Biyo-Tabanlı Doğal Fiberlerin Zeminlerin İyileştirilmesinde Kullanılabilirliğinin Araştırılması

Abstract

Ulaşım hatlarının taban malzemesinde veya yapımında kullanılan zeminler trafik yoğunluğu ve atmosferik şartlara bağlı olarak zamanla dirençlerini kaybedebilmektedir. Bunun sonucunda oturmalara meyilli, düşük kayma direnci ve büyük oranda sıkılaşma gösteren zemin malzemesi zamanla üzerindeki yapının kullanılamaz hale gelmesine neden olmaktadır. Zeminlerin mühendislik özelliklerinin arttırılması ve zeminlerin iyileştirilmeleri için günümüzde birçok yöntem kullanılmaktadır. Zeminlerin biyo-tabanlı doğal lifli malzemelerle güçlendirilmesi bir iyileştirme yöntemleri olarak bu çalışmada ele alınmaktadır. Bu malzemeler çevre açısından daha az zararlı ve kolaylıkla üretilebilir olmalarıyla öne çıkmaktadır. Yün, insan saçı keten ve odun talaşı gibi biyo-tabanlı lifli malzemeler ile güçlendirilen zeminlerin stabilizasyonu kompaksiyon parametreleri (optimum su içeriği ve maksimum kuru yoğunluk) ve mukavemet değerleri ile irdelenmiştir. Kompaksiyon parametreleri ve CBR deney sonuçları zeminlerin güçlendirme öncesi ve sonrası elde edilen değerler açısından ele alınmıştır. Burada CBR, bir yolun alt zemininin ve yapımında kullanılan malzemelerin mukavemetinin bir ölçüsü olarak kullanılmıştır. Bu amaçla zemin örneklerine belirli oranlarında (örn: %5, %10 ve %20) talaş ve yine belirli oranlarda (örn: %0.5, %1.0 ve %2.0) insan saçı, yün veya keten gibi lifli malzemeler eklenerek farklı biyo-tabanlı materyallerle güçlendirme uygulanmıştır. Güçlendirme yapılan biyo-tabanlı fiber-zemin karışımlarında kompaksiyon parametreleri ve mukavemet değerlendirmeleri standart proktor ve CBR testleri ile değerlendirilmiştir. Her iki güçlendirme için elde edilen kompaksiyon ve mukavemet parametreleri birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca çalışma biyo-tabanlı malzemenin genel özellikleri ve güçlendirme boyutları içerisinde ele alınarak, fiber-zemin karışımlarının özellikle aşırı atmosferik şartlara maruz kalan (aşırı yağış ve don olayları vb.) bölgeler için ulaşım yapılarının temel alt ve yapım malzemesinde kullanılabilirliği avantaj ve dezavantajları ile birlikte tartışılmıştır. Bu doğrultuda, biyo-tabanlı fiber-zemin karışımlarının atmosferik koşullara maruz kalan ulaşım yapılarında alt temel malzemesi olarak kullanılabilirliği değerlendirilmiş; söz konusu katkıların çevresel sürdürülebilirlik, düşük maliyet ve mühendislik performansı açısından önemli bir potansiyel taşıdığı sonucuna ulaşılmıştır. Yapılan deneyler sonucunda; %1 oranında saç+yün katkısı ile CBR değerlerinde Zemin-1 (SM) için %22, Zemin-2 (SC) için %15, Zemin-3 (GC) için ise %28'e varan iyileşmeler gözlemlenmiştir. Keten katkısı %2 oranında uygulandığında Zemin-3 (GC)'te CBR değeri %33'e ulaşarak en yüksek taşıma gücü artışı elde edilmiştir. Bu bulgular, kullanılan her bir katkı malzemesinin farklı oranlarda zeminleri belirgin şekilde güçlendirdiğini ve zemin iyileştirmede etkili sonuçlar verdiğini ortaya koymuştur. Anahtar kelimeler: Kaliforniya taşıma oranı (CBR), Kompaksiyon, Maksimum kuru yoğunluk (γk), Optimum su içeriği (Wopt)Soils used as subgrade materials in transportation infrastructures may lose their strength over time due to traffic loads and atmospheric conditions. As a result, these soils tend to settle, exhibit low shear strength, and undergo significant compaction, eventually leading to the functional failure of the structures built upon them. Various methods are currently employed to enhance the engineering properties and improve the performance of such problematic soils. In this study, reinforcement using bio-based natural fibrous materials is investigated as an alternative soil improvement technique. These materials are distinguished by their low environmental impact and ease of production. The stabilization of soils reinforced with bio-fibers such as wool, human hair, flax, and wood shavings was examined through compaction parameters (optimum moisture content and maximum dry density) and strength characteristics. Compaction and California Bearing Ratio (CBR) test results were evaluated comparatively before and after reinforcement. CBR was employed as a measure of the strength of subgrade soils and construction materials used in road foundations. To this end, bio-based materials were added to the soil in specified proportions—wood shavings at 5%, 10%, and 20%, and human hair, wool, or flax fibers at 0.5%, 1.0%, and 2.0%. Compaction parameters and strength characteristics of the fiber-soil mixtures were determined using Standard Proctor and CBR tests, and the outcomes were comparatively analyzed. Furthermore, the study discussed the general properties of bio-materials and the practical implications of their usage, especially in regions exposed to extreme environmental conditions (e.g., heavy rainfall and freeze–thaw cycles), by assessing the advantages and limitations of bio-fiber–reinforced soils as subbase and fill materials in transportation infrastructures. Accordingly, the usability of bio-fiber–soil composites as subgrade materials in areas exposed to adverse climatic conditions was evaluated. It was concluded that such additives offer substantial potential in terms of environmental sustainability, low cost, and geotechnical performance. Based on the experimental findings, 1% hair+wool addition improved CBR values by 22% in Soil-1 (SM), 15% in Soil-2 (SC), and 28% in Soil-3 (GC). Moreover, the highest improvement was observed with 2% flax addition in Soil-3 (GC), where the CBR value reached 33%. These results reveal that each type of bio-additive provides notable reinforcement at different proportions, demonstrating their effectiveness in soil stabilization applications. Keywords: California Bearing Ratio (CBR), Compaction, Maximum dry density (γd), Optimum moisture content (Wopt)