Investigation of the using biochar-activated fly ash for soil stabilization

Abstract

Unsteady settlements and shear deformations occur particularly on high-plasticity soils, resulting from low bearing capacity. The most common method for treatment of such soils is stabilization with traditional binders like cement or lime. However, the production of these materials contributes significantly to carbon emissions, thereby increasing the carbon footprint. This study explores the potential use of a low-carbon, low-cost, and sustainable additive derived from recycled materials in the treatment of the subgrade that does not meet the criteria of the Highway Technical Specification (HTS). In this study, a new additive was obtained by mixing biochar derived from pyrolysis of tea factory waste with fly ash. Different additive ratios of 5%, 10%, 15%, water contents of 15%, 20%, 25%, and curing periods of 0, 14, 28 days were investigated using Response Surface Methodology (RSM) to determine their effects on stabilization. The samples were subjected to Unconfined Compressive Strength (UCS) tests. According to the results, stabilized samples showed an increase in UCS values ranging from 51% to 163% compared to natural soil samples. For the mathematical model, the optimal result was achieved with a curing period of 14.5 days, 11.5% additive ratios, and 23.6% water content. Additionally, Atterberg Limits test results indicated that the natural soil did not meet the HTS criteria, whereas the additive- stabilized samples met these limits.

Keywords

• Highways
• Soil Stabilization
• Recycle
• Response Surface Methodology
• Unconfined Compressive Strength
• Biochar

Biyokömür ile aktive edilmiş uçucu küllerin zemin stabilizasyonuna yönelik kullanılabilirliğinin incelenmesi

Abstract

Yüksek plastisiteli zeminlerde düşük taşıma gücüne bağlı meydana gelen düzensiz oturmalar ve kaymalar sonucu deformasyonlar oluşmaktadır. Bu tür zeminleri güçlendirmek için en sık kullanılan metot, zeminin çimento veya kireç gibi geleneksel bağlayıcılarla stabilizasyonudur. Ancak bu malzemelerin üretiminde yüksek oranda karbon salınımı ortaya çıkmakta, bu da karbon ayak izini artırmaktadır. Bu çalışmada, düşük karbon ayak izi, ucuz ve sürdürülebilir geri dönüşüm malzemelerinden elde edilen katkının, Karayolları Teknik Şartnamesi(KTŞ) kriterlerine uymayan nitelikteki taban zeminlerinin güçlendirilmesindeki kullanım potansiyelleri araştırılmıştır. Bu amaçla, çay fabrikası atıklarının piroliziyle elde edilen biyokömürün uçucu kül ile karıştırılmasıyla yeni katkı malzemesi elde edilmiştir. Farklı katkı oranları %5, %10, %15 su içerikleri %15, %20, %25 ve kür sürelerinin 0,14,28 gün stabilizasyon üzerindeki etkisini belirlemek için Yüzey Tepki Yöntemi(YTY) kullanılmıştır. Numuneler serbest basınç mukavemeti(UCS) deneyine tabi tutulmuştur. Sonuçlara göre stabilize edilmiş numunelerin, saf zemin numunelere göre UCS değerinde %51-163 arasında artış sağladığı, matematiksel modele göre en iyi sonucun 14,5 gün kür süresi %11,5 katkı %23,6 su içeriğindeki karışımla sağlanabileceği belirlenmiştir. Ayrıca Atterberg Limitleri deney sonuçlarında saf zeminin KTŞ değerlerini sağlamadığı ancak katkılı numunelerin bu limitleri de sağladığı görülmüştür.

Keywords

• Karayolları
• Zemin stabilizasyonu
• Geri dönüşüm
• Yüzey Tepki Yöntemi
• Serbest Basınç Mukavemeti
• Biyokömür

References

1. Beaver Slide Area, Alaska. The University of Alaska, Fairbanks. https://scholarworks.alaska.edu/handle/11122/7552 Erişim 7 Ekim 2023
2. Seferoğlu, A. G., Seferoğlu, M. T., & Akpinar, M. V. (2018). Experimental study on cement-treated and untreated RAP blended bases: Cyclic plate loading test. Construction and building materials, 182, 580-587.
3. Fenerci K, Ceyhan Erdoğan M, Abut Y (2023) The economic potentials of reclaimed asphalt pavements (RAP) in urban road infrastructure a case study of Yalova city. J Innov Eng Nat Sci 2-2:205–218. https://doi.org/10.29228/jiens.70524.
4. Habert G, d’Espinose de Lacaillerie J B, Roussel N (2011), An environmental evaluation of geopolymer based concrete production: reviewing current research trends. J Clean Prod 19-11:1229–1238. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2011.03.012.
5. European Commission (EC) (2018) Competitiveness of the European cement and lime sectors. https://www.wifo.ac.at/jart/prj3/wifo/resources/person_dokument/person_dokument.jart?publikationsid=61003&mime_type=application/pdf Erişim 7 Ekim 2023
6. Keskin İ, Şentürk İ, Yumrutaş H İ, Totiç E, Ateş A (2023) An environmentally friendly approach to soil improvement with by-product of the manufacture of iron. BioResources 18-1:2045–2063. https://doi.org/10.15376/biores.18.1.2045-2063.
7. Öztürk O, A. Öner A (2024) Parke taşı üretiminde kükürt polimer beton kullanımının araştırılması. J Innov Eng Nat Sci 4-1:67-77. https://doi.org/10.61112/jiens.1349836.
8. Eskisar T, Aksu G (2020) Zeminlerde tek fazlı geopolimerizasyon uygulaması ve geopolimerizasyonun serbest basınç mukavemeti üzerindeki etkisi. Konya J Eng Sci 8-3:466–478. https://doi.org/10.36306/konjes.611595.

9. Abdullah M S, Ahmad F, Mustafa Al Bakri A M (2015) Geopolymer application in soil: a short review. Appl Mech Mater 754–755:378–381. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMM.754-755.378.
10. Davidovits J (2015) Geopolymer Chemistry and Applications, 4th Edition. Saint-Quentin, France.
11. Çınar M, Erbaşı B (2022) Geoteknik uygulamalarda geopolimerlerin kullanılabilirliğinin incelenmesi, literatür çalışması. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi Mühendislik Bilim Derg 25-4:774–789. https://doi.org/10.17780/ksujes.1110640.
12. Canbaz M, Topçu İ B (2008) 69 Alkali Aktive Edilmiş Yüksek Fırın Cüruflu Harçlarda Asit Etkisi. J Sci Technol Dumlupınar Univ 016:69–80.
13. Işık F, Akbulut R K (2018) Geri Dönüştürülmüş Karbon Karasının Killi Zeminlerin Kıvam Limitlerine Etkisi. Iğdır Üniversitesi Fen Bilim Enstitüsü Derg 8-2:123–130. https://doi.org/10.21597/jist.428335.
14. Saygı Yalçın B (2017) Türk linyit kömürlerinin organik katkı maddesi kullanılarak briketlenmesi. Tez, Yıldız Teknik Üniversitesi, İstanbul.
15. Wang L ve diğ (2020) Biochar as green additives in cement-based composites with carbon dioxide curing. J Clean Prod 258:120678. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.120678.
16. Hacımustafaoğlu T, Kütük T, Bekem Kara İ (2023) Çay fabrikalarında açığa çıkan kömür küllerinin beton yollarda ince agrega olarak değerlendirilmesi. Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilim Derg 4-2:196–207. https://doi.org/10.53501/rteufemud.1377449.
17. Gonzalez J, Sargent P, Ennis C (2021) Sewage treatment sludge biochar activated blast furnace slag as a low carbon binder for soft soil stabilisation. J Clean Prod 311:127553. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.127553.
18. Geçkil T, Sarıcı T, Karabaş B (2021) Siyah karbon ile stabilize edilen taban zeminin yol esnek üst yapı maliyetine etkisi. Eur J Sci Technol 23:222-235. https://doi.org/10.31590/ejosat.862682.
19. Basha E A, Hashim R, Mahmud H B, Muntohar A S (2005) Stabilization of residual soil with rice husk ash and cement. Constr Build Mater 19-6:448–453. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2004.08.001.
20. Uzamer Zemin Yapı Ltd Şti (2021) Yalova İli Samanlı Köyü 3088 ada 2 parsel jeolojik etüt raporu, Yalova.
21. Yilmaz F, Kuvat A, Kamiloğlu H A (2023) Optimizing and investigating durability performance of sandy soils stabilized with alkali activated waste tuff-fly ash mixtures. Sādhanā 48-3:185. https://doi.org/10.1007/s12046-023-02250-9.
22. Hussan Z A, Al-Janabi A T (2018) Studying some mechanical properties of soft soils treated by CaCo3-Nano Material. Int J Civ Eng Technol 9-11:870–877.
23. Karayolları Genel Müdürlüğü (2013) Karayolları Teknik Şartnamesi, Karayolları Yayınları Ankara, Türkiye.