Uçucu kül ve yüksek fırın cürufu esaslı geopolimer kullanılarak killi zeminlerin mekanik özeliklerinin araştırılması
Investigation of mechanical properties of clayey soils using fly ash and blast furnace slag based geopolymer
Yazar: ELNOUR AHMED ABDALLAH HAMED
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ATİLA DEMİRÖZ
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Son yıllarda hızlı nüfus artışı sebebiyle altyapı ve üstyapı projelerinde gözle görülür bir artış meydana gelmektedir. Killi zeminler, problemli zeminler olarak bilinir ve zayıf mühendislik özelliklerine sahiptir. Bu sebeple, altyapı ve inşaat sektöründeki büyümeye ayak uydurabilmek adına bu zayıf özelliklerin iyileştirilmesi gerekmektedir. Günümüzde en yaygın kullanılan zemin stabilizasyon yöntemlerinden biri, çeşitli katkı maddeleri ekleyerek zeminin özelliklerini iyileştirmektir. Zemin iyileştirmesinde kullanılan Portland çimentosu ve kireç olumsuz çevresel etkileri nedeniyle son yıllarda çevre dostu geopolimerlerle yer değiştirmektedir.
Bu tez çalışmasında, uçucu kül ve yüksek fırın cürufu esaslı geopolimerin, geopolimerizasyon yoluyla yüksek plastisiteli kil zeminlerin mekanik özellikleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla, Taguchi Yöntemi kullanılarak deneysel çalışmalar yapılmıştır. F sınıfı uçucu kül (%12, %16, %20 ve %24), yüksek fırın cürufu (%8, %10, %12 ve %14) ve Alkali hidroksit çözeltisi NaOH konsantrasyonları (6, 8, 10 ve 12) M değişken olduğu Taguchi L16 ortoganal dizini kullanılmıştır. Optimum su muhtevası ve maksimum yoğunluk değerlerinde hazırlanan geopolimer zemin numuneleri üzerinde 7 ve 28 günlük kür sürelerinde serbest basınç dayanımı (SBD) ve California taşıma oranı (CBR) deneyleri yapılmıştır. Ayrıca 28 gün kür süresi sonunda permeabilite deneyleri yapılmıştır. S/N ve varyans analizleri yapılarak değişkenlerin deney sonuçları üzerindeki etkileri belirlenmiştir.
Dayanım deneylerinde molarite, yüksek fırın cürufu ve uçucu kül içeriği arttıkça dayanımların arttığı görülmüştür. 7-28 günlük kür sürelerinin sonunda, serbest basınç deneylerinde en düşük dayanım ve en yüksek dayanım değerleri sırasıyla 3.32 MPa - 3.92MPa, 6.34 MPa - 7.96 MPa olarak bulunmuştur. Kür süresi arttıkça dayanım değerlerinde artış meydana gelmiştir. Dayanım üzerinde en etkili parametreler sırasıyla sodyum hidroksit (NaOH), yüksek fırın cürufu ve uçucu kül içeriği olarak belirlenmiştir. Permeabilite deney sonuçlarına göre geopolimer zeminin geçirgenliği ile katkı maddelerinin yüzdesi (UK ve YFC) ve sodyum hidroksit çözeltisi konsantrasyonu arasında ters bir ilişki olduğunu belirlenmiştir. Ayrıca oluşturulan geopolimer numunelerin mukavemeti arttıkça geçirgenlik azalmıştır. Geopolimer zemin numunelerin mikroyapısal analizi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve (ESD) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. SEM analizlerinde elde edilen görüntüler zeminin dayanımı ile ilişkilendirilmiştir. Bu sonuçlar, geopolimerlerin üretimini teşvik etmede ve bunların çimento yerine çevre dostu zemin stabilizasyonunda kullanımlarını teşvik etmede faydalıdır.

Abstract:
In recent years, there has been a noticeable increase in infrastructure and superstructure projects due to rapid population growth. Clayey soils are regarded as problematic soils because of their poor engineering characteristics. Therefore, in order to keep up with the growth of the infrastructure and construction sectors, these weak characteristics must be improved. One of the most widely used soil stabilization methods today is to improve the properties of the soil by adding various additives. Due to the negative environmental effects of Portland cement and lime used in soil improvement, they have been replaced in recent years by environmentally friendly geopolymers.
In this study, the effects of fly ash and blast furnace slag based geopolymer on the mechanical properties of high plasticity clay soils through geopolymerization were investigated. For this purpose, experimental studies were carried out using the Taguchi Method. The Taguchi L16 orthogonal array was used with various amounts of class F fly ash (12%, 16%, 20%, and 24%), blast furnace slag (8%, 10%, 12%, and 14%), and alkaline hydroxide solution NaOH molarity (6, 8, 10, and 12). Unconfined compressive strength (UCS) and California bearing ratio (CBR) tests were carried out on geopolymer soil samples prepared at optimum moisture content and maximum dry density after 7 and 28 days of curing. Additionally, permeability tests were performed after 28 days of curing. The effects of the variables on the experimental results were determined using S/N and variance analyses. In the strength tests, it was observed that the strengths increased as the molarity, blast furnace slag and fly ash content increased. At the end of the 7-28 days curing period, the lowest and highest strength values were found as 3.32 MPa - 3.92 MPa, 6.34 MPa - 7.96 MPa, respectively, in the unconfined compressive tests. As the curing time increased, the strength values increased. The most effective parameters on the strength were determined as sodium hydroxide (NaOH), blast furnace slag and fly ash content, respectively. According to the permeability test results, there is an inverse relationship between the permeability of the geopolymer soil and the percentage of additives (fly ash and blast furnace slag) as well as sodium hydroxide solution concentration. Furthermore, as the strength of the created geopolymer samples increased, the permeability decreased.
Microstructural analysis of geopolymer soil samples was carried out using scanning electron microscopy (SEM) and (EDS). These findings are useful in promoting the production of geopolymers and encouraging their use in soil stabilization as an environmentally friendly alternative to cement.