Konsol istinat duvarlarında geri dolgu malzemesi olarak bitlis pomza agregalı köpük betonların kullanılabilirliğinin araştırılması
Investigation of the usability of foam concrete with bitlis pumice aggregate as a backfilling material in cantilever retaining walls
Yazar: BURAK DERELİ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMÜR ÇİMEN ; PROF. DR. METİN DAVRAZ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışmada, Nemrut Yanardağının püskürmesiyle Kıyıdüzü (Tatvan), Adabağ (Tatvan) ve Ahlat bölgelerindeki asidik pomzaların fiziksel ve kimyasal özellikleri incelenmiş ve elde edilen bulgulara göre Kıyıdüzü bölgesinden alınan pomzalardan farklı yoğunluklarda (500 kg/m3, 600 kg/m3, 700 kg/m3) köpük beton üretimi gerçekleştirilmiştir. Üretilen köpük betonların geoteknik uygulamalarda hafif dolgu malzemesi olarak kullanılabilirliği de araştırılmış ve bu amaçla betonların fiziksel/mekaniksel özellikleri belirlenmiştir. Üretimde su/çimento oranı sabit tutularak 2 mm'den daha küçük agrega kullanılmış ve yoğunluğa paralel olarak köpük beton içerisindeki agreganın oranı artırılmıştır. 
Prizma köpük betonların (40x40x160 mm) kuru birim hacim kütle değerleri 474 kg/m3 (PKB 500), 572 kg/m3 (PKB 600) ve 650 kg/m3 (PKB 700) olarak belirlenmiştir. Silindir köpük betonların (55x110 mm) farklı yoğunluklara göre (500 kg/m3, 600 kg/m3, 700 kg/m3) serbest basınç dayanımları sırasıyla 0.78 MPa, 1.21 MPa ve 1.97 MPa; statik elastisite modüllerinden doğrusal elastisite modülleri 251.27 MPa, 361.33 MPa ve 806.71 MPa; hesaplamalar sonucunda elde edilen dinamik elastisite modülleri ise 669 MPa, 957 MPa ve 1605 MPa olarak tespit edilmiştir. Bu köpük betonların statik ve dinamik elastisite modüllerinin karşılaştırılmasında regrasyon katsayısı (R2) değeri 0.98'in üzerinde gerçekleştiği için elde edilen sonuçlar güvenilir olarak değerlendirilmiştir. 38x76mm'lik silindir köpük betonların farklı yoğunluklara göre (500 kg/m3, 600 kg/m3, 700 kg/m3) içsel sürtünme açıları (ϕ) sırasıyla 160, 250 ve 310; kohezyon değerleri (c) ise 246 kPa, 467 kPa ve 555 kPa olarak hesaplanmıştır. Yoğunlukla birlikte kohezyon ve içsel sürtünme açılarının artmasında, üretimde kullanılan pomza miktarının etkili olduğu düşünülmektedir.
Üretilen köpük betonların istinat duvarlarındaki kullanılabilirliğinin incelenmesi amacıyla tasarlanan konsol istinat duvarlarına (değişken gövde kalınlığında ve duvar yükseklikleri 4 m, 6m, 8m, 10 m) granüler dolgu ile farklı yoğunluklardaki köpük betonlar ilave edilerek Plaxis 2D programında analizler yapılmıştır. Sadece granüler dolgu kullanılan ve yüksekliği 10 m olan duvarda göçme oluşmuştur. Granüler dolgulu ve yüksekliği 8 m olan konsol istinat duvarının yatay deformasyonu 0.0506 m, düşey deformasyonu 0.0709 m, toplam deformasyonu 0.0846 m, eksenel kuvveti 185 kN, kesme kuvveti 114.1 kN ve eğilme momenti de 143.1 kNm/m olarak belirlenmiştir. PKB 700 dolgulu ve yüksekliği 8 m olan konsol istinat duvarında ise yatay deformasyon 0.0380 m, düşey deformasyon 0.0554 m, toplam deformasyon 0.0639 m, eksenel kuvvet 167.8 kN, kesme kuvveti 61.72 kN ve eğilme momenti 70.25 kNm/m olarak tespit edilmiştir. Konsol istinat duvarında kullanılan geri dolgu malzemesindeki birim hacim ağırlığının artması, istinat duvarına etkiyen eksenel kuvvetin de artmasına neden olmuş ve bu durum istinat duvarının yatay ve düşey deformasyonlarını arttırmıştır. Ayrıca, kullanılan geri dolgudaki birim hacim ağırlığın azalmasıyla birlikte duvara gelen itki kuvveti azalmıştır.
Sonuç olarak; bu çalışmada Nemrut Yanardağındaki faaliyetlere bağlı olarak oluşan pomza yataklarının benzer özellikler sergilediği görülmüştür. Üretilen köpük betonlarda Kıyıdüzü bölgesinden alınan etüv kurusu tane yoğunluğu düşük olan pomza tercih edilmiştir. Farklı yoğunluklarda üretilen köpük betonlardaki (500 kg/m3, 600 kg/m3, 700 kg/m3) yoğunluk artışına bağlı olarak üretimde kullanılan pomza miktarları arttırılmış ve buna bağlı olarak köpük betonların dayanım parametrelerinden serbest basınç dayanımı, elastisite modülleri ile kohezyon ve içsel sürtünme açıları yükselmiştir. Köpük betonların birim hacim ağırlıklarının granüler dolgu malzemesine göre daha düşük olması modellenen tüm istinat duvarlarındaki deformasyonlar ve içsel kuvvetlerin azalmasına neden olmuştur. Ancak yoğunlukları farklı olan köpük betonlar kendi aralarında değerlendirildiğinde, birim hacim ağırlığının etkisi içsel sürtünme açısına göre daha az olduğundan PKB 700'ün konsol istinat duvarlarında kullanılmasının daha uygun olduğu kanaatine varılmıştır. Geoteknik mühendisliğinde hafif dolgu malzemesi kullanımının önemli olmasından dolayı istinat duvarlarının geri dolgusunda köpük betonların daha güvenli ve ekonomik tasarımlar oluşturulabileceği düşünülmektedir. Bu çalışmada üretilen farklı yoğunluklardaki köpük betonlarda sadece pomza kullanılmasına bağlı olarak su emme oranlarında artışlar meydana gelmiştir. Bundan dolayı bu betonlar inşaat uygulamalarında kullanıldığında bazı problemlerin oluşabileceği düşünülmekte olup, bu betonların bölgesel şartlar dikkate alınarak tasarlanması önemlidir.

Abstract:
In this study, the physical and chemical properties of acidic pumice from Kıyıdüzü (Tatvan), Adabağ (Tatvan) and Ahlat regions after the eruption of Nemrut Volcano were investigated and foam concrete was produced at different densities (500 kg/m3, 600 kg/m3, 700 kg/m3) from pumice taken from Kıyıdüzü region according to the findings obtained. The usability of the produced foam concretes as lightweight filling material in geotechnical applications was also investigated and the physical and mechanical properties of the concretes were determined for this purpose. In the production, aggregate smaller than 2 mm was used by keeping the water/cement ratio constant and the proportion of aggregate in the foam concrete was increased in parallel with the density.
Dry unit volume mass values of prism foam concretes (40x40x160 mm) were determined as 474 kg/m3 (PKB 500), 572 kg/m3 (PKB 600) and 650 kg/m3 (PKB 700). Free compressive strengths of foamed concrete cylinders (55x110 mm) for different densities (500 kg/m3, 600 kg/m3, 700 kg/m3) were 0.78 MPa, 1.21 MPa and 1.97 MPa; linear moduli of elasticity from static moduli of elasticity were 251.27 MPa, 361.33 MPa and 806.71 MPa; dynamic moduli of elasticity obtained from calculations were 669 MPa, 957 MPa and 1605 MPa, respectively. In the comparison of static and dynamic moduli of elasticity of these foam concretes, the regression coefficient (R2) value was above 0.98 and the results obtained were considered reliable. The internal friction angles (ϕ) of 38x76mm cylinder foam concretes for different densities (500 kg/m3, 600 kg/m3, 700 kg/m3) were calculated as 160, 250 and 310, and cohesion values (c) as 246 kPa, 467 kPa and 555 kPa, respectively. It is thought that the amount of pumice used in production is effective in increasing the cohesion and internal friction angles with density.
In order to examine the usability of foam concretes in retaining walls, foam concretes of different densities were added to the designed cantilever retaining walls (variable body thickness and wall heights of 4 m, 6 m, 8 m, 10 m) with granular fill and analyzed in Plaxis 2D program. The wall with only granular fill and a height of 10 m collapsed. The horizontal deformation of the cantilever retaining wall with granular fill and height of 8 m was 0.0506 m, vertical deformation was 0.0709 m, total deformation was 0.0846 m, axial force was 185 kN, shear force was 114.1 kN and bending moment was 143.1 kNm/m. In the PKB 700 filled cantilever retaining wall with a height of 8 m, horizontal deformation was 0.0380 m, vertical deformation was 0.0554 m, total deformation was 0.0639 m, axial force was 167.8 kN, shear force was 61.72 kN and bending moment was 70.25 kNm/m. The increase in the unit volume weight of the backfill material used in the cantilever retaining wall caused an increase in the axial force acting on the retaining wall and this increased the horizontal and vertical deformations of the retaining wall. Also, the thrust force on the wall decreased with the decrease in the unit volume weight of backfill used.
As a result; in this study, it was observed that the pumice deposits formed due to the activities in Nemrut Volcano exhibit similar characteristics. In the foam concretes produced, pumice from Kıyıdüzü region with low grain density was preferred. In foam concretes produced at different densities (500 kg/m3, 600 kg/m3, 700 kg/m3), the amount of pumice used in the production was increased due to the increase in density and accordingly, the free compressive strength, modulus of elasticity, cohesion and internal friction angles of foam concretes increased. He lower unit volume weights of foam concretes compared to granular fill material resulted in reduced deformations and internal forces in all modeled retaining walls. However, when foam concretes with different densities are evaluated among themselves, it is concluded that PKB 700 is more suitable for use in cantilever retaining walls since the effect of unit volume weight is less than the internal friction angle. Since the use of lightweight backfill material is important in geotechnical engineering, it is thought that foam concrete can create safer and more economical designs for backfilling of retaining walls. In foam concretes of different densities produced within the scope of this thesis, water absorption rates increased due to the use of only pumice. Therefore, it is thought that some problems may occur when these concretes are used in construction applications and it is important that these concretes are designed by considering regional conditions.