Porosity-Controlled Mechanical Behavior in Perlite-Added Pumice Ceramics At 1150 °C

Yıl 2025, Cilt: 9 Sayı: 2, 193 - 200, 29.12.2025

Büşra Tansu Ceylan , Yunus Emre Benkli

https://doi.org/10.46460/ijiea.1776897

https://izlik.org/JA53CM73EK

Öz

This study comparatively examines the effect of 50% perlite addition on phase assemblage, pore architecture, and mechanical behavior in pumice-based ceramic bodies sintered at 1150 °C, against the perlite-free reference P00. Fast-scan XRD (10–90° 2θ) indicates no new crystalline phases in either body and shows coincident peak positions. A semi-quantitative reading via window integration (RIR = 1) reveals phase distributions in both samples of ~55% mullite, ~43% alkali feldspar, and ~1–2% quartz. In contrast, SEM-based morphometry shows that perlite significantly alters the pore architecture: the area fraction of open porosity changes from 60.4 ± 22.3% (P00) to 74.7 ± 6.7% (P50); the median equivalent diameter from 1.46 ± 1.53 µm to 2.46 ± 0.50 µm; the p90 from 5.18 ± 4.03 µm to 20.98 ± 11.50 µm; and the void count from 177 to 49. Archimedes densities are similar (1150-P00: 2.3373 g cm⁻³; 1150-P50: 2.3215 g cm⁻³). Mechanically, the compressive strength in P50 decreases by ~78%, from 36.6 MPa to 8.0 MPa, while microhardness remains statistically equivalent—638 ± 19 HV (P00) vs. 648 ± 24 HV (P50). Additionally, for 1150-P00, SBET ≈ 22.5 m² g⁻¹ and Vp ≈ 0.020 cm³ g⁻¹ were measured. Taken together, the findings indicate that at 1150 °C the phase types are essentially preserved, and the dominant lever on performance is the pore-size distribution and connectivity: a reduced effective load-bearing area lowers compressive strength, whereas the local matrix—retaining its phase/chemical makeup—sustains largely unchanged microhardness.

Anahtar Kelimeler

Pumice ceramics , perlite , porosity architecture , mechanical properties , sintering

Etik Beyan

No studies involving human participants or animals were conducted by the authors in this article. The authors declare that there is no conflict of interest.

Destekleyen Kurum

This research did not receive any specific grant from public, commercial, or not-for-profit funding agencies.

Teşekkür

This article is derived from a Master’s thesis conducted in the Department of Metallurgical and Materials Engineering at Atatürk University, entitled “Investigation of the usability of pumice and perlite obtained from the Erzurum region in the ceramics industry” (Student: Author 1; Advisor: Author 2). B. T. Ceylan (Master’s thesis student): Experimental work, XRD and SEM analyses, visualization, writing -original draft. Y. E. Benkli (Thesis advisor): Conceptualization, methodology, data interpretation, writing – review & editing, validation. All authors have read and approved the final version of the manuscript.

1150 °C’de Perlit Katkılı Pomza Seramiklerinde Gözeneklilik Kontrollü Mekanik Davranış

https://izlik.org/JA53CM73EK

Öz

Bu çalışmada, 1150 °C’de sinterlenen pomza esaslı seramiklerde perlit ilavesinin faz bileşimi, gözenek mimarisi ve mekanik davranış üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla iki farklı gövde hazırlanmıştır: perlitsiz referans numune (P00) ve %50 perlit katkılı kompozisyon (P50). X-ışını kırınımı (XRD) analizleri, her iki numunenin de mullit, alkali feldispat ve kuvars kristalin fazlarını koruduğunu ve yeni bir faz oluşumunun gerçekleşmediğini göstermiştir. Buna karşılık, mikroyapısal incelemeler gözenek morfolojisinde belirgin değişimler ortaya koymuştur. SEM tabanlı görüntü analizleri, perlit ilavesiyle açık gözeneklilik oranının yaklaşık %60’tan %75’e yükseldiğini, gözenek boyutu dağılımının kaba hale geldiğini ve boşluklar arasında kısmi bir bağlantılılık oluştuğunu göstermektedir. Yaklaşık olarak aynı yığın yoğunluklarına (~2,33 g cm⁻³) sahip olmalarına rağmen, bu mimari değişimler basma dayanımının 36,6 MPa’dan 8,0 MPa’a önemli ölçüde düşmesine neden olmuştur; buna karşın Vickers mikrosertlik değerleri yaklaşık 640 HV seviyesinde istatistiksel olarak değişmeden kalmıştır. Bu bulgular, 1150 °C’de kristalin iskelet yapısının ve yerel bağlanma kimyasının büyük ölçüde kararlı olduğunu, mekanik performansın ise esas olarak gözeneklerin geometrisi ve bağlantılılığı tarafından belirlendiğini ortaya koymaktadır. Dolayısıyla, gözenek ağı tasarımının optimize edilmesi, volkanik kökenli hafif seramiklerde dayanım–ağırlık dengesinin etkin biçimde kontrol edilmesi için uygulanabilir bir yaklaşım sunmaktadır.

Anahtar Kelimeler

Pomza seramikler , perlit , gözenek mimarisi , mekanik özellikler , sinterleme

Etik Beyan

Bu makalede yazarlar tarafından insan katılımcılar veya hayvanlar üzerinde herhangi bir çalışma gerçekleştirilmemiştir. Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması bulunmadığını beyan eder.

Destekleyen Kurum

Bu araştırma, kamu, ticari veya kâr amacı gütmeyen kurum ve kuruluşlardan belirli bir hibe ile desteklenmemiştir.

Teşekkür

Bu makale, Atatürk Üniversitesi Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü’nde yürütülen ve “Erzurum yöresinden elde edilen pomza ve perlitin seramik endüstrisinde kullanılabilirliğinin incelenmesi” başlıklı Yüksek Lisans tezinden türetilmiştir (Öğrenci: Author 1; Danışman: Author 2). B. T. Ceylan (Yüksek lisans tez öğrencisi): Deneysel çalışma, XRD ve SEM analizleri, görselleştirme, yazım – ilk taslak. Y. E. Benkli (Tez danışmanı): Kavramsallaştırma, metodoloji, veri yorumlama, yazım – gözden geçirme ve düzenleme, doğrulama. Tüm yazarlar makalenin son hâlini okumuş, onaylamıştır.

Kaynakça

• Ceylan, B. T. (2019). Erzurum yöresinde çıkartılan pomza ve perlitin seramik sanayisinde kullanılabilirliğinin araştırılması (Master’s dissertation, Atatürk University).
• Koca, K. (2019). Pomza ve endüstriyel atıkların kombinasyonlarından vitrifiye seramik üretim imkanlarının araştırılması (Master’s dissertation, Atatürk University.
• Elmastaş, N. (2012). A mine becoming increasingly important for the economy of Turkey: Pumice. The Journal of International Social Research, 5(23), 197-206.
• Tarhan, B., & Tarhan, M. (2022). Utilization of perlite as an alternative raw material in the production of ceramic sanitaryware. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 147, 3509-3518.
• Civan, L. (2011). Pomzanın sır bileşeni olarak kullanımı ve incelenmesi (Master’s dissertation, Anadolu University).
• Bozkurt, N. (2013). The effect of high temperature on concrete containing perlite powder. SDU International Journal of Technologic Sciences, 87-93.
• Farizoglu, B., Nuhoglu, A., Yildiz, E., & Keskinler, B. (2003). The performance of pumice as a filter bed material under rapid filtration conditions. Filtration & Separation, 40, 41-47.
• Varol, O. O. (2016). A general overview of pumice mining in Van and Bitlis provinces. Madencilik, 55, 27-34.
• Mercan, E. (2021). Production of Aerogel-modified Expanded Perlite Aggregate and Clay (AEP/C) board and investigation of physical and mechanical properties (Master’s dissertation, İhsan Doğramacı Bilkent University).
• Basar, F. S. (2023). Seramik çamurlarında perlit katkısının araştırılması ve uygulamaları (Master’s dissertation, Sakarya University).
• Poyraz, H. B., Erginel, N., & Ay, N. (2006). The use of pumice (pumicite) in transparent roof tile glaze composition. Journal of the European Ceramic Society, 26(4-5), 741-746.
• Gencel, O. (2015). Characteristics of fired clay bricks with pumice additive. Energy and Buildings, 102, 217-224.
• Hossain, K. M. A. (2004). Properties of volcanic Pumice-based cement and lightweight concrete. Cement and Concrete Research, 34, 283-291.
• Ismail, A. I. M., Souaya, E. R., Fathy, M., & Abd El-Hakeem, A. (2018). Production of lightweight concretes from pumice/bentonite mix. Geotechnical and Geological Engineering, 36, 581-588.
• Binici, H. (2007). Effect of crushed ceramic and basaltic pumice as fine aggregates on concrete mortars properties. Construction and Building Materials, 21(6), 1191-1197.
• Benkli, Y. E., & Koca, K. (2024). Suitability and characterization of pumice, bauxite, and ferrochrome slag as alternative raw materials in vitrified ceramic industry. Physicochemical Problems of Mineral Processing, 60(2), 187967.
• Tarhan, M., & Tarhan, B. (2018). Perlit kullanımının seramik duvar karosu teknik özelliklerine etkisi. International Journal of Engineering Research and Development, 10(1), 94-100.
• Kuzugudenli, O. E., & Zengin, G. (2004). Production of low-density ceramics using pumice stone. Key Engineering Materials, 264-268, 2527-2530.
• Koca, K., & Benkli, Y. (2025). Microstructural and elemental characterization of Pumice-bauxite-clay ceramics: Effects of sintering temperature and Scherrer-based analysis. Journal of the Australian Ceramic Society. Advance online publication.
• Durgut, E. (2025). Evaluation of the use of microwave energy on green floor/wall tile drying process. Drying Technology, 43(5), 937-948.
• Durgut, W., Çavdar, Y., Çınar, M., Yavuz, O., & Ozdemir, O. (2025). Fine-size separation of halloysite, kaolinite, and quartz minerals as binary systems using dispersion and sedimentation methods. Physicochemical Problems of Mineral Processing. Advance online publication.
• Durgut, E., Cinar, M., & Ozdemir, O. (2022). Effect of calcite and mica contents in nepheline syenite samples on the ceramic body sintering behaviours and surface roughness. Physicochemical Problems of Mineral Processing, 58(5), 149179.
• Kuzugudenli, O. E. (2004). Use of pumice stone as a ceramic raw material. Key Engineering Materials, 264-268, 1427-1430.
• Oztürk, B. Z., & Can, A. (2023). Sürdürülebilir endüstriyel özellikleri taşıyan seramik sağlık gereci sırları üretiminde mikronize pomzanın kullanımı. Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 38(3), 1967-1978.
• Liu, K., Sun, H., Shi, Y., Liu, J., Zhang, S., Huang, S., & Wang, M. (2016). Research on selective laser sintering of kaolin-epoxy resin ceramic powders combined with cold isostatic pressing and sintering. Ceramics International, 42(9), 10711-10718.
• Liu, K., Shi, Y., Li, C., Hao, L., Liu, J., & Wei, Q. (2014). Indirect selective laser sintering of epoxy resin-Al₂O₃ ceramic powders combined with cold isostatic pressing. Ceramics International, 40(5), 7099-7106.
• Lukianova, O. (2015). Mechanical and elastic properties of new silicon nitride ceramics produced by cold isostatic pressing and free sintering. Ceramics International, 41(10A), 13716-13720.