ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ YENİ NESİL BİNA MALZEMELERİ İÇİN FAZ DEĞİŞTİREN MADDE GELİŞTİRİLMESİ KİMYA ANABİLİM DALI ADANA, 2012

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YENİNESİL BİNA MALZEMELERİ İÇİN FAZ DEĞİŞTİREN MADDE GELİŞTİRİLMESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ KİMYA ANABİLİM DALI Bu Tez 27/01/2010 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir......... Prof. Dr. Halime PAKSOY Prof. Dr. Cengiz DÜNDAR Doç. Dr. Tunç TÜKEN DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu Tez Enstitümüz Kimya Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. İlhami YEĞİNGİL Enstitü Müdürü Bu Çalışma Ç. Ü. Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FEF2010YL21 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ YENİ NESİL BİNA MALZEMELERİ İÇİN FAZ DEĞİŞTİREN MADDE GELİŞTİRİLMESİ ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KİMYA ANABİLİM DALI Danışman :Prof. Dr. Halime Ö. PAKSOY Yıl: 2012, Sayfa: 71 Jüri :Prof. Dr. Halime Ö. PAKSOY :Prof. Dr. Cengiz DÜNDAR :Doç. Dr. Tunç TÜKEN Bu çalışmada beton karışımlarda Faz Değiştiren Madde(FDM) kullanımıyla mekanik dayanımını koruyarak ısıl performansının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. FDM olarak, faz değiştirme sıcaklıkları 26 C ve 23 C ve gizli ısı değerleri 110 J/g olan mikrokapsüllenmiş parafin kullanılmıştır. Geliştirilen FDM li beton karışımlarda FDM miktarının artmasıyla betonun yayılma ve reoplastik görünümlerinde iyileşme olduğu gözlenmiştir. Değişen FDM miktarlarına göre hazırlanan beton karışımlarının şahit (FDM siz) numuneye göre basınç mukavemetinde C85 den C60 beton sınıfına kadar düşüş meydane gelmiştir. FDM li tüm beton karışımların depoladıkları ısının şahit örnekten daha yüksek olduğu ve en yüksek değerin, hepsinden daha düşük kütlesi olmasına rağmen, 7750 J ile şahitten %78 daha fazla olarak, %10 FDM li beton karışımda elde edilmiştir. Hidratasyon sıcaklığı ve ısısı ile yapılan denemelerde de FDM nin artırıcı etkisi olduğu görülmüştür, ancak bu sonuçların uzun süreli deneylerle tekrarlanması gereklidir. Elde edilen sonuçlar, FDM li beton karışımların yapı endüstrisinde kışın ısıtma ve yazın soğutma enerjisinden tasarruf sağlayacak bir ürün olmaya aday olduğunu göstermektedir. Ülkemizde enerji tüketiminde ikinci büyük sektör olan binalarda yaygın olarak kullanılan fosil yakıt tüketiminin azaltılmasıyla iklim değişikliğine yol açan sera gazlarının emisyonu da önemli miktarda azaltılabilecektir. Anahtar Kelimeler: Binalarda enerji verimliliği, termal enerji depolama, faz değiştiren maddeler I

ABSTRACT MSc THESIS DEVELOPMENT OF PHASE CHANGE MATERIALS FOR NEW GENERATION BUILDING MATERIALS ÇUKUROVA UNIVERSITY INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF CHEMISTRY Advisor :Prof. Dr. Halime Ömür PAKSOY Year: 2012, Pages: 71 Jury :Prof. Dr. Halime Ömür PAKSOY :Prof. Dr. Cengiz DÜNDAR :Assoc. Prof. Dr. Tunç TÜKEN This study aims to improve thermal performance of concrete mixes, while keeping their mechanical strength, by adding Phase Change Materials (PCM). Microencapsulated paraffin with phase change temperatures of 26 C and 23 C and latent heat of 110 J/g was used as PCMs. For the concrete mixes with PCM developed here, it was seen that rheoplastic property was improved with increasing PCM content. Mechanical strength of concrete mixes with different PCM contents were decreased with respect to a blind (no PCM) sample from correponding concrete class of C85 to C60. Heat stored by all the concrete mixes with PCM was measured to be higher than the blind sample and the maximum value was attained as 7750 J for conctrete mix with 10%PCM, even though it had the lowest mass of all the samples. Hidration heat and temperature measurement experiments also revealed that PCM had an enhancing effect, but these results need to be confirmed with longer duration experiments. The results achieved show that the concrete mixes with PCMs are candidate products that can conserve energy from heating in winter and cooling in summer for building industry. Reduction of fossil fuel consumption in buildings, which is the second largest energy consuming sector in Turkey, can lead to significant reduction of greenhouse gases that lead to climate change. Key Words: Energy efficiency in buildings, thermal energy storage, phase change materials II

TEŞEKKÜR Çalışmamın her aşamasında yardımlarını ve desteğini benden hiçbir zaman esirgemeyen, bilgi ve deneyimlerinden faydalandığım, doğruyu bulmama yardımcı olan danışman hocam Sayın Prof. Dr. Halime Ö. PAKSOY a sonsuz teşekkürler. Yüksek lisans çalışmam boyunca Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümünün olanaklarından faydalanmamı sağlayan, yüksek lisans jüri üyesi Sayın Prof. Dr. Cengiz DÜNDAR a çalışmamın tüm aşamalarında yönlendirici ve olumlu katkılarından dolayı teşekkür ederim. Tezim süresince manevi desteklerinden ve yardımlarından dolayı çalışma arkadaşlarım Selma YILMAZ a, Beyza BEYHAN a, Nurten ŞAHAN a, İlknur VARKAL a, Meltem SÖNMEZ e, Orkide EREN e, Caner GÜNGÖR e ve Fatih ÖZLÜ ye çok teşekkür ederim. Hayatımın her evresinde sevgilerini, desteklerini ve yardımlarını benden esirgemeyen, aldığım her kararı saygıyla karşılayan annem Zeliha KURT a, babam Aydın KURT a ve abim Bilal KURT a sevgileri ve destekleri için minnettarım. III

İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ... I ABSTRACT... II TEŞEKKÜR... III İÇİNDEKİLER... IV ÇİZELGELER DİZİNİ... VIII ŞEKİLLER DİZİNİ...X 1. GİRİŞ... 1 1.1.Enerjinin Önemi... 1 1.1.1.Binalarda Enerji Kullanımı... 1 1.2.Termal Enerji Depolama Yöntemleri (TED)... 4 1.2.1.Termal Yöntem... 5 1.2.1.1. Duyulur Isı Depolama... 5 1.2.1.2. Gizli Isı Depolama... 7 1.3.Faz Değiştiren maddeler(fdm).... 7 1.4.BinalardaTermal Enerji Depolama Yöntemleri... 9 1.5.Çalışmamızın Amacı... 9 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR... 11 3. MATERYAL VE METOD... 17 3.1. Materyal... 17 3.1.1. Mikrokapsüllenmiş Faz Değiştiren Madde... 17 3.1.2. Beton Karışım Malzemeleri... 18 3.1.2.1. Çimento... 18 3.1.2.2. Su.... 19 3.1.2.3 Akışkanlaştırıcı Kimyasal Katkı... 19 3.1.2.4. Agrega... 20 3.1.3.Beton Örnek Kalıpları... 20 3.1.4.Çökme Deneyi İçin Kesik Koni... 20 3.1.5. Yalıtım Malzemeleri... 21 3.2. Metot... 21 IV

3.2.1. FDM Seçimi... 21 3.2.2. FDM Termofiziksel Özelliklerin Belirlenmesi... 22 3.2.3. FDM li ve FDM siz Beton Karışımların Hazırlanması... 25 3.2.4. Mekanik Dayanım Testleri... 26 3.2.4.1. Betonun Basınç Dayanımının Belirlenmesi... 26 3.2.5. Mikro Yapı Analizi... 28 3.2.6. Termal Performansın Belirlenmesi... 28 3.2.6.1. Isınma Soğuma Profilleri... 29 3.2.6.2. Beton Örneklerin Isı Depolama Kapasiteleri... 29 3.2.7. FDM Kullanımının Beton Karışımının Hidratasyon Tepkimesine Etkisi... 31 3.2.7.1. Betonun Priz Alması Erken Döneminde Sıcaklık Değişimi... 31 3.2.7.2. Hidratasyon Isısının Kalorimetre Kabı ile Tayini... 32 4. BULGULAR VE TARTIŞMA... 35 4.1. FDM Seçimi... 35 4.2. FDM nin Termofiziksel Özelliklerin İncelenmesi... 35 4.2.1. Mikro Yapı Analizi... 35 4.2.2. Mikrokapsüllenmiş FDM lerin Termal Enerji Depolama Kapasitelerini DSC ile Belirlenmesi... 37 4.2.3. Isınma Soğuma Eğrilerinin Belirlenmesi... 39 4.3. Beton Karışımı Hazırlanması... 40 4.3.1. Beton Bileşiminin Belirlenmesi... 40 4.3.2. Agregaların Hazırlanması... 41 4.4. Beton FDM karışımlarının Hazırlanması... 44 4.5. Betonun Mekanik Dayanımını Belirlenmesi... 44 4.6. Betonun Isıl Özelliklerinin Belirlenmesi... 47 4.6.1. Su Banyosu Deneyleri... 47 4.6.2. FDM li ve FDM siz Harç Numunelerin Hidratasyon Sıcaklıklarının Ölçülmesi... 55 4.6.3. FDM li ve FDM siz Beton Hamuru Numunelerinin Hidratasyon Isılarının ölçümesi... 58 V

5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER... 63 KAYNAKLAR... 67 ÖZGEÇMİŞ... 71 VI

ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 1.1. Enerji kimlik belgesi sınıflandırması... 4 Çizelge 1.2. Bazı duyulur ısı depolama materyallerinin ısıl-fiziksel özellikleri... 6 Çizelge 2.1. FDM li ve FDM siz beton karışımların kütleleri (kg)... 15 Çizelge 3.1. Mikronal FDM lerin özellikleri... 17 Çizelge 3.2. Kullanılan çimentonun kimyasal bileşimi... 19 Çizelge 3.3. Kullanılan çimentonun fiziksel özellikleri... 19 Çizelge 3.4. Hiperakışkanlaştırıcının kimyasal özellikleri... 20 Çizelge 3.5. Perkin Elmer Diamond DSC nin Teknik Özellikleri... 23 Çizelge 3.6. Standart küp beton numunelerin gram cinsinden yaklaşık ağırlıkları... 25 Çizelge 4.1. Beton karışımların çökme ve kıvam takibi tertleri... 41 Çizelge 4.2. 0-3 mm kaya kumu elek analizi... 42 Çizelge 4.3. 5-10mm kaya kırması elek analizi... 43 Çizelge 4.4. FDM li ve FDM siz betonların 7 günlük basınç dayanımları... 44 Çizelge 4.5. FDM li ve FDM siz betonların 28 günlük basınç dayanımları... 45 Çizelge 4.6. Hazır betonda basınç dayanım sınıfları (TS EN 206)... 46 Çizelge 4.7. FDM li ve FDM siz beton ve banyo sıcaklık ve zaman değişimlerinin su banyosu ile kıyaslanması... 50 Çizelge 4.8. FDM li ve FDM siz beton karışımların hidratasyon ısı ölçüm sonuçları... 60 VI

VII

ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. AB de sektörlere göre enerji tüketimi... 2 Şekil 1.2. Türkiye de 2008 yılında enerji tüketim paylarının sektörlere dağılımı... 2 Şekil 1.3. Termal enerji depolama yöntemleri... 5 Şekil 1.4. Faz değiştiren materyallerin sınıflandırılması... 8 Şekil 3.1. Betonu oluşturan hammaddelerin ağırlıkça oranları... 18 Şekil 3.2. Çökme deneyinde kullanılan kesik koni... 21 Şekil 3.3. Difarensiyel Taramalı Kalorimetri(DSC)... 22 Şekil 3.4. Sıcaklık Ölçer(Data Logger)... 23 Şekil 3.5. Huber marka CC3 su banyosu... 24 Şekil 3.6. Betonun basınç altındaki genel davranışı... 27 Şekil 3.7. Basınç dayanım test cihazı... 28 Şekil 4.1. Micronal PCM 5008 in 986x büyütmeli SEM görüntüsü... 36 Şekil 4.2. Micronal PCM 5008 in 3.5kx büyütmeli SEM görüntüsü... 36 Şekil 4.3. 24 saat suda bekletimiş Micronal PCM 5008 in SEM görüntüsü... 37 Şekil 4.4. Micronal PCM 5008 in DSC analizi... 38 Şekil 4.5. Micronal PCM 5001 in DSC analizi... 38 Şekil 4.6. Micronal 5008 in ısınma- soğuma eğrisi... 39 Şekil 4. 7 Micronal 5001 in ısınma- soğuma eğrisi... 40 Şekil 4.8. Beton karışımlarda kullanılan 0-3mm kaya kumun granülometri eğrisi... 42 Şekil 4.9. Beton karışımlarında kullanılan 5-10mm kaya kırmasının granülometri eğrisi... 43 Şekil 4.10. FDM siz beton numunenin ısınma soğuma eğrisi... 47 Şekil 4.11. %1 FDM li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi... 48 Şekil 4.12. % 2 FDM li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi... 48 Şekil 4.13. % 3 FDM li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi... 49 Şekil 4.14. % 5 FDM li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi... 49 Şekil 4.15. % 10 FDM li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi... 50 Şekil 4.16. Sabit sıcaklıktaki su banyosunda şahit beton karışımının davranışı... 51 VIII

Şekil 4.17. Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %1 FDM li beton karışımının davranışı... 52 Şekil 4.18. Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %2 FDM li beton karışımının davranışı... 52 Şekil 4.19. Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %3 FDM li beton karışımının davranışı... 53 Şekil 4.20. Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %5 FDM li beton karışımının davranışı... 53 Şekil 4.21. Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %10 FDM li beton karışımının davranışı... 54 Şekil 4.22. Sabit banyo sıcaklığı deneylerinde beton numunelerin depolanan ısı ve kütleleri... 54 Şekil 4.23. FDM li ve FDM siz beton karışımların hidratasyon sıcaklıklarının karşılaştırılması... 55 Şekil 4.24. FDM li ve FDM siz beton karışımların hidratasyon sıcaklıklarının karşılaştırılması... 55 Şekil 4.25. FDM li ve FDM siz beton karışımların hidratasyon sıcaklıklarının karşılaştırılması... 56 Şekil 4.26. Sülfirik asit çözeltisinin normalitesine karşı ısı... 58 Şekil 4.27. Pickering in asidine oranla aşırı su miktarlarının 1 mol sülfirik asit ile karışımının neden olduğu ısı miktarları... 59 Şekil 4.28. Beton hamur örneklerinin kalorimetre kabı ile ölçülen sıcaklık dağılımları... 61 Şekil 4.29. Beton hamur örneklerinin kalorimetre kabı ile ölçülen hidratasyon ısılarının gelişimi... 63 IX

1. GİRİŞ 1.GİRİŞ 1.1 Enerjinin Önemi Dünya nüfusunun hızla artması sanayi ve hizmet sektörlerindeki enerji ihtiyacının da artmasına neden olmuştur. Ülkemizde birincil enerji kaynakları talebinin %70 den fazlasının yurtdışından karşılanmasının getirdiği risklerin azaltılması ve küresel ısınmayla mücadelenin arttırılması amacıyla enerjinin üretim tüketim aşamalarında tasarruf sağlanması gerekmektedir. 1.1.1 Binalarda Enerji Kullanımı Binalar, çok uzun ömürlü ve büyük ölçüde enerji tüketiyor olmaları ve çok geniş kullanım alanına sahip olmaları nedeniyle enerji verimliliğinin arttırılması projelerinde büyük öneme ve çalışma alanına sahiptir. Avrupa Birliği ve tüm gelişmiş ülkelerde iklim değişikliği etkilerinin azaltılması ile ilgili eylemlerin başında binalarda enerji verimliliğinin arttırılması gelmektedir(www.cevreorman.gov.tr). Sera gazı emisyonunu azaltmayı ve yenilenebilir enerji kullanımını arttırmayı hedefleyen Avrupa ülkelerinde konut ve hizmetler, 2007 yılındaki toplam enerji tüketiminin yaklaşık %37 si ile en yüksek paya sahiptir(şekil 1.1). Bu sonuçlara göre tasarruf önlemlerinin uygulanmasıyla konutlarda ve ticari binalarda tasarruf potansiyelinin geri kazanılması yönündeki hedefleri arttırmaktadır. 1

1. GİRİŞ Şekil 1.1. AB de sektörlere göre enerji tüketimi TUİK in 2000 yılında yapılan bina sayımına göre; ülkemizde bina sayısı 1984 yılında 4,3 milyon iken 2000 yılında %78 artış göstererek 7,8 milyona ulaşmıştır(www.tuik.gov.tr). Konut sayısı ise yine 2000 yılı verilerine göre %129 artış göstererek 16,2 milyona ulaşmıştır. 2000-2008 yılları arasında alınan inşaat izinlerine göre konut, ticari ve kamu binalarının alan bakımından %56 oranında artarak 1.524 milyon m 2 ye ulaşırken, sayı bakımından ise %7 oranında arttığı görülmektedir. Ülkemizde 2008 yılı itibari ile binaların tükettiği enerji toplam tüketimin % 36 sı (Şekil 1.2)olup, bu oranın % 82 si ısıtmada kullanılmaktadır (www.eie.gov.tr). Şekil 1.2.Türkiye de 2008 yılında enerji tüketim paylarının sektörlere dağılımı (www.dektb.org.tr) 2

1. GİRİŞ Ülkemizdeki nüfus artışına paralel olarak kömür kullanım miktarları da her yıl artmaktadır. Ülkemizin 2002 yılı kömür tüketim miktarı 63,5 milyon ton iken 2007 yılında 97,3 milyon ton üzerinde olmuştur. Bu tüketimin yaklaşık 13,3 milyon tonunun ısınmada, 64,7 milyon tonu ise elektrik üretiminde kullanılmıştır. Yerli kömür üretiminin tüketim içindeki payı 2002 yılına göre artmakla birlikte, tüketim artış oranına göre yetersizi kalmıştır. Doğal gaz tüketiminin sektörel dağılımında elektrik enerjisi üretimi için doğal gaz kullanımı, %57,5 lik pay ile başta gelmektedir. Elektriği, %21,7 ile konut, %18,6 ile sanayi ve %2,2 ile gübre izlemektedir. Gaz satış fiyatları ise yalnızca son 4 yılda %88,7 oranında artmıştır(www.mmo.org.tr). Bu şekildeki talep artışı, binalarda enerji verimliliği konusunda önlem alınmasını gerektirmektedir. Türkiye enerji tüketiminde yüksek bir dışa bağımlılık yaşamaktadır. 2007 yılında enerji tüketiminin yalnızca %27 si yerli kaynaklarla karşılanabilmiştir. Türkiye nin petrol ve doğal gaz tüketiminde petrole % 33, doğalgaza %29 bağımlı olması nedeni ile binalarda yenilenebilir kaynaklarının kullanımı, enerji verimliliği ve tasarrufu konuları her zamankinden daha fazla önem kazanmıştır. Avrupa Birliği mevzuatına uyum kapsamında yapılan Bina Enerji Performans Yönetmeliği bu durumu zorunlu hale getirmiştir. Elektrik İşleri Etüt İdaresi ülkemizde bina sektöründe %35 düzeyinde enerji tasarrufu potansiyeli olduğu saptamıştır. Bu potansiyelin değerlendirilmesi ve enerjinin verimli kullanılması amacıyla 18 Nisan 2007 tarihli ve 5627 sayılı Enerji Verimliliği Kanunu ve bu kanuna dayanarak Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği 1 Nisan 2010 da yürürlüğe girmiştir. Bu yönetmelik ile iklim şartları, iç mekan gereksinimleri ve maliyet unsurları dikkate alınarak, binalarda enerji hizmetlerini iyileştirmek için, yenilenebilir enerji kaynaklarının uygulanabilirliğinin değerlendirilmesi, sera gazı emisyonlarını sınırlama ve bununla birlikte binalarda performans kriterlerinin ve uygulama esaslarının belirlenmesi, enerjinin verimli ve etkin kullanılması ve çevrenin korunması amaçlanmıştır(www.eie.gov.tr). Tüketimin önemli bir kısmının fosil yakıt kaynaklardan sağlanması, NO x, CO 2 gibi sera gazlarının salınımına yol açarak küresel ısınma sorununu da büyütmektedir. 18 Nisan 2007 tarihli ve 5627 sayılı Enerji Verimliliği Kanununun 7. Maddesine 3

1. GİRİŞ dayanılarak yürürlüğe giren Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği yeni ve mevcut binalara Enerji Kimlik Belgesi (EKB) alma zorunluluğu getirmektedir. 1 Ocak 2011 den itibaren yapı izni alınabilmesi için zorunlu olan EKB asgari olarak binanın enerji ihtiyacı ve enerji tüketim sınıflandırması, yalıtım özellikleri ve ısıtma ve/veya soğutma sistemlerinin verimi ile ilgili bilgileri içermektedir(www.eie.gov.tr). Bu belgede binaların enerji sınıfları A-G arasında sınıflandırılırken, yeni binaların D sınıfından daha fazla enerji tüketimine ve CO 2 salımına sahip olmamaları gerekmektedir. EKB sınıflandırması referans bir binaya göre enerji performansı E p Çizelge 1.1 de göstermektedir. Çizelge1.1.Enerji kimlik belgesi sınıflandırması Enerji sınıfı E p aralıkları A 0 39 B 40 79 C 80 99 D 100 119 E 120 139 F 140 174 G 175 - Enerji performansı, asıl binanın yıllık m 2 başına düşen enerji tüketim miktarının referans binanın yıllık m 2 başına düşen enerji tüketim miktarına kıyaslanmasıyla bulunur. Referans binayla aynı değere sahip binanın E p değeri 100 olup enerji sınıfı C dir. Yönetmelik kapsamında yeni binaların uygulanacak yazılım programına (BEP-TR) göre yapılan hesaplamalarda D sınıfı ve altında olan yeni binalar inşa edilmeyecektir. Bu nedenle özellikle yeni binalarda enerji verimliliğini artırıcı önlemler alınması zorunlu hale gelmiştir. Bu kriterlere uyabilmek için binanın ısıl kütlesini artıracak yeni bina yapı malzemelerine ihtiyaç vardır. 1.2.Termal Enerji Depolama (TED) Yöntemleri TED sistemleri, enerjinin verimli bir şekilde depolanmasını ve ihtiyaç duyulduğunda bu enerjinin kullanılmasını hedefler. Depolanan bu enerjinin etkin bir şekilde kullanılması için verimli ve ekonomik bir yöntemin seçilmesi çok önemlidir. 4

1. GİRİŞ Termal enerji bir maddeyi oluşturan atom veya moleküllerin kinetik ve potansiyel enerjilerinin toplamıdır. Atomik veya moleküller titreşim sonucunda oluşur ve bu enerjinin aktarımı sıcaklık farkından kaynaklı ısı akışıyla gerçekleşir(dikici, 2004). Termal enerjiyi depolamak için temelde üç yöntem kullanılmaktadır. Bunlar; duyulur, gizli ve termokimyasal ısı depolamalarıdır. Bu yöntemler birim hacimde depolayabildikleri enerji bakımından ayrılırlar(lane, 1983). Termal enerjinin depolanması için genel olarak kullanılan yöntemler Şekil 1.3 de şematik olarak verilmiştir. TED Termal Termokimyasal Gizli Isı Duyulur Isı Tersinir Tepkimeler Absorbsiyon Şekil 1.3.Termal enerji depolama yöntemleri Adsorbsiyon 1.2.1. Termal Yöntem 1.2.1.1.Duyulur Isı Depolama Maddenin sıcaklığındaki değişimden faydalanılarak depolama yapılır. Depolanabilecek ısının miktarı; ortamın ısı kapasitesine, sıcaklıktaki değişim miktarına ve depolama materyalinin miktarına bağlıdır. Duyulur ısı, katı, sıvı veya katı-sıvı hibrit materyallerde depolanabilir. Isı depolama maddesinin sıcaklığı enerjinin depolanması ve salınımı süresince değiştiği için depolama ortamının 5

1. GİRİŞ sıcaklığının da değişmesine neden olur. İlk sıcaklığı T i ve kütlesi m olan bir maddenin sıcaklığı T s sıcaklığına kadar ısıtılırsa depolanan duyulur ısı miktarı: Q = mc p dt = mc p (T s - T i ) = vgc p T (1.1) Eşitlikte v maddenin hacmi (m 3 ), g maddenin yoğunluğu (kg/m 3 ), C p sabit basınçtaki maddenin özgül ısısıdır. Eşitlikten de anlaşılacağı gibi belli bir hacimde ve T sıcaklık farkında depolanacak ısının miktarı maddenin hacimsel özgül ısısı (g.c p ) ile doğru orantılıdır(dinçer ve Dost, 1996). Duyulur ısı depolamasında kullanılan sıvılar; su, etilen glikol, su-etilen glikol, ötektik karışımlar ve bazı alkollerdir(paksoy, 1992). Duyulur ısıda yaygın olarak kullanılan sıvılar arasında; en ucuz ve bol miktarda bulunan ayrıca kullanıldığında da sağlığı tehdit edecek bir yapıya sahip olmayan madde olarak su örneği verilebilir. Su birim hacimde oldukça yüksek miktarda ısı depolayabilir(kovach, 1976). Çizelge 1.2. Bazı duyulur ısı depolama materyallerinin ısıl-fiziksel özellikleri (Dinçer,2002; Kılkış ve Kalkaç; Yang, 1989) Yoğunluk(kg/ m 3 ) Isı iletim katsayısı(w/m) Özgül ısı(j/kgk) Isı yayılım katsayısı (10-6 /s) Isı kapasitesi (10 6 J/m 3 ) Odun 721 0,159 1260 0,17 0,91 Beton 1600 0,790 840 0,59 1,34 Tuğla 1920 0,900 790 0,59 1,52 Cam 2702 0,760 837 0,33 2,27 Aliminyum 2702 2237,000 903 97,13 2,44 Karbonçeliği (Mn %1,Si<%0,1) 7854 60,500 434 17,75 3,41 Saf demir 7870 80,200 447 22,80 3,52 Çakıl taşı 2050 1,730 1840 0,46 3,77 Su 996 0,615 4178 0,15 4,16 6

1. GİRİŞ 1.2.1.2. Gizli Isı Depolama Gizli ısı depolama; maddenin faz değişim süresi boyunca depolanan ya da yayılan ısıdır. Uygun sıcaklık aralıklarında depolama materyalinin faz değiştirmesi ile ortaya çıkan gizli ısı depolanabilir. Depolama katı-sıvı, katı-katı ve katı-buhar dönüşümleri kullanılarak gerçekleştirilebilir. Katı durumdaki materyal kristalleşerek diğer bir katı faza dönüştüğünde kristalleşme ısısı şeklinde ısı depolanabilir. Katıkatı faz değişimi sırasında açığa çıkan gizli ısı miktarı azdır. Sıvı-buhar şeklinde açığa çıkan gizli ısı miktarı fazladır ama uygulamada gaz fazın depolanması için, basınçlı kapların kullanılması gibi sorunlar gizli ısının depolanmasını sınırlandırır. Ayrıca katı-buhar ve sıvı-buhar şeklinde gerçekleşen faz değişimlerinde hacim değişiminin fazla olması gibi sorunlarla karşılaşılmaktadır. Gizli ısı depolamanın diğer termal enerji depolama tekniklerine göre üstün yönleri şu şekilde sıralanabilir: Duyulur ısı depolamaya göre termal enerji depolama kapasitesi yüksektir, ısı deposu hacmi daha küçüktür. Faz Değiştiren Madde (FDM) olarak kullanılan maddelerin birim kütlelerinin termal enerji depolama kapasiteleri daha yüksektir. Faz değiştirme sıcaklıkları, sabit sıcaklıkta depolama ve geri kazanma için uygundur. Gizli ısı depolama yöntemi, sabit sıcaklıkta ısı gerektiren maddeler için uygundur. Gizli ısı depolama sistemleri şu aşamalardan oluşur(öztürk, 1997 ); FDM olarak kullanılacak maddenin seçimi FDM de depolanan ısının uygulama ortamına geçişi için ısı değiştirici tasarımı. 1.3.Faz Değiştiren Maddeler (FDM) Herhangi bir maddenin faz değişimi esnasındaki gizli ısısından faydalanarak termal enerjinin depolanmasında kullanılan malzemelere literatürde FDM (Faz 7

1. GİRİŞ Değiştiren Madde) adı verilmektedir. FDM ler sabit bir sıcaklık aralığında depolama olanağı sağlayarak, erime sıcaklığına bağlı olarak hem ısıtma hem de soğutma amaçlı kullanılabilirler(feldman ve ark., 1986). FDM lerin; yüksek ergime ısısına sahip, tersinir erime donma döngüsünü tamamlayan, tekrarlanan erime donma döngüsünde bozunmayan, korozif olmayan, yanmayan, toksik olmayan ve patlamayan, iyi termal iletkenliğe sahip, aşırı soğuma göstermeyen ve ucuz olmaları tercih edilir. Faz değiştiren maddeler inorganik ve organik olmak üzere ikiye ayrılır(şekil1.3). Faz Değiştiren Materyaller İNORGANİK BİLEŞİKLER ORGANİK BİLEŞİKLER Tuz Hidratları Diğer İnorganikler Parafinler Parafin Olmayan Organikler Klarit Hidratları Yağ Asitleri Yarı Klarit Hidratları Parafin Olmayan Diğer Organikler Şekil 1.3. Faz değiştiren materyallerin sınıflandırılması (Kakaç ve ark., 1989) İnorganik tuzların ergime ısıları yüksektir. Organik bileşiklerin ergime sıcaklığı geniş aralıkta yer alır. Bununla birlikte, ısı depolama kapasiteleri daha düşüktür. Organik bileşiklerin birim hacimlerinin ısı depolama kapasiteleri, inorganik tuzlarınınkinin yaklaşık yarısı kadar olup, 150 200 MJ/m 3 arasında değişir. Tuz hidratlarının ısı depolama kapasiteleri 250-400 MJ/m 3 arasındadır(paksoy ve ark., 1995). 8

1. GİRİŞ 1.4.Binalarda Termal Enerji Depolama Yöntemi Binalarda enerji tüketiminin azaltılması ve yenilenebilir kaynaklardan yararlanılması için son yıllarda faz değiştiren maddelerde (FDM) termal enerji depolaması konuları araştırılmaktadır(khudhair ve Farid, 2004). FDM nin yapı elemanlarında ve malzemelerde kullanımı bina ısıl kütlesini arttırarak, ısıtma ve soğutma yüklerini azaltabilmektedir. Bina yapı malzemesine eklenen FDM gündüz bina kabuğunun ısınmasıyla erirken bina içine daha az ısı girişine neden olur. Gece dış ortam sıcaklığının düşmesiyle donan FDM ısı salarak binanın ısınmasına katkı sağlar. Böylece güneş enerjisinden pasif olarak yararlanma imkânı sağlanır ve bina içinde daha homojen bir sıcaklık dağılımı elde edilir. Böylece hem ısıtma ve soğutma enerjisinden tasarruf sağlanırken hem de elektrik enerjisine duyulan ihtiyaç azaltılabilmektedir. 1.5.Çalışmanın Amacı Bu çalışmada enerji tasarrufu sağlamak ve enerji verimliliğini arttırmak için, beton karışımlarda FDM ler kullanılarak yeni nesil bina malzemelerinin geliştirilmesi hedeflenmektedir. Bina yapı malzemesinde kullanılan FDM ile güneş enerjisinden pasif olarak yararlanma imkânı sağlanırken bina içinde daha homojen bir sıcaklık dağılımı daha düşük maliyetle elde edilir. Geliştirilecek FDM li bina yapı malzemelerinin yaygın kullanılması ile fosil yakıt tüketimi azaltılarak hem son tüketiciye, hem de ülke ekonomisine katkılar sağlanabilecektir. Fosil yakıt tüketiminin azaltılmasına bağlı olarak CO 2 ve NO x gibi sera gazı emisyonları da azaltılacaktır Bu hedefe yönelik çalışmanın amacı, binalarda konfor sıcaklığına uygun FDM ler seçilerek bina yapı malzemesi olan beton içerisinde kullanılmasının betonun mekanik dayanımına, ısıl performansına, ısı depolama kapasitesine ve hidratasyon sıcaklığına etkilerini araştırmaktır. 9

1. GİRİŞ 10

2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Enerjinin verimli kullanımı ve tasarrufu için termal enerji depolama (TED) çeşitli alternatifler sunmaktadır (Dincer ve Rosen, 2002. Paksoy, 2007). TED duyulur ısı ve gizli ısı olmak üzere iki temel yöntemle yapılabilir (Abhat,1983). Kısa süreli (gece-gündüz) depolama için gizli ısı depolamanın daha uygun olduğu yapılan çalışmalarla ortaya konulmuştur (Manz ve ark.,1997). Uzun süreli (mevsimlik) depolama için ise duyulur ısı depolama önerilmektedir (Abhat,1983). Gizli ısı depolamada maddenin faz değişimi sırasında aldığı ve verdiği enerjiden faydalanılarak depolama yapılır. Enerji alan madde erir ve tekrar donarken aldığı bu enerjiyi geri verir. Böylece ortam sıcaklığı faz değişim sıcaklığına çok yakın bir sıcaklık aralığında tutulmuş olur. Faz Değiştiren Maddeler(FDM) termal enerjiyi gizli ısı şeklinde depolayan maddelerdir. FDM ler hem ısıtma hem de soğutma sistemlerinde uygulanabilir. FDM lerin sabit sıcaklıkta faz değiştirebilmeleri ısı depolama ve geri kazanma için elverişlidir (Abhat,1983, Farid, 2004). Binalarda enerji tüketiminin azaltılması ve yenilenebilir kaynaklardan yararlanılması için son yıllarda FDM lerin binalarda yapı elemanlarında (asma tavan, zemin, sandviç panel gibi)ve yapı malzemelerinde(alçı plaka, sıva, beton karışımları gibi) uygulanmasıyla ilgili çeşitli araştırmalar yapılmaktadır (Khudhair ve Farid, 2004). Banu ve arkadaşları 1998 yılında, ağırlıkça %20 FDM kullanarak hazırladıkları alçı plakanın gizli ısı depolama kapasitesini belirlemek amacıyla diferansiyel taramalı kalorimetre(dsc) cihazından yararlanmışlardır. DSC analizlerinin FDM li alçı plakaların ısıl özelliklerinin belirlenmesinde yeterli olduğu gözlenmiştir. Lee ve arkadaşlarının 1999 yılında yaptıkları çalışmada, iki farklı faz değiştiren materyal beton bloklar içerisine emdirilmiş ve termal performansları geneksel beton bloklar ile karşılaştırılarak incelenmiştir. Faz değiştiren madde olarak Butil Sterat ve Parafin kullanılmıştır. FDM-beton karışımlarının karakteristikleri kıyaslamalı olarak incelenmiştir. 11

2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Faz değiştiren maddeler(fdm) binalarda yapı elemanlarında ve yapı malzemelerinde yalıtımı artırmakta kullanılabilir. Yapı elemanlarına içinde faz değiştiren madde bulunan uygun bir ısı değiştirici eklenmesi, binaların yapımı sırasında yapı malzemesine kapsüllenmiş FDM lerin karıştırılması gibi konularda araştırma geliştirme çalışmaları devam etmektedir(schossig 2003, Kondo 2003). Yaz aylarında soğutma yükünün azaltılması ve aşırı ısınmanın engellenmesi amacıyla yapılan bir çalışmada sıva içerisine erime sıcaklığı 25 o C olan mikrokapsüllenmiş FDM eklenmiştir(schossing 2003). 2002 yılında alınan ölçümlerde referans odasının sıcaklığı 50 saat boyunca 28 o C nin üzerindeyken, FDM li test odasının sıcaklığının sadece 5 saat boyunca 28 o C nin üzerinde olduğu gözlemlenmiştir. Böylece aktif soğutma sistemine olan ihtiyaç azaltılmıştır. Rosanna ve ark. (2004) çeşitli yağ asitleri ve karışımlarının güneş enerjisi termal uygulamaları için geliştirilmesini araştırmışlardır. Düşük sıcaklıktaki uygulamalar için yağ asitlerinin termodinamik ve kinetik özelliklerinin uygun olduğunu belirtmişlerdir. Ibanez ve ark. (2005) binalarda FDM kullanımının binanın enerji dengesine etkilerini incelemek için TRNSYS programıyla simulasyonlar yapmışlardır. Modelleme sonuçları FDM paneller kullanılan bir prototip binadan elde edilen deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Binalarda ısıl kütleyi arttırmak için FDM ler, alçı ya da beton gibi gözenekli yapı malzemeleri içerisine emdirilerek, kullanılmıştır. FDM nin binanın ısıl davranışına katkıları, iklim koşullarına, bina tasarımına, ve aynı zamanda FDM nin seçimine ve miktarına bağlıdır. Bu etkileri belirlemek için bir simülasyon programı gerekmektedir. İbanez ve arkadaşlarının 2004 yılında yaptıkları çalışmada, FDM li bina elemanlarının enerji simülasyonu için kullanılan TRNSYS programı sunulmuştur. Bu yöntemde FDM li materyal içerisindeki gerçek transfer süreçlerinin bir simülasyonu değil, binanın tüm enerji dengesindeki FDM li duvar/tavan/zemin etkisini değerlendirmek hedeflenmiştir. Bu yöntem, FDM li beton panellerle oluşturulan prototip bir odada uygulanmıştır. Sonuçlarda, prototip odanın tavanına ve batı duvarına eklenen FDM, maksimum hava sıcaklığı için panellerin gereken depolama kapasitesi yaklaşık 15.000 kj/m 3 ve 37.500 kj/m 3 azaltmıştır. Bu uygulamanın tasarımı ve iklim koşulları için kullanılan FDM nin faz değişim 12

2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR sıcaklığının 25 o C ve 27.5 o C arasında olması gerektiği belirlenmiştir. Bunlar göz önüne alındığında, ortalama maksimum ortam sıcaklığının yaklaşık 3 o C azaldığı görülmüştür. Castellon ve arkadaşlarının 2005 yılında yaptıkları çalışmada erime noktası 26 o C olan mikrokapsüllenmiş FDMler yapı malzemesi olarak hazırlanan beton içerisine karıştırılmıştır. Dış ortam sıcaklığının en fazla 32 o C olduğu günlerde ölçümler alınmıştır. FDM siz iç ortam sıcaklığı 39 o C FDM li iç ortam sıcaklığı ise en fazla 36 o C ye ulaşmıştır. FDM yardımı ile 3 o C lik bir yalıtım sağlanmıştır. Özonur ve ark. (2006) termal enerji depolama için kompleks koaservasyon yöntemleri ile parafinin ve yağ asitlerinin mikrokapsüllerini hazırlamışlardır. Bu çalışmada, mikrokapsülleme verimini etkileyen parametreler üzerinde durulmuştur. Kapsül boyutunu etkileyici parametrelerin, karıştırma hızı, süresi ve dış duvar materyallerinin sıcaklığı olduğu gözlemlenmiştir. Hazırlanan mikrokapsüllerin erime-donma çevrimi sırasında fiziksel olarak bozulmadığı gözlemlenmiştir. Cabeza ve arkadaşlarının(2006) FDM li yeni nesil bina malzemelerinin termal özelliklerini inceledikleri çalışmada, erime noktası 26 o C olan faz değiştiren bir madde kullanılmıştır ve binalarda enerjini korunmasını sağlayacak bir ürün geliştirme amacı ile Leida nın Puigverd bölgesinde(ispanya) iki beton bina inşa edilmiştir. Bu çalışmaların sonucunda, mirokapsüllenmiş FDM li duvarlar ile FDM siz geleneksel betonlar karşılaştırılmış, hem termal durumun hem de düşük sıcaklığın iyileştirildiği görülmüştür. Voelker ve arkadaşlarının 2007 yılında yaptığı çalışmada, bazı binaların fazla ısınımını engellemek amacıyla oda sıcaklığını azaltmak için alçı taşı ve bir tuz karışımı kullanılmıştır. Bu nedenle bir test odası inşa edilmiştir ve farklı koşullar altında ölçümler alınmıştır. Zamalloa ve arkadaşlarının 2009 yaptığı çalışmada yeni bir alçı geliştirilmiş ve içerisine faz değiştiren madde eklenmiştir. Bu yeni materyalin mekanik özellikleri incelenmiştir. Sonuçlarda termal salınım azaltılmıştır. Ayrıca binanın enerji ihtiyacı soğutmada % 30 ve ısıtmada % 10-15 e yakın azaltılmıştır. Chen ve arkadaşları 2007 yılında duvarda enerji depolama uygulamalarında kullanılmak üzere, faz değişim sıcaklığı 23 o C ve faz değişim entalpisi 60 kj/kg olan 13

2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR bir FDM ile çalışmışlardır. FDM odasının ısı transfer problemlerinin çözümü ve analizi için MATLAB hesaplama ve simülasyon programı kullanılmıştır. Çalışmada üç farklı bina malzemesi kullanılmıştır. Sadece alçı materyalinin kullanıldığı 1. örnekte merkezi sıcaklık yaklaşık 23 o C iken ısı depolama süresi en kısa ve 20 dakikadır. FDM ve alçı karışımından oluşan 2. örneğin ısı depolama kapasitesi 1. örneğe göre daha güçlüdür ve merkezi sıcaklık 23 o C iken depolama süresi 140 dakikadır. %100 FDM den oluşan üçüncü örneğin ısı depolama kapasitesi en güçlüdür ve 200 dakikadır. Elde edilen deney sonuçlarına göre FDM miktarı arttıkça yeni materyalin ısı depolama/salınım gücü artmıştır. FDM kullanımı sadece iç konfor sıcaklığını arttırmakla kalmamış aynı zamanda güneş ışınımı kullanım oranını da arttırmıştır. Zhou ve arkadaşları 2007 yılında yaptıkları çalışmada iki farklı FDM kompozitinin termal performansı, FDM-alçı ve FDM plaka, bir entalpi modellemesi ile Beijing de kurulan pasif güneş bina içersinde değerlendirilmiştir. FDM nin faz değişim aralığı ve erime sıcaklığına etkileri analiz edilmiştir ve iki tip FDM kompozitleri birbirleri ile kıyaslanmıştır. Sonuçlarda FDM nin optimum erime sıcaklığı 21 o C olarak belirlenmiştir ve FDM kompozitlerin dar bir faz değişim bölgesinde daha iyi termal performans sağladığı gözlenmiştir. FDM plakalar, FDMalçı kompozitlerle kıyaslandığında FDM- alçı kompozitlere göre depolamada daha hızlı yanıt vermiştir ve gizli ısının termal olarak daha etkin olduğu kanıtlanmıştır. Konuklu ve Paksoy un 2009 yılında yaptığı çalışmada, Adana da bir test kabininin ısıtma soğutma yüklerindeki azalmayı ölçmek için sandiviç panellerde faz değiştiren madde geliştirilmesi ve test edilmesi ile ilgili çalışma yapılmıştır. Deney kabininde kullanılan panel mikrokapsüllenmiş faz değiştiren madde katmanı ile birlikte izolasyon panelinden oluşmuştur. Erime noktaları 26 ve 23 o C olan iki farklı faz değiştiren madde kullanılmıştır. Yaz ve kış aylarında kabinin dört farklı yerinden ölçümler alınmıştır. Sadece FDM kullanılarak alınan yaz ölçümlerinde sıcaklık 2,5 C ve soğutma yükü % 7 azaltılmıştır. FDM sandiviç panel kullanılarak alınan kış ölçümlerinde kabin sıcaklığı 2.2 o C ve ısıtma yükü % 17 azaltılmıştır. Betonun ısıl performansına katkısının yanı sıra beton karışımına %5 oranında eklenen mikrokapsüllenmiş FDM nin hidratasyon tepkimesi sonucu sıcaklık 14

2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR yükselmesini %28 oranında azaltmıştır. Ancak FDM miktarının arttırılmasıyla(çizelge 2.1) mekanik dayanımın azaldığı görülmüş, en fazla ağırlıkça %3 mikrokapsüllenmiş FDM içeren beton karışımının uygulanabileceği belirlenmiştir. Mikro yapısal analiz sonucunda mikrokapsüllerin taze beton karışırken kırıldığı, mikrokapsül içindeki parafinin beton yapı içinde dağıldığı görülmüştür. Bu durumun suyun iletimini engelleyerek hidratasyon tepkimesinin kesintiye uğramasına ve betonun 28 günlük basınç dayanımını azalttığı düşünülmektedir (Hunger ve ark., 2009). Çizelge 2.1. FDM li ve FDM siz beton karışımların kütleleri (kg) Şahit %1 FDM %3 FDM %5 FDM Ultrafin 12 149,9 149,9 149,9 149,9 CEM 1 42,5 R 299,7 299,7 299,7 299,7 Mermer tozu 170,2 98,0 0,0 0,0 FDM 0,0 23,3 70,0 113,7 0-1mm kum 139,6 139,6 139,6 139,6 0-4mm kum 655,3 655,3 655,3 655,3 2-8mm çakıl 387,1 387,1 387,1 387,1 4-16mm çakıl 319,6 319,6 319,6 319,6 Glenium 51 3,1 3,1 2,4 2,9 Su 203,2 207,4 211,5 248,4 Hava - - - - Alçı plaka içerisine FDM eklenerek yapılan bir diğer çalışmada, erime sıcaklığı 28 o C olan mikrokapsüllenmiş FDM kütlece %23, %30 ve %40 olarak alçı plaka içerisine eklenmiştir. FDM li alçı plakanın yoğunluğu, gizli ısısı, erime sıcaklığı ve ısı transfer ölçümleri alınmıştır(lai ve ark., 2010). 15

2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 16

3.MATERYAL VE METOD 3. MATERYAL VE METOD 3. 1. Materyal Bu çalışmada betonun ısıl özelliklerini iyileştirmek amacı ile eklenen Faz Değiştiren Maddenin betonun fiziksel ve kimyasal yapısına etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla aşağıdaki materyal grupları kullanılmıştır: Faz değiştiren maddeler Beton karışım malzemeleri o Çimento, su, çakıl, kum ve akışkanlaştırıcı kimyasal katkı Ayrıca mekanik dayanım testleri için beton kalıp malzemesi, çökme deneyi için kesik koni ve ısıl deneyler için yalıtım malzemesi de kullanılmıştır. 3.1.1. Mikrokapsüllenmiş Faz Değiştiren Maddeler Bina yapı malzemesi olan harçlar ile birlikte kullanılacak FDM seçiminde öncelikle bina için uygun konfor sıcaklığı belirlenmelidir. Bu sıcaklık iklime bağlı olup %50 bağıl nem ve 20 ile 25 0 C olarak kabul görmektedir. FDM nin faz değiştirme aralığı belirlenirken bu iklim kriteri dikkate alınır. Yapılan araştırmalar sonucunda konfor sıcaklığına uygun olan ticari olarak üretilen iki adet mikrokapsüllenmiş FDM belirlenmiştir. Bu çalışmada Çizelge 3.1 de verilen BASF ürünü iki adet mikrokapsüllenmiş parafin kullanılmıştır. Çizelge 3.1.Mikronal FDM lerin özellikleri Mikrokapsüllenmiş PCM Erime Sıcaklığı Gizli Isı (yaklaşık) Mikronal PCM 5001 26 o C 110 kj/kg Mikronal PCM 5008 23 o C 110 kj/kg 17

3.MATERYAL VE METOD 3.1.2.Beton Karışım Malzemeleri Beton; çimento, su, agrega ve kimyasal veya mineral katkı maddelerinin homojen olarak karıştırılmasından oluşan, başlangıçta plastik kıvamda olup, şekil verilebilen, zamanla katılaşıp sertleşerek mukavemet kazanan bir yapı malzemesidir(www.ito.org.tr). Betonu oluşturan hammaddelerin yaklaşık olarak ağırlıkça oranları Şekil 3.1 de gösterilmiştir. Şekil 3.1. Betonu oluşturan hammaddelerin ağırlıkça oranları 3.1.2.1. Çimento Çimento betonu oluşturan temel maddelerden biridir. Su ile karıştırıldığında hidratasyon reaksiyonları ve prosesler nedeniyle priz alan ve sertleşen bir hamur oluşturan ve sertleşme sonrası suyun altında bile dayanımını ve kararlılığını koruyan, inorganik ve ince öğütülmüş hidrolik bağlayıcıdır. Bu standarda uygun çimento CEM çimentosu olarak adlandırılır. (www.bayindirlik.gov.tr). Bu çalışmada TS EN 206-1 standardında beton karışımlarını hazırlamak amacıyla TS EN 197-1 standartlarına uygun Oyak Çimento tarafından üretilen CEM I 42,5 R çimento kullanılmıştır. Çimentonun nem alarak topraklaşmaması için özel kaplarda muhafaza edilmiştir. Kullanılan CEM I 42,5 R çimentosuna ait kimyasal özellikler Çizelge 3.2 de ve fiziksel özellikler de Çizelge 3.3 de verilmiştir. 18

3.MATERYAL VE METOD Çizelge 3.2.Kullanılan çimentonun kimyasal bileşimi Kimyasal Analiz Analiz Sonuçları (%) SiO 2 18.26 Al 2 O 3 5.49 Fe 2 O 3 4.11 CaO 62.74 MgO 2.58 SO 3 2.73 Kızdırma Kaybı 2.26 Na 2 O 0.17 K 2 O 0.77 Çizelge 3.3. Kullanılan çimentonun fiziksel özellikleri Fiziksel Özellikler Sonuçlar Özgül Ağırlık (gr/cm 3 ) 3.17 Donma Süresi İncelik İlk(saat:dakika) 2:25 Son(saat:dakika) 3:25 Özgül yüzey (cm 2 /g) 3580 0.090mm elekte kalıntı (%) 0.4 0.045 mm elekte kalıntı(%) 5.5 3.1.2.2. Su Beton karma ve temas suyu TS EN 1008 standartlarına göre içilecek su olarak belirlenmiştir. Ayrıca kullanılacak su, asit reaksiyonu göstermemeli, agresif karbonik asit, mangan bileşikleri, amonyum tuzları, serbest klor, organik maddeler ve endüstri atıkları bulundurmamalıdır. Bu amaçla, deneylerde karışım ve bakım suyu olarak şehir suyu şebekesinden alınan içme suyu kullanılmıştır. 3.1.2.3. Akışkanlaştırıcı Kimyasal Katkı Taze beton ve harç karışımlarında işlenebilirliği sağlamak amacı ile yüksek oranda su azaltan, erken ve nihai yüksek dayanım ve dayanıklılığa gereksinim 19

3.MATERYAL VE METOD duyulan hazır beton ve prefabrik beton endüstrisi için geliştirilmiş yeni nesil hiperakışkanlaştırıcı kullanılmıştır. Kullanılan hiperakışkanlaştırıcı polikarboksilik eter bazlı olup, Fluxer GTS 04A olup GÜNERCA kimya sanayi tarafından üretilmiştir. Hiperakışkanlaştırıcının kimyasal özellikleri Çizelge 3.3. de verilmiştir. Çizelge 3.4.Hiperakışkanlaştırıcının kimyasal özellikleri Özgül ağırlık (20 o C, g/ml) 1.06-1.10 Suda çözünebilen klor(%) <0.1000 Alkali içeriği <1 ph %10 3.5-5.5 3.1.2.4. Agrega Beton içerisinde kullanılan kırma taş, çakıl, kum gibi malzemeler agrega olarak adlandırılır. Deneysel çalışmalarda Yılan Kale mevkiinde Canoğulları Yapı Sanayi tarafından elde edilen agregalar kullanılmıştır. TS 706 EN 12620 standardında kullanılan agregaların maksimum tane çapı 10 mm olup, yıkanmış ve etüvde kurutulduktan sonra kullanılmıştır. Deneysel çalışmalarda iki tip kaya kumu kullanılmıştır ve kullanılan agregaların granülometri eğrisinin elde edilmesinde elek analizi yöntemi kullanılmıştır. 3.1.3. Beton Örnek Kalıpları TS EN-206 beton standardında 15x15x15cm küp veya 15x30cm silindir olmak üzere iki tür numune kabı bulunmaktadır. Çalışmada mekanik testler için standart 15x15x15 cm ve ısıl testler için 7x7x7 cm boyutlarında küp numune kalıpları kullanılmıştır. 3.1.4. Çökme Deneyi İçin Kesik Koni Deney sırasında beton karışımlarının kıvamının belirlenmesi amacıyla yapılan çökme (slump) deneyinde kesik koni (Şekil 3. 2) kullanılmıştır. 20

3.MATERYAL VE METOD Şekil 3.2. Çökme deneyinde kullanılan kesik koni 3.1.5. Yalıtım Malzemeleri Beton karışımın sıcaklık değişimini belirlenmesi için yalıtılmış 4 cm çapında, 33.5 cm 3 hacminde polistiren örnek kapları kullanılmıştır. 3.2. Metod Mikrokapsüllenmiş FDM lerin faz değiştirme aralıkları ve gizli ısılarının belirlenmesi gerekmektedir. Bu termofiziksel özelliklerinin belirlenmesi amacı ile; Su banyosu Veri kaydetme cihazı(data-logger) Diferansiyel Taramalı Kalorimetri(DSC) kullanılmıştır. 3.2.1. FDM Seçimi Bina yapı malzemesi olan beton karışımları ile birlikte kullanılan FDM seçiminde öncelikle bina konfor sıcaklığı belirlenmelidir. FDM nin faz değiştirme aralığı bu iklim şartlarına uygun olarak seçilmiştir. 21

3.MATERYAL VE METOD 3.2.2. FDM Termofiziksel Özelliklerin Belirlenmesi Mikrokapsüllenmiş FDM lerin faz değiştirme aralıkları ve gizli ısılarının belirlenmesi amacı ile Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC), veri kaydetme cihazı ve ısıtmalı soğutmalı su banyosu kullanılmıştır. DSC: Mikrokapsüllenmiş FDM lerin gizli ısı ve erime noktası gibi termofiziksel özelliklerinin belirlenmesinde -170 o C ile 730 o C sıcaklık aralığında çalışılabilen Perkin Elmer Diamond marka DSC cihazından faydalanılmıştır (Şekil 3.3). DSC nin teknik özellikleri Çizelge 3.5 de verilmiştir. DSC, örnek materyal ısıtılırken, soğutulurken veya sabit bir sıcaklıkta tutulurken soğurulan ya da salıverilen enerji miktarını ölçer. Örnek ve referans için ayrı fırınlar bulunmaktadır. Uygulanan sıcaklık programına göre ısıtma veya soğutma sırasında örnek ve referans arasındaki ısı akışında meydana gelebilecek faz değişimi gibi endotermik/ekzotermik değişimlere karşılık gelen enerji değişimi sıcaklığa bağlı olarak belirlenebilir. Şekil 3.3. Difarensiyel Taramalı Kalorimetri (DSC) 22

3.MATERYAL VE METOD Çizelge 3.5. Perkin Elmer Diamond DSC nin Teknik Özellikleri Sıcaklık aralığı Sıcaklık doğruluğu Sıcaklık çözünürlüğü -170 o C ile 730 o C ± 0.1 o C ± 0.01 o C Izleme hızı 0.01 o C ile 500 o /dak. Kalorimetre doğruluğu <± % 1 Kalorimetre çözünürlüğü < ± % 0.1 Kalorimetre duyarlılığı Dinamik aralık Eş sıcaklık kayması(10 Dak.) 0.2 m W 0.2 m W ile 800 mw -150/100 ºC <15 m W/ < 10 m W Veri Kaydetme Cihazı: Sıcaklık ölçer sensörler yardımı ile ölçüm alarak verileri özel veri tabanında kaydeder. Standart çalışma aralığı -25 o C ile +50 o C olan CR10X ölçüm, kontrol modülü ve takılıp çıkarılabilir kablo panelinden oluşmaktadır. Isıl çiftler yardımı ile ölçülen sıcaklık verilerinin programlanabilen zaman aralıklarında CR10X Campbell Scientific marka (Şekil 3.4 ) veri kaydetme cihazı ile FDM lerin ısınma soğuma eğrileri oluşturulmuştur. Şekil 3.4. Sıcaklık Ölçer (Data Logger) 23

3.MATERYAL VE METOD Su Banyosu: Çalışmalar sırasında gerçekleşen termal çevrimlerin faz değiştiren maddeler üzerindeki etkilerini incelemek amacı ile Huber marka CC3 programlanabilir ısıtmalı soğutmalı su banyosu kullanılmıştır. Su banyosunun çalışma aralığı -30 o C ile +200 o C arasındadır. İki farklı sıcaklık değeri arasında belirlenen zaman aralıkları içinde kendiliğinden birinci zaman periyodunda ısıtma ve ikinci zaman periyodunda soğutma yapabilmekte bu döngü sistem kapatılıncaya kadar tekrar edilebilmektedir. Soğuma eğrisi elde etmek için banyo ortamında içinde FDM bulunan tüpler, FDM nin donma aralığının altına gelene kadar soğutulmuştur ve bu sırada sıcaklık verileri zamana bağlı olarak veri kaydetme sistemi tarafından (CR10X Data-Logger) tarafından kaydedilmiştir. Isınma eğrisi de benzer bir şekilde tüplerin banyoda erime aralıklarının üstüne kadar ısıtılmaları sırasında sıcaklık verilerinin zamana bağlı olarak kaydedilmesi ile elde edilmiştir. Şekil 3.5. Huber marka CC3 su banyosu 24

3.MATERYAL VE METOD 3.2.3. FDM li ve FDM siz Beton Karışımlarının Hazırlanması Çalışmada su/çimento oranı 0,38 olan ve içerisine %0(şahit), %1, %2, %3, %5 ve %10 olmak üzere Faz Değiştiren Madde eklenerek birbirinden farklı beton karışımları elde edilmiştir(çizelge 3.6). Karışım miktarlarının hesabı TS 802 de verilen metoda göre yapılmıştır. Çizelge 3.6.Standart küp beton numunelerin gram cinsiden yaklaşık kütleleri MALZEME ŞAHİT 1% 2% 3% 5% 10% KATKI 1(PCE) 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 KATKI 2(FDM) 0,0 1,2 2,2 3,2 4,2 5,4 0-3 KAYA KIRMASI 5-10 KAYA KIRMASI 376,6 371,2 182,9 180,2 174,8 161,4 258,4 254,8 251 247,4 240 221,4 SU 65,8 65,5 65,4 65,2 64,8 64 ÇİMENTO 157,6 157,6 157,6 157,6 157,6 157,6 TOPLAM AĞIRLIK 860,3 852,2 843,9 835,7 818,1 773,1 Beton karışımı hesabı yapılmasından sonra kullanılacak agregalar için elek analizi deneyi yapılmıştır. Karışımda kullanılan 0-3 mm kaya kumunun 5-10 mm kaya kırmasının eleklerden geçen yüzde değerleri ve granülometri eğrisi TS 706 standartlarına belirlenmiştir. Beton karışımlarının üretiminde agregalar bir süre kuru olarak karıştırılmış ve üzerine çimento ilave edilerek biraz daha karıştırılmıştır. Daha sonra hiper akışkanlaştırıcı katkı maddesi karışım suyu içerisinde karışıma ilave edilmiştir. Kapsüllerin kırılmasını önlemek amacı ile faz değiştiren madde karışım içerisine en son dahil edilmiştir. 25

3.MATERYAL VE METOD Hazırlanan beton karışımları 0., 30. ve 60. dakikalarda çökme yayılma ve kıvam takibi testlerine tabi tutulmuştur. Hazırlanan beton karışımları bir kısmı basınç dayanım testlerinde kullanılmak üzere 15x15x15 cm ebatlarında küp numunelere ve diğer kısmı ise termal testlerde kullanılmak üzere 7x7x7 cm ebatlarındaki küp numunelere yerleştirilerek TS EN 12390-2 ye uygun olarak kür odasında küre tabi tutulmuştur. 3.2.4. Mekanik Dayanım Testleri FDM li ve FDM siz beton karışımlarının mekanik özelliklerinin belirlenmesinde Çukurova Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi İnşaat Mühendisliği laboratuarlarında basınç dayanımı mekanik testi yapılmıştır. 3.2.4.1. Betonun Basınç Dayanımının Belirlenmesi Basınç dayanımı gerilme cinsinden ifade edilir ve kırılma yükünün numune alanına bölünmesiyle elde edilir(eşitlik 1): σ= P/A (3.1) Burada σ gerilmeyi (kg/cm 2 ), P yükü (kg) ve A (cm 2 ) numune kesit alanını göstermektedir. Betonun çekme dayanımı çok düşük olduğundan genellikle hesaplarda dikkate alınmaz. Beton için önemli olan, basınç dayanımı, dolayısıyla basınç altındaki gerilme-birim deformasyon (σ- ε) ilişkisidir. Bu amaçla hazırlanacak 15x30 cm lik standart silindir numunelerin eksenel basınç altındaki denenmesinden σ- ε eğrilerinin elde edilmesi gerekmektedir. Eşitlik 1 kullanılarak gerilme hesaplanır, uygulanan yük kademeleri altında betonun birim deformasyonu da ölçülerek kaydedilir ve bu şekilde gerilme deformasyon eğrisi de elde edilir (Şekil 3.6). Eğride f ck, σ ve ε sırasıyla 28 günlük betonun basınç dayanımını, gerilmeyi ve birim boy değişimini ifade etmektedir. 26

3.MATERYAL VE METOD Şekil 3.6. Betonun basınç altındaki genel davranışı (Ersoy, 1985) Şekil 3.6 da gösterilen eğrinin özelliği, maksimum gerilme dayanımına karşılık olan birim kısalma, ε co, aşıldığında, artan deformasyon altında gerilmelerin azalmasıdır. Kırılma anındaki birim kısalmaya (ε cu ) karşı olan gerilme, maksimum gerilmeden düşüktür. Betonun σ-ε eğrisinin kuyruk kısmı ihmal edilemeyecek kadar önemlidir. Bu davranış sayesinde betonarme bir elemanda maksimum gerilmeye ulaşan bir lif, artan birim kısalma ile gerilmeleri başka liflere aktarabilir. Bu durumda en fazla zorlanan dış liflerdeki ezilme, maksimum gerilmeye karşı olan ε co birim kısalmasında değil, ε cu da oluşacaktır. Betonun σ-ε eğrisinin kuyruk bölümünün varlığı, en fazla zorlanan liflerin daha az zorlanan liflere gerilme aktarabilme özelliği vardır. Maksimum gerilmeye karşılık olan birim kısalma, ε co, beton dayanımından bağımsız olarak 0,002 mertebesindedir. Betonun σ-ε özellikleri beton dayanımı ile değişmektedir. Araştırma kapsamında yer alan, ıslak kür edilmiş FDM li ve FDM siz sertleşmiş standart küp beton numunelerin basınç dayanımları basınç test cihazı(şekil 3.7) kullanılarak test edilmiştir. 27

3.MATERYAL VE METOD Şekil 3.7. Basınç dayanım test cihazı 3.2.5. Mikro Yapı Analizi Standartlara uygun beton karışımlarının hazırlanmasında, betonu oluşturan çimento, agrega ve eklenecek FDM boyutları önemlidir. Çimento tane boyutunun ince veya iri olması çimentonun özelliklerine etki etmektedir. Tane boyutunu çok ince olması durumunda çimento nem alarak hidratasyona başlayabilir, erken başlayan hidratasyon durumu betonun dayanımını olumsuz etkiler. Tanelerin iri olması durumunda ise hidratasyonun başlaması gerçekleşmeyebilir. Çimento tane boyutları 1-200μm arasında değişmektedir. Beton karışımı içerisine eklenecek mikrokapsüllenmiş FDM tane boyutlarının kullanılacak çimento taneleri ile uygunluk göstermesi gerekmektedir. Bu amaçla kullanılacak FDM nin mikro yapı analizleri COXEM marka CX220 Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile yapılmıştır. Ayrıca betona karıştırdıktan sonra mikrokapsüllerin kırılıp kırılmadığı SEM görüntüleriyle belirlenmiştir. 3.2.6. Termal Performansın Belirlenmesi Hazırlanan FDM li ve FDM siz beton örneklerinin ve FDM örneklerinin termal performansının belirlenmek için ısı depolama kapasiteleri ve bir sıcaklık aralığındaki ısınma ve soğuma eğrileri belirlenmiştir. 28