Alkali ile aktive edilmiş cüruf/çimentokatkısının ince daneli zeminlerin geoteknik özelliklerine etkisi

Bu çalışmada, alkali ile aktive edilmiş hibrit cüruf/çimento kullanılarak işlenmiş yüksek plastisiteli killi zeminin stabilizasyon performansı araştırılmıştır. Zemin olarak Ukrayna kili, alüminosilikat kaynağı olarak öğütülmüş yüksek fırın cürufu (ÖYFC), bağlayıcılığı desteklemek amacıyla ise Portland çimentosu (OPC) kullanılmıştır. Alkali aktivatör olarak ise sodyum hidroksit (SH) ve sodyum silikat (SS) tercih edilmiştir. Killi zeminin stabilizasyonunda farklı içeriklere sahip 27 karışım kullanılmıştır. ÖYFC ve OPC birlikte kullanıldığında, bu iki bağlayıcının toplam oranı kilin kuru ağırlığının %20'si olacak şekilde belirlenmiştir. Alkali aktivatörler, kilin ağırlığının %10'u oranında kullanılmıştır. Aktivatör sistemi, SS ve SH karışımı olarak hazırlanmış ve SS/SH oranı 1, 3, 5 ve 7 olacak şekilde belirlenmiştir. Çalışmada ilk olarak killi zeminin bazı fiziksel ve geoteknik özellikleri belirlenmiştir. Her bir karışım ile işlenmiş killi zemine standart Proktor deneyleri uygulanarak, optimum su muhtevası (OWC) ve maksimum kuru birim hacim ağırlık (MDD) değerleri belirlenmiştir. Kil ve stabilize edilmiş killi zeminin serbest basınç dayanımı (SBD), havada kurutma ve ıslak kürleme koşulları altında 0, 3, 7, 28 ve 90 günlük kürleme sürelerinde gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, 90 günlük kür süresine sahip numunelere, her iki kür koşulunda ultrasonik darbe hızı (UPV) testi uygulanmıştır. SBD ile UPV değerleri arasındaki ilişkiyi değerlendirmek amacıyla doğrusal regresyon analizleri gerçekleştirilmiştir. Stabilizasyon sonrası meydana gelen alkali aktivasyon ve/veya hidratasyonu etkili bir şekilde değerlendirmek amacıyla seçili numunelere Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), X-ışını kırınımı (XRD) ve taramalı elektron mikroskobu-enerji dağılımlı X-ışını spektroskopisi (SEM-EDS) analizleri gerçekleştirilmiştir. Standart Proktor deneylerinin sonuçlarına göre, killi zemine kıyasla stabilize zeminlerin OWC değerleri azalmış, MDD değerleri artmıştır. %20 ÖYFC içeren karışımda, OWC değerinde en fazla azalma, MDD değerinde en yüksek artış gözlenmiştir. Sadece alkali aktivatör ile stabilize edilmiş numunelerin SBD değerlerinde, killi zemine kıyasla belirgin bir artış gözlemlenmemiştir. Bu bulgu, yalnızca SS ve SH'den oluşan karışımın killi zeminin stabilizasyonunda etkili olmadığını göstermektedir. Sadece OPC ile stabilize edilmiş killi zeminde, OPC miktarının artmasına bağlı olarak SBD değerlerinde artış gözlemlenmiştir. %20 ÖYFC ile stabilize edilmiş killi zemin numunelerinde, killi zemine kıyasla SBD değerlerinde sınırlı bir artış gözlemlenmiştir. ÖYFC ve OPC ile stabilize edilmiş numunelerde, OPC miktarındaki artışa bağlı olarak SBD değerlerinde artış gözlemlenmiştir. Bu grupta en yüksek SBD değeri hem havada kurutma hem de ıslak kür koşullarında %12 ÖYFC + %8 OPC ile stabilize edilmiş numunelerde elde edilmiştir. Sadece OPC ile stabilize edilmiş numuneler, erken kür sürelerinde daha hızlı ve yüksek dayanım kazanırken, alkali aktivasyon prosesinin olduğu numunelerde dayanım artışı daha uzun kür sürelerinde belirgin hâle gelmiştir. SS/SH oranı stabilizasyon performansını etkilediği görülmektedir. ÖYFC, OPC ve alkali aktivatör ile stabilize edilmiş numuneler arasında, en yüksek SBD değerleri SS/SH oranı 5 olan numunelerde gözlenmiştir. Bu oranı sırasıyla 7, 3 ve 1 takip etmiştir. En yüksek SBD değeri %16 ÖYFC + %4 OPC + SS/SH=5 oranına sahip karışım ile stabilize edilmiş numunede gözlenmiştir. Bu numuneyi sırasıyla %18 ÖYFC + %2 OPC + SS/SH=5, %16 ÖYFC + %4 OPC + SS/SH=7, %20 ÖYFC + SS/SH=5 karışımlarıyla stabilize edilmiş numuneler izlemiştir. Alkali ile aktive edilmiş cüruf ve Portland çimentosundan oluşan hibrit bağlayıcı sistem ile stabilize edilmiş killi zemin, %15 OPC ile stabilize edilmiş killi zemine kıyasla daha iyi stabilizasyon performansı sergilemiştir. Bu durum, havada kurutma kür koşullarında 10 numunede, ıslak kür koşullarında ise 9 numunede belirgin olarak gözlemlenmiştir. SS/SH oranı 1 ile stabilize edilmiş ve havada kurutulan numunelerde kristallenme gözlenmiştir. Fazla SH, reaksiyona girmeyen kısmıyla havadaki nemi emmiş, ardından karbon dioksit (CO2) ile tepkimeye girerek sodyum karbonat monohidrat (Na2CO3·H2O) kristallerini oluşturmuştur. Bu durum stabilizasyon üzerinde olumsuz etki yaratmıştır. SBD ile UPV verileri arasındaki doğrusal regresyon analizleri sonucunda, R2 değerleri sırasıyla havada kurutma kür koşullarında 0,87, ıslak kür koşullarında 0,88 ve her iki kür koşulu için genel analizde 0,89 olarak hesaplanmıştır. Bu bulgu, iki parametre arasında pozitif ve anlamlı bir ilişki olduğunu göstermektedir. FTIR, XRD, SEM-EDS yöntemleriyle killi zemin numuneleri ile stabilize edilmiş killi zemin numuneleri arasında karşılaştırmalı analiz yapılmıştır. Stabilize killi zemin numunelerinde hidratasyon ve geopolimerleşme neticesinde meydana gelen faz oluşumları (kalsiyum silikat hidrat (C-S-H), kalsiyum alüminosilikat hidrat ve/veya sodyum alüminosilikat hidrat (N/C-A-S-H)) ve bu fazların kimyasal bağ yapıları, fonksiyonel grupları, amorf yapıları, morfolojisi ve mikroyapısal dağılımları gözlenmiştir. Geopolimerleşmede SS/SH oranının etkili olduğu gözlemlenmiştir. ÖYFC ve OPC'nin bir arada kullanılması hibrit olarak tanımlanmıştır. Killi zeminin alkali ile aktive edilmiş hibrit cüruf/çimento ile stabilizasyonu oldukça iyi performans sergilemiştir.