Katkı içerikli derin karıştırma kolonları performans özelliklerinin model deneylerle araştırılması
Investigation of performance characteristics of deep mixing columns with additive content by model experiments
Yazar: MUSTAFA ABDALWAHID NOORI NOORI
Danışman: DOÇ. DR. MURAT OLGUN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında killi bir zemin ortamında çimento, silis dumanı ve akışkanlaştırıcı katkısından oluşturulan derin karıştırma kolonlarının (DKK) performansını etkileyen faktörler yanıt yüzey yöntemiyle (YYY) araştırılmıştır. Çalışma için Konya Teknik Üniversitesi Sanayi Kampüsü olarak tahsis edilen araziden düşük plastisiteli killi zemin (CL) temin edilmiştir. Design Expert yazılımı ile YYY kullanılarak deney programı oluşturulmuştur. Ön deneyler sonucunda enjeksiyon malzemelerinin sınır değerleri belirlenmiştir. Çimento ve silis dumanı yüzdesi kuru kilin ağırlıkça yüzdesi şeklindedir ve çimento miktarı için %5-20 , silis dumanı miktarı için %0-15 sınır değerleri seçilmiştir. Akışkanlaştırıcı katkı maddesi bağlayıcı miktarının %0-5'i ve su/bağlayıcı oranı 0.9-2.5 aralığında seçilmiştir. Zeminin su muhtevası ise %25-33 arasındadır. Oluşturulan deneysel program kapsamında; ilk olarak enjeksiyon içerisinde kullanılacak malzemelerin sınır su/bağlayıcı oranlarının belirlenebilmesi için marsh hunisi ve sedimantasyon deneyleri yapılmıştır. Daha sonra 21 adet tasarım için küçük ölçekli derin karıştırma numuneleri hazırlanmıştır. Farklı kür süreleri (7, 28 ve 56 gün) sonunda numuneler üzerinde Serbest basınç mukavemeti ve permeabilite deneyleri yapılmıştır. Permeabilite deneyleri ASTM D5084-10 standardına göre üç eksenli deney düzeneği kullanılarak yapılmıştır. Bu tez çalışması kapsamında toplam 126 küçük ölçekli serbest basınç deneyi  ve 63 adet permeabilite deneyi yapılmıştır. Derin karıştırma deney düzeneğinde 21 adet tasarım için büyük ölçekli DKK imal edilmiş, 28 günlük kür süresi bittikten sonra karot numuneleri alınmıştır. Alınan karotlar üzerinde Serbest basınç ve permeabilite deneyleri yapılmıştır. Deneysel çalışmalar sonucunda 28 günlük küre maruz kalmış numunelerden alınan örnekler üzerinde taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri alınmış ve kimyasal yapı içerisinde oluşan bağlayıcı bileşenlerin belirlenebilmesi için XRD analizleri yapılmıştır. En son olarak ise deneysel çalışma sonuçlarına göre en uygun karışım oranı ve sınırlarının belirlenebilmesi için optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir.
Deneysel çalışmalarda; Marsh hunisi deneylerinden akma süresi 60 - 80sn olan karışımları enjeksiyon pompasının hazneden rahatlıkla pompalayabildiği görülmüştür.  Enjeksiyon karışımlarının su/bağlayıcı kıvamı belirlenirken bu süre dikkate alınarak 0.9-2.5 arasında seçilmiştir. Su/bağlayıcı oranını azaltmak için akışkanlaştırıcı katkı maddesi olarak  Optima 100 katkısı belirlenmiştir. Küçük ölçekli deney numuneleri üzerindeki ANOVA analizi sonuçlarına göre; akışkanlaştırıcı katkısının mukavemet değerleri üzerinde çok etkili olmadığı, su/bağlayıcı oranı aynı olan tasarımlarda çimento
miktarı arttıkça (silis dumanı olmayan karışımlar)  qu değerinin 2 - 2.5 kat arttığı görülmüştür. Su/bağlayıcı oranının dayanım üzerinde etkili olduğu ve bu oran arttıkça dayanımın azaldığı görülmüştür. Silis dumanının %15 oranında kullanılması ile aynı çimento miktarında dayanımın 2.5 kat arttığı görülmüştür. Karışımda silis dumanı olduğu takdirde su/bağlayıcı oranının dayanım üzerinde çok etkili olduğu gözlenmiştir. Su/bağlayıcı oranı 0.9'dan 1.5'a kadar arttığında serbest basınç dayanımında önemli artışlar olmuştur. Permeabilite değerleri üzerinde silis dumanı miktarı ve su/bağlayıcı oranının çok etkili olduğu net bir şekilde görülmüş, zemin içerisine %15 oranında silis dumanı ilave edildiğinde geçirimlilik
katsayısı 86 kat azalmıştır. Büyük ölçekli DKK'ndan alınan karotlar üzerinde yapılan serbest basınç deneylerinden elde edilen dayanım değeri sonuçları küçük ölçekli DKK dayanım değerlerinin %65 ile %85'i arasında olmuştur. Silis dumanının %15 oranında kullanılmasının dayanımı 2.5 kat arttırdığı
görülmüştür. Permeabilite deney sonuçları incelendiğinde silis dumanı içeren tasarımlardaki numunelerin diğer tasarımlardaki numunelere kıyasla çok daha az geçirimliğe sahip oldukları net bir şekilde görülmüştür. Silis dumanı %15 olduğunda geçirimlilik katsayısı 127 kat azalmıştır.
Kullanılan saf kilin XRD analizi sonuçlarına göre zemin içerisinde kaolinit mineralleri tespit edilmiştir. Silis dumanının olmadığı 18 nolu tasarım için yapılan XRD analizine göre numunenin
içerisinde CH ve etrenjit bağları olduğu belirlenmiştir. Silis dumanının bulunduğu tasarımlarda ise daha yoğun olarak C-S-H yapılarının varlığı tespit edilmiştir. Yine silis dumanının olmadığı tasarımlarda elde edilen SEM görüntülerinde gözenekli ve tanecikli yapıda C-S-H jeli ve bu gözeneklerin içinde düz plaka şeklinde portlandit (CH) ve ince çubuk şeklinde etrenjit yapıları gözlenmiştir. Optimizasyon  çalışmaları
sonucunda serbest basınç dayanımı ve Permeabilite deney sonuçları için karekök yaklaşımı en iyi sonucu vermiştir. Küçük ölçekli kolonlar için yapılan optimizasyon çalışmalarına göre yapılan doğrulama deney sonuçlarının %91 oranında doğrulandığı tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, the factors affecting the performance of deep mixing columns (DKK) formed by cement, silica fume and fluidizer additive in a clay soil environment were investigated by response surface method. For the study, low plasticity clayey soil (CL) was obtained from the land allocated as Konya Technical University Industrial Campus. Experimental program was developed by using Design Expert software. As a result of the preliminary experiments, the limit values of the injection materials were determined. The percentage of cement and silica fume is by weight of dry clay and the limit values of for cement 5-20% and 0-15% for silica fume are selected. 0-5% of the amount of plasticizer additive binder and water/binder ratio were selected in the range of 0.9-2.5. The water content of the soil is between 25-33%. Within the scope of the experimental program; Firstly, marsh funnel and sedimentation tests were performed to determine boundary water/binder ratios of the materials to be used in injection. Then, small scale deep mixing samples were prepared for 21 designs. Unconfined Compressive Strength and permeability tests were performed on the samples after different curing times (7, 28 and 56 days). Permeability tests were performed according to ASTM D5084-10 standard using triaxial test setup. In this study, 126 small scale unconfined compressive strength and 63 permeability tests were performed. In the deep mixing test apparatus, 21 scale DKK was produced for 21 designs. Unconfined compressive strength and permeability tests were performed on the cores. As a result of the experimental studies, scanning electron microscopy (SEM) images were taken on the samples taken from 28 days curing samples and XRD analyzes were performed in order to determine the binding components formed in the chemical structure. Finally, optimization studies were carried out in order to determine the optimal mixing ratio and limits according to the experimental results.
In experimental studies; It was found from the Marsh funnel experiments that the injection pump 
was able to pump the mixtures with a flow time of 60 - 80 seconds from the hopper. The water/binder consistency of the injection mixtures was chosen between 0.9-2.5 considering this time. In order to reduce the water/binder ratio, Optima 100 additive was determined as a plasticizer additive. According to ANOVA analysis results on small scale test samples; It is seen that the additive of plasticizer is not very effective on the strength values and the qu value increases by 2 - 2.5 times as the amount of cement increases (mixtures without silica fume) in designs with same water/binder ratio. The water/binder ratio was found to be effective on the strength, and as this ratio increased, the strength decreased. With the use of silica fume at a rate of 15%, it has been observed that the strength increases 2.5 times in the same amount of cement. If silica fume is present in the mixture, it is observed that the water/binder ratio is very effective on the strength. When the water/binder ratio increased from 0.9 to 1.5, there were significant increases in the unconfined compressive strength. It was clearly seen that the amount of silica fume and the water/binder ratio were very effective on the permeability values. Resistance values obtained from unconfined compressive strength on cores obtained from large scale DKK were between 65% and 85% of small scale DKK strength values. It has been observed that the use of silica fume at a rate of 15% increases the resistance 2.5 times. When the permeability test results are examined, it is clearly seen that the samples in designs containing silica fume have much less permeability than the samples in other designs. When the silica fume was 15%, the permeability coefficient decreased by 127 times.
 According to the results of XRD analysis of pure clay, kaolinite minerals were determined in the soil. According to XRD analysis for the design no. 18, there was no CH and ettringite bonds in the sample. In designs with silica fume, the presence of C-S-H structures was determined more intensively. Also, SEM images obtained in designs without silica fume showed porous and granular C-S-H gel and flat plate-shaped portlandite (CH) and fine rod-shaped ettringite in these pores. As a result of the optimization studies, the square root approach gave the best results for the unconfined compressive strength and permeability test results. According to the optimization studies for small-scale columns, 91% of the validation test results were verified.