Zemin Stabilizasyonu: Kireç, Çimento ve Bitüm ile Stabilizasyon

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

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.

Tablo 1: Tanım ve Temel İlke

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 zorunludur.

Tablo 2: Uygulama Koşulları

Dikkat: Sülfat içeriği > %0,2 olan zeminlerde kireç asla kullanılmamalıdır. 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 yapılmalıdır.

2.2 Kireç Miktarı Belirlenmesi

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

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):

$\text{Ca(OH)}_2 + \text{SiO}_2 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C-S-H (kalsiyum silikat hidrat)}$

$\text{Ca(OH)}_2 + \text{Al}_2\text{O}_3 + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{C-A-H (kalsiyum alüminat hidrat)}$

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

Tablo 3: 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 standardıdır. Organik içerik > %2 olan zeminlerde çimento hidrasyon engellenir. Kullanılacak çimento TS EN 197-1 standardına uygun CEM I 42,5 N veya CEM II sınıfında olmalıdır.

3.2 Çimento Miktarı Belirlenmesi

Farklı çimento oranları (%4–14) için UCS deneyi yapılır. Minimum UCS 28 günde (PCA yöntemi):

Tablo 4: Çimento Miktarı Belirlenmesi

3.3 Karışım Tasarımı Formülleri

Serbest Basınç Dayanımı (Mohr-Coulomb):

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

Kür süresiyle dayanım artışı (NCHRP Report 338):

$UCS_t = UCS_{28} \cdot \left(\frac{t}{28}\right)^m$

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

Tablo 5: Karışım Tasarımı Formülleri

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 trafik 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):

$ER = \frac{V_{köpük}}{V_{bitüm}} \geq 10$

Yarı Ömür (Half-Life — HL):

$HL \geq 6\text{ saniye}$

Tablo 6: Köpük Kalite Kriterleri

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):

$TSR = \frac{ITS_{ıslak}}{ITS_{kuru}} \geq 0{,}75$

ASTM D4867 / TS EN 12697-12

5. Yöntem Seçim Akış Diyagramı

Tablo 7: Yöntem Seçim Akış Diyagramı

6. Türkiye'ye Özgü Koşullar

6.1 Stabilize Katman Detayı

Tablo 8: Stabilize Katman Detayı

6.2 İklim ve Don Etkisi

Tablo 9: 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 imar mevzuatına uygun olmalıdır.
• 4708 Sayılı Yapı Denetimi Kanunu: Stabilizasyon karışım tasarım ve kalite kontrol raporları yapı denetim kuruluşuna sunulmalıdır.
• 6331 Sayılı İSG Kanunu: Kireç tozu (P3 toz maskesi), çimento tozu ve bitüm buharına karşı koruyucu ekipman zorunludur.
• 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):

Tablo 10: Problem 1 — Kolay

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

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 minimum kriteri)

Çözüm:

Adım 1 — PCA yöntemiyle A-4 zemin 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 ($m = 0{,}20$):

$UCS_{90} = UCS_{28} \cdot \left(\frac{90}{28}\right)^{0{,}20} = 1650 \cdot (3{,}214)^{0{,}20} = 1650 \times 1{,}264 \approx 2086\text{ kPa}$

Sonuç: %6 CEM I 42,5 N çimento ile A-4 zemin alt temel gereksinimini karşılar. 90. günde UCS ≈ 2086 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

$TSR = \frac{218}{280} = 0{,}779 \geq 0{,}75 \quad \checkmark$

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 zorunludur.

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

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

4. Optimum su içeriğinden sapma: Su içeriği modifiye Proktor OMC ±%2 içinde tutulmalıdır.

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

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

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.

Kaynakça

1. İlgili Türk Standartları (TS) ve Avrupa Normları (EN)
2. TBDY 2018 — Türkiye Bina Deprem Yönetmeliği
3. İlgili ders kitapları ve teknik kaynaklar

Not: Bu makale eğitim amaçlıdır. Projelerde güncel yönetmelik ve standartlara başvurunuz.

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.