Uçucu kül katkısının kohezyonlu zeminlerin mühendislik özelliklerine etkisi
Influence of fly ash on engineering properties of cohesive soils
Yazar: İSMAİL TOSUN
Danışman: DOÇ. DR. ABDÜLHAKİM ZEYBEK
Muş Alparslan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Enerji ve Enerji Sistemleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering

Özet:
Sanayileşme, kentleşme ve teknolojik gelişmelere bağlı olarak enerjiye duyulan ihtiyaç sürekli artmakta ve artan enerji talebini karşılamada termik santraller önemli bir yer tutmaktadır. Termik santrallerde linyit ve taş kömürünün yakılması sonucu her yıl büyük miktarda uçucu kül atığı ortaya çıkmaktadır. Genellikle santral dışında depolanan ve ciddi çevresel ve ekonomik problemlere neden olan uçucu kül atığının değerlendirilmesi büyük önem arz etmektedir. Uçucu küllerin kohezyonlu zeminlerin stabilizasyonunda kullanılması artan çevresel problemlere karşı ekonomik ve sürdürülebilir çözümler sunmaktadır. Uçucu kül, kendi kendine sertleşme ve çimentolaşma özelliği olmayan, ancak sulu bir ortamda kalsiyum oksit gibi bileşiklerin ortamda bulunması ile puzolanik etkisi önemli ölçüde artan bir malzemedir. Literatürde, uçucu küllerin puzolanik reaksiyonunu hızlandırmak ve çimentolaşma özelliğini artırmak için sıklıkla sönmüş kalsiyum kireci kullanılmaktadır. Bu tez kapsamında, uçucu kül ile birlikte sönmüş kalsiyum kireci yerine mermer tozu atığı kullanılmıştır. Çalışmalarda kullanılan F sınıfı uçucu kül Seyitömer termik santralinden elde edilmiştir. Uçucu kül ve mermer tozu atığı %3, %6, %9 ve %12 oranlarında zemine (kaolin kili) katılarak yalnız zemin, zemin + uçucu kül ve zemin + uçucu kül + mermer tozu karışımları oluşturulmuştur. Uçucu kül ve mermer tozu atıklarının kohezyonlu zeminlerin fiziksel özellikleri ve mekanik davranışı üzerindeki etkilerini belirlemek için, hazırlanan karışımlar üzerinde kıvam limit, serbest şişme, lineer büzülme, kompaksiyon (proktor), serbest basınç, kesme kutusu, düşen koni ve Kaliforniya Taşıma Oranı (CBR) gibi kapsamlı laboratuvar testleri gerçekleştirilmiştir. Kür süresi etkisini incelemek için, belirli sayıdaki karışımlar 7 ve 28 gün boyunca kür edilmiş ve sonrasında serbest basınç deneyine tabi tutulmuştur. Deney sonuçlarının ayrıntılı değerlendirilmesi sonucu, uçucu kül içeriğinin artması ile kaolin kilinin likit limit, plastisite indeksi, şişme ve büzülme potansiyeli değerlerinin düştüğü görülmüştür. Uçucu kül ve atık mermer tozunun birlikte kullanılması sonucunda bu azalmanın çok daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Zemin-uçucu kül-mermer tozu atığı karışımının, zemin-uçucu kül karışımına kıyasla daha yüksek maksimum kuru birim hacim ağırlığı ve daha düşük optimum su muhtevası değerlerine sahip olduğu tespit edilmiştir. Bunun yanında, kaolin kiline uçucu kül ile birlikte mermer tozu atığının katılması ve elde edilen karışımın belirli bir süre kür edilmesi sonucunda zeminin serbest basınç dayanımında önemli artışlar görülmüştür. Benzer şekilde, kaolin kilinin drenajsız kayma mukavemetinin uçucu kül ve uçucu kül-mermer tozu atığı içeriğinin artması ile önemli ölçüde arttığı gözlemlenmiştir. Direkt kesme kutusu deneyinden elde edilen sonuçlar, saf katkısız zeminle kıyaslandığında kohezyon ve içsel sürtünme açısı değerlerin uçucu kül ve uçucu kül-mermer tozu atığı içeriğiyle arttığını göstermiştir. Kaolin kilinin CBR değeri %6 uçucu kül içeriği ile %16,86'dan %24,46'ya, %6 uçucu kül ve uçucu kül-mermer tozu atığı karışımı ile bu değerin %31,20'ye yükseldiği tespit edilmiştir. Bu tez çalışması ile, uçucu kül atığının özellikle mermer tozu gibi farklı endüstriyel atıklar ile birlikte kullanılmasının problemli zeminlerin ıslahında oldukça iyi sonuçlar ortaya koyacağı vurgulanmıştır. Uçucu kül ve atık mermer tozunun ile birlikte kullanılması sonucunda kaolin kilinin fiziksel ve mekanik özelliklerinde görülen pozitif değişimlerin zemin ve uçucu kül karışımına göre çok daha fazla olacağı sonucuna varılmıştır.

Abstract:
The need for energy constantly increases due to industrialization, urbanization, and technological developments. Thermal power plants play an important role in fulfilling such energy demand. A significant amount of coal fly ash is generated every year as lignite and anthracite coal are burnt in thermal power plants, called the coal combustion process. The fly ash is usually stored outside the power plants, causing serious environmental and economic problems. Hence, the dismissal and reuse of fly ash are of great importance. The use of fly ash in the stabilization of cohesive soils offers economical and sustainable solutions to increasing environmental problems. Fly ash does not have self-hardening and cementation properties; however, its pozzolanic effect increases significantly in the presence of compounds such as calcium oxide in an aqueous environment. In the literature, hydrated lime is often used to accelerate the pozzolanic reaction of fly ash and increase its cementation ability. In this study, instead of hydrated lime, marble powder waste was used along with Class F fly ash, obtained from the Seyitömer thermal power plant. Fly ash and marble dust waste were added to the soil (kaolin clay) at the proportions of 3%, 6%, 9%, and 12% to form soil only, soil + fly ash and soil + fly ash + marble powder mixtures. Comprehensive laboratory experiments, including consistency limit, free swelling, linear shrinkage, compaction, unconfined compression, direct shear box, falling cone, and California Bearing Ratio (CBR), were conducted on the prepared mixtures to elucidate the effects of fly ash and marble dust wastes on the physical properties and mechanical behavior of cohesive soils. Some mixtures were cured for 7 and 28 days and then subjected to unconfined compression tests to examine the effect of curing time. The detailed analysis of the experimental results showed that the liquid limit, plasticity index, swelling, and shrinkage potential of kaolin clay decreased with the increase in fly ash content. The observed reduction in these values was much higher when fly ash was used along with waste marble dust. The soil-fly ash-marble dust waste mixtures had a higher maximum dry unit volume weight and lower optimum water content values compared to the soil-fly ash mixtures. In addition, the unconfined compressive strength of the soil specimens appeared to increase significantly as marble dust waste and fly ash were added together to kaolin clay and cured for a certain period. Similarly, the undrained shear strength of kaolin clay was found to increase significantly with the increase of fly ash and fly ash-marble powder waste content. The direct shear box test results indicated that the cohesion and internal friction angle values of the soil mixtures increased with increasing fly ash and fly ash-marble powder waste content, and the mixtures had higher cohesion and internal friction angle values compared to the pure soil specimens. The CBR value of kaolin clay increased from 16.86% to 24.46% with 6% fly ash content, and this value increased to 31.20% with 6% fly ash-marble powder waste mixture. The findings presented in this study emphasize that the use of fly ash together with different industrial wastes, especially marble dust, will produce very promising results in the stabilization of problematic soils. The positive changes in the physical and mechanical properties of kaolin clay are expected to be more apparent in the case of soil-fly ash-waste marble dust mixtures as compared to soil-fly ash mixtures.