Yapay olarak hazırlanan düşük dayanımlı killerin elektrokinetik yöntem ile stabilizasyonu

Abstract

Elektrokinetik stabilizasyon yöntemi yumuşak killi toprakların dayanımlarının arttırılmasında kullanılan ve gelişmekte olan yeni bir teknolojidir. Bu yöntemde amaç, toprağa elektrik akımı yardımıyla kalsiyum ve potasyum gibi iyonların girişini sağlayarak, toprak içinde elektromigrasyon, iyon değişimi ve puzolanik reaksiyonlar sonucu oluşan çökelimle birlikte toprakta dayanım artışı sağlanmasıdır. Önceki çalışmalarda elektrokinetik stabilizasyon işleminin, pH 7 üzerindeki ortam koşullarında etkili olduğu ve anot çevresinde gerçekleşen reaksiyonlar sonucu düşük pH seviyeleri oluştuğundan dayanım artışının katot çevresiyle sınırlı kaldığı belirtilmiştir. Tez kapsamında; Ankara kili kullanılarak yumuşak killi toprak örnekleri yapay olarak hazırlanmış ve bu örnekler üzerinde laboratuvar ölçeğinde elektrokinetik stabilizasyon işleminin etkinliği test edilmiştir. Yapılan çalışmada, daha önceki çalışmalarda uygulanan kare düzenek yerine dairesel bir düzenek kullanılmıştır. Bu düzeneğin kullanılması ile yüksek pH koşullarının katottan anot yönüne doğru ilerlemesi ve böylece toprak içinde daha homojen bir dayanım artışının sağlanması amaçlanmıştır. Bu amaçla dairesel düzenek üzerinde çoklu bir elektrot dizilimi kullanılmış, dizilimde yapılan değişikliklerin dayanım artışına, akım düşüş hızına ve düzeneğin farklı bölümlerindeki pH koşullarına etkisi gözlemlenmiştir.Elektrokinetik yöntem ile stabilizasyonda, toprağa elektrik akımı ile birlikte stabilize edici bir maddenin girişi sağlanmaktadır. Yapılan çalışmada tüm deneylerde, toprağa 10 V sabit elektrik potansiyeli altında stabilize edici madde olarak CaCl2 girişi sağlanmıştır. Anot elektrotun düzeneğin iç bölümünde konumlandırıldığı ve bu bölmeden toprağa CaCl2 çözeltisinin girişinin sağlandığı 15 gün süren ilk deneyde, anot çevresinde şişmeye bağlı olarak dayanımda düşüş görülürken, katot çevresinde % 508'i aşan dayanım artışı sağlanmıştır. Anot elektrotların dairesel düzeneğin dış bölmesine yerleştirildiği ve böylece daha fazla miktarda Ca+2 iyonunun toprağa girmesinin amaçlandığı deneylerin ilkinde toprağa sadece CaCl2 girişi sağlanmış ve bu durumda anot ve katot yakınlarındaki makaslama dayanımlarındaki artış sırasıyla %36,1 ve %136,67 olarak saptanmıştır. Anot bölmesinden CaCl2 çözeltisine ilaveten pH'ı artırmak için Ca(OH)2 girişinin de sağlandığı son deneyde ise dayanımdaki artışlar anot ve katot bölmeleri için sırasıyla %24,62 ve %123,16 şeklinde gerçekleşmiştir. Bu durum, anot elektrotların dışarı bölmede konumlandırıldığı deneylerde dayanım artışının tüm örnekte görüldüğünü, yani daha asidik koşullara maruz kalan anot çevresinde de artış sağlanabildiğini göstermiştir. Her bir deneyde, anot bölmesinden uzaklığa göre oluşan son makaslama dayanımları kendi içlerinde değerlendirildiğinde, stabilizasyon malzemesi olarak CaCl2'ye ek olarak Ca(OH)2 de kullanılan deneyde, belirgin bir şekilde daha uniform dayanım artışları gözlenmiştir.Katot elektrotun iç bölmede konumlandırıldığı deneylerde, anot bölgesinde pH düşüşü 2-3 gün gibi uzun sürelerde gerçekleşmiş ve en düşük pH seviyesi 3'ün altına inmemiştir. Anot elektrotun iç bölmede konumlandırıldığı durumlarda ise pH çok hızlı bir şekilde 3'ün altına inmiştir. Bu durum katot elektrotun iç bölmede konumlandırıldığı durumlarda, elektrokinetik stabilizasyon için tercih edilen daha yüksek pH koşullarının sağlandığını göstermektedir.

Electrokinetic stabilization is a new and developing technology used for increasing strength of soft clayey soils. The purpose of this method is to create precipitation of species by electromigration, ion exchange and pozzolanic reactions in the soil, in order to increase the soil strength properties, by means of application of electrical current and injection of ions such as calcium and potassium. In the extent of this thesis, soft clay samples were prepared artificially by use of Ankara clay and laboratory scale electrokinetic stabilization effectiveness was examined on these samples. Former studies pointed out that electrokinetic stabilization process is effective in pH conditions above 7 and the increase of strength is limited to cathode region, since reactions that occur around anode region cause low pH levels. In the study, a circular unit was used instead of the square units used in the former studies, to move high pH conditions from cathode to anode, in order to provide a more homogenous strength increase. For this purpose, a multiple electrode configuration was used in the circular unit and effects of different configurations on strength increase, electrical current decrease and pH conditions on various sections of the soil were investigated For stabilization with electrokinetic method, introduction of a stabilizing agent is provided to soil, together with electrical current. In all of the experiments of the study, a constant electric potential of 10 V was applied to soil, together with the introduction of CaCl2. In the first experiment, where anode is positioned in the centre of the unit and CaCl2 solution was applied from this section for 15 days, a strength decrease caused by swelling occurred around the anode section, whereas strength increases that surpass 508% were obtained around the cathode region. In the first of the experiments where anode electrodes were positioned in the outer section of the unit in order to supply more Ca+2 ions to the soil; only CaCl2 was supplied to soil and shear strength increases were determined as 36,1% and 136,67% around the anode and cathode sections respectively. In the last experiment, where an additional Ca(OH)2 injection was provided together with CaCl2 in order to increase the pH, shear strength increases were found to be 24,62% and 123,16% for anode and cathode sections respectively. These results indicate that in the experiments where anode electrodes are positioned in the outer section, strength increase expanded to entire soil sample, i.e. increases were also achieved around the anode section where soil is subjected to higher acidic conditions.By assessment of final shear strength values in accordance with the distance from anode section for each experiment, significantly more uniform strength distributions were observed in the experiment where Ca(OH)2 was used in addition to CaCl2.In the experiments where cathode is positioned in the inner section, pH decrease in the anode section took a long time, around 2-3 days, and the minimum pH levels were never below pH 3. For conditions where anode is positioned in the inner section, pH values decreased very rapidly and reached levels below pH 3. This demonstrated that higher pH conditions that are desirable for electrokinetic stabilization were achieved with the cathode positioned in the inner section.