Biyopolimer katkılarının killi zeminlerin kompaksiyon, permeabilite ve kayma dayanımına etkisinin araştırılması
Compaction, permeability and direct shear tests for investigation of the biopolymer effect on the engineering behavior of clayey soils.
Yazar: BAŞAR TAYTAK
Danışman: DOÇ. DR. YELİZ YÜKSELEN AKSOY
Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Zemin iyileştirme tekniklerine geoteknik uygulamalarında sıklıkla ihtiyaç duyulmaktadır. Örnek olarak, atık sahası alanlarında geçirimsiz bariyerlerde kullanılan doğal zemin karışımları (bentonit-kum ve bentonit-zeolit) yüksek iyonik konsantrasyon, sıcaklık ve su seviyesindeki değişimlerle kendi fonksiyon ve performanslarını kaybederek hidrolik geçirgenlikleri artarken, mukavemet değerlerinde düşüş görülür. Bu nedenle alt tabakalar kirlenebilir ve ekonomik olarak maliyet artabilir. Zeminlerin iyileştirilmesi için birçok yöntem vardır, ancak bunların bazıları ile etkili bir iyileştirme sağlanamaz bazıları ise pratik amaçlar için çok pahalı olabilir. Bu konularda etkin bir çözüm olabilecek olan biyopolimer uygulamaları geoteknik mühendisliğinde diğer alanlar ile kıyaslanırsa nispeten daha az araştırılmıştır. Bu çalışmada endüstri uygulamalarında en çok kullanılan biyopolimerler olan zantan gam, kitosan ve kitin kullanılmıştır. Bu biyopolimerlerin farklı konsantrasyonları killi zemin numuneleri ile karıştırılarak, biyopolimerlerin kompaksiyon, permeablite ve kayma dayanımı üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlarla biyopolimerlerin zeminlerin mühendislik davranışları üzerindeki etkileri belirlenmiş ve biyopolimerlerin zemin iyileştirme yöntemlerinde kullanımı konusunda önerilerde bulunulmuştur.Bu çalışmada doğal kaolin, bentonit ve kum karışımlarının kompaksiyon, permeabilite ve kayma dayanımı davranışları üç farklı türde biyopolimer olan zantan gam, kitosan ve kitinin %0,25, % 0,5, %0,75, %1 konsantrasyonlarında incelenmiştir. Kullanılan biyopolimerler, %40 kum, %40 kaolin ve %20 bentonit karışımlarının kompaksiyon deneyi sonuçlarında kuru birim hacim ağırlığı arttırmıştır. Optimum su içeriğinde ise gözle görülür bir değişim görülmemiştir. %40 kum, %40 kaolin ve %20 bentonit üzerindeki %1' lik kitosan konsantrasyonuna bakıldığında ise maksimum kuru birim hacim ağırlıkta %2,7' lik bir artış görülmektedir. Kitosan ile zantan gamın aynı konsantrasyonlardaki maksimum kuru birim hacim ağırlıklarına etkisine bakıldığında elde edilen iyileştirmenin birbirine çok yakın olduğu görülmektedir. Zantan gamın %70 kum ve %30 kaolin kaolin karışımı üzerindeki permeabiliteye etkisine bakıldığında permeabilite katsayısında bir düşüş görülmektedir. %1 oranında zantan gam permeabilite katsayısında yaklaşık 30 kat değerinde azalmaya neden olmuştur. Zantan gamın zamana bağlı permeabiliteye etkisine bakıldığında etkinin zamanla azaldığı görülmektedir. Bunun nedeni biyopolimerin zamanla degredasyona uğramasıdır. Fakat üçüncü hafta sonuçlarına bakıldığında hala ilk haftaya göre permeabilitede azalmanın olduğu görülmektedir. Kitosanın permeabiliteye etkisine bakıldığında permeabiliteyi düşürdüğü gözlenmiştir. Genel olarak %0,25 konsantrasyonun permeablite uygulamalarında tüm biyopolimerler için optimum konsantrasyon olarak seçilebilir. Biyopolimerlerin kayma dayanımına etkisine bakıldığında içsel sürtünme açısında ve kohezyonda belirli bir artış görülmektedir. Zantan gamın ve kitosanın %1' lik konsantrasyonlarında yaklaşık %10-15 oranında kayma dayanımı parametrelerinde artış görülmektedir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlara göre biyopolimerlerin geçirimsiz kil bariyerlerde ihtiyaç duyulan baraj gövdelerinde ve çöp depolama alanları altındaki kil bariyerlerde kullanılabileceğini göstermiştir. Biyopolimerlerin zamanla degradasyona uğramaları nedeniyle uzun dönemli uygulamalarda degradasyon etkisinin araştırılması gerekmektedir.

Abstract:
The improvement techniques for soil engineering properties are needed in geotechnical applications. For example, the natural soil mixtures (bentonite-sand and bentonite-zeolite) in the landfill liner applications lose their function and performance and become permeable because of changes in ionic concentration, temperature and water level. Hence subsurface layers contaminate and economical cost increases. There are a lot of methods for the improvement of soils; however some of them cannot effectively works for improvement and the others are too expensive for practical purposes. Moreover, the applications of biopolymers in geotechnical and geoenvironmental engineering are relatively unexplored, compared to other areas. In this study, xanthan gum, chitosan and chitin biopolymers were used which are used in ındustry frequently. In this study, two different types of biopolymers, xanthan gum and chitosan, with different proportions were used in the compaction, permeability and direct shear tests for investigation of the biopolymer effect on the engineering behavior of clayey soils. In the experiments, the mixtures of kaolin, bentonite and sand were used with 0.25%, 0,5%, 0.75%, and 1% concentrations of xanthan gum, chitosan and chitin biopolymers. As a results of this study, the effect of biopolymers were investigated on the engineering properties of soils. Some sugesstions are given for the use of biopolymers on ground improvement applications.In this study, the mixtures of natural kaolin, bentonite and sand mixtures were investigated in the presence of 0.25%, 0.5%, 0.75% and 1.0% concentrations of three different biopolymers namely, xanthan gam, chitosan and chitin. The used biopolymers were increased the dry density of the 40% sand, 40% kaolin ve 20% bentonite mixtures. There was no significant change on the optimum water contents. There was 2.7% increase in dry density of 40% sand, 40% kaolin ve 20% bentonite mixture in the presence of 1% chitosan. When xanthan gum and chitosan biopolymers were compared there is similar degree of improvements in dry denstities. In the presence of different concentrations of xanthan gum the decrement was observed in the permeablity of 70% sand-30% kaolin mixtures. The 1% concentration of xanthan gum decraesed the permeablity almost 30 fold. The effect of xanthan gum decreased with time because of degradation effect. However, after three weeks xanthan gum still have signifant effect on the permeability. Chitosan also have similar effects like xanthan gum, it decreased the permeability characteristics of the mixtures. In general, 0.25% concentration can be used as the optimum concentration for permeability applications. The biopolymers increase the cohesion and internal friction angle of the samples. The 1% concentration of xanthan gum and chitosan increased the shear strength parameters of the samples around %10-15. The results of this study have shown that the biopolymers can be used in dams and landfill liner applications. However, the effect of degradation should be investigated for long term applications of the biopolymers.