Tarihi yapıların onarımında kullanılmak üzere puzolan katkılı hidrolik kireç esaslı onarım harcı üretilme olanaklarının araştırılması
A study on hydraulic lime mortars with pozzolan addition for historic masonry repairs
Yazar: DİLARA GÜR
Danışman: DOÇ. DR. SEDEN ACUN ÖZGÜNLER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Hidrolik kireç = Hydraulic lime

Özet:
Kireç, tarihi yapıların özgün kargir duvar harçlarında yüzyıllar boyunca tercih edilmiş en eski bağlayıcı türlerinden biridir. Kirecin zaman içerisinde iç ve dış etkenler sonucu uğradığı bozulma; eserin yapısal bütünlüğünü tehlike altına sokmakta ve onarımları gerekli kılmaktadır. Yapılan restorasyon uygulamalarında kireç harçlarının, uzun hazırlık periyodu gerektirmesi, suya dayanıksız ve mekanik açıdan yetersiz olması, ilgili kurumların tarihi yapıların onarımlarında portland çimento ile birlikte kullanımının tercih edilmesine neden olmaktadır. Özgün harç özelliklerine uyumlu olmayan benzer müdahaleler tarihi yapılara geri dönüşü olmayan zararlar vermektedir. Bu noktada dayanım ve dayanıklılığının daha yüksek olduğu bilinen ve piyasada rahatlıkla bulunabilen, aynı zamanda ekonomik olan doğal hidrolik kireçler soruna çözüm olabilir niteliktedir.
Doğal hidrolik kireç harçlarının bünyesinde bulundurduğu yüksek kalsiyum hidroksit miktarı sayesinde puzolan katkılarıyla daha yüksek performans gösterebildiği yapılan deneysel çalışmalar kapsamında kanıtlanmıştır. Nitekim doğal ve yapay puzolan kaynakları bakımından oldukça zengin olan ülkemizde mevcut olan bu tip malzemelerin kullanımıyla özgün harç özelliklerine uygun onarım harçlarının elde edilmesinin hem çevresel olumlu etkileri hem de restorasyon ve madencilik sektörleri için ekonomik getirileri olacaktır. Bu noktada özen gösterilmesi gereken asıl konu, yapıda uygulama yapılmadan önce erken ve geç dönemde puzolan katkılı hidrolik kireç harçlarının davranış özelliklerinin kapsamlı bir biçimde araştırılarak, ortaya koyulması gerekliliğidir.
Araştırma kapsamında tercih edilen deneysel çalışma yöntemi iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada doğru malzemelerin seçilebilmesi için literatür araştırmaları ve ön deneyler ortaya koyulmuştur. Puzolan seçimi için, yerli üreticilerden elde edilen beşi doğal, üçü yapay olmak üzere sekiz farklı puzolan TS25 standardı kapsamında puzolanik aktivite deneyine tabi tutulmuştur. Doğal puzolanlar volkanik tüf, perlit ve pomza; Yapay puzolanlar ise genleştirilmiş perlit, metakaolen ve tuğla tozudur. Hidrolik kirecin seçimi için ise piyasada bilinen ve kolay bulunabilir dört farklı hidrolik kireç TS 459-2 standardı kapsamında harç numuneleri üretilerek, mekanik testler sonucunda karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. 
Ön deney sonuçlarına göre puzolan olarak, 7. günde yapılan basınç dayanımı testinde yüksek değerler gösterdiği görülen metakaolen, genleştirilmiş perlit ve volkanik tüf tercih edilmiştir. Puzolanik aktivite deneylerde kullanılan pomza ve perlitin puzolanik aktivite göstermediği görülmüştür. Hidrolik kireç olarak ise en yüksek basınç ve eğilme dayanımı gösterdiği görülen doğal hidrolik kireç deneylerde kullanılmak üzere seçilmiştir. 
Literatür taramalarında tarihi yapıların harçlarında kullanıldığı görülen bağlayıcı-agrega oranlarına yakın olması aynı zamanda yüksek basınç dayanımı göstermesi açısından 2:3 (1:1.5) oranı benimsenmiş olup; agregaların 1/3'lük kısmı ince dere kumu, geriye kalan 2/3'lük kısmı ise iri dere kumu olarak seçilmiştir. Harca eklenilecek su, harçların yayılma tablasında yaptığı yayılma miktarına göre plastik bir kıvam elde edilecek şekilde belirlenmiştir. 
Deneysel çalışmalar puzolanların doğal hidrolik kireç ile gösterdiği performansı incelemek adına üç ayrı seri halinde üretilerek; farklı kür koşullarının etkisini gözlemlemek amacıyla;
o	20 ± 2°C ve % 50 ± 2 bağıl nemli ortamda,
o	20 ± 2°C'de su içerisinde,
Olmak üzere iki farklı ortam koşulunda kürlenmiştir.
Deney kapsamında fiziksel ve mekanik deneylerin doğru bir biçimde uygulanmasını sağlamak amacıyla 40x40x160 mm boyutlarında, toplamda 126 adet numune üretilmiştir. Fiziksel özellklerin belirlenmesi için 28. ve 90.  günlerde özgül ağırlık, birim hacim ağırlık, görünür porozite, kütlece su emme, porozite ve komposite deneyleri yapılmıştır. Mekanik özelliklerin belirlenmesi için ise erken ve geç dönem dayanımlarının belirlenebilmesi adına 7, 28 ve 90. Günlerde tek eksenli basınç dayanımı ve eğilmede çekme dayanımı deneyleri uygulanırken; ultrases hızı, elastiklik modülü ve iki farklı malzeme (taş ve tuğla) üzerinde aderans dayanımı deneylerinin 28. ve 90. günlerde yapılması uygun görülmüştür. 
Puzolan katkılı hidrolik kireç harçları üzerinde gerçekleştirilen fiziksel ve mekanik deney sonuçlarına göre;
o	Puzolanik aktivite deneyine göre metakaolen, genleştirilmiş perlit, tuğla tozu ve farklı volkanik tüflerin 7 günlük deney periyodu sonunda, minimum değer olarak kabul edilen 4 MPa üzerinde basınç dayanımı gösterdiği; ham perlit ve pomzanın ise puzolanik aktivite göstermediği tespit edilmiştir.
o	Farklı puzolan katkılı hidrolik kireç harcı numuneleri incelendiğinde,  suda kürlenen numunelerin mekanik ve fiziksel yönden ortamda kürlenen numunelere göre daha yüksek mekanik ve fiziksel değerlere ulaştığı görülmüştür.
o	Suda kürlenen puzolan katkılı numunelerin ortamda kürlenen numunelere göre basınç dayanımında 2.4; eğilmede çekme dayanımında 2.1; Ultrases hızında 1.5 kata varan yüksek değerler elde edilmiştir. Her iki kür koşulunda da sırasıyla en yüksek ultrases hızına metakaolen katkılı, genleştilmiş perlit katkılı ve tüf katkılı numunelerde ulaşılmıştır.
o	Ortamda kürlenen taş ve tuğla yüzey üzerine uygulanmış harç örneklerinden suda kürlenen örneklere göre daha yüksek kopma yükü okunduğu ve kopma türünün harcın kendi içerisinden olduğu (CF-S) saptanmıştır.
o	Basınç dayanımı deneylerinden alınan verilere göre 90 günde, suda kürlenen farklı puzolan katkılı numunelerin tamamında basınç dayanımı değerleri 10 MPa üzerinde seyretmektedir. Eğilmede çekme dayanımı, aynı periyotta belirtilen referans değerlerin üzerinde seyretmekte; fakat suda kürlenen numunelerin eğilmede çekme dayanımında sürekli artış gözlemlenirken, ortamda kürlenen numunelerin tamamında uzun vadede %10-30 aralığında değişen oranda düşüş yaşanmıştır.
o	Numunelerin düktilitesi, basınç dayanımının eğilmede çekme dayanımına oranı üzerinden kalitatif olarak değerlendirildiğinde, ortamda ve suda kürlenen numunelerin düktilitesinin belirtilen referans aralığında olduğu görülmektedir.
o	Metakaolen katkılı hidrolik kireç harçları, genleştirilmiş perlit ve tüf katkılı numunelere göre her iki kür koşulunda da daha yüksek mekanik özellikler göstermekte; özellikle taş yüzeye yüksek oranda aderans sağlamaktadır. 
o	Bazı özgün yapı malzemelerinin birim hacim ağırlık ve özgül ağırlıkları incelendiğinde üretilen harç numunelerinin özgün malzeme özelliklerine uyumlu olduğu görülmektedir. Üretilen harç numunelerinin su emme davranışı ve porozite değerleri incelendiğinde, suda kürlenen numunelerin kireç taşlarıyla kullanımının uygun olabileceği; Ortamda kürlenen numunelerin ise roma dönemi horasan harçlarına yakın değerlerde olduğu ve tuğla yapı malzemesi ile kullanıma uygun olabileceği düşünülmektedir.
o	Puzolan katkılı harç örneklerinin kapiler ve hacimce su emme oranları incelendiğinde, suda kürlenen puzolan katkılı harçların ortamda kürlenen örneklere göre 2-3 kat arasında değişen oranlarda düşük su emme gösterdiği görülmektedir. 
o	Numunelerin buhar geçirgenlik katsayısı ve porozitesine bağlı korelasyon katsayısı, puzolan katkılı hidrolik kireç harçlarında buhar geçirgenlik direnci ile porozite arasındaki ilişkiyi kanıtlar niteliktedir.

Abstract:
As a good binding material, tradition of using lime has been practiced by many civilizations and known for centuries. Therefore most of the extant historic buildings consist lime mortar masonry. As the lime mortar corrupt in time, caused by internal and external factors; proper repairs become inevitable. Due to its long preperation period, low water ressistance and weak mechanical properties, it has been seen that implementing agencies suggests, addition of portand cement  to lime mortars. These interventions result in irreversible damages to original historic masonry mortar, therefore to structural integrity of the historical heritage. 
Natural hydraulic lime mortars, which have higher ressistance against water and preferable mechanical properties could be a compatible alternative. Especially addition of pozzolanic materials to hydraulic lime mortar provide higher physical and mechanical behaviour based on pozzolanic reactions forming hyraulic products. 
Turkey is a country rich in mineral reserves. Therefore revealing the beneficial aspects of natural and artificial pozzolanic materials when used in hyraulic lime mortars, may benefit both restoration and mining industries. 
Pozzolans are classified as natural and artifical; natural pozzolans originate from igneous rocks where artifical puzzolans can be obtained from varying manners mainly consist thermal treatment of natural materials or obtained by ground industrial byproducts. Their use has great economical and environmental advantages such as diminishing green house gas emissions due to their waste material value. 
This paper focuses on producing a hyraulic lime mortar with pozzolan addition for repairing historic masonry conveyed by on experimantal study.  Experimantal study is conveyed in two main stages. In the first stage, preliminary tests are conducted. Different pozzolanic materials and natural hyraulic lime mortars are tested according to pertinent turkish standarts for selecting the main materials to be used in further investigations in second stage.
For selecting the pozzolans; Mortars are prepared with lime paste acquired from Çanakkale region and standart CEN sand. Total of eight pozzolanic materials are used; which are volcanic tuffs, brick dust, pomice, perlite, metakaolen and expanded perlite. Three different volcanic tuffs from different firms are selected in order to compare results. 
Mortar compositions are made accordingly to standart (TS25) by the given amounts in Table 1. Mortar paste is prepared and casted in 40x40x160 mm cast iron moulds and covered with plastic sheets in order to avoid loss of water vapour and cured in laboratorial controlled environment at 21 Co %55 for 24 hours. After demoulding, the specimens are cured 7 days in drying oven at 55 Co . On seventh day of experiment, samples are brought to ambient temperature in desiccator and dimensions are measured for testing. 
For selecting the hyraulic lime mortars; Three different commercially avaliable natural hyraulic limes (NHL 3.5) are compared and tested accordingly to TS
The results of preliminary tests;
o	Metakaolen, micronised perlite and T-Ti volcanic tuff shows compressive strength above .. and flexural strength of … are selected as pozzolan addition.
o	Natural hyraulic lime with the highest compressive strength LT is selected as the binder. 
o	Pomice and natural perlite are determined to show no pozzolanic activity within the seven days of pozzolanic activity testing period.
Each of three natural hydraulic lime -pozolan mortars are prepared at 2/3 binder to aggregate ratio. Agregates consist of 2 parts of 8 mm grain sized and 1 part of 4 mm grain sized river sand. Water amount is selected to obtain plastic consistenciy and determined by the flow table test in accordance with the standart TS EN 1015-3. Iron molds are previously lubricated with machine oil to prevent the mortar from adhering to the mold surface. Then mortar mixtures are casted into iron molds. For each NHL mortars, 42 prisms (40x40x160) and 12 circular are fabricated, follewed by 126 prisims and 36 circular moulds in total.
All mortars preserved in moulds covered with plastic sheets for 48±2 hours for pre-curing. After demoulding, specimens are cured under two different laboratory conditions;
o	Water curing at 20±2°C.
o	Ambient curing at 20±2°C and  % 50±2 RH.
Mortar series are labeled in accordance with pozolan type and applied curing method (O-Ambient curing, S-Water curing). Therefore mortars with metakaolen addition are labeled MO, MS; mortars with micronised perlite GO, GS and mortars with volcanic tuff addition are labeled TO, TS. Curing period is indicated by the end of labels. 
All specimens are weighted and measured prior to testing. For obtaining mechanical performance; flexural strength, compressive strength, adhesion strength, modulus of elasticity and ultrasound  tests are conducted at variable ages of 7, 28 and 90 days. Adhesion strength of mortars are determined by applying each mortar to brick and stone surfaces. Physical performance of the mortars are investigated through apparent density, bulk density, water impermeability, capillary absorption, water vapour permeability, porosity tests.
According to the results;
o	The experimental results show that metakaolen, micronised perlite, brick dust, and different types of volcanic tuffs gained compressive strength higher than 4 Mpa by the testing period of 7 days, which is considered as treshold for having pozzolanic activity according to pertinent standart TS25. Conversely, natural perlite and pumice showed no puzolanic activity.
o	Regardless of pozolan type; Water cured mortars reached higher mechanical and physical properties in comparison with the ones cured in relative humidity by the end of 90 day testing period. 
o	Water cured mortars show 2.39 times of compressive strength, 2.08 times of tensile strength and 1.5 times of ultrasound velocity than mortars cured in standart RH.
o	When the curing condition is fixed, natural hyrdaulic lime mortars with metakaolen addition, micronised perlite addition and volcanic tuff addition have highest ultrasound velocity respectively.
o	The introduction showed a clear enhancement on pozolan added NHL mortars in terms of lowering capillary and atmospheric water absorption up to 2-3 times by water curing. At this respect, it is shown that curing regime in presence of water benefits hydration and contributes to voids infilling. 
o	The maximum compressive strength of the three lime-pozzolan mortars was 13.78 MPa; a strength attained by combining natural hyraulic lime with metakaolen and curing the resulting mortar in water. 
o	Three of the lime-pozolan mortars attained compressive strength >10 MPa by 90th day when cured in water; only metakaolen added mortars achived this treshold when cured in standart conditions. This suggests hydraulic reactions govern early mechanical development in lime-pozolan mortars and that the carbonation of free lime in the presence of athmospheric Co2 has lesser importance. This is beneficial for application on wider thicknesses.
o	Cohesive failure was obtained for metakaolen added mortars cured in water with the average tensile bond strength of 0,44 N/mm2, higher degrees of bonding in comparison with standart RH cured specimens on both brick and stone surfaces.
o	The ratio between modulus of elasticity and fc/ft (compressive strength/tensile strength), showed no promising relation on elastic behaviour of natural hyraulic lime mortars (on contrary of non-hyraulic lime based mortars) proven by low correlation coefficient of 0.46. 
o	By the regression curve and 0.88 correlation coefficient, strong relationship is determined between water vapour permeability and porosity of natural hyraulic lime mortars.
o	According to a number of original masonry mortars in historic buildings investigated, mortars produced have compatible specific and volumetric weight values.
o	According to water behavior and porosity of produced mortars, water cured mortars seem to be favorable for limestone masonry repairs; and standart RH cured mortars for brick masonry repairs having approximate properties with roman period khorasan mortars.
Overall, specific combinations of natural and artificial additions with hyraulic lime mortars show a potential for use in the repair of historic masonry structures. However, further investigations on optimizing the mixture and more intensive studies on long term performance is required.
For further studies;
o	Early and late age chemical reactions of natural hyraulic lime mortars when cured in different conditions can be observed by thermogravimetric analysis,
o	Organic additives or natural fibres can be added to pozolan-hydraulic lime mortars for enhancing mechanical and physical performance of repair mortars,
o	Natural hydraulic lime 5 (NHL 5) instead of NHL 3.5 may be used in order to achieve higher mechanical strength,
o	Realistic curing conditions on masonry walls repaired with hydraulic lime mortars can be investigated.