Çeltik kabuğu külü ile kuvvetle ayrışmış marn yamaçlarının sızıntı özelliklerinin iyileştirilmesi

Yamaç yollarının aniden neden çöktüğü

Dağ içinden geçen otoyollar genellikle dik yamaçlara doğrudan oyulur. Çin’in kuzeyindeki Hebei eyaletinde bu yamaçların birçoğu, ıslanınca şişen ve kuruyunca büzülen, kuvvetle ayrışmış marn adı verilen kırılgan bir kayadan oluşur. Şiddetli yağmur bu malzemeyi hızla doyurup zayıflatabilir ve yolları ve sürücüleri tehdit eden küçük heyelanlara yol açabilir. Bu çalışma, yağmur suyunun bu yamaçların içinde hareketini yavaşlatıp onları daha güvenli hale getirip getiremeyeceğini görmek için beklenmedik ve basit bir yardımcı maddeyi—tarımsal bir atık olan çeltik kabuğu külünü—incelemektedir.

Tarım atığını yamaç koruyucusuna dönüştürmek

Çeltik kabuğu külü, çeltik kabukları kontrollü koşullarda yakıldığında elde edilir. Silika açısından zengindir ve ince, gözenekli bir yapıya sahiptir. Araştırmacılar, kuzey Hebei’deki yol oyma yamaçlarından alınan ayrışmış marn örneklerine bu külün farklı miktarlarını (ağırlıkça %2 ile %8 arasında) karıştırdı. Az miktarda kireç aktive edici olarak eklendi; karışımlar sıkıştırıldı ve gerçek inşaatta kullanılacak şekilde yaklaşık bir ay kürlendi. Amaç, bu basit karışımın suyun zemine giriş ve zemin içindeki hareketini nasıl değiştireceğini ve en iyi korumayı sağlayan ideal dozu belirlemekti.

Zemin sütunlarında suyun hareketini izlemek

Yağmurun bir yamaç içinde ne yapacağını izlemek için ekip, yaklaşık 65 santimetre yüksekliğinde dik zemin sütunları inşa etti ve dört derinlikte nem ve emme sensörleri yerleştirdi. Özel bir şişe düzenlemesi üstten sabit basınçla su sağlayarak kararlı yağışı simüle etti. Su sızdıkça sensörler, “ıslanma cephesi”nin—kuru ve ıslak zemin arasındaki sınırın—ne kadar hızla aşağı doğru ilerlediğini ve zamanla iç su basıncının nasıl değiştiğini kaydetti. Paralel olarak bilim insanları, zeminin farklı gerilim seviyelerindeki su tutma gücünü (su tutma eğrileri) ölçtü ve bu davranışı tanımlamak için matematiksel eğriler kullandı.

Külün suyun yolunu nasıl değiştirdiği

Çeltik kabuğu külü eklemek suyun hareketini çarpıcı şekilde değiştirdi. İşlenmiş marn, boşalmaya başlamadan önce daha fazla su tuttu ve emme arttıkça nemi daha yavaş kaybetti. Bu, gözenek yapısının daha inceleştiğini ve suyu daha iyi tuttuğunu gösterir. İnfiltrasyon testlerinde ıslanma cephesi, kül içeriği arttıkça giderek daha yavaş ilerledi. %6 kül dozu uygulandığında, ıslanma cephesinin 40 santimetreye ulaşma süresi işlem görmemiş zemine göre neredeyse iki katına çıktı. Başka bir deyişle, su kolonun derinine nüfuz etmek için çok daha uzun zaman aldı. Ölçülen hidrolik iletkenlik—suyun ne kadar kolay aktığını gösteren anahtar bir gösterge—özellikle yüksek kül içeriklerinde kuru koşullar altında iki mertebe azaldı. Mikroskobik görüntüler nedenini gösterdi: %6 külde partiküller arasındaki gözenekler eşit şekilde daralmış, böylece su için daha dolambaçlı ve dirençli yollar oluşmuştu.

Güvenlik için ideal dozu bulmak

İlginç bir şekilde, daha fazla kül her zaman daha iyi değildi. %8 külde partiküller kümelenmeye ve bazı gözenekleri düzensiz şekilde tıkamaya başladı. Bu, hızlıca doyabilen yamalar ve zeminin dayanımının düştüğü bölgeler yarattı; bu da %6 karışıma kıyasla su akışını biraz artırdı ve kohezyonu azalttı. Bu karmaşık etkileri daha iyi tahmin etmek için ekip, klasik bir infiltrasyon formülü olan Green–Ampt modelini kül dozu ve zemin plastisitesinin bir ölçüsünü içine alacak şekilde geliştirdi. Bu güncellenmiş versiyon, deneysel verilerle geleneksel modele kıyasla çok daha iyi uyuştu ve diğer yaygın formüllerden üstün olarak mühendislerin işlem görmüş yamaçlarda suyun ne kadar hızlı hareket edeceğini daha güvenilir biçimde tahmin etmelerine olanak verdi.

Gerçek yollar için ne anlama geliyor

Çalışma, ağırlıkça yaklaşık %6 gibi ılımlı bir çeltik kabuğu külü miktarının zayıf marn yamaçlarının su idaresi davranışını önemli ölçüde iyileştirebileceğini gösteriyor: yağmur suyu daha yavaş giriyor, daha az derine nüfuz ediyor ve destabilize edici basınç daha az birikiyor. Çeltik kabuğu külünün pirinç tarımından gelen düşük maliyetli bir atık olmasıyla birleşince, bu yaklaşım yağış kaynaklı heyelanları otoyollar ve benzer genişleyen marn bölgelerindeki diğer toprak işlerinde azaltmak için umut verici, daha yeşil bir yol sunuyor; aynı zamanda bir tarımsal yan ürünü altyapı için koruyucu bir kalkan haline getiriyor.

Atıf: Cui, H., Ma, B., Hu, Z. et al. Improving seepage characteristics of strongly weathered mudstone slopes with rice husk ash. Sci Rep 16, 11966 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40499-2

Anahtar kelimeler: çeltik kabuğu külü, yamaç stabilitesi, yağış infiltrasyonu, genişleyen marn, sürdürülebilir zemin iyileştirme