Doğal puzolan katkılı kireç bağlayıcının otoklavla kür koşullarının değerlendirilmesi
The evaluation of autoclave curing conditions of natural pozzolan blended lime binder
Yazar: KÜBRA EKİZ BARIŞ
Danışman: PROF. DR. LEYLA TANAÇAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mimarlık Ana Bilim Dalı / Çevre Kontrolü ve Yapı Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Mimarlık = Architecture
Dizin: Sönmüş kireç = Hydrated lime

Özet:
Puzolan katkılı kireç, sönmüş hava kireci ve doğal ya da yapay puzolanik malzemelerin belirli oranlarda karıştırılmasıyla elde edilen suya dayanıklı bir bağlayıcıdır. Sönmüş hava kirecine puzolan eklenmesi; kirecin hidrolik özelik kazanmasını, suya karşı direncinin artmasını, daha yüksek dayanıma ve dayanıklılığa sahip olmasını sağlar. 
Kür, yeni üretilmiş bir bağlayıcının sertleşmesi, dayanımının ve diğer özeliklerinin gelişmesi sürecinde, gereken nem ve sıcaklık koşullarının sürdürülmesini sağlamak amacıyla uygulanan yöntemdir. 
Puzolan katkılı kireç, katılan puzolanın türüne bağlı olarak, uzun bir sürede yavaşça dayanım kazanmaktadır. Bu bağlayıcının dayanım kazanma süresinin kısaltılması amacıyla kür sıcaklığının artırılmasına yönelik çalışmalar bulunmaktadır. Ancak, erken dönemde sıcaklık etkisiyle hızlandırılmış puzolanik reaksiyon, daha ileriki dönemde reaksiyon gelişimini engelleyerek dayanımda azalmaya neden olmaktadır. Öte yandan, puzolan katkılı kireç harçlarının dayanımı su içerisinde iyi gelişmektedir. Bu nedenlerden ötürü, puzolan katkılı kireç harcı üzerinde, su ve sıcaklık etkisinin birarada sağlandığı düşük sıcaklık ve buhar basınçlı otoklav kürü koşullarının araştırılması gerekmektedir. 
Bu çalışmanın amacı, Datça çevresindeki volkanik tüfler ve sönmüş kireç karışımından üretilen hidrolik bağlayıcı malzemenin, kısa sürede dayanım kazanması için düşük sıcaklık ve buhar basınçlı otoklav kürü koşullarını araştırmak, otoklav kürü koşulları altında suya dayanıklı bir bağlayıcı malzeme üretmek, üretimde harcanan enerjiyi minimize etmek ve üretilen bağlayıcı malzemenin öncelikle yapı bloğu olarak, ayrıca çağdaş ve tarihi yapılarda sıva ve derz harcı olarak kullanım olanaklarını belirlemektir.
Deneysel çalışma, üç aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada, Datça Toprağı'nın puzolanik özeliği belirlenmiş; ikinci aşamada, Datça puzolanı katkılı kireç harcının düşük sıcaklık ve buhar basınçlı otoklavda kürlenmesiyle ilgili ön deney çalışmaları yapılmış; üçüncü aşamada, öndeney sonuçlarından elde edilen verilerden yararlanılarak düşük sıcaklık ve buhar basınçlı otoklav kürü koşulları belirlenmiştir. Düşük sıcaklık ve buhar basınçlı otoklavda kürün diğer kür koşullarına (hava, su, etüv) nazaran mukavemet gelişiminde ne yönde bir değişim gösterdiğini belirlemek için diğer kür koşulları da deney programına dahil edilmiştir.
Deneysel çalışma kapsamında;
•	Kür süresinin etkisini ölçmek amacıyla numuneler, ilk 7 gün 20±2°C'de ve polietilen kaplanarak % 95±2 bağıl nemde, 7. günden itibaren ise polietilenden çıkartılarak 20±2°C ve % 50±2 bağıl nemli ortam koşullarında 28 ve 90 gün süreyle;
•	Su kürünün etkisini ölçmek amacıyla numuneler, ilk 7 gün 20±2°C'de ve polietilen kaplanarak % 95±2 bağıl nemde, 7. günden itibaren polietilenden çıkartılarak 20±2°C'deki su içerisinde 7, 28 ve 90 gün süreyle;
•	Farklı sıcaklıkların etkisini ölçmek amacıyla numuneler, ilk 36 saat kalıp içerisinde 20±2°C'de ve polietilen kaplanarak % 95±2 bağıl nemde, daha sonra kalıptan çıkartılarak 70 ve 90°C ve % 95±2 bağıl nemde etüvde 6 gün süreyle;
•	Farklı sıcaklık ve su buharı basıncı etkisini ölçmek amacıyla numuneler, ilk 36 saat kalıp içerisinde 20±2°C'de ve polietilen kaplanarak % 95±2 bağıl nemde, daha sonra kalıptan çıkartılarak 70 ve 90°C ve basınç altında (sırasıyla 0.02 ve 0.04 MPa) saatte 35°C/sa hızla ısınan ve soğuyan otoklavda 6, 8 ve 10 saat süreyle kürlenmiştir. 
Kür işleminden sonra etüvde ve otoklavda kürlenen numuneler, oda sıcaklığına ulaşıncaya kadar desikatörde soğutulmuş ve fiziksel ve mekanik özelikleri belirlemek için deneylere tabi tutulmuştur. Su içerisinde kürlenen numuneler ise, yüzeydeki suyun uzaklaştırılması için 24 saat 50°C'de kurutulduktan sonra deneyler gerçekleştirilmiştir.
Malzeme üzerinde; özgül ağırlık, birim hacim ağırlık, ultrases hızı/elastiklik modülü, kapiler su emme, atmosfer basıncı altında su emme, komposite ve porozite, buhar geçirgenlik direnci fiziksel deneyleri ve eğilmede çekme dayanımı, basınç dayanımı mekanik deneyleri uygulanmıştır.
Araştırma sonucunda, Datça puzolanı katkılı kireç harcının ortam koşullarında düşük bağıl nemde kürlendiğinde olumlu sonuç vermediği görülmüştür.
Su içerisinde 90 gün boyunca kürlenen numunelerin basınç dayanımı gelişiminin diğer kür koşullarına göre daha olumlu gerçekleştiği, ancak, 90 günlük kür süresinin çalışmanın temel amaçlarından biri olan kısa sürede yapı malzemesi üretimi kriterini sağlayamadığı belirlenmiştir.
Datça puzolanı katkılı kireç harcı etüvde kürlendiğinde, 70°C üzerindeki sıcaklıkta fiziksel ve mekanik özeliklerin azaldığı tesbit edilmiştir.
Datça puzolanı katkılı kireç harcı düşük sıcaklık ve buhar basıncı altında otoklavda kürlendiğinde, hem sıcaklık artışına (70°C'nin üzerinde) hem de kür süresi artışına (6 saatin üzerinde) ters orantılı olarak fiziksel ve mekanik özeliklerin azaldığı belirlenmiştir. Harcın kısa sürede yüksek bir dayanım kazanması için gereken ideal koşulların; 70°C'de 6 saat uygulanan düşük sıcaklık ve buhar basınçlı otoklav kürü olduğu tesbit edilmiştir. 
Su içerisinde 90 gün kürlemede elde edilen basınç dayanımına yakın değerin otoklavda 70°C'de 6 saat kürlemede elde edilebilmesi, üretimde zaman kaybını ortadan kaldırmıştır. Ayrıca, aynı dayanıma sahip harcın etüvde 7 gün, otoklavda ise 2 gün içerisinde piyasaya arz edilebilir olması, otoklav kürünün üretimde hız ve zamandan tasarruf sağladığını göstermektedir.
Benzer özeliklere sahip yapı malzemesi üretmek için, otoklavda aynı sıcaklıkta 6 saat kürlemede tüketilen elektrik enerjisinin, etüvde 6 gün kürlemeye göre daha az olması, otoklav kürünün enerji etkin bir kür koşulu olduğunu göstermektedir.
Otoklavda 70°C'de 6 saat kürleme sonucunda üretilen yapı malzemesinin, yapılarda taşıyıcı amaçla düşey delikli pişmiş toprak tuğla ve bölücü amaçla delikli kireç kumtaşı blok yerine kullanılması olanaklıdır. Ayrıca, Datça puzolanı katkılı kireç harcının sahip olduğu fiziksel ve mekanik özelikler, gerek çağdaş yapılarda gerekse tarihi yapıların onarım ve güçlendirme çalışmalarında sıva ve harç malzemesi olarak kullanılabileceğini göstermektedir.
Su içerisinde 90 gün kürlemede elde edilen basınç dayanımına yakın değerin otoklavda 70°C'de 6 saat kürlemede elde edilebilmesi, üretimde zaman kaybını ortadan kaldırmıştır. Ayrıca, aynı dayanıma sahip harcın etüvde 7 gün, otoklavda ise 2 gün içerisinde piyasaya arz edilebilir olması, otoklav kürünün üretimde hız ve zamandan tasarruf sağladığını göstermektedir.
Benzer özeliklere sahip yapı malzemesi üretmek için, otoklavda aynı sıcaklıkta 6 saat kürlemede tüketilen elektrik enerjisinin, etüvde 6 gün kürlemeye göre daha az olması, otoklav kürünün enerji etkin bir kür koşulu olduğunu göstermektedir.
Otoklavda 70°C'de 6 saat kürleme sonucunda üretilen yapı malzemesinin, yapılarda taşıyıcı amaçla düşey delikli pişmiş toprak tuğla ve bölücü amaçla delikli kireç kumtaşı blok yerine kullanılması olanaklıdır. Ayrıca, Datça puzolanı katkılı kireç harcının sahip olduğu fiziksel ve mekanik özelikler, gerek çağdaş yapılarda gerekse tarihi yapıların onarım ve güçlendirme çalışmalarında sıva ve harç malzemesi olarak kullanılabileceğini göstermektedir.

Abstract:
Pozzolan blended lime is a type of lime with hydraulic properties mainly consisting of air lime with added pozzolanic material. Addition of a pozzolan to air lime provides the binder high compressive strength, resistance to water and durability.
Curing is defined as action taken to maintain moisture and temperature conditions in a freshly placed cementitious mixture to allow hydraulic cement hydration and pozzolanic reactions to occur so that the potential properties of the mixture may develop. Curing has a strong influence on the properties of mortars. Proper curing will increase the volume stability, strength, impermeability, durability, abrasion resistance and resistance to freezing and thawing.
Compressive strength of lime-pozzolan mortars increases relatively slowly over longer period of time, depending on the type of the pozzolan. There are studies regarding with the elevated temperature curing in order to accelerate hardening rate and shorten the period of strength development of these mortars. However, accelerated pozzolanic reaction rate during the first day cause a decrease in the ultimate strength. On the other hand, the strength of pozzolan blended lime mortars develops significantly with water curing. For these reasons, low temperature and pressure steam curing conditions of pozzolan blended lime mortars should be investigated due to the combination of water and temperature effect.
The objectives of the present work is:
•	to investigate low temperature and pressure steam curing conditions in order to accelerate hardening rate and shorten the period of strength development of the hyraulic pozzolan blended lime mortar produced from the mixture of slaked lime and Datça volcanic tuffs;
•	to minimize the energy expended in production;
•	to investigate the possibility of using this product as an alternative for fired clay bricks and lime-sandstone blocks.
The research has three stages. At first, the pozzolanic activity of the Datça Earth was tested according to the Turkish Standard 25. At the second stage, preliminary tests were conducted related to low temperature and pressure steam curing of Datça pozzolan blended lime. At the third stage, low temperature and pressure steam curing conditions of this mortar was investigated. To determine the effects of the low temperature and pressure steam autoclave curing conditions on the physical and mechanical properties of this mortar, the other curing conditions (air curing, water curing and temperature curing) were also included in the experimental program.
Mortar was made of slaked lime pozzolan and water. Sand was not added into the mixture. The maximum grain size of the pozzolan was 200 micron and the ratio of L/P was arranged as 35% by weight. The amount of mixing water was determined according to flow test of the ASTM C593–95.
Three specimens were cast in 40x40x160 mm moulds and coded in (XX-XX-XX) format. The first group indicates the mixture proportion of L/P,the second shows the curing temperature (°C) and the third shows the curing time (days and hours).
To determine the effect of curing duration, test specimens immediately upon completion of molding were left at 20±2°C and 95±2 % RH for 7 days. After 7 days, air curing strength was determined of the three specimens and the rest cured at constant ambient temperature (20±2°C ve 50±2 % RH) until 28th and 90th days.
To determine the effect of water curing, test specimens immediately upon completion of molding were left at 20±2°C and 95±2 % RH for 7 days. After 7 days, all of the specimens immersed in water until the testing day at 7th, 28th, and 90th days.
To determine the effect of elevated curing temperatures, test specimens were pre-cured 20±2°C and 95±2 % RH for 36 hours. After this initial curing, they were removed from the moulds and cured in the oven at 70 and 90°C 95±2 % RH for 6 days.
To determine the effect of the both elevated temperatures and water vapur pressure, test specimens were pre-cured at 20±2°C and 95±2 % RH for 36 hours. After this initial curing, they were removed from the moulds and cured in the autoclave at 70 and 90°C under the 0.02 and 0.04 MPa pressure, respectively, for 6, 8 and 10 hours. The heating and cooling rate of the autoclave was 35°C/h.
The specimens cured at ambient temperature, in the oven and autoclave were tested directly without dried. Specimens cured in water were dried for 24 hours at 50°C.
Physical tests such as specific weight, unit weight, capillary water absorption, water absorption under the atmospheric pressure, ultrasound velocity/Young's modulus of elasticity and mechanical tests such as flexural and compressive strengths were performed on the samples.
Research results indicate that curing at low relative humidity negatively impact the properties of lime mortar blended Datça pozzolan.
Physical and mechanical characteristics of the lime based Datça pozzolan mortar develope significantly with water curing.
When curing temperature in oven is increased from 70°C to 90°C, physical and mechanical properties of the mortar gradually decrease.
When the mortar specimens are cured under the curing conditions of low temperature and pressure steam, physical and mechanical properties of the specimens gradually decrease depending on the increase both the temperature (above 70°C) and curing duration (above 6 hours). Thus, curing at 70°C for 6 hours is the ideal condition for low temperature and pressure steam autoclave curing to reach the mortar high strength in a short time.
The compressive strengths of the specimens cured in water for 90 days and in autoclave at 70°C for 6 hours are similar to each other. In addition, the compressive strengths of the specimens are cured in oven and autoclave at the same temperature (90°C) are equal. Thus, it may be concluded that low temperature and pressure steam autoclave curing is an appropriate method in the interest of saving time.
When producing building materials with similar physical and mechanical properties, electrical energy consumption of oven curing for 6 days is much higher than that of autoclave curing for 6 hours under the same temperature. This situation reveales that autoclave curing is more energy efficient method than the oven curing.
The materials produced at 70°C for 6 hours under the low temperature and pressure steam curing conditions can be used instead of loadbearing fired clay bricks and non-loadbearing lime-sandstone blocks.