ÇELİKHANE CÜRUFU İLE YOL ALTYAPI DOLGUSUNUN ZEMİN ÖZELLİKLERİNİN İYİLEŞTİRİLMESİ

Transkript

1 ÇELİKHANE CÜRUFU İLE YOL ALTYAPI DOLGUSUNUN ZEMİN ÖZELLİKLERİNİN İYİLEŞTİRİLMESİ Seyhan Fırat 1, Gülgün Yılmaz 2, İsa Vural 3, Jamal Khatib 4, Seyfettin Umut UMU 5 Özet Demir çelik fabrikalarında çelik ve benzeri malzemenin üretimi sırasında atık olarak çelikhane cürufu ortaya çıkmaktadır. Bu malzemenin yüksek kalsiyum (Ca) içeriğine sahip olması ve puzolanik bir etki göstermesi inşaat mühendisliği alanında kullanılabilir olduğunu göstermektedir. Fakat geoteknik mühendisliği uygulamalarında henüz fazlaca kullanım alanı bulamamaktadır. Bu çalışmada, çelikhane cürufu, kireç oranı sabit kalmak şartıyla, uçucu kül ve bir çeşit kaolinit ile karıştırılmıştır. Seçilmiş olan tüm malzemeler farklı oranlarda karıştırılarak optimum su muhtevalarında sıkıştırılmış ve elde edilen Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 ve Z7 zemin numuneleri 1, 7, 28 ve 56 gün kürleme işlemi görmüşlerdir. Bu numuneler üzerinde Serbest Basınç Taşıma Kapasitesi ve Kaliforniya Taşıma Oranı (CBR) deneyleri yapılmıştır. Bu çalışma ile farklı üretim tesislerinde açığa çıkan atık malzemelerin inşaat sektöründe ve özellikle yol alt yapı dolgusunda kullanılabilirliğine açıklık getirilmiştir. Ayrıca atıkların kullanılması ile ekonomiye katkı sağlanması hedeflenmiştir. Anahtar Kelimeler: Çelikhane cürufu, uçucu kül, serbest basınç deneyi, Kaliforniya taşıma oranı IMRPOVING THE SOIL PROPERTIES OF ROAD SUBBASE FILLING WITH THE STEEL SLAG Abstract During the production of steel, steel slag is emerging as a waste material in steel factory. Having high calcium (Ca) content and the puzzolanic effect shows that the steel slag is used in the çivil engineering applications. But, the material has not yet widely used in geotechnical applications. In the study, steel slag is mixed with the kaolinite clay, fly ash and the lime in different ratios and the mixed samples were named Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 and Z7. Standard Compaction Test were performed on the mixed samples to define optimum water content and maximum dry unit weight. After that, the compacted mixed samples were cured at vairous days 1, 7, 28 and 56. After curing, Unconfined Compressive Strength (UCS) * Bu çalışma UK-Turkey HE Knowledge Partnership Programme proje no: TR/012012/KP04 projesi altında ve Sakarya Üniversitesi BAP projesi No: altında yapılmıştır. Yazarlar British Council ve Sakarya Üniversitesine teşekkür ederler. 1 Prof. Dr., Gazi Üniversitesi, sfirat@gazi.edu.tr 2 Prof. Dr., Anadolu Üniversitesi, gulgunyilmaz@anadolu.edu.tr 3 Yrd. Doç. Dr., Sakarya Üniversitesi, ivural@sakarya.edu.tr 4 Prof. Dr., Wolverhampton Üniversitesi, j.m.khatib@wlv.ac.uk 5 Dr., Anadolu Üniversitesi, suumu@anadolu.edu.tr

2 and California Bearing Ratio (CBR) tests were performed on the cured mixed samples. The study brought clarity to usability of the waste materials in civil engineering applications esspecially road subbase filling. Keywords: Steel slag, fly ash, unconfined compressive strength, California bearing ratio. Giriş Günümüzde atık malzemelerle bilimsel çalışma yapmanın en önemli hedefi atık malzemeyi değerlendirerek ekonomiye katkı sağlamaktır. Bu amaçla çok sayıda çalışma yapılmıştır. Mısra vd. (2005) te linyit kömürünün yakılması sonucu yaklaşık %23 kadar uçucu külün açığa çıktığını ispatlamışlardır. Türker vd. (2004) e göre ise Türkiye de 55 milyon ton linyit yakılarak enerji üretilirken 13 milyon ton uçucu kül açığa çıkmaktadır. Yol altyapısının inşası sırasında uçucu külün katkı olarak kullanılması sonucu zeminin taşıma kapasitesi, geçirimliliği, şişme kapasitesi gibi özellikleri iyileştirilmektedir. Fırat vd. (2012) de yaptıkları çalışmada uçucu kül, mermer atığı ve atık kum karışımlarının kullanıldığı yol dolgusunun alt tabakalarında taşıma kapasitesinin artış gösterdiğini tespit etmişlerdir. İlgili çalışmada %5, 10, 15 ve 20 oranlarındaki karışımlarda zemin numuneleri hazırlanmış ve çeşitli kür süreleri sonunda Kaliforniya Taşıma Oranı (CBR) deneyleri yapılmıştır. Deney sonuçları 28 gün kür süresi sonunda zeminlerin taşıma oranında artış olduğunu göstermiştir. Çoğu durumda atık malzemeler kullanılarak inşa yapılması ekonomik anlamda büyük katkı sağlamaktadır. Atık malzemeler bazı durumlarda birinin yerine diğeri ile yer değiştirme ya da ana malzemeye karışım yapılarak kullanılmaktadır. Fırat ve Cömert (2011) yaptıkları çalışmada kaolin-kireç ve kaolin-kireç-bentonit karışımı ile hazırlanmış numuneler esas alınarak uçucu kül ilavesi kullanmışlardır. Deneyler sırasında numuneler 28 gün kürleme işlemine tabi tutulmuşlardır. Bu numunelerin CBR sonuçlarında %160 a kadar yükselen bir artış görülmüştür. Bu çalışmada kaolinit türü bir zemin içerisine kireç yüzdesi (%5) sabit tutularak %15, 20, 25 oranlarında uçucu kül ve çelikhane cürufu ilave edilmiştir. Karışım numunelerinin optimum su muhtevaları belirlenerek, Serbest Basınç Taşıma Kapasitesi ve Kaliforniya Taşıma Oranı (CBR) deneyleri yapılmıştır. Farklı karışımlarda hazırlanan bu numuneler 1, 7, 28 ve 56 gün boyunca kürlenmiş ve bu kür süresine bağlı olarak deney sonuçları yorumlanmıştır. Malzemeler ve Yöntem Çelik üretimi sırasında atık malzeme olarak açığa çıkan çelikhane cürufu dünya ülkelerinde olduğu gibi ülkemizde de kısıtlı alanlarda kullanılmaktadır. Kalsiyum karbonat içerikli çelikhane cürufu Avrupa ülkelerinde beton ve asfalt üretiminde katkı malzemesi olarak kullanılmaktadır. Türkiye de Erdemir demir çelik üretim tesislerinde yılda 350 bin ton çelikhane cürufu açığa çıkmaktadır (Erdemir, 2005). Genel olarak çelikhane cürufu bir atık malzeme olarak Türkiye de halen kullanılmamaktadır. Bu çalışmada kullanılan malzemeler aşağıda verilmiştir. Zemin (Kaolinit) Bu çalışmada kullanılan kaolinit zemin dolgularında kullanılabilir ve özel bir şirketin kullandığı zemin türüdür. Zemine ait kimyasal özellikler Tablo 1 de verilmiştir. 2

3 Uçucu Kül Uçucu kül, Çayırhan termik santralinden alınmıştır. Uçucu kül, termik santraldeki kömürün yakılması ve bu sırada elektrostatik olarak külün bacada tutulması ile elde edilmektedir. Uçucu kül küçük çaplı, dairesel şekilli ve puzolanik bir malzemedir. Uçucu küle ait kimyasal özellikler Tablo 1 de verilmiştir. ASTM C618 e göre Çayırhan termik santralindeki uçucu kül C Tipi bir uçucu küldür ve iyi bir puzolanik etkiye sahiptir. Tablo 1: Çalışmada kullanılan malzemelerin kimyasal özellikleri Kimyasal Analiz (%) Malzemeler SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 TiO 2 CaO MgO Na 2 O K 2 O SO 3 LOI Kaolinit < < Uçucu Kül Çelikhane Cürufu Çelikhane cürufu çelik üretimi sırasında çelik içerisindeki empuritelerin oksidasyonu sonucu oluşan oksit ve silikatların oluşturduğu karmaşık bir kimyasal yapıya sahip, metalik olmayan yan ürünler olarak tanımlanmaktadır. Çelik cürufları koyu gri renkte, kübik şekilli, yüzeyi pürüzlüdür. Yüksek fırın cürufuna nazaran çok sert, sıkı ve yoğunlukları %20-25 daha büyüktür (Erdemir, 2005; Bilgen, 2011). Yüksek fırından alınan sıvı ham demirin içerisindeki kükürt, fosfor, silisyum vb. malzemeleri gidermek (çelikhane öncesi) amacıyla bazik oksijen fırınlarında oksijen üfleme yöntemi kullanılır. Böylece öncelikle demirin içerisindeki karbonun uzaklaşması sağlanır. Bu sıvı pikten, çelik üretimi sırasında çelikhane cürufu adı verilen atık malzeme açığa çıkmaktadır. Tablo 2 de çelikhane cürufuna ait kimyasal özellikler verilmektedir (Bilgen, 2011) Tablo 2: Çelikhane cürufunun kimyasal özellikleri (Bilgen, 2011) Element Fe SiO 2 MnO Al 2 O 3 CaO MgO P 2 O 5 S Na 2 O K 2 O TiO 2 % 20,49 13,30 2,70 5,02 46,57 5,25 0,02 0,32 0,14 0,17 0,47 Numunelerin Hazırlanması Tüm malzemeler 4 nolu (4.75 mm) elekten elenerek kullanılmıştır. Zemin ve atık malzemeler 110±5 C de etüvde kurutulmuştur. Daha sonra atık malzemeler ve zemin ağırlıkça farklı oranlarda karıştırılmıştır. Karışım numunelerin kodları ve karışım oranları Tablo 3 de verilmiştir. Karışım numunelerin optimum su muhtevaları ve maksimum kuru birim hacim ağırlık değerleri Standart Kompaksiyon deneyi ile hesaplanmıştır. Bu değerler Şekil 1 de verilmiştir. Standart Kompaksiyon deneyi sonuçlarına bakıldığında Z1 nolu katkısız referans numuneye göre diğer tüm katkılı numunelerde maksimum kuru birim hacim ağırlık değerlerinin yüksek bulunduğu gözlenmiştir. Özellikle %25 uçucu kül ve %15 çelikhane cürufu ve %5 kireçten oluşan Z4 numunesinin maksimum kuru birim hacim ağırlığı referans 3

4 numuneye göre %25 daha yüksek ölçülmüştür. Bu durum kullanılan zeminin tane çapı dağılımı ile çelikhane cürufu ve uçucu külün tane çapının iyi bir granülometri oluşturduğunu ve kompaksiyon sırasında da boşluk oranının azalarak, numuneye uygulanan enerjiden maksimum fayda sağlandığını göstermektedir. Tablo 3: Çalışmada kullanılan malzemelerin ağırlıkça karışım oranları Karışım Oranları Karışım Kodu Kaolinit Uçucu Kül Çelikhane Cürufu Kireç % % % % Z Z Z Z Z Z Z Kuru birim hacim ağırlık, γ d, kn/m Z1 Z2 10 Z3 Z4 9 Z5 Z6 Z Su muhtevası, (%) Şekil 1: Farklı karışım oranlarındaki numunelerin Standart Kompaksiyon deneyi sonuçları (ASTM ) Serbest Basınç Deneyi Sonuçlar ve Tartışma Çalışmada Standart Kompaksiyon deneyi ile hazırlanan tüm numuneler üzerinde ASTMD ya göre serbest basınç deneyi uygulanmıştır. Hazırlanan numuneler 7 ve 28 gün kürleme işlemine tabi tutulmuş ve taşıma kapasitesinin yüksek çıkması beklenen Z4, Z6 ve Z7 karışım numuneleri ise 56 güne kadar kürlenmiştir. Bütün numunelere ait serbest basınç taşıma kapasitesi (q u, kn/m 2 ) değerleri kür süresine bağlı olarak Şekil 2 de verilmiştir. Şekildeki değerlerden de görülebileceği gibi Z4, 4

5 Z6 ve Z7 numunelerindeki başlangıç q u değerine göre çok yüksek bir artış olmaktadır. Bu numunelerin içerisindeki çelikhane cürufu ve uçucu kül toplam oranı %40-45 kadardır. Bütün numunelerin serbest basınç taşıma kapasiteleri ile maksimum kuru birim hacim ağırlık değerleri ait veriler arasındaki regresyon analizi sonuçları Şekil 3 de verilmiştir. Şekil 3 de 1, 7 ve 28 gün süreyle kürlenmiş numunelerin regresyon analizi sonuçlarına göre tüm karışım numunelerinde 28 gün kürlemenin yakınsaklık değeri R 2 = elde edilmiştir ve bu sürenin kürleme açısından maksimum fayda sağladığı görülmüştür. Serbest Basınç, q u, kn/m Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 7. GÜN 28. GÜN 56. GÜN Kür Süresi, gün Şekil 2: Farklı karışım oranlarındaki numunelerin serbest basınç taşıma kapasitesi değerleri ve kür süresine bağlı değişim sonuçları 14 Maks. kuru birim hacim ağ., γ d, kn/m R² = R² = R² = (0.5934) 7 (0.8642) 28 (0.8802) Serbest Basınç, q u, kn/m 2 Şekil 3: Farklı karışım oranlarındaki numunelerin serbest basınç taşıma kapasitesi değerleri ile maksimum kuru birim hacim ağırlık değerlerinin kür süresine bağlı olarak elde edilen regresyon analizi sonuçları 5

6 CBR, % ÇELİKHANE CÜRUFU İLE YOL ALTYAPI DOLGUSUNUN ZEMİN ÖZELLİKLERİNİN İYİLEŞTİRİLMESİ Kaliforniya Taşıma Oranı (CBR) Standart Kompaksiyon deneyi ile hazırlanmış numuneler üzerinde ASTM D yönetmeliğine göre CBR deneyleri yapılmıştır. Bu numuneler CBR deneyine tabi tutulmadan 7, 28 ve 56 gün süreyle kürleme işlemi görmüşlerdir. Şekil 4 de kürlenmiş numunelerin %CBR değerleri verilmiştir. Özellikle Z4 ve Z6 numunelerinin serbest basınç deneyi sonuçları yüksek elde edildiği için bu numunelerde 56 gün kürleme işlemi gerçekleştirilmiştir. Bu numunelerin %CBR deneyi sonuçları %250 oranında yüksek elde edilmiştir Z1 Z2 Z3 Z4 Z5 Z6 Z7 28. GÜN 56. GÜN GÜN Kür Süresi, gün Şekil 4: Farklı karışım oranlarındaki numunelerin %CBR değerleri ve kür süresine bağlı değişim sonuçları Şekil 5 te farklı karışımlara sahip tüm numunelerin maksimum kuru birim hacim ağırlık değerlerine karşılık %CBR değerlerinin kür süresine bağlı olarak elde edilmiş regresyon analizi sonuçları verilmiştir. Analize göre 28 günlük kür süresine ait yakınsaklık değeri R 2 = elde edilmiştir. Böylece karışım numunelerinin maksimum %CBR değerlerine 28 günde ulaştığı sonucuna varılmıştır. Sonuçlar Çalışmada, kaolinit kili içerisine ağırlıkça %5, 15, 20 ve 25 oranlarında atık malzeme olarak uçucu kül, çelikhane cürufu karıştırılmış ve ayrıca tüm karışım numunelerine %5 oranında eşit olacak şekilde kireç eklenmiştir. Belirli bir granülometride hazırlanan karışım numunelerinin optimum su muhtevası değerleri belirlenerek Z1, Z2, Z3, Z4, Z5, Z6 ve Z7 numunelerinin maksimum kuru birim hacim ağırlık değerleri Standart Kompaksiyon deneyi ile laboratuvar şartlarında elde edilmiştir. Bu numuneler üzerinde 1, 7, 28 ve 56 gün süreyle kürleme işlemi yapılmış ve kür süresi bitiminde Serbest Basınç deneyi ile (q u, kn/m 2 ) taşıma kapasitesi değerleri belirlenmiştir. Aynı şekilde hazırlanan numuneler üzerinde Kaliforniya Taşıma Oranı (CBR) deneyi yapılmıştır ve değerler belirlenmiştir. 6

7 Çalışmadan elde edilen veriler doğrultusunda 28 gün kür süresinin maksimum taşıma kapasitesini verdiği sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca Z4 ve Z6 karışım oranlarına sahip numunelerin diğerlerine göre daha yüksek taşıma kapasitesi değerleri verdiği görülmüştür. Bu numunelerde çelikhane cürufu ve uçucu kül toplam oranı ağırlıkça %40 45 değerindedir. Dolayısıyla Z4 ve Z6 karışım numuneleri için Şekil 6 da verilen grafikte q u (kn/m 2 ) ve %CBR arasındaki ilişki gösterilmiştir. Grafikte ayrıca regresyon analizi sonuçları da verilmiştir. İlgili değerler için yakınsaklık oranları Z4 için R 2 = ve Z6 için R 2 = olarak belirlenmiştir. 14 Maks. kuru birim hacim ağ., γ d, kn/m R² = R² = R² = R² = CBR, % 1 (0.4389) 7 (0.8612) 28 (0.897) 56 (0.7356) Şekil 5: Farklı karışım oranlarındaki numunelerin %CBR değerleri ile maksimum kuru birim hacim ağırlık değerlerinin kür süresine bağlı olarak elde edilen regresyon analizi sonuçları 2250 Serbest Basınç, q u, kn/m R² = R² = Z4 (0.9968) CBR, % Z6 (0.9995) Şekil 6: Farklı karışım oranlarındaki Z4 ve Z6 numunelerinin %CBR ve q u değerleri arasındaki ilişki ve regresyon analizi sonuçları 7

8 Böylece farklı karışımlar için uygulanan iki ayrı deneyin yakınsak sonuçlar verdiği ispatlanmıştır. Z4 ve Z6 numunelerinin içeriğine bakıldığında ise uçucu külde bulunan %45,5 oranındaki silisyum ile çelikhane cürufu içerisindeki %13,3 oranındaki silisyum miktarının taşıma kapasitesini arttırdığı ayrıca çelikhane cürufu içerisindeki %46,57 oranındaki CaO in bağlayıcı görev yaptığı sonucuna varılmıştır. Çalışmanın verilerine dayanarak çelikhane cürufunun da yol alt tabakalarında rahatlıkla kullanılabileceği ve atık olarak ortaya çıkan bu malzemenin değerlendirilerek ekonomiye katkı sağlayabileceği ispatlanmıştır. Ayrıca çelikhane cürufunun farklı inşaat alanlarında da değerlendirilmesi için yeni çalışmaların yapılması önerilmektedir. Kaynakça ASTM D (2013). Standard test method for unconfined compressive strength of cohesive soil. DOI: /D2166_D2166M-13. ASTM D (2014). Standard test method for california bearing ratio (CBR) of laboratory-compacted soils. DOI: /D Bilgen, G. (2011). Öğütülmüş çelikhane cürufu, kireç ve deniz suyunun killerin iyileştirilmesinde kullanımı. Doktora Tezi, İnşaat Müh. Böl., KÜ, Kocaeli, Türkiye, 294s. Erdemir, AR-GE Raporu. (2005). Çelik üretim cüruflarının asfalt üretiminde kullanılması. Ereğli Demir Çelik Fabrikası. Fırat, S., Yılmaz, G., Cömert, A. T., and Sümer, M. (2012). Utilization of marble dust, fly ash and waste sand (silt-quartz) in road subbase filling materials. KSCE Journal of Civil Engineering, 16(7): Fırat, S. ve Cömert, A. T. (2011). Curing time effects on CBR of stabilized kaoline with fly ash, lime and cement. Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 26(4): Misra, A., Biswas, D., and Upadhyaya, S.(2004). Physico-mechanical behavior of selfcementing class C fly ash-clay mixtures. Fuel, 84(11): Türker, P., Erdoğan, D., Katnaş, F., and Yeğinobalı A. (2004). Physical description and classification of fly ashes in Turkey. Turkish Cement Manufacturers' Association (TCMA), R&D Institute, Ankara (Turkey). 8