Investigation of the Effect of Sandy Soil Stabilized with Ground Pumice Stone on Flexible Pavement Design

Abstract

In this study, the effects of ground pumice stone (PT) on the flexible pavement layer thicknesses and initial construction costs of a sandy subgrade were investigated. For this purpose, laboratory tests were first conducted to determine the geotechnical properties of the soil. Subsequently, Standard Proctor tests were applied to specimens prepared by adding PT at rates of 3%, 6%, 9%, and 12% by weight. Following this procedure, samples for unconfined compressive strength (UCS) tests were prepared and tested after a 28-day curing period. The results indicated that the highest compressive strength was observed in the mixture containing 9% PT. In addition, both the unmodified sandy soil and the sample containing 9% PT were subjected to the California Bearing Ratio (CBR) test after 28 days of curing. The results showed that the CBR value of the 9% PT-stabilized sample increased by a factor of 2.57. Based on the determined CBR values, pavement layer thicknesses were calculated in accordance with the AASHTO 1993 flexible pavement design method, and cost analyses were conducted accordingly. The calculations revealed that stabilizing the soil with 9% PT resulted in a 4.61% reduction in initial construction costs.

Keywords

• Sandy soil
• pumice stone
• stabilization
• flexible pavement

Öğütülmüş Pomza Taşı ile Stabilize Edilen Kumlu Zeminin Esnek Üstyapı Tasarımına Etkisinin Araştırılması

Abstract

Bu çalışmada, öğütülmüş pomza taşı (PT) ile stabilize edilen kumlu yol taban zemininin, esnek üstyapı tabaka kalınlıkları ve ilk yapım maliyetleri üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla, öncelikle zemin özelliklerinin belirlenmesine yönelik laboratuvar deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ardından, zemin örneklerine ağırlıkça %3, %6, %9 ve %12 oranlarında PT ilave edilerek hazırlanan numunelere Standart Proktor deneyi uygulanmıştır. Bu işlemin ardından, serbest basınç deneyi için numuneler hazırlanmış ve bu numuneler 28 günlük kür süreci sonrasında test edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, en yüksek basınç dayanımı %9 oranında PT içeren karışımlarda gözlemlenmiştir. Ayrıca, katkısız kumlu zemin ile %9 PT katkılı numuneler, 28 günlük kür süresi sonunda Kaliforniya Taşıma Gücü Oranı (CBR) deneyine tabi tutulmuştur. Deney sonuçları, %9 PT katkısı ile CBR değerinde 2.57 katlık bir artış sağlandığını göstermiştir. Belirlenen CBR değerleri doğrultusunda, AASHTO 1993 esnek üstyapı tasarım esaslarına göre tabaka kalınlıkları hesaplanmış ve buna bağlı olarak maliyet analizleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan hesaplamalar sonucunda, %9 oranında PT ile stabilize edilen zemin kullanımının ilk yapım maliyetlerinde %4.61 oranında tasarruf sağladığı belirlenmiştir.

Keywords

• Kumlu zemin
• pomza taşı
• stabilizasyon
• esnek üst yapı

References

1. Tunç, A. (2002). Yol Mühendisliğinde Geoteknik ve Uygulamaları. Nobel Yayınevi, Ankara.
2. Tunç, A. (2007). Yol Malzemeleri ve Uygulamaları. Nobel Yayınevi, Ankara.
3. Kök, B. V. (2019). Karayolu Mühendisliği ve Tasarımı. Nobel Akademik Yayıncılık, Ankara.
4. Sarıcı, T., Ok, B., Akbulut, N., & Cenk, A. H. (2024). An experimental study on the usability of reclaimed asphalt pavements or waste bricks in the stone columns. In Türker, U., Eren, Ö., & Uygar, E. (Eds.), Sustainable Civil Engineering at the Beginning of Third Millennium, ACE 2023. Lecture Notes in Civil Engineering, 481, Springer, Singapore. https://doi.org/10.1007/978-981-97-1781-1_14.
5. Geçkil, T., Sarıcı, T., & Çetkin, Ö. N. (2023). Killi kum zeminlerin dayanımı üzerinde yüksek fırın cürufunun etkileri. Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 6(2), 1159-1174.
6. Ok, B., Demir, A., Sarıcı, T., & Ovalı, M. (2021). Geosentetiklerle güçlendirilmiş karayolu temellerinin plaka yükleme deneyleri ile değerlendirilmesi. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 27(6), 718-728.
7. Hatmoko, D. D., Rifa’i, A., & Ismanti, S. (2024). Effect of using lime and fly ash as a cement substitute for soil stability. Kurvatek Journal Energy Management and Sustainable Environment, 9(1), 45-54.
8. Chakma, N., Islam, M. S., & Paul, S. (2024). Effectiveness of areca fiber and cement on the engineering characteristics of compressed stabilized earth blocks. Construction and Building Materials, 427, 136290.

9. Andavan, S., & Maneesh Kumar, B. (2020). Case study on soil stabilization by using bitumen emulsions – A review. Materials Today: Proceedings, 22(3), 1200-1202.
10. Rahgozar, M. A., Saberian, M., & Li, J. (2017). Soil stabilization with non-conventional eco-friendly agricultural waste materials: An experimental study. Transportation Geotechnics, 14, 52-60.
11. Reddy, D. S., Kowshik, K., Kishor, M. J., Durga, R. V., & Kumar, V. P. (2018). Enhancement of soil properties by using fly ash and metakaolin. International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering (IJITEE), 8(2S), December.
12. 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.
13. Geçkil, T., Sarıcı, T., & Karabaş, B. (2021). Siyah karbon stabilizasyonlu zeminin rijit kaplama kalınlığı ve maliyetine etkileri. ECJSE, 8(3), 1372-1384. https://doi.org/10.31202/ecjse.894046
14. Perera, S. T. A. M., Saberian, M., Zhu, J., Roychand, R., & Li, J. (2022). Effect of crushed glass on the mechanical and microstructural behavior of highly expansive clay subgrade. Case Studies in Construction Materials, 17.
15. Bharti, G., Hurukadli, P., & Shukla, B. K. (2023). Environmental impact analysis and utilization of copper slag for stabilizing black cotton soil. Materials Today: Proceedings, 3.
16. Domphoeun, R., & Eisazadeh, A. (2024). Flexural and shear strength properties of laterite soil stabilized with rice husk ash, coir fiber, and lime. Transportation Infrastructure Geotechnology. https://doi.org/10.1007/s40515-023-00364-5.
17. Mesfun, R. T., Quezon, E. T., & Geremew, A. (2019). Experimental study of stabilized expansive soil using pumice mixed with lime for subgrade road construction. International Journal of Research - Granthaalayah, 7(7), 118-124.
18. Fithria, R., & Kusumastuti, D. P. (2022). The effect of wood charcoal powder and pumice powder on the parameters of shear strength of clay soil. Indonesian Geotechnical Journal, 1(2), 50-55.
19. Vekli, M., & Cadir, C. C. (2022). Usage of waste marble powder and pumice powder to improve the engineering properties of soft clay. International Journal of Environmental Science and Technology, 19, 6481–6490.
20. Nasiri, H., Khayat, N., & Nazarpour, A. (2024). Assessing one-year effects of 10% pumice powder on strength and microstructure of contaminated clay. Case Studies in Construction Materials, 21, e03892.
21. Altuntaş, Ö. F., & Bilgen, G. (2022). Katkılı zeminlerde taşıma gücünün istatistiksel yöntemlerle tahmini. International Journal of Pure and Applied Sciences, 8(1), 13-23. https://doi.org/10.29132/ijpas.993022.
22. Saltan, M., Çimen, Ö., & Keskin, S. N. (2015). Stabilization of clayey subgrade with waste pumice for road infrastructure. Science and Engineering of Composite Materials, 22(5), 583–590.
23. Karataş, M., Benli, A., & Ergin, A. (2017). Influence of ground pumice powder on the mechanical properties and durability of self-compacting mortars. Construction and Building Materials, 150, 467-479.
24. Mboya, H. A., King’ondu, C. K., Njau, K. N., & Mrema, A. L. (2017). Measurement of pozzolanic activity index of scoria, pumice, and rice husk ash as potential supplementary cementitious materials for Portland cement. Advances in Civil Engineering, 2017, 6952645.
25. Fındık, S., & Saltan, M. (2008). Stabilization of subbase layer materials with waste pumice in flexible pavement. Building and Environment, 43(4), 415-421.
26. Ertem, F. S., Kavlak, Y., & Saltan, M. (2011). Utilization of pumice waste for clayey subgrade of pavements. Journal of Materials in Civil Engineering, 23(12).
27. ASTM C136/C136M. (2019). Standard test method for sieve analysis of fine and coarse aggregates. ASTM International, West Conshohocken, PA.
28. ASTM D4318. (2017). Standard test methods for liquid limit, plastic limit, and plasticity index of soils. ASTM International, West Conshohocken, PA.
29. ASTM D854. (2006). Standard test method for specific gravity of soils. ASTM International, West Conshohocken, PA.
30. ASTM D698. (2014). Standard test methods for laboratory compaction characteristics of soil using standard effort. ASTM International, West Conshohocken, PA.
31. Maden Tetkik ve Arama Genel Müdürlüğü. (2025). Dünyada ve Türkiye’de Pomza. https://www.mta.gov.tr/v3.0/sayfalar/bilgi-merkezi/maden-serisi/pomza.pdf (Erişim Tarihi: 15.01.2025).
32. Yılmaz, İ., Yıldıran, M., & Keskin, İ. (2017). Zemin Mekaniği Laboratuvar Deneyleri ve Çözümlü Problemler. Seçkin Kitabevi, Ankara.
33. ASTM 2166-06. (2006) Standard test method for unconfined compressive strength of cohesive soil, ASTM International, West Conshohocken, PA.
34. Orhan, M. (2013). Zemin Mekaniği Laboratuvar Deneyleri. Gazi Kitabevi, Ankara.
35. ASTM D1883-21. (2021). Standard test method for California bearing ratio (CBR) of laboratory-compacted soils. ASTM International, West Conshohocken, PA.
36. AASHTO. (1993). Interim guide for design of pavement structures. American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C.
37. Geçkil, T., Sarıcı, T., & Karabaş, B. (2025) Cam tozu kullanılarak iyileştirilen zeminin üzerine tasarlanan esnek üst yapının tabaka kalınlığı ve maliyetinin araştırılması. Journal of Innovative Engineering and Natural Science, 5(1), 81-99.
38. Zeyad, A. M., Tayeh, B. A., & Yusuf, M. O. (2019). Strength and transport characteristics of volcanic pumice powder-based high-strength concrete. Construction and Building Materials, 216, 314–324.
39. Uzuner, B. A. (2016). Temel Mühendisliğine Giriş. Derya Kitabevi, Trabzon.
40. AASHTO. (2024). Mechanistic–Empirical Pavement Design Guide (MEPDG-3). 3rd Edition, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C.
41. Karayolları Esnek Üstyapıları Projelendirme Rehberi (2008) T.C. Ulaştırma Bakanlığı Karayolları Genel Müdürlüğü Teknik Araştırma Dairesi Başkanlığı Üstyapı Şubesi Müdürlüğü, Ankara.
42. Karayolları Genel Müdürlüğü Birim Fiyatları (2024). http://www.kgm.gov.tr (Erişim Tarihi: 16.12.2024).