Yol temel malzemesi olarak killi zemin - geri dönüşüm malzemeleri - geopolimer karışımlarının kullanılması
Using clay soil - recycling materials - geopolymer mixtures as road base material
Yazar: MOHANAD ISAM ABDULSALAM ALKWANADOLI
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:
Yol temel malzemesi olarak geri dönüştürülmüş beton agregası (RCA) ve geri dönüştürülmüş asfalt kaplama (RAP) gibi geri dönüştürülmüş agregaların (RA) kullanılması yalnızca doğal agregaları korumakla kalmayacak, aynı zamanda bu malzemelerin oluşturduğu olumsuz çevresel etkilerini de azaltacaktır. Bu çalışma ile, son zamanlarda çevre dostu bağlayıcı malzeme olarak ortaya çıkan ana bağlayıcı bileşeni uçucu kül (FA) olan geopolimer malzemesinin RAP, RCA ve yüksek fırın cürufu (YFC) ilavesiyle killi zeminle birlikte karıştırılarak yol temel malzemesi olarak kullanılabilirliğini araştırmak amaçlanmıştır. 
Tez çalışması kapsamında L16 Taguchi tasarım tablosu kullanılarak farklı parametreler için bir deneysel çalışma programı oluşturulmuştur. Tasarımda kullanılan parametreler; alkali oranı (Na2SiO3/NaOH), toplam bağlayıcı (FA+YFC) içeriği, RAP içeriği, RCA içeriği ve YFC oranıdır (YFC/(YFC+FA)). Her bir parametrenin 4 seviyesi için çalışmalar yürütülmüştür. Na2SiO3/NaOH oranı 0.5-2.5, (FA+YFC) içeriği %3-25, RAP içeriği %0-25, RCA içeriği %0-25 ve YFC/(YFC+FA) oranı 0.3-0.5 aralığında olup, alt ve üst sınır aralıklarında seviyeler belirlenmiştir. Deneysel tasarım kapsamında hazırlanan örnek numuneler üzerinde; Serbest basınç deneyleri, California taşıma oranı (CBR) deneyleri, oturma deneyleri, donma-çözülme ile ıslatma-kurutma çevrimleri için dayanıklılık ve sonrasında dayanım deneyleri, permeabilite deneyleri ve kapilarite deneyleri (Kılcal su emme deneyleri) gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalara ilave olarak, donma-çözülme ve ıslatma-kurutma çevrimlerine maruz kalan numuneler için görüntü işleme analizleri gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışma verilerinin S/N (signal/noise) analizleri sonuçlarının değerlendirilmesiyle uygun görülen tasarımlardan elde edilen numunelerin SEM analizleri ve XRD analizleri gerçekleştirilmiştir. 
Deneysel çalışmalar sonrasında yapılan analizlere göre elde edilen S/N grafiklerinden; Serbest basınç deney numunelerinde (FA+YFC), RAP ve RCA miktarlarının artmasıyla dayanım değerleri artmıştır. Na2SiO3/NaOH oranı için optimum değer 1.0 ve (YFC/(FA+YFC)) oranı için optimum değer 0.37 olarak elde edilmiştir. Donma-çözülme çevrimleri sonrasında elde edilen dayanımlar için; optimum (YFC/(FA+YFC)) oranı 0.37, RAP miktarı %10, RCA miktarı %15, (FA+YFC) miktarı %25 ve Na2SiO3/NaOH oranı 2.5 olarak belirlenmiştir. Islatma-kurutma çevrimleri sonrasında elde edilen dayanımlar için; FA+YFC miktarı arttıkça dayanımın arttığı görülmüştür. RAP ve RCA için optimum yüzdeler %15, Na2SiO3/NaOH oranı için 2.5 ve (YFC/(FA+YFC)) oranı için 0.37 değerleri optimum değerlerdir. Islatma-kurutma çevrimleri sonucunda C-S-H ve C-A-H miktarlarındaki artışa bağlı olarak donma-çözülme çevrimlerinde elde edilen sonuçlardan farklı olarak dayanımda artışlar olmuştur.  CBR deneylerinde elde edilen optimum seviyeler Serbest basınç deneylerindeki seviyelerle aynı olup, CBR değerleri %45-595 arasında değişmektedir. Kapilarite katsayısı değerleri için 'en küçük en iyi' durumuna göre Na2SiO3/NaOH oranı minimum olmalıdır. FA+YFC miktarı %18, RAP ve RCA miktarı %15, YFC / (FA+YFC) oranı için 0.37 optimum değerlerdir. Deneylerde elde edilen permeabilite katsayısı değerleri 'daha büyük daha iyi' durumuna değerlendirilmiş olup, kapilarite katsayısı değerleri ile uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Görüntü işleme analizinden elde edilen en yüksek dayanım tahmini donma-çözülme ve ıslatma-kurutma çevrimlerine maruz kalan numuneler için sırasıyla %76.74 ve %75.4'dür. SEM analizi görüntülerinden zemin-RAP/RCA-geopolimer numunelerinde yoğun bir matris oluştuğu ispatlanmış olup, bu matrislerin görüntüleri numunelerin dayanım ve geçirimlilik özelliklerini doğrulamıştır. XRD kırınım desenlerine göre, kalsiyumun geopolimerizasyon sürecine çok fazla katkıda bulunduğu ve bu nedenle (FA+YFC) birleşimi ile RAP ve RCA oranlarında bir artış olduğunda C-S-H oluşumunun arttığı belirlenmiştir.

Abstract:
Using recycled aggregates (RA) such as recycled concrete aggregate (RCA) and recycled asphalt pavement (RAP) as road base material will not only protect natural aggregates, but also reduce the negative environmental impacts of these materials. In this study, it was aimed to investigate the usability of the geopolymer material, the main binding component of which is fly ash (FA), which has emerged as an environmentally friendly binder material recently, with the addition of RAP, RCA and blast furnace slag (YFC) and mixed with clayey soil as a road base material.
Within the scope of the thesis study, an experimental study program has been created using the L16 Taguchi design table for different parameters. The Parameters utilized in the design are alkali ratio (Na2SiO3/NaOH), total binder (FA+YFC) content, RAP content, RCA content and YFC ratio (YFC/(YFC+FA)). Studies were carried out for each parameter at 4 levels. Na2SiO3/NaOH ratio is 0.5-2.5%, (FA+YFC) content is 3-25%, RAP content is 0-25%, RCA content is 0-25% and YFC/(YFC+FA) ratio is between 0.3-0.5, lower and upper levels have been set for the limits. In the scope of the experimental design, the prepared sample specimens were subjected to various tests including unconfined compression tests, California Bearing Ratio (CBR) tests, settlement tests, freeze-thaw cycle durability and strength tests, wet-dry cycle durability and strength tests, permeability tests, and capillarity tests (capillary water absorption tests). In addition to the experimental studies, image processing analyzes were performed for the samples exposed to freeze-thaw and wetting-drying cycles. By examining the results of the S/N (signal/noise) analysis of the experimental study data, SEM and XRD analysis were performed on the samples obtained from the designs deemed suitable. According to the analysis conducted after experimental studies, it has been determined from the S/N graphs that the strength values increase as the ratio of (FA+YFC), RAP, and RCA increases in the unconfined compressive strength test. The Na2SiO3/NaOH ratio of 1.0 was found to be the optimum value, while the (YFC/(FA+YFC)) ratio of 0.37 was determined as the optimum value. For the strengths obtained after freeze-thaw cycles, the following optimum values were determined: (YFC/(FA+YFC)) ratio of 0.37, RAP content as 10%, RCA content as 15%, (FA+YFC) content as 25%, and Na2SiO3/NaOH ratio as 2.5. After conducting wetting-drying cycles, it was observed that the strength increased with an increase in the ratio of FA+YFC. The optimum percentages were determined as 15% for RAP and RCA, 2.5 for the Na2SiO3/NaOH ratio, and 0.37 for the (YFC/(FA+YFC)) ratio. As a result of wetting-drying cycles, there were increases in strength due to the increase in C-S-H and C-A-H amounts, unlike the results obtained in freeze-thaw cycles. The optimum levels obtained in CBR tests are consistent with those in unconfined compressive strength, and the CBR values range between 45% and 595%. For capillarity coefficient values according to the 'smaller is better' case.  the Na2SiO3/NaOH ratio should be at the minimum level. The optimum values for the FA+YFC amount is 18%, the RAP and RCA amount is 15%, and the YFC / (FA+YFC) ratio is 0.37. The permeability coefficient values obtained from the experiments were evaluated using the 'the larger the better' criterion, and consistent results were obtained with the capillarity coefficient values. The highest strength estimate obtained from the image processing analysis was 76.74% and 75.4% for the samples exposed to freeze-thaw and wetting-drying cycles, respectively. The SEM analysis images provided evidence that a dense matrix was formed in the soil-RAP/RCA-geopolymer samples, and these images further confirmed the strength and permeability properties of the samples. According to the XRD diffraction patterns, it has been determined that calcium contributes significantly to the geopolymerization process, and therefore, an increase in the RAP and RCA ratios with the (FA+YFC) combination results in an increased formation of C-S-H.