OPTIMIZATION OF PHYSICO-MECHANICAL AND THERMAL PROPERTIES OF EXPANDED PERLITE-BASED THERMAL INSULATION PLASTER USING THE TAGUCHI METHOD

Öz

Although expanded perlite-based thermal insulation plasters offer advantages such as fire safety, mineral-based composition, and ease of application, they have not gained widespread use due to their limited thermal performance compared to conventional insulation materials. This study aims to optimize the physico-mechanical and thermal properties of expanded perlite-based thermal insulation plasters. The target performance criteria were determined as thermal conductivity ≤ 0,055 W/mK, 28-day compressive strength ≥ 400 kPa, capillary water absorption ≤ 0,400 kg/m²·min⁰,⁵, and dry bulk density ≤ 300 kg/m³. To identify mixture parameters satisfying these criteria, the Taguchi method was employed, and a 7-factor, 3-level L27 orthogonal experimental design was created using Minitab 19. Experimental and statistical analyses revealed that the optimum series exhibited a dry bulk density of 263 kg/m³, thermal conductivity of 0,0516 W/mK, compressive strength of 337 kPa, and capillary water absorption of 0,180 kg/m²·min⁰.⁵. Verification experiments demonstrated high compatibility with the Taguchi model predictions, ranging between 94,5% and 99,6%. The findings indicate that the Taguchi method is an effective tool for optimizing perlite-based thermal insulation plasters according to multiple performance criteria and can contribute to the development of alternative plaster systems with low density and high insulation performance.

Anahtar Kelimeler

• Expanded Perlite
• Thermal Insulation Plaster
• Taguchi Method
• Optimization
• Thermal Conductivity

Destekleyen Kurum

Isparta University of Applied Sciences Scientific Research Projects Coordination Unit

Proje Numarası

2023-D1-0211

Etik Beyan

It is declared that the principles of scientific research and publication ethics were followed during the preparation of this study and the study did not require any ethics committee approval due to its content. No conflict of interest was declared by the authors.

Teşekkür

This study was produced from the PhD thesis titled “Investigation of Effective Parameters on Optimum Physico-Mechanical and Thermal Properties of Thermal Insulation Plaster Using the Taguchi Method” in the Department of Civil Engineering, Institute of Graduate Studies, Isparta University of Applied Sciences and supported by Isparta University of Applied Sciences, Scientific Research Projects Coordination Unit under the project number 2023-D1-0211.

GENLEŞTİRİLMİŞ PERLİT ESASLI ISI YALITIM SIVASININ FİZİKO-MEKANİK VE TERMAL ÖZELLİKLERİNİN TAGUCHI YÖNTEMİYLE OPTİMİZASYONU

Öz

Genleştirilmiş perlit esaslı ısı yalıtım sıvaları, yangın güvenliği, mineral kökenli yapıları ve uygulama kolaylığı gibi avantajlara sahip olmalarına rağmen, geleneksel yalıtım malzemelerine kıyasla sınırlı termal performansları nedeniyle yaygın kullanım alanı bulamamıştır. Bu çalışmada, genleştirilmiş perlit esaslı ısı yalıtım sıvalarının fiziko-mekanik ve termal özelliklerinin optimize edilmesi amaçlanmıştır. Bu doğrultuda hedef performans kriterleri; ısıl iletkenlik katsayısı ≤ 0,055 W/mK, 28 günlük basınç dayanımı ≥ 400 kPa, kılcal su emme katsayısı ≤ 0,400 kg/m²·dak0.5 ve kuru birim hacim kütlesi ≤ 300 kg/m³ olarak belirlenmiştir. Söz konusu kriterleri sağlayan karışım parametrelerinin belirlenmesi amacıyla Taguchi yöntemi kullanılmış ve Minitab 19 yazılımında 7 faktörlü, 3 seviyeli L27 ortogonal deney tasarımı oluşturulmuştur. Deneysel ve istatistiksel analizler sonucunda belirlenen optimum seri; 263 kg/m³ kuru birim hacim kütle, 0,0516 W/mK ısıl iletkenlik katsayısı, 337 kPa basınç dayanımı ve 0.180 kg/m²·dak0,5 kılcal su emme katsayısı değerleri sergilemiştir. Ayrıca doğrulama deneyleri ile Taguchi modeli tarafından tahmin edilen sonuçlar arasında %94,5–99,6 aralığında yüksek uyum elde edilmiştir. Elde edilen bulgular, Taguchi yönteminin perlit esaslı ısı yalıtım sıvalarının çoklu performans kriterlerine göre optimize edilmesinde etkili bir araç olduğunu ve düşük yoğunluklu, yüksek yalıtım performansına sahip alternatif sıva sistemlerinin geliştirilmesine katkı sağlayabileceğini göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Genleştirilmiş Perlit
• Isı Yalıtım Sıvası
• Taguchi Yöntemi
• Optimizasyon
• Isıl İletkenlik

Destekleyen Kurum

Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi

Proje Numarası

2023-D1-0211

Etik Beyan

Bu çalışmanın hazırlanma sürecinde bilimsel araştırma ve yayın etiği ilkelerine uygun hareket edildiği ve çalışmanın içeriği itibarıyla herhangi bir etik kurul izni gerektirmediği beyan olunur. Yazarlar tarafından herhangi bir çıkar çatışması beyan edilmemiştir.

Teşekkür

Bu çalışma; Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, İnşaat Mühendisliği anabilim dalında “Isı Yalıtım Sıvasının Optimum Fiziko-Mekanik ve Termal Özellikleri Üzerinde Etkili Parametrelerin Taguchi Yöntemiyle Araştırılması” isimli doktora tezinden üretilmiştir ve Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi tarafından 2023-D1-0211 nolu proje kapsamında desteklenmiştir.

Kaynakça

1. Abidi, S., Nait-Ali, B., Joliff, Y., & Favotto, C. (2015). Impact of perlite, vermiculite and cement on the thermal conductivity of a plaster composite material: Experimental and numerical approaches. Composites Part B: Engineering, 68, 392-400.
2. Aditya, L., Mahlia, T. M. I., Rismanchi, B., Ng, H. M., Hasan, M. H., Metselaar, H. S. C., Muraza, O., & Aditiya, H. B. (2017). A review on insulation materials for energy conservation in buildings. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 73, 1352–1365. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.02.034
3. Alkhalafalallian, R., & Ekmen, Ş. (2025). Optimisation of synergistic utilization of glass and pumice powder in fiber-reinforced mortars: balancing rheology, strength and durability. Construction and Building Materials, 483, 141598.
4. Bamshad, O., Mahdikhani, M., Ramezanianpour, A. M., Maleki, Z., Majlesi, A., Habibi, A., & Delavar, M. A. (2023). Prediction and multi-objective optimization of workability and compressive strength of recycled self-consolidating mortar using Taguchi design method. Heliyon, 9(6).
5. Barbero, S., Marco Dutto, M., Ferrua, C., Pereno, A., 2014. Analysis on Existent Thermal Insulating Plasters Towards Innovative Applications: Evaluation Methodology for A Real Cost-Performance Comparison, Energy and Buildings, 77, 40-47. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2014.03.037
6. Binaların Yangından Korunması Hakkında Yönetmelik, 2007. T.C. Resmî Gazete, 26735, 19 Aralık 2007.
7. Bozkurt, N. (2013). The effect of high temperature on concrete containing perlite powder. SDU International Journal of Technologic Sciences, 5(1), 87-93.
8. Buratti, C., Moretti, E., Belloni, E., Agosti, F., 2014. Development of Innovative Aerogel Based Plasters: Preliminary Thermal and Acoustic Performance Evaluation, Sustainability, 6(9), 5839-5852. https://doi.org/10.3390/su6095839

9. Davraz, M., Gökçe, Y., Koru, M., Akdağ, A.E., 2020. Çimento Esaslı Köpük Sıvanın Fiziksel, Mekanik ve Termal Özellikleri, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 8(1), 42-53. https://doi.org/10.21923/jesd.567408
10. Davraz, M., Kılınçarslan, Ş., Koru, M., 2024. Investigation of the Effects of Density on Physical, Mechanical and Thermal Properties of Foam Concrete, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 12(3), 585-594. https://doi.org/10.21923/jesd.1178373
11. Davraz, M., Koru, M., Işıldar, N., 2025. Design of Perlite Based Thermal Insulation Plate and Determination of its Physical, Mechanical and Thermal Properties, International Journal of Thermophysics, 46(31), 1-23. https://doi.org/10.1007/s10765-025-03503-x
12. Giarma, C., Kampragkou, P., & Stefanidou, M. (2024). Hygrothermal properties of mortars containing perlite by-products. Construction and Building Materials, 416, 135065.
13. Keskin, F. Ş., & Yildirim, S. T. (2016). Taguchi metoduyla deneysel tasarım kullanarak yalıtımlı harç için perlit ve taban külü kullanılabilirliğinin araştırılması. El-Cezeri Journal of Science and Engineering, 3(1), 91-102.
14. Khalid, L. W., Mermerdaş, K., Ekmen, Ş., & Bzeni, D. K. (2025). Optimization of Fresh and Hardened Properties of Fiber-Reinforced 3D Printed Geopolymer Composites Using Response Surface Methodology: A Data-Driven Approach Based on Prior Experimental Studies. Journal of Building Engineering, 114655.
15. Larsen, P. K. (2020). Climatic protection of historical vaults with lime–perlite mortar. Studies in Conservation, 65(sup1), P174-P179.
16. Maxineasa, S. G., Isopescu, D. N., Lupu, M. L., Baciu, I. R., Pruna, L., & Somacescu, C. (2022, April). The use of perlite in civil engineering applications. In IOP conference series: materials science and engineering (Vol. 1242, No. 1, p. 012022). IOP Publishing.
17. Minitab, LLC., 2019. Minitab 19 Statistical Software, State College, PA: Minitab, LLC.
18. Montgomery, D.C., 2017. Design and Analysis of Experiments (9th ed.), John Wiley & Sons, New York.
19. Nambiar, E.K., Ramamurthy, K., 2006. Models Relating Mixture Composition to The Density and Strength of Foam Concrete Using Response Surface Methodology, Cement and Concrete Composites, 28(9), 752-760. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2006.06.001
20. Ramamurthy, K., Nambiar, E.K., Ranjani, G.I.S., 2009. A Classification of Studies on Properties of Foam Concrete, Cement and Concrete Composites, 31(6), 388-396. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2009.04.006
21. Ramazanoğlu, B., & Kaya, N. (2024). Isı ve Ses Yalıtımında İnovatif Çözüm Olarak Perlit: Derleme ve İnceleme. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 27(4), 1212-1231.
22. Roy, R. K. (2010). A primer on the Taguchi method. Society of manufacturing engineers.
23. Schiavoni, S., D'Alessandro, F., Bianchi, F., & Asdrubali, F. (2016). Insulation materials for the building sector: A review and comparative analysis. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 62, 988–1011. https://doi.org/10.1016/j.rser.2016.05.045
24. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı (2024). Enerji verimliliği. Erişim adresi: https://www.enerji.gov.tr/enerji-verimliligi (Erişim tarihi: 23 Haziran 2026).
25. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı. (2024). EİGM raporları. Erişim adresi: https://enerji.gov.tr/eigm-raporlari (Erişim tarihi: 23 Haziran 2026).
26. Taguchi, G., 1987. System of Experimental Design: Engineering Methods to Optimize Quality and Minimize Costs, UNIPUB/Kraus International Publications, New York.
27. TS 706 EN 12620, 2009. Beton Agregaları, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
28. TS EN 1015-10, 2001. Kâgir Harcı - Deney Metotları - Bölüm 10: Sertleşmiş Harcın Boşluklu Kuru Birim Hacim Kütlesinin Tayini, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
29. TS EN 1015-11, 2000. Kâgir Harcı - Deney Metotları - Bölüm 11: Sertleşmiş Harcın Eğilme ve Basınç Dayanımının Tayini, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
30. TS EN 1015-18, 2004. Kâgir Harcı - Deney Yöntemleri - Bölüm 18: Sertleşmiş Harcın Kapiler Etkiden Kaynaklanan Su Emme Katsayısının Tayini, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
31. TS EN 1097-3, 1999. Agregaların Mekanik ve Fiziksel Özellikleri için Deneyler - Bölüm 3: Gevşek Yığın Yoğunluğunun Tayini, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
32. TS EN 1097-6, 2002. Agregaların Mekanik ve Fiziksel Özellikleri için Deneyler - Bölüm 6: Tane Yoğunluğu ve Su Emme Oranının Tayini, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
33. TS EN 12667, 2003. Yapı Malzemeleri ve Mamullerinin Isıl Performansı - Mahfazalı Sıcak Plaka ve Isı Akış Sayacı Metotlarıyla Isıl Direncin Tayini - Yüksek ve Orta Isıl Dirençli Mamuller, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
34. TS EN 13501-1, 2019. Yapı mamulleri ve yapı elemanları, yangın sınıflandırması bölüm 1: Yangın karşısındaki davranış deneylerinden elde edilen veriler kullanılarak sınıflandırma, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
35. TS EN 998-1, 2011. Kâgir Harcı - Özellikler - Bölüm 1: Sıva Harcı, Türk Standardları Enstitüsü, Ankara.
36. Türkmen, İ. I. M., Gül, R., Çel [idot] k, C., & Dem [idot] rboğa, R. (2003). Determination by the Taguchi method of optimum conditions for mechanical properties of high strength concrete with admixtures of silica fume and blast furnace slag. Civil Engineering and Environmental Systems, 20(2), 105-118.
37. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA). (2023). Buildings. Erişim adresi: https://www.iea.org/reports/buildings (Erişim tarihi: 23 Haziran 2026)
38. Ünal, S., Gökçen, H. S., & Canbaz, M. (2025). Physical and Mechanical Properties of Different Types of Mortars Produced with Hydrophobic Perlite. Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi, 12(2), 621-629.
39. Yaman, Ö., Şengül, Ö., Selçuk, H., Çalıkuş, O., Kara, İ., Erdem, Ş., Özgür, D., 2015. Binalarda Isı Yalıtımı ve Isı Yalıtım Malzemeleri, Türkiye Mühendislik Haberleri, 487(2015/4), 62-75.
40. Yi, W., Xiling, Z., Jinglin, Y., Wenxuan, W., & Tian, T. (2023). A comprehensive performance evaluation of the cement-based expanded perlite plastering mortar. Science of The Total Environment, 858, 159705.
41. Zach, J., Hela, R., Sedlmajer, M., Hroudova, J., 2013. Development of Thermal Insulation Plasters for Insulating and Sanitation of Building Constructions, IACSIT International Journal of Engineering and Technology, 5(3). https://doi.org/10.7763/IJET.2013.V5.582