Çukurova bölgesindeki (Kilikya) bazı tarihi yapılarda kullanılan harçların karakterizasyonu ve onarım harçları için öneriler
Characterization of historic mortars and plasters in Çukurova region and proposals for repair mortars
Yazar: IŞIL POLAT PEKMEZCİ
Danışman: PROF. DR. AHMET ERSEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Restorasyon Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Harç = Mortar ; Karakterizasyon = Characterization ; Onarım = Repair ; Sıva = Stucco ; Çukurova bölgesi = Çukurova region

Özet:
Tarihi harçların kompozisyonunun belirlenmesi, koruma çalışmalarında verilecek kararlar açısından önemli bir bilgidir. Harç bileşenleri, harçların fiziksel ve mekanik özelliklerini etkilerken, aynı zamanda harç ve sıvaların çevresel etkilere bağlı olan bozulma olasılıklarını da belirlemektedir. Restorasyon uygulamaları sırasında kullanılacak onarım harçlarının özgün harcın özelliklerine yakın olması, başarılı uygulamalar açısından gereklidir.Bu çalışmada, Çukurova Bölgesindeki (Kilikya) bazı tarihi yapılarda kullanılan harç ve sıvaların karakterizasyonlarının yapılması ve bölgedeki restorasyon uygulamalarında kullanılabilecek onarım harçları üretimi için uygun karışımların belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, Çukurova Bölgesinde, Roma döneminden başlayarak 20. yy başına tarihlenen farklı dönemlere ait bazı yapılar belirlenerek, bu yapılardan alınan harç ve sıva örnekleri üzerinde kapsamlı karakterizasyon araştırmaları yürütülmüştür. Araştırmaların sonuçları üzerinde yürütülen değerlendirmelere dayanarak, bölgedeki tarihi yapı restorasyonlarında kullanılabilecek onarım harcı karışım önerileri geliştirilmiştir.Tez yedi bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, tezin amacı ve yöntemi açıklanmıştır.İkinci bölüm, geleneksel harçlar hakkındaki genel bilgiler, gelenekeksel harçları oluşturan bileşenler ve bu bileşenlerin özellikleri ile ilgili kısımları içermektedir. Harçlarda kullanılan bağlayıcıların doğasına göre yapılan sınıflandırma sonrasında, hammaddelerin özellikleri ve bu maddelere bağlayıcılık özelliklerini kazandıran reaksiyon ve etkenler anlatılmıştır. Dolgu malzemesi olarak kullanılan agregalar ve harçların performanslarını farklı yönde etkileyen doğal ve yapay katkılar da bu bölümün altında incelenmiştir.Çalışma alanının ve örnek alınan yapıların ayrıntılı olarak tanımlandığı üçüncü bölüm, çalışma alanının kısa tarihçesi, bölgenin jeolojik özellikleri ve bölgedeki yapı malzemesi kaynakları adlı alt başlıklar ile başlamaktadır. Bu kısımların ardından örnek alınan yapılar tanımlanmıştır. Örneklerin alındığı 16 farklı yapı ve alan dört farklı tarihsel dönem başlığı altında toplanmış, yapılar ve örnek alınan noktalar ile ilgili detaylar aktarılmıştır.Yapıların tarihi ve mimari tanımlamaları, örnek alınan noktaların gösterildiği çizim ve fotoğraflar ile desteklenmektedir.Tanımlamalar kısmında aynı zamanda örneklerin detaylı olarak görülebildiği laboratuvar görüntüleri de yer almaktadır.Dördüncü bölüm, çalışmada izlenen deneysel yöntemlerin anlatımını içermektedir. Yöntemler hammadde kompozisyonlarının belirlenmesi, petrografik ve minerolojik analizler, temel fiziksel özelliklerin belirlenmesi ve temel mekanik özelliklerin belirlenmesi ana başlıkları altında detaylandırılmıştır. Araştırmalara basit kimyasal analizler ile başlanmış ve elde edilen ilk veriler ile izlenecek yöntemlere karar verilmiştir. Yöntemlerin seçimi sırasında, daha önce yapılan bilimsel araştırmalar incelenmiş ve ilgili standartlar edinilmiştir.Deneylerin sonuçları, beşinci bölümde verilmiştir. Sonuçlar, görsel analizler, bağlayıcı/agrega oranları, agrega boyut dağılımı ve agregaların görsel özellikleri, örneklerin içerdiği higroskopik su, bağıl su, organik katkı ve karbonat miktarları,minerolojik, kimyasal ve yapısal özellikler,temel fiziksel özelllikler ve mekanik özellikler başlıkları altında toplanmıştır. Deney sonuçları, tablolar, grafikler yardımı ile görselleştirilmiş, gerekli görülen yerlerde mikroskop görüntüleri, x-ışınları difraksiyonu analiz sonuçları ve elektron mikroskobu görüntüleri verilmiştir. Bölüm içerisinde gösterilemeyen analizler veya veriler, tezin ekleri olarak verilmiştir.Altıncı bölüm, onarım harçları ile ilgili çalışmaları içermektedir. Bu bölümde, ilk olarak onarım harçları üretiminden önce, harçların karakterizasyonlarına ek olarak anlaşılması gereken bir diğer faktör olan bozulmalar incelenmiştir. Kireç esaslı malzemelerde görülen bozulmalar ve nedenleri ayrıntılı olarak tanımlanmıştır. Sorunların tespit edilmesi için gereken yöntemler ile bunların sonrasında takip edilecek onarım yöntemleri ve malzeme seçimleri ile ilgili dikkat edilmesi gereken noktalar belirtilmiştir. Bu bilgiler ışığında, tez çalışması kapsamında analizleri yapılan harçlar ile uyumlu onarım harçlarının tasarımına geçilmiştir. Özgün harçlar gruplandırılmış ve bu gruplar ile uygun özellikler gösterecek harçlar için malzemeler seçilmiştir. Malzemeler için öncelikle çalışma alanındaki hammadde kaynakları araştırılmış, bu kaynaklardan alınan örnekler üzerinde yürütülen analizler sonucunda onarım harçlarında kullanılacak malzemeler tespit edilmiştir. Özgün harçlar ile uyumlu olacak şekilde tasarlanan10 farklı karışım, elde edilen bu malzemeler ile üretilmiş ve laboratuvar ortamında bekletilmiştir. Bir yıl boyunca, farklı zaman aralıklarında örneklerin fiziksel, mekanik ve kimyasal özellikleri ve özgün harçlar ile uyumları araştırılmıştır. Bunlara ek olarak, kireç harçlarının karbonatlaşmasına olan etkisinin anlaşılması için amonyum karbamat katkılı üretimler yapılmış ve örneklerin karbonatlaşmaları belirli zaman aralıklarında fenolftalein analizleri ve kimyasal analizlerle izlenmiştir.Yedinci bölüm tez çalışmasının sonuçlarını içermektedir. Sonuçlarda, harçların karakterizasyonu ve onarım harçlarının hazırlanması sırasında edinilen bilgiler irdelenmiştir. Deney yöntemleri, karşılaşılan zorluklar değerlendirilmiş ve çalışmanın sonuçlarına bağlı olarak elde edilen teorik ve pratik tecrübeler paylaşılmıştır. Ayrıca, çalışma alanında yürütülecek restorasyon çalışmalarına katkıda bulunacak şekilde, onarım harcı karışımları için bir sonuç tablosu bu kısımda verilmiştir.

Abstract:
Conservation of the traditional mortars and plasters is a complex and an important concern within the restoration and preservation works of historical structures and buildings. The decay of bedding mortars, joint mortars or plasters can accelerate the structural failure or the material decay of adjacent historical materials and structures. The origin of the aggregates, aggregate-binder ratios and mineralogical properties define the strength and the deterioration possibilities of the mortars and plasters.Additionally, the characterization of the historic mortars plays an important role for the future decisions of the conservation and restoration of historic structures. Production of repair mortars compatible with the authentic mortars and plasters is a necessity for a successful restoration. After the experiences with Portland cement based repair mortars in the past, it became obvious that cement based or cement-lime mixtures used as repair mortars turned out as improper applications. The incompatibility of the physical and mechanical properties of these materials with traditional mortars and the presence of water soluble salts in them harmed the adjacent materials causing severe problems after the restoration work.In this contex, the thesis aims to accomplish a detailed characterization of historic mortars and plasters used in Çukurova Region (Cilicia) and to design compatible repair mortars for the restoration of traditional buildings in the region. The aim and the methodology of the work were indicated in Chapter 1.Chapter 2 presents an introduction to the traditonal binders. The types of the historical binders, the components of the mortars and their properties were identified in the chapter.The characterization research was started with the site work. Sample of mortars and plasters were collected from 16 different historical building and site dating to different centuries from Çukurova Region. The locations of the samples were indicated on the surveys of the buildings and are recorded by photographs.The samples were taken from the sound parts of the materials and carefully labeled to prevent any disorganization.Chapter 3 consists comprehensive information about the region and the studied buildings. The historical and geological background of the region was defined in this section. This information was followed by the detailed inscriptions of the buildings and samples.The site work was was followed by the research in the laboratories. The laboratory work has started by visual analyses of the samples and the was proceeded by chemical, physical, mineralogical and mechanical analyses by using various techniques identified in the international standards and recommendations of the scientific committees. The test techniques were explained in detail in Chapter 4.These techniques range from simple chemical test methods to advanced techniques such as XRD (X-Ray Diffraction) and SEM-EDX (Scanning Electron Microscopy with Energy Dispersive Spectrometer). The data gained by the first simple analyses defined the further research techniques. For example, the presence of carbonaceous aggregates in most of the samples complicated the determination of some distinctive characters like binder/aggregate ratios or hydraulic properties. Thus, optical microscopic methods are integrated into the research to define binder:aggregate ratios and SEM-EDX analyses became necessary to understand the hydraulic properties.The results of the scientific tests are presented in Chapter 5 under the titles, visual analyses, binder/aggregate ratios, aggregate size distrubution and the visual properties of the aggregates, minerological, chemical and micro-structure, physical properties and mechnanical properties. The results of the characterization analyses presented that most of the samples are non-hydraulic lime mortars with sand aggregates. However, some samples dating to ancient periods have shown high mechanical strengths despite the general low values that non-hydraulic mortars have presented.The binder /aggregate ratios of the samples were mainly 1/2, 2/3 and 1/3. Additionaly, in some early samples gypsum content was indicated in the binder. The aggregate size distribution of the samples varied due to the consrtuction type of the structures. The samples taken from the cores of the walls had larger sized aggregates whereas the samples form the joints of cut stone walls had finer aggregates. Most of the aggregates were originated of sand. Limestone particles were also used as aggregates. Some fibers and brick and brick dust were also recognized in some samples as additives in the mixtures.Physical properties of the samples such as porosity and density were similar to the results form previous studies of historic mortars. The mechanical properties were low as expected considering that most of the samples were non-hydraulic lime mortars. The results were demonstrated by charts and diagrams and were intensively discussed in this chapter. Finally, the samples were grouped based on the characterization analyses.The research was followed by designs of the mixtures for repair mortars. Parallel to the on going research, Provenance research has been held for lime, sand and natural pozzolanic materials in the region which are going to be used in repair mortars. The raw materials were also analyzed in order to understand their chemical and physical properties. Slaked lime was aged for 12 months before used in the mixtures.2 different types of sand were chosen in order to match the color and the texture of the original samples. 1 type of natural pozzolana was added with different ratios to the mixtures with hydraulic properties. 6 different mixtures for the non-hydraulic repair mortars were figured with 3 different binder/aggregate ratios and 2 different types of sand. 4 mixtures were designed for repair mortars with hydraulic properties with 2 different binder/ aggregate ratios and 2 different binder/pozzolan ratios.New produced mortars were kept in laboratory medium and their physical and mechanical properties were tested through time. The physical and mechanical test results of the repair mortars conducted after 12 months presents sufficient and compatible values with the authentic samples thus the mixture designs can be proposed for the conservation of the historical structures in the region.Carbonation and hardening of lime mortars can take long time. This drawback can hold back the people in practice to use lime based mortars. It is known that additives have been used to surpass this kind of disadvantages in the past. For this reasons, a part of the study was dedicated on the acceleration of the carbonation in lime based repair mortars. Ammonium carbamate was added to a set of mortar mixtures and the carbonation of lime was monitored by fenolftalein coloring and chemical analysis at specified time intervals. The analyses showed that usage of this kind of additive can help to accelerate carbonation however further studies must be done in order to understand the whole circumstances.The steps of the pre-production, the production and the results of the test that had been held to understand the performance of repair mortars were comprehensively presented in Chapter 6.The study presents the detailed, time consuming process of characterization of historic mortars and plasters and the preparations of the compatible repair mortars. The research showed that experience and interdiciplinary collaboration is strongly needed for the conservation of mortars and plasters starting from the very initial step of sampling. The presence of specialized scientist to conduct the advanced analysing methods on this type of materials is crucial.Provenance research is as necessary as the characterization reserach for the production of compatible repair mortars. Materials derived from the same region with the authentic samples will help for achivements in producing compatible repair mortars. Further scientific research on the additives to improve the properties of repair mortars must be supported by institutions and industry.The work also indicates that similar reseach which would be conducted on the samples from different regions of Turkey would certainly raise our knowledge about historical mortars and plasters and eventually assist the professionals working in the field of restoration.