Dolgularda faz değiştiren malzeme kullanımının donma çözülme davranışına etkileri
Effects of the use of phase change materials in fillings on freeze-thaw behavior
Yazar: HAZAL BERRAK GENÇDAL
Danışman: PROF. DR. HAVVANUR KILIÇ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Soğuk bölge ikliminde yer alan ve yılda birden fazla kez donma çözülmeye maruz kalan zeminlerin davranışı geoteknik mühendisliğinin önemli konuları arasında yer almaktadır. Bu zeminlerde yer alan yapılar, donma ve çözülme çevrimleri sonunda meydana gelen büyük zemin deformasyonları ve mukavemet kayıpları nedeniyle hasar görebilmektedir. Yapılarda meydana gelebilecek bu problemlerin azaltılması için donma çözülme çevrimlerine maruz kalan zeminlerin iyileştirilmesi gerekmektedir. Böylece, iyileştirmeden sonra zeminin performansını donma çözülme çevrimleri boyunca koruyabilmesi sağlanmalıdır.
Bu tez çalışmasında, donma hassasiyeti ve kaolin içeriği yüksek (%89), yol dolgusu olarak kullanılacak yüksek plastisiteli killi silt (MH) bir zeminin, çekirdek malzemesi parafin-tetradekan olan mikrokapsüllenmiş faz değiştiren malzemelerle (mFDM) (%5, %8, %10, %12) iyileştirilmesi, farklı donma çözülme (DÇ) çevrimlerinde (0, 1, 3, 5, 7, 9, 11) deneysel olarak araştırılmıştır. Bu kapsamda, geçirimlilik ve mekanik özellikleri laboratuvar deneyleri ile (tek boyutlu ödometre, serbest basınç, düşen seviyeli permeabilite) incelenmiştir. Zeminin iyileştirme öncesindeki durumuna göre meydana gelen davranış değişiklikleri tespit edilmiştir. Yapılan laboratuvar deneyleri ile mFDM'nin zeminin makro (mekanik) ve mikro(boşluk yapısı) davranışını etkilediği, mFDM oranı ile DÇ çevrim sayısı arasında önemli bir ilişki olduğu, mFDM katkısının zeminin serbest basınç mukavemetini (qu) azalttığı, oturmasını (H) arttırdığı, ancak artan DÇ çevrimlerinde zeminin mukavemetini ve oturmasını değiştirmeyerek sabit tutabildiği belirlenmiştir. mFDM katkı oranındaki artışın zeminin mukavemetini arttırdığı, oturmasını azalttığı, özellikle %10 mFDM'nin katkısız zeminin 11 DÇ çevrimin sonundaki %74'lük mukavemet kaybını %15'e indirdiği, %38'lik oturma miktarını ise %21'e indirerek en iyi iyileşmeyi sağladığı tespit edilmiştir. Ayrıca, %10 mFDM'nin en olumsuz koşul olan 11 DÇ çevrimi sonunda katkısız zeminin boşluk hacmini %7,69'dan %2,59'a azalttığı, makro ve mikro-yapıda elde edilen sonuçların birbirini desteklediği tespit edilmiştir.
%10 mFDM katkı oranı ve 11 DÇ çevrim sayısı dikkate alınarak model deney numuneleri (30cm x 30cm) üzerinde yükleme deneyleri yapılmış, elde edilen veriler ile Plaxis2D yazılımında sayısal analiz modelleri kurulmuştur. Model deney ve sayısal analizler ile zeminin DÇ davranışının incelenmesi için yapılacak olan sayısal analizlerde kullanılacak girdi (rijitlik ve termal) parametreleri elde edilmiştir.

Abstract:
The behavior of soils located in cold climates and subjected to freezing and thawing more than once a year is among the important topics of geotechnical engineering. Structures located on these soils can be seriously damaged due to large soil deformations and strength losses that occur as a result of freezing and thawing cycles. In order to reduce these problems that may occur in buildings, the soils exposed to freeze-thaw cycles must be improved. Thus, after improvement, it should be ensured that the soil can maintain its performance throughout freeze-thaw cycles.
In this thesis study, a high plasticity clay silt (MH) soil with high freezing sensitivity and kaolin content (89%), to be used as road embankment, was treated with microencapsulated phase change materials (mPCM) (5%, 8%, 10%, %12), the core material of which is paraffin-tetradecane was experimentally investigated in different freeze-thaw (FT) cycles (0, 1, 3, 5, 7, 9, 11). In this context, permeability and mechanical properties were examined with laboratory experiments (one-dimensional oedometer, unconfined compression, falling head permeability). Behavioral changes were determined based on comparisons made with the condition of the soil before improvement.
Laboratory experiments have shown that mFDM affects the macro (mechanical) and micro (void structure) behavior of the soil, that there is a significant relationship between the mFDM rate and the number of FT cycles, and that the mFDM contribution reduces the unconfined compressive strength (qu) and increases settlement (H) of the soil. However, it has been determined that the soil can keep its strength and settlement constant without changing in increasing FT cycles. It was determined that the increase in the mFDM additive rate increased the strength of the soil and reduced settlement. In particular, it was determined that 10% mFDM reduced the 74% strength loss of the pure soil at the end of 11 FT cycles to 15%, and provided the best improvement by reducing the settlement amount of 38% to 21%. In addition, it was determined that 10% mFDM reduced the void volume of the pure soil from 7.69% to 2.59% at the end of 11 FT cycles, which is the most unfavorable condition, and the results obtained in macro and microstructure support each other.
Loading experiments were carried out on model test samples (30cm x 30cm), taking into account the 10% mFDM rate and the number of 11 FT cycles, and numerical analysis models were established in Plaxis2D software with the obtained data. Input (stiffness and thermal) parameters to be used in the numerical analyzes to be carried out to examine the FT behavior of the soil were obtained through model experiments and numerical analyses.