Investigating the swelling behavior of compacted high plasticity clays

Abstract

Yüksek plastisiteli killere granüler malzeme eklenerek oluşturulan karışımlar, katı atık depolama alanlarında geçirimsiz zemin tabakaları olarak kullanılmaktadırlar. Sıkıştırılmış killi karışımlar geçirimsiz tabaka olarak kullanıldıklarında, bu tabakaların düşük hidrolik iletkenliğe, yüksek şişme kapasitesine, iyi bir kendinden-sızdırmazlık kapasitesine ve iyi bir radyonüklid adsorpsiyona sahip olmaları beklenmektedir. Bu tabakaların genellikle yüksek plastisiteli kil kısmı bentonit, granüler kısmı ise kum olacak şekilde teşkil edilmektedirler. Granüler malzeme için kuma alternatif olarak, dünyadaki rezerv kapasitesi bakımından Türkiye'nin üçüncü sırada olduğu zeolitin kullanılması düşünülmektedir. Karışımda zeolit kumun yerini aldığında, sıkıştırılmış kil tabakasının hidrolik iletkenliği artmaktadır. Hidrolik iletkenliğin artış sebebini şişme davranışı açısından incelemek amacıyla, bu çalışmada sıkıştırılmış kil içeren zeminler olarak zeolit-bentonit karışımlarının ve saf bentonit numunelerinin şişme davranışları incelenmiştir. Kum-bentonit ve zeolit-bentonit karışımlarının hidrolik iletkenlikleri arasındaki farkın nedeni henüz tam olarak anlaşılamamıştır. Bu konudaki araştırmalar devam etmektedir. Bu çalışmada, zeolit-bentonit karışımlarının şişme davranışı araştırılarak ve literatürde mevcut olan kum-bentonit karışımlarının şişme davranışlarıyla karşılaştırılarak, şişme davranışının hidrolik iletkenlik üzerindeki etkisi aydınlatılmaya çalışılmıştır. Bu amaçla farklı bentonit oranlarında zeolit-bentonit karışım örnekleri hazırlanarak, bunların üzerinde şişme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Deneyler için üç farklı karışım oranında; %20 bentonit (%80 zeolit ve %20 bentonit) ve %30 bentonit (%70 zeolit ve %30 bentonit) içeren zeolit-bentonit karışımları ile % 100 bentonitten oluşan numuneler hazırlanmıştır.Öncelikle, %20 ve %30 bentonit içeren zeolit-bentonit karışımları (%20 ZBM ve %30 ZBM) üzerinde kompaksiyon deneyleri yapılarak, maksimum kuru birim hacim ağırlık ve optimum su içeriği değerleri belirlenmiştir. Şişme deneylerinde kullanılacak numuneler, kompaksiyon deneyleri sonucunda belirlenen optimum su içeriklerinde hazırlanmıştır. Şişme deneyleri, iki farklı bentonit oranına sahip zeolit-bentonit karışımından oluşan numuneler ile %100 bentonitten oluşan numuneler üzerinde ve farklı efektif düşey gerilmeler altında (1, 2.5, 5, 12.5, 25, 50, 100 kPa) gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, sıkıştırma enerjisinin şişme davranışı üzerindeki etkisinin araştırılması amacıyla, %100 bentonit numuneleri ring içerisinde 25 ve 10 darbe uygulanarak iki farklı sıkıştırma enerjisi altında hazırlanmıştır.Zeolit-bentonit karışımlarının şişme davranışı, karışımı oluşturan zeolit ve bentonitin yapısal, kimyasal ve geoteknik özellikleri ile bentonit içeriği, nihai boşluk oranı, şişme birim deformasyonu ve sıkıştırma enerjisinin etkisine bağlı olarak araştırılmıştır.Anahtar Kelimeler: Şişme davranışı, zeolit, bentonit, efektif düşey gerilme, nihai boşluk oranı, şişme birim deformasyonu, sıkıştırma enerjisi.

Mixtures obtained by adding granular materials to high plasticity clays are used as impermeable soil liners at solid waste landfill sites. When compacted clay mixtures are used as impermeable liners, they are required to have low hydraulic conductivity, high swelling capacity, good self-sealing, and a good radionuclide adsorption. In general, high plasticity clay part is constituted from bentonite, and sand is preferred for the granular part of these mixtures. As an alternative to sand, zeolite is considered for the granular part of the mixtures because Turkey is ranked third place in the world for the zeolite reserve. When sand in the mixture is replaced with zeolite, the hydraulic conductivity of compacted clay increases. In order to investigate the cause of the increase in hydraulic conductivity with respect to swelling behavior, swelling behavior of zeolite-bentonite mixtures and pure bentonite samples were researched in this study.The reason for the difference between the hydraulic conductivities of sand-bentonite mixtures and zeolite-bentonite mixtures are not completely understood. Researches on that subject continue. In this study, the swelling behavior of zeolite-bentonite mixtures were investigated and the results were compared with the swelling behavior of sand-bentonite mixtures that reported in the literature, the attempt being made to clarify the effect of swelling behavior on hydraulic conductivity. For this purpose, samples of zeolite-bentonite mixtures with different bentonite contents were prepared and subjected to swelling tests. Samples with three different bentonite contents were prepared: Zeolite-bentonite mixtures with 20% bentonite (80% zeolite + 20% bentonite) and 30% bentonite (70% zeolite + 30% bentonite) contents, and 100% bentonite samples. Firstly, compaction tests were performed on the samples of the zeolite-bentonite mixtures with 20% and 30% bentonite contents (20% ZBM and 30% ZBM), and maximum dry unit weight and optimum water content values were determined. Samples of the swelling tests were prepared at the optimum water content values. For swelling tests the samples of two different zeolite-bentonite mixtures and samples of pure bentonite were prepared and subjected to the tests under different vertical effective stresses (1, 2.5, 5, 12.5, 25, 50, 100 kPa). Besides, in order to investigate the effect of compaction effort on swelling behavior, 100% bentonite samples were prepared in the ring by applying either 25 or 10 blows on the samples.The swelling behavior of zeolite-bentonite mixtures were investigated depending on the structural, physicochemical, and geotechnical properties of zeolite and bentonite, and according to the bentonite content, final void ratio, swelling strain, and the effect of compaction effort. Keywords: Swelling behavior, zeolite, bentonite, effective vertical stress, final void ratio, swelling strain, compaction effort.