Silis dumanı ilaveli derin karıştırma kolonlarının üç eksenli basınç dayanımı ve konsolidasyon özelliklerinin araştırılması
Investigation of triaxial compression resistance and consolidation properties of deep mixing columns in which silica fumes is used as an additive
Yazar: NAPO MASIKE
Danışman: DOÇ. DR. MURAT OLGUN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geoteknik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında killi bir zemin ortamında çimento, silis dumanı ve akışkanlaştırıcı katkısından oluşturulan derin karıştırma kolonlarının (DKK) performansını etkileyen faktörler yanıt yüzey yöntemiyle (YYY) araştırılmıştır. Çalışma için Konya Teknik Üniversitesi Sanayi Kampüsü alanından düşük plastisiteli killi zemin (CL) temin edilmiştir. Design Expert yazılımı ile YYY kullanılarak deney programı oluşturulmuştur. Ön deneyler sonucunda enjeksiyon malzemelerinin sınır değerleri belirlenmiştir. Çimento ve silis dumanı yüzdesi kuru kilin ağırlıkça yüzdesi şeklindedir ve çimento miktarı için %5-20 , silis dumanı miktarı için %0-15 sınır değerleri seçilmiştir. Akışkanlaştırıcı katkı maddesi bağlayıcı miktarının %0-5'i ve su/bağlayıcı oranı 0.9 - 2.5 aralığında seçilmiştir. Zeminin su muhtevası ise %25-33 arasındadır. Oluşturulan deneysel program kapsamında; ilk olarak enjeksiyon içerisinde kullanılacak malzemelerin sınır su/bağlayıcı oranlarının belirlenebilmesi için marsh hunisi ve sedimantasyon deneyleri yapılmıştır. Daha sonra 21 adet tasarım için küçük ölçekli derin karıştırma kolonu numuneleri hazırlanmıştır. Farklı kür süreleri (7, 28 ve 56 gün) sonunda numuneler üzerinde konsolidasyonsuz drenajsız (UU) üç eksenli basınç dayanımı ve konsolidasyon deneyleri yapılmıştır. Bu tez çalışması kapsamında toplam 252 adet küçük ölçekli UU deneyi ve 63 adet konsolidasyon deneyi yapılmıştır. Derin karıştırma deney düzeneğinde 21 adet tasarım için büyük ölçekli DKK imal edilmiş, 28 günlük kür süresi bittikten sonra karot numuneleri alınmıştır. Alınan karotlar üzerinde UU deneyi ve konsolidasyon deneyleri yapılmıştır. Deneysel çalışmalar sonucunda 28 günlük küre maruz kalmış numunelerden alınan örnekler üzerinde taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri alınmış ve kimyasal yapı içerisinde oluşan bağlayıcı bileşenlerin belirlenebilmesi için XRD analizleri yapılmıştır. En son olarak ise deneysel çalışma sonuçlarına göre en uygun karışım oranı ve sınırlarının belirlenebilmesi için optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir.
Deneysel çalışmalarda; Marsh hunisi deneylerinden akma süresi 60 – 80 saniye olan karışımları enjeksiyon pompasının hazneden rahatlıkla pompalayabildiği görülmüştür. Enjeksiyon karışımlarının su/bağlayıcı kıvamı belirlenirken bu süre dikkate alınarak 0.9 - 2.5 arasında seçilmiştir. Küçük ölçekli deney numuneleri üzerindeki ANOVA analizi sonuçlarına göre; akışkanlaştırıcı katkısının mukavemet değerleri üzerinde çok etkili olmadığı, su/bağlayıcı oranı aynı olan tasarımlarda çimento miktarı arttıkça (silis dumanı olmayan karışımlar) dayanımın 2.6 – 5.8 kat arttığı görülmüştür. Su/bağlayıcı oranının dayanım üzerinde etkili olduğu ve bu oran arttıkça dayanımın azaldığı görülmüştür. Dayanım değerleri üzerinde silis dumanı miktarı ve su/bağlayıcı oranının çok etkili olduğu net bir şekilde görülmüş, zemin içerisine %15 oranında silis dumanı ilave edildiğinde dayanım 2 - 3.2 kat artmıştır ve boşluk oranı değişimi 2.3 - 2.6 kat azalmıştır. 
Büyük ölçekli DKK'ndan alınan karotlar üzerinde yapılan UU deneylerinden elde edilen dayanım değeri sonuçları küçük ölçekli DKK dayanım değerlerinin %55 ile %85'i arasında olmuştur ve konsolidasyon deneylerinde ise küçük ölçekli DKK'ındaki boşluk oranı değişimi karot numunelerindeki boşluk oranı değişiminin %63 – %99'i arasında olmuştur. Kullanılan saf kilin XRD analizi sonuçlarına göre zemin içerisinde kaolinit mineralleri tespit edilmiştir. Silis dumanının olmadığı 18 nolu tasarım için yapılan XRD analizine göre numunenin içerisinde CH ve etrenjit bağları olduğu belirlenmiştir. Silis dumanının bulunduğu tasarımlarda ise daha yoğun olarak C-S-H yapılarının varlığı tespit edilmiştir. Yine silis dumanının olmadığı tasarımlarda elde edilen SEM görüntülerinde gözenekli ve tanecikli yapıda C-S-H jeli ve bu gözeneklerin içinde düz plaka şeklinde portlandit (CH) ve ince çubuk şeklinde etrenjit yapıları gözlenmiştir. Optimizasyon çalışmaları sonucunda UU deneyi sonuçları ve konsolidasyon deneyi boşluk oranı değişimi sonuçları için sırasıyla Base 10 Log ve karekök yaklaşımı en iyi sonuçları vermiştir. Küçük ölçekli kolonlar için yapılan optimizasyon çalışmalarına göre yapılan doğrulama deneylerinde; UU deney sonuçları ve bosluk oranı değişim sonuçlarının sırasıyla  %98 ve %84 oranında doğrulandığı tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, the factors affecting the performance of deep mixing columns (DMC) made using cement, silica fume and plasticizer in a clay soil environment were investigated using the response surface method. For the study, a low plasticity clayey soil (CL) was obtained from Konya Technical University Industrial Campus. An experimental program was developed using Design Expert software. As a result of the preliminary experiments, the limit values of the injection composing materials were determined. The percentage of cement and silica fume is by weight of dry clay and the limit values of 5-20% for cement and 0-15% for silica fume were selected. The Plasticizing additive was selected to be 0-5% of binder and water/binder ratio was selected to be in the range of 0.9-2.5 while the water content was selected to be in the range of 25-33%. Within the scope of the experimental program; Firstly, marsh funnel and sedimentation tests were made to determine the limit values of water/binder ratios of the materials to be used in the injection. Then, small scale deep mixing columns samples were prepared for 21 designs. Unconsolidated Undrained triaxial strength and consolidation tests were performed on the samples after different curing periods (7, 28 and 56 days). 252 small-scale UU tests and 63 consolidation tests were carried out in this thesis. 21 deep mixing columns were made from the 21 designs using the deep mixing machinery and after a curing period of 28 days cores were extracted from the columns. UU triaxial strength tests and consolidation tests were performed on the cores. As a result of the experimental studies, scanning electron microscope (SEM) images were taken on large scale column samples with a curing period of 28 days and XRD analyzes were performed to determine the binding components formed in the chemical structure. Finally, optimization studies were carried out in order to determine the optimal mixing ratio and limits according to the experimental results. 

In the experimental studies; It was found from the Marsh funnel experiments that the injection pump was able to pump the mixtures with a flow time of 60 - 80 seconds. The water/binder ratio of the injection mixtures was chosen between 0.9-2.5 considering these flow times. In order to reduce the water/binder ratio, Optima 100 additive was determined as the ideal plasticizer. According to ANOVA analysis results on small scale test samples; It has been observed that this plasticizer is not very effective on the strength values and the strength increases 2.6 - 5.8 times as the amount of cement increases (mixtures without silica fume) in designs with the same water/binder ratio. The water / binder ratio was found to be effective on the strength, and as this ratio increased, the strength decreased. It is clearly seen that the amount of silica fume and the water / binder ratio are very effective on the UU triaxial strength values, when 15% silica fume was added, UU triaxial strength increased by 2-3.2 times and the change in void ratio decreased by 2.2-2.6 times.

The strength results obtained from UU triaxial tests on cores taken from large scale DKK were between 55% and 85% of the small scale DMC strength values while the change in void ratio from consolidation tests on small scale cores DMC were between 62 – 95% of the core samples. According to the results of XRD analysis of pure clay, kaolinite minerals were found in the soil. XRD analysis for large scale column samples of design 18 which did not contain any silica fume showed CH and ettringite bonds. In designs with silica fume, the presence of C-S-H structures was found to be higher. Furthermore, SEM images obtained in designs without silica fume showed porous and granular C-S-H gel and flat plate-shaped portlandite (CH) and fine rod-shaped ettringite structures within these pores. As a result of optimization studies, Base 10 Log and square root approaches gave the best results for UU triaxial strength and consolidation test results and change in void ratio results respectively. According to the optimization studies for small scale columns, the results of the verification test for UU test and change in void ratio results were confirmed to be 98% and 84% respectively.