Sustainable stabilization of expansive soil using fly ash, olive cake ash, and zeolite mixtures: A comparative experimental study with plaxis modeling
Uçucu kül, kuru pirina külü ve zeolit karışımları kullanılarak şişen zeminlerin sürdürülebilir stabilizasyonu: Plaxis modellemeleri ile karşılaştırmalı deneysel bir çalışma
- Tez No: 904198
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MÜGE BALKAYA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 287
Özet
Bu çalışma, şişen zeminlerin stabilizasyonunda uçucu kül (FA), kuru pirina külü (OCA) ve zeolit kullanımının etkinliğini araştırmakta ve bu katkı maddelerinin şişme ile mukavemet özellikleri üzerindeki etkilerini kapsamlı bir şekilde incelemektedir. Araştırmada, %85 kaolin ve %15 bentonitten oluşan yapay bir şişen zemin karışımı kullanılmıştır. Bu çalışmanın temel amacı, özellikle şişme davranışı ve mukavemet özelliklerini iyileştirerek zemin stabilitesini artırmak olup, inşaat mühendisliğinde zemin iyileştirme uygulamaları için uygun bir katkı çözümü sunmaktır. Çalışmada FA (%5-20 arası), zeolit (%5-20 arası) ve OCA (%2.5-10 arası) oranlarında katkı maddelerinin farklı kombinasyonları denenmiş ve toplamda on yedi farklı numune hazırlanarak optimum stabilizasyon koşullarının belirlenmesi hedeflenmiştir. Deneysel program, katkı maddelerinin stabilizasyon sağlanan ve sağlanmayan zeminlerin mekanik ve şişme özellikleri üzerindeki etkilerini değerlendirmeye odaklanmıştır. Mukavemet analizleri, serbest basınç dayanımı (UCS), Kaliforniya Taşıma Oranı (CBR) ve kesme kutusu testlerini içerirken, sıkışabilirlik ve şişme potansiyelinin incelenmesi amacıyla konsolidasyon ve serbest şişme deneyleri yapılmıştır. Zemin davranışını daha kapsamlı bir şekilde anlamak amacıyla, standart Proktor, Atterberg limitleri, dane boyutu dağılımı, özgül ağırlık gibi temel deneylerin yanı sıra, X-ışını floresans (XRF) ve taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizleri gerçekleştirilmiştir. Bu analizler sayesinde, katkı maddelerinin zemin ile etkileşimi sonucunda meydana gelen mikro yapısal ve kimyasal değişimler detaylı bir şekilde incelenmiştir. Çalışmada, kullanılan katkı maddelerinin farklı zemin türleri ve çevresel koşullara karşı performanslarının anlaşılması için geniş bir analiz çerçevesi sunulmuştur. Sonuçlar, %20 FA katkısının serbest basınç dayanımını (UCS) önemli ölçüde artırdığını, mukavemet artışı açısından en uygun yüzdelik oran olduğunu göstermiştir. Düşük yüzdelerde kullanılan OCA ise %2.5 oranında optimum düzeyde mukavemet artışı sağlamış; bu artış, OCA'nın yavaş puzolanik reaksiyonu nedeniyle özellikle 28 günlük kür süresinden sonra daha belirgin hale gelmiştir. Bu bulgu, özellikle uzun vadeli projelerde OCA'nın kullanım potansiyelini vurgulamaktadır. FA ve OCA kombinasyonu, kür sonrası en yüksek mukavemeti sağlamış ve bu katkı maddelerinin sinerjik etkilerini ortaya koymuştur. Zeolit de, özellikle %15 oranında çimento benzeri özellikleriyle UCS'yi artırmıştır. Ayrıca, CBR testlerinde FA, OCA ve zeolit katkılarıyla önemli iyileşmeler gözlenmiş, özellikle FA ile en iyi sonuçlar elde edilmiştir. Kesme kutusu deneyinden elde edilen kayma mukavemeti açısındaki iyileşme, zemin stabilitesinde sağlanan artışı da doğrulamaktadır. Genel olarak, FA ve zeolit zemin mukavemetini artırmak için en etkili katkı maddeleri olarak belirlenmiş, OCA ise kür süresinin ardından sağladığı dayanıklılıkla uzun vadeli uygulamalarda önem kazanmıştır. Bu bulgular, özellikle uzun süreli dayanıklılık gerektiren projelerde FA ve OCA'nın kullanımının avantajlarını ortaya koymaktadır. FA'nın ayrıca düşük maliyeti ve sürdürülebilir bir atık ürünü olarak erişilebilirliği, zemin stabilizasyonu projelerinde ekonomik bir alternatif oluşturduğunu göstermektedir. Şişme davranışı incelendiğinde, düşük FA oranlarının serbest şişme yüzdesini etkili bir şekilde azalttığı, ancak daha yüksek FA oranlarının beklenmedik şekilde şişmeyi artırdığı görülmüştür. Bu durum, Kangal termik santralinden elde edilen FA'nın yüksek SO3 içeriğine bağlanabilir ve farklı kaynaklardan elde edilen FA türlerinin kimyasal özelliklerinin dikkate alınması gerektiğini vurgulamaktadır. Buna karşın, OCA ve zeolit, şişme yüzdesini sürekli olarak azaltmış ve %10 FA ile %5 zeolit kombinasyonu en etkili stabilizasyonu sağlamıştır. Konsolidasyon açısından %10 FA, %2.5 OCA ve %15 zeolit, zeminin sıkışabilirliğini azaltarak ve oturmaya karşı direncini artırarak zemin stabilitesini önemli ölçüde iyileştirmiştir. Bu kombinasyonlar, özellikle yol ve bina temellerinde uzun vadeli stabilite sağlamak açısından oldukça önemlidir ve kullanım potansiyeli taşımaktadır. Maliyet analizi, T.C. Ulaştırma ve Altyapı Bakanlığı'ndan elde edilen makine, işçilik ve malzeme birim maliyetleri temel alınarak, yol yapımı için seçilen bir alan üzerinde gerçekleştirilmiştir. Analiz kapsamında her bir stabilizasyon yöntemi için toplam proje maliyeti hesaplanmış, geleneksel zemin değiştirme yöntemine göre karşılaştırmalar yapılmıştır. Analiz sonuçları, OCA kullanımının proje maliyetlerini geleneksel yöntemlere kıyasla yaklaşık %60 oranında azaltarak en maliyet etkin stabilizasyon yaklaşımı sunduğunu ortaya koymuştur. FA ise yaklaşık %36 maliyet azalması sağlayarak, uygun maliyetli bir stabilizasyon çözümü sunmuştur. OCA ve FA, yalnızca ekonomik avantaj sağlamakla kalmamış, aynı zamanda atık malzemelerin yeniden değerlendirilmesi yoluyla çevresel etkiyi azaltma potansiyelleri nedeniyle sürdürülebilir seçenekler olarak ön plana çıkmıştır. Buna karşın, zeolit, önemli ölçüde daha pahalı olup, bütçe odaklı projeler için daha az uygulanabilir olarak değerlendirilmiştir. Çevresel etki değerlendirmesi, OpenLCA yazılımı, ELCD veritabanı ve ReCiPe 2016 orta nokta yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Sonuçlar, OCA'nın özellikle küresel ısınma potansiyeli ve ozon tabakasının incelmesi gibi çevresel kategorilerde en düşük etkiye sahip olduğunu göstererek, çevre dostu bir katkı maddesi olarak öne çıkmasını sağlamıştır. İstanbul'a yakın bölgelerde sınırlı bulunması nedeniyle OCA'nın taşınması gerekse de düşük kullanım oranı ve minimal emisyon değerleri, onu çevre dostu bir seçenek haline getirmektedir. FA ve zeolit ise bazı çevresel faydalar sunmasına rağmen, OCA'nın düşük çevresel etkisine ulaşamamıştır. Kıyaslama amacıyla kullanılan çimento, özellikle enerji yoğun üretim süreci nedeniyle küresel ısınmaya en yüksek katkıyı sağlayan katkı maddesi olmuştur. Bu çevresel analiz, FA, OCA ve zeolitin sürdürülebilir zemin stabilizasyon projelerinde potansiyel alternatifler olduğunu vurgulamış, özellikle OCA'nın çevre dostu karakterini desteklemiştir. FA, OCA ve zeolitin şişen zeminlerde stabilizasyon etkinliğini incelemek amacıyla PLAXIS yazılımında Sonlu Elemanlar Yöntemi (FEM) ile bir yol yapım simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Simülasyon sonuçları, %10 FA'nın yukarı yönlü deplasman ve oturma kontrolünde en etkili katkı maddesi olduğunu göstermiştir. FA, yukarı yönlü deplasmanı yaklaşık %15 ve oturmayı %6 oranında azaltarak, yüksek stabilite gerektiren uygulamalar için uygun bir katkı maddesi olduğunu ortaya koymuştur. %15 oranında kullanılan zeolit de yukarı yönlü deplasmanı %13 oranında azaltarak olumlu xxxiii sonuçlar vermiş, ancak oturma kontrolünde FA kadar etkili olamamıştır. %2.5 OCA ise yukarı yönlü deplasmanın azaltılmasında orta düzeyde fayda sağlarken, oturma üzerinde daha sınırlı bir etki göstermiştir. Bu bulgular, genişleyebilen zeminlerde yapısal stabiliteyi artırmak için %10 FA'nın en uygun katkı maddesi olduğunu vurgulamaktadır. Sonuç olarak, bu çalışma, FA, OCA ve zeolitin şişen zeminlerin stabilizasyonunda etkili katkı maddeleri olarak kullanılabileceğini ortaya koymaktadır. FA ve zeolit, mukavemeti artırmada en başarılı katkılar olurken, OCA'nın yavaş reaksiyonu, özellikle uzun vadeli stabilizasyon projelerinde değerli bir seçenek olarak belirginleşmiştir. Maliyet ve çevresel analizler, OCA ve FA'nın geleneksel yöntemlere göre daha ekonomik ve çevre dostu alternatifler sunduğunu göstermiştir. OCA, düşük çevresel etkisi ve sürdürülebilirliği ile özellikle öne çıkmaktadır. Bu araştırma, inşaat ve çevre mühendisliğinde endüstriyel yan ürünlerin zemin stabilizasyonunda kullanımına yönelik önemli bir katkı sunmakta ve sürdürülebilir inşaat uygul.
Özet (Çeviri)
In this study, the effectiveness of fly ash (FA), olive cake ash (OCA), and zeolite in stabilizing expansive soil was investigated, focusing on their impact on swelling and strength properties. The research involved the use of an artificial expansive soil mixture composed of 85% kaolinite and 15% bentonite. Seventeen distinct samples were prepared, incorporating varying percentages of FA (5% to 20%), zeolite (5% to 20%), and OCA (2.5% to 10%), along with combinations of FA with OCA and zeolite. The aim was to identify the optimal proportions of these additives for enhancing soil stability, particularly in terms of swelling behavior and mechanical strength. The experimental program included a series of tests to evaluate the strength characteristics of both untreated and treated soils. Key tests such as unconfined compressive strength (UCS), California Bearing Ratio (CBR), and direct shear tests were performed. Additionally, consolidation and free swell tests were conducted to assess the impact of the additives on the soil's compressibility and swelling potential. The study also involved standard compaction tests, Atterberg limits, grain size distribution, specific gravity tests, XRF, and SEM analyses to provide a comprehensive understanding of the soil behavior. The results showed that adding 20% FA significantly improved the UCS of the soil, making it the most effective percentage for enhancing strength. OCA provided moderate strength gains at lower percentages, with 2.5% being the optimal amount. These gains became more pronounced after 28 days of curing due to OCA's slow pozzolanic reaction. The combination of FA and OCA produced the highest strength after curing, demonstrating strong synergistic effects. Zeolite also enhanced UCS, particularly at 15%, due to its cement-like properties. Additionally, the study found significant improvements in the CBR with the addition of FA, OCA, and zeolite, with FA showing the best results. There was also a noticeable improvement in the soil's friction angle from the direct shear test, further indicating enhanced strength and stability. Overall, FA and zeolite were the most effective additives for boosting soil strength, with OCA showing substantial potential, especially after curing. The study revealed that lower concentrations of FA effectively reduced the free swell percentage, but higher concentrations unexpectedly increased swelling, likely due to the high SO3 content in FA from the Kangal power plant. This underscores the need to consider the chemical properties of different FAs. In contrast, OCA and zeolite consistently reduced the free swell percentage, with 10% FA and 5% zeolite proving the most effective combination. For consolidation, 10% FA, 2.5% OCA, and 15% zeolite significantly improved soil stability, reducing compressibility and enhancing settlement resistance, making these combinations ideal for long-term soil stability in construction projects. The cost analysis was based on a specific land area intended for road construction, with unit costs for machinery, labor, and materials sourced from the T.R. Ministry of Transportation and Infrastructure. The total project cost was calculated for each xxx stabilization method, including soil replacement as a conventional benchmark for comparison. The analysis revealed that using OCA for soil stabilization is the most cost-effective approach, reducing project costs by approximately 60% compared to traditional methods. FA also emerged as a viable option, offering a 36% cost reduction while improving soil stability. Both OCA and FA are not only more economical but also more sustainable, as they repurpose waste materials, thereby reducing environmental impact. Conversely, zeolite was found to be significantly more expensive and less feasible for budget-conscious projects. The environmental impact assessment, conducted using OpenLCA software with the ELCD database and the Recipe 2016 midpoint method, further highlighted the advantages of OCA as the most eco-friendly stabilizer. OCA showed the lowest environmental impact across multiple categories, particularly in terms of global warming potential and ozone depletion. Although OCA needs to be transported from a distant location due to its limited availability near Istanbul, its low usage and minimal emissions make it the greenest option. In contrast, cement, which was used as a reference, exhibited the highest environmental impact, especially in contributing to global warming. While FA and zeolite offered some environmental benefits, neither matched the low impact of OCA. The simulation results from PLAXIS software, using FEM for road construction, demonstrate that 10% FA is the most effective additive for stabilizing expansive soil by controlling both upward displacement and settlement. The addition of FA reduced upward displacement by approximately 15% and settlement by 6%, making it ideal for applications requiring high soil stability. While 15% zeolite also effectively reduced upward displacement by 13%, its settlement control was less substantial than that of FA. Meanwhile, 2.5% OCA provided moderate benefits in displacement reduction but was less impactful on settlement. These findings highlight 10% FA as the optimal additive for enhancing structural stability in expansive soils.
Benzer Tezler
- Bakır endüstrisi flotasyon atıkları ve zeolitlerin beton üretiminde kullanılabilirliğinin araştırılması
Investigation of utilization possibilities of copper industry flotation waste and zeolite in concrete production
BAŞAK MESCİ
Doktora
Türkçe
2007
Çevre MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN NURİ ERGUN
- Arazi kullanım değişimlerinin peyzaj teori ve modellemesi kapsamında incelenmesi
Investigation of land use-land cover change, and modeling the landscape change
MELİZ AKYOL ALAY
Doktora
Türkçe
2016
Peyzaj Mimarlığıİstanbul Teknik ÜniversitesiPeyzaj Mimarlığı Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRİYE EŞBAH TUNÇAY
- Adaptive sustainable reuse of a post-industrial area with a biophilic approach: 'Green museum' evaluation applying virtual reality technology
Post-endüstriyel bir alanın biyofilik yaklaşım ile uyarlanabilir-sürdürülebilir yeniden kullanımı: Sanal gerçeklik teknolojisi ile değerlendirilen 'yeşil müze'
MAHTAB AHMADI KABIR
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiKentsel Tasarım Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ EREN KÜRKÇÜOĞLU
- Evaluation of co-substrate alternatives for co-digestion of sewage sludge: Coupling plant-wide modelling with life cycle analysis
Arıtma çamurunun birlikte çürütülmesi için ilave substrat alternatiflerinin değerlendirilmesi: Tesis bazlı modelleme ve yaşam döngüsü analizinin birlikte kullanılması
EMİRCAN KARA
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- Integrated nutrient removal and biogas production using microalgal and anaerobic microbial cultures
Mikroalgal ve anaerobik mikrobiyal kültürler ile entegre besiyer madde giderimi ve biyogaz üretimi
AYŞE ÖZGÜL ÇALICIOĞLU ŞENGÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Çevre MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. GÖKSEL NİYAZİ DEMİRER