Alçı İçeriği ve Kür Süresinin Kaolin Zemininin Dayanım Davranışı Üzerindeki Etkisi

Öz

Alçı esaslı yapı malzemelerinin geoteknik uygulamalarda yeniden kullanımı, zemin iyileştirmesi için sürdürülebilir bir alternatif sunmaktadır. Bu çalışmada, sentetik alçının (CaSO4·½H2O), düşük plastisiteli bir silt (ML) tipi kaolin zemininin fiziksel ve mekanik özellikleri üzerindeki etkileri deneysel olarak incelenmiştir. Zemin iyileştirme için, kuru zemin ağırlığına göre %2, %5, %8 ve %11 oranlarında alçı kullanılmıştır. Alçı katkısı ilave edilmiş ve edilmemiş numuneler üzerinde 1 ve 15 günlük kür süreleri sonunda Atterberg limitleri, standart Proctor ve serbest basınç dayanımı (UCS) deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deneysel sonuçlar, alçı ilavesinin zeminin mühendislik davranışını önemli ölçüde değiştirdiğini göstermektedir. Düşük ve orta düzeyde alçı ilavesinin zemin plastisitesini azalttığı ve sıkışma özelliklerini iyileştirdiği, bunun da daha yoğun ve daha kararlı bir zemin yapısına işaret ettiği belirlenmiştir. Veriler, alçı içeriğinin optimum bir seviyeye kadar arttıkça belirgin bir dayanım artışı meydana getirdiğini ortaya koymuştur. Bu artış, zemin matrisi içerisinde dane bağlanmasının iyileşmesi ve puzolanik etkileşimlerin gelişmesiyle ilişkilendirilmektedir. Buna karşın, daha yüksek alçı oranlarında dayanımın azaldığı ve deformabilitenin arttığı gözlemlenmiş olup, bu durum aşırı bağlayıcı içeriğinin zemin dokusunu bozduğunu ve daha az etkili bağlanma oluşumuna neden olduğunu işaret etmektedir. Sonuç olarak elde edilen bulgular, yapı malzemesi olarak kullanılan alçının ML tipi zeminler için orta düzey oranlarda uygulandığında etkili bir stabilizasyon malzemesi olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Ancak, uygulamada olası dayanıklılık sorunları ile uzun dönem performansın dikkatle değerlendirilmesi gerekmektedir.

Anahtar Kelimeler

• Alçı
• Serbest basınç mukavemeti
• Düşük plastisiteli silt
• Koalin
• Zemin iyileştirmesi

Destekleyen Kurum

T.C. İstanbul Kültür Üniversitesi

Etik Beyan

Bu çalışmada herhangi bir kişi/kurum ile çıkar çatışması bulunmamaktadır. Ek olarak, bu çalışma için etik kurul onayı gerekmemektedir.

Teşekkür

Bu çalışma kapsamında tüm deneyler T.C. İstanbul Kültür Üniversitesi Geoteknik Laboratuvarı'nda yapılmıştır. Yazarlar, destek ve katkılarından dolayı T.C. İstanbul Kültür Üniversitesi'ne teşekkürlerini sunar.

Influence of Gypsum Content and Curing Time on the Strength Behavior of Kaolin Soil

Öz

The reusage of gypsum-based construction materials in geotechnical applications provides a sustainable alternative for soil stabilization. In this study, the effects of synthetic gypsum (CaSO4·½H2O) on the physical and mechanical properties of a low-plasticity silt (ML) type kaolin soil were experimentally investigated. Atterberg limit, standard Proctor and unconfined compressive strength (UCS) tests were applied on untreated and treated soil samples by rates of 2%, 5%, 8%, and 11% gypsum by dry weight for curing periods of 1 and 15 days. The results of the experiments revealed a significant change in the mechanicai behavior of the soil by the usage of gypsum treatment. The soil plasticity decreased by low to moderate gypsum additive while an improvement was observed for the compaction characteristics pointing out a denser and more stable particle structure. A clear improvement has been observed for strength properties of the soil with increasing gyspum content up to an optimum level, pointing out an enhancement for interparticle bonding and pozzolanic interactions in the soil matrix. Besides, higher gypsum rates resulted in a strength reduction by increased deformability, pointing out a distortion in the soil fabric and the formation of less effective bonding at excess rate of binder contents. Consequently, the findings revealed that construction material type gypsum can serve as an effective stabilizing binder for ML-type soils when applied at moderate rates. However potential durability problems and long-term performance should be carefully considered in practical applications.

Anahtar Kelimeler

• Gypsum
• Unconfined compresssive strength
• Low plasticity silt
• Kaolin
• Soil treatment

Destekleyen Kurum

T.C. İstanbul Kültür Üniversitesi

Etik Beyan

“There is no conflict of interest with any person/institution in the prepared article. Additionally, ethics committee approval is not required for this study.”

Teşekkür

All of the experimental studies carried out in the scope of this paper were held in the Geotechnical Laboratory of T.C. İstanbul Kültür University. The authors express their gratitude to Istanbul Kültür University for its support and contributions.

Kaynakça

1. K. Yang, Q. Xu, T. G. Townsend, P. Chadik, G. Bitton, and M. Booth, “Hydrogen sulfide generation in simulated construction and demolition debris landfills: Impact of waste composition,” J. Air Waste Manag. Assoc., vol. 56, no. 8, pp. 1130–1138, 2006.
2. M. Mirabi, M. Hadadkazarji, and M. Abbasi, “Recycling of construction and demolition gypsum wastes as stabilizer of soft clay soil and effects of drying–rewetting frequency on the treated soil stability,” Environ. Resour. Res., vol. 9, no. 2, pp. 117–132, 2021.
3. D. Kuttah and K. Sato, “Review on the effect of gypsum content on soil behavior,” Transp. Geotech., vol. 4, pp. 28–37, 2015.
4. C. Spaulding, F. Masse, and J. Labrozzi, “Ground improvement technologies for a sustainable world,” Civ. Eng., vol. 78, no. 4, pp. 54–59, 2008.
5. J. K. Mitchell and K. Soga, Fundamentals of Soil Behavior, 3rd ed. New York, NY, USA: John Wiley & Sons, 2005.
6. N. Latifi, F. Vahedifard, S. Siddiqua, and S. Horpibulsuk, “Solidification–stabilization of heavy metal–contaminated clays using gypsum: Multiscale assessment,” Int. J. Geomech., vol. 18, no. 11, 2018.
7. I. Yılmaz and B. Civelekoglu, “Gypsum: An additive for stabilization of swelling clay soils,” Appl. Clay Sci., vol. 44, nos. 1–2, pp. 166–172, 2009.
8. A. K. Jha and P. V. Sivapullaiah, “Role of gypsum on microstructure and strength of soil,” Environ. Geotech., vol. 3, no. 2, pp. 78–89, 2016.

9. F. Zha, B. Qiao, B. Kang, L. Xu, C. Chu, and C. Yang, “Engineering properties of expansive soil stabilized by physically amended titanium gypsum,” Constr. Build. Mater., vol. 303, Art. no. 124456, 2021.
10. I. Yılmaz, “Gypsum and anhydrite: Some engineering problems,” in Proc. 15th Int. Conf. Soil Mech. Geotech. Eng., vol. 2, 2001, pp. 1203–1206.
11. N. Değirmenci, A. Okucu, and A. Turabi, “Application of phosphogypsum in soil stabilization,” Build. Environ., vol. 42, no. 9, pp. 3393–3398, 2007.
12. A. Ahmed, K. Ugai, and T. Kamei, “Laboratory and field evaluations of recycled gypsum as a stabilizer agent in embankment construction,” J. Geotech. Geoenviron. Eng., vol. 137, no. 10, pp. 975–984, 2011.
13. S. H. Khan, “Use of gypsum and bagasse ash for stabilization of low plastic and high plastic clay,” J. Appl. Res. Ind. Eng., vol. 6, no. 3, pp. 251–267, 2019.
14. H. Jang et al., “Hardening performance of reclaimed gypsums for stabilizing agent to improve soft clayey ground,” J. Mater. Cycles Waste Manag., vol. 19, pp. 654–663, 2017.
15. A. Al-Adili, N. M. Salim, and K. Y. Al-Soudany, “Response of soft soil mixing with recycled gypsum (plasterboard) as stabilized agent for soil underneath oil tank as a case study,” IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng., vol. 579, 2019.
16. T. E. Helle, S. Nordal, P. Aagaard, and O. K. Lied, “Long-term effect of potassium chloride treatment on improving the soil behavior of highly sensitive clay—Ulvensplitten, Norway,” Can. Geotech. J., vol. 53, no. 3, pp. 410–422, 2016.
17. T. Kamei, A. Ahmed, and K. Ugai, “Durability of soft clay soil stabilized with recycled bassanite and furnace cement mixtures,” Soils Found., vol. 53, no. 1, pp. 155–165, 2013.
18. I. P. Hastuty, “Comparison of the use of cement, gypsum, and limestone on the improvement of clay through unconfined compression test,” J. Civ. Eng. Forum, vol. 5, pp. 131–138, 2019.
19. M. S. Eisa, M. E. Basiouny, A. Mohamady, and M. Mira, “Improving weak subgrade soil using different additives,” Materials, vol. 15, Art. no. 15134462, 2022.
20. ASTM D6913/D6913M-17, Standard Test Methods for Particle-Size Distribution (Gradation) of Soils Using Sieve Analysis. West Conshohocken, PA, USA: ASTM Int., 2017.
21. ASTM D7928-17, Standard Test Method for Particle-Size Distribution (Gradation) of Fine-Grained Soils Using the Sedimentation (Hydrometer) Analysis. West Conshohocken, PA, USA: ASTM Int., 2017.
22. ASTM D854-14, Standard Test Methods for Specific Gravity of Soil Solids by Water Pycnometer. West Conshohocken, PA, USA: ASTM Int., 2014.
23. ASTM D4318-17, Standard Test Methods for Liquid Limit, Plastic Limit, and Plasticity Index of Soils. West Conshohocken, PA, USA: ASTM Int., 2017.
24. ASTM D1557-12, Standard Test Methods for Laboratory Compaction Characteristics of Soil Using Modified Effort. West Conshohocken, PA, USA: ASTM Int., 2012.
25. EN 13279-1, Gypsum Binders and Gypsum Plasters—Part 1: Definitions and Requirements. Brussels, Belgium: Eur. Comm. Stand. (CEN), 2014.
26. TS EN 13279-1, Gypsum Binders and Gypsum Plasters—Part 1: Definitions and Requirements. Ankara, Türkiye: Turkish Standards Inst. (TSE), 2014.
27. ASTM D2166/D2166M-16, Standard Test Method for Unconfined Compressive Strength of Cohesive Soil. West Conshohocken, PA, USA: ASTM Int., 2016.
28. A. Al-Hokabi, M. Hasan, M. Amran, R. Fediuk, N. I. Vatin, and S. Klyuev, “Improving the early properties of treated soft kaolin clay with palm oil fuel ash and gypsum,” Sustainability, vol. 13, no. 19, Art. no. 10910, 2021.
29. K. A. Bhardwaj and S. Kumar, “Stabilization of soil with calcium chloride using gypsum,” Int. J. Res. Appl. Sci. Eng. Technol., vol. 7, pp. 117–124, 2019.
30. R. K. Dutta and J. S. Yadav, “The impact of variation of gypsum and water content on the engineering properties of expansive soil,” Transp. Infrastruct. Geotechnol., vol. 9, no. 5, pp. 631–652, 2022.
31. Y. Abdolvand and M. Sadeghiamirshahidi, “Soil stabilization with gypsum: A review,” J. Rock Mech. Geotech. Eng., vol. 16, no. 12, pp. 5278–5296, 2024.