GRANÜLER ZEMİNLERDE ÇİMENTO ENJEKSİYONU Aydın KAVAK 1, Utkan MUTMAN 1, Erdinç Keskin 1 aydinkavak@yahoo.com, utkanmutman@yahoo.com, erdinc79@yahoo.

Transkript

1 GRANÜLER ZEMİNLERDE ÇİMENTO ENJEKSİYONU Aydın KAVAK 1, Utkan MUTMAN 1, Erdinç Keskin 1 aydinkavak@yahoo.com, utkanmutman@yahoo.com, erdinc79@yahoo.com Öz: Kumlu, çakıllı zeminleri, boşluklu yada çatlaklı kayaları doldurup mühendislik özelliklerini değiştirmek ve sağlamlaştırmak amacıyla zemine çeşitli maddeleri basınçla verilmesi işlemine enjeksiyon denilir. Enjeksiyon çok çeşitli amaçlar için kullanılmaktadır. Bu amaçlar doğrultusunda bir çok araştırmacı çeşitli çalışmalar yapmışlardır. Literatürde enjeksiyon için yapılan çalışmaların çimento bazlı karışımlar ve kimyasal bazlı karışımlar olarak ikiye ayrıldığı görülmüştür. Çalışmaların çoğu numunelerin mukavemeti üzerine yapılmıştır. Bu bildiride çimento bazlı karışımla uygulanan enjeksiyonlarla ilgili yapılan çalışmaların bir özeti sunulmaktadır. Anahtar Kelimeler: Çimento Enjeksiyonu, Grout Çimento Enjeksiyonu İle İlgili Yapılan Çalışmalar Enjeksiyonlanabilme ile ilgili çalışmalar Karışımın zemine girme kabiliyeti zeminin boşluk oranı, geçirgenlik ve dane büyüklüğü dağılımına, kullanılan basınç, enjeksiyon aralığı ve karışımın viskozitesine, daneli karışımlarla yapılan enjeksiyon karışımın dane boyutu ile ortamın dane boyutuna bağlıdır. Bu durum için enjeksiyon edilebilirlik aşağıdaki formülle ifade edilebilir. D15( zemin) N = (1) d85( karisim) Bu bağıntıya göre N>25 ise enjeksiyon yapılabilir, N<11 ise enjeksiyon mümkün değildir. Burwell (1958) ise aşağıdaki bağıntıyı önermiştir. Buna göre eğer N>11 ise enjeksiyon yapılabilir, N<5 ise yapılamaz. D10( zemin) N = (2) d95( karisim) Akbulut ve Sağlamer (2002) yaptıkları çalışmada yukarıdaki bağıntıya enjeksiyon basıncı, ince dane oranı, su/çimento oranı ve relatif sıkılık parametrelerini de ilave ederek aşağıdaki bağıntıyı ortaya koymuşlardır. D s / c P N = ,5. + 0,01. (3) d 90 FC D r Bu duruma göre N>28 ise enjeksiyon yapılabileceğini belirtmişlerdir. Schwarz ve Krizek(1992) farklı su/çimento oranlarında ince daneli çimentolar kullanılarak değişik hıza sahip karıştırıcılar tarafından enjeksiyon karışımları hazırlamıştır. Bu karışımların basınç mukavemetlerinin karıştırma mekanizmasıyla ilişkisini incelemiştir. Deneylerde normal portland, ince daneli çimentolar ile farklı hızlarda beş karıştırıcı kullanmışlardır. Karışımların su/çimento oranını 1/1, 2/1, 3/1 ve 4/1 olarak almışlar ve karıştırıcılarda 1 ve 10 dakika karıştırmışlardır. 10 dakika karıştırılarak yapılan karışımların 1 dakika karıştırılan karışımlara göre daha hızlı çöktüğü ve sonuçta aynı çökelme yüzdesine ulaştıklarını gözlemiştir. Ayrıca karıştırma süresinin artması ile viskozitenin arttığını gözlemişlerdir. Karıştırma sürelerinin priz süresini değiştirmediği fakat Blender karıştırıcı ile elde edilen karışımın basınç mukavemetinin daha yüksek çıktığını belirlemişlerdir. Enjeksiyonlanmış numunelerin mukavemeti ile ilgili çalışmalar Pierre-Claude Aitcin ve diğ.(1984) çimento ve çimentonun ağırlıkça % 5, 10, 15 ve 20 oranında silis dumanı ilave edilmiş karışımların mukavemeti ve sulanma miktarlarını incelemişlerdir. Yapılan deneyler sonrasında en büyük basınç mukavemetinin %20 silis dumanı ilave edilmiş karışımda elde edilmiş olup referans olarak alınan çimento karışımından %10 yüksek bulmuştur ve bu karışımda sulanma miktarının azaldığını tespit etmişlerdir. Farklı oranlarda silis dumanı çimentoya katılarak elde edilen karışımların viskozite, sulanma, tiksotropi, küçülme ve basınç mukavemetinin zamanla değişimlerini incelemişlerdir. 1 KOU Mühendislik Fakültesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, Kocaeli 1162

2 Çalışmada çimento ağırlığının %5, 10, 15 ve 20 oranlarında silis dumanı ve çimento kullanılarak beş farklı karışım elde etmişlerdir. Silis dumanı kullanılmayan karışımlarda su/çimento oranı 0,4 alırken bu oranı silis dumanı ile birlikte arttırmıştır. Çimento ağırlığının %0,8-%1,2 arasında süper akışkanlaştırıcı kullanmışlardır. Basınç mukavemeti değerlerinin silis dumanı oranı ile arttığını gözlemlemişlerdir. Aynı zamanda viskozitenin de arttığını belirtmişlerdir. En büyük basınç mukavemeti %20 silis dumanı kullanılan numunelerde meydana geldiğini ayrıca silis dumanı kullanılan karışımlarda sulanmanın azaldığını gözlemlemişlerdir. Sandra Z. Tosca ve Jeffery C. Evans (1992) çimento, uçucu kül, bentonit ve hava sürükleyici katkılar kullanılarak karışımların mukavemetini ölçmüşlerdir. Kum ve uçucu kül %50 ile %100 oranlarında kullanılmıştır. %0,5 bentonit ve %1 hava sürükleyici katkı maddeleri bazı karışımlarda kullanmışlardır.. Mikserde karıştırdıkları karışımları 7,1 cm. çapında ve 14 cm yüksekliğinde flexi-glas kalıplara dökerek 28 gün %100 nemde kür etmişlerdir. Deneyler sonrasında %50 kum ve %50 uçucu kül karıştırılmış su/çimento oranının 1/1 olduğu numunelerde maksimum mukavemeti elde etmişlerdir. Araştırmacılar farklı oranlarda çimento, uçucu kül, bentonit ve hava sürükleyici katkılarla çok sayıda karışım elde etmişlerdir. Doğal katkı olarak kum ve uçucu külü %50 ile %100 oranlarında kullanmışlardır. Bazı karışımlarda %0,5 bentonit ve %1 hava sürükleyici katkı maddeleri kullanmışlardır. Çalışmalarında 1,25 mm. den büyük kaya çatlakları ile zemin boşluklarının ekonomik olarak doldurulmasını göz önüne almışlardır. Mikserde karıştırdıkları karışımları 7,1 cm. çapında ve 14 cm yüksekliğinde flexi-glas kalıplara dökerek 28 gün %100 nemde kür etmişler ve sonra 1, 7, 14 ve 28 günlük basınç mukavemetlerini belirlemişlerdir. %100 kum dolgu kullanılan ve katkı maddesi kullanılmayan numunelerden en yüksek basınç dayanımını elde etmişlerdir. Hava sürükleyici katkıların kullanıldığı kum/uçucu kül ve uçucu kül karışımlarından ise en düşük basınç dayanımını elde etmişlerdir. Bentonit miktarına bağlı olarak karışımların büzülmesi ve şişmesine bakmışlardır. Buna göre %50 kum ve uçucu külün kullanıldığı karışımlarda bentonit oranına göre şişme meydana gelmiştir. Bentonitin sulanmayı azaltmasından dolayı büzülmeyi önlediğini belirtmişlerdir. İncecik ve Ceren(1995) çimento, bentonit, akışkanlaştırıcı ve hava sürükleyici katkılarla farklı su/çimento oranlarında karışımlar hazırlamışlardır. Çimento ağırlığının %4 ü kadar bentonit, %1 i oranında da akışkanlaştırıcı ve hava sürükleyici katkılar kullanmışlardır. Relatif sıkılığı %50 olan çakıl ile yapılan deneylerde 15 cm. çapında 30 cm. uzunluğundaki silindir kalıplar kullanmışlar elde edilen karışımlara 100 kpa düşey basınç uygulanarak enjeksiyon yapmışlardır. Maksimum mukavemeti su/çimento oranı 0.30 olan çimento ve akışkanlaştırıcı kullanılan karışımlarla enjeksiyon edilmiş numunelerde yaklaşık 30 MPa olarak elde etmişlerdir. En düşük değerleri %4 bentonit katkılı numunelerde elde etmişlerdir. Çimento, bentonit, akışkanlaştırıcı ve hava sürükleyici katkılarla farklı su/çimento oranlarında karışımlar hazırlamışlardır. Çimento ağırlığının %4 ü kadar bentonit, %1 i oranında da akışkanlaştırıcı ve hava sürükleyici katkılar kullanmışlardır. Relatif sıkılığı %50 olan podima çakılı ile yapılan deneylerde 15 cm. çapında 30 cm. uzunluğundaki silindir kalıpları kullanmışlardır. Elde edilen karışımlara 100 kpa düşey basınç uygulanarak enjeksiyon yapmış ve numunelerin 7 ve 28 günlük basınç mukavemetleri, gerilme-deformasyon ilişkileri, su/çimento oranlarının basınç mukavemeti ve viskozite ile değişimlerini incelemişlerdir. Enjeksiyon uygulanmış numunelerin basınç mukavemeti su/çimento oranının artmasıyla azaldığını fakat zamanla da arttığını belirtmişlerdir. Maksimum basınç mukavemeti değerini çimento akışkanlaştırıcı karışımlarla enjeksiyon yapılan numunelerin verdiğini en düşük basınç mukavemetini %4 bentonit katkılı numunelerin verdiğini belirtmişlerdir. C. Vıpulanandan ve S. Shenoy (1992) çimento esaslı karışımlar ile enjeksiyona tabi tutulan kumların geoteknik özelliklerini incelemişlerdir. Çimento, çimento-sodyum silikat, çimento-bentonit, çimento-kalsiyum silikat, çimentosilis dumanı ve çimento-uçucu kül karışımlarının vizkosite, sertleşme süresi, sulanma ve basınç mukavemetini incelemişlerdir. Su/katı oranı 1/1 olan karışımları kuma enjeksiyon ederek 38 mm. çapında mm. uzunluğunda numuneler elde etmişlerdir. Su içinde kür edilen numunelerin 7 ve 28 günlük basınç mukavemetleri belirlemiştir. En yüksek basınç mukavemetini çimento karışımı verirken silis dumanı ile yapılan karışımın basınç mukavemeti bentonit ile yapılan karışımdan daha yüksek çıktığını belirlemişlerdir. Buna karşılık en fazla sulanma çimento karışımlarında oluşmakta diğer karışımlarda ise sulanma miktarının büyük ölçüde düşmekte olduğunu belirtmişlerdir. Enjeksiyon yapılan numunelerde bentonit bulunanlarda çimento ve silis dumanı kullanılan numunelerden daha fazla basınç ve çekme dayanımı bulmuşlardır. 1163

3 Çimento ve çimento esaslı karışımlar ile bu karışımlarla enjeksiyona tabi tutulan kumların geoteknik özelliklerini incelemişlerdir. Çimento, çimento-sodyum silikat, çimento-bentonit, çimento-kalsiyum silikat, çimento-silis dumanı ve çimento-uçucu kül karışımlarının vizkosite, sertleşme süresi, sulanma ve basınç mukavemetini incelemişlerdir. Karışımları kuma enjeksiyon ederek 38 mm. çapında mm. uzunluğunda numuneler elde etmişlerdir. Su içinde kür edilen numunelerin 7 ve 28 günlük basınç mukavemetlerini belirlemişlerdir. En yüksek basınç mukavemetini çimento karışımının verdiğini silis dumanı ile yapılan karışımın basınç mukavemetinin bentonit ile yapılan karışımdan daha yüksek çıktığını belirtmişlerdir. Buna karşılık en fazla sulanma çimento karışımlarında olduğunu diğer karışımlarda ise sulanma miktarı büyük ölçüde düştüğünü belirtmişlerdir. R. J. Krizek ve M. Helal (1992) relatif sıkılığı %65 ± %5 olan kumu 70 kpa enjeksiyon basıncı altında ince daneli çimento karışımı ile enjekte ederek 7 ve 28 günlük geçirgenlik basınç ve çekme mukavemetlerine bakmışlardır. Su/çimento oranı 1 ile 3 arasında değişen karışımı düşey olarak enjeksiyon ettikten sonra 5 cm çapında 15 cm yüksekliğindeki numunelerin yarısını düşey yarısını yatay kür etmişlerdir. Düşey olarak kür edilen numunelerin geçirgenliği yatay olarak kür edilenlere göre daha düşük çıktığını, su/çimento oranı arttıkça geçirgenliğin aynı oranda arttığını belirtmişlerdir. Ayrıca 1/1 su/çimento oranındaki numunelerin yatay ve düşey kür edilmeleri arasında basınç mukavemetlerinde bir değişiklik olmamasına rağmen su/çimento oranı 1.5/1 ve daha yüksek olanları için yatay olarak kür edilenlerin basınç mukavemetleri yüksek çıktığını belirtmişlerdir. Araştırmacılar çalışmada çimento enjeksiyonu yapılan kum içerisindeki boşluk yapılarının yönelimini incelemişlerdir. Ottawa kumuna ince daneli çimento enjeksiyonu yapılarak elde edilen numuneleri incelemişlerdir. Zeminin boşluk yapısının su/çimento oranı ve karışım içindeki danelerin çökelme davranışının fonksiyonunu araştırmışlardır. Relatif sıkılığı %65 olan Ottowa kumunu 70 kpa enjeksiyon basıncı altında ince daneli çimento karışımı ile enjeksiyon etmişlerdir. Numuneleri 7 ve 28 gündeki geçirgenliği, basınç ve çekme mukavemetlerini incelemişlerdir. Numunelerin yarısını yatay olarak kür ederken diğerlerini düşey doğrultuda kür etmişlerdir. Düşey olarak kür edilen numunelerin geçirgenliği daha küçük değerde olduğunu saptamışlardır. Su/çimento oranı arttıkça numunelerin geçirgenliğinin de arttığını belirtmişlerdir. Yatay kür edilen numunelerden su/çimento oranının 1,5/1 olduğu karışımlarda basınç mukavemetinin daha yüksek çıktığını, 1/1 olan karışımlarda bir fark olmadığını gözlemlemişlerdir. S. Perret ve diğ. (1997) Normal portland çimentosu ve ince daneli çimento kullanarak değişik su/çimento oranlarında karışımlar hazırlamışlardır. Karışımlarda değişik miktarda silis dumanı, süper akışkanlaştırıcı ve su tutucu katkılar kullanmışlardır. Karışımların reolojik özellikleri ve enjeksiyon edilebilirliklerini incelemişlerdir. Tüm karışımlarda süper akışkanlaştırıcı kullanmışlardır. 22 mm. iç çapında 370 mm. uzunluğundaki silindir kalıplarda bulunan kumun içine 75 kpa basınç altında karışımları enjekte etmişlerdir. Enjeksiyonun süreleri ve karışımın ilerlediği mesafeyi ölçmüştür. Buna göre su/çimento oranı 1.2 ve 2 olan hem portland hem de ince daneli çimento karışımında enjeksiyon %100 olarak yapılabilmiş fakat 0.5 ve 0.6 olan karışımlarda %14 ve %54 gibi oranlarda kaldığını görmüşlerdir. İnce daneli karışımın enjeksiyon süresi portland çimentosunun %10 nu kadar olduğunu ölçmüşlerdir. Normal portland çimentosu ve ince daneli çimento kullanarak değişik su/çimento oranlarında karışımlar hazırlamışlardır. Karışımlarda değişik miktarda silis dumanı, süper akışkanlaştırıcı ve su tutucu katkılar kullanmışlardır. Karışımların reolojik özellikleri ve enjeksiyon edilebilirliklerini incelemişlerdir. Deneylerde porozitesi 0,44 olan kuvars kumu ile 0,35 olan Ottowa kumunu kullanmışlardır. Tüm karışımlarda süper akışkanlaştırıcı kullanmışlardır. İnce daneli çimento karışımların vizkositesi normal portland çimento karışımından daha yüksek bulmuşlardır. İnce daneli çimento karışımlarının enjeksiyon edilebilirliği 1,2 ve 2 su/çimento oranlarında %100 gerçekleştiğini ve enjeksiyon edilebilirliğin daha hızlı olduğunu gözlemlemişlerdir. Çimento ağırlığının %6 sı kadar katılan silis dumanının enjeksiyon edilebilirliği ve sulanmayı azaltarak vizkositeyi arttırdığını görmüşlerdir. S. Akbulut (1999) relatif sıkılığı 0,30 ve 0,80 olan numunelere çimento, çimento-silis dumanı, çimento-uçucu kül ve çimento-kil karışımları ile enjeksiyon yapmıştır. Enjeksiyon basıncı, zemin dane çapı, boşluk oranı, karışım suyu oranı, katkı maddelerinin tipi ve miktarı ile zaman parametre alınarak deneyler yapmıştır. Silis dumanı katılmış karışımlarla enjekte edilen numunelerin basınç mukavemeti su/çimento oranı 1/1 olan karışımlarda %30 ile 70 oranında arttığını 1164

4 belirtmiştir. Uçucu kül karışımında mukavemetlerin %5-25 oranında, kil katılmış karışımlarla yapılan enjeksiyonlarda numunelerin mukavemeti %15 oranında düştüğünü belirtmiştir. Permeabilite üzerine yapılan deneylerde permeabilite katsayısının 1.26 cm/sn den 10-5 ile 10-7 arasına düştüğünü bildirmiştir. Daneli karışımlarla daneli zeminlere enjeksiyon uygulaması yapmışlardır. Çimento, çimento-silis dumanı, çimentouçucu kül ve çimento-kil karışımları kullanmışlardır. Enjeksiyon basıncı, zemin dane çapı, boşluk oranı, karışım suyu oranı, katkı maddelerinin tipi ve miktarı ile zaman parametre alınarak deneyleri yapmışlardır. Relatif sıkılığı 0,30 ve 0,80 olan numunelere çeşitli karışımlarla enjeksiyon yapmıştır. Basınç mukavemeti, kullanılan karışımlar, su/katı madde oranı, katkı yüzdeleri ve relatif sıkılıklarının zaman ile değişimlerini araştırmıştır. 0,50 relatif sıkılıktaki enjeksiyon uygulanmış numunelerde permeabilite değişimlerini incelemiştir. Silis dumanı ile hazırlanmış numunelerde basınç mukavemetinin arttığını ve geçirgenliğin düştüğünü belirtmişlerdir. Uçucu külle yapılmış enjeksiyonda basınç mukavemetinin biraz düştüğünü, geçirgenliğin arttığını belirtmiştir. Kil katkılı enjeksiyon numunelerinde basınç mukavemetinin ve enjeksiyon başarısının düştüğünü belirtmiştir. Sonuç Çimento enjeksiyonu ile ilgili olarak laboratuarda yapılan çalışmalar karışım ve basıncın mukavemete olan etkileri üzerine yoğunlaşmıştır. Bazı çalışmalar ise enjeksiyonlanabilme üzerine yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucu 0,6 mm. den daha küçük dane boyutuna sahip zeminlere enjeksiyonun yapılamadığı belirlenmiştir. (Akbulut ve Sağlamer,2002) Bazı çalışmalarda karışımın hazırlanması üzerine yapılmıştır. Karışımların karıştırılma sürelerinin priz sürelerine ve mukavemetlerine bir etkisinin olmadığı görülmüştür. Çökelme süresinin karıştırma süresiyle ters orantılı olarak azaldığı belirlenmiştir. (Schwarz ve Krizek, 1992) Enjeksiyonlanmış numunelerin mukavemetleri için yapılan çalışmaların özeti aşağıdaki tabloda verilmiştir. Tablo-1 Mukavemet üzerine yapılan çalışmaların özeti Araştırmacı Karışımlar Sonuç Pierre-Claude Aitcin ve diğ. (1984) Sandra Z. Tosca ve Jeffery C. Evans (1992) İncecik ve Ceren(1995) C. Vıpulanandan ve S. Shenoy (1992) R. J. Krizek ve M. Helal (1992) Çimento, Silis Dumanı Çimento, Uçucu Kül, Bentonit, Hava Sürükleyici Çimento, bentonit, akışkanlaştırıcı, hava sürükleyici Çimento, sodyum silikat, bentonit, kalsiyum silikat, silis dumanı, uçucu kül Çimento Mukavemette max. %20 silis dumanı ile çimentoya göre %10 artış %50 kum ve %50 uçucu kül su/çimento oranı 1/1 karışımında maksimum mukavemet Su/çimento oranı 0.30 olan çimento ve akışkanlaştırıcı maksimum mukavemet Çimento karışımında maksimum mukavemet Su/çimento oranı 1.5/1 den yüksek olan yatay şekilde kür edilen numunelerde düşey kür edilmeye göre daha yüksek mukavemet ve geçirgenlik S. Perret ve diğ. (1997) S. Akbulut (1999) Normal portland çimentosu, ince daneli çimento Çimento, silis dumanı, uçucu kül, kil İnce daneli karışımlarda daha düşük enjeksiyon süresi Silis dumanı olan karışımlarda maksimum mukavemet 1165

5 KAYNAKLAR 1. Akbulut, S., Saglamer A., Estimating The Groutability of Granular Soils: A New Approach, Tunnelling and Underground Space Technology. 2. Akbulut, S., Enjeksiyon ile Granüler Zeminlerin Geoteknik Özelliklerinin İyileştirilmesi, Doktora Tezi, İTÜ. 3. Schwarz L. G., Krizek, R. J., Effects of Mixing on Rheological Properties of Microfine Cement Grout, Grouting Soil Improvements and Geosynthetics, Geotechnical Enginnering Division of ASCE, Volume:2, No : 30, Lousiana. 4. Pierre, C. et al., The Use of Condensed Silica Fume in Grouts, Innovative Cement Grouting, Publication, Detroit. 5. Sandra, T., Jeffrey, C. E., The Effects of Fillers and Admixtures on Grout Performance, Grouting Soil Improvement and Geosynthetics, Geotechnical Engineering Division of ASCE, Volume: 2, No: 30, Lousiana. 6. Incecik, M. and Ceren, I., Cement Grouting Model Tests, Bulletin of the Technical University of Istanbul, Volume: 48, No:2, Istanbul. 7. Vipulanandan, C., Shenoy, S., Properties of Cement Grouts and Grouted Sands with Additives, Grouting Soil Improvements and Geosynthetics, Geotechnical Enginnering Division of ASCE, Volume:2, No : 30, Lousiana. 8. Krizek, R.J., Helal, M., Anisotropic Behavior of Cement-Grouted Sand, Grouting, Soil Improvement and Geosynthetics, Geotechnical Engineering Division of ASCE, Volume: 2, No: 30, Lousiana. 9. Perret, S., Ballivy, G., Khayat, K. And Mnif, T., Injectability of Fine Sand with Cement-Based Grout, Grouting, Geotechnical Special Publication of ASCE, No: 66, Utah. 1166