Thermal and mechanical performance of cementitious PCM composites
Çimentolu FDM kompozitlerinin ısıl ve mekanik performansları
- Tez No: 610391
- Danışmanlar: DOÇ. DR. BEKİR YILMAZ PEKMEZCİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Yapı Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 156
Özet
Teknolojik yeniliklere parelel olarak yapı malzemeleri de gün geçtikçe gelişmektedir. İlerleyen teknoloji, malzemelerin kendi ana fonksiyonlarının yanında farklı özellikler kazanmalarına da ön ayak olmaktadır. Bu sayede tek bir malzeme ile farklı amaçlara cevap vermek mümkün hale gelmiştir. Bu teknolojilerden bir tanesi de ısıl enerji depolamadır (IED). Sürdürülebilir kalkınma yolunda önemli katıkılar sağlayan IED, basitçe, depolanan enerjinin daha sonra ısıtma ve soğutma uygulamaları veya güç üretimi için kullanılabilmesi amacıyla, bir depolama ortamını ısıtmak veya soğutmak suretiyle ısıl enerjiyi depolayan teknoloji olarak açıklanabilir. Enerji, dünyanın yüzleştiği her türlü zorluk ve fırsatın merkezinde olup üretiminden saklanmasına, erişilmesinden kullanılmasına, bütün aşamaları ile geçmişten günümüze ilgi odağı olmuştur ve gelecekte de olmaya devam edecektir. Günümüzde ihtiyaç duyulan enerjinin büyük bir kısmının kömür, petrol benzin gibi fosil tabanlı yakıtlardan sağlanması hem çevreye verilen zarar bakımından hem de bu kaynakların sonlu olması bakımından sürdürülebilirlikten uzak bir tablo oluşturmaktadır. Öte yandan, dünyadaki enerji talebinin geçtiğimiz yüzyıl boyunca belirgin bir şekilde artması ve bu artış eğiliminin yakın gelecekte de yükselerek devam etmesinin beklenmesi, temiz ve yenilenebilir enerji için alternatif strateji arayışını dünya gündemine oturtmuştur. Güneş ve yerısıl enerjiler gibi yenilenebilir enerjiler bu duruma en uygun çözüm yolunu oluşturmaktadır. Güneş; kış aylarında ısınma, yaz aylarında soğutma ve tüm mevsimlerde sıcak su gibi tüm termal enerji ihtiyaçları için iyi bilinen bir kaynaktır. Yenilenebilir enerjilerin tam olarak uygulanması için ısıl enerjinin depolanmasının şart olduğu da unutulmamalıdır. İnşaat sektörünün dünya enerji tüketimindeki payı çok ciddi seviyelerde olup bu payın büyük bir kısmı ısıtma, soğutma, havalandırma (HVAC) gibi iklimlendirme işlemlerine aittir. Kentsel yenileme çabalarının hali hazırda devam ettiği kalkınmakta olan ülkeler için bina enerji verimliliğinin ön planda tutulması ve özellikle işletme giderleri başta olmak üzere enerji temelli harcamaların en aza indirilmesi oldukça büyük önem arz etmektedir. Bu nedenle, hem yeni inşa edilmesi planlanan hem de yenilenmesi söz konusu olan binalarda enerji verimliliğini arttıracak önlemlerin alınması ile bina temelli enerji tüketiminin sınırlandırılması, sürdürülebilir bir kalkınma stratejisi sağlamak açısından bina yapım yönetmelikleri ve hükümet kalkınma planlarında ön saflarda yer almaktadır. Özellikle sıcak yaz aylarında insanların ısıl konforuna bir tehdit olarak ortaya çıkan aşırı güneş enerjisi, pasif bina konsepti çerçevesinde enerji israfı sorununa rasyonel bir çözüme dönüştürülebilir. Pasif binalarda, binanın duvar, döşeme veya pencere gibi unsurları, kış aylarında güneş enerjisini ısı şeklinde toplayacak, depolayacak ve dağıtacak; yaz aylarında ise yapıyı güneşten gelen fazla ısıdan koruyacak biçimde tasarlanmıştır. Pasif yöntemlerle, geleneksel malzemelerden daha üstün ısıl özelliklere sahip yapı malzemelerinden yararlanılarak daha az dış kaynaklı enerjiye ihtiyaç duyan ve dolayısı ile daha konforlu bir yaşam ortamı sunan binalar inşa edilebilir. Yalıtılmış binalar, doğal havalandırma, trombe duvarı, uygun yapısal konumlandırma, bitki örtüsü yardımıyla gölgelendirme vb. yöntemler düşük enerjili ve yüksek konforlu binalara ulaşmada kullanılabilecek pasif yöntemlere örnek verilebilir. Binalarda güneş enerjisinin kullanılması, hem konut sakinlerinin enerji harcamalarını azaltacak hem de iç mekân termal konforlarını arttırmalarına yardımcı olacaktır. Malzemelerde ısı enerjisinin depolanması, hissedilir ısı, gizli ısı ve kimyasal reaksiyonlar yoluyla sağlanabilir. Antik çağlardan beri, yapı malzemelerinin hissedilebilir ısı kapasitelerinin kullanımı, binaların ısıl konforlarını sağlamada süregelen bir yöntemdir. Ancak bu yöntemle kısıtlı bir enerjinin depolanması söz konusu olduğundan uygun bir ısıl konfor için oldukça geniş yapı kesitleri gerekmektedir. Modern yapılarda yüksek dayanımlı malzemelerin kullanılmaya başlanması ile daha ince kesitlere sahip duvarlar mümkün hale gelmiş ancak bu gelişme yapının ısıl kütlesinin azalmasına neden olmuştur. Bu da enerji ihtiyacı bir hayli fazla olan iklimlendirme sistemlerinin kullanımını kaçınılmaz hale getirmiştir. Yeni yüzyıldaki gelişmeler ile birlikte, yüksek gizli ısı kapasitesine sahip, faz değiştiren malzemeler (FDM) olarak adlandırılan maddelerin yapı sistemlerinde kullanımı ile daha ince kesitli ancak ısıl kütlesi yüksek yapıların inşası mümkün hale gelmiştir. FDM'ler endotermik ve egzotermik tepkimeler sonucunda faz değişimine uğrayan gizli ısı depolama malzemeleridir. Başka bir deyişle, faz değişim sıcaklıkları civarında bir ısı değişimine maruz kaldıklarında, ısı artışının söz konusu olduğu durunmlarda, bu malzemeler çevreden aldıkları ısı enerjisini faz değiştirmede kullanmak suretiyle katıdan sıvıya veya sıvıdan gaza, depoladıkları enerjiyi dışarıya verdiklerinde ise gazdan sıvıya veya sıvıdan katı hale geçerler. FDM aracılığıyla sadece hissedilir enerji depolanmaz, aynı zamanda gizli ısı depolanması söz konusudur. Bundan dolayı, FDM'nin gizli ısı kapasitesinin kullanımı ile su, taş duvar gibi hissedilir ısı depolama malzemelerine oranla birim hacim başına çok daha fazla ve izotermal özellikte ısı depolamak veya geri kazanmak mümkündür. Elde edilmesinden kullanılmasına FDM'ler oldukça geniş bir araştırma alanı oluşturmaktadır. PCM'lerin yapı sektöründe kullanımı ise enerji verimliliği ve temiz enerjiye verilen önemin gün geçtikçe artması ile son yılların gözde araştırma konularından biri haline gelmiştir. Temiz ve verimli enerji kullanımı ile sürdürülebilir kalkınmaya verdikleri destek ile kullanıcılara ve ülkeye uzun vadede sağlayacakları ekonomik katkılar FDM'lerin yapı malzemelerine entegrasyonunu oldukça cazip kılmaktadır. FDM'nin yapıda kullanımının görece yeni bir araştırma alanı olmasının yanında bu alanın oldukça geniş sınırlara sahip olması, konu ile ilgili araştırma ihtiyacını arttırmaktadır. FDM olarak kullanılabilecek malzemelerin çeşitliliği, yeni malzeme keşfetme çabaları, mevcut ve yeni bulunan FDM'lerin yapı malzemeleri ile uyumu ve entegrasyonu, entegrasyon sonrası son üründe meydana gelen performans değişimleri, ekonomik kaygılar gibi konular düşünüldüğünde FDM'lerin yapıda kullanımı konusunun çok boyutluluğu konusunda bir fikir sahibi olunabilir. Genel olarak FDM'lerin ısıl depolama konusundaki başarıları literatürde mevcut birçok çalışma ile kanıtlanmıştır. Gerek FDM çeşitliliği gerekse FDM'nin entegre edilmesi planlanan yapı malzemelerinin ve yapı sistemlerinin çok çeşitli olması farklı FDM'lerin farklı sistemlerde kullanılabilirliğinin değerlendirilmesi gerekliliğini doğurmuştur. Bu bağlamda bu tezde ele alınan çalışmaların ana çerçevesini FDM içeren çimentolu kompozitler oluşturmaktadır. Tezin ana amacının en genel anlamda, enerji verimliliğine katkı sağlayan, yapısal anlamda yeterli, çimentolu kompozit malzemeler geliştirilmesi olduğu söylenebilir. Literatürdeki çalışmalar incelendiğinde FDM'nin yapı sektöründe agregalardan sıvalara, harç malzemelerinden betona kadar birçok yapı malzemesi bünyesinde kullanıldığı görülmüştür. FDM'nin agrega bünyesine entegrasyonu ile harç, beton gibi yüksek oranda agrega içeren yapı malzemelerinin enerjinin verimli kullanımına destek verecek biçimde tasarlanmasına yönelik ilk adım atılmış olur. Betonların karışım tasarımları, kullanılacakları yer ve amaca göre çok çeşitli varyasyonlar gösterebilir. Piyasada her türlü beton dizaynı dahilinde kullanılmaya hazır standart bir FDM-agreganın bulunması kullanım kolaylığı bakımında pratik olarak sektöre yarar sağlayabilir. Literatür değerlendirildiğinde FDM'nin agrega içerisine genellikle emdirilme yöntemi ile entegre edildiği gözlemlenmiştir. Bu yöntemle oldukça başarılı ürünler geliştirilmiş olsa da eridiği zaman akışkan bir hal alan FDM'nin bulunduğu agrega boşluklarını terk etmesi akabinde yaşanabilecek FDM kusması, agreganın FDM içeriğinde kayıplar meydana gelmesi, mekanik ve geçirimlilik özelliklerinde değişiklik gibi problemleri akla getirmektedir. Bu bağlamda literatürdeki yöntemlere alternatif bir yöntem önermek amacıyla, çalışmada ilk olarak mikroenkapsüle FDM'nin peletleme yöntemi ile yapay agrega üretimine dahil edilmesi incelenmiş, uçucu kül, öğütülmüş yüksek fırın cürufu gibi endüstriyel yan ürünler kullanılarak yapay hafif agregalar üretilmiştir. FDM içeren hafif agrega üretimi ile enerji verimliliğine ek olarak hafif yapı malzemesi kullanımının bereberinde getireceği avantajlar ve uçucu kül, cüruf gibi Türkiye'de oldukça fazla açığa çıkan endüstriyel yan ürünlerin değerlendirilmesi amaçlanmıştır. Üç farklı bilimsel yayının bir araya getirilmesi ile oluşturulan çalışmanın ilk ayağında soğuk bağlanmış hafif agregaların tasarımı, optimizasyonu ve performansı üzerinde durulmuştur. Agrega bileşiminin deneysel tasarımında Taguchi yöntemi kullanılmıştır. Agregaların mühendislik özelliklerini etkileyen faktörler ve katkı oranları, varyans analizi (ANOVA) kullanılarak incelenmiştir. Faktörlerin optimal değerleri belirlenmiş ve araştırmanın devamında ısıl performansı iyileştirmek adına ticari bir mikroenkapsüle FDM kullanılarak cüruf içeren agrega karışım tasarımı geliştirilmiştir. Farklı FDM oranlarının üretilen peletlerin mühendislik özelliklerine etkisi deneysel olarak incelenmiştir. Özellikle agregaların mekanik ve fiziksel özelliklerinde meydana gelen negatif etkilerin boyutu üzerinde durulmuştur. İkinci bilimsel yayın birincinin devamı niteliğinde olup bu çalışmada araştırmanın sınırları genişletilerek farklı FDM oranları ile tasarlanmış çimento, uçucu kül ve cüruf içeren yapay agrega grupları üretilmiş ve fiziksel, mekanik ve ısıl özellikleri deneysel olarak araştırılmıştır. Akabinde mühendislik özellikleri belirlenen bu agregalar kullanılarak muadil betonlar üretilmiş, üretilen agregaların beton özelliklerine etkileri incelenmiştir. Çalışma sonunda karışıma dahil edilen her farklı malzemenin pelet oluşumu için gerekli olan su ihtiyacına etki etmek suretiyle pelet oluşumu ve ürünün mühendislik özelliklerini doğrudan etkilediği görülmüştür. Üretimde farklı oranlarda su kullanılması agregaların içyapısını etkileyerek hem fiziksel hem de mekanik özelliklerinde değişime sebep olmuştur. Çalışmanın bir diğer pratik sonucu, kumun pelet oluşumunu kolaylaştırması ve peletleme sürecini hızlandırmasıdır. Öte yandan, karışımdaki kum miktarı belirli bir eşiği aştığında, mevcut bağlayıcı miktarı tüm içeriği bağlamak için yetersiz hale gelmekte ve bu da peletleme diskinin tabanında bağlanmamış malzemelerin birikmesine neden olmaktadır. Agrega içeriğinde kum kullanımı ile ilgili ulaşılan bir başka bulgu ise kumun, üretilen agregaların yoğunluğunda bir miktar artışa neden olduğudur. Bununla birlikte, kumun, agrega dayanımında önemli bir artış oluşturmadığı da belirlenmiştir. Kum ile ilgili bulgular birlikte değerlendirildiğinde, çalışmanın ilerleyen safhalarındaki tasarımlarda peletlemeyi kolaylaştırmak adına kum kullanımını minimum seviyede tutmanın optimum çözüm olacağı sonucuna varılmıştır. Taguchi ve varyans analizlerine dayanarak, bağlayıcı tipinin agrega yoğunluğu, su emme ve geçirimli porozite gibi fiziksel özellikler üzerinde en etkili parametre olduğu belirlenmiştir. Dayanım özellikleri söz konusu olduğunda ise, kür süresi en etkili faktör olarak bulunmuştur. Bu analizler sonucunda, bağlayıcı tipi ve kür süresi faktörlerinin etkileşiminin dayanım üzerinde oldukça etkili olduğu da görülmüştür. Çalışma aynı zamanda, çimento, uçucu kül, cüruf gibi farklı bağlayıcı türleri kullanılarak üretilen agregaların birbirleri ile kıyaslanmasına olanak vermiş, cüruf kullanılarak üretilen agregaların uçucu kül kullanılarak üretilen agregalara oranla daha hafif olduğu belirlenmiştir. Agregaların dayanım özellikleri göz önüne alındığında, cüruf agregalarının erken dayanımı, uçucu kül agregalarından daha yüksek olmasına rağmen, kür süresinin uzamasıyla birlikte, uçucu kül agregalarının nihai dayanım açısından daha iyi performans gösterdiği sonucuna varılmıştır. Agrega tasarımlarına mikroenkapsüle FDM'nin eklenmesi ile genel olarak agregaların hafiflediği ve dayanım kaybettikleri, buna karşın ısı depolama kapasitelerinin arttığı söylenebilir. Karışımlara FDM eklenmesi peletleme işleminin süresinin uzamasına sebep olmuş, karışımların pelet oluşturma eğilimlerinde azalma gözlemlenmiştir. Uzun süren peletleme süreci nedeniyle agrega üretiminde kullanılan su miktarları da artış göstermiş, yüksek oranlarda FDM kullanımı söz konusu olduğunda dayanımda önemli mertebede düşüşler gözlemlenmiştir. Ayrıca, artan FDM ve su miktarı disk içersindeki karışımın çamur halini almasına sebebiyet vermiş bu durum agrega içerisinde yüksek miktarlarda FDM kullanımını engelleyerek, agregaların ısı depolama özelliklerini sınırlamıştır. Çalışmada elde edilen sonuçlara göre, agrega su/bağlayıcı oranının, bağlayıcı türünden bağımsız olarak, artan FDM oranı ile birlikte doğrusal bir şekilde arttığı söylenebilir. Çalışma ayrıca, incelenen etmenlerin agregaların mikro yapısında oluşturduğu farklılıkları da ortaya koymuştur. Karışımdaki FDM miktarındaki artış, matris malzemesinin yapısı ve hacmini de değiştirmiştir. FDM kapsüllerinin hacmi arttıkça parçacıklar birbirlerine yaklaşmış, matris hacmi artan FDM oranına paralel olarak kademeli olarak azalmıştır. Yüksek FDM oranına sahip agregaların kırılma yüzeylerinin birbiri ile temas eden FDM mikrokapsüllerinden oluştuğu, matris fazının oldukça sınırlı olduğu gözlemlenmiştir. FDM'nin agregaların fiziksel özellikleri üzerindeki etkisi, araştırmada incelenen bir diğer konudur ve FDM kullanımının agrega yoğunluğunu 0,99 g/cm3'e kadar düşürdüğü görülmüştür. Bu, FDM kullanarak oldukça hafif agregalar üretmenin mümkün olduğu anlamına gelmektedir. FDM, su emme kapasitesi ve poroziteyi karışımların içeriğine bağlı olarak farklı seviyelerde etkilemiştir. Karışımlardaki malzeme çeşitliliğinden kaynaklanan su oranlarındaki farklılıklar da bu sonuca neden olmaktadır. Sonuç olarak agrega içeriklerinin farklı olmasının çalışmanın genel sonuçları üzerinde zincirleme etkiler yarattığı söylenebilir. Çalışma, agrega içerisindeki FDM oranı arttıkça, agregaların ezilme dayanımının ciddi bir şekilde düştüğünü göstermiştir. Bu sonuç agrega içerisinde kullanılabilecek FDM oranını sınırlayan başka bir etmen olmuştur. FDM agregaların mekanik özellikleri üzerinde bağlayıcı tipinden bağımsız olarak bozulmalara yol açmıştır. FDM'nin ve bağlayıcı tipinin dayanım üzerine etkisinin ayrı ayrı ele alındığı çalışmada, FDM kullanımının dayanım üzerinde bağlayıcı tipi etkisine göre daha yüksek mertebede bir etki yarattığı gözlemlenmiştir. Elde edilen sonuçlara değerlendirildiğinde, FDM oranındaki artış ile dayanım değerlerindeki düşüş arasında doğrusal bir ilişki vardır. Ezilme dayanımı ile agrega yoğunluğu arasında yüksek bir korelasyon olduğu da tespit edilmiştir. Genel olarak, agrega yoğunluğunun, karışımların FDM oranının artmasına bağlı olarak azalması ile birlikte, ezilme dayanımının da düştüğü sonucuna varılmıştır. Üretilen agregalarının ısıl performansı bu deneysel çalışma kapsamında değerlendirildiğinde, düşük oranlarda FDM kullanımının agrega ısıl performansını uygulamada fark yaratacak düzeyde yükseltmediği sonucuna varılmıştır. Dayanım, üretilebilirlik, ekonomi gib farklı kaygılar ile agregaların FDM oranlarının sınırlanması ve malzeme test sürecinin yarattığı problemler ısıl performansın istenen düzeye çıkarılamamasına neden olmuştur. Sonuç olarak FDM kullanımı agregaların gizli ısı kapasitesini arttırmış ve bu artış sistematik olarak elde edilmiş olsa da, gözlemlenen entalpiler teorik değerlerin altında kalmıştır. Gelecekteki çalışmalarda tam ölçekli deneysel analizler ile ısıl performans daha iyi irdelenebilir. Alternatif bir yöntem olarak, yüksek gözenekliliğe sahip hafif agregalar peletleme yöntemiyle üretildikten sonra istenen dayanım gelişimini takiben, agregalara FDM emdirme yöntemi denenebilir. Çalışma ayrıca peletleme yöntemiyle üretilen agregalar kullanılarak hafif betonların üretilebileceğini göstermiştir. Beton içerisinde kullanılan agreganın FDM içeriği arttıkça betonun hem eğilme hem de basınç dayanımının düştüğü gözlemlenmiştir. Deneysel sonuçlar değerlendirildiğinde, FDM her ne kadar betonun basınç dayanımını olumsuz yönde etkilese de, bu agregalar kullanılarak birçok yapısal uygulama için yeterli dayanımda, yapısal bir beton üretilebileceği görülmüştür. Üçüncü bilimsel yayında, daha gelişmiş bir ısıl performans elde etmek amacıyla mikroenkapsüle FDM, binaların dış cephelerini kaplayarak güneş enerjisinin değerlendirilmesine uygun bir ortam hazırlayan lif takviyeli çimentolu kompozit panellerin (GRC) yapısına dahil edilmiştir. FDM'nin GRC bünyesinde kullanımıyla, kompozitlerin termal performansında kayda değer bir gelişme sağlanmıştır. Çalışma çimentolu kompozit içerisindeki FDM'nin güneşten gelen aşırı ısıyı engelleyerek iç ortam sıcaklık gelişimini başarıyla etkilediğini göstermiştir. Kompozitlerin gelişmiş entalpileri, düşük ısıl iletkenlik özelliği ile birlikte malzemenin yalıtım özelliklerini iyileştirmiştir. Ayrıca FDM'nin çalışma dahilinde üretilen ölçüm hücrelerinin sıcaklık artış ivmesini değiştirdiği ve hücreler içerisinde en yüksek sıcaklığın gözlemlendiği zamanını ileriye ötelediği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, lif takviyeli FDM kompozitlerinin yapıda kullanımı, yapının ısıl verimliliğini artıracak ve özellikle yaz aylarında soğutma sistemlerinin elektrik yüklerini azaltarak soğutma giderlerini düşürecektir. Isıl performanstaki gelişmelere ek olarak çalışma, malzemenin mekanik performansındaki kayıplar üzerine yoğunlaşmış ve GRC içerisindeki FDM'nin faz dönüşümünü takiben mekanik performanstaki değişim incelenmiştir. FDM kullanımı, kompozitlerin basınç ve eğilme dayanımlarında düşüşe neden olmuş, basınç dayanımının eğilme dayanımına göre daha yüksek oranda etkilendiği gözlemlenmiştir. Sonuç olarak, çimentolu FDM kompozitleri sürdürülebilir binalar için umut verici bir malzemedir. Bu kompozitler binanın enerji tüketimini azaltır ve termal konforu arttırır. Ancak kullanım esnasında güvenli tarafta kalmak adına, yapının servis ömrü süresince maruz kalacağı farklı sıcaklık değerleri göz önüne alınmalı, malzeme performansı tasarım dayanım değerinin altına düşmeyecek şekilde ayarlanmalıdır. Gelecekteki araştırmalar için, bu araştırmanın kapsamına dahil edilmeyen, FDM içeren çimentolu kompozitlerin ekonomik uygulanabilirliği konusunu incelemek yerinde olacaktır. Gerçek ölçekli testleri içeren deneysel çalışmalar da konunun daha iyi anlaşılması açısından uygun olacaktır.
Özet (Çeviri)
Technological advancements and innovations lead to continuous developments in building materials. Recent developments enabled materials to gain different features in addition to their main functions. In this way, it has become possible to respond to different needs with a single material. One of these technologies is the thermal energy storage (TES) technique. TES, which makes significant contributions to sustainable development, can be explained simply as the technology that stores thermal energy by heating or cooling a storage medium so that the stored energy can be used later for heating and cooling applications and power generation. Energy is a central figure to nearly every major challenge and opportunity the world faces today. For many years, the greatest portion of the world energy demand has been provided from fossil-based fuels such as coal, oil or gas. Burning carbon fuels generates a considerable increase in the level of greenhouse gases which is the leading cause of global warming. In addition to all the negatives of using carbon fuels, the world is running out of its fossil fuel supplies. It is also a known fact that the energy consumption of the world has been increasing dramatically during the last century resulting a depletion in energy reserves and an increase in environmental degradation. Moreover, the rise in demand is expected to progress further in the near future. The search for alternative clean and renewable energy has now become the primary concern in all over the world, especially for the countries which import the demanded energy. Renewable energies like solar, geothermal, etc. are the most viable solution to the problem. The full implementation of such energy sources requires storage capabilities to be developed. For the case of the sun, solar energy can be directly utilized for heating or cooling purposes, such as heating for winter times and for domestic hot water needs or cooling in summer times through phase change materials. This dissertation is planned as a cumulative work consisting of three published scientific articles and is framed within thermal and mechanical performance of the cementitious composites containing phase change materials (PCMs). A PCM is a latent heat storage material that undergoes a phase change with endothermic and exothermic reactions. In our studies, the goal is to develop building materials that support to the efficient use of energy with the use of PCM. In the first two publications (Chapter 2 and Chapter 3), lightweight aggregate production by pelletization method and integration of PCM into the method were examined. In the second article, concrete production using the manufactured aggregates and effects of the aggregate on the mechanical and physical properties of concrete were discussed. In the last article (Chapter 4), the thermal and mechanical performance of glass fiber reinforced cementitious composites (GRCs) with their enhanced mechanical strength and energy absorption capacity, was studied in the presence of microencapsulated PCM over different service temperatures. Finally, the dissertation was rounded out by the conclusions drawn from the studies and recommendations for future works. Main focus of the first publication is the artificial aggregate production by pelletization which is the method that has been used throughout the study to integrate PCM to the building materials through the aggregates. The study has a pivotal environmental significance because it enables recycling of by-products such as FA and GGBS. The technique also contributes to the efficient use of energy in terms of suggesting a practical production process for manufacturing aggregates capable of TES. In the first stage of the study, the dynamics of the pelletization method was investigated. The effects of factors such as binding material content, amount of sand used, curing duration was revealed by using experimental design and optimization processes. The study showed that each material included in the mixture changes the amount of water needed for pellet formation which affects the engineering properties of the product. Modifications in the pore structure of the produced aggregates arising from different water amount in the mixtures, directly affected both the physical properties of the material such as density and permeability, and strength properties such as crushing strength. Use of sand in mixture facilitated the agglomeration. Binder type was found to be more effective on physical properties than S/B ratio according to Taguchi analysis. When GGBS was used as binder, lighter aggregates were obtained compared to C and FA binder ones. ANOVA results showed that S/B ratio has a significant effect on porosity of aggregates. The effect of binder type, S/B ratio and curing duration on crushing strength of aggregates were studied and the most significant factor was found to be the curing time. Since FA and GGBS are pozzolanic materials, aggregate strength showed significant changes with extended curing period depending on the type of binder used. It was obtained that the use of GGBS allows the production of lightweight aggregates with sufficient early strength. By incorporating a microencapsulated PCM into the production process, lighter and thermally enhanced aggregates were produced in the second stage of the research. Sand was also used in design of PCM aggregates because it helps to pellet formation. Although it was below the expected level, PCM addition improved the thermal capacity of aggregates. However, a significant decrease in strength with the increase of PCM amount was observed. The second study showed the physical, mechanical and thermal properties of aggregates containing cement, FA and GGBS in a more detailed manner and gave the opportunity to evaluate the aggregate performances comparatively depending on the materials included. It was observed that when the PCM amount of the mixture is increased, the pelletization process takes longer and the mixture in the disk tends to sludge without any pellet formation. PCM use increased the water/binder ratio of the mixtures and this ratio increased in a linear manner by the increase of the PCM ratio, regardless from binder type. The increase of PCM volume in the mixture conduced the PCM particles to approach each other in the structure, causing the matrix phase to decrease in volume gradually. The PCM incorporation decreased the particle density gradually down to 0.99 g/cm3. This means that it is possible to produce quite light aggregates using PCM. PCM additon affacted the water absorption capacity and porosity of the aggregates at different levels depending on the content of the mixtures. The study showed that the increase of PCM ratio of the aggregates generates a serious decrease in the crushing strength of the aggregates. This decline can be restrained by limiting the PCM ratio of the aggregates. Mechanical properties of aggregates were degraded regardless from binder type in case of PCM addition and the effect of PCM ratio on crushing strength of pellets was found to be more significant than the effect of binder type. A high correlation between the crushing strength and aggregate density has also been obtained. It can be concluded that, in general, as the density of the aggregates decreases based upon the increase of PCM ratio of the mixtures, the crushing strength of the aggregates is also decreases. When the thermal performance of the aggregates was evaluated, it was seen that although PCM incorporation increased the latent heat capacity of the LWTAs and the increase was systematic, the observed enthalpies remained below the theoretical values. The limited PCM ratios of the aggregates and problems related to the test methodology can be accounted for this performance loss. As future work, LWAs with high porosity may be produced by pelletization method and after a desired strength development, a better thermal performance can be obtained by PCM impregnation method. In this way, sintering or hydrothermal treatment can be applied to aggregates to provide them extra strength prior to the PCM impregnation process. Concretes including produced LWTAs are another research topic discussed in the second article. Based on the experimental results, it has been seen that although the PCM causes a significant decrease in compressive strength of the concrete, it is still possible to produce a structural concrete with sufficient strength for many structural applications. In the third study, in order to achieve a more advanced thermal performance, microencapsulated PCM was incorporated into GRC panels which offer a suitable layer covering exterior of the buildings for utilization of solar energy. The main idea of integrating PCM into the building materials is to be able to respond to a part of the building's energy needs by providing the energy storage feature to the existing elements of the building in addition to the building's own main functions. In cases where energy storage is not possible, integration of PCMs can also contribute to the insulation. By direct incorporation of the microencapsulated PCM into GRCs, a remarkable improvement was achieved in the thermal performance of composites. The study showed that the PCM in the cementitious composite affects the indoor temperature development successfully by blocking the excessive heat coming from the sun. Advanced heat capacity of PCM composite together with its relatively lower thermal conductivity improved the insulation properties of the material. It also changed the temperature acceleration and enabled shifting the time of the peak temperature to another time zone which offers a lower tariff. The PCM composites also maintained their performance even at temperatures above their phase transition temperature zone. In conclusion, fiber reinforced PCM composites increase the thermal efficiency of a building and reduce the cooling expenses by removing the electrical loads of the cooling systems especially during the summer. In addition to the improvements in thermal performance, the study focused on the losses in the mechanical performance of the material and questioned the change in mechanical performance after the phase transformation of the PCM within the GRC. It was observed that the decrease in uniaxial compressive strength of composites is higher than the decrease in flexural strength. In conclusion, cementitious PCM composites is a promising material for sustainable buildings. These composites can reduce the energy consumption of a building and increase the thermal comfort. Considering the fluctuations at different service temperatures, the performance should be adjusted in a way that it does not fall below the design strength value for an optimum use of the material.
Benzer Tezler
- Multifunctional conductive cementitious composites including phase change materials with snow/ice melting capability
Kar/buz eritme özelliğine sahip, faz değiştiren malzeme içeren multifonksiyonel iletken çimento esaslı kompozitler
FATİH ACIKÖK
Doktora
İngilizce
2024
Mühendislik BilimleriHacettepe Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA ŞAHMARAN
- Hafif agrega içeren yalın ve PVA lif ile güçlendirilmiş yapısal betonların mekanik özelliklerinin incelenmesi
Investigation of mechanical properties of conventional and structural semi-lightweight concretes reinforced with PVA fibers
MURAT EMRE DİLLİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN NURİ ATAHAN
- Experimental and analytical study on the performance of cementitious mixes containing different re-generated end of life materials
Başlık çevirisi yok
MATINEH MAHMOUDI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
İnşaat MühendisliğiÖzyeğin Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Assist. Prof. Dr. ZEYNEP BAŞARAN BUNDUR
- Alkalilerle aktive edilmiş yüksek fırın cürufu bağlayıcılı lifli kompozit geliştirilmesi
Development of a fiber reinforced composite with alkali activated ground granulated blast furnace slag
SERDAR AYDIN
Doktora
Türkçe
2010
Mühendislik BilimleriDokuz Eylül ÜniversitesiYapı Malzemesi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BÜLENT BARADAN
- Yüksek performanslı lif donatılı çimento esaslı kompozitlerin mekanik davranışı ve kırılma parametreleri
Mechanical behaviour and fracture parameters of high performance fiber reinforced cementitious composites
GÖZDE GÜVENSOY
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. MEHMET ALİ TAŞDEMİR