Polipropilen lif donatılı geopolimer derin karıştırma kolonunun yanıt yüzey yöntemi ile optimizasyonu ve sıcaklık etkisinin araştırılması
Optimization of polypropylene fiber reinforced geopolymer deep mixing column by response surface methodology and investigation of the temperature effect
Yazar: BÜŞRA AVLAYAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH YILMAZ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKAN ALPER KAMİLOĞLU
Bayburt Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Cevap yüzey yöntemi = Response surface methodology ; Derin karıştırma = Deep mixing ; Geopolimerler = Geopolymers ; Mekanik özellikler = Mechanical properties

Özet:
Boyları 30m'ye varan derin karıştırma kolonları kohezyonlu ve kohezyonsuz zeminlerde sıkça kullanılan derin zemin iyileştirme yöntemlerinden biridir. Tamamen zemine gömülü halde çalışan derin karıştırma kolonları kürlerini oluşturuldukları zemin ortamından almaktadır. Bu durumda zemin derinliği boyunca değişen zemin sıcaklığı aynı zamanda derin karıştırma kolonlarının kür sıcaklığı olmaktadır. Derin karıştırma kolonlarının imal edildikleri bölgenin yıllık ortalama sıcaklığı, imalatın yapıldığı günün hava sıcaklığı, zeminin termal iletkenlik katsayısı gibi parametreler zemin derinliği boyunca sıcaklığın yüzey sıcaklığından farklı olmasında rol oynar. Bu nedenle çoğu zaman zemin derinliği boyunca sıcaklık yüzey sıcaklığından farklı olur. Bu durum derin karıştırma kolonlarında zemin derinliği boyunca kür sıcaklığının değişken olması durumunu doğurur. Bu da kolonların taşıma gücüne etki eder. Yapılan bu tez çalışmasında sıcaklık etkisinin yüksek plastisiteli kil içeren bir zemin ortamında polipropilen donatı katkılı geopolimer esaslı derin karıştırma kolonu harcının mekanik özelliklerine olan etkisinin incelenmesi amaçlanmıştır. Yapılan çalışma kapsamında Amerikan Karayolları İdaresi'nin (FHWA) derin karıştırma kolonları için önermiş olduğu numune hazırlama şekilleri dikkate alınarak 50 mm çapında ve 100 mm yüksekliğinde numuneler oluşturulmuş. Geopolimer malzemenin elde edilmesinde bağlayıcı olarak F sınıfı uçucu kül kullanılmıştır. Aktivatör olarak kütlece %50-%50 oranında 10 M NaOH ve Na2SiO3 çözeltileri kullanılmıştır. Çalışma üç aşamada gerçekleştirilmiştir. Birinci aşamada yanıt yüzey yöntemi kullanılarak maksimum serbest basınç dayanımını veren bağlayıcı miktarı ve aktivatör içeriği belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında optimum miktarda bağlayıcı ve aktivatöre farklı oranlarda 6mm uzunluğunda polipropilen donatı karıştırılarak elde edilen numunelerin serbest basınç dayanımı belirlenmiştir. Bu suretle maksimum serbest basınç dayanımını veren donatı içeriği elde edilmiştir. Çalışmanın üçüncü adımında ideal miktarları belirlenen bağlayıcı, aktivatör ve polipropilen lif katkıları ile zemin numuneleri hazırlanmıştır. Hazırlanan numuneler 5°C, 10°C, 20°C ve 30°C'lik kür sıcaklıklarında 7 gün ve 28 gün kürlenmiştir. Kürlenen numuneler serbest basınç deneyleri ve üç eksenli basınç deneylerine tabi tutulmuştur. Bu suretle sıcaklık etkisinin serbest basınç dayanımı, elastisite modülü, içsel sürtünme açısı ve kohezyon parametrelerine olan etkisi incelenmiştir. Yapılan çalışma sonucunda numunelerin mekanik özelliklerinin 20°C'lik kür sıcaklığına kadar artan sıcaklıkla birlikte dikkate değer şekilde arttığı, bu sıcaklık değerinin üzerinde mekanik özelliklerde büyük bir değişimin olmadığı görülmüştür.

Abstract:
Deep mixing columns up to 30m in length are one of the deep soil improvement methods frequently used in cohesive and non-cohesive soils. Deep mixing columns, which operate completely buried in the soil, take their cure from the soil environment in which they are formed. In this case, the soil temperature that changes throughout the soil depth is also the curing temperature of the deep mixing columns. The parameters such as annual mean air temperature, surface air temperature, and thermal conductivity of the soil play vital role in the variation of soil temperature along the soil depth. Therefore, mostly the temperature along the soil depth differs significantly from the surface temperature. This causes subjecting the different curing temperatures of the deep mix columns along the soil depth. This affects the bearing capacity and settlement parameters of the columns. Within the scope of the study, soil samples of 50 mm diameter and 100 mm height were prepared considering the recommendations of Federal Highway Administration (FHWA) for deep mixing columns. This thesis study aimed to determine the effect of temperature on the mechanical properties of polypropylene fiber-reinforced geopolymer-based deep mixing column mortar to stabilize high plasticity clayey soils. The study used F-class fly ash as an alkali-activated binder in the geopolymerization process. The mixture of 10 M NaOH solution and Na2SiO3 solutions was used as an alkali activator. The study comprises three stages. In the first stage, alkali-activated precursor and alkali activator amounts were optimized using Response Surface Methodology (RSM) to maximize unconfined compressive strength. In the second stage of the study, the unconfined compressive strengths of the samples obtained by adding different amounts of 6 mm long polypropylene fiber reinforcement to the optimum amount of activator and binder were determined. Thus the reinforcement content that gives the maximum strength was obtained. In the third step of the study, soil samples were prepared considering optimum amounts of binder, activator, and reinforcement additives. The prepared samples were subjected to 5°C, 10°C, 20°C, and 30°C curing temperatures for 7 days and 28 days. The unconfined and triaxial compression tests were performed on the prepared samples. Thus, the effects of curing temperature on the parameters such as unconfined compressive strength, modulus of elasticity, cohesion, and internal friction angle were determined. As a result of the study, it was observed that the mechanical properties of the samples increased significantly with the increasing temperature up to the curing temperature of 20°C, and there was no great change in the mechanical properties above this temperature value.