Zayıf Zeminlerde YFC ve Çelik Lifli Beton Yolların İlk Yapım Maliyeti ve CO₂ Emisyonuna Etkisi

Abstract

Bu araştırmada, Yüksek Fırın Cürufu (YFC) ve çelik lif ile üretilen betonların, taşıma kapasitesi son derece zayıf olan plastik kil zeminler üzerinde beton yol kaplaması olarak kullanılabilirliği ile kaplama kalınlığı ve maliyet üzerindeki etkileri değerlendirilmiştir. Bu kapsamda, ağırlıkça %0, %0,75, %1,00, %1,25 ve %1,50 oranlarında çelik lif içeren ve çimento ikamesi olarak ağırlıkça %0, %15, %20, %25 ve %30 oranlarında YFC kullanılan 25 farklı beton serisi hazırlanmıştır. Numuneler, 7, 28 ve 90 günlük kür süreleri sonunda basınç, eğilme ve çekme dayanımı deneylerine tabi tutulmuş ve sonuçlar kontrol numunesi referans alınarak yorumlanmıştır. Değerlendirme neticesinde çelik lif ilaveli numunelerin AASHTO 1993 yardımıyla beton kaplama kalınlıkları hesaplanmış ve kontrol betonu ile karşılaştırılarak maliyet analizi yapılmıştır. Deneyler neticesinde, kontrol numunelerinde YFC katkısı ile basınç dayanımlarının arttığı, çelik lif katkılı numunelerde az da olsa basınç dayanımının azaldığı, eğilme ve çekme dayanımlarının çelik lif katkısı ile artış eğiliminde olduğu tespit edilmiştir. ASHTO 1993 tasarım yöntemi kullanılarak yapılan beton kaplama kalınlığı hesaplamalarında, taşıma kapasitesi oldukça düşük olan plastik kil zeminler üzerine inşa edilecek beton yol kaplamaları için, YFC katkılı-lifsiz numunelerin beton kaplama kalınlığını %1,58–3,38 oranında azalttığı, bunun sonucunda maliyetin %7,51–14,16 oranlarında azaldığı, çelik lif katkılı numuneler için beton kaplama kalınlığının %4,35–18,66 aralığında azaldığı, ancak çelik lif kullanımının toplam birim maliyet içindeki payını artırması nedeniyle maliyetlerde belirgin bir yükselme eğiliminin ortaya çıktığı belirlenmiştir. Benzer şekilde, ilk yapım esnasında hesaplanan CO₂ emisyonlarının da, lif kullanımı ve proje trafiğine bağlı olarak artış gösterdiği görülmüştür.

Keywords

• Yüksek fırın cürufu
• Rijit üstyapı
• Çelik lif
• AASHTO 1993 tasarım metodu
• Maliyet analizi

Effect of GGBFS and Steel Fiber–Reinforced Concrete Pavements on Initial Construction Cost and CO₂ Emissions over Weak Subgrades

Abstract

In this study, the applicability of concretes produced with Ground Granulated Blast Furnace Slag (GGBFS) and steel fibers as concrete pavement on highly weak plastic clay soils, and their effects on pavement thickness and cost, were evaluated. In this context, 25 different concrete mixtures were prepared with steel fiber contents of 0%, 0.75%, 1.00%, 1.25%, and 1.50% by weight and GGBFS replacing cement at 0%, 15%, 20%, 25%, and 30% by weight. The specimens underwent compressive, flexural, and tensile strength tests at 7, 28, and 90 days of curing, and the outcomes were evaluated with respect to the control specimen. Based on the evaluation, pavement thicknesses of the steel fiber-reinforced specimens were calculated using AASHTO 1993 and compared with the control concrete to perform a cost analysis. The experiments revealed that the compressive strengths of the control specimens increased with the addition of GGBFS, while compressive strength slightly decreased in specimens containing steel fibers; flexural and tensile strengths tended to increase with the addition of steel fibers. According to concrete pavement thickness calculations performed using the AASHTO 1993 design method, for concrete pavements to be constructed on very low–bearing-capacity plastic clay soils, the GGBFS-added, fiberless specimens reduced pavement thickness by 1.58%–3.38%, resulting in a cost reduction of 7.51%–14.16%. For mixtures containing steel fibers, the concrete pavement thickness decreased in the range of 4.35%–18.66%; however, an upward trend in total construction costs was observed due to the increase in the share of steel fibers within the overall unit cost. Similarly, the CO₂ emissions calculated during initial construction were also found to increase, depending on fiber use and projected traffic.

Keywords

• Blast furnace slag
• Rigid pavement
• Steel fibre
• AASHTO 1993 design method
• Cost analysis

References

1. AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. (1993). American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C
2. Andrew, R. M. (2018). Global CO₂ emissions from cement production. Earth System Science Data, 10(1), 195–217. https://doi.org/10.5194/essd-10-195-2018
3. Arslan, A. (1993). Çelik lifli betonların özellikleri ve kullanım potansiyeli. Türkiye Mühendislik Haberleri, 369, 29–33.
4. Bayrak, O. Ü. (2007). Rijit üstyapı tasarımına yeni bir yaklaşım (Doktora tezi). Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum.
5. Canadian Standards Association. (2014). Test method for detection of alkali-silica reactive aggregate by accelerated expansion of mortar bars (CAN/CSA-A23.2-25A-14).
6. Düzgün, O. A. (2001). Çelik lifler ile üretilen hafif betonların bazı özelliklerinin araştırılması (Yüksek lisans tezi). Atatürk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum.
7. Erdoğan, T. Y. (2003). Beton. ODTÜ Geliştirme Vakfı Yayıncılık ve İletişim A.Ş.
8. Fernandez, L., & Malhotra, V. M. (1990). Mechanical properties, abrasion resistance and chloride permeability of concrete incorporating granulated blast-furnace slag. Cement, Concrete and Aggregates, 12(2), 87–100.

9. Geçkil, T., Sarıcı, T., & Karabaş, B. (2021). Siyah karbon stabilizasyonlu zeminin rijit kaplama kalınlığı ve maliyetine etkileri. El-Cezeri Journal of Science and Engineering, 8(3), 1372–1384.
10. Geçkil, T., Sarıcı, T., & Karabaş, B. (2024). Metakaolin kullanılarak kum bir zemine yapılan zemin ıslahının rijit kaplama kalınlığına ve maliyetine etkilerinin araştırılması. Black Sea Journal of Engineering and Science, 7(5), 11–12.
11. Geçkil, T., Sarıcı, T., & Karabaş, B. (2025a). Öğütülmüş pomza taşı ile stabilize edilen kumlu zeminin esnek üstyapı tasarımına etkisinin araştırılması. International Journal of Pure and Applied Sciences, 11(1), 176-192.
12. Geçkil, T., Sarıcı, T., & Karabaş, B. (2025b). Cam tozu kullanılarak iyileştirilen zemininin üzerine tasarlanan esnek üst yapının tabaka kalınlığı ve maliyetinin araştırılması. Journal of Innovative Engineering and Natural Science, 5(1), 80-98.
13. Giustozzi, F., Flintsch, G. W., & Crispino, M. (2015). Environmental impact analysis of low carbon road-foundation layers. International Journal of Sustainable Transportation, 9, 73–79.
14. Gökçe, O. (2015). Tünellerde çelik hasır yerine çelik tel kullanımının mekanik açıdan araştırılması (Yüksek lisans tezi). Niğde Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Niğde.
15. Holschemacher, K., Mueller, T., & Ribakov, Y. (2010). Effect of steel fibres on mechanical properties of high-strength concrete. Materials & Design, 31(5), 2604–2615. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2009.11.025
16. Intergovernmental Panel on Climate Change. (2006). 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories (H. S. Eggleston, L. Buendia, K. Miwa, T. Ngara, & K. Tanabe, Eds.). IGES.
17. Intergovernmental Panel on Climate Change. (2019). 2019 refinement to the 2006 IPCC guidelines for national greenhouse gas inventories. https://www.ipcc.ch/report/2019-refinement-to-the-2006-ipcc-guidelines-for-national-greenhouse-gas-inventories (Erişim tarihi: 26 Kasım 2025)
18. Karabaş, B. (2025). Çeşitli katkı malzemeleri ile stabilize edilen yol taban zeminlerinin karayolu üstyapısına etkileri ve sürdürülebilirliği (Doktora tezi). İnönü Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Malatya.
19. Karayolları Genel Müdürlüğü. (2019). Karayolları beton yol üstyapıları projelendirme rehberi (KBYÜPR). Araştırma ve Geliştirme Dairesi Başkanlığı.
20. Karayolları Genel Müdürlüğü. (2025). Karayolları Genel Müdürlüğü birim fiyatları. https://www.kgm.gov.tr (Erişim tarihi: 14 Aralık 2025)
21. Mansouri, S., Shahraki, F., Sadeghi, J., Koohestanian, E., & Sardashti Birjandi, M. R. (2024). Experimental investigation of energy consumption and CO₂ emission in cement kiln in effect of replacement natural pozzolan by method of grinding clinker and pozzolan separately. Iranian Journal of Chemistry and Chemical Engineering, 43(1).
22. Morita, Y., Shimizu, K., Kato, H., Shibahara, H., & Yamasaki, T. (2011). A study for the measurement of environmental impact resulting from railway construction. In Proceedings of the Joint Rail Conference (JRC) (pp. 453–559). ASME, Pueblo, CO, USA.
23. O’Brien, K. R., Ménaché, J., & O’Moore, L. M. (2009). Impact of fly ash content and fly ash transportation distance on embodied greenhouse gas emissions and water consumption in concrete. International Journal of Life Cycle Assessment, 14, 621–629.
24. Öztürk, O., & Özyurt, N. (2022). Sustainability and cost-effectiveness of steel and polypropylene fiber reinforced concrete pavement mixtures. Journal of Cleaner Production, 17(1).
25. Safaei, M., Oni, A. O., Gemechu, E. D., & Kumar, A. (2019). Evaluation of energy and greenhouse gas emissions of bitumen-derived transportation fuels from toe-to-heel air injection extraction technology. Fuel, 256, 1159.https://doi.org/10.1016/j.fuel.2019.1159
26. Schiefer, C., & Plank, J. (2023). CO₂ emission of polycarboxylate superplasticizers (PCEs) used in concrete. Journal of Cleaner Production, 427, 138785.
27. Sekban, İ. (2007). Çelik lif katkısının tekrarlı yük etkisindeki geleneksel ve yüksek performanslı betonarme kolonların davranışlarına etkisinin incelenmesi (Yüksek lisans tezi). Karadeniz Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Trabzon.
28. Topçu, İ. B. (2006). Beton teknolojisi. Uğur Ofset A.Ş.
29. Tunç, A. (2001). Yol malzemeleri ve uygulamaları. Türkiye.
30. Türk Standartları Enstitüsü. (1998). Sanayide kullanılan sıvı kimyasal ürünler – −20 °C’de yoğunluk tayini (TS 781).
31. Türk Standartları Enstitüsü. (2000). Agregaların mekanik ve fiziksel özellikleri için deneyler – Bölüm 2: Parçalanma direncinin tayini için metotlar (TS EN 1097-2).
32. Türk Standartları Enstitüsü. (2002). Agregaların mekanik ve fiziksel özellikleri için deneyler – Bölüm 6: Tane yoğunluğu ve su emme oranının tayini (TS EN 1097-6).
33. Türk Standartları Enstitüsü. (2006). Lifler – Betonda kullanım için – Bölüm 1: Çelik lifler – Tarifler, özellikler ve uygunluk (TS EN 14889-1).
34. Türk Standartları Enstitüsü. (2009). Agregaların ısıl ve bozunma özellikleri için deneyler – Bölüm 4: Kuruma çekmesinin tayini (TS EN 1367-4).
35. Türk Standartları Enstitüsü. (2012a). Çimento – Bölüm 1: Genel çimentolar – Bileşim, özellikler ve uygunluk kriterleri (TS EN 197-1).
36. Türk Standartları Enstitüsü. (2012b). Agregaların geometrik özellikleri için deneyler – Bölüm 1: Tane büyüklüğü dağılımı tayini – Eleme metodu (TS EN 933-1).
37. Türk Standartları Enstitüsü. (2019). TCK beton yol kaplamaları teknik şartnamesi.
38. Türk Standartları Enstitüsü. (2021). Sertleşmiş beton deneyleri – Bölüm 13: Basınç altında sekant elastisite modülünün tayini (TS EN 12390-13).
39. Uğurlu, A. (1999). Çelik liflerle güçlendirilmiş beton (2. baskı, Yayın No: MLC 878). T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Devlet Su İşleri Genel Müdürlüğü.
40. Xu, C., & Cang, D. (2010). A brief overview of low CO₂ emission technologies for iron and steel making. Journal of Iron and Steel Research, International, 17(3), 1–7.
41. Yeşilyurt, M., & Kocadağıstan, B. (2023). Carbon footprint evaluation of a ready-mixed concrete plant. Nanoera, 3(1), 8–15.