Zeminlerin C sınıfı uçucu kül, nano silika ve kırmızı çamur ile iyileştirilmesi

Tez çalışmasında, zemin iyileştirme uygulamalarında Portland çimentosuna sürdürülebilir bir alternatif geliştirmek amacıyla, C sınıfı uçucu kül (UK) temelli çimentosuz bağlayıcı sistemlerin performansı kapsamlı bir şekilde araştırılmıştır. Çalışmanın özünü, dört farklı bağlayıcı kombinasyonunun (yalnız UK, UK+Kırmızı Çamur (KÇ), UK+Nano Silika (NS) ve UK+KÇ+NS) performansı sistematik olarak kıyaslanmıştır. Çalışma kapsamında, tane dağılımı ve ince tane içeriği farklılık gösteren (%9.0, 18.5, 37.8) üç zemin (A: SP-SC, B:SC, C: SC) kullanılarak farklı karakteristikteki enjeksiyonlarla iyileştirilmiştir. Enjeksiyon özellikleri Marsh hunisi ve çökelme deneyleriyle belirlenirken, iyileştirilmiş zeminin dayanım ve rijitlik özellikleri serbest basınç deneyleri ile belirlenmiştir. Mekanik performans üzerinde parametrelerin etkisi sistematik olarak belirlenmiştir. Bağlayıcı içeriği, dozajı ve kür süresindeki artışın dayanımı olumlu yönde etkilediği; buna karşılık, su muhtevası ve toplam su/bağlayıcı oranı (WT/Wb) arttıkça dayanımın belirgin şekilde azaldığı tüm sistemlerde gözlemlenen ortak eğilim olmuştur. Zemin tipinin etkisi belirgin olup, kumlu zemindeki ince tane oranı arttıkça (AB>A şeklinde gerçekleşmiştir. Yalnızca UK içeren enjeksiyonlarla, %30-40 gibi yüksek bağlayıcı içeriklerinde ~4600 kPa'ya varan yüksek dayanımlar elde edilmiştir. Ancak maliyet etkin bir çözüm sunmak ve toplam bağlayıcı tüketimini azaltmak amacıyla, bağlayıcı içeriği %10-20 için UK'nin performansının KÇ ve NS katkılarıyla artırılması hedeflenmiştir. Bu doğrultuda, UK+KÇ ikili sistemi, sağladığı alkali aktivasyon ile dayanımda %35-96'lık çarpıcı bir artışa yol açmıştır. UK+NS ikili sistemi ise, NS'nin dispersiyon zorluğu ve seyreltici etkisi nedeniyle tutarsız sonuçlar vermiştir. En üstün mekanik performans, UK+KÇ+NS üçlü sisteminden elde edilmiştir. Optimum KÇ ikame oranı zemin tipine bağlı olarak %10 (C zemini) ile %30 (A ve B zeminleri) arasında değişmekle birlikte, çevresel sürdürülebilirlik ve endüstriyel atığın değerlendirilmesi perspektifiyle %30 KÇ kullanımı önerilmiştir. Araştırmanın temel bulgusu, UK:%69–KÇ:%30–NS:%1 bileşimindeki optimize edilmiş üçlü sistemin, hem işlenebilirlik hem de mekanik performans açısından en üstün dengeyi sağladığıdır. Bu sistem, WT/Wb=1.2-1.5 aralığında 30-50 saniyelik Marsh hunisi akma süresi ve <%10 çökelme oranı ile sahada pompalanabilir ve stabil karışımlar sunmuştur. Mekanik performans üzerinde ise, KÇ'nin sağladığı alkali aktivasyon ile NS'nin katalitik çekirdeklenme etkisi sinerjistik bir şekilde birleşerek 56 günlük kür sonunda ~8200 kPa gibi geleneksel çimento değerleriyle rekabet edebilen bir serbest basınç dayanımına ulaşılmıştır. Elastisite modülü (E50) değerlerinin tüm sistemlerde 60-130qu bandında dağılım göstermesi üzerine, güvenli bir tasarım için E₅₀≈100qᵤ değerinin kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Sonuç olarak, bu araştırma, UK+KÇ+NS üçlü sisteminin, optimize edilmiş WT/Wb oranları ile uygulandığında, teknik performansın yanı sıra çevresel ve ekonomik avantajlar da sunan, zemin enjeksiyon ve derin karıştırma uygulamaları için güvenilir bir çimentosuz çözüm olduğunu kanıtlamıştır.

The thesis study comprehensively investigates the performance of cementless binder systems based on Class C fly ash (FA), aimed at developing a sustainable alternative to Portland cement for ground improvement applications. The core of the study consists of a systematic comparison of the performance of four different binder combinations: FA alone, FA+Red Mud (RM), FA+Nano Silica (NS), and FA+RM+NS. The research involved the improvement of three soils (A: SP-SC, B: SC, C: SC) with varying grain size distributions and fine contents (9.0%, 18.5%, and 37.8%, respectively) using injections with different characteristics. The fresh properties of the grouts were determined by Marsh funnel and sedimentation tests, while the strength and stiffness properties of the improved soil were evaluated through unconfined compression tests. The influence of various parameters on mechanical performance was systematically identified. A common trend observed across all systems was that increases in binder content, dosage, and curing duration positively affected strength, whereas increases in water content and the total water/binder ratio (WT/Wb) led to a significant decrease in strength. The influence of soil type was distinct; as the fine content in the sandy soils increased (AB>A, which is attributed to more effective filling of voids. Using injections containing only FA, high strengths up to ~4600 kPa were achieved at high binder contents of 30-40%. However, aiming to provide a cost-effective solution and reduce total binder consumption, the goal was to enhance the performance of FA at lower binder contents (10-20%) through the contributions of RM and NS. Accordingly, the FA+RM binary system led to a striking strength increase of 35-96%, due to the alkali activation it provided. In contrast, the FA+NS binary system yielded inconsistent results, primarily due to NS's dispersion difficulties and diluting effect. The superior mechanical performance was obtained from the FA+RM+NS ternary system. Although the optimum RM replacement ratio varied with soil type—10% for Soil C and 30% for Soils A and B—a usage of 30% RM is recommended from the perspectives of environmental sustainability and industrial waste valorization. A key finding of the research is that the optimized ternary system with a composition of FA:69%–RM:30%–NS:1% provides the best balance between workability and mechanical performance. This system offered pumpable and stable mixtures, with a Marsh funnel flow time of 30-50 seconds and a sedimentation rate of <10% within a WT/Wb range of 1.2-1.5. Regarding mechanical performance, the synergistic combination of the alkali activation provided by RM and the catalytic nucleation effect of NS resulted in the achievement of an unconfined compressive strength of ~8200 kPa after 56 days of curing, a value competitive with traditional cement grouts. Based on the finding that the Elasticity Modulus (E50) values for all systems distributed within a band of 60-130qu, it was concluded that a value of E50≈100qu can be used for safe design. In conclusion, this research demonstrates that the FA+RM+NS ternary system, when applied with optimized WT/Wb ratios, constitutes a reliable, cementless solution for ground injection and deep mixing applications, offering not only technical performance but also environmental and economic advantages.