Donma-çözülme çevrimlerinin uçucu kül ve kireç katkılı killerin gerilme-şekil değiştirme davranışına etkisi
Effect of freeze-thaw cycles on the stress-strain behaviour of clays treated with fly ash and lime
Yazar: KAAN ÇİFTLİKLİOĞLU
Danışman: PROF. DR. AYKUT ŞENOL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Donma-çözülme = Freezing-thawing ; Kireç stabilizasyonu = Lime stabilization ; Uçucu kül = Fly ash ; Zemin iyileştirme = Soil improvement

Özet:
Dünyada ve ülkemizde nüfüs yoğunluğunun artması ile birlikte yapılaşmada, zayıf taşıma gücüne sahip problemli zeminlerin de değerlendirilmesi söz konusu olmuştur. Şişme ve çökme potansiyeline sahip problemli zeminlerin katkı maddeleri ile geoteknik özelliklerinin iyileştirilerek inşaata elverişli duruma getirilmesi uzun zamandır araştırılan bir konu olmasına rağmen iklim koşullarının da taşıyıcı zeminin özelliklerini olumsuz yönde etkilediği ve bu bölgelerde özellikle yol dolgularının inşaat projelendirmeleri yapılırken tasarım yüklerinin arttırılabilmesi için de zemin iyileştirme çalışmalarına ihtiyaç duyulabileceği göz önünde bulundurulmalıdır. Yeryüzünün önemli bir kısmı soğuk iklim kuşağında yer almakta ve bu bölgelerde bulunan zeminler senede birkaç defa donma-çözülmeye maruz kalmaktadırlar. Donma-çözülmeye maruz kalan zeminlerin permeabilite, boşluk oranı, porozite, kıvam limitleri gibi fiziksel özellikleri ile konsolidasyon katsayısı, şişme potansiyelleri ve taşıma gücü gibi mekanik özellikleri de olumsuz etkilenebilmektedir. Bu koşullar oluştuğunda geoteknik özelliklerinin iyileştirilmesi için katkı maddelerinin kullanılması araştırılarak değerlendirilmelidir. Yüksek lisans tez kapsamında, kireç ve uçucu kül katkıları ile stabilize edilmiş yüksek plastisiteli killerin (CH1 ve CH2) donma-çözülme sonrasındaki gerilme-şekil değiştirme davranışı incelenmekmiştir. Bu amaçla, iki farklı katkısız yüksek plastisiteli kil ve %3-%6 oranında kireç ile %8-%12 oranında uçucu kül katkılı karışımları için elek, hidrometre, kıvam limiti gibi endeks deneyleri yapılmış ve katkı malzemelerinin ilk olarak donma-çözülme öncesi kıvam limitlerine etkisi araştırılmıştır. Ardından Harvard minyatür kompaksiyon aletinde optimum su muhtevasında numuneler hazırlanmış ve kür süresi sonunda hazırlanan bu numuneler üzerinde 7 adet donma-çözülme çevrimi uygulanmıştır. 0, 1, 3, 5, 7, 10 ve 20 çevrim sonunda tüm numuneler üzerinde serbest basınç deneyleri yapılmış ve donma-çözülmeye maruz kalan katkısız ve katkılı numunelerin serbest basınç dayanımları ve gerilme-şekil değiştirme davranışı incelenmiştir. CH1 numuneleri için genel olarak iki katkı malzemesi kullanıldığında aglomerasyon sonucunda beklenildiği üzere likit limitleri azalmış, plastik limitleri artmış ve plastisite indisleri azalmıştır. Tüm katkılı karışımlarda katkı oranları arttıkça genel olarak optimum su muhtevasının arttığı ve kuru birim hacim ağırlıklarının azaldığı gözlenmiştir. 7 günlük kür sonunda CH1 kilinde kireç oranı %6' ya çıkarıldığında yalın numunelere göre mukavemet artışı %188 olurken, uçucu kül katkısında nihai mukavemetler kirece göre düşük kalarak toplamda 1,28 katına çıkmıştır. Yalın ve iki katkı malzemesini içeren numuneler üstünde yapılan donma çözülme deneyleri sonucu tüm numunelerde birinci donma-çözülme çevrimi ile birlikte büyük bir mukavemet kaybı yaşanmıştır. Donma-çözülme çevrim sayısı arttıkça numunelerinserbest basınç dayanımındaki düşüşler azalarak devam etmiş ve 10. çevrimden itibaren sabitlenme eğilimi göstermişlerdir. Kireç ve uçucu kül katkılı numuneler üzerinde serbest basınç deneyleri gerçekleştirildiğinde puzolanik reaksiyonlar sonucu çimentolaşma nedeniyle zemin gevrekleşerek elastisite modülünde artışlar gerçekleşmiş, artan donma-çözülme çevrimleriyle birlikte boşluk oranlarındaki artışlar nedeniyle numunelerde sünekleşme ve elastisite modülünde azalmalar meydana gelmiştir. Hem yalın hem de katkı malzemeli numuneler için donma-çözülme çevrimlerinin elastisite modülleri ile olan ilişkisi incelenmiş ve çeşitli korelasyonlar çıkartılmıştır. CH2 numuneleri için de aynı deneyler tekrarlanmıştır. Katkı oranları arttıkça likit limitler azalmış, plastik limitler artmış, plastisite indisleri ise azalmıştır. CH1 kilinde olduğu gibi iki farklı katkı malzemesi için katkı oranlarının artmasıyla optimum su muhtevası artmış, kuru birim hacim ağırlıkları azalmıştır. CH2 kili için hazırlanan katkılı ve katkısız numuneler üzerinde serbest basınç deneyleri gerçekleştirildiğinde yalın numuneler için 500 kN/m2 olan değer, kireç ve uçucu kül katkısı ilave edildiğinde ortalama %15 artış göstermiştir. Donma-çözülme deneyleri katkısız ve katkılı CH2 numunelerinin tümünde gerçekleştirilmiştir. Tüm numunelerde CH1 kilinde olduğu gibi birinci çevrimde serbest basınç mukavemetinde hızlı bir düşüş yaşandıktan sonra, artan çevrimlerle birlikte mukavemetteki kayıpların azalarak 10.çevrimden itibaren durduğu gözlenmiştir. Donma-çözülme deneyleri öncesi oldukça gevrek davranış gösteren CH2 kilinde kireç katkısı ile birlikte birim kısalmalar %1,25 mertebelerine düşmüş, elastisite modüllerinde artış gözlenmiştir. Birinci çevrimle beraber aşırı gevrek numunelerde %50 civarında mukavemet kayıpları gözlenmiştir. Donma-çözülme çevrimleri ile birlikte katkı malzemeli numunelerde, daneler arasında oluşan çimento bağlarının kırılması sonucu numune gevrek davranışını yitirerek sünek bir hale gelmiş bu da elastisite modüllerinin artan donma-çözülme çevrimleri ile azalmasına neden olmuş ve boşluk oranlarının rezidüel değere ulaşmasıyla sabit hale gelmiştir. Sonuç olarak, kireç ve uçucu külün zeminin mekanik özelliklerini iyileştirdiği fakat, artan donma-çözülme çevrimleriyle beraber yüksek plastisiteli killer ve katkı ile iyileştirilmiş durumdaki numunelerin boşluk oranlarının artarak bu boşluklara zemin danelerinin düzensiz yerleşmesi sonucu segregasyon oluşmasıyla serbest basınç mukavemetinin azaldığı, mukavemet kayıplarının ilk çevrimden sonra azalarak boşluk oranının rezidüel değere ulaşmasıyla 10. çevrim itibari ile sabit hale geldiği görülmüştür. Genel olarak, donma-çözülme çevrimleri sonrasında kireç ve uçucu kül katkılı numunelerin serbest basınç dayanımları incelendiğinde, donma-çözülme çevrimlerinin olumsuz etkilerini tamamen durdurmamakla birlikte yavaşlattığı ve serbest basınç dayanımlarının yalın numunelerin dayanımlarından yüksek geldiği görülmüştür. Tüm numuneler için donma-çözülme çevrimleri sonrası gerilme-şekil değiştirme davranışı incelenmiş ve elastisite modülleri ile donma-çözülme çevrimleri arasındaki ilişki korelasyonlar oluşturularak ortaya konulmuştur. Son olarak özetlenecek olursa, kireç ve uçucu kül katkılarının donma-çözülme çevrimlerinin olumsuz etkilerini yavaşlatmasından ve çevrimler boyunca puzolanik reaksiyonların devam etmesinden dolayı soğuk iklim bölgelerinde yer alan zeminler için katkı malzemesi olarak kullanılabileceğini göstermiştir.

Abstract:
With the increase in population density in the world and in our country, problematic soils with weak soil parameters must have been considered in construction. Although, soil stabilization techniques with additives to develop the geotechnical parameters of the problematic soils with swelling and collapse potential have been investigated for a long time, it should be considered that the climatic conditions negatively affect the characteristics of the soil and also need soil stabilizations in order to increase the design loads in the construction of the road embankments. An important part of the earth is located in the cold climate zone and the soils in these regions are exposed to freeze-thaw cycles for several times in a year. The soil must be frost-sensitive to be affected by this phenomenon, and sensitivity can be determined by methods developed depending on the soil characteristics such as the frost heave, grain size distribution, mineralogy, consistency, clay content, capillary and permeability. During the freezing phenomenon, the water in the soil migrates the frozen area from the frost-free zone through to the capillary voids. Water is known to expand by 9% by volume during freezing. The water which is migrated into this area, freezes by forming ice lenses and increases the void ratio of the soil due to the volumetric increase and causes deformations. This freeze and thawing behavior in cold climatic zones will adversely affect the physical and mechanical properties of the soil. Permeability, void ratio, porosity, Atterberg consistency limits etc. are the physical properties can be affected by freeze and thaw. Therefore, considering the repetitive freeze-thaw behavior, the improvement of frost-sensitive soils is a must. The aim of this thesis is to investigate the strength behavior of high plasticity clays with no additive and stabilized by chemical additives. In order to achieve this aim, geotechnical parameters of the high plasticity clays with different index properties were treated with lime and fly ash, followed by freeze-thaw experiments on these samples and then unconfined compression tests were performed to examine the losses on the strength of the soil specimens. For this purpose, after obtaining the index tests on two clays with high plasticity with different index characteristics, samples containing 8%-12% fly ash and 3%-6% lime for the two clay types in order to ensure the standard and harvard miniature proctor compaction parameters. Freeze-thaw tests were carried out on these samples prepared as 7 cycles. After these experiments, the unconfined compression strengths of the samples were measured. As a result, it was aimed to observe the effect of the increasing freeze-thaw cycles on the natural and chemically stabilized soils and the effects of the physical properties of the soil. After a brief introduction, in the second part of the thesis study, problematic soil and its features have been mentioned in order to set ground for soil improvement methods. In this section, literature studies on the disadvantages of expansive and collapsible soils in terms of civil engineering, engineering parameters that need to be controlled, etc. In the third chapter, soil improvement methods are introduced and, a wide literature study about alternative methods and soil improvement methods by using additives such as lime and fly ash will be presented which is the part of the experimental study. In the fourth chapter, a literature search has been made about the freezing and thawing on the ground. After the freeze-thaw cycles, the physical and mechanical parameters of the soil are affected and these issues are mentioned with reference to previous studies. In the fifth chapter, studies on the index properties of the materials used in the experiments, methods of preparation of the specimens, freeze-thaw experiments and the effects of such kind of climate changes on the strength parameters were examined. Firstly, after the sieve and hydrometer analysis, Atterberg consistency limit tests were made for bentonite (CH1) clay and for the mixtures contain 3% - 6% lime and 8% - 12% fly ash. The liquid limit, wL = 185%, plastic limit, wp = 40%, plasticity index, IP = 145% as a result of the consistency limits of CH1 clay. It is observed that by increasing the additive materials, liquid limit decreases, plastic limit increases and plasticity index increases as well. After the consistency limit experiments, the standard proctor test for CH1 clay was performed and the maximum dry unit weight and optimum water content of the soil were determined. Since the harvard miniature compaction device will be used throughout the thesis study, the harvard miniature compaction apparatus is calibrated in order to obtain the results according to the standard proctor parameters. As a result of the calibration, 3 layers, 20 cm drop height and 21 blows parameters were obtained for this instrument. Then, maximum dry unit weight and optimum water content of CH1 clay with lime and fly ash added mixtures were determined in harvard miniature compaction apparatus. According to standard proctor compaction test, optimum water content is 35% and the maximum dry unit weight of natural bentonite is 11,90 kN/m3. Optimum water content of bentonite according to harvard miniature compaction test is %35 and maximum dry unit weight is 12,10 kN/m3. Optimum water content and maximum dry unit weight of 3% and 6% lime stabilized clays are respectively 37% and 11,70 kN/m3, 40% and 11,50 kN/m3. The compaction parameters of 8% and 12% fly ash stabilized clays are respectively %35 and 12,10 kN/m3, 35% and 12,40 kN/m3. After the identification of compaction parameters for all mixtures, specimens were prepared at the optimum water content which are determined from compaction tests and they are sealed with plastic to keep moisture content constant. The specimens which have additive materials are kept in moisture room for 7 days for curing. Right after the curing time is finished, unconfined compression tests are applied for all specimens to determine reference compression strength. Unconfined compression strength of CH1 clay which have 3% lime content was increased from 383 kN/m2 to 708 kN/m2 after 7 days of curing, and 6% lime additive increased strength to 1103 kN/m2. 8% fly ash content at the end of curing increases the unconfined compression strength of natural clay to 465 kN/m2, and 12% fly ash increased to 490 kN/m2. Then, freeze and thaw experiments are conducted. After freezing for 24 hours in a freezer with a constant temperature of -24ºC, specimens were removed from the freezer and thawed in moisture room under constant humidity conditions at room temperature for 24 hours. 24 hours of freeze and 24 hours of thawing process correspond to the 1 freeze-thaw cycle. Then, unconfined compression tests were carried out in different freeze-thaw cycles (0-1-3-5-7-10-20). When the strength behavior of CH1 clay and the stabilized specimens after 7 freeze-thaw cycles was compared, the fastest loss of strength was observed at the end of the first freeze-thaw cycle in natural samples and in the samples with additive materials. The most important reason for this is the increasing volume of water in the voids along with the freezing of the sample in the first cycle, and the segregation due to the irregular arrangement of the soil particles in these voids. At the end of the first cycle for the untreated CH1 clay, the unconfined compression strength decreased from 383 kN/m2 to 271 kN/m2 with a loss of strength of about 30%. For all specimens, after the first freeze-thaw cycle to the 10th freeze-thaw cycle, the decreament in the unconfined compression strengths for all the samples is slowed down and the strength values tend to be fixed from the 10th cycle to the 20th cycle. The effect of freeze-thaw cycles investigated on the stress-strain behavour of all specimens and some correlations made between young modulus and freeze-thaw cycles. Secondly, all of these experiments were conducted for another high plasticity clay which is called CH2. First of all consistency limit tests were done for natural CH2 clay and its mixtures with additive materials. After the experiment, liquid limit, wL = 75%, plastic limit, wp = 22%, plasticity index, IP = 53% for unstabilized soil. It is observed that by increasing the additive materials, liquid limit decreases, plastic limit increases and plasticity index increases as well. According to Harvard miniature compaction test, wopt is equal to 20% and maximum dry unit weight is 15,72 kN/m3. Unconfined compression strength of natural soil specimen is 500 kN/m2. After the 7 days curing time unconfined compression strength for the specimens which are prepared with 3% and 6% lime content are respectively 610 and 627 kN/m2. The strength gain at fly ash stabilized soils are lower than lime-stabilized soils. For 8% and 12% fly ash content, strengths are respectively, 567 and 581 kN/m2. After freezing and thawing were performed on natural CH2 clay specimens, the same behaviour with CH1 clay were observed. At the end of the first cycle in the natural sample, the unconfined compression stregth decreased from 500 kN/m2 to 347 kN/m2 with a loss of strength of about 31%. However, for the first cycle specimens which stabilized with lime showed a dramatic decrease of strength. That is because, the natural CH2 clay without any free-thaw cycles is already shows a brittle failure. The lime additive increases the brittleness on this type of soil and reduces the strains to 1,25%. After the first freeze-thaw cycle lime-stabilized CH2 clays show about 50% strength losses. However, since fly ash-stabilized soil specimens did not show such brittle behaviour and strength increase, they exhibited freeze-thaw behaviour in parallel with natural clay samples. As a result, lime and fly ash additives improve the mechanical properties of soil. However, for natural high plasticity clays and their stabilized specimens subjected to freeze-thaw cycles tend to lose strength due to increasing the void ratio of soil. By increasing void ratio, soil fabric changes and it causes irregular placement of soil particle which is called segregation. It was observed that the strength losses decreased after the first cycle, and became stable by the 10th cycle when the void ratio reached to its residual value. In general, unconfined compression strength of stabilized soils after freeze-thaw cycles showed higher values than natural soil samples. It can be said that, lime and fly ash additives can be used as a stabilizer for soils which has weak geotechnical parameters in cold regions.