Farklı kimyasal boşluk sıvısına sahip kumların biyolojik yöntemle iyileştirilmesi

Sunulan tez çalışması ile farklı kimyasal boşluk sıvısına sahip kumlu zeminler biyolojik esaslı Mikrobiyal Kalsiyum Karbonat Çökelmesi (MKKÇ) yöntemiyle iyileştirilmiştir. Farklı konsantrasyonlardaki temiz su (çeşme suyu), tuzlu su (NaCl), sülfatlı su (MgSO4) ve asitli su (HCl) ortamlarındaki iyileştirilmiş zeminlerin fiziksel, mekanik ve mineralojik özellikleri belirlenmiştir. Temiz su ortamındaki kumlu zeminlerde, sıkılık derecesi (%30-50-70), ortam sıcaklığı (20-30- 45°C) ve bakteri yoğunluğunun (107 -108 -10⁹ hücre/ml) iyileştirilmiş zemin performansına etkileri incelenmiştir. %50 sıkılık derecesi, 20°C ortam sıcaklığı ve 10⁹ hücre/ml bakteri yoğunluğu optimum parametreler olarak belirlenmiştir. Temiz su ortamındaki iyileştirilmiş kum zeminlerde CaCO3 miktarı %11.3-18.1 arasında olurken, basınç dayanımı 1.7-4.1MPa arasında değişmektedir. Tuzlu su (1-100 g/lt) ortamındaki iyileştirilmiş kum zeminlerin CaCO3 miktarı %16.1-20.7 arasında ve basınç dayanımı 2.6-4.5MPa arasında değişmektedir. Sülfatlı su (0.3-2g/lt) ortamındaki iyileştirilmiş kum zeminlerin CaCO3 miktarı %18.0-23.6 arasında iken basınç dayanımı 4.0-5.2MPa arasında değişmektedir. Asitli su (pH=4.6-6.6) ortamındaki kumlarda, CaCO3 miktarı %22.1-26.2 arasında iken basınç dayanımı 4.9-5.4MPa arasında değişmektedir. Kumlu zeminlerin mekanik özelliklerindeki iyileşme, MKKÇ sürecinde çökelen kalsit miktarıyla doğru orantılıdır. Serbest basınç dayanımı (qu) ile çökelen kalsit (CaCO3) miktarı arasında qu=260(%CaCO3)-984.5 (R2=0.93) şeklinde bir ilişki kurulmuştur. Temiz, tuzlu ve sülfatlı su ortamlarında sekant modülü E50, 45qu-70qu arasında iken, asitli su ortamlarında 25qu-45qu arasında olmaktadır. SEM ve FTIR analizleri ile MKKÇ süreci sonunda tespit edilen kalsit ve vaterit kristallerinin miktarı ve boyutu boşluk sıvısının kimyasal özelliğine göre değişmektedir. Temiz su ortamında daha büyük boyutlu ama az miktarda biyo-çimentolanma ürünleri oluşurken, ortamın sırasıyla tuzlu, sülfatlı ve asitli olması halinde biyo-çimentolanma ürünlerinin boyutlarının küçüldüğü ama miktarlarının arttığı belirlenmiştir. Tez çalışması ile Sporosarcina pasteurii bakterisinin tuzlu, sülfatlı veya asitli boşluk sıvısının olduğu kumlu zeminlerde hücresel faaliyetlerini devam ettirebildiği, yüksek oranda kalsit çökeltisi oluşturabildiği ve yeterli mukavemete ulaşıldığı (qu>1MPa) belirlenmiştir. Etkili bir MKKÇ süreci için, zemin-bakteri enjeksiyonu karışımında başlangıç pH değerinin 6.7-6.9 arasında olması gerektiği anlaşılmıştır. Sonuç olarak, farklı kimyasal boşluk sıvısının olduğu kumlu zeminlerin MKKÇ tekniği ile iyileştirilebileceği sonucuna ulaşılmıştır.

In the presented thesis study, sandy soils with different chemical pore fluids were improved using the bio-based Microbially Induced Calcium Carbonate Precipitation (MICP) method. The physical, mechanical, and mineralogical properties of soils treated in environments containing fresh water (tap water), saline water (NaCl), sulfate-rich water (MgSO4), and acidic water (HCl) at various concentrations were determined. In sandy soils treated in a fresh water environment, the effects of relative density (30-50-70%), ambient temperature (20-30-45°C), and bacterial concentration (10⁷–10⁸–10⁹ cells/ml) on the performance of the treated soils were investigated. A relative density of 50%, ambient temperature of 20°C, and bacterial concentration of 10⁹ cells/ml were identified as the optimum parameters. The amount of CaCO3 ranged between 11.3% and 18.1%, while unconfined compressive strength varied from 1.7 MPa to 4.1 MPa. In sandy soils treated in saline water (1–100 g/L), the CaCO3 content ranged between 16.1% and 20.7%, with compressive strength values between 2.6 MPa and 4.5 MPa. For soils treated in sulfate-rich water (0.3–2 g/L), the CaCO3 content was between 18.0% and 23.6%, and compressive strength ranged from 4.0 MPa to 5.2 MPa. In acidic water environments (pH = 4.6–6.6), CaCO3 content varied between 22.1% and 26.2%, and compressive strength between 4.9 MPa and 5.4 MPa. A correlation between unconfined compressive strength (qu) and precipitated calcite (CaCO3) was established as qu=260(%CaCO3)–984.5 (R²=0.93). In fresh, saline, and sulfate-rich water environments, the secant modulus E₅₀ ranged from 45qu to 70qu, while in acidic environments it ranged from 25qu to 45qu. SEM and FTIR analyses showed that the quantity and size of calcite and vaterite crystals formed during the MICP process varied depending on the chemical properties of the pore fluid. While fewer but larger bio-cementation products were formed in fresh water, it was observed that the crystal size decreased but the quantity increased in saline, sulfate-rich, and acidic environments, respectively. The study demonstrated that Sporosarcina pasteurii bacteria could maintain cellular activity in sandy soils with saline, sulfate-rich, or acidic pore fluids, precipitate significant amounts of calcite, and achieve adequate strength (qu>1 MPa). It was also concluded that an initial pH value between 6.7 and 6.9 in the soil–bacteria injection mixture is essential for an effective MICP process. As a result, it was concluded that sandy soils with different chemical pore fluids can be effectively improved using the MICP technique.