Investigation into the effects of nano-materials and nano-polymers on clays

Doğada serbest halde bulunan kil zeminler, farklılıklar gösteren özellikleri bakımından dünyanın en sıradışı malzemelerinden birisi olarak sınıflandırılmaktadır. Sağlık, sanat, mühendislik gibi endüstrilerde çok amaçlı olarak kullanılan killer dünyanın kurak ve yarı kurak bölgelerinde çok sık ortaya çıkmaktadır. Afrika, Avusturalya, Hindistan, Güney Amerika, Kanada gibi bölgelerde sık olarak karşılaşılan killer, karmaşık özellikleri bakımından inşaat mühendisliği uygulamalarında ciddi sorunlar yaratabilmektedir. Killi zeminler üzerine teşkil edilen inşaat yapıları, kil içeren bu zemin tabakalarının su ile birleşerek şişmesi sonucunda hasar görmektedirler. Killerin su ile teması sonrasında şişmesinden kaynaklı, bu zeminler üzerine teşkil edilen yapı temelleri, istinat duvarları, yol, kaldırım, su yapıları, havalimanı gibi sistemler hacimsel olarak deformasyona maruz kalmaktadır. Killerin şişmesinden kaynaklı olarak, bu tabakalara önlem alınmadan teşkil edilen üst yapılara ait döşemelerde, kapı ve pencerelerde yapı çatlakları gözlenmektedir. Bu problemlerin giderilmesine yönelik çalışmalar, öngörülemeyen yüksek maliyetler doğurmaktadır. Yukarıda bahsedildiği gibi, bu tip şişebilen killer üzerine yapılan yol ve kaplama gibi stratejik önem arzeden yapılar, doğru tasarım izlenmeden inşa edildiğinde ciddi hasarlara maruz kalabilmektedir. Yol tasarımında alt temel malzemesinin kalitesi, inşaat süresince ve servis ömrü boyunca maliyetleri etkileyen başlıca unsurdur. Buradan hareketle, şişme potansiyeli gösterecek zeminlere karşı üstyapının güvenli bir şekilde tasarlanabilmesi için alt temelin sağlam bir şekilde sıkıştırılması, alt temel inşaatında geosentetik materyallerin kullanılması, kireç, çimento, polimer gibi katkılardan faydalanılması gibi mühendislik çözümleri geliştirilmiştir. Bu yöntemlerin tercih edilmemesinin bir sonucu olarak, oldukça kalın tabakalı alt temeller tasarlanmakta ve bu durum ekonomik açıdan projelerde sıkıntılar yaratmaktadır. Yollara ait alt temellerin tasarımında kireç ve çimento gibi katkı malzemelerinin kullanılması etkili bir çözüm olsa da, pek çok müteahhit firma, sıkıştırmaya bağlı imalat sıkıntılarından ötürü bu yola şüpheli yaklaşabilmektedir. Son dönemlerde yeni bir uygulama olarak, araştırmacılar nano-teknolojiye dayanan yeni bir malzeme stabilizasyonu yöntemi üzerine çalışmaktadır. Nanoteknolojinin alt temel malzemesinin iyileştirilmesinde kullanılması fikri ilk defa 1959 yılında Richard Feynman tarafından önerilmiştir. Bu tarihten itibaren, nanoteknolojik malzemelerin mühendislik ürünlerinde kullanılması yaygınlaşmıştır. Nano malzemelerin boyutları 1-100 nm boyutları arasındadır. Nanoteknolojinin geoteknik mühendisliği uygulamalarında kullanılması, ilk olarak nanoteknolojik malzemelerin zayıf zeminlere ait mukavemet parametrelerinin iyileştirilmesi amacıyla olmuştur. Nanoteknolojik malzemeler tanecik boyutunun küçük olmasından dolayı daha büyük bir özgül yüzeye sahiptir. Bu özellikleri itibariyle, çok az bir miktarda dahi olsa, zemin içinde kullanılan nanoteknolojik malzemeler içinde girdikleri bileşimin morfolojik yapısını değiştirerek fiziksel ve kimyasal özelliklerinde iyileşmeye sebep olmaktadır. Bu nedenle farklı tipteki zeminlerin fiziksel ve kimyasal koşullarını iyileştirmek amacıyla nanoteknolojinin güvenle kullanımı günümüzde yaygınlaşmıştır. Buna ek olarak, zemin ve kayalarda bulunan minerallerin kimyasal reaksiyonları nano ölçekte gözlenebilmektedir. Bu durum, nanoteknolojik malzemelerin sızdırmazlık, jet grout, zemin stabilizasyonu gibi geoteknik uygulamalardaki rolünü belirlemiştir. Bu alanda yapılan kısıtlı araştırmalardan elde edilen bazı sonuçlara gore, nanoteknolojik malzemelerin zeminlerin mühendislik özellikleri üzerindeki etkisi iki açıdan ele alınmaktadır. Bunlardan ilki zemin içerisindeki doğal nanoteknolojik özellikteki partiküllerin reaksiyonudur. İkinci olarak, doğal olmayan yollarda zemine ilave edilen nanomalzemelerin zemin içindeki reaksiyonudur. Bu yaklaşıma göre nanoteknolojik malzemelerin zeminlerin mühendislik özellikleri üzerine etkisini araştıran Zhang, az bir miktarda nano malzemenin dahi zeminlerin fiziksel ve kimyasal niteliklerini iyileştirdiğini ortaya koymuştur. Bunun yanında partiküller arasında nanoboşluklar içeren nanoteknolojik malzemeli zeminlerin daha yüksek likit ve plastik limit değerlerine sahip olduğunu, fiber nano malzemelerin ise zeminin kayma mukavemetini arttırdığını görmüştür. Sahada yapılan çalışmalar, zeminlerin içinde kullanılan nanomalzemelerin, bileşimlerin kimyasal özelliklerini, fiziksel özelliklerinden daha çok etkilediğini göstermiştir. Bu çalışmalardan hareketle, nanomalzemelerin zayıf zeminlerin iyileştirilmesinde kullanımı pratik kazanmıştır. Bu tez çalışmasında, yeni nanoteknolojik malzemelerin ve nanoteknolojik özellikteki polimer katkıların killi zeminlerin stabilizasyonundaki performans ve etkileri araştırılmıştır. Diğer bir ifadeyle, nanomalzemelerin yolların alt temel tabakalarında kullanımının uygunluğu irdelenmiştir. İstanbul şehrinin Çiftalan bölgesinden alınan kil numunesi üzerinde nanomalzemeler kullanılarak mühendislik parametrelerindeki değişim gözlenmiştir. Stabilize edilmiş kil malzemenin mukavemet parametrelerinin belirlenmesi amacıyla, İstanbul Teknik Üniversitesi Hamdi Peynircioğlu Zemin Mekaniği Laboratuarı'nda testler yapılmıştır. İlk olarak, sahadan alınan zemin numuneleri üzerinde hidrometre deneyleri ve kıvam limitleri tayini yapılmıştır. Sonrasında nano malzeme ve nano özellikteki polimer eklenmiş kil zemin numuneleri üzerinde deneyler tekrarlanmıştır. Katkı malzemelerinin etkisini daha açık gözlemlemek için nano malzemeler 4 farklı yüzdede numunelere eklenmiştir. Bu işlemlerin ardından minyatür Harward sıkıştırma aparatı yardımıyla numunelerin optimum su muhtevası ve maksimum kuru birim hakim ağırlık değerleri bulunmuştur. Sıkıştırma sonrasında numuneler aparattan alınarak 1, 7 ve 28 gün boyunca desikatörde kür için bekletilmiştir. Numuneler üzerinde serbest basınç deneyi yapıldıktan sonra, bu deney sonucunda daha iyi sonuçlar veren karışım numuneleri belirlenmiştir. Söz konusu numuneler CBR, konsolidasyon, permeabilite ve üç eksenli testlerine tabi tutulmuştur. Testler sırasında Zikosil ve Nanosilis toz katkılı numunelerin kuruma sonrasında sıradışı davranışlar gösterdiği görülmüştür. Zikosil ve Nanosilis toz içeren numuneler üzerinde direk kesme deneyi yapılmıştır. Deneyler ilk olarak sıkışmış ve ıslak numunelerde, sonrasında kurutulmuş ve yeniden suya doyurulmuş numunelerde tekrarlanmıştır. Bu çalışma; nanokarbon lifler, nano kil, nano silis toz, CBR Plus nanopolimer malzeme ve Zikosil gibi farklı tipteki nanomalzemelerin 6 farklı yüzdede kil malzemeye karıştırılarak, karışımların mühendislik özelliklerinin irdelenmesi amacıyla yapılmıştır. Karışımlar üzerinde Atterberg limitleri tayini, kayma mukavemeti, efektif gerilme, konsolidasyon, permeabilite ve ıslak CBR deneyleri yapılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, farklı yüzdelerde kil malzemelerin içinde kullanılan nano malzeme ve nano polimerler numunelerin mukavemetini arttırırken, konsolidasyon ve şişme potansiyellerini azaltmıştır. Nano malzemelerin yüzdesel olarak artışı, CBR değerlerini arttırmıştır. Nano polimer malzemede bu değer artışı daha belirgin olarak gözlenmiştir. Konsolidasyonlu drenajsız üç eksenli deneyden elde edilen sonuçlara göre, nano malzeme ve polimerlerin içsel sürtünme açısında bir değişiklik meydana getirmediği görülmüştür. Zikosil haricindeki tüm katkı malzemeleri numunelerin kohezyon değerlerinde artış meydana getirmiştir. Sonuç olarak, kuru ve ıslak numuneler üzerinde yapılan direk kesme deneyinde numunenin davranışının farklılık göstermediği görülmüştür. Deney sonrasında içsel sürtünme açısında artış gözlenmezken, kohezyonun arttığı belirlenmiştir. Deneysel çalışma sonucunda katkılı kil malzemelerin kayma mukavemeti ve kohezyon gibi dayanım parametreleri açısından daha hassas olduğu ve stabil davranışlar göstermeyebileceği anlaşılmıştır.