Geleceğin Şehirleri Bölgede Mevcut Volkanik Küllerle İnşa Edilebilir

Kuveytli bilim adamları ile çalışan MIT (Massachusetts Institute of Technology) mühendisleri, volkanik kayaların ince kül tozu hâline getirildiğinde, beton yapılarda sürdürülebilir bir katkı maddesi olarak kullanılabileceğini buldular. Çalışmaya göre volkanik kül ekleyerek beton üretimi için gereken toplam enerji azaltılabilir.

Kuveytli bilim adamları ile çalışan MIT mühendisleri, volkanik kayaların ince kül tozu haline getirildiğinde, beton yapılarda sürdürülebilir bir katkı maddesi olarak kullanılabileceğini buldular.

Araştırmacılar, “Daha Temiz Üretim Bülteni”nde yayımlanan makalede, geleneksel çimentonun belirli bir yüzdesini volkanik kül ile değiştirerek, beton yapının “gömülü enerjisini” veya beton yapımına giden toplam enerjinin azaltılabileceğini belirtiyorlar. Hesaplarına göre, 26 beton binalık pilot bir mahalle, tamamen geleneksel Portland çimentosu kullanılarak inşa edildiğinde, yüzde 50 volkanik kül ile inşa edilen aynı yapı grubuyla karşılaştırıldığında, yüzde 16 daha fazla enerjiye ihtiyaç duyuyor.

Araştırmacılar, volkanik külü giderek küçülen parçacık boyutlarında öğüttükleri zaman, daha ince toz ve Portland çimentosu karışımının, yalnızca çimentodan yapılanlara kıyasla daha mukavemetli beton yapılar ürettiğini fark ettiler. Bununla beraber, volkanik külü bu denli ince parçacıklar hâline getirme işlemi de enerji gerektiriyor ve bu da sonuçta meydana gelen yapının gömülü enerjisini artırıyor. Demek ki, volkanik kül kullanıldığı zaman, bir beton yapının dayanımı ve gömülü enerjisi arasında bir seçim yapmak gerekiyor.

Çeşitli beton ve volkanik kül karışımlarıyla yapılan deneylere ve sonuçta meydana gelen yapının gömülü enerjisine dair hesaplara dayanarak, araştırmacılar, mukavemet ve gömülü enerji arasındaki ilişkiyi haritalandırdılar. Araştırmacılara göre, mühendisler bu ilişkiyi, örneğin belirli bir yapıyı ortaya çıkarmak için volkanik külle değiştirmek isteyecekleri çimento yüzdesini belirlerken bir çeşit plan olarak kullanılabilir.

MIT İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümünde (CEE) öğretim görevlisi olan Oral Büyüköztürk, “Bunu özelleştirebilirsiniz. Eğer bir trafik bloğu içinse, örneğin yüksek katlı bir binada duyacağınız kadar fazla güce ihtiyacınız olmayabilir. Yani bu gibi şeyleri daha az enerji ile üretebilirsiniz.” diyor.

Büyüköztürk, araştırmacı bilim adamı Kunal Kupwade-Patil, CEE lisans öğrencisi Stephen Chin, eski doktora öğrencisi Catherine De Wolf, MIT Mimarlık Bölümü Öğretim Üyesi John Ochsendorf, Kuveyt Bilimsel Araştırma Enstitüsünden Ali Hajiah ve Kuveyt Üniversitesinden Adil Al Mümin’in de aralarında bulunduğu disiplinler arası bir araştırma ekibiyle beraber çalıştı.

Doğal bir katkı maddesi

Beton, dünyanın en bol kullanılan malzemeleri sıralamasında sudan sonra ikinci sırada yer alıyor.  Beton üretimi, ocaklardan çıkan kireç taşı gibi taşların çıkartılması, değirmenlere taşınması, sonra da öğütülüp yüksek sıcaklıklarda çeşitli süreçlerle işlenerek çimentoya dönüştürülmesini kapsar.

Bu tür enerji yoğun süreçler, önemli bir çevresel ayak izi yaratır. Geleneksel Portland çimentosunun üretimi, dünyanın karbondioksit emisyonunun yaklaşık yüzde 5’ini oluşturur. Bu emisyonu azaltmak için Büyüköztürk ve iş ortakları, çimentoya katılabilecek sürdürülebilir katkı maddeleri ve alternatifler arıyorlar.

Volkanik kül, beton üretiminde bir katkı maddesi olarak kullanıldığında çeşitli sürdürülebilir avantajları da beraberinde getiriyor: Bu kaya malzemesi dünyanın her yerinde aktif ve inaktif volkanlar etrafında bol miktarda ve doğal olarak mevcut; insanlar tipik olarak herhangi bir amaç için kullanmadıklarından, atık malzeme olarak kabul ediliyor; Bazı volkanik küller kendiliğinden, “puzolanik” özelliklere sahip, yani toz formda, az miktarda çimento içeren kül.

Kupwade-Patil ile birlikte grubun deneysel çalışmalarının çoğunu, Büyüköztürk ile beraber Lisans Araştırma Fırsatları Programı’nda (UROP) bir öğrenci olarak yürüten Chin, “Çimento üretimi yüksek sıcaklıklarda gerçekleşen çok aşamalı bir süreç olduğu için çok fazla enerji tüketiyor. Bu gerçek, bir alternatif bulmaya çalışmamızdaki başlıca motivasyonumuz. Volkanik kül, yüksek ısı ve yüksek basınç altında oluşur ve doğa, bütün bu kimyasal reaksiyonları bizim için önceden gerçekleştirmiş olur.” diyor.

Ekip, ilk olarak çimento ve volkanik kül karışımıyla beton üretimi süresince harcanan enerjiyi yalnızca çimento kullandıkları karışımla karşılaştırdılar. Bunu yapmak için araştırmacılar, kayaları parçalama veya çimentoyu kürleme gibi çeşitli endüstriyel süreçlerle önceden ilişkilendirilmiş gömülü enerji değerlerinin bulunduğu çeşitli veri tabanlarına başvurdu. Araştırmacılar, yüzde 10 ila 50 oranında volkanik kül içeren çimento ile geleneksel çimento üretimi ile ilgili her bir süreci karşılaştırmak için veri tabanlarını incelediler.

Daha sonra laboratuvara girdiler ve burada küçük yüzdelerde volkanik kül içeren küçük beton numuneleri ve sadece Portland çimentosundan yapılmış numuneler ürettiler. Chin ve meslektaşları, her örneği, çatlamaya başlayana kadar yapıları sıkıştırmak gibi standart güç testlerine tabi tuttular. Daha sonra, her bir numunenin dayanımını, hesaplanan gömülü enerji seviyeleriyle bir araya getirdiler.

Elde edilen sonuçlara göre, geleneksel çimentonun %50’sini, ortalama parça büyüklüğü 17 mikrometrelik volkanik kül ile değiştirmek, betonun gömülü enerjisini yüzde 16 oranında azaltabilir. Bununla beraber, bu parça boyutu, betonun genel gücünü tehlikeye atabilir. Külün yaklaşık 6 mikrometrelik bir parça boyutunda öğütülmesi, betonun gücünü kayda değer biçimde arttırır, çünkü daha küçük parçalar su ve çimentonun kimyasal olarak bağlanabileceği daha fazla yüzey alanı sağlar.

Külden Şehirler

Ekip, kısmen volkanik kül ile yapılan yapıların, gerçek bina ve mahalle ölçeğinde, betonun gömülü enerjisini nasıl etkileyeceğini görmek için sonuçları ortaya koydu.

Araştırmacılar, Kuveyt’te, tamamı Avrupa’dan ithal edilen geleneksel Portland çimentosu ile yapılan 13 konut ve 13 ticari binaya sahip bir mahalleye odaklandı. Kuveyt’teki işbirlikçilerinin yardımıyla, görüntüleri ve ölçümleri toplamak için mahallenin üzerinde bir drone uçurdular. Ayrıca, her bina sistemi hakkında ek bilgi elde etmek için yerel yetkililere danıştılar.

Bütün bu bilgileri kullanarak ekip, mahallenin mevcut gömülü enerjisini ve sonra da eğer bu binalar, çeşitli yüzdelerde, Orta Doğu’da bol miktarda mevcut volkanik kül içeren betonlarla inşa edilmiş olsaydı gömülü enerji seviyesinin nasıl değişeceğini hesapladı.

Laboratuvardaki deneylerinde olduğu gibi, aynı binalar yüzde 30’u volkanik külden oluşan bir çimento karışımından yapılmış olsaydı, bir mahallenin altyapısının çok daha az enerji ile inşa edilebileceğini gördüler.

Büyüköztürk, “Bulduğumuz şey, bir mahalle veya bir şehrin inşasında betonun istenilen özelliklere ve daha düşük oranda gömülü enerjiye sahip doğal katkı maddeleri ile üretilebileceği ve bunun da önemli bir enerji tasarrufuna dönüştürülebileceği.” diyor.

Bu araştırma kısmen Kuveyt Bilim Geliştirme Vakfı tarafından desteklenmiştir. Proje, Büyüköztürk’ün baş araştırmacı olduğu Kuveyt-MIT iş birliğiyle gerçekleştirilen ve Kuveyt’in inşaat çevresinin sürdürülebilirliğini hedefleyen projenin bir parçası olarak gerçekleştirildi.

Lisans öğrencileri beraber yazıyor

ASCE Journal of Materials in Civil Engineering dergisinde yakında yayımlanacak ikinci bir makalede, kendisi de eski bir UROP öğrencisi olan Maranda L. Johnston ve Chin, Portland çimentosu ince öğütülmüş volkanik kül ile değiştirildiğinde ortaya çıkan bağlama mekanizmasını araştıracak. Ekip, sertleşmiş çimento hamurunun mikro yapısını incelemek için Argonne Ulusal Laboratuvarında uyguladıkları synchrotron X-Ray difraksiyonu da dâhil olmak üzere çeşitli teknikler kullanmıştır.

Daha ince boyutlardaki volkanik kül parçalarının, çimento hamuru sertleştikçe, nanometre ölçeğinde ürünler ortaya çıkardığını ve bunun da ana fazın kürlendikçe yoğunlaşmasına yardımcı olduğunu buldular. Kupwade-Patil, “Çalışmalarımız, mühendislerin karışımlarını belirtilen şartlara göre doğal katkı maddeleri ile optimize edebilmeleri için bir temel sağlıyor.” diyor.

Büyüköztürk, “Laboratuvarımda birinci sınıf öğrencileri ve diğer UROP öğrencilerini makale yayınlarına uzayan üst düzey multidisipliner araştırmalara dâhil etmek bir gelenek hâline geldi. Bu öğrenme deneyimi eğitim sistemimizin önemli bir parçasıdır.” diyor.

Kaynak: http://news.mit.edu/2018/cities-future-built-locally-available-volcanic-ash-0206