Geopolimer bazlı stabilizatörler kullanılarak yumuşak zeminlerin iyileştirilmesi
Stabilization of soft soil using geopolymer-based stabilizers
Yazar: TADESSE ABEBE WASSIE
Danışman: DOÇ. DR. GÖKHAN DEMİR
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yumuşak zeminler geleneksel olarak yıllardır kireç ve çimento gibi geleneksel zemin stabilizatörleri kullanılarak stabilize edilmektedir. Ancak bu stabilizatörlerin üretim sürecinde enerji kullanımı yoğundur ve atmosfere önemli miktarda zararlı sera gazı salmaktadır. Geopolimerler, geleneksel kimyasal katkı maddelerine çevre dostu bir alternatif olarak popülerlik kazanmış alümino-silikat bağlayıcılardır.
Bu araştırma, metakaolin kullanarak bir geopolimer sentezlemeyi ve yumuşak zeminleri stabilize etmek için tek bağlayıcı olarak etkinliğini değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Yumuşak zemin, 0,75 LL ile 1,25 LL arasında değişen ilk su içeriğinde hazırlanmış ve ardından zeminin kuru ağırlığının %5, %10 ve %15'i oranında değişen konsantrasyonlarda geopolimer eklenmiştir. Deney programı, serbest basınç dayanımı, taramalı elektron mikroskobu (SEM), enerji dağılımlı x-ışını spektroskopisi (EDS), kompaksiyon ve üç eksenli kesme testlerini içermektedir. Serbest basınç deneyi sonuçlarına göre, geopolimer ile stabilize edilmiş zeminin akma gerilmesi düşük başlangıç su içeriğinde artmış, ancak yüksek başlangıç su içeriğinde azalmıştır. Ayrıca, stabilize zeminin mukavemeti, bağlayıcı ve ilk su içeriğinden bağımsız olarak kürleme işlemi sırasında zamanla artmıştır. Yumuşak zeminin optimum su muhtevasının (OMC) %26 ve maksimum kuru yoğunluğunun (MDD) 1,52 g/cm³ olduğu tespit edilmiştir. Kireçle işlenmiş zemin ise %27 optimum su muhtevasına ve 1,47 g/cm³ maksimum kuru yoğunluğa sahiptir. Ayrıca, %15 geopolimer ile işlenmiş yumuşak zeminin maksimum kuru yoğunluğu yaklaşık 1,53 g/cm³'tür. İşlenmemiş yumuşak zeminle karşılaştırıldığında, çimento, metakaolin ve kireçle stabilize edilmiş yumuşak zemin için kayma mukavemeti parametrelerinde önemli bir artış olmuştur. Mikroyapı analizi, stabilize edilmiş zeminin daha yoğun bir mikroyapıya, homojen jel oluşumuna ve daha az mikro çatlak ve gözeneğe sahip olduğunu doğrulamıştır. Bu araştırma, metakaolin ile yapılan stabilizatörlerin yumuşak zeminleri etkili bir şekilde stabilize edebileceğini göstermiştir.

Abstract:
Soft soils have traditionally been stabilized for several decades using conventional soil stabilizers such as lime and cement. However, the production process of these stabilizers is energy-intensive and releases a significant amount of harmful greenhouse gases into the atmosphere. Geopolymers are alumino-silicate binders that have gained popularity as an eco-friendly alternative to conventional chemical additives.
This research aims to synthesize a geopolymer using metakaolin and assess its effectiveness as the sole binder for stabilizing soft soils. The soft soil was prepared at its initial moisture content, ranging from 0.75 LL to 1.25 LL, and then geopolymer was added at varying concentrations of 5%, 10%, and 15% of the dry weight of the soil. The testing program includes unconfined compressive strength (UCS), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive x-ray spectroscopy (EDS), compaction, and triaxial shear tests. According to the UCS test results, the yield stress of geopolymer-stabilized soil increased at low initial moisture content but decreased at high initial moisture content. Additionally, the strength of the stabilized soil increased over time during the curing process, regardless of the binder and initial moisture contents. It has been discovered that soft soil has an optimal moisture content (OMC) of 26% and a maximum dry density (MDD) of 1.52 g/cm³. The lime-treated soil, however, has an optimal moisture content of 27% and a maximum dry density of 1.47 g/cm³. Additionally, the maximum dry density of the 15% geopolymer-treated soft soil was approximately 1.53 g/cm³. Compared to untreated soft soil, there was a significant increase in shear strength parameters for cement, metakaolin, and lime-stabilized soft soil. The microstructure analysis confirmed that the stabilized soil had a denser microstructure, the formation of homogeneous gel, and fewer micro-cracks and pores. This research demonstrated that stabilizers made with metakaolin can efficiently stabilize soft soils.