±2 °C and 95±5 % relative humidity for 24 hours. After pre-curing, the molds were removed, and the PE covered samples were cured in an oven at 90 °C for 24 hours.
Specific weight, unit weight, capillary water absorption, water absorption under atmospheric pressure, compactness and porosity, vapor permeability resistance and ultrasound velocity tests were carried out to determine the physical properties; flexural and compressive strength tests were done to determine the mechanical properties; determination of the thermal conductivity coefficient were done to specify the thermal performance and optical analysis were carried out to determine the macro-scale pore structure.
At the end of the study, it was determined that when Datça pozzolan is activated with alkaline chemicals, it becomes suitable to produce geopolymer binders indicating Datça pozzolan can be used as a geopolymer precursor.
Earth of Datça-based geopolymer binder with the highest mechanical properties can be produced with a combination of 12.5 M potassium hydroxide and sodium silicate alkali activators.
Using of 12.5 M KOH solution together with activator ratio of 2.5 leads to the greatest amount of dissolution of the precursor, which is important for the following polycondensation, and less porous and permeable matrix formation together with the highest mechanical properties.
The optimum total alkali activator/pozzolan ratio of Datça pozzolan-based geopolymer mortar is 0.3, by mass. When the amount of alkaline activator is increased more, it affects the physical and mechanical properties negatively, since the excess amount of alkaline chemicals prevents the evaporation of water and accordingly the internal structure development of the mortar. In addition, when the subject matter is evaluated from an economic point of view, it becomes apparent that it is necessary to use the minimum amount of alkaline activators without compromising the performance criteria expected from the material.
The optimum curing condition of Datça pozzolan-based geopolymer mortar is oven curing at 90 °C with PE covering for 24 hours. Curing with PE covering provides higher strength results, while curing without PE covering causes visible cracks on the surface of the samples due to drying shrinkage. Therefore, moisture conditions during curing must be maintained.
By optimizing the mixing ratios and curing conditions, it is possible to produce a geopolymer binder with a density of 2.0 g/cm3, a water absorption ratio of 5.48 % and a compressive strength of 10.57 MPa. Since the water absorption ratio (5.48 %) and the saturation degree (0.64) of the material meet the requirements of the materials used in the facade, it is possible to use the hardened geopolymer mortar as an inner and outer protective layer.
It is promising to produce a geopolymer foam with high porosity and good thermal performance by foaming the Datça pozzolan-based geopolymer binder with aluminum powder. It is important to add finely ground silica sand to the mixture in order to maintain the volumetric stability of the fresh geopolymer foam and to prevent collapsing of the foam.
The optimum Al powder/pozzolan ratio, which provides the physical, mechanical and thermal properties expected from the foam, was determined as 0.5 %, by weight. Samples with this ratio have smaller pore diameter, more regular pore size distribution, less connection of pores with each other, and a more homogeneous internal structure.
The optimum thermal conductivity coefficient (0.088 W/mK) of the Datça pozzolan- based geopolymer foam is lower than the thermal conductivity coefficients of commonly used partition wall material alternatives, such as vertically perforated lightweight brick, pumice concrete, aerated autoclaved concrete, and foam concrete, which shows that it has the potential to be used without the need for any thermal insulation material.
When the possibilities of use of the three-layered monolithic wall material in five different climate regions of Turkey are evaluated, the optimum lamination that provides the required U-value in the 1st climatic region and that does not cause condensation problem in any month of the year, was determined to be a core layer of 10 cm and two protective layers of 2 cm. Under 2nd climatic conditions, the optimum lamination was achieved with inner and outer protective layers of 2 cm and a core layer of 12.5 cm. In the 3rd climatic conditions, the U-value requirement could be achieved by using 2 inner and outer protective layers of 2 cm and a core layer of 15 cm. In the 4th and 5th climatic regions, the criteria were met with 2 cm inner, 2 cm outer protective and 20 cm core layers.
As the climatic conditions of our country move from hot climate to cold climate, the ideal wall thickness, which meets the U-value requirement and does not cause condensation in any month of the year, is gradually increasing. Therefore, when designing a wall section for each climate region, instead of the adaptation of the same type of wall section design, the wall system should be considered as a whole; appropriate rules of building physics during heat/condensation transmission, and their influence on user health should be evaluated altogether. When the cross-section of the produced monolithic wall material is evaluated in comparison with the conventional multi-layered exterior wall sections, the total thickness of the monolithic material, which provides required level of U-value without any condensation problem, is approximately half the total thickness of the multi-layered and externally insulated vertically perforated brick-based and aerated autoclaved concrete block-based walls. That is, with the use of monolithic wall material in buildings, it is expected that the total wall thickness will be reduced by half, and the usable area of the building will increase. Both the decrease in wall thickness and the decrease in the type and number of materials can bring about a decrease in the weight of the wall in the building.
It has been determined that, by alkaline activation of natural Datça pozzolan, as the local raw material source of Turkey, a geopolymer could be produced whose ideal mixing ratios, curing conditions, physical, mechanical, and thermal properties have been determined. This developed geopolymer material provided the adequate thermal performance expected from the exterior wall under different climatic conditions in our country without using additional thermal insulation material. This new material which is layered within itself behaves homogeneously at the macro scale.