Zeminlerin Yerinde İyileştirilmesinde NovoCrete Teknolojisi ve Uygulamaları NovoCrete Technology and Applications in Stabilization of In-Situ Soils B. Yemenici, Ö. Coruk * Kocaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Jeoloji Mühendisliği Bölümü (*coruk@kocaeli.edu.tr) ÖZ: Çimento stabilizasyonu zeminlerin yerinde iyileştirilmesinde kullanılan yöntemlerden biridir. Ancak mevcut zeminin çimento ile reaksiyona girmesi çoğu zaman mümkün olmamakta, iyileştirme başarıya ulaşamamaktadır. Yeni bir teknoloji ürünü olan NovoCrete mevcut zemin ile çimentonun en hızlı şekilde birleşimini sağlayan granüler bir malzemedir. Doğal oksitler, sülfatlar ve karbonat mineralleri içeren NovoCrete alkalin ve toprak alkalin niteliklere sahiptir. Çimento stabilizasyonunda NovoCrete katkısı kristalleşmeyi ve devam eden puzolonik reaksiyon işlemi sırasında yeni kristal oluşumlarını sağlamaktadır. Böylece, iyileştirilen zemin tabakasında mukavemeti ve esnekliği artmaktadır. Yapılan bu iyileştirme nakliye masraflarını önemli ölçüde düşürerek ekonomiye ve çevreye önemli yararlar sağlamaktadır. Dünyada farklı ülkelerde birçok projede kullanılan bu teknoloji ülkemizde de farklı karayolu ve demiryolu projelerinde uygulanmaktadır. Samsun-Kalın Demiryolu Hattının Modernizasyonu projesi kapsamındaki zemin iyileştirme çalışmalarında mevcut demiryolu dolgu tabakası yaklaşık 30 kilometrelik kesimde bu teknoloji ile iyileştirilmiştir. Zemin özelliklerine göre belirlenen karışım oranındaki iyileştirilmiş tabakada proje kriterlerinin üzerinde değerlere ulaşılmıştır. Anahtar Kelimeler: Zeminlerin iyileştirilmesi, NovoCrete, çimento stabilizasyonu. ABSTRACT: Cement stabilization soil is one of the methods used in improving the place. However, the current subfloor with cement from entering most of the time do not reach the success of the improvement be possible. NovoCrete is a new state-of-the-art existing floor with cement in the fastest way, providing a combination of granular material. Natural oxides, sulfates and NovoCrete containing alkaline carbonate minerals and soil is alkaline qualities. NovoCrete additive in cement stabilization distention and ongoing puzolonik provides the formation of new crystals during reaction. Thus, improved strength and flexibility in the ground layer. This improvement made by reducing transport costs significantly, providing significant benefits to the economy and the environment. Used in several projects in different countries around the world, this technology is implemented in different road and railway project in our country. Samsun-Kalın Railway Modernization Project in soil improvement in the work of approximately 30 kilometers of existing railway at the fill layer with this technology. The mixing ratio is determined based on the characteristics of the soil improved layer in the project has been reached on the criteria values. Keywords: Improvement of soils, NovoCrete, cement stabilization. 1. GİRİŞ Klasik yol yapımında zayıf zeminler kaldırılarak yerlerine dışarıdan malzeme getirilerek yol altyapısı ve üstyapısı oluşturulmaktadır. Daha alt tabaklarda zemin özelliklerinin daha az miktarlarda katkı (kireç, cüruf, çimento, uçucu kül) ve atık malzemelerle (muhtelif atıklar, cüruf, uçucu kül) iyileştirilebilmesine rağmen yol üstyapı tabakalarında bu tür katkılar yetersiz kalmakta ve özellikle terasman, alt temel ve temel tabakalarında klasik yöntemler dışında uygulamalar yapılamamaktadır. Zemin iyileştirmede problemlerin çözümü için kullanılan ve bilinen yöntemlerinden olan çimento stabilizasyonunda çimentonun mevcut zeminle reaksiyona girmesi çoğu zaman mümkün olmamakta, iyileştirme başarıya ulaşamamaktadır. Özellikle yol ve demiryolu türü üst yapılar altındaki temel ve alt temel tabakaları çimento stabilizasyonu sonrası bu tabakalar daha gevrek davranış göstererek esnek üst yapı ile uyum sağlayamamaktadır. 239
NovoCrete mevcut zemin ile çimentonun en hızlı şekilde birleşimini sağlayan, %100 saf mineral içerikli, alkalin ve toprak alkalin grubundaki doğal oksitler, sülfatlar ve karbonat mineralleri içeren granüler, doğal bir malzemedir. Zeminin optimum su muhtevasında portland çimentosu ile birleştiğinde kristalleşmeyi ve puzolonik reaksiyonu arttıran ayrıca yerinde iyileştirme imkanı veren teknoloji ürünüdür. Uygulama arazide parçalayıcı ve bağlayıcı makinalarla, arazi ve laboratuvar sonuçları takip edilerek yapılmaktadır. İyileştirilen tabaka kalınlığı 25 cm ile 45 cm arasında değişmektedir. Genelde 35 cm tabaka kalınlığı tercih edilir. Eğer daha kalın zemin istifinde ve/veya daha yüksek dayanım değerlerine ulaşmak gerekir ise sandviç adı verilen tekrarlı tabaka tasarımları uygulanmaktadır. Çimento miktarı, zeminin kuru birim hacim ağırlığının %8 ile %12 u arasında değişmekte ve çoğunlukla %10 oranı tercih edilmektedir. NovoCrete ise çimento miktarının ağırlıkça %2 oranındadır. Uygulamada iyileştirme yapılacak zemin üzerine belirlenen oranda çimento ve daha sonra çimentonun %2 oranında NovoCrete serilir. Daha sonra iyileştirme derinliğine veya iyileştirilecek tabaka kalınlığına göre uç yüksekliği ayarlanan yüksek kapasiteli özel makinelerle zemin üzerine serilen çimento ve NovoCrete zeminle yüksek hız ve devirde optimum su muhtevasında karıştırılır. Karışım frezelenme sonrası, önce keçi ayak silindir ile sıkıştırılır, greyder ile düzeltildikten sonra düz silindirle 2 pas tekrar sıkıştırılır. Kristalleşme, kür ve puzolonik reaksiyonu desteklemek amacıyla ve hava koşulları da dikkate alınarak sulama işlemi gerçekleştirilir. Böylelikle %100 homojen bir karışım sağlanarak planlanan kalınlıkta esnek homojen, daha yüksek dayanım değerlerine sahip ve geçirimsiz bir tabaka oluşturulur. Bu teknolojiyle nakliye masraflarını önemli ölçüde düşerek proje tasarımında istenilen kriterlerde iyileştirilmiş zemin tabakası esnek bir yapı kazanır ve NovoCrete katkısı ile birbiri ile bağdaşmayan malzemeleri birbiri ile bağlanması da sağlanmaktadır. Bu teknoloji dünyada ve ülkemizde farklı karayolu ve demiryolu projelerinde uygulandığı gibi Samsun-Kalın Demiryolu Hattının Modernizasyonu kapsamındaki mevcut zemininin iyileştirilmesinde de uygulanmıştır. Bu çalışmada Samsun-Kalın Demiryolu Hattının Modernizasyonu kapsamındaki uygulamaların sonuçları değerlendirilecektir. 2. ÇALIŞMA YÖNTEMİ Samsun-Kalın Demiryolu yaklaşık yüz yıldır hizmet veren ortalama 60 km/h proje hızına sahip ve genelde yük taşıma hizmeti veren bir hattır. Demiryolu hattının modernizasyonu projesi kapsamında mevcut rayların, traverslerin sökülmesi balast ve subbalast tabakasının kaldırılması, daha sonra ise mevcut doğal ve dolgu zeminin iyileştirilerek yeni subbalast, balast tabakası imalatı ile yeni travers ve rayların montajı öngörülmektedir. Sivas Kalın beldesinden Samsun Karadeniz sahiline ulaşan güzergâh yaklaşık 378 kilometre uzunluğundadır. Modernizasyon kapsamında güzergâhın mevcut zemin koşulları mühendislik jeolojisi ve jeoteknik çalışmalarla belirlenmiş, modernizasyon projesi kapsamında istenilen kriterleri sağlayacak farklı iyileştirme yöntemleri önerilmiş ve projelendirilmiştir. Bu kapsamda farklı kesimler için tanımlanan iyileştirme çalışmaları devam etmektedir. Ancak proje süresinin yetersizliği ve kısıtlılığı dikkate alındığında ortaya çıkan zamana bağlı bu olumsuz koşulları gidermek amacıyla öncelikle Zile Artova arasındaki yaklaşık 30 kilometrelik kısmın değişik kesimlerinde 2,00 ve 3,00 metre kalınlıkta kaya dolgu ile öngörülen iyileştirme yerine NovoCrete ile çimento stabilizasyonu yapılması kararlaştırılmıştır. Böylece projenin daha hızlı bir şekilde sonuçlandırılması ve daha önceki bölümde belirtilen NovoCrete ile çimento stabilizasyonun avantajlarından yararlanılması öngörülmüştür. Zile-Artova arasında güzergâhta temel birim çoğunlukla Eosen yaşlı Çekerek formasyonudur. Birim kumtaşı-çamurtaşı ardalanmasından oluşmaktadır. Bu birim üzerinde Çekerek Irmağı ve kollarının taşıdığı alüvyon tabakaları ile yamaç molozu bulunmaktadır. Alüvyon kalınlığı ve litolojisi alüvyonu taşıyıp biriktiren akarsuyun debisi, akış rejimi ve vadi özelliklerine göre değişim sunmaktadır. NovoCrete teknolojisi ile yapılan iyileştirmede genelde kalınlığı 2,00 metre ile 10,00 metre arasında değişen alüvyon tabakasının kil ve killi çakıl düzeylerinden gerçekleştirilmiştir. Bu kesimdeki km: 218+000, km: 230+500 ve km: 246+000 NovoCrete ile yapılan çimento stabilizasyonuna ait çalışmalar ve çalışmalar sonucu ortaya çıkan iyileştirme performansları bu bildiri kapsamında arazi ve laboratuvar çalışmaları ve/veya deneylerine göre değerlendirilmiştir. 240
Samsun-Kalın Demiryolu Modernizasyonu Projesi kapsamında güzergâhının Zile-Artova arasındaki km:218+000, km:230+500 ve km:246+000 NovoCrete ile yapılan çimento stabilizasyonunda tabaka kalınlığı 35 cm olarak belirlenmiş ve proje kriterleri dikkate alınarak yapılan laboratuvar deneylerine göre 1 m 2 zemin için 60 kg çimento ve kullanılan çimento miktarının %2 oranı olan 1,12 kg NovoCrete karışımı kullanılmıştır. Bu karışım oranlarını belirlenmesinde öncelikle mevcut zeminin indeks özellikleri, CBR değerleri ile Proktor deneyleri sonucu belirlenen maksimum kuru birim hacim ağılığı ve optimum su muhtevaları dikkate alınmıştır. Deney sonuçları Çizelge 1 de sunulmuştur. Bu sonuçlara göre zeminler Birleştirilmiş Zemin Sınıfına (USC) göre CH ve CL sınıfında maksimum kuru birim hacim ağırlıkları 15,00 kn/m 3 dolayında, optimum su muhtevası %20 dolayında, CBR değerleri ise %5 değerinin altındadır. CBR testleri sonucunda bulunan %3-4,5 arasında değişen değerlerin yol yapım standartlarında temel tabaka için önerilen sınırların çok altındadır. Km LL (%) PL(%) PI(%) Çizelge 1. Mevcut zemine ait deney sonuçları. Maksimum Kuru Birim Hacim Ağırlığı (kn/m 3 ) Optimum Su Muhtevası (%) 218+000 62,4 21,4 41,1 15,02 22,60 4,51 CBR (%) 230+500 66,51 2,8 44,3 15,34 22,14 3,01 246+000 41,08 19,6 22,1 15,70 20,00 4,45 Güzergâh üzerinden alınan karışım uygulanacak mevcut zemine, 60 kg/m 2 çimento ve kullanılan çimentonun %2 oranında olan NovoCrete ile uygun şekilde karışım yapıldıktan sonra aynı standartlara göre farklı kür süreleri sonrası yapılan CBR deney sonuçları Şekil 1 de sunulmuştur. Karışım sonrası hazırlanan numunelerin 7 günlük kür sonrası CBR değerlerinde önemli artışlar izlenmiştir. Şekil 1. Mevcut zemine NovoCrete eklenerek elde edilen CBR deney sonuçları. Çimento+NovoCrete ekleyerek hazırlanan numunelerde CBR deney sonucunda bulunan değerler, 218. kilometrede %4,51 den %124,52, 230. kilometrede %3,01 den %139,67 ve 246. kilometrede ise %4,45 den %117,18 değerine ulaşmıştır. Ayrıca çalışmada aynı orandaki karışımlarda hazırlanan silindir numunelerin 7, 14 ve 28 günlük kür süresi sonrası serbest basınç deneyi sonuçlarının, dayanıma etkisini aşağıdaki şekillerde gösterilmiştir (Şekil 2, 3 ve 4). 241
Şekil 2. 218. kilometredeki kür süresi ve serbest basınç dayanım ilişkisi. Şekil 3. 230. kilometredeki kür süresi ve serbest basınç dayanım ilişkisi. Şekil 4. 246. kilometredeki kür süresi ve serbest basınç dayanım ilişkisi. 242
Yukarıda belirli kilometre aralığından alınan farklı numuneler üzerinde yapılan dayanım test sonuçları verilmiştir. Şekil 2 de gösterilen 218 kilometredeki numunenin 7 günlük kür sonucunda 1,15 MPa olarak bulunmuş ve en yüksek dayanıma 28 günlük kürde 4,55 MPa değere ulaşmıştır. Şekil 3 de 230. kilometrede alınan numunede sırasıyla 2,02 MPa, 2,59 ve 3,23 MPa olarak bulunmuş ve en yüksek dayanıma 28 gün sonunda ulaşmıştır. Aynı şekilde 246. kilometredeki deney sonuçlarına bakıldığında ise dayanımı 7 gün 5,11 MPa iken en yüksek sonuca 28 gün sonucunda 6,82 MPa olarak bulunarak kür günleri arttıkça dayanımda da aynı oranda artış olduğu gösterilmiştir. Farklı kilometrelerdeki zeminler üzerinde laboratuvarda 28 günlük kür süresi sonrası yapılan statik elastisite modülü deneylerinde ise elastisite modülü değerleri sırasıyla 755,43 MPa, 659,54 MPa ve 986,93 MPa olarak bulunmuştur (Şekil 5). Şekil 5. Farklı kilometrelerdeki 28 günlük kür sonrası laboratuvar deneyleri ile bulunan elastisite modülü değerleri. Güzergahtaki uygulama sonrası Çimento+NovoCrete kullanılarak imal edilen 35 cm kalınlığındaki tabaka üzerinde 2 gün sonra yapılan statik plaka yükleme deneylerinde E v2 değerleri km:218+000 dolayında 100 MPa, km:230+000 dolayında 250 MPa ve km:246+000 dolayında ise 200 MPa olarak ölçülmüştür. Yine aynı kilometrelerdeki dinamik plaka yükleme deneylerinde E v2 değerleri benzer aralıklarda ölçülmüştür. 3. SONUÇLAR -Çimento+NovoCrete kullanılarak farklı özelliklerdeki zeminlerin iyileştirilmesi sonucu imal edilen zemin tabakası yüksek dayanım değerlerine ulaşmaktadır. -Bu teknoloji ile hem mevcut zeminin yerinden kaldırılarak taşınması hem de iyileştirmede kullanılacak daha iyi mühendislik özelliklere sahip yeni malzemenin ocaktan getirilmesine gerek kalmamaktadır. Böylece nakliye giderleri azalmakta ayrıca trafik yoğunluğunun çevreye olumsuz etkileri ortadan kalkmaktadır. -Çimento+NovoCrete kullanılarak oluşturulan temel, alt temel veya taşıyıcı tabaka homojen, geçirimsiz, yüksek dayanımlı ve düşük deformasyon değerlerine ulaşmaktadır. 243
-Samsun-Kalın Demiryolu Modernizasyonu Projesi kapsamında güzergâhının Zile-Artova arasındaki farklı kesimlerinde NovoCrete ile yapılan çimento stabilizasyonunda 1 m 2 zemin için 60 kg çimento ve kullanılan çimento miktarının %2 oranı olan 1.12 kg NovoCrete karışımı ile 35 cm kalınlığında tabaka imal edilmiş, bu tabaka üzerinde yapılan arazi deneyleri ve mevcut zeminle aynı orandaki karışımlarla hazırlanan numuneler üzerinde yapılan laboratuvar deneylerinde dayanım ve elastik parametrelerde önemli ölçüde artışlar tespit edilmiştir. 4. KAYNAKLAR Bahar, E., Benazzouz, M., Kenai, S. 2004. Cement and Concrete Composites, Volume 26, Issue 7, Pages: 811 820 Sulieman, I. A., Siddig, M. A., Elbadawi, A. A. Structural, 2008. Optical and Electrical properties of Novocrete Material, neelain.edu.sd Kavak, A., Coruk Ö., Aydıner A., 2016, A New Binder Mineral for Cement Stabilized Road Pavement Soils World Academy of Science, Engineering and Technology, International Journal of Civil and Environmental Engineering Vol: 3, No: 11. Kavak, A., Baykal, G., 2012. Long-term behavior of lime-stabilized kaolinite clay, Environmental Earth Science 66:1943 1955, 2012 Kavak A., Akyarlı, A., 2007. A field application for lime stabilization. Engineering Geology 51-6 Pages: 987 997 Kök, B., Yılmaz, M., Geçgil A., 2012. Çimento Stabilizasyonlu Zeminin Esnek Üstyapı Maliyetine Etkisi, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 18, Sayı 3, Sayfa 165-172. Yong, R. N., Ouhadi, V. R., 2007. Experimental study on instability of bases on natural and lime/cement-stabilized clayey soils, Applied Clay Science Volume 35, Issues 3 4, Pages 238 249 244