Investigation of the Effects of Soil Improvement in Sandy Soil Using Metakaolin on Rigid Pavement Thickness and Cost

Year 2024, , 882 - 893, 15.09.2024

Tacettin Geçkil , Talha Sarıcı , Bahadır Karabaş

https://doi.org/10.34248/bsengineering.1495259

Abstract

In this study, the effects of subgrade soil improved by the usage of metakaolin on the layer thickness and construction cost of a rigid road designed on it were investigated. First, soil classification tests were conducted to determine the soil class, and several laboratory tests were performed to identify soil properties. Then, standard proctor tests were applied to soil samples prepared by adding 3%, 6%, 9%, 12%, and 15% metakaolin by weight. Subsequently, unconfined compressive strength tests were conducted on the samples prepared with different proportions of metakaolin after a curing period of 28 days. As a result of the tests, the highest strength was obtained in samples containing 12% metakaolin. Then, after 28 days of curing, the California bearing ratio test was applied to the samples prepared without additives and with 12% metakaolin, resulting in a 227.56% increase in strength value. After the experimental studies, pavement layer thickness and cost were investigated according to the rigid pavement design guidelines recommended by the American Association of State Highways and Transportation (AASHTO). As a result of the calculations, it was determined that the subgrade improved with 12% metakaolin reduced the rigid pavement layer thickness by 29.17% and the cost by 2.68%.

Keywords

Poorly graded sand, Soil stabilization, Metakaolin, Transportation geotechnics

Metakaolin Kullanılarak Kum bir Zemine Yapılan Zemin Islahının Rijit Kaplama Kalınlığına ve Maliyetine Etkilerinin Araştırılması

Abstract

Bu çalışmada, metakaolin kullanılarak stabilize edilen yol taban zemininin, üzerine tasarlanan rijit bir yolun tabaka kalınlığına ve yapım maliyetine etkileri incelenmiştir. İlk olarak, zemin sınıflandırma deneyleri ile zemin sınıfı tespit edilmiş ve zemin özelliklerinin belirlenmesi amacıyla bazı laboratuvar deneyleri yapılmıştır. Daha sonra, zemine ağırlıkça %3, %6, %9, %12 ve %15 metakaolin ilave edilerek hazırlanan zemin numunelerine standart proktor deneyi uygulanmıştır. Ardından, 28 gün boyunca kür süresine tabi tutulan ve farklı oranlarda metakaolin kullanılarak hazırlanan numunelere serbest basınç deneyi yapılmıştır. Deneyler sonucunda, en yüksek dayanım %12 oranında metakaolin içeren karışım numunelerinde elde edilmiştir. Daha sonra, katkısız ve %12 oranında metakaolin katkılı numunelere 28 gün kür süresinin ardından, uygulanan Kaliforniya taşıma gücü oranı deneyi neticesinde, dayanımın %227,56 arttığı tespit edilmiştir. Deneysel çalışmalardan sonra, Amerikan Devlet Karayolları ve Ulaştırma Birliği (AASHTO) tarafından önerilen rijit yol üstyapı tasarım esaslarına göre üstyapı tabaka kalınlığı ve maliyeti araştırılmıştır. Hesaplamalar neticesinde, %12 oranında metakaolin ile iyileştirilen yol taban zemininin, rijit üstyapı tabaka kalınlığını %29,17 oranında ve maliyeti %2,68 oranında düşürdüğü tespit edilmiştir.

Keywords

Kötü derecelenmiş kum, Zemin ıslahı, Metakaolin, Ulaştırma geotekniği

Thanks

Bu çalışma İnönü Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) Koordinatörlüğü'nün İÜ-BAP FDK-2023-3325 numaralı projesi tarafından desteklenmiştir. BAP Koordinasyon Birimi'ne desteklerinden dolayı teşekkür ederiz.

References

• AASHTO. 1993. Guide for design of pavement structures. American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, DC, USA, pp: N1.
• AASHTO. 2024. Mechanistic-Empirical Pavement Design Guide, 3rd Edition (MEPDG-3), American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, DC, USA, pp: 128.
• Abdulkareem SA, Abbas JM. 2021. Effect of adding metakaolin based geopolymer to improve soft clay under different conditions. Earth Environ Sci, 856: 012011-8.
• Attah IC, Jonah CA, Etim RK, Ogarekpe NM. 2019. Modelling and predicting CBR values of lateritic soil treated with metakaolin for road material. ARPN J Engin Applied Sci, 14(20): 3609-3618.
• Ayyappan A, Palanikumar S, Kumar D, Vinoth M. 2017. Influence of geopolymers in the stabilization of clay soil. Inter J Emerging Technol Engin Res, 5: 108-120.
• Badogiannis E, Papadakis VG, Chaniotakis E, Tsivilis S. 2004. Exploitation of poor Greek kaolins: strength development of metakaolin concrete and evaluation by means of k‐value. Cement Concrete Res, 34: 1035‐1041.
• Chakkor O. 2021. Kırmızı çamur ve metakaolin tabanlı geopolimer harçların mekanik ve durabilite özelliklerinin incelenmesi. Doktora Tezi, İstanbul Aydın Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, İstanbul, Türkiye, pp: 138.
• Çınar M. 2024. Kahramanmaraş depremi sonrası oluşan gaz beton atıkları ile stabilize edilmiş killi kum zeminin geoteknik özelliklerinin araştırılması. DUJE, 15: 269-275.
• Çevre ve Şehircilik Bakanlığı Birim Fiyatları. 2024. URL: https://webdosya.csb.gov.tr/db/yfk/icerikler/1--2024-birim-fiyatlar-20240123142524.pdf. (erişim tarihi: 24 Mayıs 2024).
• Demir A, Sarıcı T. 2017. Bearing capacity of footing supported by geogrid encased stone columns on soft soil. Geomechan Engin, 12(3): 417-439.
• Geçkil T, Sarıcı T, Karabaş B. 2021a. Siyah karbon ile stabilize edilen taban zeminin yol esnek üst yapı maliyetine etkisi. Avrupa Bilim Teknol Derg, (23): 222-235.
• Geçkil T, Sarıcı T, Karabaş B. 2021b. Siyah Karbon Stabilizasyonlu Zeminin Rijit Kaplama Kalınlığı ve Maliyetine Etkileri. El-Cezerî J Sci Engin, 8(3): 1372-1384.
• Ghida A. 2022. Efects of incorporation of cement and metakaolin on the mechanical properties of poorly graded sand. Arabian J Geosci, 15(24): 1777.
• Jauberthie R, Rendell F, Rangeard D, Molez L. 2010. Stabilisation of estuarine silt with lime and/or cement. Applied Clay Sci, 50: 395-400.
• Karahan O. 2011. Metakaolin ve silis dumanı içeren harçların aşınma direncinin karşılaştırılması. Bilimsel Araştırma Projesi, Kesin Sonuç Raporu, Erciyes Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi, Kayseri, Türkiye, ss: 68.
• KGM. 2019. Karayolları beton yol üstyapılar projelendirme rehberi. T.C. Ulaştırma Bakanlığı Karayolları Genel Müdürlüğü Teknik Araştırma Dairesi Başkanlığı Üstyapı Şubesi Müdürlüğü, Ankara, Türkiye, ss: 53.
• Khatib JM, Hibbert JJ. 2005. Selected Engin properties of concrete incorporating slag and metakaolin. Construct Build Mater, 19: 460‐472.
• Kök BV. 2019. Karayolu Mühendisliği ve Tasarımı, Nobel Akademik Yayıncılık Ankara, ss:192.
• Kumar BRP ve Sharma RS. 2004. Effect of fly ash on engineering properties of expansive soils. J Geotec Geoenviron Engin, 130(7): 764-767.
• Kulanthaivel P, Harikaran M, Gokulakannan S, Vinodhkumar A. 2023. Eco-friendly soil stabilization: a combined approach using lime and waste eggshell powder. Global NEST J, 25(7): 120-130.
• Nebioğulları MA. 2010. Metakaolin, yüksek fırın cürufu ve uçucu kül katkısının beton hidratasyon sıcaklığına etkisi. Yüksek Lisans Tezi, Niğde Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Niğde, Türkiye, ss: 130.
• Ok B, Demir A, Sarıcı T, Ovalı M. 2021. Geosentetiklerle güçlendirilmiş karayolu temellerinin plaka yükleme deneyleri ile değerlendirilmesi. Pamukkale Üniv Müh Bilim Derg, 27(6): 718-728.
• Onyelowe KC, Ebid AM, Kontoni DN, Onukwugha ER. 2023. Effect of metakaolin and ashcrete blend on the mechanical properties of lateritic soil for sustainable subgrade and subbase construction. Multiscale Multidiscip Modeling, Experi Design, 7(2): 1197-1208.
• Orhan M. 2013. Zemin mekaniği laboratuvar deneyleri. Gazi Kitabevi, Ankara, Türkiye, ss: 156.
• Öksüz K, Yıldız AA. 2006. Uçucu külün zemin stabilizasyonunda kullanımı. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Adana, Türkiye, ss: 146.
• Reddy DS, Kowshik K, Kishor MJ, Durga RV, Kumar VP. 2018. Enhancement of soil properties by using fly ash and metakaolin, Inter J Innov Technol Explor Engin (IJITEE), 8(2): 1-6.
• Sarıcı T. 2019. Puzolan ile güçlendirilmiş inşaat ve yıkıntı atıklarının granüler dolgu olarak kullanılabilirliğinin değerlendirilmesi. FBE, Doktora Tezi, İnönü Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Malatya, Türkiye, ss: 335.
• Sarıcı T. 2014. Geosentetik ile güçlendirilmiş taş kolonların taşıma kapasitesinin analizi. Yüksek Lisans Tezi, İnönü Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Malatya, Türkiye, ss: 134.
• Sarıcı T, Ok B, Mert A, Çömez Ş. 2022. The resilient modulus of hybrid construction and demolition wastes reinforced by a geogrid, Acta Geotech Sloven, 19(2022/2): 2-14.
• Siddique R, Kalus J. 2009. Influence of metakaolin on the properties of mortar and concrete: a review, Applied Clay Science, 43, 392‐400.
• Tunç A. 2002. Yol mühendisliğinde geoteknik ve uygulmaları. Nobel Yayınevi, Ankara, Türkiye, ss: 912.
• Tunç A. 2007. Yol malzemeleri ve uygulamaları. Nobel Yayınevi, Ankara, Türkiye, ss: 840.
• Umar SY, Yero SA, Muhammed A, Abdulkarim II. 2022. Effect of metakaolin on strength properties of lateritic soil intended for use as road construction material. Path Sci: Inter Electron Sci J, 8: 2.
• Uzuner BA. 2016. Temel mühendisliğine giriş. Derya Kitabevi, Trabzon, Türkiye, ss: 409.
• Uzuner BA. 2014. Temel zemin mekaniği. Derya Kitabevi, Trabzon, Türkiye, ss: 734.
• Wassie TA, Demir G. 2024. Mechanical strength and microstructure of soft soil stabilized with cement, lime, and metakaolin-based geopolymer stabilizers. Adv Civil Engin, 2024: 6613742.
• Yılmaz I, Yıldıran M, Keskin İ. 2017. Zemin mekaniği laboratuvar deneyleri ve çözümlü problemler. Seçkin Kitabevi, Ankara, Türkiye, ss: 288.