Jeopolimer beton malzemenin yapı ürünü ve malzemesi olarak çevresel sürdürülebilirlik performansının değerlendirilmesi
Evalution of environmental sustainability performance of geopolymer concrete material as a building product and material
Yazar: ASLIHAN KAYHAN
Danışman: PROF. DR. SEDEN ACUN ÖZGÜNLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Beton = Concrete ; Bina cephesi = Building facade ; Geopolimerler = Geopolymers ; Mimari malzeme = Architectural material ; Çevresel sürdürülebilirlik = Sustainable environment

Özet:
İnsan, ömrünü kendi oluşturduğu yapma çevre içerisinde geçirir. Nüfusun artışı ve yapma çevrenin gelişmesi doğru orantılı olarak gerçekleşmektedir. Bu çevrenin üretiminde teknik özelliklerinin uygun ve yapımının diğer malzemelere göre daha esnek olmasından dolayı beton tercih edilmektedir fakat beton üretiminde kullanılan malzemeler enerji tüketimleri konusunda yüksek tüketimli ürünlerdir. Enerji tüketimi sorununa çözüm olması açısından beton içerisindeki ürünlerin kullanımını azaltmaya yönelik çalışmalar bulunmaktadır. Sanayileşmiş ülkelerde çimento ve betonun seri üretimi yapıldığı için uygun bir yapı ürünü olarak kabul edilmektedir. Optimize edilmiş bir sistemle rekabet edilebilmesi için pazarın isteklerine uygun teknik performansa sahip, orta maliyetli ve ekolojik bir malzeme olması açısından düşük çevresel etkiye sahip bir ürüne ihtiyaç vardır. Jeopolimer beton; mekanik, fiziksel ve kimyasal pek çok konuda istenilen özellikleri sağlamaktadır. İçerisinde uçucu kül (UK), yüksek fırın cürufu (YFC) gibi ikincil/atık malzemeler kullanolması sebebiyle oluşum enerjisi düşük uygun bir adaydır. Bu çalışmada, yüksek üretim enerjisine sahip çimento kullanılan konvansiyonel beton yerine geçebilecek sürdürülebilir beton olarak değerlendirilen jeopolimer betonun yapı ürünü ve malzemesi olarak kullanım olanakları, kullanım ömrü boyunca çevresel etkileri yaşam döngüsü değerlendirmesi (YDD) yöntemi kapsamında incelenmiştir. 
Tez çalışmasının birinci bölümünde; yapı yapımında sürdürülebilir malzemenin öneminden bahsedilerek,  çalışmanın amacı, kapsamı ve yönteminden bahsedilmiştir. 
İkinci bölümde; Enerji kriziyle birlikte, sürdürülebilirlik kavramının çıkışı ve gelişimine yer verilmiştir. Günümüzde yaygın olarak kullanılan konvansiyonel beton hakkında literatür çalışmaları anlatılmıştır. Çevresel sürdürülebilirlik açısından yeterli bir malzeme olmayan konvansiyonel beton; tarihi, bileşenleri ve üretimi, performansı, sınıflandırılması hakkında bilgi verilmiştir. Sonrasında sürdürülebilir beton bağlamında jeopolimer betondan bahsedilmiştir. Jeopolimer betonun; tarihinden, yapısı ve sınıflandırılmasından, bileşen ve üretiminden, performansı ve kullanım alanından ayrıca çevresel etkisinden bahsedilmiştir. İki malzeme birbirleriyle içerdikleri bileşen, malzeme özellikleri ve çevresel etki başlıkları altında karşılaştırılmıştır.
Üçüncü bölümde; Bölümün başında sürdürülebilir yapı ürünü ve malzemelerinden bahsedilmiştir. Sonrasında, malzeme seçim kriterleri ve yöntemlerinden bahsedilerek dördüncü bölümde yapılacak benzetim çalışması için kullanılacak seçim yönteminden bahsedilmiştir. Bölüm sonunda, jeopolimer beton hakkında yapılan mekanik, fiziksel, termal ve dayanım gibi özelliklerinin test edildiği çalışmalar derlenmiş ve bir çizelge oluşturulmuştur. Çizelge için 343 kaynak incelenmiştir ve 70 tanesi seçilmiştir. Kaynakların bir kısmı jeopolimer betonun alkali ile aktive edilmiş betonla karıştırılmasından dolayı elenmiştir. Jeopolimer seramik gibi farklı jeopolimer çeşitleriyle ilgili çalışmalar kapsam dışı bırakılmıştır. Verileri okunamayan deneyler ve çalışmalar tabloya dahil edilmemiştir. Kauçuk ve cam gibi atık malzemelerin kullanıldığı çalışmalar, fiber ve vermikülit gibi farklı katkı malzemelerinin katıldığı çalışmalar elenerek tabloya dahil edilmiştir. Derlenen çizelgenin değerlendirmesi yapılarak jeopolimer beton ürün özellikleri belirlenmiştir. Çizelgedeki veriler; kullanılan aktivatör çeşidi, kullanılan puzolan çeşidi, kullanılan katkı malzemeleri ve kür sıcaklığına göre incelenmiştir. Ayrıca; birim hacim ağırlıkları, su emme oranları, yüksek sıcaklığa karşı davranışları, tuzlara karşı davranışı, asitlere karşı davranışı ve donma-çözünme deneylerindeki davranışı incelenmiştir.
Dördüncü bölümde; Benzetim yöntemi kapsamında çalışılacak modellerin özellikleri belirlenmiştir. Bu özellikler;
•Cephe kaplama malzemelerinin özellikleri ve katmanlaşmasının belirlenmesi.
•Aynı derece-gün bölgesinde farklı iklim koşullarına sahip iki farklı il olan İstanbul ve Diyarbakır'ın belirlenmesi.
•Bina kullanımının belirlenmesi
•Havalandırma sistemi, ısıtma-soğutma değerleri ve kullanıcı yükü gibi verilerin belirlenmesi.
Jeopolimer beton cephe kaplaması ürünü kullanılmış bir ofis binasının yaşam ömrünün 1 yılı boyunca aynı derece-gün bölgesinde farklı iklim koşullarına sahip iki farklı ilde göstermiş olduğu enerji tüketimi, emisyonlar ve çevresel etkilerin sonuçları verilmiş ve değerlendirilmiştir.
Oluşturulan modellerin yıllık gaz, elektrik ve toplam enerji tüketimleri bulunmuş ve cephe tiplerine, şehirlerine ve yalıtım durumlarına göre kıyaslanmıştır. Yıllık gaz tüketimi sonucu oluşan emisyonlar hesaplanmıştır. Doğal gaz kaynaklı emisyonların oluşturduğu küresel ısınma, asitleşme ve ötrofikasyon potansiyelleri bulunmuş ve yorumlanmıştır. 
Beşinci bölümde; tez kapsamında derlenen jeopolimer beton özellikleri, yapılan benzetim çalışmaları sonucu ortaya konan enerji tüketimleri, emisyonlar ve çevresel etki verileri parametrelere göre yorumlanmıştır.

Abstract:
A person spends his life in an environment created by himself. The growth of the population and the development of the built environment are directly proportional. Concrete is preferred in the production of this environment due to the fact that its technical characteristics are suitable, and its construction is more flexible than other materials. However, the materials used in the production of concrete are high-consumption products in terms of energy consumption. There are studies to reduce the use of products in concrete in order to solve the problem of energy consumption. In industrialized countries, cement and concrete are considered to be a suitable building product because they are mass-produced. In order to compete with an optimized system, it must be a product that meets the demands of the market. The product must have appropriate technical performance. It should be of medium cost and it should have a low environmental impact in order to be an ecological material. Geopolymer concrete; It provides the desired properties in many mechanical, physical and chemical subjects. It is a suitable candidate with low formation energy because it uses secondary/waste materials such as fly ash and blast furnace slag. In this study, instead of reducing the cement additives of the concrete in order to create sustainable concrete and reduce its environmental effects, geopolymer concrete without any cement additives has been examined. Geopolymer concrete has been examined as a building product and material with the LCA (Life-cycle assessment) method. 
In the first part of the thesis; The purpose, scope and method of the study were mentioned by mentioning the importance of sustainable materials in building construction.
In the second part; With the energy crisis, the emergence and development of the concept of sustainability are included. Literature studies about conventional concrete, which is widely used today, are explained. Conventional concrete, which is not a sufficient material in terms of environmental sustainability; information is given about its history, components and production, performance, classification. Then, geopolymer concrete was mentioned in the context of sustainable concrete. geopolymer concrete; Its history, structure and classification, component and production, performance and usage area, as well as its environmental impact are mentioned. The two materials were compared with each other under the titles of the components they contain, material properties and environmental impact.
In the third part; At the beginning of the chapter, sustainable building products and materials were mentioned. Afterwards, material selection criteria and methods are mentioned and the selection method to be used for the simulation study in Chapter 4 is mentioned. At the end of the chapter, studies on geopolymer concrete that tested its mechanical, physical, thermal and strength properties were compiled and a table was created. For the table, 343 sources were examined and 70 of them were selected. Some of the resources were eliminated due to confusing of geopolymer concrete with alkali-activated concrete. Studies on different types of geopolymers such as geopolymer ceramics are excluded. Experiments and studies whose data cannot be read are not included in the table. Studies using waste materials such as rubber and glass, studies involving different additives such as fiber and vermiculite were eliminated and included in the table. Geopolymer concrete product properties were determined by evaluating the compiled chart. Data in the chart; The type of activator used, the type of pozzolan used, the additives used and the curing temperature were investigated. Moreover, unit weights, water absorption rates, behavior against high temperature, behavior against salts, behavior against acids and behavior in freeze-thaw experiments were investigated. 
As can be seen from the results of the study, the most commonly used activators are NaOH and Na2SiO3. The most common pozzolan used alone is fly ash. Fly ash is followed by metakaolin and blast furnace slag. Generally, superplasticizer additive is used to increase the amount and speed of the reaction. Curing at 80°C and above did not significantly change the results. Geopolymer concrete is generally lightweight concrete but it is also produced as normal concrete to a large extent. The water absorption rate is generally less than 10%. They are resistant to high temperatures. Their effects from acids and salts could not be determined due to the lack of sufficient resources. In the freeze-thaw tests, it suffered a maximum loss of 34.02% compressive strength.
In the fourth chapter; The features of the models to be studied within the scope of the simulation method were determined. These features are;
•Determination of properties and layering of facade cladding materials
•Determination of Istanbul and Diyarbakır, two different provinces with different climatic conditions and same degree-day regions
•Determination of building use
•Determination of data such as ventilation system, heating-cooling values and user load.
Annual gas, electricity and total energy consumptions of the created models were found and compared according to facade types, cities and insulation conditions. Emissions resulting from annual gas consumption have been calculated. Global warming, acidification and eutrophication potentials created by emissions have been found and interpreted.
Geopolymer concrete façade cladding with a low U value and higher insulating properties than concrete façade cladding has reduced heating consumption in all alternatives. However, the insulation property increased the increased shell cooling loads. However, the total energy consumption of the alternatives remained below the control group, except for the Diyarbakir-insulated geopolymer alternative called G-DIY-Y. It has been concluded that the insulation layer in the building element can be reduced in geopolymer coating applications with insulating properties for Diyarbakır, which represents the Hot-Dry climate region. It has been observed that the geopolymer coating provides better performance in moderate-humid climate. 
The G-DIY-Y alternative with the least natural gas consumption was the alternative with the lowest emissions. Alternatives with geopolymer concrete facade cladding have less emission than control groups. 
Alternatives with geopolymer concrete facade cladding have less environmental impact than control groups.  However, the environmental impact difference between coatings is between 0.627% and 0.822%.
In the fifth section; The geopolymer concrete properties compiled within the scope of the thesis, the energy consumption, emissions and environmental impact data revealed as a result of the simulation studies were interpreted according to the parameters.
Although the percentages of change may seem like very small percentages, since geopolymer concrete is a controllable material, it can make bigger differences. There are studies with geopolymer concrete values far below the values determined for simulation and within the scope of the simulation, only 1 year lifetime is considered. When the building product is examined in the Cradle-Grave approach, it will be understood that it is a more ecological material.