Đzmit Av Köşkü, Adile Sultan Sarayı ve Ahi Çelebi Camii yapılarından alınan ve ocaktan getirilen volkanik tüf örneklerinin özelliklerini belirlemek için laboratuar ortamında yapılan deneyler başlıca 4 farklı grupta toplanmıştır. Bu gruplardan ilki kimyasal analizlerdir. Minerolojik ve petrografik analizler ile fiziksel ve mekanik özellik deneyleri ise diğer grupları oluşturmaktadır. Deney grupları içinde yapılan alt deneyler ve izlenen yöntem Şekil 3.1’de akış şeması şeklinde gösterilmiştir.
Şekil 3.1: Konservasyon Çalışmaları Đçin Yapılan Deneylerin Akış Şeması
• Đnce kesitler • SEM-EDS • X-Işını Dif. • Kalitatif ve Kantitatif Tuz Analizleri • XRF yöntemi ile
• Birim Hacim Kütle • Özgül Kütle • Su Emme (v/v,m/m) • Kuruma Hızı • Porozimetri • Kılcallık Katsayısı • Su Buharı Difüzyonu • Basınç Dayanımı • Eğilme Dayanımı • Ultrases Hızı • Dinamik E-Modülü
Volkanik Tüf Örnekleri Seçilmesi
Laboratuar Çalışmaları Kimyasal Analizler Minerolojik-Petrografik Analizler Fiziksel Özellik Deneyleri Mekanik Özellik Deneyleri Sağlamlaştıcıların Emdirilmesi: • Penetrasyon Derinliği (Su damlası, Đyot buharı,)
Eskitme Deneyleri
Islanma-Kuruma Etkilerine Dayanıklılık Tuz Kristallenmesi Etkilerine Dayanıklılık Donma-Çözülme Etkilerine Dayanıklılık Asit Çözeltisine (S02 buharı) Dayanıklılık Sağlamlaştırmada uygulanacak
yöntemler : • Fırça ile sürme, • Daldırma ile emprenye
3.1. Kimyasal Analizler
Kimyasal analizler, örneklerin karakteristik özelliklerini ve bozulma morfolojilerini tanımlamak için yapılmıştır. Bu analizlerde başvurulan yöntemler; elementlerin belirlenmesi için kullanılan x-ışını floresans yöntemi ve suda çözünen tuzların belirlenmesinde kullanılan spot test yöntemleridir.
3.1.1. XRF Yöntemi Đle Kimyasal Analizler
Kimyasal analizler, XRF yöntemi ile Matel Hammadde A.Ş. ‘nin Bilecik’teki AR-GE laboratuarlarında yapılmıştır. XRF, en küçük ve en büyük elementleri yüksek hassaslıkta analiz etmeyi sağlayan analitik bir metottur. Bir örneğin, yeterli yüksek enerjili fotonlarla (elektromanyetik alan parçacığı ile ) aydınlatılmasıyla ve zararsız bir şekilde floresans analizi ile gözden geçirilmesi esasına dayanır. Örnek malzeme içinde bulunan her eleman değişik enerjilerde x-ışını üretir ve bu enerjiler fark edilir ve spektrum olarak sunulur. Piklerin pozisyonu hangi elementlerin olduğunu, pik yükseklikleri ise her elementin ne miktarda olduğunu anlatmaktadır, (Ferreti, 1993; Küçükkaya, 2000). Bu şekilde kimyasal elementlerin cinsi ve bulunma oranları tespit edilmiştir.
3.1.2. Suda Çözünen Tuzların Analizi ve Đletkenlik
Suda çözünen tuzların analizleri taşların bozuk dış yüzeylerinden alınan numunelerinde yarı kantitatif ve kalitatif olarak yapılmıştır. Tuz analizleri için öncelikle stok çözelti hazırlanmıştır. Bunun için, örnekten yaklaşık 250-500 mg ağırlığında toz halindeki parça, bir tüpe alınarak 10 ml saf su üzerine ilave edilir ve çalkalanır. Böylece numune içeriğinde bulunan suda çözünebilir tuzlar saf su içerisinde iyon haline getirilir. Çözünmeyen katı parçacıklar süzme veya dökme yöntemi ile çözeltiden ayrılarak temiz (saydam ve hiçbir katı parçacık içermeyen) stok (çalışma) çözeltisi hazırlanır. Bu stok çözeltisinde klor, sülfat, karbonat ve nitrat gibi suda çözünen tuzların bulunma oranları yarı kantitatif olarak belirlenmiştir. Bu tuzların belirlenme yöntemleri aşağıda kısaca açıklanmaktadır.
Klor Testi (Cl-): Yaklaşık 2 ml örnek çözelti üzerine birkaç damla nitrik asit (HNO3, 1N) ve birkaç damla gümüş nitrat (AgNO3, 0.5 M) damlatılmasıyla oluşan beyaz çökelti veya bulanma klor tuzunun varlığını göstermektedir.
Sülfat Testi (SO4-2) : Yaklaşık 2 ml örnek çözelti üzerine birkaç damla baryum klorür (BaCl2, %10) ilavesiyle oluşan beyaz çökelti veya bulanıklık birkaç damla HCl asit ilavesiyle kaybolmaz ise sülfat tuzunun varlığı belirlenmektedir.
Karbonat Testi (CO3-2): Sülfat testi sırasında HCl ilavesiyle bulanıklık kaybolur veya kısmen gaz çıkışı olursa karbonat tuzu olduğu anlaşılmaktadır.
Nitrat Testi (NO3-) : Cam plaka üzerine küçük bir difenil amin kristali ve bir iki damla örnek çözeltisi konur karıştırılır ve kuruması beklenir. Kuruyan örnek üzerine bir damla sülfürik asit (H2SO4 konsantre) ilavesiyle oluşan mavi-menekşe renk nitrat tuzunun varlığını göstermektedir, (Teutonico, 1988; Borelli, 1999).
Đletkenlik ise Orion marka iletkenlik (kondüktometre) cihazı yardımı ile ölçülmüş ve sonuçları verilmiştir.
3.2. Minerolojik ve Petrografik Analizler
Bu analizler taşların karakteristik özelliklerini, bozulma morfolojisini ve kimyasal uygulamalarının iç yapıdaki etkilerini belirlemek için yapılmıştır. Bu analizler için, ince kesitler hazırlanmış ve x-ışını analiz yöntemleri kullanılmıştır. Mineralojik ve petrografik incelemeler, Đ.Ü. Jeoloji Mühendisliği Bölümü, Mineraloji-Petrografi Anabilim Dalı Laboratuarları’nda yapılmıştır.
3.2.1. Đnce Kesitlerin Analizi
Minerolojik ve petrografik analizler için kullanılan ince kesitlerin yapımı için Đngiliz yapımı Petrocut ve Petrothin kesme, traşlama ve parlatma aletleri kullanılmıştır. Đnce kesit tanımlamalarının ardından ince kesitlerden Leitz Ortoplan mikroskobu+ Ortomat otomatik fotoğraf çekme ünitesi ve dijital fotoğraf makinesi ile görülen önemli minerallerin resimleri çekilmiştir.
3.2.2. X-Işını Analizleri
Yapılardan ve ocaktan alınan od taşı örneklerinde sağlam karakterlerin ve bozulma morfolojilerinin belirlenmesi için yapılan x-ışını analizi, Đ.Ü. Jeoloji Mühendisliği Bölümü, Mineraloji-Petrografi Anabilim Dalı laboratuarları’nda, Philips marka PW– 1430 model cihazla yapılmıştır. XRD yönlenmiş toz kayıtları, kil içeren örnekler için 3 – 60o 2 θ, kil içermeyen örnekler için 20 – 55o 2 θ ve yönlendirilmiş kil örneği için ise 3 – 30o 2 θ arasında alınmıştır. Elde edilen difraktogramlar JCPDS kartlarıyla
değerlendirilerek mineral tayinleri yapılmıştır. Kimyasal sürülen ve sürülmeyen örneklerde yapılan x-ışını analizleri ise, ĐTÜ Kimya-Metalurji Mühendisliği Fakültesi’nin laboratuarlarında yapılmıştır. Bu analizlerde kobalt tüpü yardımıyla 40kV ve 30mA’de Rigaku RINT1000 marka cihaz kullanılmıştır. Tüm analizler 3- 60o 2 θ arasında dakikada 5 derece tarama hızıyla yapılmıştır.
3.2.3. Taramalı Elektron Mikroskobu Analizi (SEM-EDS)
Bu analiz, numunelerin altın paladyum karışımı kaplanarak taramalı elektron mikroskobu yardımıyla taranması şeklinde ĐTÜ, Kimya-Metalurji Mühendisliği Fakültesi’nin laboratuarlarında yapılmıştır.
3.3. Fiziksel Özellik Tayini Deneyleri
Fiziksel özellik tayini için; kılcal su emme katsayısı, atmosfer basıncı altında su emme oranı, su emme ve kuruma hızları, birim hacim kütlesi, özgül kütlesi, porozimetri analizi ve su buharı geçirgenlik direnç faktörü vb. gibi büyüklükler bulunmuştur, (Kocataşkın, 2000).
3.3.1. Kılcal Yolla Su Emme Tayini
Kılcal yolla su emme tayini için, TS EN 1925, ASTM C 568-79 ve NORMAL 7/81 standartlarından yararlanılmıştır. Bunun için taş numuneleri, bir gün süre ile 105ºC etüvde bekletilmiş (kimyasal sürülenlerde 2 gün 60oC) ve değişmez kütleye geldikten sonra desikatöre konularak soğutulmuş, daha sonra bir gün süre ile ortama bırakılmıştır. Kılcallık deneyinde, yalnızca taban alanlarından kılcallık yoluyla emdirilen suya bağlı ağırlık artışları, 1’den 14’e kadar her dakikanın katları şeklinde bir zaman diliminde, tartılmış ve 3.1 numaralı formül yardımı ile kılcallık katsayısı bulunmuştur.
Kılcallık katsayısı formülü: Q
N = —— (3.1)
A.√t Formülde;
N : Taşların kılcallık katsayısı (g/m2√dak) Q : Birim zamanda geçen su miktarı (g)
A : Numunelerin suya değen taban alanları (m2) T :Numunelerin suyla temas ettiği süre (dakika) ‘dir.
3.3.2. Atmosfer Basıncı Altında Su Emme Oranı Tayini
TS 699 standardında belirtildiği gibi, deney numuneleri temizlendikten sonra 20 ± 5 0C’ de su dolu bir kapta yüksekliğinin 1/4’ üne kadar suya daldırıp, 1 saat bekletilmiş daha sonra 1’er saat 2/4 ve 3/4’ ü suda bekletilmiş ve üzeri 1,2 - 2 cm su ile örtülerek 45 saat suda bekletildikten sonra 0,1 g hassasiyetle tartılmıştır. Bu işlemden sonra Arşimet terazisinde su içinde tartılmış ve aşağıdaki 3.2 ve 3.3 numaralı formüller ile kütlece ve hacimce su emme oranları hesaplanmıştır.
Kütlece Su Emme Oranı :
Sk= Gd – Gk . 100 (%) (3.2)
Gk
Hacimce Su Emme Oranı:
Sh= Gd – Gk . 100 (%) (3.3)
Gd – Gds
Formülde;
Gd: Suya doymuş ağırlık, (g) Gk: Kuru ağırlık, (g)
Gds: Su içindeki ağırlık, (g) Sk: Kütlece su emme oranı, (%) Sh : Hacimce su emme oranı, (%)‘dir.
3.3.3. Su Emme ve Kuruma Hızlarının Belirlenmesi
Tüm deneylerde olduğu gibi numuneler, etüvde değişmez kütleye gelinceye kadar kurutulmuş, desikatörde soğutulduktan sonra, 20oC deki suyun içine tamamen daldırılıp, 1,2,3,6, 24, 48 ve 72.saatlerdeki ağırlık artışları yüzde olarak hesaplanmış ve buna göre parabol şeklinde bir grafik çizilmiştir. Bu işlem bitiminde aynı numuneler sudan çıkarılmış ve laboratuar ortam şartlarına maruz bırakılarak aynı sürelerde kuruma hızına bağlı olarak ağırlık düşüşleri yüzde olarak belirlenmiştir. Su emme hızının da bulunduğu aynı grafikte kuruma hızı grafiği, zamana bağlı olarak çizilmiştir, (Borelli, 1999).
3.3.4. Birim Hacim Kütlenin Tayini
TS 699 standardı esas alınarak yapılan deneyde numuneler 105 °C’ ye kadar ısıtılmış etüvde değişmez kütleye kadar kurutulmuştur. Daha sonra desikatörde oda sıcaklığına kadar soğutulmuş olan numuneler, 0,1 gr. hassasiyetle tartılmıştır (Gk). Numunenin hacmi, suya doymuş ağırlık ve su içindeki ağırlığın farkına göre 3.4 numaralı formül yardımı ile bulunmuştur.
dh = Gk (g / cm3) (3.4)
V Formülde;
Gk :Numunenin kuru ağırlığı, (g) V: Numunenin hacmi, (cm3) dh: Birim hacim kütle, (g/ cm3)’dir. 3.3.5. Özgül Kütlenin Tayini
TS 699 standardına uygun olarak önceden kurutulup, soğutulmuş malzeme numuneleri çok ince öğütülmüştür. Özgül kütle, 90µ elekten elenmiş toz numune ve distile su içeren piknometre yardımı ile 3.5 numaralı formül kullanılarak bulunmuştur.
do = Gk (g / cm3) (3.5)
V
do: Özgül kütle, (g / cm3)’dir. 3.3.6. Porozimetri Analizi
Porozimetri deneyleri, Mercury Intrusion method yardımı ile ĐTÜ Kimya-Metalurji Mühendisliği Fakültesi’ne ait porozimetri laboratuarında gerçekleştirilmiştir. Doğal taştan numune olarak alınan bir parça, 105°C’de 12 saat süreyle kurutulmuş, desikatörde oda sıcaklığına kadar soğutulduktan sonra, bir çekiçle küçük parçalara bölünmüştür. Yaklaşık 1 gram kadar ezilmiş örnek Mercury porozimetresinde test edilmiştir. Civa, basınçla gözeneklerin içine verilmiştir. Basınç, civanın küçük gözeneklere daha iyi nüfuz edebilmesi için yüksek tutulmuştur. Belirli bir basınca tekabül eden gözenek yarıçapı r, Washburn eşitliği ile 3.6 numaralı formül yardımıyla hesaplanmıştır.
2. бHg.cos Θ
r = —————— (3.6)
Formülde;
r: Gözenek yarıçapı (m)
бHg : Civanın yüzey gerilimi (0,00485 N /m) Θ : Islanma açısı (civa için 130°)
p : Basınç (Pa)’dır.
Cıva porozimetresi ile, gözenek (por) hacmi, gözenek çapı, gözenek boyut dağılımı, yüzey alanı, gözenek yapısı ve partikül boyut dağılımı ölçülmüştür.
3.3.7. Su Buharı Geçirgenlik Deneyi
Bu deney, DIN 52615 standardında tanımlanan kuru kap (dry cup) yöntemine göre yapılmıştır. Deneyde su emici malzeme olarak CaCl2 kullanılmıştır. Yaklaşık 5x5x1 cm’lik numuneler kimyasal uygulanmadan önce ve sonra olmak üzere aynı deneye tabi tutulmuş ve ağırlık farkları hesaplanmıştır. Bu deney, 20-23oC sıcaklıkta ve %90–99 bağıl nemde sabitlenen desikatör ortamında yapılmış, numunelerin ağırlık değişimleri her gün aynı saatte ve 5 haneli hassas tartı yardımıyla ölçülmüştür. Bu deney 3 ay sürdürülmüştür ve buna göre örneklerin 3.7 ve 3.8 numaralı formül yardımı ile su buharı geçirgenlik direnç katsayısı (µ) hesaplanmıştır.
µ = 1/d (ξH xAx [(P1-P2)/G] –dH) (3.7)
Formülde;
d : Numunenin kalınlığı (m)
ξH : Havanın su buharı iletkenliği A : Numunenin alanı (m2)
P: Su buharı basınç değerleri (Pascal) G: Geçen su buharı miktarı (kg/h)
dH: Numune altında kalan havanın kalınlığı (m)
ξH = (0,083/RBxT)x(Po/Ph)x(T/273)1.88 (3.8)
Formülde;
T: oK cinsinden sıcaklık Ph: Ortalama hava basıncı Po: Normal atmosfer basıncı’dır.
3.4. Mekanik Özellik Tayini Deneyleri
Mekanik özellik tayini için; tek eksenli yük altında eğilmede çekme deneyi (MPa), basınç dayanımı deneyi (MPa), dinamik elastisite modülü tayini deneyi (MPa) vb. gibi deneyler yapılmıştır, (Kocataşkın, 2000). Bu deneylerde başta TS 699 standardı ve ilgili TS EN standartlarından yararlanılmıştır.
3.4.1. Tek Eksenli Yük Altında Eğilmede Çekme Deneyi
Eğilmede çekme dayanımını belirlemek için orta noktasından yüklenmiş basit kiriş metodu ile eğilmede çekme tayini deneyi yapılmıştır. Bu çalışmada mesnetler arası mesafe 100 mm alınmıştır. 4 x 4 x 16 cm boyutlarındaki deney numunesi, mesnetler üzerine ortalanacak şekilde yerleştirilmiştir. Kırılmanın olduğu andaki P yükü presin göstergesinden okunmuştur. Okunan P yükü, 3.9 numaralı formülde yerine konarak eğilme dayanımı hesaplanmıştır.
3 (Pk×ℓ)
Б eğ = — × ———— (3.9)
2 b×h2 Formülde;
Б eğ :Eğilme dayanımı, (N /mm2)
P : Deney presinden okunan kırılma anındaki yük, (N) ℓ : Yükleme tablası mesnetleri arası açıklık, (100 mm) b : Kırılma kesitinin genişliği, (40 mm)
h : Kırılma kesitinin yüksekliği, (mm)’dir.
3.4.2. Tek Eksenli Yük Altında Basınç Dayanımı Deneyi
Eğilmede çekme deneyi uygulandıktan sonra ikiye bölünen numunelerde, basınç dayanımı tayini deneyi yapılmıştır. Her bir yarım numune, deney presinin yükleme başlıkları arasına yerleştirilerek yük uygulanmıştır. Yüklemeye sabit bir hızla ve darbe etkisi yapmayacak şekilde numune kırılıncaya kadar devam edilmiş ve kırılmanın olduğu anda, deney presinin gösterdiği en büyük yük kaydedilmiştir. Bu değer, kırılma yükü (Pk) değerini vermektedir. Newton cinsinden Pk değeri 3.10 numaralı formülde yerine konularak, deneyi yapılan numunenin dayanabildiği maksimum basınç mukavemeti bulunmuştur.
Basınç dayanımı, Pk Б = —— (3.10) A Formülde; Б : Basınç dayanımı, (N /mm2) Pk: Kırılma yükü, (N)
A : Yüklemenin yapıldığı kesit alanı, (mm2)’dır. 3.4.3. Ultrases Hızı Tayini
Ultrases hızlarının belirlenmesi için WTW DIGI EG-C2 modeli ultrases cihazı kullanılmıştır. Bu cihaz ile numunelerin iki ucuna cihazın alıcı ve verici probları yerleştirilerek ses geçiş süresi (T, µsn) ölçülmüş, numunelerin uzunlukları dikkate alınarak 3.11 numaralı formül yardımı ile ses geçiş hızları (Vo) hesaplanmıştır. Bu deneyde, TS EN 14579, Doğal Taş Deney Metotları-Ses Hızının Đlerlemesinin Tayini isimli standarttan yararlanılmıştır.
L Vo = —— (3.11) T Formülde; Vo=Ultrases hızı, (km/sn) L= Numunenin uzunluğu, (mm) T= Zaman, (µsn)’dır.
3.4.4. Dinamik Elastisite Modülü Tayini
DIGI EG-C2 modeli ultrases cihazı yardımı ile od taşı numunelerinde bulunan ultrases hızları ile numunelerin yoğunluk değerleri kullanılarak 3.12 numaralı formül ile dinamik elastisite modülü değerleri hesaplanmıştır. Bu deneyde, TS EN 14146 Doğal Taşlar Deney Metotları-Dinamik Elastisite Modülünün Tayini standardından yararlanılmıştır.
Eu= Vo2 x dox103 (N/mm2) (3.12)
Vo=Ultrases hızı, (km/sn) do=Yoğunluk, (g/cm3)
3.5. Laboratuar Ortamında Yapılan Eskitme Deneyleri
Laboratuar ortamında ıslanma-kuruma, donma çözülme, tuz kristallenmesi etkilerine ve SO2 buharına dayanıklılık gibi hızlandırılmış eskitme deneyleri, konservasyon çalışmalarından sonra yapılmıştır. Eskitme deneylerinden bozulmadan çıkan numunelerde tekrar su emme ve ultrases hızı ölçümü deneyleri yapılmış buna göre kimyasal uygulamaların etkinlik faktörleri (TEI, %) ve performans kayıpları değerlendirilmiştir.
3.5.1. Islanma-Kuruma Etkilerine Dayanıklılık
Islanma-kuruma etkilerine dayanıklılık deneyi, kimyasal sürülen ve sürülmeyen numunelerin 24 saat 20oClik distile su içinde, 18 saat 60oClik etüvde kurutulması şeklinde 30 çevrim yapılmış, bir ıslanma-kuruma bir çevrim kabul edilmiştir. ASTM D 5313-92 numaralı standartta, 12 saat suda, 6 saat etüvde bekletme şeklinde belirtilmektedir. Ancak, tüm deneylerde paralellik olması ve 1 ay gibi kısa bir süre daha yıkıcı olması bakımında bu sürelerin 2-3 katı şeklinde bir uygulama yapılmıştır. Islanma-kuruma çevrimleri sırasında 1,3,5,7,11,13, 15,19, 21,23 ve 28.çevrimlerde numunelerin ağırlık değişimi hesaplanmıştır.
3.5.2. Donma-Çözülme Etkilerine Dayanıklılık
Donma-çözülme etkilerine dayanıklılık deneyi, kimyasal sürülen ve sürülmeyen numunelerin 6 saat 20oClik distile su içinde, 18 saat -22oClik dondurucuda tutulması şeklinde 28 gün süren çevrim şeklinde yapılmıştır. Deneye başlamadan önce numuneler 48 saat suya doyurulmuş, su içindeki ağırlıkları tartıldıktan sonra deneye başlanmıştır. Deneylerde TS 699, TS EN 12371 ‘dona dayanıklılık’ ile ilgili standartlardan faydalanılmıştır. Donma-çözülme çevrimleri sırasında 1,3,5,7,11,13, 15,19, 21,23 ve 28.çevrimlerde numunelerin ağırlık değişimleri (%) hesaplanmıştır. 3.5.3.Tuz Kristallenmesi Etkisine Dayanıklılık
Tuz kristallenmesi etkilerine dayanıklılık deneyi, kimyasal sürülen ve sürülmeyen numunelerin 6 saat % 14’lük Na2SO410H2O çözeltisi içinde 16 saat, 60oClik etüvde ve 2 saat ortamda soğutulması şeklinde 20 gün süren çevrimler şeklinde yapılmıştır. 20.gün sonunda numuneler 1 gün saf suda bırakılmış ve çeşme suyunda yıkandıktan sonra etüvde kurutulup tartılmışlardır. Deneyde TS EN 12370 ‘tuza dayanıklılık’ ile ilgili standarttan faydalanılmıştır. Deney sırasında 1,3,5,7,11,13 ve 15 çevrimlerde numunelerin ağırlık değişimleri (%) hesaplanmıştır.
3.5.4. SO2 Buharına Dayanıklılık
SO2 buharına dayanıklılık deneyi, kimyasal sürülen ve sürülmeyen numunelerin 2 farklı konsantrasyonda H2SO3 çözeltisi içinde % 5 SO2 içeren, farklı desikatörler içinde kapalı bir biçimde, 21 gün süreyle tutulması şeklinde yapılmıştır. Deneye başlamadan önce numuneler 24 saat suya doyurulmuş, doymuş ve su içindeki ağırlıkları tartılmış ve sonra deneye başlanmıştır. Deney için TS EN 13919 standardından faydalanılmıştır.
A desikatörü içinde çok asitli ortam : 50 ml kap için: 150ml su+500ml asit içeren, B desikatörü içinde az asitli ortam : 50 ml kap için: 500ml su+150ml asit içeren ortamlardır.
Her iki desikatöre farklı gruplardan yaklaşık 50x50x50 mm boyutlu 3’er numune konulmuş 21.gün sonunda değişimleri gözlenmiştir.