Zemin Mekanii ve Temel Mühendislii Onüçüncü Ulusal Kongresi 30 Eylül - 1 Ekim 2010, stanbul Kültür Üniversitesi, stanbul POLPROPLEN FBER VE UÇUCU KÜL KATKILI ANKARA KLNN BAZI GEOTEKNK ÖZELLKLERNN ARATIRILMASI INVESTIGATION OF SOME GEOTECHNICAL PROPERTIES OF POLYPROPYLENE FIBER AND FLY ASH AMENDED ANKARA CLAY Yüksel YILMAZ 1 Ümit SEVENCAN 2 ABSTRACT In this experimental study the effect of various ratios of polypropylene fiber and Çayırhan fly ash additives on the engineering properties of high plasticity Ankara clay has been investigated. Firstly, classification experiments of Çayırhan fly ash and Ankara clay are carried out. Then, compaction characteristics of Ankara clay alone and with three different fly ash content (Fly ash/clay = 10.0%, 20.0 % and 30.0 % by dry weight) are obtained with standard Proctor compaction energy. After determining maximum dry unit weight and optimum water content of the pure clay and fly ash-clay mixtures, pure Ankara clay and three different fly ash-clay mixtures are prepared with and without polypropylene fiber. The ratios of fiber to the clay for the fiber-clay and fiber-fly ash-clay mixtures are chosen 0.5% and 1.0% by dry mass. In the study two different types of fiber (M type fiber and F type fiber) with 19.0 mm length are used. Since, fly ashes are pozzolanic materials, to determine the effect of curing period on the strength, fly ash-clay mixtures without fiber were subjected to unconfined compression tests after 1 day, 7 days, 14 days, and 28 days curing periods. Unconfined compressive strength of fiber-fly ash-clay mixtures were determined just for 28 days curing periods. Key words: Clay, fly ash, polypropylene fiber, compaction characteristics, unconfined compressive strength ÖZET Bu deneysel çalımada yüksek plastisiteli Ankara kilinin mühendislik özelliklerinin, deiik oranlarda polipropilen fiber ve Çayırhan uçucu külü katkılarıyla nasıl deitii aratırılmıtır. lk olarak Çayırhan uçucu külü ve Ankara kilinin sınıflama deneyleri yapılmıtır. Daha sonra Ankara kilinin kompaksiyon karakteristikleri tek baına ve üç farklı uçucu kül içeriiyle (uçucu külün kile oranı kuru aırlıkça %10.0, %20.0 ve %30.0) standart Proctor kompaksiyon enerjisi kullanılarak elde edilmitir. Bu aamadan sonra, maksimum kuru birim hacim aırlık ve optimum su içerikleri belirlenen katkısız ve üç 1 Yrd. Doç. Dr., Gazi Üniversitesi, yyuksel@gazi.edu.tr 2 n. Yük. Müh., Pimeks Group, usevencan@pimeks.com 133
farklı uçucu kül katkılı Ankara kilinin fibersiz ve fiberli karıımları elde edilmitir. Fiberkil ve fiber-uçucu kül-kil karıımlarda fiberin kile oranı kuru aırlıkça %0.5 ve %1.0 olarak belirlenmitir. Çalımada 19.0 mm uzunluunda M tipi ve F tipi olmak üzere iki farklı tipte fiber kullanılmıtır. Uçucu kül puzolanik bir malzeme olduundan kür süresinin dayanım üzerindeki etkisini görmek amacıyla fibersiz uçucu kül-kil karıımları 1 gün, 7 gün, 14 gün ve 28 gün kür ortamında bekletildikten sonra tek eksenli basınç deneyine tabi tutulmulardır. Fiber-uçucu kül-kil karıımlarının tek eksenli basınç dayanımları ise sadece 28 gün kürde bekletildikten sonra elde edilmitir. Anahtar sözcükler: Kil, uçucu kül, polipropilen fiber, kompaksiyon karakteristikleri, tek eksenli basınç dayanımı 1. GR Zeminin mühendislik malzemesi olarak kullanılabilmesi zemin mühendislik özelliklerinin istenilen artları salaması gereklidir. Proje sahasındaki zeminin mevcut haliyle kullanılması ekonomik açıdan tercih sebebidir. stenilen özellikleri taımayan zeminlerin çou zaman stabilize edilmesi veya mühendislik özelliklerinin iyiletirilmesi kaçınılmazdır. Baka alternatif yöntemler olmakla beraber mekanik stabilizasyon veya younlatırma anlamına gelen kompaksiyon en yaygın olarak kullanılan yöntemlerdendir (Yılmaz ve Özaydın, 2008). Düük dayanıma sahip zeminlerin mekanik stabilizasyonunda geleneksel olarak çimento, kireç, uçucu kül gibi katkı maddeleri kullanılmaktadır. Dier yandan geleneksel katkı maddelerine alternatif olarak polipropilen fiber, organik fiber, parçalanmı araba lastii fiberi, çelik fiber, vs., gibi deiik katkı maddelerinin kullanılması da son zamanlarda aratırmacıların dikkatini çekmektedir (Maher ve Ho, 1994; Nataraj ve McManis, 1997; Iasbik vd., 2002; Ang ve Erik, 2003; Cai vd., 2006; Kumar vd., 2006; Özkul ve Baykal, 2007; Rafalko vd., 2007; Yılmaz, 2009). Bu deneysel çalımada; Ankara kiline deiik oranlarda çayırhan termik santralı uçucu külü ve deiik tip poliproplilen fiberler katılarak elde edilen karıımların, tek eksenli basınç dayanımlarının nasıl deitii aratırılmıtır. 2. MATERYAL VE YÖNTEM Deneylerde kullanılan kil Ankara ilinin Çukurambar semtindeki bir aratırma çukurundan temin edilmitir. Yine Ankara nın Nallıhan ilçesindeki Çayırhan Termik Santralinden deneyler için kullanılacak uçucu kül getirtilmitir. lk olarak kil ve uçucu külün sınıflandırma deneyleri yürütülmütür. Daha sonra uçucu kül-kil karıımlarının kompaksiyon karakteristikleri dört farklı uçucu kül içeriinde (uçucu külün kile oranı kuru aırlıkça %0, %10 %20 ve % 30) standart Proctor kompaksiyon enerjisi ile elde edilmitir. Optimum su içerii ve maksimum kuru birim hacim aırlıkta sıkıtırılan uçucu kül-kil karıımlarının tek eksenli basınç deneyleri 1 gün, 7 gün, 14 gün ve 28 gün kür ortamında bekletildikten sonra yürütülmütür. Ayrıca, uçucu kül-kil karıımlarına 19 mm boyundaki iki farklı fiber (M ve F tipi) eklenerek 28 gün kür ortamında bekletildikten sonra tek 134
eksenli basınç dayanımları elde edilmitir. Fiberin karıım içindeki oranı %0.5 ve %1.0 olarak seçilmitir. 2.1.Çalımada Kullanılan Kil ve Uçucu Kül Çalımada kullanılan kil ve uçucu külün dane boyutu daılım erileri (ekil 1), kıvam limitleri ve özgül aırlıkları sırasıyla ASTM D 422, ASTM D 4318 ve ASTM D 854 standartlarına göre elde edilmitir. Deney sonuçları Çizelge 1 de özetlenmitir. 100 90 80 70 Yüzde geçen 60 50 40 30 20 10 Uçucu Kül Ankara Kili 0 0.001 0.010 0.100 1.000 10.000 Tane çapı, mm ekil 1. Çalımada Kullanılan Kil ve Uçucu Külün Dane Boyutu Daılım Erileri Birleik zemin sınıflama sistemi ASTM D 2487 standardına göre kilin sınıfı CH olarak belirlenmitir. Ayrıca birleik zemin sınıflama sistemi ASTM D 2487 standardına göre uçucu külün kötü derecelenmi ve NP olarak sınıflandırılmıtır (Çizelge 1). Çizelge 1. Çalımada Kullanılan Kil ve Uçucu Külün Bazı Fiziksel Özellikleri Özellik Çayırhan Uçucu Külü Kil Üniformluk katsayısı, C u 2.17 - Erilik katsayısı, C c 0.67 - Likit Limit, w L (%) - 97 Plastik Limit, w P (%) - 28 Özgül aırlık, G s 2.553 2.721 USCS sınıfı NP CH Çayırhan uçucu külü küresel ve yarı-köeli ekli partiküllerden olumaktadır. ASTM C 618 standartına göre C sınıfı uçucu küldür. Çayırhan uçucu külünün SiO 2 +Al 2 O 3 +Fe 2 O 3 deeri %70 in üzerinde (% 74.17) ve CaO miktarı %13.1 dir. 135
Çalımada kullanılan fiberler % 100 polipropilen esaslı olup bazı fiziksel özellikleri Çizelge 2 de sunulmutur. Çizelge 2. Çalımada Kullanılan Fiberlerin bazı Fiziksel Özellikleri (Sevencan, 2009) Özellik M tipi F tipi Tip Multifilament Fibrile Boy (mm) 19 19 çerik % 100 saf polipropilen % 100 saf polipropilen Görünü Tel lifler A ekilli fiber Çekme Dayanımı (kpa) 700 400 Young Modülü (kpa) 3500 2600 Uzama (%) 20 % 15 % Younluk (g/cm 3 ) 0.91 0.91 3. ARATIRMA BULGULARI VE TARTIMA 3.1. Laboratuvar Kompaksiyon Karakteristikleri Kil içerisindeki uçucu kül oranı %0, %10, %20 ve %30 olacak ekilde hazırlanan uçucu kül-kil içeren karıımların maksimum kuru younlukları ve optimum su içerikleri ASTM D 698 standardına göre elde edilmitir. Karıımlardaki uçucu kül oranının artmasıyla optimum su muhtevaları ve maksimum kuru birim hacim aırlıklarında meydana gelen deiiklikler sırasıyla ekil 2 ve ekil 3 te gösterilmektedir. ekil 2 ye göre genel olarak karıımdaki uçucu kül oranı arttıkça optimum su içerii de belirgin bir ekilde azalmaktadır. Bununla beraber ekil 3 te görüldüü üzere karıımdaki uçucu kül oranı arttıkça maksimum birim hacim aırlıı ise yükselen bir eilim içindedir. ekil 2. Optimum Su çeriklerinin Karıımdaki UÇK Oranı ile Deiimi. 136
ekil 3. Maks. Kuru Birim Hacim Aırlıklarının Karıımdaki UÇK Oranı ile Deiimi 3.2. Uçucu Kül-Kil Karıımlarının Tek Eksenli Basınç Deneyleri 50 mm çapında ve 100.5 mm boyunda hazırlanan fiber-kum-kil karıımlarının tek eksenli basınç deneyleri ASTM D 2166 standardına göre 0.5 mm/dak yükleme hızı altında deformasyon kontrollü olarak yürütülmütür. Uçucu kül-kil karıımlarının 1., 7., 14. ve 28. gün sonundaki tek eksenli basınç dayanımları Çizelge 3 te verilmitir. Çizelge 3. Uçucu Kül-Kil Karıımlarının Tek Eksenli Basınç Dayanımları Kür Tek Eksenli Basınç Dayanımı, kpa Süresi UÇK/KL=%0 UÇK/KL=%10 UÇK/KL=%20 UÇK/KL=%30 1 gün 231,0 294,1 264,8 241,4 7 gün 201,0 339,7 310,7 355,5 14 gün 222,2 301,5 388,0 491,0 28 gün 196,2 306,1 397,4 546,2 Saf kilin tek eksenli basınç dayanımı referans alındıında karıımdaki uçucu kül yüzdesine ve kür süresine göre tek eksenli basınçlardaki yüzde deiim ekil 4 de sunulmutur. ekil 4 e göre karıımdaki uçucu kül ile kür süresi arasında bir eik deer bulunduu görülmektedir. Düük kür sürelerinde (1 ve 7 gün) karıımdaki uçucu külün %10 dan daha fazla olmasının karıımın tek eksenli basınç dayanımı üzerine etkisi yok denecek kadar azdır. Dier yandan daya yüksek kür sürelerinde (14 ve 28) karıımdaki uçucu kül miktarının arttırılması ile tek eksenli basınç dayanımının yaklaık dorusal olarak artmaktadır. Örnein 28 gün kürde bekletilen numunelerin tek eksenli basınç dayanımı, karıımdaki uçucu kül miktarı %10 dan %30 a arttırıldıında, %55 lerden balayarak %180 lere kadar artmaktadır 137
Serbest basınç dayanım artıı, % 200 175 150 125 100 75 50 Kür süresi = 28 gün Kür süresi = 14 gün Kür süresi = 7 gün Kür süresi = 1 gün 25 0 0 10 20 30 Uçucu kül/kil oranı ekil 4. Uçucu Kül-Kil Karıımlarının Saf Kile göre Tek Eksenli Basınç Dayanım Artıları 3.3. Fiber-Uçucu Kül-Kil Karıımlarının Tek Eksenli Basınç Deneyleri Deneysel çalımanın bu kısmında kile uçucu külün yanı sıra polipropilen fiber de katılarak elde edilen karıımların tek eksenli basınç dayanımları aratırılmıtır. Polipropilen fiber katkısının ne uçucu külle ne de kille puzolanik bir etkileime girmeyecei aikârdır. Dolayısıyla, fiber-uçucu kül-kil karıımlarının tek eksenli basınç dayanımı deneyleri deilik kür sürelerinde deil de sadece 28 gün kürde bekletilen numuneler üzerinde yürütülmütür. Karıımlarda 19 mm uzunluunda M tipi ve F tipi olmak üzere iki farklı fiber kullanılmıtır. Fiber/kil oranı aırlıkça % 0.5 ve % 1.0 olmak üzere iki farklı fiber oranı belirlenmitir. ekil 5 te 19 mm boyunda F tipi fiber kullanılarak ve UÇK/Kil = %30, Fiber/ Kil= %1 oranlarında hazırlanmı bir adet bir adet fiber-uçucu kül-kil numunesinin tek eksenli deneyine tabi tutulmadan önceki fotorafı sunulmutur. Fiber- uçucu kül-kil karıımlarının tek eksenli basınç dayanımları her bir uçucu kül yüzdesi için oluturulan ekil 6, 7 ve 8 üzerinden sunulmutur. Karıımda uçucu kül bulunmaması durumunda fiber katkısının tek eksenli basınç dayanımına etkisi ekil 6 da görülmektedir. 138
ekil 5. UÇK/Kil = %30, Fiber/ Kil= %1 ve 19 mm Boyunda F Tipi Fiber-Uçucu Kül-Kil Numunesinin Deney Öncesi Fotorafı (Sevencan, 2009) Tek eksenli basınç dayanımı, kpa 800 700 600 500 400 300 200 Uçucu kül/kil = %0 Fiber/Kil = %0,5 Fiber/Kil = %1,0 100 0 fibersiz M19 F19 Fiber-Uçucu kül-kil karıımlarındaki fiber tipi ekil 6. UÇK/Kil oranı %0 Olan Fiber-Uçucu Kül-Kil Karıımlarının Tek Eksenli Basınç Dayanımları ekil 6 ya göre UÇK/Kil oranı %0 olması durumunda %1,0 fiber katkısı %0,5 fiber katkısına göre tek eksenli basınç dayanımını daha çok arttırmakla beraber fiber katkısının saf kilin tek eksenli basınç dayanımını az da olsa düürmektedir. 139
Tek eksenli basınç dayanımı, kpa 800 700 600 500 400 300 200 Uçucu kül/kil = %0 Fiber/Kil = %0,5 Fiber/Kil = %1,0 100 0 fibersiz M19 F19 Fiber-Uçucu kül-kil karıımlarındaki fiber tipi ekil 7. UÇK/Kil oranı %10 olan Fiber-Uçucu Kül-Kil Karıımlarının Tek Eksenli Basınç Dayanımları ekil 7 ye göre UÇK/Kil oranı %10 olması durumunda %1,0 fiber katkısı %0,5 fiber katkısına göre tek eksenli basınç dayanımını daha çok arttırmıtır. Ayrıca M tipi fiberin tek eksenli basınç dayanımına etkisi F tipi fibere göre daha fazladır. Tek eksenli basınç dayanımı, kpa 800 700 600 500 400 300 200 Uçucu kül/kil = %30 Fiber/Kil = %0,5 Fiber/Kil = %1,0 100 0 fibersiz M19 F19 Fiber-Uçucu kül-kil karıımlarındaki fiber tipi ekil 8. UÇK/Kil oranı %30 olan Fiber-Uçucu Kül-Kil Karıımlarının Tek Eksenli Basınç Dayanımları Uçucu kül-kil ve fiber-uçucu kül-kil karıımlarının tek eksenli basınç dayanımları ve fiberlerden kaynaklanan dayanım artıları Çizelge 4 te gösterilmitir. Fiber ilavesinin tek eksenli basınç dayanımına etkisi fibersiz karıımlar referans alınarak elde edilmitir. 140
Çizelge 4. Fiber-Uçucu Kül-Kil Karıımlarının Tek Eksenli Basınç Dayanımları ve Fiberlerden Kaynaklanan Dayanım Artıları UCK/KL % FBER/KL % Fibersiz M19 F19 M19 Fiberden Kaynaklanan Dayanım Artıı F19 Fiberden Kaynaklanan Dayanım Artıı 0 0,5 196,2 162,7 136,1-17,1-30,6 0 1 196,2 215,2 184,4 9,7-6,0 10 0,5 306,1 345,8 272,0 13,0-11,1 10 1 306,1 467,7 377,0 52,8 23,2 30 0,5 505,2 515,2 443,2 2,0-12,3 30 1 505,2 563,5 710,6 11,6 40,7 Çizelge 4 e göre fiber katkısın %1,0 olması durumunda %10 uçucu kül ve %30 uçucu kül içeren karıımların tek eksenli basınç dayanımları belirgin derecede artmaktadır. Örnein %30 uçucu kül içeren ve %1,0 19 mm boyunda F tipi fiber içeren fiber-uçucu kül-kil karıımının tek eksenli basınç dayanımı yaklaık %40 artmaktadır. Benzer olarak %10 uçucu kül içeren ve %1,0 19 mm boyunda M tipi fiber içeren fiber-uçucu kül-kil karıımının tek eksenli basınç dayanımı yaklaık %53 artmaktadır. 4. SONUÇLAR 1) Uçucu kül-kil karıımlarındaki optimum su içerii, karıımdaki uçucu kül miktarının artııyla azalma eilimi göstermektedir. Dier yandan, karıımın maksimum kuru birim hacim aırlıı, karıımdaki uçucu kül miktarının artmasıyla artma eilimi göstermektedir. 2) Fibersiz uçucu kül-kil karıımlarının deiik kür sürelerinde elde edilen tek eksenli basınç dayanımları incelendiinde uçucu kül ile kür süresi arasında bir eik deer olduu görülmektedir. Düük kür sürelerinde (1 ve 7 gün) karıımdaki uçucu külün %10 dan daha fazla olasının karıımın tek eksenli basınç dayanımı üzerine etkisi yok denecek kadar azdır. Dier yandan, yüksek kür sürelerinde (14 ve 28) karıımdaki uçucu kül miktarının arttırılması ile tek eksenli basınç dayanımı hemen hemen dorusal olarak artmaktadır. 3) Fiber-uçucu kül-kil karıımlarının 28 gün kürden sonra elde edilen tek eksenli basınç dayanımları incelendiinde %1,0 fiber katkısının %0,5 fiber katkısına nazaran tek eksenli basınç dayanımını üzerindeki etkisi daha çoktur. Dier yandan fiberin tek eksenli basınç dayanımına etkisinin belirli bir eilim içerdiini de söylemek oldukça zordur. Dayanımlardaki dalgalanmanın karııma rastgele (random) katılan fiber miktarının potansiyel yenilme düzlemlerinde yıınlamalarıyla (ya da yıınlamamalarıyla) açıklanabilir. Ayrıca, fiberin tek baına (uçucu kül katılmadan) kile katılması durumunda (yani fiber-kil karıımı) tek eksenli basınç dayanımı az da olsa düme eilimindedir. KAYNAKLAR Ang, E.C., Erik L.J., (2003). Specimen Size Effects for Fiber-Reinforced Silty Clay in Unconfined Compression, Geotechnical Testing Journal, Vol. 26, (2), 191-200. 141
Cai, Y., Shi, B., Ng, C.W.W., Tang, C.S., (2006). Effect of Polypropylene Fibre and Lime Admixture on Engineering Properties of Clayey Soil, Engineering Geology, Vol. 87, (3-4), 230-240. Iasbik, I., De Lima, D.C., Carvalho, C.A.B., Silva, C.H.C., Minette, E., Barbosa, P.S.A., (2002). Geotechnical Characterization of a Clayey Soil Stabilized with Polypropylene Fiber Using Unconfined Compression and Resilient Modulus Testing Data, ASTM Special Technical Publication, n 1437, 114-125. Kumar, A., Walia, B.S., and Mohan, J., (2006). Compressive Strength of Fiber Reinforced Highly Compressible Clay, Construction and Building Materials, Vol. 20, (10), 1063-1068. Maher, M.H., Ho, Y.C., (1994). Mechanical Properties of Kaolinite/Fiber Soil Composite, Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 120, (8), 1381-1393. Nataraj, M.S., McManis, K.L., (1997). Strength and Deformation Properties of Soils Reinforced with Fibrillated Fibers, Geosynthetics International, Vol. 4, (1), 65-79. Ozkul, Z.H., Baykal, G., (2006). Shear Strength of Clay with Rubber Fiber Inclusions, Geosynthetics International, Vol. 13, (5), 173-180. Rafalko, S. D., Brandon, T.L., Filz, G.M., Mitchell, J. K., (2007). Fiber Reinforcement for Rapid Stabilization of Soft Clay Soils, Transportation Research Record, n 2026, 21-29. Sevencan, Ü., (2009). Polipropilen Fiber ve Uçucu Kül Katkılı Ankara Kilinin Geoteknik Özelliklerinin Aratırılması, Kırıkkale Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, naat Mühendislii Anabilim Dalı, 51. Yılmaz, Y. Özaydin, V., (2008). Gölet veya Sulama Kanalı Projelerinde Kullanılan Örselenmi Zeminlerin ndeks Özellikleri ile Kompaksiyon Karakteristiklerinin likilendirilebilirlii, Zemin Mekanii ve Temel Mühendislii Onikinci Ulusal Kongresi, Selçuk Üniversitesi, Konya, 339-350. Yilmaz, Y., (2009). Experimental Investigation of the Strength Properties of Sand-Clay Mixtures Reinforced with Randomly Distributed Discrete Polypropylene Fibers, Geosynthetics International, Vol. 16, (5), 354-363. 142