Kireç ve uçucu kül ile iyileştirilen şişen killerin şişme ve esneklik modülü odaklı statik ve tekrarlı yükler altındaki özellikleri

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.