Determination of surface color and solar reflectance index (SRI) values of natural stones based on freeze-thaw and thermal shock aging, and their impact on heat island occurrence

Abstract

In this study, 20 different types of magmatic-origin natural stones commonly used in the construction sector were subjected to the most prevalent aging effects in nature, namely freeze-thaw and thermal shock. Prior to and after the aging tests, the Solar Reflectance Index (SRI) values of each sample were calculated by measuring their solar light reflectance values and solar light scattering values. Additionally, the surface color measurements of each sample were taken according to the CIA color index, and the color change (∆E) values were calculated. The primary objective of this study is to determine the changes in SRI and ΔE values of natural stones due to freeze-thaw and thermal shock aging and to examine the impact of the findings on the formation of urban heat islands. As a result of the study, it was determined that the SRI values of the samples were higher after both aging experiments compared to before the aging experiments. When examining ΔE values, it was found that thermal shock experiments caused more significant color changes compared to freeze-thaw experiments. It has been determined that the overall increase in both SRI and ΔE values will contribute to the reduction of the urban heat island effect.

Keywords

• Natural stones
• Freeze-thaw
• Thermal shock
• Heat island
• Solar reflectance index (SRI)
• Color determination

Doğal taşların donma çözülme ve termal şok yaşlanmasına bağlı olarak yüzey renk ve güneş ışığı yansıtma indeks (SRI) değerlerinin belirlenmesi ve ısı adası oluşumlarına etkisi

Öz

Bu çalışmada yapı sektöründe sıklıkla kullanılan 20 çeşit magmatik kökenli doğal taş, doğada en yaygın gerçekleşen yaşlandırma etkilerinden donma çözülme ve termal şok etkilerine maruz bırakılmıştır. Yaşlandırma testleri öncesinde ve sonrasında her bir numunenin Güneş ışığı yansıtma değerleri ve güneş ışığı yayılım değerleri ölçülerek Güneş Işığı Yansıtma İndeks (SRI) değerleri hesaplanmıştır. Ayrıca numunelerin her birinin yüzey renk değerleri CIA renk indeksine göre ölçülmüş ve renk değişim (∆E) değerleri hesaplanmıştır. Çalışmanın temel amacı doğal taşların donma çözülme ve termal şok yaşlanmalarına bağlı olarak SRI ve ΔE değişimlerini belirlemek ve elde edilen bulguların ısı adası oluşumlarına etkilerini incelemektir. Çalışma sonucunda numunelerin her iki yaşlandırma deneyi sonrasındaki SRI değerlerinin yaşlandırma deneyleri öncesine göre daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. ΔE değerlerine bakıldığında ise termal şok deneylerinin donma çözülme deneylerine göre daha fazla renk değişimine neden olduğu belirlenmiştir. Hem SRI değerlerindeki hem de ΔE değerlerindeki genel artışın kentsel ısı adası etkisinin azalmasına katkıda bulunacağı belirlenmiştir

Anahtar Kelimeler

• Doğal taşlar
• Donma çözülme
• Termal şok
• Isı adası
• Güneş ışığı yansıtma indeksi (SRI)
• Renk tayini

References

1. [1] Theophilou MK, Serghides D. “Estimating the characteristics of the urban heat ısland effect in nicosia, cyprus, using multiyear urban and rural climatic data and analysis”. Energy and Buildings, 108, 137-144, 2015.
2. [2] Tsoka S. Relations Entre Morphologie Urbaine, Microclimate et Confort des Piétons: Application au Cas des Ecoquartiers. MSc Thesis, Centre Scientifique et Technique du Bâtiment [CSTB], Nantes, France, 2011.
3. [3] Mathew AS, Khandelwal S, Kaul N. “Spatial and temporal variations of urban heat ısland effect and the effect of percentage ımpervious surface area and elevation on land surface temperature: Study of Chandigarh City, India”. Sustainable Cities and Society, 26, 264-277, 2016.
4. [4] Sert M. Farklı Yüzey Özelliklerine Sahip Magmatik Kökenli Doğal Taşların Yaşlandırma Koşullarına Bağlı Olarak Güneş Işığı Yansıtma İndeks (SRI) Değerlerinin Değişiminin İncelenmesi. Doktora Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Isparta, Türkiye, 2023.
5. [5] Levinson R, Akbari H, Konopacki SJ, Bretz S. “Inclusion of cool roofs in nonresidential prescriptive requirements” Energy Policy, 33(2), 151-170, 2005.
6. [6] Young R. “Cool roofs: light–colored coverings reflect energy savings and environmental benefits”. Building Design and Construction, 39(2), 62-64, 1998.
7. [7] Akbari H, Konopacki SJ, Eley CN, Wilcox BA, Van Geem MG and Parker DS. “Calculations for reflective roofs in support of standard 90.1”. ASHRAE Transactions Symposium, San Francisco, United States, 17-21 January 1998.
8. [8] Akbari H, Levinson R, Stern S. “Procedure for measuring the solar reflectance of flat or curved roofing assemblies”. Solar Energy, 82, 648-655, 2008.

9. [9] Fanger PO. “Conditions for thermal comfort”. Thermal comfort and moderate heat stress, proceedings of the CIB Commission W45 (Human Requirements) Symposium, England, 13-15 September 1972.
10. [10] Yaşar Y, Pehlevan A, Altıntaş E. “İlköğretim dersliklerinde termal konfor araştırması”. 8. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi, İzmir, Türkiye, 25-28 Ekim 2007.
11. [11] Streutker DR. “Satellite-Measured growth of the urban heat ısland of Houston Texas” Remote Sensing of Environment, 85, 282-289, 2003.
12. [12] Duman Yüksel Ü, Yılmaz O. “Ankara kentinde kentsel ısı adası etkisinin yaz aylarında uzaktan algılama ve meteorolojik gözlemlere dayalı olarak saptanması ve değerlendirilmesi”. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 23(4), 937-952, 2013.
13. [13] Mirzaei P, Haghighat F. “Approaches to study Urban Heat Island–Abilities and limitations”. Building and Environment, 45, 2192-2201, 2010.
14. [14] Chung MH, Park JC. “Development of PCM cool roof system to control urban heat ısland considering temperate climatic conditions”. Energy and Buildings, 116, 341-348, 2016.
15. [15] Canan F. “Kent geometrisine bağlı olarak kentsel ısı adası etkisinin belirlenmesi: Konya Örneği”. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 32(3), 69-80, 2017.
16. [16] Haines A, Ebi K. “The imperative for climate action to protect health”. The New England Journal of Medicine, 380, 263-73, 2019.
17. [17] Tong S, Ebi K, “Preventing and mitigating health risks of climate change”. Environmental Research, 174, 9-13, 2019.
18. [18] Akın G. “Küresel ısınma, nedenleri ve sonuçları”. Ankara Üniversitesi Dil ve Tarih-Coğrafya Fakültesi Dergisi, 46(2), 29-43, 2006.
19. [19] Türk Standartları Enstitüsü “Doğal Taşlar-Deney Yöntemleri-Petrografik İnceleme”. Ankara, Türkiye, 12407, 2019.
20. [20] American Society for Testing and Materials. “Standard Practice For Calculation of Colour Tolerances and Colour Differences From İnstrumentally Measured Colour Coordinates”. USA, ASTM D 2244–16, 2017.
21. [21] NESA Polimer San. ve Tic. Ltd. Şti. “Renk Ölçümü Nedir?”. https://nesapolimer.com.tr/renk-olcumu-nedir/ (05.09.2022).
22. [22] Hale PA ve Shakoor A. “A laboratory investigation of theeffects of cyclic heating and cooling, wetting and drying, and freezing andthawing on the compressive strength of selected sandstones”. Environ EngGeosci, 9(2), 117–130, 2003.
23. [23] Türk Standartları Enstitüsü. “Doğal Taşlar-Deney Yöntemleri-Isıl Şok Etkisiyle Yıpranmaya Direncin Tayini”. Ankara, Türkiye, 14066, 2015.
24. [24] Türk Standartları Enstitüsü. “Doğal Taşlar-Deney Yöntemleri-Dona Dayanım Tayini”. Ankara, Türkiye, 12371, 2011.
25. [25] American Society for Testing and Materials. “Standard Test Method for Determination of Solar Reflectance Near Ambient Temperature Using a Portable Solar Reflectometer”. USA, ASTM C1549-16, 2022.
26. [26] American Society for Testing and Materials. “Standard Test Method for Determination of Emittance of Materials Near Room Temperature Using Portable Emissometers”. USA, ASTM C1371, 2015.
27. [27] American Society for Testing and Materials. “Standard Test Methods for Total Normal Emittance of Surfaces Using Inspection-Meter Techniques”. USA, ASTM E408, 2019.
28. [28] American Society for Testing and Materials. “Standard Practice for Calculating Solar Reflectance Index of Horizontal and Low-Sloped Opaque Surfaces”. USA, ASTM E1980-11, 2019.
29. [29] Alchapar NL, Correa EN, Canton MA. “Solar reflectance index of pedestrian pavements and their response to aging”. Journal of Clean Energy Technologies, 1(4), 281-285, 2013.
30. [30] Altındağ R, Uğur İ, Şengün N, Akbay D, Demirdağ S, Coşgun A. “Doğal Taşların Fiziksel Bozundurma Koşulları Altında Farklı Yüzey ve Kayaç Özelliklerine Bağlı Olarak Güneş Işığını Yansıtma İndeks Değerlerinin Belirlenmesi ve Çevreci Kullanımına Yönelik Bir Model Oluşturulması”. TÜBİTAK, Ankara, Türkiye, 114M569, 2017.