Barit ve atık kauçuk agregalı kireçtaşı-kalsine kil-çimentolu (LC3) malzemenin ses iletim kaybı üzerine bir araştırma
A research on sound transmission loss of limestone-calcined clay-cement (LC3) materials with barite and waste rubber aggregates
Yazar: BEGÜM SÖYEK ABAY
Danışman: PROF. DR. LEYLA TANAÇAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Mimari akustik = Architectural acoustic ; Yapı malzemeleri = Building materials

Özet:
Günümüzde gürültü problemi, günlük hayat konforumuzu sağlamada önemli bir engel oluşturmaktadır. Gürültü probleminin ortaya çıkmasındaki en önemli nedenlerden biri bölücü elemanda uygun malzeme seçiminin yapılamaması veya yeterince önemsenmemesidir. Malzeme seçimi iç mekan akustik kalitesinin belirlenmesinde hayati bir rol oynar. İnsanlar zamanlarının büyük bir kısmını kapalı mekanlarda geçirdikleri için iç mekan koşullarının kullanıcıların sağlığı ve akustik konforu üzerinde önemli etkileri bulunmaktadır. Belirli bir süre boyunca aşırı gürültüye maruz kalınması insan sağlığına önemli ölçüde zarar verebilir. Ayrıca sonradan gürültü önemlerinin alındığı mekanlarda doğru malzeme seçimi ve bölücü duvar tasarımı hali hazırda yapı kullanımdayken uygulama sorunlarını da beraberinde getirmektedir. İnşaat sektörü, dünya kaynaklarının en büyük tüketicilerinden ve çevreye en büyük zararı veren sektörlerden biridir. Bu nedenle sektör, çevre politikaları konusunda birçok sorunla yüzleşmek zorunda kalmakta ve sürdürülebilir kalkınma konusunda ciddi adımlar atmak durumundadır. Çevreye duyarlı inşaat sektörü hedefinin oluşturulmasında ekolojik yapı malzemelerinin kullanılması esastır. Yapılarda kullanılan bölücü elemanın kesitini artırmadan yeni bir ekolojik çimentolu harç tasarımı gerçekleştirebilme yaklaşımının oluşturulması çalışma kapsamında amaçlanmaktadır. Bu bağlamda bu çalışma, bir binada ses iletimine bağlı akustik konfor koşullarını sağlamak için kompozit tek katmanlı bir eleman geliştirmeyi araştırmaktadır. Çalışmanın amacı, LC3 (Kireçtaşı Kalsine Kil Çimentoları) ekolojik bağlayıcısı, barit ve kauçuk agregalarıyla üretilen harçların ses iletim kaybını (Sound Transmission Loss), Portland Çimentosu bağlayıcısı ve dere kumu agregalarıyla oluşturulmuş harçlara göre artırmaktır. Bu çalışmada, her harç karışımında kıvam ve hacimce agrega/bağlayıcı oranları sabit tutulmuş ve karşılaştırılmıştır. Harçlarda, ses yalıtımında etkili olan önemli parametrelerden biri olan ağırlığı sağlamak için dere kumu agregası yerine barit agregası, rijitliği kontrol etmek için ise atık kauçuk agregası kullanılmıştır. Birim hacim ağırlık, kapiler su emme, açık gözeneklilik, basınç ve eğilme dayanımlarını içeren deneysel analizler için 40x40x160 mm boyutunda numuneler, ses iletim kaybı ölçümleri için ise 60, 90 ve 120 mm kalınlığında, 28 mm ve 98 mm çaplarında silindirik numuneler üretilmiş, doktora tezine bağlı İTÜ Bilimsel Araştırma Projeleri Biriminin 42480 numaralı proje desteği ile empedans tüpü ölçümleri yapılmıştır. Deneysel çalışma sonucunda, LC3 bağlayıcılı, hacimce 2 barit ve 1 atık kauçuk agregalı (LC-2B1R8) 90 mm kalınlığındaki numunenin ses yalıtımı için akustik malzeme olarak kullanılabileceği görülmüştür. Harcın ses yalıtım özeliklerini artırmak için barit ve kauçuk agrega karışımının kullanılması sadece yüksek frekanslarda değil düşük frekanslarda da oldukça etkilidir. Çalışma ayrıca harçların ağırlığını artırmanın malzemenin ses iletim kaybı özeliklerini her zaman artırmadığını göstermektedir. Empedans tüpüyle gerçekleştirilmiş deneysel çalışmanın doğruluğu INSUL yazılım programı aracılığı ile kontrol edilmiştir. Her iki yöntem arasındaki ilişki test edilerek anlamlı sonuçlara ulaşılmıştır. Sonuç olarak, bu çalışmada ekolojik malzemeler kullanılarak yenilikçi bir malzeme tasarımı gerçekleştirilmiştir. Atık kauçuğun harç içinde agrega olarak kullanılması, kauçuk atığının bozunmayan doğası göz önüne alındığında, bertarafı ile ilgili çevresel zararları hafifletebilir. Geliştirilen ses iletim kaybı değeri yüksek ekolojik harcın ses yalıtımını sağlama gereksiniminin olduğu mekanlar için kullanılabilecek ve pozitif katkı sağlayabilecek bir malzeme olduğu çalışma kapsamında belirlenmiştir.

Abstract:
Cement is an important material to meet global housing and modern infrastructure needs. However, the cement industry worldwide faces increasing challenges in conserving material and energy resources as well as reducing CO2 emissions. Portland cement is produced by grinding together a mixture of approximately 80% limestone and 20% clay. It is then calcined and then burnt at temperatures around 1450°C. In cement, the reduction of clinker factor remains a key priority and significant progress has been made in this regard. Today, in many countries, various methods are sought to reduce the clinker rate in cement to reduce the carbon emissions that occur in cement production. Materials such as fly ash and slag have been shown to be effective in reducing clinker rates. In addition, a new low clinker, low carbon, and ternary blend cement has been developed based on the combination of clinker with calcined clay, limestone, and gypsum. The possibility of using calcined kaolinite clay and limestone in LC3 (limestone calcined clay cements) composition gives quite good results in cement substitution. The main components of the LC3 are 50% ground clinker, 30% calcined clay, 15% limestone, and 5% gypsum. According to the literature review, acoustical properties of the LC3 binder have not been studied yet. Today, the noise problem is a substantial obstacle in providing our daily life comfort. Depending on the function of a space, numerous adjustments are made to create acoustically suitable physical environment conditions. In recent years, with the advancement of technology, there has been a tendency to avoid heaviness in building materials, which has provided flexibility in design but has also led to the emergence of certain issues. Particularly in the case of high-rise residential and office buildings, the use of thin-sectioned and lightweight materials is prevalent, aiming to reduce structural load and gain space efficiency. While thin-sectioned structural elements are perceived as advantageous in terms of cost, they have resulted in noise problems in buildings such as residential, office, and hospital structures. One of the most important reasons for the emergence of the noise problem is failure to choose the appropriate material in the dividing wall or not paying enough attention. The need for acoustical comfort is important for the noise disturbance of its users because the World Health Organization (WHO) states that residential buildings should have insulation that will allow sound pressure level up to 30–40 dB. The sound insulation ability of a material is measured by sound transmission loss (STL, an acoustic physical term), which can be defined as a ratio of the sound energy transmitted through a treatment versus the amount of sound energy on the incident side of the material. In literature, the sound transmission loss is defined as the ratio of the incident sound power and transmitted sound power in terms of decibel (dB). As the sound wave travels, differences in the rear surface and front surface of the material damp the sound wave and thus reduce the intensity of the transmitted sound power. Hence, sound transmission loss is also closely related to the damping properties of the material. A larger value results in a larger amount of sound that can be attenuated. Depending on the frequency range, sound transmission loss (STL) properties of the materials can be divided into three different regions: (I) stiffness and resonance region, (II) mass region, and (III) coincidence region: (I) In the stiffness and resonance frequency region (generally below 315Hz), the STL is controlled by the stiffness of the material; damping and mass have little effect at low frequencies. At higher frequencies, the STL is controlled by the resonance frequency. At these frequencies, high displacement results in the transfer of large amounts of sound energy; (II) in the mass region (generally 315–1600 Hz), mass plays a significant role in acoustic insulation; (III) in the coincidence region (generally above 1600 Hz), to the wave phenomenon, very small deformations and bending of the waves can cause the coincidence effect. However, this phenomenon does not occur at the normal angle of incidence with an impedance tube. In this region STL is controlled by both stiffness and mass together. In this context, this study investigates developing a single-layer composite material and creating a new mortar design approach without increasing the cross-section of the dividing wall used in the buildings to provide acoustical comfort conditions due to sound transmission in a building. The aim of the study is to increase the sound transmission loss (STL) of mortars produced with LC3 (Limestone Calcined Clay Cements) ecological binder, barite and rubber aggregates compared to Portland cement and river sand aggregate mortars. The flow and aggregate/binder ratios by volume in each mortar mixture were kept constant and compared. Instead of river sand aggregate, barite aggregate was used to provide weight, which is one of the most important parameters effective in sound insulation and waste rubber aggregate was used to control stiffness. Mortars were produced in 40x40x160 mm for experimental analyses that include unit weight, capillary of water absorption, open porosity and compressive and flexural strengths, while in 60, 90 and 120 mm thick cylindrical mortars were produced for sound transmission loss measurements. These measurements were held with the support of ITU Scientific Research Projects Unit, project ID 42480. As a result of the experimental study, it is revealed that mortar with LC3 binder, 2-parts barite and 1-part waste rubber aggregate by volume (LC-2B1R8) can be used as an acoustical material for sound insulation. Using combined aggregates (barite and rubber) for increasing the sound insulation properties of the mortar is very effective not only in high frequencies but also in low frequencies. The study also shows that increasing the weight of the mortars does not always increase the sound insulation properties of the material. The accuracy of the experimental study carried out with the impedance tube was checked by the INSUL software program. Significant results were obtained by testing the relationship between both methods. As a result, this study demonstrates that through experiments conducted with the LC3 ecological binder and barite-rubber aggregates, various alternatives have been developed, indicating the feasibility of producing a promising material for use as a partition wall in buildings. In this study, an innovative material design has been achieved through the use of ecological materials. Utilizing waste rubber as an aggregate in mortar can mitigate the environmental hazards associated with its disposal, considering the non-degradable nature of rubber waste. This proposed composition offers local, economical, and ecological benefits, allowing for single-layer application and enhanced sound transmission loss. However, it has been observed that some compositions exhibit similar or lower-than-expected performance in terms of soundproofing. Nevertheless, to achieve better sound transmission loss performance, further research could involve the development of the LC3 ecological binder with different aggregate types, particle sizes, and thicknesses. Future investigations should also focus on examining the fire resistance and durability of the material produced within the scope of this thesis.