Çimento ile stabilize edilen zeminlerin mikromekanik ve kohesif kırılma özelliklerinin araştırılması
Investigation of micromechanical and cohesive fracture properties of cement stabilized soils
Yazar: MERVE KARTAL
Danışman: PROF. DR. NAZİFE DOĞAN
İzmir Demokrasi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışmada, iyi derecelenmiş çakıl-kum-kil karışımı (GSC) ve kumlu kil 
(SC) numuneleri, %2 ve %10 oranlarında yüksek fırın cüruflu çimento ile stabilize 
edildi ve bu numunelerin kırılma tokluğu ve kohesif kırılma özellikleri incelendi. 
Statik ve döngüsel yükleme testleri için yarım daire biçimli eğilme (SCB) numune 
geometrisi kullanıldı. Kırılma testleri ve doğrusal olmayan kohesif kırılma bölgesi 
modelleme sonuçları, %10 çimento (GSC10C) ile stabilize edilen GSC numunelerinin, 
%10 (SC10C) ve %2 çimento (SC2C) ile stabilize edilen SC numunelerine göre daha 
yüksek kırılma direnci olduğu belirlendi. 0° eğimli çatlak içeren ve %2 ile %10 
çimento oranlarıyla stabilize edilen GSC ve SC numuneleri arasında statik ve döngüsel 
yükleme altında kırılma tokluğu açısından önemli bir azalma görülmektedir. 30° 
eğimli çatlak içeren GSC ve SC numuneleri arasında ise statik yükleme altında kırılma 
tokluğu değerleri arasında önemli bir azalma görülmekteyken, döngüsel yükleme 
altında anlamlı bir fark görülmemektedir. 0° eğimli çatlak içeren ve döngüsel yükleme 
altında test edilen %2 ve %10 çimento ile stabilize edilen GCS ve SC numunelerinin 
kırılma tokluğu değerlerinde statik testlerle elde edilen değerlere göre %24'e varan 
önemli bir azalma olduğu tespit edildi. 30° eğimli çatlak içeren ve döngüsel yükleme 
altında test edilen %2 ve %10 çimento ile stabilize edilen GCS ve SC numunelerinin 
kırılma tokluğu değerlerinde statik testlerle elde edilen değerlere göre %32'ye varan 
önemli bir azalma olduğu tespit edildi.
Deneylerle elde edilen yük-CMO (çatlak ağzı açıklığı) grafikleri ve nihai 
kırılma öncesi yüksek plastik deformasyon bölgesi, çatlağın önünde bir kırılma 
bölgesinin (FPZ) oluştuğunu ve bunun stabil kohesif çatlak ilerlemesi ve nihai kırılma 
gerçekleşmeden önce kohesif çatlaklanma deformasyonu ile takip edildiğini 
göstermektedir. Doğrusal olmayan sayısal analiz sonuçları, stabil olmayan kohesif 
çatlak başlangıcının, başlangıçtaki çentik çatlağı (a0) ile nihai çentik çatlağı (a1) 
arasında meydana geldiğini gösterdi. Bu tür malzeme içerisinde çatlak oluşumu 
deneysel çalışmalarda gözlenmesi çok zor olduğundan sayısal analizler bu noktada 
oldukça yardımcı olmaktadır. Bu analizler sonucunda minimum kritik çatlak 
uzunluğunun SC2C numunesinde 17 mm olduğu ve en uzun kohesif çatlak 
uzunluğunun GSC10C numunelerinde çentik çatlağının önünde 26 mm olduğu 
bulundu. Bu sonuç en yüksek kırılma tokluğu değerinin elde edildiği GSC10C 
numuneleri ile elde edilmesini de açıklamaktadır. 
X
Çimento ile zemin stabilizasyonunun temel amacı genellikle ulaşım yapıları, 
su depolama yapıları, bina temelleri, katı atık depolama tesisleri vb. için zeminlerin 
mekanik özelliklerinde çevre ve hem statik hem de tekrarlı yükleme koşulları 
açısından gerekli iyileştirmeyi sağlamaktır. Çimento ile stabilize edilmiş zeminler 
heterojen ve kompozit bir malzeme davranışı göstermektedir. Bu durum, bu tür yapı 
malzemelerinin parametrelerinin projelerde yapılan deneysel çalışmalarda sadece 
basınç dayanımı açısından değerlendirilmeyeceğini, çekme, kesme dayanımı ve tokluk 
gibi basınç dayanımı kadar etkili olan diğer parametrelerin de dikkate alınması 
gerektiğini doğrulamaktadır. Bitümlü malzemelerde geliştirilmiş ve kabul edilmiş 
uluslararası ASTM gibi standartların var olması göz önüne alındığında benzer 
standartların çimento ile stabilize edilmiş zemin deneyleri içinde geliştirilmesi 
gerektiğini elzem kılmaktadır. Bu noktada kırılma mekaniği prensipleri ve 
deneylerinin ülkemizde de bu alanda kullanılması gerektiği bu çalışma ile 
gösterilmiştir. Sonuç olarak bu araştırmada elde edilen sonuçların çimento ile stabilize 
edilmiş mühendislik yapılarının inşasında faydalı olacağına inanılmaktadır.

Abstract:
In this study, well-graded gravel-sand-clay mixture (GSC) and sandy clay (SC) 
specimens were stabilized with blast furnace slag cement at 2% and 10% and their 
fracture toughness and cohesive fracture properties were investigated. Semicircular 
bending flexure (SCB) specimen geometry was used for static and cyclic loading tests. 
Fracture tests and nonlinear cohesive fracture zone modeling results showed that GSC 
specimens stabilized with 10% cement (GSC10C) had higher fracture resistance than 
SC specimens stabilized with 10% (SC10C) and 2% cement (SC2C).
The load-CMO (crack mouth opening) plots obtained from the experiments and 
the high plastic deformation zone before ultimate fracture indicate that a fracture zone 
(FPZ) is formed in front of the crack, which is followed by stable cohesive crack 
propagation and cracking deformation of the cohesive parting surfaces before ultimate 
fracture occurs. The results of the nonlinear numerical analysis showed that unstable 
cohesive crack initiation occurs between the initial chevron notch crack (a0) and the 
ultimate chevron notch crack (a1). Since crack initiation in this type of material is very 
difficult to observe in experimental studies, numerical analysis is very helpful at this 
point. As a result of these analyses, it was found that the minimum critical crack length 
M was 17 mm in SC2C specimen and the longest cohesive crack length was 26 mm in 
front of the chevron notch crack in GSC10C specimens. This result also explains the 
highest fracture toughness value obtained with GSC10C specimens.
The main purpose of soil stabilization with cement is to improve the 
mechanical properties of soils for transportation structures, water storage structures, 
building foundations, solid waste storage facilities, etc. in terms of the environment 
XII
and both static and repeated loading conditions. Cement stabilized soils show a 
heterogeneous and composite material behavior. This confirms that the parameters of 
such building materials should not only be evaluated in terms of compressive strength, 
but also other parameters such as tensile strength, shear strength and toughness, which 
are as effective as compressive strength, should be taken into account in experimental 
studies carried out in projects. Considering the existence of international standards 
such as ASTM, which have been developed and accepted for bituminous materials, it 
is essential that similar standards should be developed for cement stabilized soil tests. 
At this point, it has been shown in this study that the principles and experiments of 
fracture mechanics should be used in this field in our country. In conclusion, it is 
believed that the results obtained in this study will be useful in the construction of 
cement stabilized engineering structures.