Metakaolin ile Stabilize Edilen Yol Taban Zeminlerinin Donma-Çözülme Direncinin Araştırılması

Year 2025, Volume: 8 Issue: 3, 1278 - 1300, 16.06.2025

Tacettin Geçkil , Talha Sarıcı , Bahadır Karabaş

https://doi.org/10.47495/okufbed.1548511

Abstract

Farklı iklim koşullarında planlanan yapıların, tabiat şartlarına göre dirençli olarak tasarlanması önemli mühendislik gerekliliklerinden biridir. Karayollarının ise yol tabanlarının dayanımının arttırılmasına yönelik stabilizatör malzeme seçiminde, iklimsel donma ve çözülmeye dayanıklı malzemelerin kullanılması önemli bir tercih nedenidir. Bu çalışmada, yol tabanı olarak değerlendirilen iki farklı zeminin, metakaolin (MK) ile stabilizasyonu ve yapılan stabilizasyonların donma-çözülme direnci araştırılmıştır. Killi ve kumlu zeminlerle hazırlanan, katkısız ve farklı oranlardaki MK ilaveli numunelere standart Proktor deneyi uygulanmıştır. Ardından, hazırlanan katkısız ve katkılı serbest basınç deneyi örneklerine, 7 gün kür sonrası serbest basınç deneyi yapılmıştır. Hazırlanan karışımlarda dayanımın arttığı ve en yüksek dayanımların killi ve kumlu karışımlarda, sırasıyla %6 MK ve %12 MK içeren karışım numunelerinde elde edildiği görülmüştür. Akabinde, katkısız ve optimum MK oranları esas alınarak, donma-çözülme deneyinin uygulamasında kullanılacak zemin numuneleri hazırlanmıştır. 7 günlük kür süresini tamamlayan örneklere 3, 6, 12 döngü uygulanmıştır. Uygulanan her bir döngüde, hazırlanan numuneler 24 saat -23℃'de donma-çözülme kabininde dondurulmuş, daha sonra 23 saat boyunca 23 ± 2 ℃'de çözülmeye bırakılmıştır. Daha sonra kıyaslamada 7 gün kür süresi sonrası elde edilen serbest basınç mukavemeti değerleri (0 döngü) kullanılmıştır. Yapılan deneyler ve kıyaslamalar neticesinde, her iki zeminin MK ilavesi ile dayanımının ve donma-çözülme direncinin arttığı tespit edilmiştir.

Keywords

Kil , Kum , Donma Çözülme , Metakaolin , Ulaştırma Geotekniği , stabilizasyon

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.

Investigation of the Freeze-Thaw Resistance of Road Subgrade Soils Stabilized Using Metakaolin

Abstract

Designing structures planned for different climatic conditions to be resistant to natural conditions is one of the important engineering requirements. For highways, the selection of stabilizer materials that are resistant to climatic freeze-thaw cycles is an important consideration in enhancing the strength of road subgrades. In this study, the stabilization of two different soils, considered as road subgrades, with metakaolin (MK) and the freeze-thaw resistance of these stabilized soils were investigated. Samples without additives and with different proportions of MK were prepared using clayey and sandy soils. A standard Proctor test was applied to these samples. Subsequently, unconfined compression tests were conducted on the prepared samples (both with and without additives) after a 7-day curing period. It was observed that the strength increased in the prepared mixtures, and the highest strengths were obtained in mixtures containing 6% MK for clayey soils and 12% MK for sandy soils. Then, based on the samples without additives and those with the optimum MK ratios, soil samples were prepared for the freeze-thaw test application. The samples that completed the 7-day curing period were subjected to 3, 6, and 12 freeze-thaw cycles. Each cycle consisted of freezing the samples for 24 hours at -23°C in a freeze-thaw cabinet, followed by thawing for 23 hours at 23 ± 2°C. The unconfined compressive strength values obtained after the 7-day curing period (0 cycles) were used for comparison. As a result of the tests and comparisons, it was determined that the strength and freeze-thaw resistance of both soils increased with the addition of MK.

Keywords

Clayey soil , Sandy soil , Stabilization , Freeze thaw , Metakaolin , Transportation Geotechnics

References

• AASHTO. Interim guide for design of pavement structures. Washington, D.C.: American Association of State Highway and Transportation Officials; 1993.
• Abdulkareem SA., Abbas JM. Effect of adding metakaolin based geopolymer to improve soft clay under different conditions. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 2021; 856: 012011.
• Alhakim G., Baalbaki O., Jaber L. Effects of incorporation of cement and metakaolin on the mechanical properties of poorly graded sand. Arabian Journal of Geosciences 2022; 15: 1777.
• ASTM C136/C136M. Standard test method for sieve analysis of fine and coarse aggregates, West Conshohocken, PA: ASTM International; 2019.
• ASTM D422-63. Standard test method for particle-size analysis of soils, West Conshohocken, PA: ASTM International; 2007.
• ASTM D4318. Standard test methods for liquid limit, plastic limit, and plasticity index of soils, West Conshohocken, PA: ASTM International; 2017.
• ASTM D560 / D560M-16. Standard test methods for freezing and thawing compacted soil-cement mixtures, West Conshohocken, PA: ASTM International; 2016.
• ASTM D698. Standard test methods for laboratory compaction characteristics of soil using standard effort, West Conshohocken, PA: ASTM International; 2014.
• ASTM D854. Standard test method for specific gravity of soils, West Conshohocken, PA: ASTM International; 2006.
• ASTM 2166-06. Standard test method for unconfined compressive strength of cohesive soil, West Conshohocken, PA: ASTM International; 2006.
• Aygörmez Y., Canpolat O., Al-Mashhadani MM., Uysal M. Elevated temperature, freezing-thawing and wetting-drying effects on polypropylene fiber reinforced metakaolin based geopolymer composites. Construction and Building Materials 2020; 235.
• Ayyappan A., Palanikumar S., Kumar D., Vinoth M. Influence of geopolymers in the stabilization of clay soil. International Journal of Emerging Technologies in Engineering Research 2017; 5: 108-120.
• Badogiannis E., Papadakis VG., Chaniotakis E., Tsivilis S. Exploitation of poor Greek kaolins: Strength development of metakaolin concrete and evaluation by means of k‐value. Cement & Concrete Research, 2004; 34: 1035‐1041.
• Bağrıaçık B., Uslu FM., Yiğittekin ES., Dinçer S. Bacillus sp. ile iyileştirilmiş zeminlerin donma çözülme etkisindeki davranışı. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 2021; 10(2): 704-711.
• Balkış AP., İlman B. Mermer tozu ile stabilize edilmiş killerin mekanik özellikleri. Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği 19. Ulusal Konferansı Hacettepe Üniversitesi, Ankara, 2024.
• Bozyigit I., Zingil HO., Altun S. Performance of eco-friendly polymers for soil stabilization and their resistance to freeze–thaw action. Construction and Building Materials, 2023; 379: 131133.
• Chakkor O. Kırmızı çamur ve metakaolin tabanlı geopolimer harçların mekanik ve durabilite özelliklerinin incelenmesi. İstanbul Aydın Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü Doktora Tezi, İstanbul, 2021.
• Dabakuyo I., Mutuku RN., Onchiri R. Effect of sugarcane molasses on the physical properties of metakaolin based geopolymer stabilized laterite soil. SSRG International Journal of Civil Engineering 2021; 8(12): 1-12.
• Demir A., Sarıcı T. Bearing capacity of footing supported by geogrid encased stone columns on soft soil. Geomechanics and Engineering 2017; 12(3): 417–439.
• Ding M., Zhang F., Ling X., Lin B. Effects of freeze-thaw cycles on mechanical properties of polypropylene Fiber and cement stabilized clay. Cold Regions Science and Technology 2018; 154: 155-165.
• Geçkil T., Sarıcı T., Karabaş B. Siyah karbon ile stabilize edilen taban zeminin yol esnek üst yapı maliyetine etkisi. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi 2021a; 23: 222-235.
• Geçkil T., Sarıcı T., Karabaş B. Siyah karbon stabilizasyonlu zeminin rijit kaplama kalınlığı ve maliyetine etkileri. ECJSE 2021b; 8(3): 1372–1384.
• Karahan O. Metakaolin ve silis dumanı içeren harçların aşınma direncinin karşılaştırılması, bilimsel araştırma projesi. Erciyes Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi, Kayseri, 2011.
• Karayolları Esnek Üstyapıları Projelendirme Rehberi. Ankara: T.C. Ulaştırma Bakanlığı Karayolları Genel Müdürlüğü Teknik Araştırma Dairesi Başkanlığı Üstyapı Şubesi Müdürlüğü; 2008.
• Karayolları Genel Müdürlüğü. Karayolu teknik şartnamesi (yol altyapısı, sanat yapıları, köprü ve tüneller, üst yapı ve çeşitli işler). Ankara: KGM; 2013.
• Karainli F., Saygılı A. Geotekstil ile iyileştirilmiş kohezyonlu zeminlerin donma çözünme performansı. 3. Genç Geoteknik Mühendisliği Sempozyumu Hacettepe Üniversitesi, Ankara, 2024.
• Khatib JM., Hibbert JJ. Selected engineering properties of concrete incorporating slag and metakaolin”, Construction and Building Materials 2005; 19: 460‐472.
• Kumar KR., Gobinath R., Shyamala G. Freez thaw resistance of stabilized and fiber-reinforced soil vulnerable to landslides. Materials Today: Proceedings 2020; 27(1): 664-670.
• Liang G., Zhu H., Li H., Liu T., Guo H. Comparative study on the effects of rice husk ash and silica fume on the freezing resistance of metakaolin-based geopolymer, Construction and Building Materials 2021; 293.
• Li X., Zhang H., Wu D., Guo, YR., Ren K., Tan Y. Strength deterioration characteristics of lime-metakaolin improved earthen site soil under freeze-thaw cycles. Rock and Soil Mechanics 2023; 44(6): Article 2.
• Nan J., Chang D., Liu J., Chen H., Lee J., Kim S. Investigation on the microstructural characteristics of lime-stabilized soil after freeze–thaw cycles,Transportation Geotechnics 2024; 44.
• Nebioğulları MA. Metakaolin, yüksek fırın cürufu ve uçucu kül katkısının beton hidratasyon sıcaklığına etkisi. Niğde Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, Niğde, 2010.
• Ok B., Bağrıaçık B. Guar gum ile iyileştirilmiş kil zeminlerin donma çözülme etkisinde mukavemet ve şişme basınçlarının araştırılması. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi 2022; 37(3): 589-600.
• Ok B., Demir A., Sarıcı T., Ovalı M. Geosentetiklerle güçlendirilmiş karayolu temellerinin plaka yükleme deneyleri ile değerlendirilmesi. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 2021; 27(6): 718-728.
• Orakoglu ME., Liu J. Effect of freeze-thaw cycles on triaxial strength properties of fiber-reinforced clayey soil. KSCE Journal of Civil Engineering 2017; 21(6): 2128-2140.
• Orhan M., Özer M., Işık N. Zemin mekaniği laboratuvar deneyleri. Ankara: Gazi Kitabevi; 2013.
• Reddy DS., Kowshik K., Kishor MJ., Durga RV., Kumar VP. Enhancement of soil properties by using fly ash and metakaolin. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE) 2018; 8(2).
• Sarıcı T. Geosentetik ile güçlendirilmiş taş kolonların taşıma kapasitesinin analizi. İnönü Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, Malatya, 2014
• Sarıcı T., Ok B., Mert A., Çömez Ş. The resilient modulus of hybrid construction and demolition wastes reinforced by a geogrid. Acta Geotechnica Slovenica 2022; 2.
• Saygılı A., Dayan M. Freeze-thaw behavior of lime stabilized clay reinforced with silica fume and synthetic fibers. Cold Regions Science and Technology 2019.
• Siddique R, Kalus J. Influence of metakaolin on the properties of mortar and concrete: A review. Applied Clay Science 2009; 43: 392‐400.
• Soğancı AS., Yıldız M. Tekrarlı donma ve çözülmenin kireç ile stabilize edilmiş kil zeminlerin mukavemet ve permeabilitesine etkisi. Selçuk-Teknik Dergisi 2011; 10(3): 259-270.
• Tunç A. Yol mühendisliğinde geoteknik ve uygulamaları. Ankara: Nobel Yayınevi, 2002.
• Uzuner BA. Temel mühendisliğine giriş. Trabzon: Derya Kitabevi; 2016.
• Uzuner BA. Temel zemin mekaniği. Trabzon: Derya Kitabevi; 2014.
• Wang Q., Ge D., Cai G., Li M., Wu L., Xu H. Mechanical and microscopic properties of copper-contaminated soil solidified with calcium carbide residue, metakaolin, and desulfurization gypsum under freeze-thaw cycles. KSCE J Civ Eng 2023; 27: 455–468.
• Xukun M., Pengfei W., Ping J., Haoqing X., Na L., Sijia Q., Wei W., Guo Xiong M. Frost resistance and micro mechanism of metakaolin and polypropylene fiber modified coastal cement soil. SSRN 2024; 33.
• Yarbaşı N. Atık lastik parçaları ile güçlendirilmiş killi zeminlerin donma-çözülme davranışı. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 2016; 22(6): 559-562.
• Yarbaşı N. Doğal bir materyal olarak keçi kılı lifleriyle modifiye edilen kohezyonlu zeminlerin donma-çözülme direnci. Adıyaman Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 2020; 7(13): 157-166.
• Yılmaz F. Uçucu kül ve mermer tozu katkılarının zeminin stabilizasyonuna ve donma-çözülmesine etkisinin araştırılması. APJES 2020; 8(1): 56–61.
• Yılmaz I., Yıldıran M., Keskin İ. Zemin mekaniği laboratuvar deneyleri ve çözümlü problemler. Ankara: Seçkin Kitabevi; 2017.