TEKNİK MAKALE 64. Sayı (Ocak Şubat 2007)

Hüseyin GÜLLÜCE /Atatürk Üniversitesi Pasinler Meslek Yüksekokulu Bedri YÜKSEL /Balıkesir Üniversitesi Mühendislik Fakültesi
ÖZET

Günümüzde enerji ihtiyacı fosil yakıtlardan, yenilenebilir enerji kaynaklarından ve nükleer enerjiden sağlanmaktadır. Fosil yakıtların kullanımının artması ve rezervlerin sınırlı olması nedeniyle yakın bir gelecekte tükeneceği belirtilmektedir. Ülkemizde tüketilen enerjinin büyük bir kısmı konutların ve yapıların ısıtılmasına harcanmaktadır. Bu nedenle enerji sarfiyatının düşürülmesi ve şehirlerimizde hava kirliliğinin önlenmesi için konut ve yapılara ısı yalıtımının uygulanması çok önemli bir konudur. Çalışmamızda, ülkemizde ve özellikle bölgemizde çok miktarda rezervi bulunan hafif ve ısı yalıtım değeri yüksek olan pomzanın yapı elemanı ve yalıtım malzemesi olarak kullanılma imkánı araştırılmıştır. Bu amaçla, Pasinler Demirdöven bölgesinde bulunan pomza kullanılmıştır. İlk olarak, kullanılan pomza belirli tane sınıflarına ayrılmış, daha sonra içerisine belirli oranlarda çimento, alçı, çimento + kireç katılmıştır. Elde edilen bu karışımlarla dökülen değişik ebatlardaki numuneler üzerinde ısı iletkenlik, basınç dayanımı, su emme değeri gibi ısı yalıtım ve yapı malzemesi özellikleri incelenmiştir. Ayrıca karışımda katkı maddeleri arttıkça dayanım ve ısı iletim katsayısının arttığı, buna karşılık su emme değerinin azaldığı gözlenmiştir. Ayrıca pomzanın yapı elemanı olarak kullanımının uygun olduğu, fakat ürünün ilkel metotlarla değil modern makineler ile imal edilmesi gereği tespit edilmiştir. Bununla birlikte su emme değerini azaltıcı yönde çalışmalara ağırlık verilmesinin uygun olacağı saptanmıştır.

1. GİRİŞ

Binalarda ısı yalıtımı, iç hacimlerle dış hava ve değişik sıcaklıktaki hacimler arasında ısı akışını azaltıcı önlemlerin tümüdür. Yalıtımın yapılmasında kullanılan malzemelere yalıtım malzemeleri adı verilmektedir Yalıtımı yapılış amacına ve yapıldığı yere göre sınıflandırmak mümkündür. Yapılış amacına göre yalıtım ısıya, suya, neme, sese ve yangına karşı yalıtım olarak gruplandırılır. [1]. Ülkemizde üretilen özellikleri bilinen ve ısı yalıtımında kullanılan yalıtım malzemeleri arasında camyünü, taşyünü, extrude ve expanded polistren köpükler ile poliüretan köpük sayılabilir. Ayrıca ısı yalıtımına yardımcı yapı olarak ise gazbeton, pomza kullanılarak üretilmiş briketler vb. sayılabilir. Yapılarda bilinçli bir şekilde yapılan ısı yalıtımının ısıdan % 60’a varan oranda oranında bir tasarruf sağladığı görülmüştür. Yalıtım için kullanılan finansman, yörelere göre belirli sürelerde kendini çok kısa sürede amorti etmektedir. Bu nedenle yalıtımın sağladığı faydalar insanlara çok iyi bir şekilde anlatılmalıdır.

Yapılarda ısı ve nem dengesinin sağlanmasında ve yapı elemanlarında yoğuşmanın önlenmesinde etkili olan yalıtım durumunu ortaya koymak amacıyla yapı elemanlarını oluşturan malzemeleri ve kullanılacak yalıtım malzemelerinin ısı iletkenlikleri bilinmeli ya da belirlenmelidir. Isıl iletkenliği düşük olan yapı malzemelerinden birisi de pomzadır. Pomza, birbirine bağlantısız boşluklu, sünger görünümlü silikat esaslı, birim hacim ağırlığı genellikle 1 g/cm3’ten küçük, sertliği Mohs skalasına göre 6 civarında, camsı doku gösteren volkanik bir maddedir. Pomza, volkanik olaylar neticesinde oluşmuş, fiziksel ve kimyasal etkenlere dayanıklı, süngerimsi, ani soğumadan ve gazların yapıyı ani terk etmesinden dolayı oldukça gözenekli camsı volkanik bir kayaçtır ve suda yüzmektedir. Gözenekler arası irtibatsız olduğundan permabilitesi düşük, ısı ve ses yalıtımı oldukça yüksektir. Bünyesinde kristal suyu yoktur. Kimyasal olarak % 75’e varan silis içeriğine sahiptir [2].

Pomza ve benzeri malzemeler üzerine çalışmalar tüm dünyada bütün hızı ile devam etmektedir. Bu konuda sağlanan gelişmeler sayesinde yalıtım malzemelerinin dışında ısı yalıtım değeri yüksek olan pomza gibi yapı malzemelerinin kullanımı artacak, bu da bize enerji tasarrufu sağlayacaktır. Ülkemizde tüketilen toplam enerjinin % 31’i konutların ve yapıların ısıtılmasında, % 42’si sanayi alanında, % 19’u ulaşımda, % 5’i tarımda ve % 3’ü  diğer alanlarda kullanılmaktadır. Ülkemizde tüketilen enerjinin yaklaşık % 68’inin ithalat yolu ile karşılandığı göz önüne alınırsa ve dünya enerji fiyatlarının aşırı bir şekilde yükseldiği hatırlanırsa enerjinin verimli bir şekilde kullanılması ve tasarrufunun da yalıtımla sağlanabileceği görülür [3],[4].

Bina yapımında kullanılan yapı malzemelerinin temini ya yörede bulunan malzemeler vasıtasıyla ya da başka yöre veya ülkelerden temin edilmek suretiyle olmaktadır. Yöre dışarısından temin edilen malzemeler kendi maliyetlerinin yanında nakliye masraflarını da beraber getirmektedir. Giderlerin daha az olması için, yörede bulunan yapı malzemelerinin kullanılması öncelikle tercih edilmelidir. Bu hem yörenin kalkınmasında fayda sağlayacak hem de yörede bulunan malzemeden faydalanılmasını sağlayacaktır.

Yukarıda açıklanan hususlar göz önüne alınarak, çalışmamızda Erzurum ilimizin Pasinler ilçesinde bol miktarda bulunan pomzanın kullanılabilirliği ve ısıl iletkenliği araştırılmıştır.

2. MATERYAL ve YÖNTEM

2.1. Materyal-Hafif Agrega (Pomza)Deneylerimizde Erzurum ilimizin Pasinler ilçesi Demirdöven yakınlarında bol miktarda bulunan pomza kullanılmıştır. Kullandığımız Pasinler Demirdöven pomzasının kimyasal analizi Tablo 2.1’de verilmiştir.

2.2. Yöntem

Pomza Üzerinde Yapılan Deneyler Pomza için gerekli olan ve hafif agregalar için standart olan TS 1114’te hafif agregalara uygulanması gereken deneyler yapılmıştır. Her bir deney için ölçümler malzemenin farklı boyutlar vb. özelliklerinden dolayı en az üçer defa yapılarak bulunan sonuçların aritmetik ortalaması alınmıştır. Ocaktan alınan pomzanın tüm ocağı temsil etmesine dikkat edilerek ocağın 18 farklı bölümünden pomza alınmıştır. Alınan pomzaların renk ve yapı değişikliği göstermemesine dikkat edilmiş, deneylerde kullanılmak üzere pomza yığınından numune alınırken standartta öngörülen çeyrekleme metodu (dörde bölerek küçültme) kullanılmıştır.

Pomza, hiçbir katkı malzemesi katılmadan dolgu malzemesi olarak yapılarda kullanılabileceği gibi içerisine çeşitli bağlayıcılar ve katkılar katılarak da yapı malzemesi olarak da kullanılmaktadır. Pomzaya su, çimento ve gerektiğinde katkı maddeleri de karıştırılarak hafif beton imalinde kullanılmak istendiğinde, pomzanın gevşek birim ağırlığının en büyük değerinin 1200 kg/m3’ü aşmaması gereklidir. Bu nedenle kullanacağımız pomzanın hafif agrega olarak kullanılması için fiziksel ve kimyasal özelliklerinin istenilen değerler sınırları içerisinde olup olmadığının araştırılmıştır.

Karışım Oranlarının Tespiti

Hafif agrega (pomza) betonunun çok önemli uygulamalarından biri de onun duvar blok elemanı olarak kullanımıdır [5][6]. Pomzanın duvar blok elemanı veya sıva olarak kullanımı için bu çalışmada çeşitli katkı maddelerini belirli oranlarda katarak çeşitli numuneler üretilmiştir. Elde edilen deney numuneleri için ilk önce mevcut pomza, elek analizine tabi tutularak 0/2, 2/4, 4/8 mm. tane sınıflarına ayrılmıştır. Bu tane sınıflarına ayrılmış olan malzemeyi, belirli oranlarda birbirlerine katarak ve de yine belirli oranlarda çimento, alçı veya çimento + kireç katılarak çeşitli numuneler üretilmiştir. Bu numunelerin fiziksel ve mekaniksel özellikleri (ısıl iletkenliği, basınç dayanımı ve su emme oranları vb.) incelenerek düşük birim ağırlıklı ve belirli basınç dayanımına sahip, ısıl iletkenliği düşük, ucuz yapı malzemesi elde edilip edilemeyeceği sonucu araştırılmıştır. Pomza içerisine ya dış sıva veya blok elemanı yapımı için sadece çimento ya da iç sıva vb. yerlerde kullanım için alçı veya çimento + kireç katılmıştır. Kullanılmış olan malzeme oranları Tablo 2.1’de verilmiştir.

Numunelerin Üretilmesi

Numuneler üretilirken TS 2848, TS 3234 ve TS 4916’ya uygun olarak elle karışım yapılmıştır. Farklı tane sınıflarına ayrılmış olan hafif agregalara çimento, kireç, alçı katılmadan önce homojen bir yapı elde edilene kadar iyice kuru olarak karıştırılmıştır. Hafif agrega ile çimento harcı yapılırken, önce hafif agrega ile çimento kuru olarak su katılmadan homojen karışım elde edilinceye kadar en az üç kez bir taraftan diğer tarafa, sağdan sola önden arkaya aktarılarak karıştırıldıktan sonra gerekli miktardaki su da katılarak istenilen homojen kıvam elde edilene kadar karıştırma işlemi sürdürülmüştür. Bağlayıcı olarak hem kireç hem de çimento kullanılan harçlarda ise, önce bir miktar suyla koyu bir ayran haline getirilmiş olan kireç ile hafif agrega homojen hale gelinceye kadar karıştırılmıştır. Sonra da çimentonun ve suyun geri kalan kısmının da ilavesiyle karıştırma işi karışımın istenilen kıvama gelmesine kadar devam edilmiştir. Alçı ile yapılmış olan karışım hazırlamada da aynı yol takip edilmiştir. Hazırlanan numuneler, randımanlı bir tarzda dökülecek, homojen bir kütle teşkilini ve işlenebilirliğini sağlayacak en düşük kıvamda olmalıdır. Bu nedenle istenilen kıvamdaki karışım suyu / malzeme oranı tespit edilerek Tablo 2.2’de verilmiştir [6].

Numunelerin Kalıplanması

Üretilen numunelerden ısı iletkenliği ölçülecek olanların boyutları, ısı iletkenliği ölçüm cihazı boyutlarına uygun olarak 365 x 165 x 90 mm. boyutundadır. Basınç ölçümleri için ise TS 4916’ya uygun olarak 50x50x50 mm boyutlarındadır. Kalıpların içerisi betonun yapışmaması için madeni yağ ile iyice yağlandıktan sonra hazırlanmış olan harçlar kalıplara dökülmüştür. En az 80 şişleme sonunda harcın kalıplara iyice yerleşmesi sağlanmış ve harç yüzeyi çelik mala ile düzeltilmiştir. Beton numunelerin nem kaybını önlemek için naylon branda ile üzerleri kapatılmış ve 24 saat kalıplarda bekletilmiştir. Kalıptan çıkarılan numunelerin ilk yedi gün % 90 bağıl nem 23 ¡C ortam sıcaklığında daha sonra da 14 gün laboratuvar açık hava ortamında % 50 bağıl nem 23 ¡C ortam sıcaklığında tutulmuştur

Numunelerin Isıl İletkenliğinin Ölçülmesi

Yalıtım elemanlarının ısı iletkenliklerinin belirlenmesinde geçici rejim yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem yapı malzemelerinin ısı iletkenlik katsayılarının güvenilir bir şekilde belirlenebilmesi için uygun ve uygulaması kolay bir yöntemdir. Diğer yöntemlere göre tercih edilen bu yöntemin üstünlüğü, ölçüm sırasında malzemenin nem içeriğinde bir değişiklik oluşturmadan ısı iletkenliğinin ölçülebilmesidir [1], [7], [8], [9], [10], [11]. Geçici rejimin öngördüğü deney düzeneği [5], [12], [13], [14], [15]’de verilen ilkeler doğrultusunda hazırlanmıştır [16]. Isı iletkenliği ölçüm sisteminin şematik görünüşü Şekil 2.1’de verilmiştir. Bu sistemde ısıl iletkenliği bulmak için hazırlanmış numunelerin ortasına ısıtma teli ile beraber bir termo elemanın uçları yerleştirilir. Böylece ısıtma sırasında telin sıcaklığındaki değişim ölçülür. Ayrıca ısıtmayı sağlayan akımın şiddeti ve gerilimi, telin çapı ve uzunluğu da ölçülerek kaydedilir. Daha sonra verilecek olan formülde gerekli değerler yerine konularak ısı iletim katsayısı hesaplanmaktadır.

Deneysel Yöntem

Üretilen numunelerin ısıl iletkenliğinin ölçülmesi için geçici rejim yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem, yapı malzemelerinin ısı iletkenlik katsayılarının güvenilir bir şekilde ölçülebilmesi için uygun ve uygulaması çok kolay olan bir yöntemdir. Numunelerin boyutları 36.5x16.5x9 cm’dir ve yüzeyleri oldukça düzgün yapılmıştır. Bu numunelerin iki yüzü arasına 0.1Ğ0.2 mm. çapında, direnci 33.98 W/m olan 40 cm uzunluğunda krom-nikel tel yerleştirilmiştir. Isıtma telinde meydana gelen sıcaklık değişimini belirlemek için 0.25 mm. çapında bakır-konstantan termoçift tel kullanılmıştır. Termoçift telden, sıcak uç denilen lehim yeri malzeme içindeki ısıtma teline dokunmaktadır. Soğuk uç denilen diğer lehim yeri ise buz-su karışımının içerisinde yüzeyden 10 cm. derinlikte tutulmuştur. Devreye bir milivoltmetre bağlanmıştır. Bu sayede milivolt cinsinden ısıtma telindeki sıcaklık değişimi belirlenmiştir. Milivolt cinsinden sıcaklığının doğru olarak saptanabilmesi için termoçift teli A.Ü. Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Isı Transferi laboratuvarında PolyScience marka, dijital sıcaklık kalibrasyon cihazı kullanılarak kalibre edilmiştir. Ölçümleri yapılan numunelerin çevresinde ısı kaybının az olması için yalıtım yapılmıştır. Cihazın buz-su karışım haznesine, buz-su karışımı konmuş belirli bir süre sıcaklık dengesi oluşması sağlanmıştır. Daha sonra ölçüm için önce Şekil 2.5’te verilen şemada gösterilen Anahtar-2 yardımıyla devrede bulunan ampul yakılmış, 30 saniye kadar beklenmiştir. Bunun nedeni ölçme başlamadan önce bir miktar akım çekerek başlama anındaki gerilim düşmesini azaltmaktır. Sonra Anahtar-1 kapatılmış ısıtma teli ısıtılmaya başlanmıştır. Anahtar-1’in kapatılmasından sonra bir kronometre ile belirli süre aralıklarında termoçift kablodaki gerilim okunmuş ve sıcaklıklar belirlenmiştir. Bu esnada ısıtma telinden geçen akım da ölçülmüştür. Termoçiftte meydana gelen gerilim vasıtasıyla hesaplanan sıcaklıklar, zaman ekseni logaritmik olan bir diyagrama taşınmıştır. Doğrusal olarak elde edilen eğriden seçilen iki farklı zamana (t1 ve t2) karşılık gelen sıcaklıklar (T1 ve T2) okunmuş ve ısı iletkenlikleri aşağıda verilen denklem yardımıyla hesaplanmıştır.

Numunelerin Isıl İletkenliklerinin Hesaplanması

Üretilen malzemeler hetorojen yapıda olmaları nedeniyle her karışımdan üç örnek hazırlanmış ve bunların ölçülen ısıl iletkenlik değerlerinin ortalaması alınmıştır. Isıl iletkenliği ölçüm ortamının hetorojen (çok yapılı) olmasının geçici rejim uygulaması için bir engel teşkil etmez, fakat birkaç ölçme yaparak ortalamasını almak gerekir [5]  Üretilen numunelerin ısıl iletkenlik katsayılarının şu şekilde hesap edilmiştir. İlk önce birer yüzeyleri çok düzgün hale getirilmiş deney numunelerinden birisi cihaza yerleştirilmiş, ısıtma teli ile termoçift dikkatlice bu numunenin ortasına yerleştirilmiştir. Daha sonra ikinci numune bu tellerin üzerine yerleştirilmiş cihazın izolasyonlu kapağı kapatılmıştır. Buz-su haznesinde, buz-su karışımının sıcaklığının denge halinde olmasına dikkat edilerek deney yapılmıştır. Elde edilen zaman-milivolt değerlerinde voltaj, sıcaklığa dönüştürülerek sıcaklık-zaman grafiği çizilmiştir. Grafikteki doğrusal kısım esas alınarak kullanılan malzemelerin ısıl iletim katsayıları bulunmuştur. Üretilen numunelerin kuru birim ağırlık, su emme, basınç dayanımı, nem içeriği, ısıl iletkenlik katsayısı değerleri Tablo 2.2’ de verilmiştir. Birim ağırlıklarla katkı malzemelerine göre ısıl iletim katsayısı arasındaki ilişkiler Şekil 2.2, 2.3, 2.4’te verilmiştir. Elde edilen numunelere katılan bağlayıcıların katkı oranlarıyla ısı iletimi katsayısı arasındaki ilişkiler Şekil 2.5, 2.6 ve 2.7’de verilmiştir.

3. Sonuç ve Öneriler

Bu sonuçlar incelendiğinde şu değerlendirmeler yapılabilir:

1. Yapı malzemenin birim ağırlığı arttıkça ısıl iletkenliği de artmaktadır.

2. Yapı malzemesine katılan bağlayıcıların miktarı arttıkça ısıl iletkenlikleri artmakta, yalıtkanlık değerleri düşmektedir. Bunun yanında basınç mukavemeti yükselmektedir.

3. Malzemenin katkı malzemeleri arttıkça su emme değerleri azalmaktadır.

4. Yüzde 20 oranında katılan alçı su içerisine konulduğunda dağılmıştır. Bu sebeple bu oranda alçı katılarak yapı malzemeleri yapılmamalıdır. Alçı ile yapılan malzemelerin su emme değerleri de yüksek olmaktadır. Bu hem ısı iletimini artırmakta hem de ortamın nemli olmasını sağlamaktadır.

5. Malzemeye çimento yerine kireç + çimento katıldığında ısı iletim katsayısı %2.5-10 civarında düşmekte fakat mukavemet değeri de azalmaktadır.

6. Yapılan inceleme sonucunda Pasinler yöresinden çıkarılan pomzanın genellikle duvar elemanı yapımı için ve sıva malzemesi olarak kullanılmasının uygun olduğu görülmüştür.

7. Hafif agregaların en büyük özelliği olan su emme oranlarının yüksek olması, bu tip malzemelerin yaygın olarak kullanılmasını engellemektedir. Bu nedenle su emme özelliğini azaltacak çeşitli katkılar üzerinde çalışma yapılmalıdır.

Yöremizin tuğla ihtiyacı başka illerden sağlanmaktadır. Yöremizde kullanılan delikli tuğlaların ısı iletim katsayısı genellikle 0.58 W/mK civarındadır. Pomzayla yapılacak briketlerin ısıl iletim katsayısı daha düşük veya aynı seviyededir. Bu da pomzayla yapılan briketlerin kullanım için uygun olduğu sonucunu vermektedir.

Öneriler

Yapılan deneysel çalışmalardan elde edilen sonuçlara göre, ülkemizde bol miktarda rezervleri bulunan pomzanın enerji tasarrufu, çevre kirliliğinin azaltılması ve fazla yakıt tüketimi ile gelen döviz çıktısını azaltmak amacıyla binalarda yapı malzemesi olarak kullanımını artırmak gerekmektedir. Değişik katkı maddeleri pomzanın su emme değeri düşürülmesi üzerine de çalışmalar yapılmalıdır. Halen kullanılan demode tesisler yerine modern ve seri üretim yapan tesislerin kullanılması ülkemize yarar sağlayacaktır.

Özellikle bölgemizde dış havanın nem içeriğinin düşük olması göz önüne alınarak nem almasını önleyici tedbirler alınıp (sıva kullanımında vb.) pomzanın kullanımı bölgemizde artırılmalıdır. Doğu Anadolu Bölgesi’nde bol miktarda pomza ve perlit yatakları bulunmaktadır. Bu malzemeleri işleyecek modern tesisler kurulmalıdır.

Bu tesisler yöremizin kalkınmasına önemli katkıları olacaktır. Ayrıca pomza sadece inşaat sahasında değil, çok farklı alanlarda da kullanılmaktadır. Bu hususlar göz önüne alınarak çalışmalar yapılmalıdır.