Static and cyclic properties of expansive clays treated with lime and fly ash with special reference to swelling and resilient moduli
Kireç ve uçucu kül ile iyileştirilen şişen killerin şişme ve esneklik modülü odaklı statik ve tekrarlı yükler altındaki özellikleri
- Tez No: 542809
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSAFFA AYŞEN LAV, PROF. DR. ERDAL ÇOKÇA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 338
Özet
Yüksek plastisiteli ve yüksek şişme potansiyeline sahip zeminlerde, su içeriğindeki kararsız dalgalanmalar büyük hacim değişimlerine sebep olmaktadır. Bu hacimsel değişime bağlı şişmeler sonucunda bu tür zeminlere oturan ulaşım amaçlı yol üstyapı kaplamaları ve/veya hafif ağırlıklı yapılar zarar görmektedir. Şişen zeminler, kireç, uçucu kül, mikro çimento ve benzeri katkılar yardımıyla iyileştirilebilirler. Esneklik modülü değeri, tabakalı yol kaplama sistemlerinin yapısal analizlerinde kullanılmak üzere, dinamik yükler altındaki malzemenin gerilme ve birim deformasyon arasındaki temel ilişkiyi sağlar. Kireç ve uçucu kül katkıları kimyasal iyileştirme metodu kapsamında kullanılan en popüler katkılardır. Ancak bu katkıların aşırı derecede veya çok yüksek derecede plastik killerde yeterli bir şekilde verimli oldukları veya hiç verimli olamadıkları gibi hususlar çok açık değildir. Ayrıca kireç ve uçucu kül ile iyileştirilmiş zeminlerin şişme ve büzülme açısından özellikleri mukavemet özellikleri kadar iyi bilinmemektedir. Diğer çok bilinmeyen bir konu doğal şişebilen killerin ve değişik katkılar ile iyileştirilmiş zeminlerin tekrarlı yükler altındaki özelliklerdir. Bu kapsamda esneklik modülü özelliklerinin araştırılmasının gereğine inanılmaktadır. Son olarak, şişme davranışı göz önüne alındığında kil zeminlerin mineralojik içerik ve katkı maddelerinin kimyasal bileşenlerinin araştırılması gereğine inanılmaktadır. Bu kapsamda, bu çalışmada kullanılan hem kil zeminler hem de kireç ve uçucu kül katkıları Rietveld, XRD ve XRF testleri ile tanımlanmıştır. Bu araştırmada, aşırı ve çok yüksek plastisiteli iki doğal kil numunenin kireç ve uçucu kül katkıları kullanılarak iyileştirilmesi ile, statik ve tekrarlı yükler altındaki özelliklerinin incelenmesi hedeflenmiştir. Kireç, kimyasal olarak aktif katkı olarak gözönüne alınmıştır. Diğer taraftan uçucu kül, dolgu malzemesi olarak düşünülmekte ve uçucu kül laboratuvar sonuçları, kil ile elde edilen sonuçlar ile bir karşılaştırma yapmak için referans sonuçlar olarak kabul edilebilir. Araştırmanın statik kısmında özellikle şişme davranışı üzerinde odaklanılmıştır. Esneklik modülü deneyleri ise farklı gerilme durumlarında dinamik araştırma amaçlı yürütülmüştür. Bu çalışmada, Ankara'da iki ayrı sahadan alınan Esenboğa Kili ve Bilkent Kili olarak adlandırılan farklı iki zemin numunesi detaylı olarak incelenmiştir. Esenboğa Kili aşırı derecede yüksek plastisiteli bir kildir (PI=%101). Bilkent Kili ise çok yüksek derecede plastisiteli bir kildir (PI=%76). Her iki sahadan da laboratuvar deneyleri için örselenmiş ve örselenmemiş numuneler alınmıştır. İlk olarak, doğal numuneler üzerinde referans deneyler (indeks v.b.) yapılmıştır. Sonra, her iki kile ayrı ayrı, kuru ağırlıklarının farklı yüzdelerinde katkı maddeleri eklenmiştir (kireç için: %1, %3, 5%, 7% ve 9%; uçucu kil için: %5, %10, %15, %20 ve %25). Metilen Mavisi deneyleri, her iki kilin doğal ve her yüzde için kireç ile iyileştirilmiş numunelerin aktivitelerinin belirlenmesi için yapılmıştır. Ödometre deneyleri ile, doğal ve iyileştirilmiş zeminlerin, şişme ve sıkışma özellikleri belirlenmiştir. Serbest basınç deneyi ise hem suya boğulmamış (batırılmamış) (optimum su içeriğinde) hem de suya boğulmuş (batırılmış) numuneler üzerinde yapılmıştır. Esenboğa Kili için bu statik deneyler her bir kireç yüzdesinde 7, 28 ve 56 günlük kür süreleri için de yürütülmüştür. Esenboğa ve Bilkent Killeri için, kireç katkısı ile, her bir yüzde (%1, %3, 5%, 7% ve 9%) ve değişik kür süreleri (7, 28, 56 ve 90 gün) için hazırlanan numunelerin esneklik modülü değerleri saptanmıştır. Esenboğa Kil numunenin (sadece %7 kireç katkısı için) SEM analizleri yapılmıştır. SEM analizleri doğal Esenboğa ve Bilkent killeri için de yürütülmüştür. İyileştirilen numunelerin indeks, mukavemet ve şişme özellikleri gibi mühendislik özellikleri bulunmuştur. Şişme potansiyeli ve basınç dayanımlarında iyileşmenin görüldüğü optimum değerler bulunmuştur. Katkı yüzdeleri ve indeks özellikleri, şişme yüzdeleri, şişme basınçları, kür süresi etkisi, basınç dayanımı ve esneklik modülü arasındaki korelasyonlar tezde sunulmuştur. Zemin numunelerinin mineralojik analizi sonucunda, Esenboğa Kilinin büyük oranda illit mineralinden oluştuğu tespit edilmiştir (%87). Ancak, içeriğindeki smektit minerallerinin de ihmal edilemeyecek miktarda olduğu görülmüştür (%4). Öte yandan, Bilkent Kilinin tamamının paligorskit kil mineralinden oluştuğu ortaya çıkmıştır. Esenboğa Kili için şişme dikkate alındığında, optimum kireç miktarı yaklaşık %3'tür. Yüzeysel yapıların (otoyol, demiryolu vb.) alt temel tasarımlarında bu optimum değer referans olarak kabul edilebilir. Bu referans değerle şişme deneyine başlanarak, bu değerin tasarım kriterlerini sağlamaması durumunda referans değer artırılabilir. Laboratuvarda yapılan şişme yüzdesi deneyleri, Esenboğa Kili için yaklaşık %8 kireç içeriğinin Türkiye'deki Karayolları Standartlarına göre ancak yeterli olduğunu göstermektedir. Diğer yandan, laboratuvar deneyleri uçucu kül katkısının bu tür aşırı yüksek plastisiteli ya da çok yüksek plastisiteli zeminlerde tek başına yeterli olmayabileceğini göstermektedir. Esenboğa Kili'nde, şişme basınçları %20-%25 uçucu kül katkısı eklenen numunelerde, %7-%9 kireç eklenen numunelere göre yaklaşık 6.5 kat daha fazladır. Optimum su içeriğinde (suya boğulmamış) ve suya boğulmuş şekilde hazırlanan katkılı numunelerin serbest basınç dayanımları dikkate alındığında ise optimum su içeriğinde hazırlanan numunelerde serbest basınç dayanımları %5 kireç içeriğine kadar suya boğulmuş numunelere göre daha yüksektir. Suya boğulan numunelerin dayanımları özellikle %7'den başlayarak ortamda suyun varlığı ile gerçekleşen sertlik kazanma ya da puzolanik olarak adlandırdığımız reaksiyonlara bağlı olarak optimumda hazırlanan numunelerin dayanımını geçmektedir. Bu araştırmada kür sürelerinin, farklı oranlarda kireç ile iyileştirilen aşırı yüksek plastisiteli Esenboğa Kili'ne etkisi araştırılmıştır. Esenboğa Kilinde, 28 ve 56 günlük kür sürelerinde şişme yüzdesinin sıfırlara düştüğü optimum kireç yüzdesi %5'tir. Bu durumda %5 kireç miktarında 28 günlük kür süresi izin verilebilir şişme yüzdesinin sağlanabilmesi için oldukça yeterlidir. Benzer sonuç şişme basıncı için de geçerlidir. Optimum su içeriğinde (suya boğulmamış) ve suya boğulmuş şekilde hazırlanan doğal ve katkılı numunelerde serbest basınç deneyi yapılmıştır.Özellikle optimum su içeriğinde hazırlanan numunelerde serbest basınç dayanımlarında, kürlü numunelerde kürsüz numunelere göre oldukça büyük artışlar dikkat çekmiştir. Kür süresi açısından 28 günlük periyot optimum kabul edilebilir. Farklı kireç içeriklerinde 7, 28 ve 56 gün kür süreleri için hazırlanan tüm numunelerde, suya boğulan numunelerin serbest basınç dayanımlarının optimum su içeriğinde hazırlanan numunelere göre her zaman daha düşük olduğu görülmüştür. Şişme söz konusu olduğunda, Bilkent Kili için optimum kireç ve uçucu kül içerikleri sırası ile yaklaşık %3 ve %10 olarak bulunmuştur. Kireç uçucu küle nazaran daha etkili olduğundan, uygun miktarlardaki kireç içeriği tasarım kriterlerini sağlamada büyük ihtimalle tek başına yeterli olacaktır. Laboratuvar deneyleri göstermektedir ki; şişme dikkate alındığında Bilkent Kili'nde şişme kriterleri %9-%10 kireç içeriğinde sağlanmaktadır. Öte yandan, laboratuvar deneylerinde, bu tür çok yüksek plastisiteli killerde şişme özellikleri açısından tasarım kriterlerini sağlamada uçucu külün tek başına yeterli bir katkı olmayabileceği saptanmıştır. Kireç katkısının şişme davranışı üzerindeki etkisi şişme basıncı deneylerinde de gözlemlenmiştir. Bilkent Kili'nde elde edilen şişme basınçları %20-%25 uçucu kül katkısı eklenen numunelerde %7-%9 kireç eklenen numunelere göre yaklaşık 2.7 kat daha fazladır. Metilen mavisi test sonuçları yukarıdaki sonuçlar ile uyumludur. Şöyle ki, kireç miktarının artmasına bağlı olarak şişme basınç ve yüzdeleri azaldığı gibi aynı şekilde metilen mavisi değerleri (MBV) ve aktivite de azalmaktadır. Ortalama esneklik modülü değerlerine bakıldığında, Esenboğa Kili için, %3 kireç içeriğinin hem kürsüz hem de kürlü numuneler için oldukça verimli olduğu görülmüştür. Bu kil için 56 günlük kür zamanında maksimum ortalama esneklik modülleri elde edilmiştir. Bilkent Kili'nde kürsüz ve 7 gün kürlü numuneler için %3 kireç içeriği verimli kabul edilebilir. Ancak 28, 56 ve 90 kür süreleri için %7 kireç içeriği genelde en yüksek esneklik modülü artışlarını göstermektedir. 90 gün kür süresinde her zaman en yüksek modül değerleri elde edilmiştir. Bilkent Kili'nin %100 palikorskit mineralinden oluşmasının sonuçları etkilediği düşünülmektedir. Bu araştırmada elde edilen sonuçlar, sönmüş kireç katkısının, Ankara'da iki farklı sahadan alınan aşırı derecede yüksek (Esenboğa Kili) ve çok yüksek (Bilkent Kili) plastisiteli şişen killerin iyileştirilmesinde özellikle şişme özellikleri dikkate alındığında tek başına oldukça etkili olduğunu göstermektedir. Ancak bu sonucun endüstriyel bir atık olan uçucu kül için geçerli olmadığı görülmüştür. Bu sebepledir ki uçucu külün bu tür aşırı derecede yüksek plastisiteli şişen killerin şişmeye bağlı tasarım kriterlerini sağlayabilmesi için, kireç ve/veya çimento gibi kalsiyum bazlı başka katkılarla beraber kullanılması önerilmektedir. Endüstriyel bir atık olan uçucu külün zemin iyileştirmesinde kullanılarak değerlendirilmesi özellikle ekonomik ve çevresel açılardan oldukça avantajlıdır.
Özet (Çeviri)
Soils with high plasticity and high swell potential have great volume changes due to water content fluctuations in an unstable manner. As a result of this expansion, the pavements and/or lightweight structures, which are settled on that kind of subsoils, are damaged. Expansive soils can be improved by adding chemical stabilizers such as lime, fly ash, micro cement, etc. The resilient modulus value, on the other hand, provides a basic relation between the stress and strain of the material in order to perform the structural analysis of the layered pavement systems under cyclic conditions. Lime and fly ash are the most popular agents used in chemical stabilization method. However, it is not very clear whether these agents are effective enough or not effective at all in very highly or extremely highly plastic clays. Moreover, swell and shrinkage characteristics of the lime and fly ash stabilized soils are not well-known when compared to the strength behavior of the treated soils. Another not well-known aspect of the subject is cyclic loading properties of the native expansive soils and stabilized soil-agent mixtures. It is believed that the resilient modulus properties are needed to be investigated in this context. Finally, the effect of mineralogical composition of the clay soils and chemical components of the agents are believed to be investigated as far as the swelling is concerned. The clays and the lime and fly ash agents used in this research are identified by means of Rietveld, XRD and XRF tests. SEM analyes have also been performed. In this research, static and cyclic loading properties of the two natural clays, which are extremely highly and very highly plastic expansive soils, are investigated by utilizing lime and fly ash agents for stabilization. Lime has been considered as chemically active additive. Fly ash, on the other hand, is considered as filler material and its experimental results can be accepted as reference values to compare them with the results of lime. Static research has been executed with special reference to swelling behavior. Resilient modulus properties have been examined under variable stress states within the scope of dynamic research. Two different soil samples, which are taken from different sites of Ankara, have been investigated. They are namely, Esenboğa and Bilkent Clays. Esenboğa Clay is an extremely highly plastic clay (PI=101%). Bilkent Clay is a very highly plastic clay (PI=76%). Both disturbed and undisturbed soil samples have been taken from both sites. Firstly, reference tests (index etc.) have been carried out on untreated natural soil samples. Then, both clays are mixed with the lime and fly ash agents separately at different percentages of dry weight of the soil (i.e. 1%, 3%, 5%, 7% and 9% for lime, and 5%, 10%, 15%, 20% and 25% for fly ash). Methylene blue tests have been performed on untreated and lime-treated Esenboğa and Bilkent Clays for each percentage. The oedometer tests have been performed to determine the swelling and compressibility characteristics of the soil samples. The unconfined compression tests have been executed for both non-soaked and soaked conditions. These static tests have also been performed for Esenboğa Clay with lime agent at each percentages prepared for 7, 28 and 56-days curing periods. The Esenboğa and Bilkent Clays, which are mixed with the lime agent at different percentages of dry weight of the soil (1%, 3%, 5%, 7% and 9%), have been tested for the determination of resilient modulus values. Resilient moduli have also been found for soil samples prepared for 7, 28, 56 and 90-days curing periods in each lime percentages. SEM analyses have been performed for 7% lime-treated Esenboğa Clay and also for natural Esenboğa and Bilkent Clays. Optimum values have been evaluated for swell potential and compressive strength. The correlations between the agent percentages and index properties, the swell percentage, the swell pressure, time effect, compressive strength and resilient modulus are presented. As a result of mineralogic analyses of the soil samples, it is understood that the Esenboğa Clay is composed of mainly illite (about 87%). However, it is determined that the amount of smectite minerals are not negligible (about 4%). It is interesting to note, on the other hand, that the Bilkent Clay is completely composed of palygorskite (attapulgite) mineral. The optimum lime content is about 3% as far as the swelling is concerned in Esenboğa Clay. In a design of sub-base of surficial structures, this optimum lime content can be taken as a reference. Swell tests should be executed with this reference value. In case of not satisfying the design criteria, this optimum lime content should be increased. Laboratory swell percentage tests show that about 8% lime content for Esenboğa Clay may just be sufficient for design criteria according to Highway Standards in Türkiye. Laboratory tests show, on the other hand, that the fly ash agent may not be sufficient alone for swelling design criteria in such type of extremely and/or very highly plastic clays. Lime agent effect on swelling behavior, therefore, is much more effective than the effect of fly ash agent. Swell pressures are about 6.5 times greater in fly ash improvement with 20 to 25% amounts than the pressures found in lime improvement with 7 to 9% amounts in Esenboğa Clay. When the variation of unconfined compressive strength with lime content for non-soaked and soaked conditions is considered without curing, it is noticed that the unconfined compressive strengths are greater in non-soaked condition up to 5% lime content. Starting from 7% however, the strengths are greater in soaked condition due to self-hardening mechanism which can be called also as pozzolanic reactions. Time effect of lime stabilization in the extremely highly plastic Esenboğa Clay has been investigated in this research. For the curing period of 28 days, 5% lime content is the optimum content at which the swell percentage is decreased to null in Esenboğa Clay. This result is also valid in swell pressure tests. Soaked and non-soaked samples have been tested to get unconfined compressive strengths in Esenboğa Clay with different curing periods. It has been concluded that the unconfined compressive strengths increase dramatically as compared to non-cured strengths for all cure periods especially for non-soaked samples. 28-day curing period can be accepted as optimum. Unconfined compressive strengths of soaked samples are always lower than the ones in non-soaked condition in all lime contents for curing periods of 7, 28 and 56 days. The optimum lime and fly ash contents for Bilkent Clay are about 3% and 10% respectively as far as the swelling is concerned. Since lime is more effective than the fly ash, it is highly probable that the design criteria are to be satisfied at reasonable lime contents. Laboratory swell percentage tests show that 9% to 10% lime content for Bilkent Clay may be sufficient in a transportation sub-structure design as far as the swelling criteria are concerned. Laboratory tests show that the fly ash agent may not be sufficient alone for swelling design criteria in such type of very highly plastic clays. The effectiveness of lime agent on swell behavior can also be observed in swell pressure tests in Bilkent Clay. Swell pressures are about 2.7 times greater in fly ash improvement with 20 to 25% amounts than the pressures found in lime improvement with 7% to 9% amounts in Bilkent Clay. The methylene blue test results obtained are compatible with the results mentioned above. That is to say, the swell pressure and the swell percentages along with the methylene blue (MBV) and activity values decrease with the increase in lime content. When the variation in the mean resilient modulus values are considered for the extremely highly plastic Esenboğa Clay, 3% lime content seems quite effective for both non-cured and cured samples. 56-days curing period gives maximum mean resilient modulus values in this clay. In Bilkent Clay which is very highly plastic, 3% lime content can be accepted effective at early stages (i.e. at non cured and 7 days cured conditions) as far as the mean resilient modulus values are concerned. However, 7% lime content gives generally maximum increases in resilient modulus values at later cure periods of 28, 56 and 90 days. 90-days curing period gives always maximum resilient modulus value in the tests for Bilkent Clay. It should be noticed here that the Bilkent Clay is composed of 100% palygorskite clay mineral which may influence the results. The results achieved in this research show that lime agent alone can be utilized quite effectively in the extremely highly and/or very highly plastic expansive clays obtained from two different construction sites in Ankara, especially on the swelling properties. However, this result is not valid for the agent fly ash which is an industrial waste. It is recommended to use fly ash with a calcium-based agent like lime or cement to improve such type of very highly plastic expansive clays in terms of swelling criteria since utilizing fly ash especially is quite advantageous from an economical and environmental points of view.
Benzer Tezler
- Enerji iletim hatlarında yorulma olayları
Fatigue phenomenon on electric power transmission lines
NİHAT İNANÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
1992
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF. DR. NESRİN TARKAN
- Moment aktaran alın levhalı birleşimlerin çevrimsel yükler altında davranışı
Behaviour of end-plate moment connections under cyclic loading
ALİRIZA İLKER AKGÖNEN
Doktora
Türkçe
2015
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CAVİDAN YORGUN
- Investigation of short and long term stabilities of boron added bentonite and sand-bentonite mixtures under static and cyclic thermal conditions
Bor katkılı bentonit ve kum-bentonit karışımlarının kısa ve uzun dönem stabilitelerinin statik ve döngüsel termal koşullar altında incelenmesi
ŞÜKRAN GİZEM ALPAYDIN
Doktora
İngilizce
2024
İnşaat MühendisliğiDokuz Eylül Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YELİZ YÜKSELEN AKSOY
- Soil improvement by Polyurethane-Bitumen
Zemin güçlendirmesi Polyurethane-Bitumen etkisinde
ATEFEH SOROORİ SARABİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Deprem Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiDeprem Mühendisliği ve Afet Yönetimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYFER ERKEN