ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK ...
ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK ...
ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK ...
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