Investigation of the Effects of Recycled Materials and Natural Additives on the Stabilization of Fine-Grained Soils Using the Taguchi Optimization Method

Abstract

Increasing construction activities make it necessary to improve the engineering properties of fine-grained soils with low bearing capacity. In this context, the use of additives has emerged as a common and effective method for soil stabilization in geotechnical engineering. However, in recent years, the application of various experimental design and optimization methods to maximize the effectiveness of additives has become a remarkable trend. In this study, waste glass powder (WGP), basalt fiber (BF), rice husk ash (RHA), recycled carbon black (RCB), and lime (L) were selected as parameters to improve the properties of high plasticity clay (CH). The levels of these parameters were determined as follows: WGP (2%–8%), BF (0.25%–1%), RHA (5%–20%), RCB (1%–7%), and L (2%–8%). The optimum mixture ratios and the values of unconfined compressive strength (UCS) at 7 and 28 days were determined using the Taguchi Optimization Method. When the results obtained from the experiments were evaluated, it was determined that the most effective parameter on 7-day and 28-day unconfined compressive strength was lime. Furthermore, this research demonstrates that effective optimization of additives not only increases soil strength but also contributes to the integration of recycled materials into civil engineering applications.

Keywords

• Soil stabilization
• Taguchi Optimization Method
• clay
• unconfined compressive strength

Geri Dönüşümlü Malzemeler ve Doğal Katkıların İnce-Daneli Zeminlerin Stabilizasyonundaki Etkisinin Taguchi Optimizasyon Yöntemi ile İncelenmesi

Öz

Artan yapılaşma, düşük taşıma kapasitesine sahip ince daneli zeminlerin mühendislik özelliklerinin iyileştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Bu nedenle, katkı maddeleriyle yapılan zemin stabilizasyonu geoteknik mühendisliğinde yaygın bir yöntem haline gelmiştir. Son yıllarda ise katkıların etkinliğini artırmaya yönelik çeşitli deneysel tasarım ve optimizasyon çalışmalarının uygulanması önem kazanmıştır. Bu çalışmada, yüksek plastisiteli killi (CH) zeminin iyileştirilmesi amacıyla parametre olarak atık cam tozu (ACT), bazalt lif (BL), pirinç kabuğu külü (PK), geri dönüştürülmüş karbon karası (KK) ve kireç (K) katkı maddeleri kullanılarak, katkıların optimum düzeylerinin belirlenmesi ve serbest basınç dayanımına etkileri incelenmiştir. Bu parametrelerin seviyeleri ise ACT (%2–8), BL (%0,25–1), PK (%5–20), KK (%1–7) ve K (%2–8) olarak seçilmiştir. 7 günlük ve 28 günlük serbest basınç dayanımının maksimum olduğu değerleri ve optimum karışım oranları Taguchi Optimizasyon Yöntemi ile belirlenmiştir. Deneylerden elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde 7 günlük ve 28 günlük serbest basınç dayanımı üzerinde en etkili parametrenin kireç olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, bu araştırma, katkı maddelerinin etkili şekilde optimize edilmesinin yalnızca zemin dayanımını artırmakla kalmadığını, aynı zamanda geri dönüşüm malzemelerinin inşaat mühendisliği uygulamalarına entegrasyonuna katkı sunduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Zemin stabilizasyonu
• Taguchi Optimizasyon Yöntemi
• kil
• serbest basınç dayanımı

References

1. [1] Shibi, T. and Kamei, T., 2014. Effect of freeze–thaw cycles on the strength and physical properties of cement-stabilised soil containing recycled bassanite and coal ash. Cold Regions Science and Technology, 106, 36-45.
2. [2] Erol, A., 2007. C sınıfı uçucu kül katkılı siltlerin dayanım ve donma-çözülme direncinin deneysel olarak incelenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
3. [3] Güllü, H., 2015. Unconfined compressive strength and freeze–thaw resistance of fine-grained soil stabilised with bottom ash, lime and superplasticiser. Road Materials and Pavement Design, 16(3), 608-634.
4. [4] Tebaldi, G., Orazi, M., Orazi, U. S., 2016. Effect of freeze—thaw cycles on mechanical behavior of lime-stabilized soil. Journal of Materials in Civil Engineering, 28(6), 06016002.
5. [5] Mohamed, A. A. M. S., Al-Ajamee, M., Kobbail, A., Dahab, H., Abdo, M. M., & Alhassan, H. E., 2022. A study on soil stabilization for some tropical soils. Materials Today: Proceedings, 60, 87-92.
6. [6] Prusinski, J. R., & Bhattacharja, S., 1999. Effectiveness of Portland cement and lime in stabilizing clay soils. Transportation research record, 1652(1), 215-227.
7. [7] Zaimoglu, A. S., 2015. Optimization of unconfined compressive strength of fine-grained soils modified with polypropylene fibers and additive materials. KSCE Journal of Civil Engineering, 19.3: 578-582.
8. [8] Ikeagwuani, C. C., & Nwonu, D. C., 2022. Optimization of Multi-additives for Expansive Soil Improvement Using Response Surface Methodology. Geotechnical and Geological Engineering, 40(4), 1809-1831.

9. [9] Mousavi, F., Atarodi, A., & Abdi, E., 2024. Optimization of polymer materials performance on improving mechanical properties of fine-grained soils of forest. Road Materials and Pavement Design, 25(7), 1426-1448.
10. [10] Gidebo, F. A., Kinoshita, N., & Yasuhara, H., 2024. Optimization of physical and strength performance of cellulose-based fiber additives stabilized expansive soil. Case Studies in Construction Materials, 20, e02851.
11. [11] Hamed, E., & Demiröz, A., 2024. Optimization of geotechnical characteristics of clayey soils using fly ash and granulated blast furnace slag-based geopolymer. Construction and Building Materials, 441, 137488.
12. [12] Winoto, V., & Keawsawasvong, S., 2022. Response surface methodology for optimizing stabilization of clay soils using bacterial calcium carbonate precipitation. Transportation Infrastructure Geotechnology, 9(6), 890-898.
13. [13] Olgun, M., 2013. The effects and optimization of additives for expansive clays under freeze–thaw conditions. Cold Regions Science and Technology, 93, 36-46.
14. [14] Chen, K., Wu, D., Zhang, Z., Pan, C., Shen, X., Xia, L., & Zang, J., 2022. Modeling and optimization of fly ash–slag-based geopolymer using response surface method and its application in soft soil stabilization. Construction and Building Materials, 315, 125723.
15. [15] Nuruzzaman, M., and Hossain, M. A., 2014. Effect of soda lime glass dust on the properties of clayey soil. Global Journal of Research In Engineering, 14(5), 17-22.
16. [16] Olufowobi, J., Ogundoju, A., Michael, B., Aderinlewo, O., 2014. Clay soil stabilisation using powdered glass. Journal of Engineering Science and Technology, 9(5), 541-558.
17. [17] Gao, L., Hu, G., Xu, N., Fu, J., Xiang, C., & Yang, C., 2015. Experimental study on unconfined compressive strength of basalt fiber reinforced clay soil. Advances in Materials Science and Engineering, 2015(1), 561293.
18. [18] Phanikumar, B. R. and Nagaraju, T. V., 2018. Effect of fly ash and rice husk ash on index and engineering properties of expansive clays. Geotechnical and Geological engineering, 36(6), 3425-3436.
19. [19] Chhun, K. T., Choo, H., Kaothon, P., & Yune, C. Y., 2020. Experimental study on the strength behavior of cement-stabilized sand with recovered carbon black. Geomechanics and Engineering, 23(1), 31-38.
20. [20] Türkel, U. M., 2019. Bazalt Fiber ve Çimento Katkısının Zayif Zeminlerin Geoteknik Özelliklerine Etkisinin Araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
21. [21] Sungur, A., & Keskin, N., 2021. Bazalt Lifi ile Güçlendirilmiş Killi Zeminin Mühendislik Özellikleri Üzerine Deneysel Araştırma. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (28), 895-899.
22. [22] Terzi, S., 2021. Killi zeminlerin kayma direncine bazalt fiberin katkısı, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
23. [23] Çınar, M., & Erbaşı, K., 2023. Zemin İyileştirmesinde Kullanılan Jet Grout Yönteminde Çimento Yerine İkame Edilen Atık Malzemelerin Mekanik ve Reolojik Özelliklerine Etkisinin İncelenmesi: Literatür Araştırması. Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 6(2), 1742-1767.
24. [24] Işık, F. ve Akbulut, R. K., 2018. Geri Dönüştürülmüş Karbon Karasının Killi Zeminlerin Kıvam Limitlerine Etkisi. Journal of the Institute of Science and Technology, 8(2), 123-130.
25. [25] Dadanlar, A., 2019. Şişen killerin stabilizasyonunda katkı malzemesi olarak atık cam kullanımı. Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
26. [26] Manzoor, S. O., & Yousuf, A., 2020. Stabilisationof soils with lime: A review. J. Mater. Environ. Sci, 11(10), 1538-1551.
27. [27] Benamrane, R., Bennouna, M. S., Fellah, M., & Sadek, K., 2024. The improvement of the tensile properties of alfa fibers using the Taguchi method. Industrial Crops and Products, 221, 119398.
28. [28] Karna, S. K., & Sahai, R., 2012. An overview on Taguchi method. International journal of engineering and mathematical sciences, 1(1), 1-7.
29. [29] Hisam, M. W., Dar, A. A., Elrasheed, M. O., Khan, M. S., Gera, R., & Azad, I., 2024. The versatility of the Taguchi method: Optimizing experiments across diverse disciplines. Journal of Statistical Theory and Applications, 23(4), 365-389.
30. [30] Rashid, K. M. J., 2023. Optimize the Taguchi method, the signal-to-noise ratio, and the sensitivity. Int J Stat Appl Math, 8(6), 64-70.
31. [31] Nagaraja, B., Almeida, F., Yousef, A., Kumar, P., Ajaykumar, A. R., & Al-Mdallal, Q., 2023. Empirical study for Nusselt number optimization for the flow using ANOVA and Taguchi method. Case Studies in Thermal Engineering, 50, 103505.
32. [32] Montgomery, D.C., 1991. Design and Analysis of Experiments, Arizona State University, John Wiley and Sons, N.Y., Chichester, Brisbane, Toronto Singapure, Ninth Edition, 1991.
33. [33] ASTM D 2166. Standard test method for unconfined compressive strength of cohesive soil, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania, USA.
34. [34] Boz, A., 2017. Fiber ile donatılandırılmış kireç stabilize kilin donma çözünme etkisi öncesi ve sonrası mekanik özellikleri, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
35. [35] Beheshti Germi, M. H., 2016. Geri dönüştürülmüş nano karbon karasının betonun bazı fiziksel ve mekanik özellikleri üzerine etkisi, Yüksek Lisan Tezi, Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
36. [36] Canakci, H., Aram, A. L., and Celik, F., 2016. Stabilization of clay with waste soda lime glass powder. Procedia engineering, 161, 600-605.
37. [37] Geçkil, T., Sarıcı, T., & Karabaş, B., 2021. Siyah karbon ile stabilize edilen taban zeminin yol esnek üst yapı maliyetine etkisi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (23), 222-235.
38. [38] Boz, A. and Sezer, A., 2018. Influence of fiber type and content on freeze-thaw resistance of fiber reinforced lime stabilized clay. Cold Regions Science and Technology, 151, 359-366.
39. [39] Küçükosmanoğlu, M., 2019. Bazalt Fiberin Zemin İyileştirilmesinde Kullanımı, Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.
40. [40] Abduljauwad, S. N., 1995. Improvement of plasticity and swelling potential of calcareous expansive clays. Geotechnical Engineering, 26(1).
41. [41] Aydın, S., 2010. Yenikent (Ankara) yerleşim alanı killerinin kireç ve uçucu külle geoteknik özelliklerinin iyileştirilmesi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Universitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü.