Zemin Stabilizasyonu: Kireç, Çimento ve Bitüm

1. Tanım ve Temel İlke
2. Kireç Stabilizasyonu
3. Çimento Stabilizasyonu
4. Köpük Bitüm Stabilizasyonu
5. Yöntem Seçim Akış Diyagramı
6. Türkiye'ye Özgü Koşullar
7. Örnek Problemler
8. Sık Yapılan Hatalar
9. Kaynaklar

Özet

Zemin stabilizasyonu, yetersiz mühendislik özelliklerine sahip zeminlerin kireç, çimento, köpük bitüm veya bitüm emülsiyon gibi bağlayıcı malzemelerle karıştırılarak iyileştirilmesi işlemidir. Türkiye'de yol inşaatında başta olmak üzere platform dolgu, alt temel ve üstyapı tabanı iyileştirmesi için yaygın biçimde uygulanmaktadır. Bu makalede üç temel yöntem — kireç, çimento ve köpük bitüm stabilizasyonu — KGM Teknik Şartnamesi Madde 21 (2022), TS EN 14227 serisi standartları ve ilgili mevzuat kapsamında ele alınmıştır.

1. Tanım ve Temel İlke

Zemin stabilizasyonu iki ana hedef için uygulanır: (1) zeminin plastisitesini, şişme potansiyelini ve su hassasiyetini azaltmak; (2) taşıma kapasitesini (CBR, UCS, Md modülü) artırmak. TS 1500:2000 ile belirlenen zemin sınıfına göre yöntem seçimi yapılır.

Saha Notu: Türkiye'de yol inşaatında zemin stabilizasyonu uygulamalarının büyük çoğunluğunu kireç ile kil zemin iyileştirmesi oluşturmaktadır. İç Anadolu ve Doğu Anadolu güzergahlarında alüvyon ve marn zemin sınıfları (%57'si yüksek plastisiteli kil — CH/MH) çok yaygındır; bu bölgelerde kireç stabilizasyonu birincil tercih olmaktadır.

2. Kireç Stabilizasyonu

2.1 Uygulama Koşulları

Kireç stabilizasyonu, plastik indeksi (PI) > 10 olan killi zeminlerde etkilidir. KGM Teknik Şartnamesi Madde 21'e göre AASHTO sınıflandırmasında A-5, A-6, A-7, A-2-6, A-2-7 veya USCS'de CH, CL, MH, ML, GC, SC sınıfına giren zeminler kireç stabilizasyonuna uygundur.

Sönmüş kireç (Ca(OH)₂) veya sönmemiş kireç (CaO) kullanılır; TS EN 459-1:2015 standardına uygun olması genellikle istenir.

Dikkat: Sülfat içeriği > %0,2 olan zeminlerde kireç kullanımından kaçınılması önerilir. Kireç-sülfat reaksiyonu ettringit (Ca₆Al₂(SO₄)₃(OH)₁₂·26H₂O) oluşturur ve bu bileşik hacimce %137 genleşerek stabilize tabakayı parçalar. Önce TS EN 1744-1 ile çözünür sülfat tayini önerilir.

2.2 Kireç Miktarı Belirlenmesi

Yöntem 1 — pH Tayini (ASTM D6276): Farklı kireç oranlarında (%1–8) hazırlanan numunelerde pH ölçülür; literatürde (Eades & Grim, 1966) genellikle pH = 12,40 değerini sağlayan minimum kireç oranı optimum oran olarak kabul edilir. Bu oran Optimum Kireç Yüzdesi (OKY) olarak adlandırılabilir.

Yöntem 2 — Plastisite Değişimi: Değişik kireç oranlarında kireç-toprak-su karışımının plastisitesi ölçülür. KGM kabul değerleri:

• Alt temel: PI < 6, LL < 25
• Üstyapı tabanı: PI < 10, LL < 30
• Dolgu malzemesi: PI < 20

Arazi OKY = Laboratuvar OKY + %0,5; tipik kireç oranları: %3–8.

2.3 Kimyasal Mekanizma

İyon Değişimi (Anlık Etki): Ca²⁺ iyonları kil yüzeyindeki Na⁺, K⁺ iyonlarıyla yer değiştirerek kil flokülasyonu ve plastisite azalması sağlar.

Puzzolanik Reaksiyon (Uzun Vadeli Mukavemet):

$${\text{Ca(OH)}}_2+{\text{SiO}}_2+{\text{H}}_2\text{O}\to \text{C-S-H (kalsiyum silikat hidrat)}$$ $${\text{Ca(OH)}}_2+{\text{Al}}_2{\text{O}}_3+{\text{H}}_2\text{O}\to \text{C-A-H (kalsiyum alu¨minat hidrat)}$$

C-S-H ve C-A-H bileşikleri zemin danelerini birbirine bağlayan sementasyon ürünleridir; 28 günlük kür sonunda UCS değerleri 7. gün değerinin 1,5–2,5 katına çıkabilir.

2.4 Deney ve Kabul Kriterleri

3. Çimento Stabilizasyonu

3.1 Uygulama Koşulları

Geniş zemin sınıflarında (A-1'den A-7'ye kadar) uygulanabilir; granüler zeminlerde daha etkilidir. TS EN 14227-1:2013 temel tasarım standardı olarak kullanılır. Organik içerik > %2 olan zeminlerde çimento hidrasyonu engellenebilir. Kullanılacak çimento genellikle TS EN 197-1 standardına uygun CEM I 42,5 N veya CEM II sınıfında tercih edilir.

3.2 Çimento Miktarı Belirlenmesi

Farklı çimento oranları (%4–14) için UCS deneyi yapılabilir. Minimum UCS 28 günde (PCA yöntemine göre tipik olarak):

3.3 Karışım Tasarımı Formülleri

Serbest Basınç Dayanımı (Mohr-Coulomb):

$$UCS=2c\cdot \tan \left(45°+\frac{\varphi }{2}\right)$$

Kür süresiyle dayanım artışı (NCHRP Report 338):

$$UC{S}_t=UC{S}_{28}\cdot {\left(\frac{t}{28}\right)}^m$$

Burada $m=0,15\text{–}0,30$ (çimento stabilizeli zeminler için tipik); Türkiye koşullarında $m=0,20$ güvenli kabul edilebilir.

3.4 Çatlak Kontrolü

Çimento stabilize tabakada büzülme çatlakları oluşabilir. Önlemler:

• Çimento oranını minimumda tut
• Karışıma kireç ekle (karma kireç+çimento)
• Derz aralığı ≤ 6 m bırak (KGM KTŞ 2023, Mad. 21.04)
• Kür membranı uygula; ilk 7 gün genellikle trafiğe açılmamalıdır

4. Köpük Bitüm (Foamed Bitumen) Stabilizasyonu

4.1 Prensip

Bitüm 170–180°C'ye ısıtılarak az miktarda su (%2–3) ve basınçlı hava enjekte edilmesiyle anlık köpürme (foaming) sağlanır. Köpük bitüm granüler zemindeki ince taneler (< 0,075 mm) ile karışarak bağlayıcı köprüler oluşturur; soğuk karışım yöntemiyle kalıcı taşıyıcı temel tabakası elde edilir.

4.2 Köpük Kalite Kriterleri

Genleşme Oranı (Expansion Ratio — ER):

$$ER=\frac{V_{k\ddot{o}p\ddot{u}k}}{V_{bit\ddot{u}m}}\ge 10$$

Yarı Ömür (Half-Life — HL):

$$HL\ge 6\text{ saniye}$$

4.3 Bağlayıcı Oranı ve TSR

Tipik köpük bitüm oranları: %1,5–3,5 (kuru agrega kütlesine göre). KGM ARGE çalışmasına göre Türkiye koşullarında %1,8–2,5 arası optimumdur.

Islaklık Hassasiyeti (ITS — Dolaylı Çekme Dayanımı):

$$TSR=\frac{IT{S}_{ıslak}}{IT{S}_{kuru}}\ge 0,75$$

ASTM D4867 / TS EN 12697-12

5. Yöntem Seçim Akış Diyagramı

6. Türkiye'ye Özgü Koşullar

6.1 Stabilize Katman Detayı

6.2 İklim ve Don Etkisi

Don derinliğinin yüksek olduğu bölgelerde (Erzurum, Kars, Ağrı) stabilize tabaka donmadan kaynaklanan hasar görmemesi için plaka yükleme deneyi (Md) kriterleri daha sıkı tutulur.

6.3 Yasal Çerçeve

• 3194 Sayılı İmar Kanunu: Karayolu yapıları genel imar mevzuatına uygun şekilde değerlendirilmelidir.
• 4708 Sayılı Yapı Denetimi Kanunu: Kapsama giren projelerde stabilizasyon karışım tasarım ve kalite kontrol raporlarının yapı denetim kuruluşuna sunulması istenebilir.
• 6331 Sayılı İSG Kanunu: Kireç ve çimento tozu ile bitüm buharına karşı kullanılacak koruyucu donanım, yapılan risk değerlendirmesine göre belirlenir; toplu korunmanın riski yeterince azaltamadığı durumlarda uygun kişisel koruyucu donanım kullanılır.
• TBDY 2018: Alüvyon zeminde stabilize temel tasarımında zemin sınıfı (ZA–ZE) belirlenerek yeniden zemin sınıflandırması önerilir.

7. Örnek Problemler

Problem 1 — Kolay

Veriler:

• Zemin sınıfı: A-7-6 (CH); PI = 28, LL = 55, CBR (doğal) = 2
• Hedef: Alt temel için kireç stabilizasyonu

Çözüm:

Adım 1 — ASTM D6276 (pH yöntemi): A-7-6 için pH = 12,40 sağlayan OKY = %5 (tipik, PI > 25 için)

Adım 2 — Arazi OKY = %5 + %0,5 = %5,5 (KGM Mad. 21.02)

Adım 3 — Beklenen iyileşme (7 günlük 49°C kür):

Sonuç: %5,5 kireç ile A-7-6 zemin alt temel gereksinimini büyük ölçüde karşılayabilir. PI < 6 sağlanamıyorsa karma stabilizasyon (%4 kireç + %3 çimento) denenebilir.

Problem 2 — Orta

Veriler:

• Zemin sınıfı: A-4 (ML — silt); Doğal CBR = 8; PI = 8; OMC = %14; MDD = 1,72 g/cm³
• Çimento: CEM I 42,5 N (TS EN 197-1)
• Hedef: 28 günde UCS ≥ 1.380 kPa (A-4/A-5 tipik minimum kriteri)

Çözüm:

Adım 1 — PCA yöntemine göre A-4 zemin tipik minimum UCS(28 gün) = 1.380 kPa.

Adım 2 — Deneysel olarak %6 çimento → UCS(28 gün) = 1.650 kPa > 1.380 kPa ✓

Adım 3 — 90 günlük dayanım tahmini ($m=0,20$):

$$UC{S}_{90}=UC{S}_{28}\cdot {\left(\frac{90}{28}\right)}^{0,20}=1650\cdot (3,214{)}^{0,20}=1650\times 1,263\approx 2084\text{ kPa}$$

Sonuç: %6 CEM I 42,5 N çimento ile A-4 zemin alt temel gereksinimini karşılar. 90. günde UCS ≈ 2084 kPa.

Problem 3 — Zor

Veriler:

• Agrega: P₀,₀₇₅ = %8; PI < 5 (A-3 granüler); RAP malzeme dahil
• Bitüm: B50/70; bitüm sıcaklığı 175°C
• Proje trafiği: T8.2 eşdeğer 8×10⁶ dingil yükü (R=%70)
• Hedef: TSR ≥ 0,75

Çözüm:

Adım 1 — Köpük Kalite Kontrolü (WLB 10 S): ER = 12 ≥ 10 ✓; HL = 9 saniye ≥ 6 saniye ✓

Adım 2 — Bitüm Oranı Seçimi: P₀,₀₇₅ = %8 → TG2 Sabita'ya göre %2,0–2,5; KGM ARGE → %2,2 optimum

Adım 3 — Sıkıştırma: ≥ %98 modifiye Proktor (BST için)

Adım 4 — TSR Hesabı: ITS_kuru = 280 kPa; ITS_ıslak = 218 kPa

$$TSR=\frac{218}{280}=0,779\ge 0,75✓$$

Adım 5 — Türkiye Koşulları: T8.2 = 8×10⁶ < 10 milyon (R=%70) → yöntem doğrudan uygulanabilir.

Sonuç: %2,2 köpük bitüm oranı, TSR = 0,779 ≥ 0,75 → ıslaklık hassasiyeti kriteri karşılanmıştır ✓.

8. Sık Yapılan Hatalar

1. Sülfat testi yapılmadan kireç uygulaması: Orta Anadolu kil-evaporit formasyonlarında çözünür sülfat > %0,2 olabilir; ettringit şişmesine yol açar. Önce TS EN 1744-1 deneyi önerilir.

2. Yetersiz kür süresi: İlk 7 gün genellikle trafiğe açılmamalı; örtü veya kür membranı uygulanmalıdır. Erken trafik dayanım gelişimini %20–30 azaltabilir.

3. Yetersiz karışım derinliği: Stabilizer freze 30–50 cm'ye ulaşmalı; genellikle her 100 m'de bir derinlik ölçümü yapılması önerilir.

4. Optimum su içeriğinden sapma: Su içeriğinin modifiye Proktor OMC ±%2 içinde tutulması önerilir.

5. Soğuk hava uygulaması: T < 5°C'de reaksiyonlar yavaşlar; don riski varsa uygulama yapılmaması önerilir. Kars/Erzurum'da ekim-nisan arası kireç/çimento stabilizasyonundan genellikle kaçınılır.

6. Organik zemin göz ardı etme: Organik içerik > %2 olan zeminlerde kimyasal stabilizasyon etkisiz kalabilir; LOI (ateşte kızdırma kaybı) deneyi ile organik içeriğin belirlenmesi önerilir.

7. Bitüm emülsiyon ve köpük bitümü karıştırma: Köpük bitüm sıcak bitümün anlık köpürtülmesiyle üretilir; bitüm emülsiyon soğuk sudaki dispersiyon ürünüdür. Tasarım ve deneyleri ayrı yürütülmelidir.

10. Kaynaklar

1. KGM — Karayolu Teknik Şartnamesi — Zemin Stabilizasyonu, Madde 21, 2022.
2. TS EN 14227-1:2013 — Hidrolik Bağlayıcılı Karışımlar — Bölüm 1: Çimento ile Stabilize Edilmiş Karışımlar.
3. TS EN 14227-11:2006 — Hidrolik Bağlayıcılı Karışımlar — Bölüm 11: Kireç ile İyileştirilmiş Zeminler.
4. TS EN 459-1:2015 — Yapı Kireci — Bölüm 1: Tarifler, Özellikler ve Uygunluk Kriterleri.
5. TS EN 197-1 — Çimento — Bölüm 1: Normal Çimento Bileşimi ve Özellikler.
6. TS 1500:2000 — Zeminlerin Sınıflandırılması, TSE.
7. TS 1900-2 — İnşaat Mühendisliğinde Zemin Laboratuvar Deneyleri — Bölüm 2, TSE.
8. ASTM D6276 — Standard Test Method for Using pH to Estimate the Lime Requirement.
9. ASTM D5102 — Unconfined Compressive Strength of Lime/Cement Stabilized Soil.
10. ASTM D4867 — Moisture Sensitivity of Compacted Asphalt (TSR).
11. PCA — Soil-Cement Laboratory Handbook, Portland Cement Association, 1992.
12. TRB NCHRP Report 246 — Lime Stabilization: Reactions, Properties, Design and Construction, 1987.
13. Sabita — TG2: Bitumen Stabilisation Guidelines, 3rd ed., 2019.
14. KGM ARGE — KGM-ARGE-K-21-01: Kazınmış Karayolu Üstyapısının Köpük Bitümle Yerinde Soğuk Geri Kazanımı, 2021.
15. Çokça, E. (2018). "Sülfatın C Sınıfı Uçucu Kül ile Stabilize Edilen Şişen Killer Üzerindeki Etkisi", ODTÜ.
16. Yedek, S. (2020). "Yapılarda Don Derinliğinin İncelenmesi".
17. TS EN 1744-1 — Agregaların Kimyasal Özelliklerinin Tayini.
18. 6331 Sayılı İş Sağlığı ve Güvenliği Kanunu, RG 28339, 30.06.2012.

İlgili Hesaplama Araçları

Bu konuyla ilgili ücretsiz mühendislik hesaplama araçlarımızla ön tasarım ve kontrol yapabilirsiniz:

• Zemin Taşıma Gücü Hesaplama
• SPT N30 Düzeltme Hesaplama

Önemli Mühendislik Uyarısı: Bu içerik yalnızca bilgilendirme amaçlıdır; nihai tasarım, hesap ve uygulama kararları, güncel yönetmelikler ile proje koşulları çerçevesinde yetkili bir inşaat mühendisinin denetiminde alınmalıdır. Sayısal örnekler ve formüller genel mühendislik pratiğini yansıtır; her projenin kendine özgü zemin, yük ve çevre koşulları proje müellifince ayrıca değerlendirilmelidir.

yapidan (2026). Zemin Stabilizasyonu: Kireç, Çimento ve Bitüm. Yapıdan — İnşaat Mühendisliği Bilgi Portalı. https://yapidan.com/kategoriler/ul/zemin-stabilizasyonu-kirec-cimento-bitum