Şişen zeminlerin kimyasal yöntemlerle stabilizasyonu
Chemical stabilization of expansive soils
Yazar: SANAN GARAISAYEV
Danışman: YRD. DOÇ. DR. İLKNUR BOZBEY
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Şişen zeminlerde, su muhtevalarında artış ile birlikte hacim artışı meydana gelmektedir. Amerika Birleşik Devletlerinde şişen zeminlerden dolayı yılda 2-3 milyar dolar civarında zarar meydana geldiği ve bu zararın sel, kasırga, fırtına ve deprem gibi zararlardan yaklaşık iki kat daha fazla olduğu tespit edilmiştir. Türkiye'de de şişen zeminlerle ilgili problemler görülmektedir. Şişen zeminlerin iyileştirilmesi için en çok kullanılan yöntemlerden birisi kimyasal stabilizasyondur. Şişen kile uygun oranlarda ilave edilen kireç, çimento, uçucu kül vb.. gibi kimyasallar ile şişme basınçlarında düşüş olmakta, uzun dönemde de mukavemet artışı sağlanmaktadır.Bu tez kapsamında şişme potansiyeli yüksek olan bir kilin sönmüş kireç ile stabilizasyonu incelenmiştir. Bu amaçla, İstanbul-Esenyurt'tan alınan ve şişme özelliği olan bir zemin üzerinde çalışılmıştır. Bu kilin farklı miktarlarda kireç ile stabilize edilmesi durumunda çeşitli geoteknik özelliklerinde meydana gelecek olan değişiklikler incelenmiştir. Arazide kilin yeterince ufalanmamış olması, topaklar halinde iken kireç ile karıştırılması ve kompaksiyon öncesinde su ile ıslatılmaması/bekletilmemesi gibi faktörler laboratuvarda temsil edilerek numuneler hazırlanmıştır. Bu parametreleri kapsayacak şekilde hazırlanmış numunelerin mikro yapıları incelenmiştir. Bunun için elektron mikroskop ile ESEM deneyleri, kimyasal analiz deneyleri ve boşluk yapısının nasıl değiştiğini gösteren cıvalı porozimetre analizleri yapılmıştır.Kireç ilavesi ile şişen kilin kıvam limitlerinde değişiklikler meydana gelmiştir. Bunun sonucunda zemin sınıfı değişmiştir. Zeminin kompaksiyon özelliklerinde de değişiklikler olmuş, kireç kilin işlenebilirliğini artırmıştır. Yapılmış olan serbest basınç deneyleri sonucunda %3 kireç ilavesinin kısa dönem etkilerini oluşturmakla birlikte, uzun dönemde yeterince çimentolaşma oluşturamadığı ve serbest basınç değerlerinde önemli değişikliklere sebep olmadığı görülmüştür. %6 ve %9 oranında kireç ile hazırlanan numunelerde serbest basınç mukavemetinde önemli artışlar meydana gelmiştir. Tüm kireç ilaveleri için Elastisite Modülü değerlerinde ise önemli miktarda artış oluşmuştur.Tüm ufalama değerleri için önıslatma yapılmasının serbest basınç ve elastisite modülü değerleri üzerinde belirli bir etkisi görülmemiştir. Yüksek ufalama kalitesi ile hazırlanan numunelerde daha yüksek serbest basınç mukavemeti değerleri elde edilmiştir. Ancak yüksek kalitede ufalamanın etkisi en çok Elastisite Modülü değerlerinde ölçülmüştür. En düşük değerleri çok düşük kalitede ufalanmış zeminler ile hazırlanan numuneler vermiştir.Saf kil ile hazırlanan numunelerde şişme yüzdesi %19'lara kadar çıkmaktadır. Saf kil ile hazırlanmış numunelerde zemin aynı olsa bile çok farklı şişme yüzdeleri ile karşılaşılabileceği görülmektedir. Saf kil ile hazırlanmış numunelerde şişme basıncı değerleri 300-500 kPa arasında değişmiştir. Şişme basıncı ve şişme yüzdesi değerleri ile numune hazırlama şekli arasında belirli bir ilişki mevcut değildir. Numune hazırlama şekli akma gerilmesini değiştirmemektedir. %3, %6 ve %9 kireç ilavesi bile şişme potansiyelini yok etmektedir. Akma gerilmesi aşıldıktan sonra oturma-gerilme ilişkisi saf kil ile hazırlanmış numuneler ile aynı olmaktadır. Bu da oluşmuş olan çimentolaşmanın kırıldığını ve yapının bozulduğunu göstermektedir.Boşluk yapısının cıvalı porozimetre deneyleri ile incelenmesi sonucunda, kireç ilavesi ile porozitenin arttığı görülmüştür. Tüm numunelerde porozitenin büyük bir kısmının partiküller içerisindeki poroziteden oluştuğu görülmektedir. Kür süresi boyunca öncelikle partiküller arasında kalan boşlukların kapandığı, porozitenin çoğunun partiküller içerisinde kalan muhtemelen daha geniş boşluklar olduğu düşünülmektedir. Kireç yüzdesi arttıkça, tüm boşluk çaplarına karşılık gelen hacim miktarı artmaktadır. Geniş bir dane çapı aralığında, çok düşük kalitede ufalanmış zemin ile hazırlanan numunelerin daha yüksek boşluk hacimlerine sahip olduğu görülmektedir. Hem çok küçük, hem de büyük boşluk çapı için bu durum geçerlidir. ESEM analizleri sonucunda, saf kil ile hazırlanan numunelere ait görüntülerde boşluksuz bir doku net olarak görülmektedir ESEM kimyasal analizleri çimentolaşma, karbonatlaşma ve ettringit oluşumunu göstermektedir.Tüm bu deneyler sonucunda bu çalışmada çalışılmış olan kilin kireç stabilizasyonu ile başarı ile iyileştirilebileceği görülmüştür. Elde edilecek iyileşme derecesi, kilin yeterince ufalanmış olması ile çok yakından ilgilidir. Arazide yapılacak imalatlarda, kilin mevcut topaklarının mümkün olduğu kadar küçültülmesi gerektiği görülmektedir.Aksi taktirde laboratuvarda ölçülmüş olan iyileştirme seviyelerine ulaşılamayacaktır.

Abstract:
Swelling soils exhibit increase in volume when they their water content increases. It has been reported that swelling soils cause damage totaling to an amount of 2-3 billion dollars, which is more than that caused by other catastrophes. Swelling solis cause problems also in Turkey. Chemical stabilization is one of the most frequently used methods used in stabilization of expansive soils. These chemicals are lime, cement, fly ash, etc. These chemicals decrease or eliminate swelling potential and increase strength in the long term.In this study, lime stabilization of an expansive soil is studied. The soil studied is a potentially high expansive potential soil form Istanbul-Esenyurt region. The samples were prepared taking into the field conditions where the soil may or may not be adequately pulverized, or prewetted or not prewetted. Effect of lime and field construction procedures on different geotechnical properties is investigated. The samples were also investigated in terms of microstructure. The investigations included ESEM analyses, mercury intrusion porosimetry analyses and chemical content analyses.Lime addition changed the Atterberg Limits of the studied soil and this changed the soil class. The workability of the soil also increased as a result of compaction characteristics. The experiments showed that, %3 lime stabilization revealed short terms reactions, but was not enough to provide enough pozzolanic reactions and therefore did not cause considerable changed in unconfined strength values. %6 and %9 lime addition increased the unconfined compression strength values in a considerable amount. All lime contents caused increases the Elasticity Modulus values.The effect of prewetting did not have a pronounced effect on unconfined strength and elasticity modulus values. High quality pulverization resulted in higher unconfined compression and Elasticity Modulus values. The lowest modulus values were obtained in samples which were prepared by very low quality pulverized soil.Unstabilized clay showed a very high swelling potential. Swelling pressures ranged between 300-500 kPa. There was no considerable relationship between samples preparation method and swelling values. %3, %6 and %9 lime eliminated the swelling potential and the swelling pressures. Pressures greater than the yield pressure for lime stabilized soils resulted in destruction of the cementation formed due to lime addition.Mercury intrusion porosimetry tests revealed that lime increased the porosity values. It is anticipated that, during curing, intraparticular pores are first to be filled with cementation. Increase in lime content caused increases in all volumes corresponding to different pore readius values. Soils prepared with very low quality pulverization resulted in higher volume values for a alrge range of pore radius values. ESEM analyses showed that lime additon changed the fabric from a continous one to a porous one. The analyses also revealed formation of new minerals in the stabilizaed samplesThe results of the study show that lime stabilization is an appropriate way of improving the studied soil. The level of improvement is closely related to the quality of pulverization. It is obvious that, in field applications, it is essential to obtain a high quality of pulverization. Otherwise, the laboratory obtained stabilization performances will not be achieved in the field.