Faz değiştiren malzemelerin (PCM) zemin iyileştirmesinde kullanılması
Using phase change material (PCM) in soil stabilization
Yazar: ABDULLAH UBEYD
Danışman: PROF. DR. İLKNUR BOZBEY
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Zeminlerin iyileştirilmesi, geoteknik mühendisliğinin önemli çalışma alanlarından birisidir.  Zemini iyileştirmek için birçok malzeme kullanılmaktadır. Bu çalışma kapsamında başka alanlarda kullanımı başlayan ama zemin iyileştirmesi için kullanılma alanı bulmamış olan yeni bir malzeme kullanılarak zemin iyileştirilmiştir. Kullanılacak malzeme, faz değiştiren malzemelerdir. Faz Değiştiren Malzemeler farklı sıcaklık seviyelerinde kullanılabilmektedir. Bu çalışmada, kil zeminle katı ve sıvı faz değiştiren malzemelerin kullanımı incelenmiştir. Katı faz değiştiren malzemeler, %5, %8 ve %10 oranlarında toz halinde ilave edilmiştir. Numuneler -20°C ile +20°C arasında 7 çevrim boyunca donma ve çözülme döngülerine tabi tutulmuş ve aynı oranlarla 3, 7 ve 15 döngü laboratuvar sıcaklığı ile 40 arasında işlemine tabi tutulmuştur. Ayrıca, sıvı faz değiştiren malzeme %10 ve %20 oranlarında ilave edilmiştir. Numuneler 3, 7 ve 10 döngü donma-çözülme işlemine tabi tutulmuştur. Kontrol numuneler ise katkısız aynı döngülerine maruz bırakılmıştır. Tüm numuneler üzerinde serbest basınç deneyleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar mukavemet  değerleri üzerinden değerlendirilmiştir Bu çalışmanın sonuçları, katı faz değiştiren malzemelerin %8 ve %10 oranlarında ilave edildiği durumda önemli ölçüde etkili bir iyileştirme sağladığını, ancak sıvı faz değiştiren malzemelerin aynı düzeyde bir iyileştirme sağlamadığını göstermektedir.  Ayrıca, döngüleri iyileştirmenin performansını azaltabileceği ve mukavemeti değerlerini önemli ölçüde etkileyebileceği belirlenmiştir. Çalışma ayrıca, laboratuvar sıcaklığı ile 40 arasında belirli bir noktada bitiş su muhtevası optimum su muhtevasının altında düşmesinin zemin mukavemeti artırmak için ek bir faktör sağladığını göstermektedir. Bu bulgular, mühendislik uygulamalarında kil zeminin iyileştirilmesi sürecinde karar verilirken dikkate alınması gereken faktörleri vurgulamaktadır.

Abstract:
Soil improvement is one of the significant areas in geotechnical engineering, and various materials are used for soil improvement. In this study, a new material, phase change materials (PCMs), which have begun to be used in other fields but have not yet found much application in soil improvement, is utilized. Phase change materials can be used at different temperature levels. In this research, the use of solid and liquid phase change materials with clay soil has been investigated. Solid phase change materials were added in powder form at rates of 5%, 8%, and 10%. The samples were subjected to 7 cycles of freezing and thawing between -20°C and +20°C, as well as 3, 7, and 15 cycles at laboratory temperature and 40°C, using the same proportions. Additionally, liquid phase change material was added at rates of 10% and 20%, and the samples were subjected to 3, 7, and 10 cycles of freezing and thawing. Control samples were exposed to the same cycles without any additives. Unconfined compression tests were conducted on all samples. The results were evaluated based on strength properties. The findings of this study indicate that solid phase change materials, when added at 8% and 10%, significantly improve soil properties. However, liquid phase change materials do not provide the same level of improvement. Furthermore, it was observed that the cycling process can decrease performance and significantly affect both strength and modulus values. The study also highlights that there is a specific point between laboratory temperature and 40°C where the optimum moisture content falls below the optimum moisture content, providing an additional factor for increasing soil strength. These findings emphasize factors that should be considered in the decision-making process for clay soil improvement in engineering applications.