INVESTIGATION OF HEAT AND MECHANICAL PROPERTIES FOR CEMENT AND PLASTER ADDITIVE BUILDING MATERIALS WHICH CONTAINING EXPANDED PERLITE

Transkript

1 GENLEŞMĐŞ PERLĐT ĐÇEREN ÇĐMENTO VE ALÇI BAĞLAYICILI YAPI MALZEMELERĐN ISIL VE MEKANĐK ÖZELLĐKLERĐNĐN ĐNCELENMESĐ Hüseyin BULGURCU Balıkesir Üniversitesi Balıkesir MYO Đklimlendirme ve Soğutma Programı Kampus, Balıkesir Özet: Mevcut binalardaki ısı yalıtımının çok kötü olması nedeniyle, ülkemizdeki yıllık enerji tüketiminin büyük bir kısmı ısınma amaçlı kullanılmaktadır. Bu sorunu yeni binalarda çözmek amacıyla "TS 825 Binalarda Isı Yalıtım Kuralları" standardı yeniden hazırlanmış ve 9 Ekim 2008 tarihinden itibaren uygulamaya konmuştur. Yeni yönetmeliğe uyan ısı ve ses yalıtımı özellikleri iyileştirilmiş, ekonomik, mekanik olarak binaya yük bindirmeyen hafif yapı bileşenlerine ihtiyaç bulunmaktadır. Bu şartları sağlayan perlit katkılı yapı elemanları iyi bir alternatiftir. Bu çalışmada farklı hacimsel oranlarda genleşmiş perlit içeren çimento ve alçı bağlayıcılı yapı elemanlarının ısıl ve mekanik özellikleri incelenmiştir. Đnceleme sonunda özellikle çimento bağlayıcılı elemanların TS 825'e uygun olarak prefabrik blok duvar ve boşluklu briket üretimlerinde kullanılabileceği görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Perlit, perlit-çimento karışımı, ısıl ve mekanik özellikler INVESTIGATION OF HEAT AND MECHANICAL PROPERTIES FOR CEMENT AND PLASTER ADDITIVE BUILDING MATERIALS WHICH CONTAINING EXPANDED PERLITE Abstract: Since heat isolation in the existing buildings is very bad, the great amount of the annual energy consumption in our country is used for the purpose of heating them. In order to settle this problem in newly-built buildings, the standard of TS 825 Heat Isolation Rules in Buildings had been rearranged and was put into force on the 9 October, The features of heat and sound isolation adapting to the new regulation have needed improved, economical light construction components which do not overlap mechanically. Perlite-added construction elements providing those circumstances mentioned above are good alternatives. In this research, the thermal and mechanical features of the cement and plaster-connective construction elements including perlite at different proportions related different volume were studied. At the end of this study, especially cement-connective elements were observed that they can be used to produce pre-fabric block walls and briquettes with cavities according to TS 825. Keywoords: Perlite, perlite-cement mixture, heat and mechanical properties 1. GĐRĐŞ Perlit asidik bir volkanik camdır. Perlit ismi bazı perlit tiplerinin kırıldığı zaman inci parlaklığında küçük küreler elde edilmesi nedeni ile inci anlamına gelen perle kelimesinden türetilmiştir. Perlit, ısıyla genleşme özelliği olan, genleştirildiğinde çok hafif ve gözenekli bir hale geçen bir kayaçtır. Perlit kelimesi hem ham perlit için hem de genleştirilmiş perlit için kullanılmaktadır. Çeşitli perlit kayaçlarının renkleri ve yapıları birbirinden çok farklı olabilir. Bu bakımdan perliti gözle tanımak oldukça zordur. Ham perlitin rengi saydam açık griden parlak siyaha kadar değişmekte olup, genleştiğinde renk tamamen beyazlaşır. Perlitte en önemli özellik % 2 ile 6 oranında değişen içeriğindeki sudur ve bu su perlitin kararlılığını sağlamaktadır. Perlitin fiziksel ve kimyasal özellikleri aşağıda verilmektedir.

2 Tablo 1. Genleşmiş perlitin fiziksel özellikleri [2,3] Maksimum kullanım 649 [ 0 C] sıcaklığı Yoğunluk [kg/m 3 ], ortalama [kg/m 3 ] Eğilme dayanımı [kpa] Basınç dayanımı 690 [kpa] ASTM %5 deformasyonda Doğrusal büzülme %2'den az Asit direnci %10 sülfürik asite dayanıklı, %10 hidroklorik asite dayanıklı Su absorbe özelliği %0.4 hacimce, ortalama, %6.02 ağırlıkça, ortalama Yumuşama sıcaklığı [ 0 C] Erime sıcaklığı [ 0 C] Özgül ısı 387 [J/kgK] Özgül ağırlık Kg/m 3 Isıl iletkenlik [W/mK] Gevşek yoğunluk kg/m 3 Renk Beyaz, gri ve tonları Serbest nem Maksimum 0,5 Tablo 2. Genleşmiş perlitin kimyasal özellikleri (%) [2] SiO AlO Na 2 O K 2 O CaO Fe2O MgO TiO MnO SO FeO Cr Ba PbO / 0.3 NiO Cu B Be Serbest silis Toplam klorürler Toplam sülfatlar Hiç Yok Perlit bünyesinde %2-6 oranında su içeren camsı bir silikat türüdür [1]. Perlit, uygun bir sıcaklıkta patlayarak orijinal hacminin 4-20 katı kadar genleşir. Bu özelliği ile diğer volkanik camlardan ayrılır. Bu genleşme su ile ham perlit kayacının birleşmesiyle oluşur. Ham kayaç 871 C'nin üzerinde hızlıca ısıtıldığında mısır gibi patlayarak su buharı ile kabarcıklar oluşturup genleşmiş perlit haline gelir. Ham perlit kayacı saydam griden parlak siyaha kadar olan renk kademelerinde bulunabilir. Genleşmiş perlit ise kar beyazı veya grimsi beyaz renklerdedir. Perlit doğal camın bir formu olduğundan kimyasal olarak atıldır ve ph değeri 7 civarındadır. Genleşmiş perlitin diğer özellikleri Tablo-1'de verilmiştir. Perlitin kullanım alanları üç ana grupta incelenebilir: Đnşaat, tarım ve endüstriyel uygulamalar. Perlit inşaat sektöründe çok farklı şekillerde yalıtım amaçlı olarak kullanılmaktadır. Önceleri iç sıvalarda harç katkısı olarak ve sandviç duvarlarda yalıtım dolgusu olarak kullanılmakta iken son yıllarda kuvars kumu katılmaksızın sadece genleşmiş perlitli beton bloklar ve briketler üretilmeye başlanmıştır [3]. 2. ÜRETĐM YÖNTEMĐ VE TEKNOLOJĐSĐ Perlit cevheri açık işletmecilik metodu ile üretilmekte ve kırma-öğütme-sınıflandırma işlemlerini takiben genleştirilmiş perlit elde edilmektedir. Genleştirilmiş perlitin üretiminde, cevher ocağa yakın bir yerde ilk kaba kırmadan geçirilip, gerekli tane iriliğine getirilmesi ekonomik bulunmaktadır. Perlitin hazırlanmasında dikkat edilecek hususlar aşağıda sunulmuştur: Olabildiği ölçüde perliti nodüllerine ayırmak ya da küp şeklinde taneler elde etmek, Fazla inceltmeden ve kabuk dokusunu bozmadan, perliti sadece gerekli tane iriliğine kadar kırma, Đstenen tane boyuna ayırmak, Perlit genellikle kolayca kırılabilen iyi öğütülebilen bir kayaçtır. Ancak tane dağılımı kırma darbelerine bağlı olduğu için, kırıcı ve öğütücü seçimi özel dikkat gerektirmektedir. Perlit hazırlama tesislerinde gerekli işlemler şöyle sıralanabilir; Ön öğütme Kurutma Öğütme Đnce öğütme Eleme, sınıflandırma, boyutlama Depolama Perlitle ilgili talep alanları değişik boyutlara yöneldiğinden öğütmede esneklik önem taşımaktadır. Çeşitli kullanım yerlerinin gereklerine koşut olarak perlit talebinin genel olarak aşağıdaki gruplarda göreli bir ağırlık taşıdığı söylenebilir[4]: 0.05 mm; mm; mm; mm (0.3 mm altındaki miktar maks. % 8) mm (0.3 mm altındaki miktar maks. % 40) mm; mm (0.3 mm altındaki miktar maks. % 10) mm; mm (0.3 mm altındaki miktar maks. % 40) mm; mm; mm.

3 Öğütülmüş, boyutlanmış ham perlit, cinsine göre C arasında sıcaklığı olan bir ortama verildiğinde içindeki suyun buhar halinde çıkmasıyla çok kısa sürede mısır gibi patlayarak hacmi 4-30 kat artar. Bu şekilde genleştirilmiş perlit, çok gözenekli ve hafif camsı bir yapıya dönüşür. 400 C ve kadar ön ısıtmaya tabi tutulmasıyla perlitteki suyun % 80-90'ı buharlaşır. Kalan % 1-1,5 luk kısım genleşme işlerinde eylemi olan aktif suyu meydana getirir. Genleşme C de gerçekleşebilmektedir. Perlitin genleştirilmesinde başlıca dört faktörün rol oynadığı söylenebilir: Kullanılan perlitin cinsi Gerekli ısıtma süresi Tane iriliği Genleşme sıcaklığı Perlit genleştirme tesisleri, hammadde depolama, genleştirme, ayırma ve paketleme olarak üç üniteden oluşmaktadır. Perlitin cinsine ve istenen ürüne göre genleştirme tesisinde kullanılacak fırının tipi değişmekle birlikte son yıllarda sabit, dikey fırınlara doğru bir temayül bulunmaktadır. Bu fırınlar mazot ya da gazla çalışmaktadır. 3. DENEYSEL ÇALIŞMA Deneysel çalışmalarda BĐÇER ve arkadaşları [5] tarafından bir çalışma referans olarak alınmıştır. Genleşmiş perlit agregası ile çimento ve alçı bağlayıcılı numuneler, %10-%80 perlit oranlarında %10'luk artışlarla hazırlanmıştır. Çekme, basma, su emme ve kuruma deneyleri için 150x150x150 mm ölçülerinde küp numuneler hazırlanmış olup bunlar 28 gün kür havuzunda bekletildikten sonra mekanik deneylere başlanmıştır. Isıl iletkenlik için 150x60x20 mm ölçülerinde ölçme cihazına uygun numuneler hazırlanmıştır. 3.1 Isı Đletkenliği Malzemelerin ısı iletkenlik değerleri Dokuz Eylül Üniversitesi Makine Mühendisliği Bölümü Isı Laboratuarında DIN 51046'ya göre "sıcak tel" yöntemine göre ölçme yapan cihaz (Shoterm-QTM) kullanılarak ölçülmüştür [6]. Bu yöntemde her numune üç ayrı noktadan üçer defa ölçülerek ölçüm sonuçlarının ortalaması alınmıştır. Cihaz, W/mK aralığında %5+1 basamak duyarlıkla ölçme yapabilmektedir. Bu bakımdan ölçmeler, çalışmanın amacına uygun hassasiyettedir. Ölçüm sonuçları Şekil-1'de gösterilmiş olup perlit yüzdesi arttıkça numunelere ait ısı iletim katsayıları küçülmektedir. 3.2 Su Emme ve Kuruma Bu deneyin amacı, su ile doğrudan ilişkili olacak yapı malzemelerinde donma sonucu, bünyesindeki buz kristallerinin genleşme imkanı bulabileceği bir kuru hacme sahip olup olmadıklarının araştırılmasıdır. Bu özellik malzemeye donmaya karşı güvence sağlamaktadır. Deney numuneleri sabit oda sıcaklığında kurutulup, numuneler üzerindeki tozlar bir fırça ile temizlendikten sonra 0.1 g duyarlıkta tartılarak kuru numune ağırlıkları (W k ) tespit edildi. Bu şekilde kurutulmuş numuneler, içinde oda sıcaklığında su bulunan bir kaba yerleştirildi. Đlk anda numunelerin 1/4'ü, bir saat sonra 1/2'si, ikinci saatin sonunda 3/4'ü su içinde kalacak şekilde kaba su ilave edildi. Başlangıçtan 24 saat sonra da numuneler tamamen su içinde kalacak şekilde kaba su ilave edildi. Bu durumda 24 saat bekletildikten sonra sudan çıkarılan numuneler, ıslak bir bez parçası ile silinerek su emdirilmiş ağırlıkları (W d ) bulundu. Bu iki ağırlığın oranı alınarak su emme yüzdesi aşağıdaki şekilde tespit edilmiştir: Su Wd Wk emme : x100 W k (1) formülü ile % olarak hesaplandı. Şekil-3'te numunelerin perlit oranına göre su emme yüzdelerinin görülmektedir. Kuruma hızı deneyinde amaç, numunelerin teneffüs kabiliyetinin araştırılmasıdır. 24 saat su kabı içinde bekletilen numuneler sudan çıkarılıp ıslak bir bezle kurulandıktan sonra 20 0 C oda sıcaklığında doğal kurumaya bırakılmıştır. 48 saatlik kuruma süresindeki ağırlık kaybı ölçüm sonuçları Şekil-4'te gösterilmiştir. Kuruma malzeme yüzeyinden buharlaşma ile olduğundan, burada malzeme iç yüzeyinden dış yüzeye doğru kılcal kanallar vasıtasıyla suyun hareketi söz konusudur. 3.3 Basma ve Çekme Dayanımları Numuneler üzerinde laboratuarda TS 3114 standardına uygun dayanım deneyleri yapılmıştır [7]. Basınç deneyleri Türk Standartları kalibrasyon belgesine haiz ELE marka cihaz üzerinde yapılmıştır. Basınç deneylerinin sonuçları Şekil-5'te, çekme deney sonuçları ise Şekil-6'da gösterilmiştir. 4. DENEY SONUÇLARI Şekil-1'de görüldüğü gibi numunelerin ısıl iletkenlik değerleri perlit oranı arttıkça azalmaktadır. Ancak önemli bir nokta, düşük perlit oranlarında alçı bağlayıcılı malzeme daha düşük ısıl iletkenliğe sahipken %73 oranında çimento ve alçı bağlayıcılı malzemelerin iletkenlikleri 0.28 W/mK değerinde eşitlenmekte, bu

4 sınırdan sonra çimento bağlayıcılı malzeme daha düşük iletkenlik değerleri göstermektedir. Şekil-3 Numunelerin su emme oranlarının perlit oranına bağlı Şekil-1 Numunelerin ısı iletkenlik değerlerinin perlit oranı ile Şekil-2'de kuru birim ağırlık değerinin perlit oranına bağlı olarak azalma gösterdiği, ancak genel olarak alçı bağlayıcılı malzemenin çimento bağlayıcılıdan %72 daha ağır olduğu görülmektedir. Numunelerin 24 saatlik kütle değişimleri (kuruma özelliği) incelendiğinde (Şekil-4) perlit oranına bağlı olarak kuruma hızlarının arttığı görülmektedir. Genel olarak malzemelerin teneffüs kabiliyetine sahip oldukları söylenebilir. Şekil-4 Çimento bağlayıcı numunelerin kuruma deneyinde kütle Şekil-2 Numunelerin yoğunluğunun perlit oranına bağlı Su emme oranları incelenecek olursa (Şekil-3) alçı bağlayıcılı malzemenin perlit oranına bağlı olarak %23 den %52'ye kadar düzenli artış gösterdiği, çimento bağlayıcılı malzemenin ise %4 ile %13 arasında bir emiciliğe sahip olduğu görülecektir. Alçı bağlayıcılı malzeme %50 perlit oranından sonra %30 kritik değerini aşmaktadır. Dolayısıyla bu sınırdan sonra malzemede donma sonucu çatlama, yüzeyde kabuklanma meydana gelebilir [8]. Şekil-5'te çekme gerilmesine ait grafik görülmektedir. Genelde perlit oranı arttıkça dayanım azalmaktadır. Çekme gerilmesinde düşük perlit oranlarında alçı bağlayıcı malzeme daha yüksek gerilme gösterirken, %80 perlit oranında bu fark hemen hemen kapanmakta ve gerilme 2 kg/cm 2 'ye kadar düşmektedir. Şekil-5 Numunelerin basınç dayanımının perlit oranına bağlı

5 Şekil-6'daki ise basınç gerilmesine ait grafik incelendiğinde çekme gerilmesinin tersine çimento bağlayıcılı malzemenin basınç dayanımı daha yüksek olup kg/cm 2 arasında değişmektedir. Alçı bağlayıcılı malzemenin basınç dayanımı ise kg/cm 2 arasında değişmektedir. Ortalama olarak çimento bağlayıcılı malzeme basınca, alçı bağlayıcılı malzemeden 2.3 kat kadar daha dayanıklıdır. Şekil-6 Numunelerin çekme dayanımının perlit oranına bağlı Sonuç olarak kalıp beton teknolojisiyle üretilen binalarda çimento bağlayıcılı perlit beton uygulamaları (Emlakbank ve TOKĐ konutları) TS 825 Isı Yalıtımı Yönetmeliğine uygun olmaktadır [8]. Bu yapı malzemesinin en önemli özelliği hafif olması, binaya fazla yük bindirmemesidir. Fakat nem soğurucu özelliği nedeniyle dış ve iç sıvalarda önlem alınması gerekmektedir. KAYNAKLAR [1] YALGIN, S., "Đnşaat Sektöründe Genleşmiş Perlit Kullanımı", ETĐBANK Yayın No:106, Ankara [2] [3] [4] TSE 3681 "Genleştirilmiş Perlit Agregası", TSE Necatibey Cd. No:112 Bakanlıklar, Ankara [5] BĐÇER, Y., YILDIRIM, M.Ş., YILDIZ, C., "Stropor Đçeren Çimento ve Alçı Bağlayıcılı Malzemelerin Isıl ve Mekanik Özellikleri", Tesisat Mühendisliği Dergisi, Sayı 43, Ocak-Şubat [6] DENKO, Showa Shotherm Operational Manual No: K.K. Instrument Products Departments, 13-9, Shiba Daimon, Tokyo, 105, Japan [7] TSE 3114 "Beton Basınç Dayanımı Deneyi", TSE Necatibey Cd. No:112 Bakanlıklar, Ankara [8] Yapı malzeme ve Elemanları, Özellikleri - Kullanma Yöntemleri, YTONG, Đstanbul [9] TSE 825 "Binalarda Isı Yalıtımı Kuralları", TSE Necatibey Cd. No:112 Bakanlıklar, Ankara 1999.