Kohezyonsuz zemin özelliklerinin iyileştirilmesindegeopolimerlerin kullanılması
Stabilization of cohesionless soil using geopolymers
Yazar: NASRUDIN MAHAMOUD MUSE
Danışman: PROF. DR. MURAT OLGUN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Geopolimerler = Geopolymers

Özet:
Tez çalışması kapsamında geopolimerlerin kohezyonsuz zeminlerin iyileştirilmesinde kullanılabilirliğinin araştırılması amaçlanmıştır. Geopolimerlerin oluşturulması sürecinde jellerin oluşumunu etkileyen birçok faktör vardır. Bu çalışmada, uçucu kül ve silis dumanı atıkları ile sodyum hidroksit (NaOH) ve sodyum silikat (Na2SiO3) alkali aktivatörleri kullanılarak, kohezyonsuz zeminlerin iyileştirilmesine yönelik geopolimer numuneler hazırlanıp mekanik ve durabilite özellikleri incelenmiştir. Taguchi deneysel tasarım metodu kullanılarak bağlayıcı ve alkali aktivatör miktarlarının geopolimer özelliklerindeki etkileri araştırılıp, zeminlerin stabilizasyonu için optimum karışımların oluşturulması hedeflenmiştir. Deneysel çalışmanın ilk aşamasında L16 ortogonal dizinine göre tasarlanıp, hazırlanan küçük ölçekli deney numuneleri üzerinde serbest basınç deneyi, eğilme dayanımı deneyi, ıslatma-kurutma ve donma-çözülme çevrimlerine maruz bırakılan numunelerin basınç dayanımı deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deneyler sonucu elde edilen S/N değerlerine göre; uçucu kül+silis dumanı miktarı %10'dan %25'e ve Molarite 4M'dan 10M'a artırıldığında dayanımlar artmıştır. Silis dumanı miktarının (silis dumanı/bağlayıcı) %20'ye kadar kullanılması dayanımları artırmış fakat %20'den fazla kullanıldığında ise dayanımları olumsuz yönde etkilemiştir. Karışımlarda kullanılan Na2SiO3 miktarının artırılması dayanımın azalmasına sebep olmuştur. Optimum parametre seviyeleri; uçucu kül+silis dumanı miktarı %25, silis dumanı miktarı %20, molarite 10 M ve Na2SiO3 / NaOH oranı 1.5 şeklinde elde edilmiştir.
Deneysel çalışmanın ikinci aşamasında; L9 ortogonal dizinine göre ince ve iri agregalar kullanılarak büyük ölçekli deney numuneleri üretilmiş ve serbest basınç deneyi, CBR deneyi, ıslatma-kurutma ve donma-çözülme çevrimlerine maruz bırakılan numuneler üzerinde basınç dayanım deneyleri uygulanmıştır. Deney sonuçlarından elde edilen S/N değerleri için; uçucu kül+silis dumanı miktarı %10'dan %30'a ve molarite 6M'dan 10M'a artırıldığında dayanımlar artmıştır. Silis dumanı miktarının %25'e kadar kullanılması dayanımları artırırken silis dumanının %25'ten fazla kullanılması dayanımları negatif yönde etkilemiştir. Optimum parametre seviyeleri; uçucu kül+silis dumanı miktarı %30, silis dumanı miktarı %25, molarite 10 M ve Na2SiO3 / NaOH oranı 1.0 olmuştur. L9 tasarımına göre gerçekleştirilen kapilarite ve permeabilite deneylerinde benzer sonuçlara ulaşılmıştır. S/N analizi sonuçlarına göre optimum parametre seviyeleri; uçucu kül+silis dumanı miktarı %30, Silis dumanı miktarı %25, Molarite 10 M ve Na2SiO3 / NaOH oranı 1.0 olarak elde edilmiştir. 
Optimum tasarımın belirlenmesi için büyük ölçekli deney numunelerinden elde edilen sonuçlar Minitab programı aracılığıyla Yanıt Optimizasyon Yöntemi (Response Optimizer Method) ile değerlendirilmiştir. Kohezyonsuz zemin özelliklerinin iyileştirilmesinde, dış ortam özelliklerinden ıslatma-kurutma çevrimlerine maruz kalan numunelerin dayanımlarının minimum 3MPa olması durumu sınır değer olarak alınmıştır. Bu değere ulaşılabilmesi için geri analizle herhangi bir dış ortam etkisine maruz kalmamış numunelerde hedef basınç dayanımı 12MPa olarak belirlenmiştir. 28 gün kürlenmiş numuneler için belirlenen bu hedef değere ulaşmak için elde edilen optimum parametre seviyesi değerleri; uçucu kül+silis dumanı miktarı %30, silis dumanı miktarı %25, molarite 8M ve Na2SiO3 / NaOH oranı ise 1.5 olmuştur. Optimum tasarım numuneleri için yapılan doğrulama deneylerinde ortalama basınç dayanımları 12.281 MPa elde edilmiş olup, hedef basınç dayanımı değeri %100 doğrulanmıştır. Ayrıca optimum tasarım numuneleri için, donma-çözülme ve ıslatma-kurutma çevrimleri sonucu dayanım deneyleri ile kapilarite ve permeabilite deneyleri yapılmış ve elde edilen sonuçları kabul edilebilir bulunmuştur.
Kohezyonsuz zeminlerin arazi ortamında geopolimer kullanılarak iyileştirilebilirliğinin araştırılmasında seçilen optimum tasarım, en yüksek dayanım ve en düşük dayanım beklenen tasarımlar için arazide açılan 3 adet çukur içerisinde numuneler hazırlanmıştır. Numuneler üzerinde gerçekleştirilen dinamik plaka yükleme deneylerinde oturmalar sınırlı olmuş ve yüksek dinamik deformasyon modülü değerleri (Evd=120.67-158.45 MN/m2) değerleri elde edilmiştir. Her bir çukurdan alınan karot numuneleri üzerinde 28 gün kürlenme sonucunda yapılan basınç dayanım deneylerinde; en düşük dayanım değeri 3.24 MPa, en yüksek dayanım değeri 22.31 MPa ve optimum tasarım için dayanım değeri 8.42 MPa olarak elde edilmiştir. Çukurlardan alınan karotlar üzerinde donma-çözülme ve ıslatma-kurutma çevrimleri sonrasında yapılan dayanım deneylerinden elde edilen sonuçlar da yeterli olup, arazi şartlarında kohezyonsuz zeminlerin geopolimerle stabilize edilebileceği belirlenmiştir. Uygun tasarımlardan alınan numuneler üzerinde gerçekleştirilen SEM, SEM-EDS, XRD ve XRF analizlerinde tespit edilen C-S-H, C-A-S-H jelleri, mikro gözenekler, mikro çatlaklar ve reaksiyona girmeyen parçacıkların varlığı aynı numuneler için elde edilen deneysel sonuçlarla ilişkilendirilmiş olup, uyumlu sonuçlara ulaşılmıştır.

Abstract:
The scope of this study aims to study the usability of geopolymers for cohesionless soil stabilizations. There are many factors that affect the geopolymerization process and the formation of gels. In this study, effect of different contents of fly ash, silica fume, sodium hydroxide (NaOH) and sodium silicate (Na2SiO3) on the mechanical and durability properties of geopolymers. Taguchi experimental design method was used to investigate the effects of binder and alkali activator amounts on geopolymer properties and to create optimum mixtures for cohesionless soil stabilization. L16 orthogonal array was designed for small scale experiments and compressive strength, flexural strength, freezing-thawing resistance, and wetting-drying resistance experiments were carried out on the prepared samples. The results obtained from this design are calculated S/N values and optimal levels. The results obtained from these experiments showed; increasing binder/soil ratio (from 10% to 25%) and molarity (from 6M to 10M) resulted in continuous increase in strength and durability. Additionally, increasing the amount of silica fume up to 20% resulted in an increase in compressive strength and durability, while increasing the silica fume content beyond 20% resulted in a decrease in strength and durability. Likewise, increasing the amount of Na2SiO3 used in mixtures caused a decrease in strength. According to the results obtained from all experiments, the optimum mixture design of the parameters was achieved when the binder/soil ratio was 25%, the silica fume/binder ratio was 20%, the molarity was 10 M and the Na2SiO3 / NaOH ratio was 1.5. 
During the second phase of the experimental study; L9 orthogonal array were designed for large-scale samples by removing the parameter levels that showed the least value in strength and durability of the small-scale samples.  Compressive strength, wetting-drying and freezing-thawing resistance tests were carried out on the large-scale samples. As a result of the parameters and levels studied using the L9 design, increasing the binder/soil ratio (from 10% to 30%) and the molarity (from 6M to 10M) resulted in an increase in durability and strength of the samples. Increasing the ratio of Silica Fume to total binder dosage in the mixture by up to 25% has caused an increase of strength and durability, while increasing beyond that decreased the strength and durability of the samples. Meanwhile, increasing the ratio of Na2SiO3/NaOH from 1-2 negatively affected the strength and durability of the geopolymer samples. According to the results obtained from all the experiments, the maximum compressive strength was seen to be achieved when the binder / soil ratio was 30%, the silica fume / binder ratio was 25%, the molarity was 10 M and the Na2SiO3 / NaOH ratio is 1.
As the purpose of this experimental research was stabilizing cohesionless soils using geopolymers in the field, regression analysis of the test results obtained from large-scale test samples were performed and target value was chosen to obtain the optimum mixture design which were deemed appropriate for cohesionless soil improvement using response optimization method. According to the results obtained from large-scale test samples wetting-drying cycles exposure was when the samples were most affected during the durability tests in this study. Thus, the limit value taken according to this was the mixture that provided 3MPa. According to Taguchi analysis, the mixture that provided this value was seen to provide a compressive strength of 12 MPa. The mix design that provided this value consisted of; Binder/soil ratio of 30%, silica fume/binder ratio of 25%, Molarity of 8M and the Na2SiO3 / NaOH ratio of 1.5. Subsequently, strength and durability tests were performed in a laboratory environment to verify whether the targeted results for the selected optimum design would be achieved. According to the compressive strength tests an average of 12.281 MPa were obtained which matched the expected result. Additionally, the results obtained from the freezing-thawing, wetting-drying, permeability, and capillarity tests were found acceptable.
Finally, to investigate the usability of geopolymers for cohesionless soil stabilizations, soil stabilization was carried out in the field using 3 different designs; the selected optimum design and the designs expected to provide highest strength and lowest strength. Dynamic plate loading tests were performed on the samples and the settlements obtained were limited and high dynamic deformation modulus values (Evd=120.67-158.45 MN/m2) were obtained. The compressive strength tests were performed on 28 days cured core samples taken from each pit; The lowest strength value was 3.24 MPa, the highest strength value was 22.31 MPa and the strength value for optimum design was 8.42 MPa. The results obtained from the durability tests performed on the cores taken from the pits were found sufficient to withstand freezing-thawing and wetting-drying cycles were also sufficient, and it was determined that cohesionless soils could be stabilized with geopolymer under field conditions. The presence of C-S-H, C-A-S-H gels, micropores, microcracks and unreacted particles detected in SEM, SEM-EDS, XRD and XRF analyzes performed on samples taken from appropriate designs were associated with the experimental results obtained for the same samples, and consistent results were obtained.