Killi zeminlerin kireç ile stabilizasyonuna sülfat içeriğinin etkisi
Effect of sulfate content on lime stabilization of clayey soils
Yazar: NASHAT SARIKAHYA
Danışman: PROF. DR. İLKNUR BOZBEY ; DOÇ. DR. PAUL BEETHAM
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / İnşaat Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışmanın amacı kireç ile iyileştirilen killi zeminlerde oluşan etrinjit kaynaklı deformasyonları belirleyen faktörlerin tespit edilmesidir. Bu faktörler; sülfat yüzdesi, kil tipi, sıkıştırma su muhtevası, sıkıştırmadan önce uygulanan bir gün olgunlaştırma süresi, kür süresi ve kür sürecindeki ortam sıcaklığı olarak seçilmiştir. Bu çalışmada kullanılan malzemeler, zemin olarak montmorillonit kili, laboratuvardaki mevcut bir kaolin kili, özel bir firmadan temin edilen alüminyum içeriği yüksek Chinafill ve K-Brite kaolin tipi killeridir. Deneylerde farklı aşamalarda kireç yüzdesi olarak %4, %5 ve %7 ve sülfat olarak %1, %3,4, %3.5, %5 ve %7 jips (alçıtaşı) ve sodyum sülfat kullanmıştır. Montmorillonit numuneleri için konsolidasyon deney aletinde şişme deneyleri yapılmış ve etrinjit oluşup oluşmadığı şişme davranışı ile yakalanmaya çalışılmıştır. Bu numunelerde yapılan çok sayıda deney sonucunda kabarma elde edilememiştir. Bu kil ile yapılan mukavemet deneylerinde sülfat yüzdesi %1, %3,5 ve kireç yüzdesi ise %4 ve %7 olarak seçilmiştir.  Numuneler, optimum, optimum+3 ve optimum-3 su muhtevalarında sıkıştırılmış ve 56 ve 365 günlük kür süresi sonunda serbest basınç mukavemeti deneyleri yapılmıştır. Bir grup numune ise etrinjit oluşumunu tetiklemek amacıyla doygun kum içerisinde bekletilmiş ve daha sonra mukavemet deneylerine tabii tutulmuştur. Montmorillonit kili ve kalsiyum sülfat ile şişme elde edilememiştir. Serbest basınç mukavemeti deneyleri sonucunda, sülfat içeriğinin kireç yüzdesine ve kür süresine bağlı olarak iyileştirilen zeminlerin dayanım özelliğini etkilediği görülmüştür, ancak bu etki her zaman olumsuz değildir. Laboratuvarda mevcut olan kaolin tipi killerle hazırlanan numunelerde, uygulanan deney süreleri içerisinde şişme elde edilememiş, bu nedenle kil numunelere kum ilavesi yapılmış ve numune içerisine su girişi hızlandırılmıştır. Bu numunelerde ancak sınırlı seviyede şişme elde edilebilmiştir. Son aşamada, piyasadan temin edilen alüminyum içeriği yüksek iki tip kaolin kili (Chinafill ve K-Brite) ve %25 kum ilave edilerek hazırlanan numunelerde kireç ve sülfat ilavesi ile önemli seviyelerde şişme ölçülmüştür. Deneylere bu grup ile devam edilmiştir. Numuneler üç farklı sıkıştırma su muhtevasında hazırlanmıştır. Bazı numuneler için sıkıştırmadan önce olgunlaştırma süresi uygulanmıştır. İklimlendirme dolabında ve soğuk havada yapılan kür süresinin ve az sayıda numunede iki yıllık kür süresinin etkisi etkisi de araştırılmıştır. Bu grup için iki farklı boyutta numuneler test edilmiştir. Küçük numuneler konsolidasyon kalıbında şişme testine tabii tutulmuştur. Kuru tarafta sıkıştırılan ve üç gün süre ile küre tabi tutulan numunelerde, genel davranış olarak şişme davranışı otuz gün süre ile devam etmiştir.  Şişmenin ilk beş- on gün içerisinde daha hızlı oluştuğu, ancak sonrasında şişme hızının yavaşladığı söylenebilir. Optimum su muhtevasında sıkıştırılan numunelerde, üç gün kür sonunda suya maruz kalan numunelerde şişmenin yüksek olduğu, ancak yirmi sekiz gün kür sonunda numunelerde daha az şişme oluştuğu görülmüştür. Islak tarafta sıkıştırılan numunelerde hem üç gün, hem de yirmi sekiz gün sonunda şişme değerleri diğer numunelere göre daha düşüktür. Olgunlaştırma sürecinin etrinjit kaynaklı kabarmaları tüm şartlarda olmasa da azaltabildiği görülmüştür. Soğuk kür sürecinin etkisi ile ilgili farklı şartlar için değerlendirme yapılmıştır. Büyük numuneler doygun kum içerisine yerleştirilerek serbest şişmeye tabii tutulmuştur. Numunelerde yatay ve düşey deplasmanlar ölçülmüştür. Bu numunelerden günlük alınan fotoğraflar ile şişme nedeniyle oluşan çatlakların gelişimi dijital olarak değerlendirilmiştir. Büyük boyutlu numunelerde de bütün Chinafill ve K-Brite numunelerde şişme olmuştur. Chinafill ve K- Brite numunelerinin bir kısmı üzerinde şişme basıncı da ölçülmüş ve 350 kPa'lara varan yüksek şişme basıncı değerleri ölçülmüştür. Çok sayıda numune için XRD analizleri, ve daha az sayıda olmak üzere ICP analizleri ve SEM analizleri yapılmış ve zeminin mineralojik bileşiminde belirgin değişiklikler olduğu gözlemlenmiştir. Deneyler sonrası oluşan şişmeye neden olan etrinjit mineralleri de XRD çekimlerinde saptanmıştır. Kilin alüminyum içeriğinin ve permeabilitesinin etrinjit kaynaklı kabarma için çok önemli iki etken olduğu bu çalışmada gösterilmiştir.

Abstract:
The aim of this research is to determine the factors which affect etringite-induced deformations in clay soils stabilized with lime. The factors were selected as sulfate percentage, clay type, compaction water content, one day mellowing time before compaction, curing time and ambient temperature during the curing process. The materials used in this study were montmorillonite clay as a base, an existing kaolin clay in the laboratory, Chinafill and K-Brite kaolin type clays with high aluminum content obtained from a private company. Gypsum (gypsum) and sodium sulfate were used at different stages of the experiments with lime percentages of 4%, 5% and 7% and sulfate percentages of 1%, 3.4%, 3.5%, 5% and 7%. For the montmorillonite samples, swelling tests were carried out in the consolidation test apparatus and the swelling behavior was used to determine whether etringite was formed. No swelling was obtained in these specimens as a result of numerous experiments. In the strength tests with this clay, sulfate percentages of 1% and 3.5% and lime percentages of 4% and 7% were selected.  The specimens were compacted at optimum, optimum+3 and optimum-3 water contents and free compressive strength tests were performed after 56 and 365 days of curing. One group of specimens was kept in saturated sand to trigger the formation of etringite. With montmorillonite, swelling could not be achieved with calcium sulphate. The unconfined compressive strength tests showed that sulfate content affects the strength of the cured soils depending on the percentage of lime and curing time, but this effect is not always negative. The specimens prepared with kaolin-type clays available in the laboratory did not swell within the applied test periods, so sand was added to the clay specimens and water penetration into the specimens was accelerated. Only limited swelling could be achieved in these samples. In the last stage, significant swelling was measured in the samples prepared by adding two types of kaolin clay with high aluminum content (Chinafill and K-Brite) and 25% sand. Experiments continued with this group. The specimens were prepared at three different compaction water contents. For some specimens, a mellowing period was applied before compaction. Two different sizes of specimens were tested for this group. The effect of curing time in an air conditioning cabinet and in cold air and, for a small number of specimens, the effect of a two-year curing period were also investigated. Small specimens were subjected to swelling test in a consolidation mold. The specimens were compacted on the dry side and cured for three days and the general swelling behavior continued for thirty days.  It can be said that swelling occurred faster in the first five to ten days, but then the swelling rate slowed down. In the specimens compacted at optimum water content, it was observed that the swelling was high in the specimens exposed to water after three days of curing, but less swelling occurred in the specimens after twenty-eight days of curing. The swelling values of the specimens compacted on the wet side were lower than the other specimens both at the end of three days and at the end of twenty-eight days. It was observed that the mellowing process can reduce the swelling caused by etringite, although not in all conditions. The effect of the low curing temperatures during curing was also evaluated for different conditions. Large specimens were placed in saturated sand and subjected to free swelling. Horizontal and vertical displacements were measured. Daily photographs were taken of these specimens and the development of cracks due to swelling was digitally evaluated. Swelling occurred in all Chinafill and K-Brite specimens, even in the large size specimens. Swelling pressure was also measured on some of the Chinafill and K-Brite specimens and high swelling pressure values up to 350 kPa were measured. XRD analyses, and to a lesser extent ICP analyses and SEM analyses were carried out for a large number of samples and significant changes in the mineralogical composition of the soil were observed. Ettringite  minerals causing the swelling after the experiments were also detected in the XRD images. It was seen in this study that the aluminum content and permeability of the clay are two very important factors for the swelling caused by ettringite.