Evaluating the efficacy of polyethylene glycol and magnesium chloride as anti-freeze agents on the mechanical properties of clays subjected to freeze-thaw cycles
Polietilen glikol ve magnezyum klorürün antifriz maddeleri olarak donma-çözülme döngülerine maruz kalan killerin mekanik özellikleri üzerindeki etkinliğinin değerlendirilmesi
- Tez No: 901566
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ BERRAK TEYMÜR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 155
Özet
İnşaat sektörü, olumsuz hava koşulları nedeniyle ciddi zorluklarla karşı karşıya kalmaktadır, bu da proje takvimlerini ve maliyetlerini önemli ölçüde etkilemektedir. Dünya genelinde inşaat projelerinin yaklaşık %45'i hava koşullarından kaynaklanan aksaklıklar nedeniyle gecikmekte ve her yıl milyarlarca dolarlık ek maliyetlere neden olmaktadır. Bu zorluklar, özellikle donma-çözülme (D-Ç) etkisinin belirgin olduğu yol yapım projelerinde daha da belirgindir. Donma-çözülme döngüleri, mühendislik amaçları için kritik olan zemin özelliklerini önemli ölçüde değiştirmekte ve yol yapımında ciddi riskler oluşturmaktadır. Bu döngüler, zeminin stabilitesini ve dayanıklılığını tehlikeye atarak, özellikle orta ve yüksek enlemler ile yüksek rakımlı bölgelerde belirgin değişikliklere yol açmaktadır. Donma-çözülme döngüleri, zemin stabilitesi ve geçirgenliğini bozarak, kuruma çatlakları ve gözenek genişlemesine neden olur ve bu da su tutma ve drenaj problemlerine yol açar. Ayrıca, bu döngüler zemin mukavemetini ve kohezyonunu azaltarak, erozyon ve yüzey akışına karşı zemini daha hassas hale getirir. Donma-çözülme döngüleri, gevşek zeminlerin hacmini azaltırken, yoğun zeminlerin hacmini arttırarak zemin yapılarına zarar verir. Bu durum, aynı zamanda, düzensiz donma kabarması, çözülme oturmaları ve temel bütünlüğünün bozulması gibi yapısal arızaları hızlandırır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için geleneksel yöntemler, zeminleri çimento veya kireçle karıştırmayı içerir. Ancak, son yıllarda araştırmacılar, zararları en aza indirmek için çeşitli yenilikçi katkı maddelerini incelemiştir. Bu alternatifler arasında uçucu kül, alkali ile aktive edilmiş volkanik kül ve cüruf, mikrobiyal indüklenmiş biyopolimerler, faz değişim malzemeleri, geri dönüştürülmüş polimer ve doğal lifler, kimyasallar ve polimerler gibi maddeler bulunmaktadır. Ancak, tüm bu iyileştirme yöntemlerinin ortak bir özelliği, D-Ç döngüleri sonrasında nihai zemin mukavemetinin, D-Ç döngülerinden önceki başlangıç mukavemetine göre azalması ve önemli ölçüde hacim değişikliklerine maruz kalmalarıdır. Donma-çözülme döngülerinin neden olduğu hasarları önlemenin bir diğer yolu, zemine antifriz maddelerle iyileştirmektir. Bu yöntem, zemin neminin donmasını önleyerek buz merceklerinin oluşumunu ve dolayısıyla çatlamayı engellerken, sıkıştırılmış zemin yapısının bütünlüğünü korur. Çeşitli antifrizlerin zeminler üzerindeki etkisi ile ilgili araştırmalar nispeten sınırlıdır. Bu maddelerden biri, çeşitli uygulamaları olan bir tür Etilen Glikol olan Monoetilen Glikol'dür (MEG). Ancak, MEG'in antifriz olarak kullanımı üzerine yapılan bir çalışma, MEG'in kil üzerindeki olumsuz etkileri nedeniyle antifriz olarak uygun bir malzeme olmayabileceğini önermektedir. Bu çalışmanın bulguları, MEG ile karıştırılmış zeminin dayanım ve sertliğinin karışım oranı arttıkça azaldığını göstermektedir. Dolayısıyla, soğuk havalarda antifriz olarak bilinen Monoetilen Glikol'ün (MEG) kullanımı, olumsuz etkileri nedeniyle uygun olmayabilir. Bu tezde, önemli antifriz özelliklerine sahip olduğu bilinen Polietilen Glikol (PEG 400) kullanılarak alternatif ve daha etkili bir antifriz arayışında deneyler yapılmıştır. Ancak, Atterberg limitleri, standart proktor ve serbest basınç testleri sonrası, PEG 400'ün uygun olmadığı sonucuna varıldı. PEG 400, Atterberg limitlerini önemli ölçüde artırdı ve zemin mukavemetini ciddi şekilde azalttı. Sonuç olarak, killi zeminin dayanımını etkilemeden antifriz etkisi sağlayacak alternatif bir malzeme arayışına girildi ve Magnezyum Klorür (MgCl2) umut verici bir çözüm olarak belirlendi. Magnezyum Klorür (MgCl2) çözeltisinin zeminlerin mekanik özellikleri üzerindeki etkilerini stabilizatör olarak inceleyen çalışmalar, zemin mühendislik özelliklerinde iyileşmeler göstermiştir. Ancak, MgCl2'nin donma-çözülme koşullarında antifriz maddesi olarak zemin özelliklerine etkisi henüz araştırılmamıştır. Bu çalışma, suda çözünür magnezyum klorür (MgCl2) çözeltisinin kil zeminin fiziksel ve mekanik özellikleri üzerindeki etkilerini, donmamış koşullarda ve donma-çözülme döngüleri sonrasında incelemeyi amaçlamaktadır. Bu doğrultuda, çalışmada, çeşitli deneyler gerçekleştirilmiş; Atterberg limitleri, standart proktor, serbest basınç dayanımı (UCS) testleri ve MgCl2 çözeltisi ile iyileştirilmiş zemin numuneleri üzerinde donma-çözülme (D-Ç) döngüleri uygulanmıştır. Ayrıca, MgCl2 çözeltisinin zeminle etkileşimini mikroyapısal düzeyde anlamak amacıyla taramalı elektron mikroskobu (SEM), X-ışını difraksiyonu (XRD) ve Fourier dönüşüm kızılötesi spektroskopisi (FTIR) kullanılarak mikroyapısal analizler de yapılmıştır. PEG çözeltisi ile ilgili test sonuçları, PEG konsantrasyonlarının artmasıyla birlikte Atterberg limitlerinde sürekli bir artış gözlemlenmiştir. PEG ile karıştırılmış zemin numuneleri için sıvı limit (L.L) %37, plastik limit (P.L) %19 ve plastiklik indeksi (P.I) %18 olan değerler, %50 PEG çözeltisi ile sırasıyla %55, %22 ve %32 olmuştur. PEG konsantrasyonlarının artmasıyla birlikte maksimum kuru yoğunluk17.5 kN/m³'ten 15.2 kN/m³'e düşmüş ve optimum su muhtevası %19'dan %28'e yükselmiştir. PEG konsantrasyonlarının artması, zemin dayanımında azalmaya yol açmıştır. Ancak, PEG'in kil üzerinde antifriz etkisini incelemek amacıyla, karıştırılmamış numuneler ve %10, %20, %30, %40 ve %50 PEG çözeltileri ile karıştırılmış numuneler üzerinde -20°C'de tek bir donma-çözülme döngüsü uygulanmıştır. Sonuçlar, yüksek PEG konsantrasyonlarının kilin mukavemetini önemli ölçüde azalttığını gösterdi; %50 PEG çözümü mukavemeti %68 oranında azalttı. Bu sonuç PEG'in hidrofilik yapısından dolayı bekleniyordu. Öte yandan, %40 ve %50 konsantrasyonlarındaki PEG, -20°C'de bir donma-çözülme döngüsünden sonra mukavemet kaybını önlerken, karıştırılmamış numunede %27'lik bir mukavemet azalması yaşandı. Bu, yüksek PEG konsantrasyonlarının antifriz olarak buz merceği oluşumunu önlediğini göstermektedir. Ancak, PEG'in su tutma özellikleri nedeniyle zemin yapısını olumsuz etkilediği ve başlangıçta dayanımı önemli ölçüde azalttığı için PEG'in kil stabilizatörü olarak uygun olmadığı sonucuna varıldı. PEG'in kil mukavemetini azaltması nedeniyle, PEG'in kil-çimento karışımı üzerindeki etkileri de incelendi. Ancak, sonuçlar, PEG'in kil-çimento karışımının mukavemetini de önemli ölçüde azalttığını göstermiştir. Donma-çözülme döngüsü sonrası yapılan mukavemet testlerindede, yüksek PEG konsantrasyonlarının bile mukavemet kaybını önleyemediği ve kil-çimento karışımının mukavemetinin daha da azaldığı görülmüştür. Bu, PEG'in çimento hidratasyon sürecini olumsuz etkilediğini ve genel olarak mukavemeti azalttığını göstermektedir. MgCl2 çözeltisi ile yapılan testlerin sonuçları ise oldukça olumludur. Yüksek MgCl2 konsantrasyonları, zeminin Atterberg limitlerini önemli ölçüde azaltmıştır. %14 MgCl2 konsantrasyonunda, Likit limit %14, plastik limit %9 ve plastisite indeksi %19 oranında azalmıştır. Bu azalma, çift değerlikli magnezyum iyonlarının katyon değişimi süreci ile ilişkilidir ve difüze çift katman kalınlığının azalması sonucu meydana gelmiştir. Ayrıca, MgCl2'nin zeminin kompaksiyon değerlerini de iyileştirdiği gözlemlendi; maksimum kuru yoğunluk 17,4 kN/m³'ten 17,89 kN/m³'e yükseldi ve optimum su muhtevası %19'dan %17,7'ye düştü. Bu değişiklikler, hızlı katyon değişimi sonucu zemin parçacıklarının topaklaşması ve birikmesi nedeniyle meydana gelmiş, bu da kilin su emilimini azaltmış ve kuru yoğunlukları arttırmıştır. MgCl2 çözeltisi eklenmesi, zemin dayanımını da önemli ölçüde artırmıştır. %4, %9 ve %14 MgCl2 konsantrasyonları için gözlemlenen dayanım artışları sırasıyla %9, %26 ve %38 olmuştur. Kürleme süresi dayanım üzerinde küçük bir etki göstermiştir, %14 MgCl2 çözeltisi ile iyileştirilmiş numunelerde sadece %5 dayanım artışı görülmüştür. Donma-çözülme döngüleri altında dayanıklılık testleri, -10°C ve -20°C'de kürlenmemiş ve 7 ile 28 gün süreyle kürlenmiş numuneler üzerinde gerçekleştirilmiştir. Bu testler, MgCl2'nin kil üzerindeki antifriz ve stabilizasyon etkilerini değerlendirmiş ve soğuk koşullarda bütünlüğü korumak için optimal konsantrasyonları belirlemiştir. Dayanıklılık indeksi (DI), donma-çözülme döngüleri öncesi ve sonrası UCS oranlarını karşılaştırarak iyileştirme sonrası stabiliteyi ölçmek için kullanılmıştır. -10°C'de, %9 ve %14 MgCl2 çözeltileri ile iyileştirilmiş zeminler, 7 donma-çözülme döngüsü boyunca dayanım ve DI değerlerini korumuş, %4 MgCl2 çözeltisi ise daha az etkili olmuştur. İyileştirilmemiş numuneler, 7 döngü sonrasında DI'nin 0.41'e düşmesiyle dayanım kaybı yaşamış, %4 MgCl2 çözeltisi ile iyileştirilmiş numuneler ise 0.59'a düşmüştür. -20°C'de, iyileştirilmemiş ve %4 MgCl2 çözeltisi ile iyileştirilmiş zeminler önemli ölçüde dayanım kaybı yaşamış, %9 çözeltisi ile iyileştirilmiş numuneler daha küçük bir dayanım kaybı sergilemiş ve %14 çözeltisi ile iyileştirilmiş numuneler ise 7 döngü boyunca dayanımlarını korumuştur. -20°C'de DI değerleri, iyileştirilmemiş numunelerde 0.31'e, %4 ve %9 MgCl2 çözeltileri ile iyileştirilmiş numunelerde ise sırasıyla 0.55 ve 0.70'e düşmüştür. Bu bulgular, soğuk iklimlerde zemin stabilitesi için MgCl2 konsantrasyonlarının hassas ayarlanması gerektiğini vurgulamakta ve katkı maddesi konsantrasyonu, sıcaklık ve zemin dayanıklılığı arasındaki ilişkiyi ortaya koymaktadır. Hacim değişimi testleri, -10°C ve -20°C'de gerçekleştirilmiştir. -10°C'de, iyileştirilmemiş ve %4 MgCl2 çözeltisi ile iyileştirilmiş numuneler donma-çözülme döngüleri ile genişlemiştir. Ancak, %4 MgCl2 çözeltisi ile iyileştirilmiş numuneler daha az genişlemiştir. %9 ve %14 MgCl2 ile iyileştirilmiş numuneler ise hacim değişikliği göstermemiştir. -20°C'de, %9 MgCl2 çözeltisi ile iyileştirilmiş numuneler genişleme göstermiş, ancak iyileştirilmemiş ve %4 MgCl2 ile iyileştirilmiş numunelere kıyasla daha az genişleme göstermiştir. %14 MgCl2 ile iyileştirilmiş numuneler ise hacimlerini korumuştur. Mikroyapısal analizler, MgCl2'nin zemin yapısında önemli değişiklikler meydana getirdiğini göstermiştir. XRD ve FTIR analizleri, iyileştirilmemiş ve %14 MgCl2 çözeltisi ile iyileştirilmiş zemin numuneleri arasında difraksiyon desenlerinde kayda değer bir fark olmadığını ve yeni kimyasal bağların tespit edilmediğini göstermiştir. Bu sonuçlar, MgCl2'nin zemin üzerindeki işlevsel gruplar üzerinde minimal bir etkiye sahip olduğunu önermektedir. SEM analizleri, katkı maddesi eklenmesiyle zemin flokülasyonunun ve sonrasında partikül boyutu büyümesinin net kanıtlarını sağlamıştır. Bu mikroyapısal değişiklikler, zeminlerin gözlemlenen geoteknik özelliklerindeki değişimlerle uyumlu olmuştur. Donma-çözülme koşulları altında MgCl2 ve PEG'in karşılaştırmalı analizi, MgCl2'nin zemin mukavemetini, dayanıklılığını ve hacim stabilitesini arttırmada daha iyi performans gösterdiğini ortaya çıkardı. MgCl2'nin etkinliği, buz merceği oluşumunu önleyen ve yapısal bütünlüğü koruyan katyon değişimi ve antifriz özelliklerinden kaynaklanmaktadır. Buna karşılık PEG, su tutma oranını artırarak kuru birim hacim ağırlığı ve genel zemin mukavemetini azaltır. Ek olarak, yüksek MgCl2 konsantrasyonları zeminin sıkışmasını iyileştirir, maksimum kuru yoğunluğu arttırır ve zemin parçacıklarının topaklaşması ve toplanması nedeniyle optimum nem içeriğini azaltır. Bu bulgular, MgCl2 çözeltilerinin uygun konsantrasyonlarda kullanıldığında PEG'den daha etkili antifriz ve stabilizatör olduğunu, zorlu koşullar altında zemin stabilizasyonunda tercih edildiğini göstermektedir. Ancak gelecekteki araştırmalar, MgCl2 konsantrasyonlarını yerel iklim ve zemin özelliklerine göre ayarlamaya ve pratik uygulamalarını daha iyi anlamak ve gerçek dünyadaki performansını doğrulamak için geniş ölçekli saha testleri yapmaya odaklanmalıdır. Son olarak, bu çalışma MgCl2'nin soğuk iklimlerde zemin stabilizasyonu için etkili bir çözüm olduğunu, inşaat projelerinin ve zemin dolgularının dayanıklılığını ve güvenilirliğini artırma potansiyeli olduğunu vurguluyor ve MgCl2'nin pratik uygulamalarını genişletmek için daha fazla araştırma öneriyor.
Özet (Çeviri)
The construction industry frequently encounters significant challenges due to adverse weather conditions, leading to project delays and increased costs. Approximately 45% of global construction projects are interrupted by weather-related incidents, resulting in billions of dollars in additional expenditures annually. One critical issue in colder climates is the impact of freeze-thaw (F-T) cycles, which disrupt soil stability and permeability, causing cracks, expanding pore spaces, and affecting water retention and drainage. These cycles reduce soil strength and cohesion, increasing the risk of erosion and runoff and compromising the structural integrity of construction projects. Traditional soil stabilization methods, such as mixing soils with cement or lime, have limitations, particularly in mitigating the effects of F-T cycles. These methods often fail to prevent the loss of soil strength and volume changes after successive F-T cycles, necessitating the development of more robust solutions. This study investigates the potential of Polyethylene Glycol (PEG 400) and magnesium chloride (MgCl2) solutions as antifreeze and stabilizing agents for fine-grained soils. The research evaluates the effects of these solutions on soil properties, including plasticity, strength, and durability, under both unfrozen conditions and after F-T cycles. By understanding these effects, the study seeks to identify effective methods to mitigate the detrimental impact of F-T cycles on soil embankments in cold climates. Initial experiments with PEG 400 included Atterberg limits tests, compaction tests, unconfined compressive strength (UCS) tests, and a single F-T test at -20°C. The results indicated that higher concentrations of PEG increased the soil's Atterberg limits, decreased the maximum dry density, and increased the optimum water content. Although PEG acted as an antifreeze by preventing strength loss after one F-T cycle at higher concentrations, it significantly reduced soil strength initially due to its hydrophilic properties, rendering it ineffective as a stabilizing additive. Further tests on a clay-cement mixture with PEG showed that PEG significantly reduced the strength of the mix. Strength tests after one F-T cycle at -5°C revealed that higher concentrations of PEG could not prevent strength loss and further decreased the mixture's strength. This indicated that PEG negatively affected the cement hydration process, making it unsuitable for soil stabilization in cold climates. In contrast, MgCl2 showed more promising results. A comprehensive range of tests, including Atterberg limits tests, UCS tests, compaction tests, volume change measurements, F-T cycle tests, and microstructural analyses using FTIR, SEM, and XRD, demonstrated that higher concentrations of MgCl2 (14% solution) significantly lowered the soil's Atterberg limits, improved compaction by increasing the maximum dry density and reducing the optimum water content, and enhanced soil strength even without curing. Curing showed minor effects, with higher MgCl2 concentrations further improving UCS. MgCl2 also demonstrated durability under F-T cycles, maintaining soil strength and volume stability. Durability index (DI) values quantified the stability of MgCl2-treated soils after F-T cycles. At -10°C, soils treated with 9% and 14% MgCl2 solutions maintained their strength through seven F-T cycles, whereas untreated and 4% MgCl2-treated soils showed significant strength reductions. At -20°C, untreated and 4% MgCl2-treated soils lost considerable strength, while 9% MgCl2-treated samples exhibited smaller strength reductions, and 14% MgCl2-treated samples maintained consistent strength across seven cycles. DI values confirmed that precise MgCl2 concentration adjustments are crucial for soil stability in cold climates. Volume stability tests showed that untreated and 4% MgCl2-treated samples expanded with F-T cycles, while 9% and 14% MgCl2-treated samples showed no significant volume changes, indicating effective stabilization. Microstructural analyses revealed that MgCl2 promoted clay flocculation and particle size enlargement, aligning with observed improvements in soil properties. Comparative analysis of MgCl2 and PEG under F-T conditions highlighted MgCl2's superior performance in enhancing soil strength, durability, and volume stability. MgCl2's ability to improve soil properties and maintain structural integrity under challenging environmental conditions makes it a more effective antifreeze and stabilizing agent than PEG. The findings suggest that adopting MgCl2 as a stabilizing and antifreeze agent can significantly improve the performance of soil embankments in cold climates. By preventing the adverse effects of F-T cycles, MgCl2 ensures that construction projects can continue during colder periods, reducing delays and associated costs. This research provides a foundation for future studies to explore the full potential of MgCl2 in various geotechnical applications and contribute to the development of more resilient infrastructure in regions prone to harsh weather conditions. In summary, this thesis provides compelling evidence that MgCl2 is an effective antifreeze and stabilizing agent for fine-grained soils in cold climates. Its ability to improve soil properties, maintain structural integrity, and enhance durability under F-T cycles makes it a valuable additive for the construction industry. Future research should build on these findings to optimize MgCl2 concentrations for different soil types and climatic conditions, ultimately contributing to the development of more resilient and sustainable infrastructure.
Benzer Tezler
- Transforme edici büyüme faktörü beta-3 (TGF-β3) yüklü nanopartiküllerin sıçanlarda aşil tendon iyileşmesi üzerine etkilerinin araştırılması
Evaluation of the effect of transforming growth factor beta-3 (TGF-β3) loaded nanoparticles on healing in a rat achilles tendon injury model
RIZA MERT ÇETİK
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2021
Ortopedi ve TravmatolojiHacettepe ÜniversitesiOrtopedi ve Travmatoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET AYVAZ
- Antioksidan ajanların deneysel olarak oluşturulan radyasyona bağlı akciğer fibrozu üzerinde etkinliğinin histopatolojik olarak değerlendirilmesi
Histopathological evaluation of antioxidants' effectiveness on experimentally radiation induced lung fibrosis
BİLGEHAN ŞAHİN
Tıpta Uzmanlık
Türkçe
2011
Radyoloji ve Nükleer Tıpİstanbul ÜniversitesiRadyasyon Onkolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ETHEM NEZİH ORAL
- İrinotekan ve STAT3 inhibitörü yüklü PLGA-PEG nanopartiküllerinin küçük hücreli akciğer kanserine aktif hedeflendirilmesi ve In vivo-In vitro değerlendirilmesi
Active targeting of irinotecan and STAT3 inhibitor loaded PLGA-PEG nanoparticles to small cell lung cancer and In vitro-In vivo evaluation
FATMA BETÜL ÇAM
Doktora
Türkçe
2023
Eczacılık ve FarmakolojiHacettepe ÜniversitesiFarmasötik Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEMA ÇALIŞ
DOÇ. DR. KIVILCIM ÖZTÜRK
- The preparation of theragnostic immunoliposomes/immunoniosomes for the diagnosis and therapy of parkinson's disease
Parkinson hastalığı'nın teşhis ve tedavisi için teranostik immünolipozom/immunoniozomların hazırlanması
MİNE SİLİNDİR GÜNAY
Doktora
İngilizce
2016
Eczacılık ve FarmakolojiHacettepe ÜniversitesiRadyofarmasi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. YEKTA ÖZER
- Kanser tedavisinde etkili nanopartikül ve kuantum noktacıklarının geliştirilmesi
The development of nanoparticles and quantum dots effective for cancer therapy
GÜLEN MELİKE DEMİR
Doktora
Türkçe
2016
Eczacılık ve FarmakolojiGazi ÜniversitesiFarmasötik Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL TUNCER DEĞİM