19.07.2013 Views

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK ...

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK ...

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK ...

SHOW MORE
SHOW LESS

Create successful ePaper yourself

Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.

Sibel KURT<br />

<strong>ÇUKUROVA</strong> <strong>ÜNİVERSİTESİ</strong><br />

<strong>FEN</strong> <strong>BİLİMLERİ</strong> <strong>ENSTİTÜSÜ</strong><br />

<strong>YÜKSEK</strong> LİSANS TEZİ<br />

YENİ NESİL BİNA MALZEMELERİ İÇİN FAZ DEĞİŞTİREN MADDE<br />

GELİŞTİRİLMESİ<br />

ADANA, 2012<br />

KİMYA ANABİLİM DALI


<strong>ÇUKUROVA</strong> <strong>ÜNİVERSİTESİ</strong><br />

<strong>FEN</strong> <strong>BİLİMLERİ</strong> <strong>ENSTİTÜSÜ</strong><br />

YENİNESİL BİNA MALZEMELERİ İÇİN FAZ DEĞİŞTİREN MADDE<br />

GELİŞTİRİLMESİ<br />

Sibel KURT<br />

<strong>YÜKSEK</strong> LİSANS TEZİ<br />

KİMYA ANABİLİM DALI<br />

Bu Tez 27/01/2010 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından<br />

Oybirliği/Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir.<br />

……………….................... ………………………….. ……................................<br />

Prof. Dr. Halime PAKSOY Prof. Dr. Cengiz DÜNDAR Doç. Dr. Tunç TÜKEN<br />

DANIŞMAN ÜYE ÜYE<br />

Bu Tez Enstitümüz Kimya Anabilim Dalında hazırlanmıştır.<br />

Kod No:<br />

Bu Çalışma Ç. Ü. Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir.<br />

Proje No: FEF2010YL21<br />

Prof. Dr. İlhami YEĞİNGİL<br />

Enstitü Müdürü<br />

Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge ve fotoğrafların<br />

kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere<br />

tabidir.


ÖZ<br />

<strong>YÜKSEK</strong> LİSANS TEZİ<br />

YENİ NESİL BİNA MALZEMELERİ İÇİN FAZ DEĞİŞTİREN MADDE<br />

GELİŞTİRİLMESİ<br />

Sibel KURT<br />

<strong>ÇUKUROVA</strong> <strong>ÜNİVERSİTESİ</strong><br />

<strong>FEN</strong> <strong>BİLİMLERİ</strong> <strong>ENSTİTÜSÜ</strong><br />

KİMYA ANABİLİM DALI<br />

Danışman :Prof. Dr. Halime Ö. PAKSOY<br />

Yıl: 2012, Sayfa: 71<br />

Jüri :Prof. Dr. Halime Ö. PAKSOY<br />

:Prof. Dr. Cengiz DÜNDAR<br />

:Doç. Dr. Tunç TÜKEN<br />

Bu çalışmada beton karışımlarda Faz Değiştiren Madde(FDM)<br />

kullanımıyla mekanik dayanımını koruyarak ısıl performansının iyileştirilmesi<br />

amaçlanmıştır. FDM olarak, faz değiştirme sıcaklıkları 26°C ve 23°C ve gizli ısı<br />

değerleri 110 J/g olan mikrokapsüllenmiş parafin kullanılmıştır. Geliştirilen<br />

FDM’li beton karışımlarda FDM miktarının artmasıyla betonun yayılma ve<br />

reoplastik görünümlerinde iyileşme olduğu gözlenmiştir. Değişen FDM<br />

miktarlarına göre hazırlanan beton karışımlarının şahit (FDM’siz) numuneye göre<br />

basınç mukavemetinde C85’den C60 beton sınıfına kadar düşüş meydane<br />

gelmiştir. FDM’li tüm beton karışımların depoladıkları ısının şahit örnekten daha<br />

yüksek olduğu ve en yüksek değerin, hepsinden daha düşük kütlesi olmasına<br />

rağmen, 7750 J ile şahitten %78 daha fazla olarak, %10 FDM’li beton karışımda<br />

elde edilmiştir. Hidratasyon sıcaklığı ve ısısı ile yapılan denemelerde de FDM’nin<br />

artırıcı etkisi olduğu görülmüştür, ancak bu sonuçların uzun süreli deneylerle<br />

tekrarlanması gereklidir. Elde edilen sonuçlar, FDM’li beton karışımların yapı<br />

endüstrisinde kışın ısıtma ve yazın soğutma enerjisinden tasarruf sağlayacak bir<br />

ürün olmaya aday olduğunu göstermektedir. Ülkemizde enerji tüketiminde ikinci<br />

büyük sektör olan binalarda yaygın olarak kullanılan fosil yakıt tüketiminin<br />

azaltılmasıyla iklim değişikliğine yol açan sera gazlarının emisyonu da önemli<br />

miktarda azaltılabilecektir.<br />

Anahtar Kelimeler: Binalarda enerji verimliliği, termal enerji depolama, faz<br />

değiştiren maddeler<br />

I


ABSTRACT<br />

MSc THESIS<br />

DEVELOPMENT OF PHASE CHANGE MATERIALS FOR NEW<br />

GENERATION BUILDING MATERIALS<br />

Sibel KURT<br />

<strong>ÇUKUROVA</strong> UNIVERSITY<br />

INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES<br />

DEPARTMENT OF CHEMISTRY<br />

Advisor :Prof. Dr. Halime Ömür PAKSOY<br />

Year: 2012, Pages: 71<br />

Jury :Prof. Dr. Halime Ömür PAKSOY<br />

:Prof. Dr. Cengiz DÜNDAR<br />

:Assoc. Prof. Dr. Tunç TÜKEN<br />

This study aims to improve thermal performance of concrete mixes, while<br />

keeping their mechanical strength, by adding Phase Change Materials (PCM).<br />

Microencapsulated paraffin with phase change temperatures of 26°C and 23°C<br />

and latent heat of 110 J/g was used as PCMs. For the concrete mixes with PCM<br />

developed here, it was seen that rheoplastic property was improved with<br />

increasing PCM content. Mechanical strength of concrete mixes with different<br />

PCM contents were decreased with respect to a blind (no PCM) sample from<br />

correponding concrete class of C85 to C60. Heat stored by all the concrete mixes<br />

with PCM was measured to be higher than the blind sample and the maximum<br />

value was attained as 7750 J for conctrete mix with 10%PCM, even though it had<br />

the lowest mass of all the samples. Hidration heat and temperature measurement<br />

experiments also revealed that PCM had an enhancing effect, but these results<br />

need to be confirmed with longer duration experiments. The results achieved<br />

show that the concrete mixes with PCMs are candidate products that can conserve<br />

energy from heating in winter and cooling in summer for building industry.<br />

Reduction of fossil fuel consumption in buildings, which is the second largest<br />

energy consuming sector in Turkey, can lead to significant reduction of<br />

greenhouse gases that lead to climate change.<br />

Key Words: Energy efficiency in buildings, thermal energy storage, phase change<br />

materials<br />

II


TEŞEKKÜR<br />

Çalışmamın her aşamasında yardımlarını ve desteğini benden hiçbir zaman<br />

esirgemeyen, bilgi ve deneyimlerinden faydalandığım, doğruyu bulmama<br />

yardımcı olan danışman hocam Sayın Prof. Dr. Halime Ö. PAKSOY’a sonsuz<br />

teşekkürler.<br />

Yüksek lisans çalışmam boyunca Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi<br />

İnşaat Mühendisliği Bölümünün olanaklarından faydalanmamı sağlayan, yüksek<br />

lisans jüri üyesi Sayın Prof. Dr. Cengiz DÜNDAR’a çalışmamın tüm<br />

aşamalarında yönlendirici ve olumlu katkılarından dolayı teşekkür ederim.<br />

Tezim süresince manevi desteklerinden ve yardımlarından dolayı çalışma<br />

arkadaşlarım Selma YILMAZ’a, Beyza BEYHAN’a, Nurten ŞAHAN’a, İlknur<br />

VARKAL’a, Meltem SÖNMEZ’e, Orkide EREN’e, Caner GÜNGÖR’e ve Fatih<br />

ÖZLÜ’ye çok teşekkür ederim.<br />

Hayatımın her evresinde sevgilerini, desteklerini ve yardımlarını benden<br />

esirgemeyen, aldığım her kararı saygıyla karşılayan annem Zeliha KURT’a,<br />

babam Aydın KURT’a ve abim Bilal KURT’a sevgileri ve destekleri için<br />

minnettarım.<br />

III


İÇİNDEKİLER SAYFA<br />

ÖZ ........................................................................................................................ I<br />

ABSTRACT ........................................................................................................ II<br />

TEŞEKKÜR ...................................................................................................... III<br />

İÇİNDEKİLER .................................................................................................. IV<br />

ÇİZELGELER DİZİNİ .................................................................................... VIII<br />

ŞEKİLLER DİZİNİ .............................................................................................X<br />

1. GİRİŞ .............................................................................................................. 1<br />

1.1.Enerjinin Önemi .......................................................................................... 1<br />

1.1.1.Binalarda Enerji Kullanımı .................................................................. 1<br />

1.2.Termal Enerji Depolama Yöntemleri (TED) ............................................... 4<br />

1.2.1.Termal Yöntem ................................................................................... 5<br />

1.2.1.1. Duyulur Isı Depolama .............................................................. 5<br />

1.2.1.2. Gizli Isı Depolama ................................................................... 7<br />

1.3.Faz Değiştiren maddeler(FDM). ................................................................. 7<br />

1.4.BinalardaTermal Enerji Depolama Yöntemleri ............................................ 9<br />

1.5.Çalışmamızın Amacı ................................................................................... 9<br />

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR .............................................................................. 11<br />

3. MATERYAL VE METOD ............................................................................ 17<br />

3.1. Materyal................................................................................................... 17<br />

3.1.1. Mikrokapsüllenmiş Faz Değiştiren Madde ........................................ 17<br />

3.1.2. Beton Karışım Malzemeleri .............................................................. 18<br />

3.1.2.1. Çimento .................................................................................. 18<br />

3.1.2.2. Su. ........................................................................................... 19<br />

3.1.2.3 Akışkanlaştırıcı Kimyasal Katkı .............................................. 19<br />

3.1.2.4. Agrega .................................................................................... 20<br />

3.1.3.Beton Örnek Kalıpları ....................................................................... 20<br />

3.1.4.Çökme Deneyi İçin Kesik Koni ......................................................... 20<br />

3.1.5. Yalıtım Malzemeleri......................................................................... 21<br />

3.2. Metot ....................................................................................................... 21<br />

IV


3.2.1. FDM Seçimi ..................................................................................... 21<br />

3.2.2. FDM Termofiziksel Özelliklerin Belirlenmesi .................................. 22<br />

3.2.3. FDM’li ve FDM’siz Beton Karışımların Hazırlanması ..................... 25<br />

3.2.4. Mekanik Dayanım Testleri ............................................................... 26<br />

3.2.4.1. Betonun Basınç Dayanımının Belirlenmesi ............................ 26<br />

3.2.5. Mikro Yapı Analizi .......................................................................... 28<br />

3.2.6. Termal Performansın Belirlenmesi ................................................... 28<br />

3.2.6.1. Isınma Soğuma Profilleri ....................................................... 29<br />

3.2.6.2. Beton Örneklerin Isı Depolama Kapasiteleri .......................... 29<br />

3.2.7. FDM Kullanımının Beton Karışımının Hidratasyon Tepkimesine<br />

Etkisi ............................................................................................... 31<br />

3.2.7.1. Betonun Priz Alması Erken Döneminde Sıcaklık Değişimi .... 31<br />

3.2.7.2. Hidratasyon Isısının Kalorimetre Kabı ile Tayini ................... 32<br />

4. BULGULAR VE TARTIŞMA ...................................................................... 35<br />

4.1. FDM Seçimi ............................................................................................ 35<br />

4.2. FDM’nin Termofiziksel Özelliklerin İncelenmesi .................................... 35<br />

4.2.1. Mikro Yapı Analizi .......................................................................... 35<br />

4.2.2. Mikrokapsüllenmiş FDM’lerin Termal Enerji Depolama<br />

Kapasitelerini DSC ile Belirlenmesi ................................................ 37<br />

4.2.3. Isınma Soğuma Eğrilerinin Belirlenmesi .......................................... 39<br />

4.3. Beton Karışımı Hazırlanması ................................................................... 40<br />

4.3.1. Beton Bileşiminin Belirlenmesi ........................................................ 40<br />

4.3.2. Agregaların Hazırlanması ................................................................. 41<br />

4.4. Beton – FDM karışımlarının Hazırlanması ............................................... 44<br />

4.5. Betonun Mekanik Dayanımını Belirlenmesi ............................................. 44<br />

4.6. Betonun Isıl Özelliklerinin Belirlenmesi................................................... 47<br />

4.6.1. Su Banyosu Deneyleri ...................................................................... 47<br />

4.6.2. FDM’li ve FDM’siz Harç Numunelerin Hidratasyon Sıcaklıklarının<br />

Ölçülmesi ...................................................................................... 55<br />

4.6.3. FDM’li ve FDM’siz Beton Hamuru Numunelerinin Hidratasyon<br />

Isılarının ölçümesi ........................................................................... 58<br />

V


5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER ...................................................................... 63<br />

KAYNAKLAR .................................................................................................. 67<br />

ÖZGEÇMİŞ ...................................................................................................... 71<br />

VI


ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA<br />

Çizelge 1.1. Enerji kimlik belgesi sınıflandırması ....................................................... 4<br />

Çizelge 1.2. Bazı duyulur ısı depolama materyallerinin ısıl-fiziksel özellikleri ............ 6<br />

Çizelge 2.1. FDM’li ve FDM’siz beton karışımların kütleleri (kg) ............................ 15<br />

Çizelge 3.1. Mikronal FDM’lerin özellikleri ............................................................. 17<br />

Çizelge 3.2. Kullanılan çimentonun kimyasal bileşimi .............................................. 19<br />

Çizelge 3.3. Kullanılan çimentonun fiziksel özellikleri ............................................. 19<br />

Çizelge 3.4. Hiperakışkanlaştırıcının kimyasal özellikleri ......................................... 20<br />

Çizelge 3.5. Perkin Elmer Diamond DSC’nin Teknik Özellikleri .............................. 23<br />

Çizelge 3.6. Standart küp beton numunelerin gram cinsinden yaklaşık ağırlıkları ...... 25<br />

Çizelge 4.1. Beton karışımların çökme ve kıvam takibi tertleri ................................. 41<br />

Çizelge 4.2. 0-3 mm kaya kumu elek analizi ............................................................. 42<br />

Çizelge 4.3. 5-10mm kaya kırması elek analizi ......................................................... 43<br />

Çizelge 4.4. FDM’li ve FDM’siz betonların 7 günlük basınç dayanımları ................. 44<br />

Çizelge 4.5. FDM’li ve FDM’siz betonların 28 günlük basınç dayanımları ............... 45<br />

Çizelge 4.6. Hazır betonda basınç dayanım sınıfları (TS EN 206) ............................. 46<br />

Çizelge 4.7. FDM’li ve FDM’siz beton ve banyo sıcaklık ve zaman değişimlerinin su<br />

banyosu ile kıyaslanması ................................................................... 50<br />

Çizelge 4.8. FDM’li ve FDM’siz beton karışımların hidratasyon ısı ölçüm<br />

sonuçları ................................................................................................. 60<br />

VI


VII


ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA<br />

Şekil 1.1. AB’de sektörlere göre enerji tüketimi………………………………... …2<br />

Şekil 1.2. Türkiye’de 2008 yılında enerji tüketim paylarının sektörlere dağılımı ...... 2<br />

Şekil 1.3. Termal enerji depolama yöntemleri .......................................................... 5<br />

Şekil 1.4. Faz değiştiren materyallerin sınıflandırılması ........................................... 8<br />

Şekil 3.1. Betonu oluşturan hammaddelerin ağırlıkça oranları ............................... 18<br />

Şekil 3.2. Çökme deneyinde kullanılan kesik koni ................................................. 21<br />

Şekil 3.3. Difarensiyel Taramalı Kalorimetri(DSC) ............................................... 22<br />

Şekil 3.4. Sıcaklık Ölçer(Data Logger) .................................................................. 23<br />

Şekil 3.5. Huber marka CC3 su banyosu ................................................................ 24<br />

Şekil 3.6. Betonun basınç altındaki genel davranışı ............................................... 27<br />

Şekil 3.7. Basınç dayanım test cihazı ..................................................................... 28<br />

Şekil 4.1. Micronal PCM 5008’in 986x büyütmeli SEM görüntüsü ....................... 36<br />

Şekil 4.2. Micronal PCM 5008’in 3.5kx büyütmeli SEM görüntüsü ...................... 36<br />

Şekil 4.3. 24 saat suda bekletimiş Micronal PCM 5008’in SEM görüntüsü ............ 37<br />

Şekil 4.4. Micronal PCM 5008’in DSC analizi ...................................................... 38<br />

Şekil 4.5. Micronal PCM 5001’in DSC analizi ...................................................... 38<br />

Şekil 4.6. Micronal 5008’in ısınma- soğuma eğrisi ................................................ 39<br />

Şekil 4. 7 Micronal 5001’in ısınma- soğuma eğrisi ................................................ 40<br />

Şekil 4.8. Beton karışımlarda kullanılan 0-3mm kaya kumun granülometri eğrisi ... 42<br />

Şekil 4.9. Beton karışımlarında kullanılan 5-10mm kaya kırmasının<br />

granülometri eğrisi ................................................................................. 43<br />

Şekil 4.10. FDM’siz beton numunenin ısınma soğuma eğrisi................................... 47<br />

Şekil 4.11. %1 FDM’li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi ............................... 48<br />

Şekil 4.12. % 2 FDM’li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi .............................. 48<br />

Şekil 4.13. % 3 FDM’li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi .............................. 49<br />

Şekil 4.14. % 5 FDM’li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi .............................. 49<br />

Şekil 4.15. % 10 FDM’li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi ............................ 50<br />

Şekil 4.16. Sabit sıcaklıktaki su banyosunda şahit beton karışımının davranışı ........ 51<br />

VIII


Şekil 4.17. Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %1 FDM’li beton karışımının<br />

davranışı ................................................................................................ 52<br />

Şekil 4.18. Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %2 FDM’li beton karışımının<br />

davranışı ................................................................................................ 52<br />

Şekil 4.19. Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %3 FDM’li beton karışımının<br />

davranışı ................................................................................................ 53<br />

Şekil 4.20. Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %5 FDM’li beton karışımının<br />

davranışı ................................................................................................ 53<br />

Şekil 4.21. Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %10 FDM’li beton karışımının<br />

davranışı ................................................................................................ 54<br />

Şekil 4.22. Sabit banyo sıcaklığı deneylerinde beton numunelerin depolanan ısı<br />

ve kütleleri ............................................................................................. 54<br />

Şekil 4.23. FDM’li ve FDM’siz beton karışımların hidratasyon sıcaklıklarının<br />

karşılaştırılması ...................................................................................... 55<br />

Şekil 4.24. FDM’li ve FDM’siz beton karışımların hidratasyon sıcaklıklarının<br />

karşılaştırılması ...................................................................................... 55<br />

Şekil 4.25. FDM’li ve FDM’siz beton karışımların hidratasyon sıcaklıklarının<br />

karşılaştırılması ...................................................................................... 56<br />

Şekil 4.26. Sülfirik asit çözeltisinin normalitesine karşı ısı ...................................... 58<br />

Şekil 4.27. Pickering’in asidine oranla aşırı su miktarlarının 1 mol sülfirik asit ile<br />

karışımının neden olduğu ısı miktarları .................................................. 59<br />

Şekil 4.28. Beton hamur örneklerinin kalorimetre kabı ile ölçülen sıcaklık<br />

dağılımları ............................................................................................. 61<br />

Şekil 4.29. Beton hamur örneklerinin kalorimetre kabı ile ölçülen hidratasyon<br />

ısılarının gelişimi ................................................................................... 63<br />

IX


1. GİRİŞ Sibel KURT<br />

1.GİRİŞ<br />

1.1 Enerjinin Önemi<br />

Dünya nüfusunun hızla artması sanayi ve hizmet sektörlerindeki enerji<br />

ihtiyacının da artmasına neden olmuştur. Ülkemizde birincil enerji kaynakları<br />

talebinin %70 den fazlasının yurtdışından karşılanmasının getirdiği risklerin<br />

azaltılması ve küresel ısınmayla mücadelenin arttırılması amacıyla enerjinin üretim<br />

tüketim aşamalarında tasarruf sağlanması gerekmektedir.<br />

1.1.1 Binalarda Enerji Kullanımı<br />

Binalar, çok uzun ömürlü ve büyük ölçüde enerji tüketiyor olmaları ve çok<br />

geniş kullanım alanına sahip olmaları nedeniyle enerji verimliliğinin arttırılması<br />

projelerinde büyük öneme ve çalışma alanına sahiptir. Avrupa Birliği ve tüm<br />

gelişmiş ülkelerde iklim değişikliği etkilerinin azaltılması ile ilgili eylemlerin<br />

başında binalarda enerji verimliliğinin arttırılması<br />

gelmektedir(www.cevreorman.gov.tr). Sera gazı emisyonunu azaltmayı ve<br />

yenilenebilir enerji kullanımını arttırmayı hedefleyen Avrupa ülkelerinde konut ve<br />

hizmetler, 2007 yılındaki toplam enerji tüketiminin yaklaşık %37 si ile en yüksek<br />

paya sahiptir(Şekil 1.1). Bu sonuçlara göre tasarruf önlemlerinin uygulanmasıyla<br />

konutlarda ve ticari binalarda tasarruf potansiyelinin geri kazanılması yönündeki<br />

hedefleri arttırmaktadır.<br />

1


1. GİRİŞ Sibel KURT<br />

Şekil 1.1. AB’de sektörlere göre enerji tüketimi<br />

TUİK’ in 2000 yılında yapılan bina sayımına göre; ülkemizde bina sayısı<br />

1984 yılında 4,3 milyon iken 2000 yılında %78 artış göstererek 7,8 milyona<br />

ulaşmıştır(www.tuik.gov.tr). Konut sayısı ise yine 2000 yılı verilerine göre %129<br />

artış göstererek 16,2 milyona ulaşmıştır. 2000-2008 yılları arasında alınan inşaat<br />

izinlerine göre konut, ticari ve kamu binalarının alan bakımından %56 oranında<br />

artarak 1.524 milyon m 2 ’ye ulaşırken, sayı bakımından ise %7 oranında arttığı<br />

görülmektedir. Ülkemizde 2008 yılı itibari ile binaların tükettiği enerji toplam<br />

tüketimin % 36’sı (Şekil 1.2)olup, bu oranın % 82’si ısıtmada kullanılmaktadır<br />

(www.eie.gov.tr).<br />

Şekil 1.2.Türkiye’de 2008 yılında enerji tüketim paylarının sektörlere dağılımı<br />

(www.dektb.org.tr)<br />

2


1. GİRİŞ Sibel KURT<br />

Ülkemizdeki nüfus artışına paralel olarak kömür kullanım miktarları da her yıl<br />

artmaktadır. Ülkemizin 2002 yılı kömür tüketim miktarı 63,5 milyon ton iken 2007<br />

yılında 97,3 milyon ton üzerinde olmuştur. Bu tüketimin yaklaşık 13,3 milyon<br />

tonunun ısınmada, 64,7 milyon tonu ise elektrik üretiminde kullanılmıştır. Yerli<br />

kömür üretiminin tüketim içindeki payı 2002 yılına göre artmakla birlikte, tüketim<br />

artış oranına göre yetersizi kalmıştır. Doğal gaz tüketiminin sektörel dağılımında<br />

elektrik enerjisi üretimi için doğal gaz kullanımı, %57,5’lik pay ile başta<br />

gelmektedir. Elektriği, %21,7 ile konut, %18,6 ile sanayi ve %2,2 ile gübre<br />

izlemektedir. Gaz satış fiyatları ise yalnızca son 4 yılda %88,7 oranında<br />

artmıştır(www.mmo.org.tr). Bu şekildeki talep artışı, binalarda enerji verimliliği<br />

konusunda önlem alınmasını gerektirmektedir.<br />

Türkiye enerji tüketiminde yüksek bir dışa bağımlılık yaşamaktadır. 2007<br />

yılında enerji tüketiminin yalnızca %27 si yerli kaynaklarla karşılanabilmiştir.<br />

Türkiye’nin petrol ve doğal gaz tüketiminde petrole % 33, doğalgaza %29 bağımlı<br />

olması nedeni ile binalarda yenilenebilir kaynaklarının kullanımı, enerji verimliliği<br />

ve tasarrufu konuları her zamankinden daha fazla önem kazanmıştır. Avrupa Birliği<br />

mevzuatına uyum kapsamında yapılan Bina Enerji Performans Yönetmeliği bu<br />

durumu zorunlu hale getirmiştir.<br />

Elektrik İşleri Etüt İdaresi ülkemizde bina sektöründe %35 düzeyinde enerji<br />

tasarrufu potansiyeli olduğu saptamıştır. Bu potansiyelin değerlendirilmesi ve<br />

enerjinin verimli kullanılması amacıyla 18 Nisan 2007 tarihli ve 5627 sayılı Enerji<br />

Verimliliği Kanunu ve bu kanuna dayanarak Binalarda Enerji Performansı<br />

Yönetmeliği 1 Nisan 2010 da yürürlüğe girmiştir. Bu yönetmelik ile iklim şartları, iç<br />

mekan gereksinimleri ve maliyet unsurları dikkate alınarak, binalarda enerji<br />

hizmetlerini iyileştirmek için, yenilenebilir enerji kaynaklarının uygulanabilirliğinin<br />

değerlendirilmesi, sera gazı emisyonlarını sınırlama ve bununla birlikte binalarda<br />

performans kriterlerinin ve uygulama esaslarının belirlenmesi, enerjinin verimli ve<br />

etkin kullanılması ve çevrenin korunması amaçlanmıştır(www.eie.gov.tr).<br />

Tüketimin önemli bir kısmının fosil yakıt kaynaklardan sağlanması, NOx, CO2<br />

gibi sera gazlarının salınımına yol açarak küresel ısınma sorununu da büyütmektedir.<br />

18 Nisan 2007 tarihli ve 5627 sayılı Enerji Verimliliği Kanununun 7. Maddesine<br />

3


1. GİRİŞ Sibel KURT<br />

dayanılarak yürürlüğe giren Binalarda Enerji Performansı Yönetmeliği yeni ve<br />

mevcut binalara Enerji Kimlik Belgesi (EKB) alma zorunluluğu getirmektedir. 1<br />

Ocak 2011’den itibaren yapı izni alınabilmesi için zorunlu olan EKB “asgari olarak<br />

binanın enerji ihtiyacı ve enerji tüketim sınıflandırması, yalıtım özellikleri ve ısıtma<br />

ve/veya soğutma sistemlerinin verimi ile ilgili bilgileri”<br />

içermektedir(www.eie.gov.tr). Bu belgede binaların enerji sınıfları A-G arasında<br />

sınıflandırılırken, yeni binaların D sınıfından daha fazla enerji tüketimine ve CO2<br />

salımına sahip olmamaları gerekmektedir. EKB sınıflandırması referans bir binaya<br />

göre enerji performansı Ep Çizelge 1.1’ de göstermektedir.<br />

Çizelge1.1.Enerji kimlik belgesi sınıflandırması<br />

Enerji sınıfı Ep aralıkları<br />

A 0 – 39<br />

B 40 – 79<br />

C 80 – 99<br />

D 100 – 119<br />

E 120 – 139<br />

F 140 – 174<br />

G 175 -<br />

Enerji performansı, asıl binanın yıllık m 2 başına düşen enerji tüketim<br />

miktarının referans binanın yıllık m 2 başına düşen enerji tüketim miktarına<br />

kıyaslanmasıyla bulunur. Referans binayla aynı değere sahip binanın Ep değeri 100<br />

olup enerji sınıfı C’dir. Yönetmelik kapsamında yeni binaların uygulanacak yazılım<br />

programına (BEP-TR) göre yapılan hesaplamalarda D sınıfı ve altında olan yeni<br />

binalar inşa edilmeyecektir. Bu nedenle özellikle yeni binalarda enerji verimliliğini<br />

artırıcı önlemler alınması zorunlu hale gelmiştir. Bu kriterlere uyabilmek için binanın<br />

ısıl kütlesini artıracak yeni bina yapı malzemelerine ihtiyaç vardır.<br />

1.2.Termal Enerji Depolama (TED) Yöntemleri<br />

TED sistemleri, enerjinin verimli bir şekilde depolanmasını ve ihtiyaç<br />

duyulduğunda bu enerjinin kullanılmasını hedefler. Depolanan bu enerjinin etkin bir<br />

şekilde kullanılması için verimli ve ekonomik bir yöntemin seçilmesi çok önemlidir.<br />

4


1. GİRİŞ Sibel KURT<br />

Termal enerji bir maddeyi oluşturan atom veya moleküllerin kinetik ve<br />

potansiyel enerjilerinin toplamıdır. Atomik veya moleküller titreşim sonucunda<br />

oluşur ve bu enerjinin aktarımı sıcaklık farkından kaynaklı ısı akışıyla<br />

gerçekleşir(Dikici, 2004).<br />

Termal enerjiyi depolamak için temelde üç yöntem kullanılmaktadır. Bunlar;<br />

duyulur, gizli ve termokimyasal ısı depolamalarıdır. Bu yöntemler birim hacimde<br />

depolayabildikleri enerji bakımından ayrılırlar(Lane, 1983). Termal enerjinin<br />

depolanması için genel olarak kullanılan yöntemler Şekil 1.3’ de şematik olarak<br />

verilmiştir.<br />

Şekil 1.3.Termal enerji depolama yöntemleri<br />

1.2.1. Termal Yöntem<br />

1.2.1.1.Duyulur Isı Depolama<br />

TED<br />

Termal Termokimyasal<br />

Gizli Isı Duyulur Isı Tersinir Tepkimeler<br />

Maddenin sıcaklığındaki değişimden faydalanılarak depolama yapılır.<br />

Depolanabilecek ısının miktarı; ortamın ısı kapasitesine, sıcaklıktaki değişim<br />

miktarına ve depolama materyalinin miktarına bağlıdır. Duyulur ısı, katı, sıvı veya<br />

katı-sıvı hibrit materyallerde depolanabilir. Isı depolama maddesinin sıcaklığı<br />

enerjinin depolanması ve salınımı süresince değiştiği için depolama ortamının<br />

5<br />

Absorbsiyon<br />

Adsorbsiyon


1. GİRİŞ Sibel KURT<br />

sıcaklığının da değişmesine neden olur. İlk sıcaklığı Ti ve kütlesi m olan bir<br />

maddenin sıcaklığı Ts sıcaklığına kadar ısıtılırsa depolanan duyulur ısı miktarı:<br />

Q = mCpdT = mCp (Ts - Ti) = vgCp∆T (1.1)<br />

Eşitlikte v maddenin hacmi (m 3 ), g maddenin yoğunluğu (kg/m 3 ), Cp sabit<br />

basınçtaki maddenin özgül ısısıdır. Eşitlikten de anlaşılacağı gibi belli bir hacimde ve<br />

∆T sıcaklık farkında depolanacak ısının miktarı maddenin hacimsel özgül ısısı (g.Cp)<br />

ile doğru orantılıdır(Dinçer ve Dost, 1996).<br />

Duyulur ısı depolamasında kullanılan sıvılar; su, etilen glikol, su-etilen glikol,<br />

ötektik karışımlar ve bazı alkollerdir(Paksoy, 1992). Duyulur ısıda yaygın olarak<br />

kullanılan sıvılar arasında; en ucuz ve bol miktarda bulunan ayrıca kullanıldığında da<br />

sağlığı tehdit edecek bir yapıya sahip olmayan madde olarak su örneği verilebilir. Su<br />

birim hacimde oldukça yüksek miktarda ısı depolayabilir(Kovach, 1976).<br />

Çizelge 1.2. Bazı duyulur ısı depolama materyallerinin ısıl-fiziksel özellikleri<br />

(Dinçer,2002; Kılkış ve Kalkaç; Yang, 1989)<br />

Yoğunluk(kg/<br />

m 3 )<br />

Isı iletim<br />

katsayısı(W/m)<br />

6<br />

Özgül<br />

ısı(J/kgK)<br />

Isı yayılım<br />

katsayısı<br />

(10 -6 /s)<br />

Isı<br />

kapasitesi<br />

(10 6 J/m 3 )<br />

Odun 721 0,159 1260 0,17 0,91<br />

Beton 1600 0,790 840 0,59 1,34<br />

Tuğla 1920 0,900 790 0,59 1,52<br />

Cam 2702 0,760 837 0,33 2,27<br />

Aliminyum 2702 2237,000 903 97,13 2,44<br />

Karbonçeliği<br />

(Mn≤%1,Si


1. GİRİŞ Sibel KURT<br />

1.2.1.2. Gizli Isı Depolama<br />

Gizli ısı depolama; maddenin faz değişim süresi boyunca depolanan ya da<br />

yayılan ısıdır. Uygun sıcaklık aralıklarında depolama materyalinin faz değiştirmesi<br />

ile ortaya çıkan gizli ısı depolanabilir. Depolama katı-sıvı, katı-katı ve katı-buhar<br />

dönüşümleri kullanılarak gerçekleştirilebilir. Katı durumdaki materyal kristalleşerek<br />

diğer bir katı faza dönüştüğünde kristalleşme ısısı şeklinde ısı depolanabilir. Katı-<br />

katı faz değişimi sırasında açığa çıkan gizli ısı miktarı azdır. Sıvı-buhar şeklinde<br />

açığa çıkan gizli ısı miktarı fazladır ama uygulamada gaz fazın depolanması için,<br />

basınçlı kapların kullanılması gibi sorunlar gizli ısının depolanmasını sınırlandırır.<br />

Ayrıca katı-buhar ve sıvı-buhar şeklinde gerçekleşen faz değişimlerinde hacim<br />

değişiminin fazla olması gibi sorunlarla karşılaşılmaktadır.<br />

Gizli ısı depolamanın diğer termal enerji depolama tekniklerine göre üstün<br />

yönleri şu şekilde sıralanabilir:<br />

• Duyulur ısı depolamaya göre termal enerji depolama kapasitesi yüksektir, ısı<br />

deposu hacmi daha küçüktür.<br />

• Faz Değiştiren Madde (FDM) olarak kullanılan maddelerin birim kütlelerinin<br />

termal enerji depolama kapasiteleri daha yüksektir. Faz değiştirme sıcaklıkları,<br />

sabit sıcaklıkta depolama ve geri kazanma için uygundur.<br />

• Gizli ısı depolama yöntemi, sabit sıcaklıkta ısı gerektiren maddeler için<br />

uygundur.<br />

Gizli ısı depolama sistemleri şu aşamalardan oluşur(Öztürk, 1997 );<br />

• FDM olarak kullanılacak maddenin seçimi<br />

• FDM de depolanan ısının uygulama ortamına geçişi için ısı değiştirici tasarımı.<br />

1.3.Faz Değiştiren Maddeler (FDM)<br />

Herhangi bir maddenin faz değişimi esnasındaki gizli ısısından faydalanarak<br />

termal enerjinin depolanmasında kullanılan malzemelere literatürde FDM (Faz<br />

7


1. GİRİŞ Sibel KURT<br />

Değiştiren Madde) adı verilmektedir. FDM’ler sabit bir sıcaklık aralığında depolama<br />

olanağı sağlayarak, erime sıcaklığına bağlı olarak hem ısıtma hem de soğutma amaçlı<br />

kullanılabilirler(Feldman ve ark., 1986). FDM’lerin; yüksek ergime ısısına sahip,<br />

tersinir erime donma döngüsünü tamamlayan, tekrarlanan erime donma döngüsünde<br />

bozunmayan, korozif olmayan, yanmayan, toksik olmayan ve patlamayan, iyi termal<br />

iletkenliğe sahip, aşırı soğuma göstermeyen ve ucuz olmaları tercih edilir.<br />

Faz değiştiren maddeler inorganik ve organik olmak üzere ikiye<br />

ayrılır(Şekil1.3).<br />

Şekil 1.3. Faz değiştiren materyallerin sınıflandırılması (Kakaç ve ark., 1989)<br />

İnorganik tuzların ergime ısıları yüksektir. Organik bileşiklerin ergime<br />

sıcaklığı geniş aralıkta yer alır. Bununla birlikte, ısı depolama kapasiteleri daha<br />

düşüktür. Organik bileşiklerin birim hacimlerinin ısı depolama kapasiteleri,<br />

inorganik tuzlarınınkinin yaklaşık yarısı kadar olup, 150–200 MJ/m 3 arasında değişir.<br />

Tuz hidratlarının ısı depolama kapasiteleri 250-400 MJ/m 3 arasındadır(Paksoy ve<br />

ark., 1995).<br />

İNORGANİK<br />

BİLEŞİKLER<br />

Tuz Hidratları Diğer<br />

İnorganikler<br />

Klarit Hidratları<br />

Yarı Klarit<br />

Hidratları<br />

Faz Değiştiren<br />

Materyaller<br />

8<br />

ORGANİK<br />

BİLEŞİKLER<br />

Parafinler Parafin Olmayan<br />

Organikler<br />

Yağ Asitleri<br />

Parafin Olmayan<br />

Diğer Organikler


1. GİRİŞ Sibel KURT<br />

1.4.Binalarda Termal Enerji Depolama Yöntemi<br />

Binalarda enerji tüketiminin azaltılması ve yenilenebilir kaynaklardan<br />

yararlanılması için son yıllarda faz değiştiren maddelerde (FDM) termal enerji<br />

depolaması konuları araştırılmaktadır(Khudhair ve Farid, 2004). FDM’nin yapı<br />

elemanlarında ve malzemelerde kullanımı bina ısıl kütlesini arttırarak, ısıtma ve<br />

soğutma yüklerini azaltabilmektedir.<br />

Bina yapı malzemesine eklenen FDM gündüz bina kabuğunun ısınmasıyla<br />

erirken bina içine daha az ısı girişine neden olur. Gece dış ortam sıcaklığının<br />

düşmesiyle donan FDM ısı salarak binanın ısınmasına katkı sağlar. Böylece güneş<br />

enerjisinden pasif olarak yararlanma imkânı sağlanır ve bina içinde daha homojen bir<br />

sıcaklık dağılımı elde edilir. Böylece hem ısıtma ve soğutma enerjisinden tasarruf<br />

sağlanırken hem de elektrik enerjisine duyulan ihtiyaç azaltılabilmektedir.<br />

1.5.Çalışmanın Amacı<br />

Bu çalışmada enerji tasarrufu sağlamak ve enerji verimliliğini arttırmak için,<br />

beton karışımlarda FDM’ler kullanılarak yeni nesil bina malzemelerinin<br />

geliştirilmesi hedeflenmektedir.<br />

Bina yapı malzemesinde kullanılan FDM ile güneş enerjisinden pasif olarak<br />

yararlanma imkânı sağlanırken bina içinde daha homojen bir sıcaklık dağılımı daha<br />

düşük maliyetle elde edilir. Geliştirilecek FDM’li bina yapı malzemelerinin yaygın<br />

kullanılması ile fosil yakıt tüketimi azaltılarak hem son tüketiciye, hem de ülke<br />

ekonomisine katkılar sağlanabilecektir. Fosil yakıt tüketiminin azaltılmasına bağlı<br />

olarak CO2 ve NOx gibi sera gazı emisyonları da azaltılacaktır<br />

Bu hedefe yönelik çalışmanın amacı, binalarda konfor sıcaklığına uygun<br />

FDM’ler seçilerek bina yapı malzemesi olan beton içerisinde kullanılmasının<br />

betonun mekanik dayanımına, ısıl performansına, ısı depolama kapasitesine ve<br />

hidratasyon sıcaklığına etkilerini araştırmaktır.<br />

9


1. GİRİŞ Sibel KURT<br />

10


2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sibel KURT<br />

2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR<br />

Enerjinin verimli kullanımı ve tasarrufu için termal enerji depolama (TED)<br />

çeşitli alternatifler sunmaktadır (Dincer ve Rosen, 2002. Paksoy, 2007). TED<br />

duyulur ısı ve gizli ısı olmak üzere iki temel yöntemle yapılabilir (Abhat,1983). Kısa<br />

süreli (gece-gündüz) depolama için gizli ısı depolamanın daha uygun olduğu yapılan<br />

çalışmalarla ortaya konulmuştur (Manz ve ark.,1997). Uzun süreli (mevsimlik)<br />

depolama için ise duyulur ısı depolama önerilmektedir (Abhat,1983). Gizli ısı<br />

depolamada maddenin faz değişimi sırasında aldığı ve verdiği enerjiden<br />

faydalanılarak depolama yapılır. Enerji alan madde erir ve tekrar donarken aldığı bu<br />

enerjiyi geri verir. Böylece ortam sıcaklığı faz değişim sıcaklığına çok yakın bir<br />

sıcaklık aralığında tutulmuş olur. Faz Değiştiren Maddeler(FDM) termal enerjiyi<br />

gizli ısı şeklinde depolayan maddelerdir. FDM’ler hem ısıtma hem de soğutma<br />

sistemlerinde uygulanabilir. FDM’lerin sabit sıcaklıkta faz değiştirebilmeleri ısı<br />

depolama ve geri kazanma için elverişlidir (Abhat,1983, Farid, 2004).<br />

Binalarda enerji tüketiminin azaltılması ve yenilenebilir kaynaklardan<br />

yararlanılması için son yıllarda FDM’lerin binalarda yapı elemanlarında (asma tavan,<br />

zemin, sandviç panel gibi)ve yapı malzemelerinde(alçı plaka, sıva, beton karışımları<br />

gibi) uygulanmasıyla ilgili çeşitli araştırmalar yapılmaktadır (Khudhair ve Farid,<br />

2004).<br />

Banu ve arkadaşları 1998 yılında, ağırlıkça %20 FDM kullanarak<br />

hazırladıkları alçı plakanın gizli ısı depolama kapasitesini belirlemek amacıyla<br />

diferansiyel taramalı kalorimetre(DSC) cihazından yararlanmışlardır. DSC<br />

analizlerinin FDM’li alçı plakaların ısıl özelliklerinin belirlenmesinde yeterli olduğu<br />

gözlenmiştir.<br />

Lee ve arkadaşlarının 1999 yılında yaptıkları çalışmada, iki farklı faz<br />

değiştiren materyal beton bloklar içerisine emdirilmiş ve termal performansları<br />

geneksel beton bloklar ile karşılaştırılarak incelenmiştir. Faz değiştiren madde olarak<br />

Butil Sterat ve Parafin kullanılmıştır. FDM-beton karışımlarının karakteristikleri<br />

kıyaslamalı olarak incelenmiştir.<br />

11


2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sibel KURT<br />

Faz değiştiren maddeler(FDM) binalarda yapı elemanlarında ve yapı<br />

malzemelerinde yalıtımı artırmakta kullanılabilir. Yapı elemanlarına içinde faz<br />

değiştiren madde bulunan uygun bir ısı değiştirici eklenmesi, binaların yapımı<br />

sırasında yapı malzemesine kapsüllenmiş FDM lerin karıştırılması gibi konularda<br />

araştırma geliştirme çalışmaları devam etmektedir(Schossig 2003, Kondo 2003).<br />

Yaz aylarında soğutma yükünün azaltılması ve aşırı ısınmanın engellenmesi<br />

amacıyla yapılan bir çalışmada sıva içerisine erime sıcaklığı 25 o C olan<br />

mikrokapsüllenmiş FDM eklenmiştir(Schossing 2003). 2002 yılında alınan<br />

ölçümlerde referans odasının sıcaklığı 50 saat boyunca 28 o C’nin üzerindeyken,<br />

FDM’li test odasının sıcaklığının sadece 5 saat boyunca 28 o C’nin üzerinde olduğu<br />

gözlemlenmiştir. Böylece aktif soğutma sistemine olan ihtiyaç azaltılmıştır.<br />

Rosanna ve ark. (2004) çeşitli yağ asitleri ve karışımlarının güneş enerjisi<br />

termal uygulamaları için geliştirilmesini araştırmışlardır. Düşük sıcaklıktaki<br />

uygulamalar için yağ asitlerinin termodinamik ve kinetik özelliklerinin uygun<br />

olduğunu belirtmişlerdir. Ibanez ve ark. (2005) binalarda FDM kullanımının binanın<br />

enerji dengesine etkilerini incelemek için TRNSYS programıyla simulasyonlar<br />

yapmışlardır. Modelleme sonuçları FDM paneller kullanılan bir prototip binadan<br />

elde edilen deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır.<br />

Binalarda ısıl kütleyi arttırmak için FDM’ler, alçı ya da beton gibi gözenekli<br />

yapı malzemeleri içerisine emdirilerek, kullanılmıştır. FDM’nin binanın ısıl<br />

davranışına katkıları, iklim koşullarına, bina tasarımına, ve aynı zamanda FDM’nin<br />

seçimine ve miktarına bağlıdır. Bu etkileri belirlemek için bir simülasyon programı<br />

gerekmektedir. İbanez ve arkadaşlarının 2004 yılında yaptıkları çalışmada, FDM’li<br />

bina elemanlarının enerji simülasyonu için kullanılan TRNSYS programı<br />

sunulmuştur. Bu yöntemde FDM’li materyal içerisindeki gerçek transfer süreçlerinin<br />

bir simülasyonu değil, binanın tüm enerji dengesindeki FDM’li duvar/tavan/zemin<br />

etkisini değerlendirmek hedeflenmiştir. Bu yöntem, FDM‘li beton panellerle<br />

oluşturulan prototip bir odada uygulanmıştır. Sonuçlarda, prototip odanın tavanına ve<br />

batı duvarına eklenen FDM, maksimum hava sıcaklığı için panellerin gereken<br />

depolama kapasitesi yaklaşık 15.000 kJ/m 3 ve 37.500 kJ/m 3 azaltmıştır. Bu<br />

uygulamanın tasarımı ve iklim koşulları için kullanılan FDM’nin faz değişim<br />

12


2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sibel KURT<br />

sıcaklığının 25 o C ve 27.5 o C arasında olması gerektiği belirlenmiştir. Bunlar göz<br />

önüne alındığında, ortalama maksimum ortam sıcaklığının yaklaşık 3 o C azaldığı<br />

görülmüştür.<br />

Castellon ve arkadaşlarının 2005 yılında yaptıkları çalışmada erime noktası<br />

26 o C olan mikrokapsüllenmiş FDMler yapı malzemesi olarak hazırlanan beton<br />

içerisine karıştırılmıştır. Dış ortam sıcaklığının en fazla 32 o C olduğu günlerde<br />

ölçümler alınmıştır. FDM’ siz iç ortam sıcaklığı 39 o C FDM’ li iç ortam sıcaklığı ise<br />

en fazla 36 o C’ye ulaşmıştır. FDM yardımı ile 3 o C lik bir yalıtım sağlanmıştır.<br />

Özonur ve ark. (2006) termal enerji depolama için kompleks koaservasyon<br />

yöntemleri ile parafinin ve yağ asitlerinin mikrokapsüllerini hazırlamışlardır. Bu<br />

çalışmada, mikrokapsülleme verimini etkileyen parametreler üzerinde durulmuştur.<br />

Kapsül boyutunu etkileyici parametrelerin, karıştırma hızı, süresi ve dış duvar<br />

materyallerinin sıcaklığı olduğu gözlemlenmiştir. Hazırlanan mikrokapsüllerin<br />

erime-donma çevrimi sırasında fiziksel olarak bozulmadığı gözlemlenmiştir.<br />

Cabeza ve arkadaşlarının(2006) FDM’li yeni nesil bina malzemelerinin<br />

termal özelliklerini inceledikleri çalışmada, erime noktası 26 o C olan faz değiştiren<br />

bir madde kullanılmıştır ve binalarda enerjini korunmasını sağlayacak bir ürün<br />

geliştirme amacı ile Leida’nın Puigverd bölgesinde(İspanya) iki beton bina inşa<br />

edilmiştir. Bu çalışmaların sonucunda, mirokapsüllenmiş FDM li duvarlar ile<br />

FDM’siz geleneksel betonlar karşılaştırılmış, hem termal durumun hem de düşük<br />

sıcaklığın iyileştirildiği görülmüştür.<br />

Voelker ve arkadaşlarının 2007 yılında yaptığı çalışmada, bazı binaların fazla<br />

ısınımını engellemek amacıyla oda sıcaklığını azaltmak için alçı taşı ve bir tuz<br />

karışımı kullanılmıştır. Bu nedenle bir test odası inşa edilmiştir ve farklı koşullar<br />

altında ölçümler alınmıştır.<br />

Zamalloa ve arkadaşlarının 2009 yaptığı çalışmada yeni bir alçı geliştirilmiş<br />

ve içerisine faz değiştiren madde eklenmiştir. Bu yeni materyalin mekanik özellikleri<br />

incelenmiştir. Sonuçlarda termal salınım azaltılmıştır. Ayrıca binanın enerji ihtiyacı<br />

soğutmada % 30 ve ısıtmada % 10-15 e yakın azaltılmıştır.<br />

Chen ve arkadaşları 2007 yılında duvarda enerji depolama uygulamalarında<br />

kullanılmak üzere, faz değişim sıcaklığı 23 o C ve faz değişim entalpisi 60 kJ/kg olan<br />

13


2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sibel KURT<br />

bir FDM ile çalışmışlardır. FDM odasının ısı transfer problemlerinin çözümü ve<br />

analizi için MATLAB hesaplama ve simülasyon programı kullanılmıştır. Çalışmada<br />

üç farklı bina malzemesi kullanılmıştır. Sadece alçı materyalinin kullanıldığı 1.<br />

örnekte merkezi sıcaklık yaklaşık 23 o C iken ısı depolama süresi en kısa ve 20<br />

dakikadır. FDM ve alçı karışımından oluşan 2. örneğin ısı depolama kapasitesi 1.<br />

örneğe göre daha güçlüdür ve merkezi sıcaklık 23 o C iken depolama süresi 140<br />

dakikadır. %100 FDM’den oluşan üçüncü örneğin ısı depolama kapasitesi en<br />

güçlüdür ve 200 dakikadır. Elde edilen deney sonuçlarına göre FDM miktarı arttıkça<br />

yeni materyalin ısı depolama/salınım gücü artmıştır. FDM kullanımı sadece iç konfor<br />

sıcaklığını arttırmakla kalmamış aynı zamanda güneş ışınımı kullanım oranını da<br />

arttırmıştır.<br />

Zhou ve arkadaşları 2007 yılında yaptıkları çalışmada iki farklı FDM<br />

kompozitinin termal performansı, FDM-alçı ve FDM plaka, bir entalpi modellemesi<br />

ile Beijing’ de kurulan pasif güneş bina içersinde değerlendirilmiştir. FDM’nin faz<br />

değişim aralığı ve erime sıcaklığına etkileri analiz edilmiştir ve iki tip FDM<br />

kompozitleri birbirleri ile kıyaslanmıştır. Sonuçlarda FDM’nin optimum erime<br />

sıcaklığı 21 o C olarak belirlenmiştir ve FDM kompozitlerin dar bir faz değişim<br />

bölgesinde daha iyi termal performans sağladığı gözlenmiştir. FDM plakalar, FDM-<br />

alçı kompozitlerle kıyaslandığında FDM- alçı kompozitlere göre depolamada daha<br />

hızlı yanıt vermiştir ve gizli ısının termal olarak daha etkin olduğu kanıtlanmıştır.<br />

Konuklu ve Paksoy’un 2009 yılında yaptığı çalışmada, Adana’ da bir test<br />

kabininin ısıtma soğutma yüklerindeki azalmayı ölçmek için sandiviç panellerde faz<br />

değiştiren madde geliştirilmesi ve test edilmesi ile ilgili çalışma yapılmıştır. Deney<br />

kabininde kullanılan panel mikrokapsüllenmiş faz değiştiren madde katmanı ile<br />

birlikte izolasyon panelinden oluşmuştur. Erime noktaları 26 ve 23 o C olan iki farklı<br />

faz değiştiren madde kullanılmıştır. Yaz ve kış aylarında kabinin dört farklı yerinden<br />

ölçümler alınmıştır. Sadece FDM kullanılarak alınan yaz ölçümlerinde sıcaklık 2,5 C<br />

ve soğutma yükü % 7 azaltılmıştır. FDM sandiviç panel kullanılarak alınan kış<br />

ölçümlerinde kabin sıcaklığı 2.2 o C ve ısıtma yükü % 17 azaltılmıştır.<br />

Betonun ısıl performansına katkısının yanı sıra beton karışımına %5 oranında<br />

eklenen mikrokapsüllenmiş FDM’nin hidratasyon tepkimesi sonucu sıcaklık<br />

14


2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sibel KURT<br />

yükselmesini %28 oranında azaltmıştır. Ancak FDM miktarının<br />

arttırılmasıyla(Çizelge 2.1) mekanik dayanımın azaldığı görülmüş, en fazla ağırlıkça<br />

%3 mikrokapsüllenmiş FDM içeren beton karışımının uygulanabileceği<br />

belirlenmiştir. Mikro yapısal analiz sonucunda mikrokapsüllerin taze beton<br />

karışırken kırıldığı, mikrokapsül içindeki parafinin beton yapı içinde dağıldığı<br />

görülmüştür. Bu durumun suyun iletimini engelleyerek hidratasyon tepkimesinin<br />

kesintiye uğramasına ve betonun 28 günlük basınç dayanımını azalttığı<br />

düşünülmektedir (Hunger ve ark., 2009).<br />

Çizelge 2.1. FDM’li ve FDM’siz beton karışımların kütleleri (kg)<br />

Şahit %1 FDM %3 FDM %5 FDM<br />

Ultrafin 12 149,9 149,9 149,9 149,9<br />

CEM 1 42,5 R 299,7 299,7 299,7 299,7<br />

Mermer tozu 170,2 98,0 0,0 0,0<br />

FDM 0,0 23,3 70,0 113,7<br />

0-1mm kum 139,6 139,6 139,6 139,6<br />

0-4mm kum 655,3 655,3 655,3 655,3<br />

2-8mm çakıl 387,1 387,1 387,1 387,1<br />

4-16mm çakıl 319,6 319,6 319,6 319,6<br />

Glenium 51 3,1 3,1 2,4 2,9<br />

Su 203,2 207,4 211,5 248,4<br />

Hava - - - -<br />

Alçı plaka içerisine FDM eklenerek yapılan bir diğer çalışmada, erime<br />

sıcaklığı 28 o C olan mikrokapsüllenmiş FDM kütlece %23, %30 ve %40 olarak alçı<br />

plaka içerisine eklenmiştir. FDM’li alçı plakanın yoğunluğu, gizli ısısı, erime<br />

sıcaklığı ve ısı transfer ölçümleri alınmıştır(Lai ve ark., 2010).<br />

15


2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Sibel KURT<br />

16


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

3. MATERYAL VE METOD<br />

3. 1. Materyal<br />

Bu çalışmada betonun ısıl özelliklerini iyileştirmek amacı ile eklenen Faz<br />

Değiştiren Maddenin betonun fiziksel ve kimyasal yapısına etkileri araştırılmıştır. Bu<br />

amaçla aşağıdaki materyal grupları kullanılmıştır:<br />

• Faz değiştiren maddeler<br />

• Beton karışım malzemeleri<br />

o Çimento, su, çakıl, kum ve akışkanlaştırıcı kimyasal katkı<br />

Ayrıca mekanik dayanım testleri için beton kalıp malzemesi, çökme deneyi<br />

için kesik koni ve ısıl deneyler için yalıtım malzemesi de kullanılmıştır.<br />

3.1.1. Mikrokapsüllenmiş Faz Değiştiren Maddeler<br />

Bina yapı malzemesi olan harçlar ile birlikte kullanılacak FDM seçiminde<br />

öncelikle bina için uygun konfor sıcaklığı belirlenmelidir. Bu sıcaklık iklime bağlı<br />

olup %50 bağıl nem ve 20 ile 25 0 C olarak kabul görmektedir. FDM’nin faz<br />

değiştirme aralığı belirlenirken bu iklim kriteri dikkate alınır. Yapılan araştırmalar<br />

sonucunda konfor sıcaklığına uygun olan ticari olarak üretilen iki adet<br />

mikrokapsüllenmiş FDM belirlenmiştir. Bu çalışmada Çizelge 3.1’de verilen BASF<br />

ürünü iki adet mikrokapsüllenmiş parafin kullanılmıştır.<br />

Çizelge 3.1.Mikronal FDM’lerin özellikleri<br />

Mikrokapsüllenmiş PCM Erime Sıcaklığı Gizli Isı (yaklaşık)<br />

Mikronal PCM 5001 26 o C 110 kJ/kg<br />

Mikronal PCM 5008 23 o C 110 kJ/kg<br />

17


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

3.1.2.Beton Karışım Malzemeleri<br />

Beton; çimento, su, agrega ve kimyasal veya mineral katkı maddelerinin<br />

homojen olarak karıştırılmasından oluşan, başlangıçta plastik kıvamda olup, şekil<br />

verilebilen, zamanla katılaşıp sertleşerek mukavemet kazanan bir yapı<br />

malzemesidir(www.ito.org.tr). Betonu oluşturan hammaddelerin yaklaşık olarak<br />

ağırlıkça oranları Şekil 3.1’de gösterilmiştir.<br />

Şekil 3.1. Betonu oluşturan hammaddelerin ağırlıkça oranları<br />

3.1.2.1. Çimento<br />

Çimento betonu oluşturan temel maddelerden biridir. “Su ile karıştırıldığında<br />

hidratasyon reaksiyonları ve prosesler nedeniyle priz alan ve sertleşen bir hamur<br />

oluşturan ve sertleşme sonrası suyun altında bile dayanımını ve kararlılığını koruyan,<br />

inorganik ve ince öğütülmüş hidrolik bağlayıcıdır. Bu standarda uygun çimento CEM<br />

çimentosu olarak adlandırılır.” (www.bayindirlik.gov.tr). Bu çalışmada TS EN 206-1<br />

standardında beton karışımlarını hazırlamak amacıyla TS EN 197-1 standartlarına<br />

uygun Oyak Çimento tarafından üretilen CEM I 42,5 R çimento kullanılmıştır.<br />

Çimentonun nem alarak topraklaşmaması için özel kaplarda muhafaza edilmiştir.<br />

Kullanılan CEM I 42,5 R çimentosuna ait kimyasal özellikler Çizelge 3.2’de ve<br />

fiziksel özellikler de Çizelge 3.3’de verilmiştir.<br />

18


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

Çizelge 3.2.Kullanılan çimentonun kimyasal bileşimi<br />

Kimyasal Analiz Analiz Sonuçları (%)<br />

SiO2<br />

Al2O3<br />

Fe2O3<br />

19<br />

18.26<br />

5.49<br />

4.11<br />

CaO 62.74<br />

MgO 2.58<br />

SO3<br />

2.73<br />

Kızdırma Kaybı 2.26<br />

Na2O 0.17<br />

K2O 0.77<br />

Çizelge 3.3. Kullanılan çimentonun fiziksel özellikleri<br />

3.1.2.2. Su<br />

Donma Süresi<br />

İncelik<br />

Fiziksel Özellikler Sonuçlar<br />

Özgül Ağırlık (gr/cm 3 ) 3.17<br />

İlk(saat:dakika) 2:25<br />

Son(saat:dakika) 3:25<br />

Özgül yüzey (cm 2 /g) 3580<br />

0.090mm elekte kalıntı (%) 0.4<br />

0.045 mm elekte kalıntı(%) 5.5<br />

Beton karma ve temas suyu TS EN 1008 standartlarına göre içilecek su olarak<br />

belirlenmiştir. Ayrıca kullanılacak su, asit reaksiyonu göstermemeli, agresif karbonik<br />

asit, mangan bileşikleri, amonyum tuzları, serbest klor, organik maddeler ve endüstri<br />

atıkları bulundurmamalıdır. Bu amaçla, deneylerde karışım ve bakım suyu olarak<br />

şehir suyu şebekesinden alınan içme suyu kullanılmıştır.<br />

3.1.2.3. Akışkanlaştırıcı Kimyasal Katkı<br />

Taze beton ve harç karışımlarında işlenebilirliği sağlamak amacı ile yüksek<br />

oranda su azaltan, erken ve nihai yüksek dayanım ve dayanıklılığa gereksinim


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

duyulan hazır beton ve prefabrik beton endüstrisi için geliştirilmiş yeni nesil<br />

hiperakışkanlaştırıcı kullanılmıştır. Kullanılan hiperakışkanlaştırıcı polikarboksilik<br />

eter bazlı olup, Fluxer GTS 04A olup GÜNERCA kimya sanayi tarafından<br />

üretilmiştir. Hiperakışkanlaştırıcının kimyasal özellikleri Çizelge 3.3. de verilmiştir.<br />

Çizelge 3.4.Hiperakışkanlaştırıcının kimyasal özellikleri<br />

3.1.2.4. Agrega<br />

Özgül ağırlık (20 o C, g/ml) 1.06- 1.10<br />

Suda çözünebilen klor(%)


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

Şekil 3.2. Çökme deneyinde kullanılan kesik koni<br />

3.1.5. Yalıtım Malzemeleri<br />

Beton karışımın sıcaklık değişimini belirlenmesi için yalıtılmış 4 cm çapında,<br />

33.5 cm 3 hacminde polistiren örnek kapları kullanılmıştır.<br />

3.2. Metod<br />

Mikrokapsüllenmiş FDM’ lerin faz değiştirme aralıkları ve gizli ısılarının<br />

belirlenmesi gerekmektedir. Bu termofiziksel özelliklerinin belirlenmesi amacı ile;<br />

§ Su banyosu<br />

§ Veri kaydetme cihazı(Data-Logger)<br />

§ Diferansiyel Taramalı Kalorimetri(DSC)<br />

kullanılmıştır.<br />

3.2.1. FDM Seçimi<br />

Bina yapı malzemesi olan beton karışımları ile birlikte kullanılan FDM<br />

seçiminde öncelikle bina konfor sıcaklığı belirlenmelidir. FDM’nin faz değiştirme<br />

aralığı bu iklim şartlarına uygun olarak seçilmiştir.<br />

21


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

3.2.2. FDM Termofiziksel Özelliklerin Belirlenmesi<br />

Mikrokapsüllenmiş FDM’lerin faz değiştirme aralıkları ve gizli ısılarının<br />

belirlenmesi amacı ile Diferansiyel Taramalı Kalorimetri (DSC), veri kaydetme<br />

cihazı ve ısıtmalı soğutmalı su banyosu kullanılmıştır.<br />

DSC: Mikrokapsüllenmiş FDM’lerin gizli ısı ve erime noktası gibi termofiziksel<br />

özelliklerinin belirlenmesinde -170 o C ile 730 o C sıcaklık aralığında çalışılabilen<br />

Perkin Elmer Diamond marka DSC cihazından faydalanılmıştır (Şekil 3.3). DSC’nin<br />

teknik özellikleri Çizelge 3.5’de verilmiştir. DSC, örnek materyal ısıtılırken,<br />

soğutulurken veya sabit bir sıcaklıkta tutulurken soğurulan ya da salıverilen enerji<br />

miktarını ölçer. Örnek ve referans için ayrı fırınlar bulunmaktadır. Uygulanan<br />

sıcaklık programına göre ısıtma veya soğutma sırasında örnek ve referans arasındaki<br />

ısı akışında meydana gelebilecek faz değişimi gibi endotermik/ekzotermik<br />

değişimlere karşılık gelen enerji değişimi sıcaklığa bağlı olarak belirlenebilir.<br />

Şekil 3.3. Difarensiyel Taramalı Kalorimetri (DSC)<br />

22


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

Çizelge 3.5. Perkin Elmer Diamond DSC’nin Teknik Özellikleri<br />

Sıcaklık aralığı -170 o C ile 730 o C<br />

Sıcaklık doğruluğu ± 0.1 o C<br />

Sıcaklık çözünürlüğü ± 0.01 o C<br />

Izleme hızı 0.01 o C ile 500 o /dak.<br />

Kalorimetre doğruluğu


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

Su Banyosu: Çalışmalar sırasında gerçekleşen termal çevrimlerin faz değiştiren<br />

maddeler üzerindeki etkilerini incelemek amacı ile Huber marka CC3<br />

programlanabilir ısıtmalı soğutmalı su banyosu kullanılmıştır.<br />

Su banyosunun çalışma aralığı -30 o C ile +200 o C arasındadır. İki farklı<br />

sıcaklık değeri arasında belirlenen zaman aralıkları içinde kendiliğinden birinci<br />

zaman periyodunda ısıtma ve ikinci zaman periyodunda soğutma yapabilmekte bu<br />

döngü sistem kapatılıncaya kadar tekrar edilebilmektedir.<br />

Soğuma eğrisi elde etmek için banyo ortamında içinde FDM bulunan tüpler,<br />

FDM’nin donma aralığının altına gelene kadar soğutulmuştur ve bu sırada sıcaklık<br />

verileri zamana bağlı olarak veri kaydetme sistemi tarafından (CR10X Data-Logger)<br />

tarafından kaydedilmiştir. Isınma eğrisi de benzer bir şekilde tüplerin banyoda erime<br />

aralıklarının üstüne kadar ısıtılmaları sırasında sıcaklık verilerinin zamana bağlı<br />

olarak kaydedilmesi ile elde edilmiştir.<br />

Şekil 3.5. Huber marka CC3 su banyosu<br />

24


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

3.2.3. FDM’li ve FDM’siz Beton Karışımlarının Hazırlanması<br />

Çalışmada su/çimento oranı 0,38 olan ve içerisine %0(şahit), %1, %2, %3, %5<br />

ve %10 olmak üzere Faz Değiştiren Madde eklenerek birbirinden farklı beton<br />

karışımları elde edilmiştir(Çizelge 3.6). Karışım miktarlarının hesabı TS 802’ de<br />

verilen metoda göre yapılmıştır.<br />

Çizelge 3.6.Standart küp beton numunelerin gram cinsiden yaklaşık kütleleri<br />

MALZEME ŞAHİT 1% 2% 3% 5% 10%<br />

KATKI 1(PCE) 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9 1,9<br />

KATKI 2(FDM) 0,0 1,2 2,2 3,2 4,2 5,4<br />

0-3 KAYA<br />

KIRMASI<br />

5-10 KAYA<br />

KIRMASI<br />

376,6 371,2 182,9 180,2 174,8 161,4<br />

258,4 254,8 251 247,4 240 221,4<br />

SU 65,8 65,5 65,4 65,2 64,8 64<br />

ÇİMENTO 157,6 157,6 157,6 157,6 157,6 157,6<br />

TOPLAM<br />

AĞIRLIK<br />

860,3 852,2 843,9 835,7 818,1 773,1<br />

Beton karışımı hesabı yapılmasından sonra kullanılacak agregalar için elek<br />

analizi deneyi yapılmıştır. Karışımda kullanılan 0-3 mm kaya kumunun 5-10 mm<br />

kaya kırmasının eleklerden geçen yüzde değerleri ve granülometri eğrisi TS 706<br />

standartlarına belirlenmiştir.<br />

Beton karışımlarının üretiminde agregalar bir süre kuru olarak karıştırılmış ve<br />

üzerine çimento ilave edilerek biraz daha karıştırılmıştır. Daha sonra hiper<br />

akışkanlaştırıcı katkı maddesi karışım suyu içerisinde karışıma ilave edilmiştir.<br />

Kapsüllerin kırılmasını önlemek amacı ile faz değiştiren madde karışım içerisine en<br />

son dahil edilmiştir.<br />

25


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

Hazırlanan beton karışımları 0., 30. ve 60. dakikalarda çökme yayılma ve<br />

kıvam takibi testlerine tabi tutulmuştur.<br />

Hazırlanan beton karışımları bir kısmı basınç dayanım testlerinde kullanılmak<br />

üzere 15x15x15 cm ebatlarında küp numunelere ve diğer kısmı ise termal testlerde<br />

kullanılmak üzere 7x7x7 cm ebatlarındaki küp numunelere yerleştirilerek TS EN<br />

12390-2’ ye uygun olarak kür odasında küre tabi tutulmuştur.<br />

3.2.4. Mekanik Dayanım Testleri<br />

FDM’li ve FDM’siz beton karışımlarının mekanik özelliklerinin<br />

belirlenmesinde Çukurova Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi İnşaat<br />

Mühendisliği laboratuarlarında basınç dayanımı mekanik testi yapılmıştır.<br />

3.2.4.1. Betonun Basınç Dayanımının Belirlenmesi<br />

Basınç dayanımı gerilme cinsinden ifade edilir ve kırılma yükünün numune<br />

alanına bölünmesiyle elde edilir(Eşitlik 1):<br />

σ= P/A (3.1)<br />

Burada σ gerilmeyi (kg/cm 2 ), P yükü (kg) ve A (cm 2 ) numune kesit alanını<br />

göstermektedir.<br />

Betonun çekme dayanımı çok düşük olduğundan genellikle hesaplarda dikkate<br />

alınmaz. Beton için önemli olan, basınç dayanımı, dolayısıyla basınç altındaki<br />

gerilme-birim deformasyon (σ- ε) ilişkisidir. Bu amaçla hazırlanacak 15x30 cm’lik<br />

standart silindir numunelerin eksenel basınç altındaki denenmesinden σ- ε eğrilerinin<br />

elde edilmesi gerekmektedir. Eşitlik 1 kullanılarak gerilme hesaplanır, uygulanan<br />

yük kademeleri altında betonun birim deformasyonu da ölçülerek kaydedilir ve bu<br />

şekilde gerilme – deformasyon eğrisi de elde edilir (Şekil 3.6). Eğride fck, σ ve ε<br />

sırasıyla 28 günlük betonun basınç dayanımını, gerilmeyi ve birim boy değişimini<br />

ifade etmektedir.<br />

26


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

Şekil 3.6. Betonun basınç altındaki genel davranışı (Ersoy, 1985)<br />

Şekil 3.6’da gösterilen eğrinin özelliği, maksimum gerilme dayanımına karşılık<br />

olan birim kısalma, εco, aşıldığında, artan deformasyon altında gerilmelerin<br />

azalmasıdır. Kırılma anındaki birim kısalmaya (εcu) karşı olan gerilme, maksimum<br />

gerilmeden düşüktür. Betonun σ-ε eğrisinin kuyruk kısmı ihmal edilemeyecek kadar<br />

önemlidir. Bu davranış sayesinde betonarme bir elemanda maksimum gerilmeye<br />

ulaşan bir lif, artan birim kısalma ile gerilmeleri başka liflere aktarabilir. Bu durumda<br />

en fazla zorlanan dış liflerdeki ezilme, maksimum gerilmeye karşı olan εco birim<br />

kısalmasında değil, εcu’ da oluşacaktır. Betonun σ-ε eğrisinin kuyruk bölümünün<br />

varlığı, en fazla zorlanan liflerin daha az zorlanan liflere gerilme aktarabilme özelliği<br />

vardır. Maksimum gerilmeye karşılık olan birim kısalma, εco, beton dayanımından<br />

bağımsız olarak 0,002 mertebesindedir. Betonun σ-ε özellikleri beton dayanımı ile<br />

değişmektedir.<br />

Araştırma kapsamında yer alan, ıslak kür edilmiş FDM’li ve FDM’siz<br />

sertleşmiş standart küp beton numunelerin basınç dayanımları basınç test cihazı(Şekil<br />

3.7) kullanılarak test edilmiştir.<br />

27


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

Şekil 3.7. Basınç dayanım test cihazı<br />

3.2.5. Mikro Yapı Analizi<br />

Standartlara uygun beton karışımlarının hazırlanmasında, betonu oluşturan<br />

çimento, agrega ve eklenecek FDM boyutları önemlidir. Çimento tane boyutunun<br />

ince veya iri olması çimentonun özelliklerine etki etmektedir. Tane boyutunu çok<br />

ince olması durumunda çimento nem alarak hidratasyona başlayabilir, erken<br />

başlayan hidratasyon durumu betonun dayanımını olumsuz etkiler. Tanelerin iri<br />

olması durumunda ise hidratasyonun başlaması gerçekleşmeyebilir.<br />

Çimento tane boyutları 1-200μm arasında değişmektedir. Beton karışımı<br />

içerisine eklenecek mikrokapsüllenmiş FDM tane boyutlarının kullanılacak çimento<br />

taneleri ile uygunluk göstermesi gerekmektedir. Bu amaçla kullanılacak FDM’nin<br />

mikro yapı analizleri COXEM marka CX220 Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM)<br />

ile yapılmıştır. Ayrıca betona karıştırdıktan sonra mikrokapsüllerin kırılıp kırılmadığı<br />

SEM görüntüleriyle belirlenmiştir.<br />

3.2.6. Termal Performansın Belirlenmesi<br />

Hazırlanan FDM’li ve FDM’siz beton örneklerinin ve FDM örneklerinin<br />

termal performansının belirlenmek için ısı depolama kapasiteleri ve bir sıcaklık<br />

aralığındaki ısınma ve soğuma eğrileri belirlenmiştir.<br />

28


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

3.2.6.1 Isınma Soğuma Eğrileri<br />

Faz değiştiren maddelerin beton üzerindeki termal etkilerini incelemek amacı<br />

ile termostatlı su banyosu kullanılarak ısınma soğuma eğrileri incelenmiştir. Bu<br />

amaçla istenilen aralıkta ve hızda ısınmak ve soğumak üzere programlanan su<br />

banyosu içerisinde 7x7x7 cm ebatlarında FDM’li ve FDM’siz kür edilmiş standart<br />

küp beton numuneleri tek tek yerleştirilmiştir. Standart küp beton örnek kalıpları<br />

içerisine donma sırasında sensörler için kapiler boru yerleştirilmiştir. Bu borular<br />

içerisine yerleştirilen sensörler yardımı ile sertleşmiş beton karışım örneklerinin<br />

sıcaklık kontrollü su banyosu içinde sıcaklık değişimleri sıcaklık ölçer tarafından<br />

ölçülüp, veri kaydetme sistemi tarafından kaydedilerek, ısınma soğuma eğrileri elde<br />

edilmiştir.<br />

3.2.6.2 Beton Örneklerin Isı Depolama Kapasiteleri<br />

Beton örneklerin ısı depolama kapasitelerinin belirlenmesi için 30°C’ye<br />

ısıtılmış su banyosuna 7x7x7 cm ebatlarında FDM’li ve FDM’siz kür edilmiş<br />

standart küp beton numuneleri tek tek yerleştirilmiştir. Su banyosuyla beton örnekler<br />

termal dengeye gelene kadar banyo ve beton örneklerin sıcaklıkları sıcaklık ölçer<br />

tarafından ölçülüp, veri kaydetme sistemi tarafından kaydedilmiştir. Beton<br />

örneklerinin depoladığı ısıyı hesaplamak için su banyosu içindeki beton örnek için<br />

Eşitlik 3.2’de verilen enerji denkliği uygulanmıştır.<br />

q giren − q çÐkan− q üretilen = q depo<br />

Burada qgiren (J) beton örneğe giren, qçıkan (J) beton örnekten çıkan, qüretilen (J)<br />

beton örnekte üretilen ve qdepo (J) beton örnekte depolanan enerjileri göstermektedir.<br />

Banyonun tamamen yalıtılmış olduğu (qçıkan = 0) ve kür edilmiş beton örnekte ısı<br />

üretimi olmadığı(qüretilen = 0) kabul edildiğinde Eşitlik 3.2’den Eşitlik 3.3 elde edilir:<br />

29<br />

(3.2)


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

edilir.<br />

q giren = q depo<br />

30<br />

(3.3)<br />

Banyo sıvısından beton örneğe taşınımla aktarılan ısı ise Eşitlik 3.4 ile ifade<br />

q giren = hA(T ∞ − T) (3.4)<br />

Burada h (W/m 2 -K) taşınımla ısı transfer katsayısını, A(m 2 ) ısı transfer yüzey<br />

alanını, T∞ (°C) sabit banyo sıcaklığını ve T(°C) ise beton örnek sıcaklığını<br />

göstermektedir. Isı transfer yüzey alanı 7x7x7 cm ebatlarındaki küp şeklindeki<br />

yüzey alanına eşit olup 0,0294 m 2 dir. Beton örnekte depolanan ısı ise Eşitlik 3.5 ile<br />

gösterilir.<br />

q depo = m beton C p,beton<br />

∂T<br />

∂t (3.5)<br />

Burada mbeton (g) beton örneğin kütlesini, C p,beton (J/g-°C) betoun özgül<br />

ısısını, kısmi diferansiyeldeki T betonun sıcaklığını ve t ise zamanı göstermektedir.<br />

Eşitlik 3.3’e göre eşitlik 3.6 elde edilir.<br />

hA(T ∞ − T) = m beton C p,beton<br />

∂T<br />

∂t (3.6)<br />

Buradan integral alınarak beton sıcaklığının zamana bağlı dağılımı (T(t))<br />

Eşitlik 3.7’deki gibi elde edilir.<br />

−t<br />

τ<br />

T(t) = T∞ + (T0 − T∞ )e<br />

(3.7)


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

Burada T0 (°C) betonun ilk sıcaklığını ve τ ise Eşitlik 3.8’deki ifade edilen<br />

zaman sabitidir.<br />

τ = m betonC p,beton<br />

hA (3.8)<br />

Banyo sıvısından beton örneğe aktarılan ısıyı, dolayısıyla depolanan ısıyı<br />

hesaplamak için ise Eşitlik 3.9’dan yararlanılır.<br />

t<br />

τ<br />

qdepo = ∫ qin (t)dt = ∫ hA(T∞ − T(t))e dt<br />

0<br />

0<br />

(3.9)<br />

hesaplanabilir.<br />

t<br />

31<br />

−t<br />

Buradan integral alındığında elde edilen aşağıdaki 3.10 eşitliği ile qdepo<br />

−t<br />

τ qdepo = mbetonCp,beton (T∞ − T0 )(1 − e )<br />

(3.10)<br />

3.2.7. FDM Kullanımının Beton Karışımının Hidratasyon Tekimesine Etkisi<br />

3.2.7.1. Betonun Priz Alması Erken Döneminde Sıcaklık Değişimi<br />

Hidratasyon çimentonun sertleşmesine neden olan, su ve çimento arasında<br />

gerçekleşen kimyasal reaksiyonlardır. Çimentonun yapısında ana bileşikler olarak<br />

bulunan kalsiyum silikatlar ve su reaksiyona girerek aşağıdaki tepkimeye göre<br />

kalsiyum silikat hidrat ve kalsiyum oksit meydana getirir. Meydana gelen bu<br />

kalsiyum silikat hidratların arasındaki çekim kuvveti çimentoya bağlayıcılık<br />

kazandırır.


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

3CaO.SiO2+3H2O CaO.SiO2.H2O+2Ca(OH)2 (3.11)<br />

2CaO.SiO2+2H2O CaO.SiO2.H2O+Ca(OH)2 (3.12)<br />

4CaO.Al2O3.Fe2O3+7H2O 3CaO.Al2O3.6H2O+CaO.Fe2O3.H2O (3.13)<br />

3CaO.Al2O3+6H2O 3CaO.Al2O3.6H2O (3.14)<br />

Çimentonun su ile birleşmesi sırasında oluşan reaksiyonlar ekzotermiktir.<br />

Hidratasyon ısısı olarak adlandırılan bu tepkime ısısı, çimentonun belirli bir sıcaklık<br />

koşulunda hidratasyon başından hidratasyon sonuna kadar çıkardığı ısı miktarıdır.<br />

Hidratasyonun devam etmesi ile ısı açığa çıkması da devam eder, betonun<br />

sertleşmesinin son döneminde hidratasyon ısısı çok yükselmektedir.<br />

FDM nin betonun priz aldığı ilk 22 saat içinde beton sıcaklık değişimine<br />

etkisinin araştırılması için polistiren kaplar içinde hazırlanan örneklerin sıcaklık<br />

değişimi zamana bağlı olarak data logger tarafından ölçülüp, kaydedilmiştir.<br />

3.2.7.2. Hidratasyon Isısının Kalorimetre Kabı ile Tayini<br />

Çimentonun su ile yapmış olduğu kimyasal reaksiyona hidratasyon ısısı denir.<br />

Hidratasyon sırasında ısı açığa çıkar. Bu ısının büyük bir bölümü ilk günlerde<br />

meydana gelir. Çimentoyu oluşturan ana bileşenlerin su ile birleşerek başlattıkları<br />

kimyasal reaksiyonlar ekzotermik gerçekleşirler. Kimyasal reaksiyonları<br />

gerçekleştiği süre boyunca ısının açığa çıkması da devam eder. Ancak,<br />

hidratasyonun reaksiyonunun gerçekleştiği ilk saatlerde reaksiyon oldukça hızlı<br />

olmakta ve zaman ilerledikçe hızı yavaşlamaktadır. Çimentonun hidratasyon ısısı<br />

çimentonun belirli bir sıcaklık koşulunda hidratasyona başlayıp hidratasyon sonuna<br />

kadar açığa çıkardığı ısı miktarıdır. (Erdoğan, 1995a).<br />

Deneysel çalışmalarda FDM’nin betonun hidratasyon ısısına etkisinin<br />

belirlenmesi amacı ile bir kalorimetre kabı kullanılmıştır. Kalorimetre kabı ile sabit<br />

sıcaklık ve basınçta yürüyen bir kimyasal tepkimede sistem ile çevresi arasında alınıp<br />

32


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

verilen ısı miktarı bulunabilir. Kalorimetre kabının yalıtkan ceketi içinde bulunanlar<br />

sistemi meydana getirirler. Bunlar yalıtkan ceketin içinde yer alan ve tepkimenin<br />

gerçekleştiği kap, su, termometre ve karıştırıcıdır. Tepkime gerçekleştiğinde<br />

kimyasal enerji ısı enerjisine dönüşür ve sistemin sıcaklığı artar. Tepkime ısı miktarı,<br />

QTep (J), tepkimenin gerçekleşmesi sonucu ortaya çıkarak kalorimetrenin sıcaklığını<br />

arttıran ısı enerjisinin, QKal (J) ters işaretlisidir.<br />

QTep = -QKal (3.15)<br />

-QKal = QBomba + Qbeton (3.16)<br />

Çalışmada açığa çıkan hidratasyon ısısının hesaplanması için öncelikle<br />

kalorimetre kabının sabitinin bulunması gerekmektedir. Kalorimetre kabı ve kabın<br />

içinde bulunanların sıcaklığını 1 o C yükselten ısı miktarı, kaç gram suyun sıcaklığını<br />

1 o C yükseltiyorsa bu suyun miktarına kalorimetrenin su cinsinden değeri olarak(μ)<br />

adlandırılır. Kalorimetrenin su cinsinden değeri yani kalorimetre sabitinin<br />

hesaplanmasında Eşitlik 3.17’den faydalanılmıştır.<br />

μ = C – m x 1 (3.17)<br />

Burada m(g); deneyde kullanılan çözeltinin toplam kütlesini, C ise<br />

kalorimetre kabının sabiti olup, su ve asitin sıcaklığının 1 °C yükselmesi için<br />

verilmesi gereken ısıdır. Suyun ve içerisindeki asitin oluşturduğu çözeltinin özgül<br />

ısısı yaklaşık 1 cal/g°C olarak kabul edilmiştir.<br />

33


3.MATERYAL VE METOD Sibel KURT<br />

34


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

4. BULGULAR VE TARTIŞMA<br />

Bu bölümde, araştırma kapsamında belirlenen FDM’lerin termofiziksel<br />

özellikleri, FDM’li beton ve harç karışımlar üzerinde yürütülen deneyler ve bunlara<br />

ait sonuçlar, FDM içermeyen beton karışımlarıyla karşılaştırılarak sunulmaktadır.<br />

4.1. FDM Seçimi<br />

Bina yapı malzemesi olan beton karışımlarında kullanılacak FDM seçiminde<br />

öncelikle bina konfor sıcaklığı belirlenmelidir. Bu sıcaklık iklime bağlı olup, % 50<br />

bağıl nemde 20 ile 25 ◦ C arasında olduğu kabul görmektedir. FDM’nin faz<br />

değiştirme aralığı bu iklim şartlarına uygun olarak seçilmiştir. Yapılan literatür ve<br />

piyasa araştırması sonucunda, konfor sıcaklığına uygun olarak BASF tarafından bina<br />

yapı malzemeleriyle beraber kullanılmak üzere üretilen mikrokapsüllenmiş parafin<br />

olan Micronal 5001 ve Micronal 5008 aday FDM’ler olarak belirlenmiştir. Çizelge<br />

3.1 de bu FDM’lerin üretici firma tarafından verilen özellikleri gösterilmiştir.<br />

4.2. FDM’nin Termofiziksel Özelliklerinin İncelenmesi<br />

4.2.1. Mikro Yapı Analizi<br />

Seçilen mikrokapsüllenmiş FDM’lerin mikro yapı analizleri Taramalı Elektron<br />

Mikroskobu (SEM) ile yapılmıştır (Şekil 4.1 - 4.2)<br />

35


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Şekil 4.1. Micronal PCM 5008’in 986x büyütmeli SEM görüntüsü<br />

Şekil 4.2. Micronal PCM 5008’in 3.5kx büyütmeli SEM görüntüsü<br />

Şekil 4.1 deki SEM görüntüsünde mikrokapsüllenmiş FDM’lerin çaplarının<br />

10μm’den küçük olduğu, ancak mikro boyuttaki taneciklerin birbirlerine yapışık<br />

olarak büyük küresel partikül olarak bulunduğu görülmüştür. Şekil 4.2’de verilen<br />

daha yüksek büyütmeyle alınan SEM görüntüsünde mikrokapsül çaplarının 2 – 5μm<br />

arasında değiştiği, ancak kapsüllerin çoğunluğunun ezik veya kırılmış olduğu<br />

görülmektedir. FDM’lerin yapı malzemeleriyle mikrokapsüllenmiş olarak<br />

kullanılmasının hedefleri arasında, faz değişiminin kapsül içerisinde konrollü olarak<br />

gerçekleşmesi, eriyen prafinin yapı malzemelerine karışmaması ve yüzey alanının<br />

artırılarak ısı transferinin iyileştirilmesi verilebilir. Elde edilen SEM görüntüleri<br />

36


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

mikrokapsüllerin kısmen kırılmasıyla parafinin dışarı aktığını ve dolayısıyla faz<br />

değişiminin kontrollü yapılamayacağını göstermektedir. Ayrıca kapsüllein birbirine<br />

yapışmaları yüzey alanını beklenilen düzeyde artırmamaktadır. Bu tezde SEM<br />

görüntüleri verilen mikrokapsüllerin beton karışımlarında kullanıldığında basınç<br />

dayanımı ve ısıl davranışına etkileri araştırılmaktadır.<br />

Deneysel çalışmalarda kullanılan mikrokapsüllenmiş FDM’lerin su tutma<br />

miktarlarını belirlemek üzere yapılan çalışmada Micronal PCM 5008’den alınan<br />

örnek 24 saat suda bekletilmiş ve yüzey kuruluğu sağlandıktan sonra tekrar SEM<br />

analizleri yapılmıştır(Şekil 4.3). SEM görüntüsünde görülen dalgalanmalar cihazdan<br />

kaynaklanmıştır. Suyla karıştırıldığında mikrokapsüllerin birbirleriyle yapıştıkları,<br />

ancak suda bekletilmemiş, kuru SEM görüntülerinde görüldüğü gibi yapışmanın<br />

daha büyük küresel partiküller oluşacak şekilde gerçekleşmediği belirlenmiştir.<br />

Şekil 4.3. 24 saat suda bekletimiş Micronal PCM 5008’in SEM görüntüsü<br />

4.2.2. Mikrokapsüllenmiş FDM’lerin Termal Enerji Depolama Kapasitelerinin<br />

DSC ile Belirlenmesi<br />

Micronal PCM 5001 ve Micronal PCM 5008 mikrokapsüllerinin termal enerji<br />

depolama kapasitelerini belirlemek amacı ile DSC analizleri yapılmıştır(Şekil 4.4 –<br />

4.5). DSC sonuçlarına göre faz değişim aralıkları ve gizli ısıları Micronal 5008 ve<br />

5001 için sırasıyla 23 - 28°C, 91 J/g ve 22 - 26°C, 95 J/g olarak belirlenmiştir.<br />

37


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Şekil 4.4. Micronal PCM 5008’in DSC analizi<br />

Şekil 4.5. Micronal PCM 5001’in DSC analizi<br />

38


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

4.2.3.Isınma Soğuma Eğrilerinin Belirlenmesi<br />

Mikrokapsüllenmiş FDM olarak kullanılan Micronal 5001 ve Micronal 5008<br />

mikrokapsüllerinin erime ve donma aralıkları termostatlı su banyosu ile de<br />

belirlenmiştir. Erime donma eğrileri termostatlı su banyosu içerisinde ürünlerin<br />

zamana karşı sıcaklık değişimleri takip edilerek elde edilmiştir.<br />

Şekil 4.6. Micronal 5008’in ısınma- soğuma eğrisi<br />

Erime sıcaklığı yaklaşık olarak 23 o C olan Micronal 5008, Şekil 4.6’da ısınma<br />

soğuma eğrisinde görüldüğü gibi 23-25 o C de erimektedir.<br />

39


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Şekil 4.7. Micronal 5001’in ısınma -soğuma eğrisi<br />

Şekil 4.7 da elde edilen ısınma soğuma eğrisinde Micronal 5001’in 22-25 o C<br />

eridiği gözlenmiştir.<br />

4.3.Beton Karışımı Hazırlanması<br />

4.3.1.Beton Bileşiminin Belirlenmesi<br />

Deneysel çalışmalarda, su/bağlayıcı oranı 0,38 olarak belirlenmiştir. Çalışma<br />

kapsamında yapılan ön denemelerde su/bağlayıcı oranının 0,38’in üzerinde olması<br />

durumunda betonda ayrışma meydana gelmiştir. Az olması durumunda ise<br />

yayılmanın uygun kıvamda olmadığı gözlenmiştir. Bunlar göz önüne alınarak<br />

su/bağlayıcı oranı 0,38 olarak belirlenen beton karışımları içerisine %0(şahit), %1,<br />

%2, %3, %5 ve %10 olmak üzere Faz Değiştiren Madde eklenerek birbirinden farklı<br />

beton karışımları hazırlanmıştır. Kullanılan beton karışımlarının düşük su/bağlayıcı<br />

oranlarına sahip olması nedeniyle hiper akışkanlaştırıcı madde kullanılmıştır.<br />

Karışımlarda kullanılan su, çimento, agrega ve hiper akışkanlaştırıcı miktarlarının<br />

hesaplanmasında TS 802 Standartlara göre hazırlanan beton karışımların çökme ve<br />

yayılma kıvam takibi testleri Çizelge 4.1’de verilmiştir. Beton karışımları Çukurova<br />

40


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi İnşaat Bölümü ve KAMBETON<br />

firmasının destekleriyle hazırlanmıştır.<br />

Çizelge 4.1. Beton karışımların çökme ve kıvam takibi testleri<br />

FDM<br />

oranları(Toplam<br />

kütlece)<br />

%1 %2 %3 %5 %10<br />

Yayılma(T=0 dak) 53cm 55 cm 63 cm 65 cm 72 cm<br />

Yayılma(T=30 dak) 51 cm 55 cm 55 cm 60 cm 61 cm<br />

Yayılma(T=60 dak) 50 cm 52 cm 50 cm 52 cm 55 cm<br />

Reoplastik<br />

Görünüm<br />

4.3.2. Agregalarının Hazırlanması<br />

ORTA ORTA İYİ İYİ ÇOK İYİ<br />

Beton karışımı hesabı yapılmasından sonra kullanılacak agregalar için elek<br />

analizi deneyi yapılmıştır. Karışımda kullanılan 0-3 mm ve 5-10 mm kaya kumunun<br />

eleklerden geçen yüzde değerleri ve granülometri eğrisi TS 706 standartlarına göre<br />

yapılmış olup Çizelge 4.2 – 4.3 ve Şekil 4.8 -4.9 ’de sunulmuştur. Kaya kumu için<br />

elde edilen granülometri eğrisi TSE limitleri içindedir.<br />

41


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Çizelge 4.2. 0.3 mm kaya kumu elek analizi (toplam=1000 gr)<br />

Elek çapı<br />

(mm)<br />

Elek üstü(g) Elek üstü(%)<br />

Toplam<br />

kalan(%)<br />

32<br />

42<br />

Toplam geçen (%)<br />

16 0 0 0 100<br />

8 0 0 0 100<br />

4 0 0 0 100<br />

2 218 21.8 21.8 78.2<br />

1 335 33.5 55.3 44.7<br />

0.5 162 16.2 71.5 28.5<br />

0.25 185 18.5 90 10.0<br />

Kap 100 10 100 0<br />

Şekil 4.8. Beton karışımlarda kullanılan 0-3mm kaya kumun granülometri<br />

eğrisi


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Çizelge 4.3. 5-10 mm kaya kırması elek analizi (Toplam=1000 gr)<br />

Elek çapı<br />

(mm)<br />

Elek üstü(g) Elek üstü(%)<br />

Toplam<br />

kalan(%)<br />

43<br />

Toplam<br />

geçen (%)<br />

32 0 0 0 100<br />

16 0 0 0 100<br />

8 120 12 12 88<br />

4 795 79.5 92 1<br />

2 78 7.8 99 1<br />

1 1 0.1 99 1<br />

0.5 1 0.1 100 1<br />

0.25 1 0.1 100 0<br />

Kap 4 0.4 100 0<br />

Şekil 4.9. Beton karışımlarında kullanılan 5-10 mm kaya kırmasının granülometri<br />

Eğrisi


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

4.4.Beton-FDM Karışımlarının Hazırlanması<br />

4.5.Betonun Mekanik Dayanımının Belirlenmesi<br />

Gevrek bir malzeme olması ve çekme dayanımının basınca göre çok küçük<br />

değerler alması nedeniyle, uygulamalarda daha çok basınç gerilmelerine maruz<br />

bırakılarak kullanılmaktadır. Bununla birlikte betonun basınç dayanımı, sertleşmiş<br />

çimento hamurunun yapısıyla doğrudan ilişkili, genellikle beton basınç mukavemeti,<br />

betonun niteliği ile ilgili olarak kapsamlı bilgi vermektedir(Bilim,2006).<br />

Beton üzerinde yapılan çoğu çalışmada, betonun basınç dayanımı ile diğer<br />

özellikleri arasında ilişkiler araştırılmış, çalışma sonuçları, betonun bir çok<br />

özelliğinin basınç mukavemeti ile aynı yönde değiştiğini göstermiştir. Bu doğrultuda<br />

beton içerisine eklenen FDM’lerin yüzdeleri ve harç karışımına eklenme<br />

tekniklerinin önemi artmaktadır. Bu amaçla, deneysel çalışmalar için hazırlanan<br />

FDM’li ve FDM’siz beton karışımlarının her birinden 3’er numune hazırlanmıştır.<br />

Hazırlanan FDM’li ve FDM’siz beton numunelerin 7 ve 28 günlük basınç<br />

dayanımlarını basınç dayanım cihazı ile ölçülmüştür.<br />

Çizelge 4.4.FDM’li ve FDM’siz betonların 7 günlük basınç dayanımları (MPa)<br />

7 Günlük 7 Günlük Ortalama<br />

Şahit 70,6 74,30 63,20 69,37<br />

%1 FDM’li beton 67,80 67,10 68,20 67,70<br />

%2 FDM’li beton 60,10 63,40 64,90 62,80<br />

%3 FDM’li beton 56,00 55,50 63,80 58,43<br />

%5 FDM’li beton 53,70 62,70 59,90 58,77<br />

%10 FDM’li beton 54,00 51,00 49,30 51,43<br />

Çizelge 4.4’de elde edilen 7 günlük basınç dayanım testlerine göre,<br />

sertleşmiş ve kür edilmiş FDM’li beton numunelerde FDM miktarı arttıkça, şahit<br />

numuneye göre, basınç dayanımlarının azaldığı gözlenmiştir.<br />

44


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Çizelge 4.5.FDM’li ve FDM’siz betonların 28 günlük basınç dayanımları(MPa)<br />

28 Günlük 28 Günlük Ortalama<br />

Şahit 90,10 89,60 86,40 88,70<br />

%1 FDM’li beton 74,30 76,60 74,00 74,97<br />

%2 FDM’li beton 80,30 77,50 78,30 78,70<br />

%3 FDM’li beton 75,80 64,00 72,90 70,90<br />

%5 FDM’li beton 58,20 68,20 67,50 64,63<br />

%10 FDM’li beton 57,80 64,40 63,90 62,03<br />

Standart 15x15x15 cm ebatlarında, sertleşmiş ve kür edilmiş küp numunelerin<br />

basınç dayanımları, Çizelge 4.5 de görüldüğü gibi, FDM miktarı arttıkça azalma<br />

göstermiştir. Şahit ve %10 FDM’li beton numunelerin 28 günlük ortalama basınç<br />

dayanımları incelendiğinde, dayanımı 88,70 MPa olan şahit numunenin TS EN 206<br />

standardına karşılık gelen en düşük karakteristik küp dayanım sınıfı C85 ve %10<br />

FDM’li betonun dayanım sınıfı ise C60 olarak kabul görmektedir(Çizelge 4.6).<br />

Deneysel çalışmalarda hazırlanan beton karışımlarında su/bağlayıcı oranının düşük<br />

olması nedeni ile(0,38) şahit numunenin karakteristik küp numuneye göre dayanım<br />

sınıfı C85 olarak bulunmuştur. 2007 Deprem Yönetmeliğine göre; deprem<br />

bölgelerinde yapılacak betonarme binalarda C20’den daha düşük dayanımlı<br />

betonların kullanılamayacağı ve Türkiye standartlarında 50MPa’ın üzerindeki<br />

betonların yüksek dayanımlı beton (YDB) sınıfına girdiği göz önüne alınırsa, FDM’li<br />

ve FDM’siz beton numunelerin normal binalar için değil yüksek katlı binalar için<br />

kullanılmasının daha uygun olduğu görülmektedir.<br />

45


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Çizelge 4.6. Hazır betonda basınç dayanım sınıfları (TS EN 206)<br />

Basınç dayanımı sınıfı En düşük karakteristik<br />

silindir dayanımı<br />

fck,sil N/mm 2<br />

46<br />

En düşük karakteristik küp<br />

dayanımı<br />

fck,küp N/mm 2<br />

C 8/10 8 10<br />

C 12/15 12 15<br />

C 16/20 16 20<br />

C 20/25 20 25<br />

C 25/30 25 30<br />

C 30/37 30 37<br />

C 35/45 35 45<br />

C 40/50 40 50<br />

C 45/55 45 55<br />

C 50/60 50 60<br />

C 55/67 55 67<br />

C 60/75 60 75<br />

C 70/85 70 85<br />

C 80/95 80 95<br />

C 90/105 90 105<br />

C 100/115 100 115<br />

FDM miktarının basınç dayanımını azaltmasının, kapsüllerin kırılmasının<br />

sonucu beton içine yayılan parafinin neden olduğu düşünülmektedir. FDM eklenmesi<br />

betonun dayanımını düşürmekte ancak en yüksek oranda eklenmesi bile beton<br />

dayanım sınıfları çerçevesinde kalındığını ve dolayısıyla kullanılabilir düzeyde<br />

olduğunu göstermektedir. %10 FDM’li numunenin şahit beton numuye göre basınç<br />

dayanımını yaklaşık %20 oranında azaltması nedeni ile hazırlanan beton karışımların<br />

taşıyıcı olmayan bina elemanları ile birlikte kullanılmasının daha uygun olacağı<br />

düşünülmektedir.


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

4.6.Betonun Isıl Özelliklerinin Belirlenmesi<br />

4.6.1.Su Banyosu Deneyleri<br />

Uygun standartlarda hazırlanan beton karışımlar 7x7x7 standart küp numune<br />

kalıplarında yerleştirilip, kür edilmesi işleminden sonra FDM’lerin ısıl özelliklerinin<br />

betona etkisinin belirlenmesi amacı ile CR23X cihazı yardımıyla FDM’li ve<br />

FDM’siz beton örneklerinin ısınma ve soğuma eğrileri elde edilmiştir. Şekil 4.10 –<br />

4.15 da şahit ve %1, %2, %3, %5, %10 FDM katkılı kür edilmiş beton numunelerinin<br />

ısınma soğuma eğrileri verilmiştir. Burada mavi eğri beton örneksiz su banyosunun,<br />

kırmızı eğri beton örnekle beraber su banyosunun ve yeşil ise beton örnek sıcaklık<br />

dağılımlarını göstermektedir. Her ısınma soğuma eğrisi için ΔTmak (beton numune su<br />

banyosu içerisinde iken, su banyosu ve beton numunenin maksimum sıcaklık farkı),<br />

ΔTmin (su banyosu ve beton numunenin minimum sıcaklık farklarının) ve Δt beton<br />

numunenin, minimum sıcaklıktan maksimum sıcaklığa yükselmesi Şekil 4.10’da<br />

gösterildiği gibi hesaplanıp Çizelge 4.7’da verilmiştir.<br />

Δt<br />

Şekil 4.10. FDM’siz beton numunenin ısınma soğuma eğrisi<br />

47<br />

ΔTmin<br />

ΔTmak


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Şekil 4.11. %1 FDM’li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi<br />

Şekil 4.12. % 2 FDM’li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi<br />

48


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Şekil 4.13.% 3 FDM’li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi<br />

Şekil 4.14. % 5 FDM’li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi<br />

49


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Şekil 4.15. % 10 FDM’li beton numunenin ısınma soğuma eğrisi<br />

Çizelge 4.7.FDM’li ve FDM’siz beton ve banyo sıcaklık ve zaman değişimlerinin su<br />

banyosu ile kıyaslanması<br />

∆Tmak( o C) ∆Tmin( o C) ∆T( o C) ∆t(s)<br />

Şahit 1,99 0,15 27,77 2290<br />

%1 2,40 1,57 25,64 1950<br />

%2 2,38 1,94 25,28 1910<br />

%3 2,54 1,49 25,24 1940<br />

%5 2,57 2,71 24,34 1930<br />

%10 2,55 1,77 24,43 1860<br />

Çizelge 4.7’dan elde edilen sonuçlar incelendiğinde artan FDM miktarı ile<br />

birlikte beton numunelerin ∆Tmak ve ∆Tmin sıcaklık farklarının artmıştır. Sıcaklık<br />

farklarında gözlenen bu artış, FDM miktarının artması ile beton numunelerin<br />

banyodan daha fazla ısı çektiğini ve daha fazla ısı depoladığını göstermektedir. Aynı<br />

çizelgede beton numunelerin maksimum ve minimum sıcaklık farkları (ΔT)<br />

incelenmiştir ve FDM miktarına bağlı olarak beton numunelerin ΔT sıcaklık<br />

farklarının azaldığı gözlenmiştir. %10 FDM’li betonun, şahit numuneye göre,<br />

kütlesinde yaklaşık %11 azalma olmasına rağmen(Çizelge 3.6), su banyosunda diğer<br />

numunelere göre daha fazla sıcaklık düşmesine neden olması FDM’nin ısı<br />

depolaması ile açıklanabilir. Çizelgede Δt süreleri incelendiğinde, FDM miktarı<br />

50


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

artmasıyla minimum sıcaklıktan maksimum sıcaklığa ulaşma süresinin azaldığı<br />

gözlenmektedir. FDM miktarının artmasıyla FDM nin erimesi için banyodan daha<br />

fazla ısı çekilmesi ile maksimum sıcaklığa ulaşma süresi de azalmaktadır.<br />

FDM’li beton örneklerin termal enerji depolama kapasitelerinin belirlenmesi<br />

amacıyla sabit su banyosu sıcaklığında ölçümler alınmıştır. 30 °C’ye ısıtılıp, bu<br />

sıcaklıkta sabit tutulan su banyosuna beton örnekler yerleştirilerek banyo sıvısıyla<br />

beton örnekler termal dengeye ulaşana kadar banyo sıvısının ve beton örneklerin<br />

sıcaklıkları ölçülmüştür. Bu sıcaklık ölçümlerinden yararlanarak Eşitlik 3.7’den<br />

teorik beton örnek sıcaklığı(Tteorik) ve Eşitlik 3.10‘dan depolanan ısı(qdepo)<br />

hesaplanmıştır. Sonuçlar şahit, %1, %2, %3, %5 ve %10 FDM içeren 7x7x7 cm 3<br />

hacmindeki beton örnekler için Şekil 4.16 -4.21’de verilmiştir.<br />

Şekil 4.16.Sabit sıcaklıktaki su banyosunda şahit beton karışımının davranışı<br />

51


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Şekil 4.17.Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %1 FDM’li beton karışımının davranışı<br />

Şekil 4.18.Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %2 FDM’li beton karışımının davranışı<br />

52


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Şekil 4.19.Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %3 FDM’li beton karışımının davranışı<br />

Şekil 4.20.Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %5 FDM’li beton karışımının davranışı<br />

53


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Şekil 4.21.Sabit sıcaklıktaki su banyosunda %10 FDM’li beton karışımının davranışı<br />

Şekil 4.16 – 4.21 de ölçülen beton örnek sıcaklıklarıyla hesaplanan teorik<br />

sıcaklıkların uyum içinde olduğu görülmektedir. Beton örneklerin 2250 s sonunda<br />

depoladıkları ısı ve kütleleri Şekil 4.22 de karşılaştırılmıştır.<br />

Şekil 4.22.Sabit banyo sıcaklığı deneylerinde beton numunelerin depolanan ısı ve<br />

kütleleri<br />

Şekil 4.22’de elde edilen sonuçlara göre FDM’li tüm beton karışımların<br />

depoladıkları ısının FDM’siz (şahit) örnekten daha yüksek olduğu ve en yüksek<br />

54


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

değerin, hepsinden daha düşük kütlesi olmasına rağmen, 7750 J ile şahitten %78<br />

daha fazla olarak %10 FDM’li beton karışımda elde edildiği görülmektedir. Bu<br />

karışımda bulunan en yüksek FDM oranının depolama miktarını arttırdığı<br />

görülmektedir. %2 ve %3 FDM’li örneklerin depoladıkları ısı birbirlerine yakın ve<br />

şahitin %9-10 civarında iken %5 FDM örnek için şahitten %15 daha fazla bir değer<br />

elde edilmiştir. %1 FDM’li örnek için ise beton kütle miktarı diğerlerinden fazla<br />

olduğu için %2, %3 ve %5 FDM’li örneklerden daha yüksek bir değer elde<br />

edilmiştir.<br />

4.6.2.FDM’li ve FDM’siz Harç Numunelerin Hidratasyon Sıcaklıklarının<br />

Ölçülmesi<br />

FDM nin betonun priz aldığı ilk 22 saat içinde beton sıcaklık değişimine<br />

etkisinin araştırılması için polistiren kaplar içinde hazırlanan örneklerin sıcaklık<br />

değişimi zamana bağlı olarak data logger tarafından ölçülüp, kaydedilmiştir.<br />

Şekil 4.23. FDM’li ve FDM’siz beton karışımların hidratasyon sıcaklıklarının<br />

karşılaştırılması<br />

Şekil 4.23’den elde edilen deney sonuçlarında reaksiyon sıcaklığının ilk 3<br />

saatinde %1 ve %2 FDM’li betonların, şahit beton numuneye göre reaksiyon<br />

55


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

sıcaklığını azalttığı gözlenmiştir. Ölçümlerin devam ettiği ilk 18 saatte reaksiyon<br />

sıcaklığı maksimum derece ulaşmıştır ve 18. saatten sonra sıcaklık azalmaya<br />

başlamıştır. %2 FDM’li beton karışımında gözlenen reaksiyon sıcaklığındaki hızlı<br />

azalmanın mikrokapsüllenmiş FDM’den kaynaklandığı düşünülmektedir.<br />

Şekil 4.24. FDM’li ve FDM’siz beton karışımların hidratasyon sıcaklıklarının<br />

karşılaştırılması<br />

Şekil 4.24’de elde edilen grafiğe göre %3, %5 ve %10 FDM’li beton<br />

karışımların hidratasyon sıcaklıkları, şahit numunenin hidratasyon sıcalığına oranla<br />

artış göstermiştir. Çizelge 3.6. da verilen 7x7x7 cm standart küp beton numuneler<br />

için kullanılan maddelerin ağırlıkça miktarları incelendiğinde kullanılan FDM<br />

miktarına bağlı olarak toplam kütlenin azaldığı görülmektedir. Deneysel çalışmalarda<br />

kullanılan beton karışım oranlarına göre FDM miktarı arttıkça agrega miktarı<br />

azalmaktadır. Agrega miktarlarının azalması ile agrega tarafından emilen su miktarı<br />

azaldığından, hidratasyon reaksiyonu için kullanılan su miktarı artmaktadır. Buna<br />

bağlı olarak %10 FDM’li beton karışımının reaksiyon sıcaklığı, şahit beton<br />

numunenin reaksiyon sıcaklığına göre yaklaşık 2 o C artış göstermiştir.<br />

56


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Şekil 4.25. FDM’li ve FDM’siz beton karışımların hidratasyon sıcaklıklarının<br />

karşılaştırılması<br />

FDM’li ve FDM’siz beton numunelerin reaksiyon sıcaklıklarının kıyaslandığı<br />

Şekil 4.25 de, örneklerin ilk sıcaklıklarının 14 o C’ olması nedeniyle, 22 o C’lerde<br />

erimeye başlayan FDM ilk 11 saatte FDM hidratasyon ısısını depolayamıyor. Ancak<br />

23 o C’den sonra ikinci pike kadar %5 ve %10 FDM’li beton numunelerde FDM’nin<br />

ısıyı depolayarak dış ortama kaybının önlenmesinden dolayı diğerlerinden daha<br />

yüksek sıcaklık elde edilmiştir. %1, %2 ve %3 FDM’li diğer beton numunelerde ise<br />

FDM miktarı az olduğu için depolama önemli bir miktarda gerçekleşmediğinden ve<br />

böylece reaksiyon ısısı kaybı daha fazla olduğundan sıcaklık seyri de daha düşük<br />

olarak gerçekleşmiştir. Hunger ve ark. ‘nın 2009 yılında yaptıkları benzer çalışmada<br />

%5 FDM eklendiğinde hidratasyon sıcaklığında yaklaşık %28 azalma elde edilmiştir.<br />

Burada beton karışım hazırlanırken agrega miktarları değiştirilmeden şahit<br />

numuneye FDM’nin kütlesine karşılık gelecek kadar mermer tozu eklenmiştir. Bu<br />

çalışmada ise FDM’li beton karışımlarda FDM miktarının artmasıyla agrega miktarı<br />

azalmaktadır (Çizelge 3.6). Böylece FDM’li karışımlarda agrega tarafından emilen<br />

su miktarı azalmakta ve reaksiyona giren su miktarı ve dolayısıyla reaksiyondan<br />

çıkan ısıda artmaktadır. Buna bağlı olarak bu çalışmada reaksiyon sıcaklığında artış<br />

gözlenmiştir.<br />

İlk pik<br />

57<br />

İkinci pik


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

4.6.3. FDM’li ve FDM’siz Beton Hamuru Numunelerinin Hidratasyon Isılarının<br />

Ölçülmesi<br />

Çalışmada FDM’li ve FDM’siz karışımların hidratasyon ısılarının<br />

belirlenmesi amacı ile kalorimetre kabı kullanılmıştır. Deneyde öncelikle kalorimetre<br />

kabının sabiti belirlenmiştir. Bu amaçla, kab içerisine 400 ml su konulur ve sıcaklığı<br />

sabit kalıncaya kadar (yaklaşık 10 dk boyunca) sıcaklık ölçülür. Daha sonra 400 ml<br />

su içerisine 6 ml derişik sülfirik asit eklenir ve sıcaklık 10 dk boyunca ölçülerek<br />

aralarındaki sıcaklık farkı (∆T) hesaplanır. Kalorimetre kabındaki çözeltiden 5 ml<br />

alınır ve derişiminin bulunması amacı ile ayarlı 0,091 M NaOH çözelti ile titre edilir.<br />

Deney çözeltisinin normalitesine(0,51 N) karşılık gelen ısı Şekil 4.26’daki değerlerin<br />

grafiğe geçirilmesi ile 434, 5 cal (1816,3 J) bulunmuştur.<br />

Şekil 4.26. Sülfrik asit çözeltinin normalitesine karşı ısı<br />

Şekil 4.26’nın kullanılabilmesi için kullanılan sülfirik asitin %98,5 lik ve<br />

yoğunluğu 1.84 g/cm 3 olması gerekmektedir.<br />

Çalışmada %95,019’luk H2SO4 kullanılmıştır ve sülfirik asitte bulunan aşırı<br />

su 0,2160 mol olarak hesaplanmıştır. 1 mol H2SO4 in farklı miktarda aşırı(mol) su ile<br />

birleşmesinden açığa çıkan ısı değerleri Pickering tarafından hesap edilmiştir. Bu<br />

58


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

değerler grafiğe geçirilerek, deneyde kullanılan %95,019 luk asit çözeltisi<br />

içerisindeki aşırı suyun neden olduğu ısı değişimi (X) Şekil 4.27 üzerinden 1,8<br />

cal(7,5 J) olarak okunmuştur. Bu değer kullanılarak başlangıçtaki çözeltinin açığa<br />

çıkardığı ısı miktarında bir düzeltme yapılmıştır. Bu düzeltilmiş değer Qd olarak<br />

adlandırılmış ve Eşitlik 4.1’e göre hesaplanmıştır.<br />

Qd = Q- X (4.1)<br />

Şekil 4.27. Pickering’in asidine oranla aşırı su miktarlarının 1 mol sülfirik asit ile<br />

karışımının neden olduğu ısı miktarları<br />

Sıcaklık yükselmesi (∆T) ve düzeltilen ısı değeri (Qd) ile kalorimetre sabiti<br />

(C) Eşitlik 4.2 den hesaplanır:<br />

C = Qd x m/ (100 x ∆T) (4.2)<br />

Burada m(g); deneyde kullanılan çözeltinin toplam kütlesini, paydadaki 100g<br />

Pickering’in Şekil 4.26’daki değerleri bulurken kullandığı su miktarıdır. C ise<br />

kalorimetre kabının sabiti olup, su ve asitin sıcaklığının 1 °C yükselmesi için<br />

verilmesi gereken ısıdır.<br />

59


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Suyun ve içerisindeki asitin oluşturduğu çözeltinin özgül ısısı yaklaşık 1<br />

cal/g°C olarak kabul edilmiştir ve kalorimetrenin su cinsinden sabiti(μ)<br />

hesaplanmıştır(4.3):<br />

μ = C– m x 1 (4.3)<br />

Eşitlik 4.3 kullanılarak kalorimetre sabiti(μ) 54,4 cal/ °C (13.0 J/°C ) olarak<br />

bulunmuştur. Çalışma kapsamında FDM’li ve FDM’siz su, çimento ve hiper<br />

akışkanlaştırıcı karışımlarının hidratasyon ısıları(Qhid) eşitlik 4.4 ile hesaplanmıştır:<br />

Qhid = (μ + mbeton x Cbeton) x ∆T (4.4)<br />

Eşitlik 4.4 te Cbeton 0,840 J/g-°C olup, FDM’li ve FDM’siz beton hamuru<br />

miktarları Çizelge 4.8’de verilmiştir. Beton hamur örneklerinin ilk 20 dak sonundaki<br />

hidratasyon ısıları Eşitlik 4.4 ile hesaplanarak Çizelge 4.8’de verilmiştir.<br />

Çizelge 4.8. FDM’li ve FDM’siz beton karışımların hidratasyon ısı ölçüm sonuçları<br />

Şahit %1 FDM %2 FDM %3 FDM %5 FDM %10 FDM<br />

Qhid (J) 172,0 256,4 265,5 172,9 138,7 189,2<br />

∆T (°C) 2,8 4,2 4,4 2,8 2,3 3,1<br />

mbeton (g) 56,4 56,6 56,8 57,0 57,1 57,2<br />

Şekil 4.28’de beton hamur örneklerinin kalorimetre kabıyla ölçülen ilk 20 dak<br />

daki sıcaklık dağılımları ve Şekil 4.29’da ise bu sıcaklık dağılımları kullanılarak<br />

hesaplanan hidratasyon ısılarının gelişimi gösterilmektedir.<br />

60


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

Şekil 4.28. Beton hamur örneklerinin kalorimetre kabı ile ölçülen sıcaklık dağılımları<br />

Şekil 4.29. Beton hamur örneklerinin kalorimetre kabı ile ölçülen hidratasyon<br />

ısılarının gelişimi<br />

Şekil 4.28’de verilen sıcaklık dağılımları şahit, %1 ve %2 örneklerinin<br />

başlangıç sıcaklıklarının oda koşullarına bağlı olarak 24-25°C arasında iken, %10,<br />

%3 ve %5 örneklerinin başlangıç sıcaklıklarının 21-22°C arasında olduğu<br />

görülmektedir. Kalorimetre ölçümlerinde ulaşılan sabit sıcaklıklar da şahit, %1 ve<br />

%2 örnekleri için %10, %3 ve %5 örneklerinden daha yüksek olarak<br />

gerçekleşmektedir. Şekil 4.29 da gösterilen hidratasyon ısısısı sonuçlarında ise<br />

61


4.BULGULAR VE TARTIŞMA Sibel KURT<br />

%5’lik örnek dışındaki FDM’li örneklerin hepsinin şahitten daha yüksek olduğunu<br />

göstermektedir. En yüksek hidratasyon ısısı değerleri %1 ve %2’ FDM’li örneklerde<br />

elde edilirken onları %10 ve %3 takip etmektedir. Farklı oda koşullarında yapılan<br />

kalorimetre deneylerinde elde edilen hidratasyon sonuçlarının karşılaştırılmasından<br />

FDM’nin ilk 20 dak daki hidratasyon ısısnı arttırdığı söylenebilir. Kullanılan<br />

kalorimetre kabının karıştırıcısının daha çok sulu çözeltiler için kullanıma uygun<br />

olması beton hamur gibi koyu kıvamdaki bir karışımın iyi karıştırılmasını da<br />

zorlaştırmaktadır. Hidratasyon tepkimesinin uzun süre devam ettiği dikkate alınarak<br />

ölçümlerin, çimento hamurunu karıştırmaya uygun bir kalorimetreyle en az bir gün<br />

süren deneylerle tekrarlanması gereklidir.<br />

62


5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Sibel KURT<br />

5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER<br />

Bu çalışmada binalarda enerji tasarrufu sağlamak ve enerji verimliliğini<br />

arttırmak için, beton karışımlarda Faz Değiştiren Maddeler (FDM) kullanılarak yeni<br />

nesil bina malzemeleri geliştirilmesi hedeflenmiştir. Bu hedefe ulaşmak için<br />

binalarda konfor sıcaklığına uygun FDM’ler seçilerek bina yapı malzemesi olan<br />

beton içerisinde kullanılmasının betonun mekanik dayanımına, ısıl performansına, ısı<br />

depolama kapasitesine ve hidratasyon tepkimesine etkilerini araştırmak için yapılan<br />

çalışmalarda şu sonuçlar elde edilmiştir:<br />

1. Bina yapı malzemelerinde kullanılacak, bina konfor sıcaklıklarına uygun<br />

FDM’lerin geliştirilmesinde faz değişiminin kapsül içerisinde kontrollü<br />

olarak gerçekleşmesi ve eriyen parafinin yapı malzemesine karışmasını<br />

engellemek amacı ile bina uygulamalarında mikrokapsüllenmiş parafinin<br />

daha uygun olduğuna karar verilmiştir.<br />

2. Deneysel çalışmalarda kullanılan mikrokapsüllenmiş FDM’lerin su tutma<br />

miktarları belirlenmiş ve SEM görüntülerinde yapışmanın daha büyük küresel<br />

partiküller oluşturacak şekilde gerçekleşmediği belirlenmiştir.<br />

3. Mikrokapsüllenmiş FDM’lerin beton içersine uygulandıktan sonra SEM<br />

görüntüleri alınmıştır ve kapsüllerin kısmen kırılmasıyla parafinin dışarı<br />

aktığı ve faz değişiminin kontrollü yapılamayacağını göstermiştir. Ayrıca<br />

SEM görüntülerinde kapsüllerin birbirlerine yapışmaları ile yüzey alanını<br />

beklenilen düzeyde arttırmadığı gözlenmiştir.<br />

4. Artan FDM miktarının beton karışımların yayılma ve reoplastik<br />

görünümlerine etkisi sıralandığında reoplastik görünüm; %10 FDM’de çok<br />

iyi, %3 ve %5 FDM’de iyi, %1 ve %2 FDM’de orta olduğu gözlenmiştir.<br />

5. Artan FDM miktarına bağlı olarak karışıma giren agrega miktarındaki<br />

düşüşün basınç mukavemetini etkilediği ve kapsüllerin kısmen kırılması ile<br />

parafinin beton içerisine akması nedeni ile basınç mukavemetinde şahit<br />

numuneye kıyasla belirgin bir şekilde düşmektedir. Deney sonuçlarına göre<br />

şahit numune C85 beton sınıfında iken %10 FDM’li betonda bu sınıf C60’a<br />

kadar bir azalma göstermektedir. Betonun basınç dayanımda yaklaşık %20<br />

63


5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Sibel KURT<br />

oranında gözlenen bu belirgin azalma nedeniyle bu tip betonların taşıyıcı<br />

olmayan asma tavan, sıva ve zemin gibi bina elemanları ile kullanılmasının<br />

daha uygun olduğu düşünülmektedir.<br />

6. Beton numunelere FDM eklenerek hazırlanan 7x7x7 cm standart küp<br />

numunelerde FDM miktarlarının artmasıyla banyo sıvısının sıcaklığında<br />

belirgin bir azalma gözlenmiştir. %10 FDM’li betonun, şahit numuneye göre,<br />

kütlesinde yaklaşık %11 azalma olmasına rağmen, su banyosunda diğer<br />

numunelere göre daha fazla sıcaklık düşmesine neden olması FDM’nin ısı<br />

depoladığını göstermektedir.<br />

7. FDM’li tüm beton karışımların depoladıkladıkları ısının FDM’siz (şahit)<br />

örnekten daha yüksek olduğu ve en yüksek değerin, hepsinden daha düşük<br />

kütlesi olmasına rağmen, 7750 J ile şahitten %78 daha fazla olarak %10<br />

FDM’li beton karışımda elde edilmiştir.<br />

8. FDM’li ve FDM’siz beton karışımlarının hidratasyon sıcaklıkları<br />

ölçümlerinde, kullanılan beton karışım oranlarına göre FDM miktarı arttıkça<br />

agrega miktarı azalmaktadır. Agrega miktarlarının azalması ile agrega<br />

tarafından emilen su miktarı azaldığından, hidratasyon reaksiyonu için<br />

kullanılan su miktarı artmaktadır. Buna bağlı olarak %10 FDM’li beton<br />

karışımının reaksiyon sıcaklığı, şahit beton numunenin reaksiyon sıcaklığına<br />

göre yaklaşık 2 o C artış göstermektedir.<br />

9. Hunger ve ark. 2009 yılında yaptıkları benzer çalışmada hidratasyon<br />

sıcaklığında yaklaşık %28 azalma sağlamalarına rağmen, bu çalışmada<br />

reaksiyon sıcaklığının artış göstermesinin, beton karışımında kullanılan<br />

malzemelerin ve karışım oranlarının farklılıkları ile ilgili olduğu gözlenmiştir.<br />

10. Farklı oda koşullarında yapılan kalorimetre deneylerinde elde edilen<br />

hidratasyon sonuçlarının karşılaştırılmasından FDM’nin ilk 20 dak daki<br />

hidratasyon ısısnı arttırdığı söylenebilir. Kullanılan kalorimetre kabının<br />

karıştırıcısının daha çok sulu çözeltiler için kullanıma uygun olması beton<br />

hamur gibi koyu kıvamdaki bir karışımın iyi karıştırılmasını da<br />

zorlaştırmaktadır. Hidratasyon tepkimesinin uzun süre devam ettiği dikkate<br />

alınarak ölçümlerin, çimento hamurunu karıştırmaya uygun bir<br />

64


5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Sibel KURT<br />

kalorimetreyle en az bir gün süren deneylerle tekrarlanması gereklidir.<br />

Çalışmanın devamında aşağıdaki araştırmaların yapılması önerilmektedir:<br />

• FDM’li beton karışım hazırlarken agrega su oranları seçiminde FDM’nin su<br />

tutma etkisinin belirlenmesi<br />

• FDM’li beton örneklerin ısıl performanslarının ve mekanik dayanımının daha<br />

uzun sürelerde izlenmesi<br />

• Binalarda daha yaygın olarak kullanılan daha düşük dayanımlı C20/25 sınıfı<br />

betonlarda FDM uygulanmasının etkilerinin araştırılması<br />

• FDM’lerin mikrokapsüllenmesi için daha elastik ve kırılmaya karşı<br />

mukavemeti yüksek malzemelerin araştırılması<br />

• Beton katkı maddesi olarak kullanılan malzemelerle benzer moleküller<br />

yapıdaki malzemelerin, mikrokapsüllenmeden FDM olarak uygunluğunun<br />

araştırılması<br />

• Hidratasyon ısısının belirlenmesi için uygun bir yöntem belirlenmesi<br />

• FDM’li beton örneği ile yapılacak bir pilot bina üzerinde uzun süreleri ısıl<br />

performans denemeleri yapılması<br />

• FDM beton karışımının binalarda kullanılmasıyla elde edilecek enerji<br />

tasarrufunun karşılığı olan ekonomik ve çevresel yararları belirlenmesi<br />

65


5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Sibel KURT<br />

66


KAYNAKLAR<br />

ABHAT A., 1983, Low temperature latent heat thermal energy storage materials,<br />

Solar Energy 30, 313-332<br />

BANU, D., FELDMAN, D., HAWES, D., 1998, Evaluation of thermall storage as<br />

latent heat in phase change material wallboard by differential scanning<br />

calorimetry and large scale thermal testing, Thermochimica Acta 317, pp:39-<br />

45.<br />

CASTELLON, C., NOGUES, M., ROCA, J., MEDRANO, M., CABEZA L.F., 2005,<br />

Microencapsulated Phase Change Materials (PCM) for Building<br />

Applications, http://intraweb.stockton.edu.<br />

CABEZA, L.F., CASTELLON, C., NOGUES, M., MEDRANO, M., LEPPERS, R.,<br />

ZUBILLAGA, O., 2007, Use of microencapsulated PCM in concrete walls<br />

for energy savings, Energy and Buildings 39, 113-119<br />

CHEN, C., GUO, H., LUI, Y., YUE, H., WANG, C., 2008, A new kind of phase<br />

change material(PCM) for energy-storing wallboard, Energy and Building 40,<br />

China, pp.882-890.<br />

DİKİCİ D., 2004, Doğal soğuk kaynaklardan yararlanan yer altı kanallarında termal<br />

enerji depolanması (KTED) , Doktora tezi , Ç.Ü.Fen Bil. Enst., Adana.<br />

DİNÇER İ., DOST S., 1996, A modeling study for moisture diffusivities and<br />

moisture transfer coefficients in drying of solid objects, Int. J. Energy Res.,<br />

20 (6), pp. 531–539 .<br />

DİNÇER, İ., ROSEN, M.A., 2002, Thermal energy storage, Systemsand<br />

applications,John Wiley & Sons. Chicheser (England).<br />

ERSOY, U., 1985, Betonarme-Temel İlkeler ve Taşıma Gücü Hesabı, Bizim Büro<br />

Basımevi, Ankara, 643s.<br />

ERDOĞAN, T. Y., 1995, Betonu Oluşturan Malzamaler; Çimentolar, Türkiye Hazır<br />

Beton Birliği, Ankara.<br />

FELDMAN D., SHAPIRO M.M., BANU D., 1986, Organic phase change materials<br />

for thermal energy storage, Solar Energy Mater 13, 1-10.<br />

67


IBANEZ, M., LAZARO, A., ZALBA, B., CABEZA, L., 2005, An approach to the<br />

simulation of PCMs in building applications using TRNSYS, Applied<br />

Thermal Engineering, 25, Issues 11-12, 1796-180<br />

KAKAÇ S., PAYKOÇ E., YENER Y., 1989, Storage of solar thermal energy,<br />

Energy Storage Systems, NATO ASI Series , Applied Sciences 167, 121-161.<br />

KHUDHAIR A.M., FARID M.M., 2004, A review on energy conservation in<br />

building applications with thermal storage by latent heat using phase change<br />

materials, Energy Conversion and Management 45, 263–275.<br />

KONDO, T., IBAMOTO, T., 2003. Research on using the PCM for ceiling board,<br />

5th Experts Meeting of Annex 17 to the Implementing Agreement on Energy<br />

Conservation trough Energy Storage within International Energy Agency,<br />

Warsaw<br />

KONUKLU, Y., PAKSOY, H.Ö., 2009, Phase change material sandwich panels for<br />

managing solar gain in buildings, Journal of Solar Energy Engineering, vol.<br />

131-041012<br />

KOVACH, E.G., 1976 , Thermal Energy Storage.The report of a NATO Science<br />

Committee Conference,1-5 March, Scotland,Pergamon Pres,76s.<br />

LANE G. A., 1983a, Solar energy latent heat material , Volume I, CRC Pres Inc.<br />

Boca Raton /Florida,450.<br />

LAİ, C., CHEN, R.H., LIN, C., 2010, Heat transfer and thermal storage behaviour of<br />

gypsum boards incorporating microencapsulated PCM, Energy and Buildings<br />

42, 1259-1266<br />

LEE, T., HAWES, D.W., Banu, D., Feldman, D., 2000, Control aspects of latent<br />

heat storage and recovery in concrete, Solar Energy Materials & Solar Cells,<br />

62, 217-237<br />

MAZMAN, M., 2006, Gizli ısı depolama ve uygulamaları,(Doktora Tezi), Çukurova<br />

Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü,<br />

ÖZONUR, Y., MAZMAN, M., PAKSOY, H.Ö., EVLİYA, H., 2006,<br />

Microencapsulation of Coco Fatty Acid Mixture for Thermal Energy Storage<br />

with Phase Change Materials, International Journal of Energy Research, 30,<br />

10, 741-49,<br />

68


ÖZTÜRK H., 1997, Sera ısıtma için güneş enerjisinin faz değiştiren maddelerde<br />

depolanması üzerine bir araştırma, Doktora tezi, Ç.Ü. Fen Bil. Ens.,Adana.<br />

PAKSOY H.Ö., 1992, Thermal analysis of heat storage materials and integrated heat<br />

pump and theral energy storage, Doktora tezi.Ç.Ü.Fen Bil. Ens.,Adana.<br />

PAKSOY H.Ö., BAŞÇETİNÇELİK A., ÖZTÜRK H.H., 1995, Isı depolama<br />

yöntemleri ve yeraltında ısı depolama sistemleri. 5. Türk Alman Enerji<br />

Sempozyumu, “Güneş Enerjisi ve Diğer Yenilenebilir Enerji<br />

Uygulamalarındaki Gelişmeler” Bildiri Kitabı:151-160,izmir.<br />

PAKSOY H.Ö., 2007, Thermal energy storage for sustainable energy consumption<br />

fundamentals, Case Studies and Design, Editor, NATO Science Series, II.<br />

Mathematics, Physics and Chemistry - Vol 234, Springer, ISBN-10 1-4020-<br />

5288.<br />

ROZANNA, D., CHUAH, T.G., SALMIAH, A., THOMAS CHOONG, S.Y.,<br />

SA'ARI, M., 2004, Fatty acids as phase change materials (PCMs) for thermal<br />

energy storage: Review International Journal of Green Energy Vol:1, 1-19.<br />

SCHOSSİNG, P., HENNING, H.M., GSCHWANDER, S., HAUSSMAN, T., 2005,<br />

Microencapsulated phase change materials integrated into construction<br />

materials, Solar Energy Materials& Solar Cells 89, 297-306<br />

VOELKER, C., KORNADT, O., OSTRY, M. 2008. Temparature Reduction due to<br />

the Application of Phase Change Materials, Energy and Buildings 40, 937-<br />

944.<br />

ZAMALLOA, A., EMBIL, M.J., ZUNIGA, J., ZUBİLLAGA, O., CANO, F.,<br />

FLORES, I., PCM containing indoor plaster for thermal comfort and energy<br />

saving in buildings 11th International Conference on Thermal Energy<br />

Storage, Effstock 2009, 14-17 June 2009, Stockholm, Sweden.<br />

ZHOU, G., ZHANG, Y., WANG, X., LIN, K., XIAO, W., 2007, An assessment of<br />

mixed type PCM-gypsum and shape-stabilized PCM plates in a building for<br />

passive solar heating, Solar Energy 81, 1351-1360<br />

69


www.bayindirlik.gov.tr<br />

www.cevreorman.gov.tr<br />

www.dektb.org.tr<br />

www.eie.gov.tr<br />

www.ito.org.tr<br />

www.tuik.gov.tr<br />

70


ÖZGEÇMİŞ<br />

12 Şubat 1983 yılında Adana’da doğdu. İlk ve ortaöğretimini Adana’da<br />

tamamladı. 2004 yılında başladığı Çukurova Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi,<br />

Kimya Bölümü’nden 2008 yılında mezun oldu ve aynı yıl Kimya Bölümü<br />

Fizikokimya Anabilim dalı Enerji Laboratuarında yüksek lisansa başladı.<br />

71

Hooray! Your file is uploaded and ready to be published.

Saved successfully!

Ooh no, something went wrong!