Pişmiş toprak tuğla, bimsbeton, gazbeton ve perlitli yapı malzemelerinin fiziksel, kimyasal ve mekanik özelliklerinin karşılaştırmalı olarak incelenmesi
A Comparative study of brick, pumice concrete, autoclaved aerated concrete and perlite construction materials including physical, chemical and mechanical properties
Yazar: YUNUS EMRE ÇİÇEK
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA E. KARAGÜLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Yapı Bilgisi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2002
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Bims beton = Pumice concrete ; Gazbeton = Autoclaved aerated concrete ; Perlit = Perlite ; Tuğla = Brick ; Yapı malzemeleri = Building materials

Özet:
ÖZET Pişmiş toprak tuğla ve Bims binlerce yıldan beri, gazbeton ve perlit ise 20. yy. 'dan itibaren kullanılan yapı malzemeleridir. 1999 yılında Türkiye'nin yaşadığı deprem felaketlerinden sonra yapıda malzeme tasarımı, seçimi ve konstrüksiyonu konuları ile ilgili çeşitli tartışmalar başlamıştır. Bu çalışmada, adı geçen yapı malzemelerinin TSE'ye göre tanımı, sınıflandırılması, üretim teknolojisi, tüketim alanları, özellikleri ve inşaat sektöründe kullanımı örnekler eşliğinde verilecektir. TS 705 'e göre pişmiş toprak tuğla (fabrika tuğlası), "Kil, killi toprak ve balçığın ayrı ayrı veya harman edilip, gerektiğinde su, kum, öğütülmüş tuğla ve kiremit tozu, kül ve benzerleri karıştırılarak makinelerle şekillendirildikten ve kurutulduktan sonra fırınlarda pişirilmesi ile elde edilen ve duvar yapımında kullanılan bir malzemedir." Yine TS 705 'e göre tuğlalar, delik oranlarına ve dona dayanıklılıklarına göre sınıflandırılabilirken, yapı standartları ve delik yönleri gibi özelliklerine göre de sınıflandırılabilir. Pişmiş toprak tuğla, binlerce yıllardan beri ağırlıklı olarak inşaat sektöründe kullanılmaktadır. Pişmiş toprak tuğla, yığma yapıların duvarlarında ve seramik putrelli döşemelerde taşıyıcı olarak kullanıldığı gibi, betonarme yapıların duvar ve döşemelerinde de dolgu olarak kullanılır. Bims, volkanik bir kayaç türü olup asidik ve bazik karakterli volkanik faaliyetlerle oluşmuştur. Volkanik bir cam yapısındadır. TSE tarafından yapılan tanmı, birbirine bağlantısız boşluklu, sünger görünümlü, silikat esaslı, birim hacim ağırlığı genellikle lg/cm3 ten büyük, sertliği Mohs skalasıma göre yaklaşık 6 olan ve camsı doku gösteren volkanik bir maddedir. Yeryüzünde en yaygın olarak bulunan ve kullanılan türü olan Asidik Bims, beyaz, kirli renkte olanıdır. Bazik Bims ise yabancıların Scoria dedikleri, Türkçe'deki Bazaltik Bims olarak bilinen kahverengimsi siyahımsı renkteki Bims türüdür. Bims, dünya üzerinde (Türkiye'den başka) A.B.D., Almanya, İngiltere, İtalya, İzlanda, Yeni Zelanda ve Yunanistan'da çıkarılmaktadır. Bims başlıca inşaat sektöründe, tarım sektöründe ve çeşitli sanayii sektörlerinde aşındırıcı olarak kullanılır. TS 2823 'te Bims ürünleri şöyle tanımlamıştır: "Bimsten mamul yapı elemanları, Bims agregalannın çimento ve su ilavesi ile basınç altında, vibrasyonla sıkıştırılıp kür edilen ve gerektiğinde kuvarz kumu da ilave edilerek üretilen yapı elemanlarıdır." Aynı standartta bu yapı elemanları genel olarak donatılı ve donatışız olarak ikiye ayrılmıştır. Donatışız yapı malzemeleri, genel anlamda Bimsblok ve Bims agregalı hafif beton olarak iki alt gruba ayrılmaktadır. Bimsbloklar da, boyut, şekil ve geometrik durumlarına göre Bims tuğla, boşluklu duvar bimsblokları ve asmolen bloklar 3 ayrı grupta sınıflandırılabilir. Bunların yanında yapılan ARGE çalışmaları ile yeni ürün tiplemeleri de geliştirilmiştir. xııTS 2823 'e göre "Bimsbeton, agrega olarak Bims agregalan kullanılan, gerektiğinde kuvars kumu da ilave edilerek yapılan hafif betondur." Bimsbetonlarm sınıflandırılması ise 28 günlük basınç mukavemetlerine göre yapılmıştır. Donatılı yapı elemanları, taşıyıcı düşey duvar elemanları, taşıyıcı çatı ve döşeme elemanları ile baca ve şömine elemanları olarak sınıflandırılmaktadır. TS 453 'e göre "Gazbeton, ince öğütülmüş silisli bir agrega ve inorganik bir bağlayıcı madde (kireç ve/veya çimento) ile hazırlanan karışımın gözenek oluşturucu bir madde ilavesi ile hafifletilmesi ve buhar kürü ile serleştirilmesi ile elde edilen gözenekli hafif betondur." Gazbetonun tarihçesine bakıldığında; tarih boyunca yapılarda kullanılan hafif ve gözenekli doğal malzemelerin yapay olarak üretilmesi fikri, 19. yüzyılın sonlarında ortaya atılmıştır. Gaz meydana getiren bir katkı ilavesi ile gözenekli harç imalatı için ilk patent 1889'da verilmiştir. Bunu takiben 1914'te, çimento harca kabartıcı katkı maddesi olarak alüminyum tozu, çinko tozu veya diğer madeni tozların katılması yoluyla hafif beton üretilebileceği görüşü ortaya atılmış ve 1919-1920'de beton harcına kabartıcı madde olarak alüminyum tozu katılarak bugünkü gazbeton üretim teknolojisinin temeli atılmıştır. Gazbeton, ağırlıklı olarak inşaat sektöründe kullanılmaktadır. TS 453 'e göre, gazbetondan elde edilen ürünler, donatışız yapı malzemeleri ve donatılı yapı elemanları olarak iki ana başlık altında toplanmıştır. Donatışız yapı malzemeleri, genel anlamda duvar blokları, asmolen bloklar, U bloklar ve yalıtım plakaları dört alt gruba ayrılmaktadır. Donatılı yapı elemanları, genel olarak taşıyıcı olmayan elemanlar ve taşıyıcı elemanlar şeklinde ikiye ayrılmıştır. Taşıyıcı olmayan elemanları kendi içinde düşey duvar elemanları, yatay duvar elemanları, bölme duvar elemanları ve kapı-pencere lentoları olarak dörde ayrılır. Taşıyıcı elemanlar da kendi içinde, taşıyıcı düşey duvar elemanları ve taşıyıcı çatı ve döşeme elemanları olarak ikiye ayrılır. Ham perlit, erime bölgesi içinde 760-1200 °C arasında bir sıcaklıkta, bünyesindeki suyun uzaklaşması ile hacminin 4-30 katına kadar genişleme özelliğine sahip silisli volkanik bir camdır. Perlit yatakları, dünyada üç volkanik kuşak üzerinde bulunmaktadır. Bu kuşaklar, Akdeniz, Pasifik ve Atlantik Volkanik Kuşaklan'dır. Adı geçen kuşaklarda bulunan Türkiye, Yunanistan, ABD ve BDT en büyük perlit üreticileridir. Akdeniz Volkanik Kuşağı'nda bulunan Türkiye'de toplam perlit rezervinin 8 milyar ton olduğu (dünyadaki toplam rezervin %70'i) hesaplanmıştır. Perlitin en büyük avantajı genleştirilebilme özelliğine sahip olmasıdır. Bu işlem sırasında, yüksek sıcaklıkta (750-1200°C) birkaç saniyede kayaç içindeki su, su buharına dönüşerek genleşmeye neden olur ve yumuşayan danecikler içinde sayısız hava boşluğu oluşur. Bu boşluklar perlitin hacmini 4-30 kat arttırırken, yoğunluğunu da büyük ölçüde düşürür. Bu özelliği sayesinde, perlitten istenilen tipte malzeme kısa zamanda ve minimum enerji tüketimi ile üretilebilmektedir. Perlit başlıca, inşaat sektöründe, tarım sektöründe ve sanayii sektörlerinde kullanılmaktadır. înşaat sektöründe perlit kullanımı genel anlamda, inşaat malzemesi olarak ve taşıyıcı malzeme olarak kullanımı şeklinde iki alt başlıkta incelenebilir. İnşaat malzemesi olarak kullanımı, perlitli sıvalar, ısı ve ses yalıtıcı gevşek dolgu maddesi olarak kullanımı ve alçılı perlitli hafif yapı elemanları başlıkları altında sınıflandırılabilir. xıııTaşıyıcı malzeme olarak kullanımı da, perlit agregalı çimento veya alçı bağlayıcılı hafif yalıtım betonu başlığı altında incelenebilir. Pişmiş toprak tuğla, bimsbeton, gazbeton ve perlitli yapı malzemelerinin fiziksel, kimyasal ve mekanik özelliklerini içeren bir karşılaştırma yapıldığında şu genel sonuçlara varılmaktadır: a) Pişmiş toprak tuğla, geçmişten gelen geleneksel bir malzeme olması ve hammaddesi olan kilin çok kolay bulunmasının da etkisiyle, halen betonarme ve çelik yapıların duvar ve döşemelerinde dolgu olarak en fazla kullanılan yapı malzemesi olma özelliğini korumaktadır. Bu çalışmada incelenen diğer malzemelere göre daha yüksek bir birim hacim ağırlığa sahip olması nedeniyle taşıyıcı sisteme ek bir yük getirmekte, buna karşılık yüksek bir Elastisite modülü ve basınç mukavemetine sahip olduğu için aynı zamanda taşıyıcı sisteme deprem yükü karşısında yardımcı olmaktadır. Bunun yanında, başka yapı malzemeleri ile birlikte kullanılmadığında, ısı yalıtımı ve ses emiciliğinin düşük olması ve bünyesinin bozulmaya uğramadan fazla su emmeye uygun olmaması dezavantajlı yönleri olarak sayılabilir. b) Bims, kaynak açısından Türkiye'nin şanslı olarak görülebileceği doğal bir yapı malzemesidir. Birbiri ile bağlantısız boşluklu yapısı sayesinde yüksek ısı yalıtımı ve ses tutuculuğuna sahiptir. Düşük birim hacim ağırlığı nedeniyle duvar ve döşemelerde blok olarak kullanıldığında taşıyıcı sisteme binen yükü azaltmakta, hafif beton olarak kullanıldığında da demirden belli oranda tasarruf edilmesini sağlamaktadır. Isıl genleşme ve rötre değerlerinin düşük olması ona iklim koşullarına karşı belli oranda dayanıklılık kazandırmaktadır. Erime noktasının yüksekliği ve belli bir sıcaklığa kadar iç yapısında herhangi bir bozulma olmaması, onu yangına karşı yüksek mukavemetli kılmaktadır. Bu avantajlarının yanında, diğer hafif yapı malzemelerinde de görülebileceği üzere, su etkisi karşısında tutarlı bir davranış sergileyememesi, belli ortamlarda kullanılmasını sakıncalı kılmaktadır. c) Gazbeton, boşluklu yapısı sayesinde - bims gibi - yüksek ısı yalıtımı ve ses emiciliği sağlamaktadır. Erime noktası, diğerlerine göre biraz daha düşük olmakla beraber, yine de yüksek yangın mukavemeti nedeniyle yanmayan yapı malzemeleri sınıfına girmektedir. Bazik yapıda olan gazbetonun malzeme yapısı, asitlerle tepkimeye girdiğinde bozulduğundan bu tip ortamlardan uzak tutulması yararlı olacaktır. d) Perlit, bims gibi, hammadde kaynağı açısından Türkiye'nin şanslı olduğu başka bir doğal yapı malzemesidir. Basınç mukavemetinin aşın düşük olması nedeniyle tek başına taşıyıcı olarak kullanılamamakta, bunun yanında çeşitli olumlu özellikleriyle iyi bir dolgu malzemesi olarak göze çarpmaktadır. Genleştirilme işleminden sonra ağırlığı, dolayısıyla dolgu malzemesi olarak yapıya aktardığı yük büyük ölçüde azalmaktadır. Ayrıca kolay işlenebilirliği, yüksek ısı ve ses tutuculuğu ve alçı katkısıyla yüksek yangın mukavemetine sahip olması diğer olumlu özellikleri olarak sayılabilir. Bunun yanında suya karşı aşın duyarlı olması, (özellikle alçılı perlitin) uygulamada çeşitli sorunlara neden olabilmekte ve ek tedbirlerin alınmasını gerektirmekte, dolayısıyla maliyetin artması gündeme gelebilmektedir. Aslında her yapı malzemesinin avantajları ve dezavantajlan bulunmaktadır ve standartlara uygun üretilip, belirtilen ortam şartlarında kalifiye işçilikle uygulanan her yapı malzemesi kendisinden beklenen performansı göstermektedir. Önemli olan, yapı malzemesi tasarımında, seçiminde ve uygulanmasında bilimsel etiğe uygun bir yaklaşımda bulunabilmektir. xıvA COMPARATIVE STUDY OF BRICK, PUMICE CONCRETE, AUTOCLAVED AERATED CONCRETE AND PERLİTE CONSTRUCTION MATERIALS INCLUDING PHYSICAL, CHEMICAL AND MECHANICAL PROPERTIES SUMMARY Brick and pumice are traditional construction materials used for thousands of years, the history of autoclaved aerated concrete and perlite is about a hundred years. After the earthquake disasters in Turkey in 1999 there were many discussions about the design, choice and application of construction materials. This study includes information about the definitions and classifications (according to TSE), the technology used by production, consumption areas, physical, chemical and mechanical properties and finally the usage in construction sector of brick, pumice concrete, autoclaved aerated concrete and perlite construction materials. According to TS 705, brick can be defined as following, "The material used by masonry which contains a mixture of clay, water, sand, ashes (if necessary) etc. formed, dried and claved by machines." Bricks can be classified according to their perforation percentage, direction of perforation and frost resistance. Brick is consumpted mostly in the construction sector. It's used structurally active by masonry and slabs with ceramic I-beam, also used structurally inactive by the walls and slabs of reinforced concrete buildings. Pumice is a kind of rock which is formed through acid and alkali volcano facilities. According to TSE pumice can be defined as following, "A volcanic material which has an open structure and a specific weight bigger than 1 g/cm3, is sponge-looked and glass-textured, based on silicates." The mostly found type is acidic pumice with its dirty-white colour. Scoria is the name for alkaline pumice with its brown-black colour. There are pumice mines (except Turkey) in USA, Germany, Great Britain, Italy, Iceland, New Zealand and Greece. Pumice is mostly used in construction, agriculture sectors and other several industries. According to TS 2823, pumice concrete construction materials and structural members can be defined as following, "The construction materials which are based on pumice aggregate (also cement and water) which is compressed, vibrated and cured (quartzite is added if necessary)." Pumice concrete construction materials are classified as not reinforced and reinforced. Firsrt group contains pumice blocks and lightweight concrete with pumice aggregate. Pumice blocks are divided in three sub-groups according to geometric form, pumice brick, perforated pumice blocks for walls and pumice blocks for slabs. xv

Abstract:
A COMPARATIVE STUDY OF BRICK, PUMICE CONCRETE, AUTOCLAVED AERATED CONCRETE AND PERLİTE CONSTRUCTION MATERIALS INCLUDING PHYSICAL, CHEMICAL AND MECHANICAL PROPERTIES SUMMARY Brick and pumice are traditional construction materials used for thousands of years, the history of autoclaved aerated concrete and perlite is about a hundred years. After the earthquake disasters in Turkey in 1999 there were many discussions about the design, choice and application of construction materials. This study includes information about the definitions and classifications (according to TSE), the technology used by production, consumption areas, physical, chemical and mechanical properties and finally the usage in construction sector of brick, pumice concrete, autoclaved aerated concrete and perlite construction materials. According to TS 705, brick can be defined as following, "The material used by masonry which contains a mixture of clay, water, sand, ashes (if necessary) etc. formed, dried and claved by machines." Bricks can be classified according to their perforation percentage, direction of perforation and frost resistance. Brick is consumpted mostly in the construction sector. It's used structurally active by masonry and slabs with ceramic I-beam, also used structurally inactive by the walls and slabs of reinforced concrete buildings. Pumice is a kind of rock which is formed through acid and alkali volcano facilities. According to TSE pumice can be defined as following, "A volcanic material which has an open structure and a specific weight bigger than 1 g/cm3, is sponge-looked and glass-textured, based on silicates." The mostly found type is acidic pumice with its dirty-white colour. Scoria is the name for alkaline pumice with its brown-black colour. There are pumice mines (except Turkey) in USA, Germany, Great Britain, Italy, Iceland, New Zealand and Greece. Pumice is mostly used in construction, agriculture sectors and other several industries. According to TS 2823, pumice concrete construction materials and structural members can be defined as following, "The construction materials which are based on pumice aggregate (also cement and water) which is compressed, vibrated and cured (quartzite is added if necessary)." Pumice concrete construction materials are classified as not reinforced and reinforced. Firsrt group contains pumice blocks and lightweight concrete with pumice aggregate. Pumice blocks are divided in three sub-groups according to geometric form, pumice brick, perforated pumice blocks for walls and pumice blocks for slabs. xvAccording to TS 2823, pumice concrete is defined as following, "Lightweight concrete which is based on pumice aggregate (quartzite added if necessary). The classification of pumice concretes are made according to compressive strength. The reinforced structural (load bearing) members are classified as vertical wall members, roof and slab members, camine and chimney members. According to TS 453, autoclaved aerated concrete can be defined as following, "Lightweight concrete with open structure which is based on a mixture of quartzite aggregate and inorganic material (lime and/or cement) which is cured." The basic idea of making an artificial lightweighted and porous construction material came out at the end of the 19th century. The first patented porous mortar with a gas addition was found in 1889. After that in 1914, there was the idea of producing of a lightweight concrete with addition of aluminium, zinc or other metal powders to the porous mortar. Finally that idea was realized in 1919-20. Autoclaved aerated concrete is mostly used in construction sector. According to TS 453, autoclaved aerated concrete construction materials are classified as not reinforced and reinforced. Not reinforced construction materials have four sub-groups: Wall blocks, slab blocks, U-blocks and insulation plates. Reinforced structural members are divided into two: Not load bearing and load bearing. The first group contains vertical wall members, horizontal wall members, inner wall members and lentiles for windows and doors. The load bearing members are vertical wall members, roof and slab members. Perlite is a volcanic glass which can be expanded to 4-30 times of its volume by a temperature of 760-1200 °C. Perlite mines on the Earth are located on three volcanic zones. These are Mediterrian, Pacific and Atlantic Zones. Turkey, Greece, USA and Russia are the biggest perlite producers. It's supposed that there are 8 billion tons in Turkey (70% of the total reserves on the Earth). The most important advantage of perlite is its expansion ability. During this procedure the water in perlite is converted to water vapor and there are too many pores in perlite which on one hand cause an expansion to 4-30 times of the volume and on the other hand the decrease of the density. Perlite is mostly used in construction, agriculture sectors and other several industries. The use of perlite in construction sector can be classified as construction materials and structural materials. The construction materials are perlite plasters, slack materials for thermal and noise insulation and lightweight construction members with gypsum and perlite. The lightweight insulation concrete with cement or gypsum can be mentioned as structural material. After the comparison between these four types of construction materials including their physical, chemical and mechanical properties, such conclusions can be made: a) Brick is the most used construction material by the walls and slabs of reinforced concrete and steel framed buildings because it's an traditional material and clay (raw material of brick) is easily available. According to other three, brick has a bigger density which causes extra load for the structural system, but its high E-Module and compressive strength also helps the structural system against horizontal loads like earthquake. Besides, if not used with any addition, its low thermal insulation, noise absorbtion and frost resistance can be named as bricks disadvantages. xvib) Pumice is a natural material which is found very frequently in Turkey. Its thermal insulation and noise absorbtion values are high due its open structure. Because of its low density, pumice blocks are lightweight materials for walls and slabs. As lightweight concrete it helps to save a certain percentage of iron. Due to low thermal extansion and shrinkage values, pumice is resistant against climatic conditions. However, pumice is instable against the water effect which makes it diffucult to use under such conditions. c) Due to its open structure autoclaved aerated concrete also has a high thermal insulation and noise absorbtion. Although its melting point is lower than pumice and perlite, autoclaved aerated concrete has a high fire resistance. It's highly recommended to keep away this material from acids because of its alkali character. d) Perlite is another natural material found very frequently in Turkey. Due to his low compressive strength it cannot be used without any addition, but it has some other advantages which make perlite a very useful construction material. These are its low density after the expansion, high thermal and noise insulation and fire resistance (with gypsum addition). Besides, the instability of gypsum-perlite materials can cause some problems by application, so its cost may be higher than expected. It's obvious that every construction material has some advantages and disadvantages. Again every construction material will fulfill the required performance, if it's produced and applicated under acceptable conditions required by the common norms. The main point is to make an approach approven by the scientific etique when designing, choosing and applicating a construction material. XVll ^asssssr