An Experimental Investigation on the Fill Properties of Industrial By-Products Generated in Turkey

Abstract

Steel slag and fly ash are particulate industrial by-products generated in steel plants and power plants, respectively. In this study, the properties of steel slag, fly ash and a steel slag-fly ash mixture that contain 20% fly ash (by weight) were investigated for their possible use as fill material. Fly ash and steel slag were characterized through specific gravity, sieve, hydrometer and Atterberg limits experiments. Compaction behavior of the industrial by-products and their mixture were evaluated through standard Proctor compaction, and their hydraulic conductivity were determined through falling-head permeability experiments. The shear strength parameters of the industrial by-products and their mixtures, prepared at 100% Proctor compaction, were evaluated based on direct shear experiments. pH and electrical resistivity measurements were taken, and leachate analysis were performed on fly ash and steel slag samples to determine the possible environmental risks that can arise from their use. The maximum dry unit weight values recorded for the 80% steel slag - 20% fly ash mixture was higher, on the other hand, the optimum moisture content of the mixture was lower compared to that of steel slag sample. Based on direct shear experiments, the end-of-test friction angles are 40.1o and 28.9o for steel slag and fly ash, respectively. The end-of-test friction angle for the 80% steel slag-20% fly ash mixture is 37.8o. The peak shear strength of the mixture is close to that of steel slag and comparable to the higher end of the range obtained for natural sands that are used as fill material. The pH and electrical resistivity measurements indicate that these by-products may possess corrosive nature. The results of the leachate analysis point toward the need for further analysis of the mixture for the environmental effects.

Keywords

• BOF steel slag
• fly ash
• compaction
• permeability
• shear strength
• environmental risks

Türkiye’de Çıkan Endüstriyel Yan Ürünlerin Dolgu Özellikleri Üzerine Deneysel Bir İnceleme

Abstract

Çelik cürufu ve uçucu kül sırasıyla çelik üretim tesislerinde ve termik santrallerde katı partiküller halinde ortaya çıkan endüstriyel yan ürünlerdir. Bu çalışmada dolgu uygulamalarında kullanılabilmeleri için, uçucu kül ve ağırlıkça %20 uçucu kül içeren çelik cürufu-uçucu kül karışımının özellikleri incelenmiştir. Uçucu kül ve çelik cürufu, özgül ağırlık, elek, hidrometre ve Atterberg limitleri deneyleriyle karakterize edilmiştir. Kompaksiyon davranışı standart Proktor deneyleriyle belirlenen yan ürünlerin ve karışımın hidrolik iletkenlik katsayıları düşen seviyeli permeabilite deneyleriyle belirlenmiştir. Yan ürünlerin ve karışımın kayma dayanımı parametreleri %100 Standart Proktor sıkılığında hazırlanan numuneler üzerinde yapılan kesme kutusu deneylerinin sonuçlarına göre değerlendirilmiştir. pH ve elektrik iletkenliği ölçümleri ve sızıntı suyu analizleri yapılarak malzemelerin kullanımıyla oluşabilecek çevresel risklerin belirlenmesi hedeflenmiştir. Kompaksiyon deneylerinde %80 çelik cürufu-%20 uçucu kül karışımı için elde edilen kuru birim hacim ağırlığı çelik cürufuna göre daha yüksek, karışma ait optimum su muhtevası çelik cürufuna göre daha düşüktür. Kesme kutusu deney sonuçlarına göre, deney-sonu sürtünme açısı, çelik cürufu ve uçucu kül için sırasıyla 40.1o ve 28.9o’dir. %80 çelik cürufu-%20 uçucu kül karışımının deney-sonu sürtünme açısı ise 37.8o’dir. Karışımın pik kayma dayanımı çelik cürufu için elde edilene yakın ve dolgu için kullanılan doğal kum malzemeleri için elde edilen değerlerin üst sınırı ile karşılaştırılabilir. pH ve elektrik iletkenliği ölçümleri, kullanılan yan ürünlerin korozif özellikler gösterebileceğine işaret etmektedir. Çelik cürufu ve uçucu kül numuneleri için yapılan sızma suyu analiz sonuçları çevre etkilerinin üretilen karışım için araştırılması gerektiğine işaret etmektedir.

Keywords

• BOF çelik cürufu
• uçucu kül
• kompaksiyon
• permeabilite
• kayma dayanımı
• çevresel riskler

References

1. Association of State and Territorial Solid Waste Management Officials (ASTSWMO). 2006 Beneficial Use Survey. Survey Report, ASTSWMO -Beneficial Use Task Force, Washington, D.C., 2007.
2. Segerstorm, W., Dove, J., Recycled materials in geo-construction: A Review of Potential Benefits and Hazards. Scientific Report, CPGR No 61, Virginia Tech Center for Geotechnical Practice and Research, Virginia Polytechnic Institute and State University, VA, 2010.
3. Environmental Protection Agency (EPA). Methodology for Evaluating Beneficial Uses of Non-Hazardous Industrial Secondary Materials. Technical Report, No. 530-R-16-011, Office of Resource Conservation and Recovery-Office of Land and Emergency Management, Washington, D.C., 2016.
4. Ahmedzade, P., Sengoz, B., Evaluation of steel slag coarse aggregate in hot mix asphalt concrete. J. Hazard. Mater., 165,1-3, 300-305, 2009.
5. Shen, D., Wu, C., Du, J., Laboratory investigation of basic oxygen furnace slag for substitution of aggregate in porous asphalt mixture. Constr Build Mater, 23,1, 453-461, 2009.
6. Wu, S., Xue, Y., Ye, Q., Chen, Y., Utilization of steel slag aggregates for stone mastic asphalt (SMA) mixtures. Build Environ, 42, 7, 2580-2585, 2009.
7. Ameri, M., Hesami, S., Goli, H., Laboratory evaluation of warm mix asphalt mixtures containing electric arc furnace (EAF) steel slag. Constr Build Mater, 49, 611-617, 2013.
8. Montgomery, D.G., Wang, G., Instant-chilled steel slag aggregate in concrete-strength related properties. Cem Concr Res, 21, 6, 1083–1091, 1991.

9. Maslehuddin, M, Sharif, M.A., Shameem, M., Ibrahim, M., Barry, M.S., Comparison of properties of steel slag and crushed limestone aggregates. Constr Build Mater, 17, 2,105-112, 2003.
10. Manso, J.M., Polanco, J.A., Losanez, M., Gonzales, J.J., Durability of concrete made with EAF slag as aggregate. Cem Concr Compos, 28,6, 528-534, 2006.
11. Abu-Eishah, S.I., El. Dieb, A.S., Bedir, M.S., Performance of concrete mixtures made with electric arc furnace (EAF) steel slag aggregate produced in the Arabian Gulf region”. Constr Build Mater, 34, 249-256, 2012.
12. Rondi, L., Bregoli, G., Sorlini, S., Cominoli, L., Collivignarelli, C., Plizzari, G., Concrete with EAF steel slag aggregate: A comprehensive technical and environmental characterization. Compos B Eng, 90, 195-202, 2016.
13. Conjeaud, M., George, C. M., Sorrentino, F. P., A new steel slag for cement manufacture: mineralogy and hydraulicity. Cem Concr Res, 11, 1, 85–102, 1981.
14. Tufekci, M., Demirbas, A., Genc, H., Evaluation of steel furnace slags as cement additives. Cem Concr Res, 27, 11, 1713-1717, 1997.
15. Altun, I.A., Yilmaz, I., Study on steel furnace slags with MgO additive in Portland cement. Cem Concr Res, 32, 8,1247-1249, 2002.
16. Reddy, A.S., Pradhan, R.K., and Chandra, S., Utilization of basic oxygen furnace (BOF) slag in the production of a hydraulic cement binder. Int J Miner Process, 79, 2, 98-105, 2006.
17. Serjun, V.Z., Mladenovic, A., Mirtic, B., Meden, A., Scancar, J., Milacic, R., Recycling of ladle slag in cement composites: Environmental impacts. Waste Manag, 43, 376-385, 2015.
18. Vilaplana, A. S., Ferreira, V.J., Lopez-Sabrion, A.M., Aranda-Uson, A., Lausin-Gonzalez, C., Berganza-Conde, C., Ferreira, G., Utilization of Ladle Furnace slag from a steelwork for laboratory scale production Portland Cement. Constr Build Mater, 94, 837-843, 2015.
19. Tsakiridis., P.E., Papadimitriou, G.D., Tsivilis, S., Koroneos, C., Utilization of steel slag for Portland cement clinker production. J. Hazard. Mater., 152, 2, 805-811, 2008.
20. Iacobescu, R.I., Koumpouri, D.,Pontikes, Y., Saban, R., Angelopoulos, G.N., Volarisation of electric arc furnace steel slag as a raw material for low energy belite cements”. J. Hazard. Mater., 196, 287-294, 2011.
21. Iacobescu, R.I., Angelopoulos, G.N., Jones, P.T., Blanpain, B., Pontikes, Y., Ladle metallurgy stainless steel slag as raw material in ordinary Portland Cement production: a possibility for industrial symbiosis. J Clean Prod, 112, 872-881, 2016.
22. Poh, H.Y., Ghataora, S.G., Ghazireh, N., Soil stabilization using basic oxygen steel slag fines. J Mater Civil Eng, ASCE, 18, 2, 229-240, 2006.
23. Ortega-Lopez, V., Manso, J.M., Cuesta, I.I., Gonzalez, J.J., The long-term accelerated expansion of various ladle-furnace basic slags and their soil-stabilization applications. Constr Build Mater, 68, 455-464, 2014.
24. Yildirim, I.Z., Prezzi, M., Subgrade stabilisation mixtures with EAF steel slag: an experimental study followed by field implementation. Int J Pavement Eng, available online, DOI:10.1080/10298436.2020.1823389, 2020.
25. Ghionna, V., Pedroni, S., Tenani, P., Veggi, S., Geotechnical investigation on steel slags mixtures for landfills embankments construction. Proceedings of the Second International Conference on Environmental Geotechnics, V2, 709-714, Osaka, Japan, November 5-8, 1996.
26. Montenegro, J.M., Celemín-Matachana, M., Canizal, J., Setien, J., Ladle furnace slag in construction of embankments: expansive behavior. J Mater Civil Eng, ASCE, 25, 8, 972-979, 2013.
27. Yildirim, I.Z., Prezzi, M., Experimental Evaluation of EAF Ladle Steel Slag as a Geo-Fill Material: Mineralogical, Physical & Mechanical Properties. Constr Build Mater, 154C, 23-33, 2017.
28. Juckes, L.M., The volume stability of modern steelmaking slags. Miner Process Extr M, 112, 3, 177-197, 2003.
29. Yildirim, I.Z., Prezzi, M., Steel Slag: Chemistry, Mineralogy, and Morphology. Proceedings of the International Foundations Congress & Equipment Exposition (IFCEE), Geotechnical Special Publication No. 256, 2816-282, San Antonio, Texas, March 17-21, 2015.
30. Yildirim, I.Z., Prezzi, M., Geotechnical Properties of Fresh and Aged Basic Oxygen Furnace Steel Slag. J Mater Civil Eng, ASCE, 27,12, 104015046, 1-9, 2015.
31. Yayan, V. Current Situation in Turkish Steel Industry and Outlook. Turkish Steel Producers Associations’ Presentation in 86th OECD Steel Committee Meeting 25-26 March 2019, Paris, 2019. http://www.oecd.org (Erişim tarihi: 28.07.2020)
32. World Steel Association (WSA), 2020 World Steel in Figures. WSA Annual Report, Belgium, 2020. www.worldsteel.org (Erişim tarihi: 28.07.2020)
33. Türkiye Çelik Üreticileri Derneği (TÇÜD). Demir Çelik Cüruf Raporu, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Ankara, 2015.
34. Türkiye Çelik Üreticileri Derneği (TÇÜD), Basın Bülteni. TÇÜD, Ankara, 2020. http://celik.org.tr/en/turkiye-celik-ureticileri-dernegi-basin-bulteni-30/ (Erişim tarihi: 28.07.2020)
35. Türkiye Çelik Üreticileri Derneği (TÇÜD), Türkiye Çelik Haritası. TÇÜD, Ankara, 2020. http://celik.org.tr/en/harita/ (Erişim tarihi: 28.07.2020)
36. Öcal, Y. Demir Çelik Sektöründe Atık Yönetimi. Uzmanlık Tezi, Yayın No: 2911, İktisadi Sektörler ve Koordinasyon Genel Müdürlüğü, T.C. Kalkınma Bakanlığı, 2014.
37. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı.(ETKB), Bilgi Merkezi-Enerji, Elektrik, ETKB, 2020. http://www.oecd.org (Erişim tarihi: 28.07.2020)
38. American Society of Testing Materials (ASTM), Standard Specification for Coal Fly Ash and Raw or Calcined Natural Pozzolan for Use in Concrete. ASTM C 618, West Conshohocken, PA, USA, 2019.
39. Türker, P., Erdoğan, B., Katnaş, F., Yeğinobalı, A. Türkiye’deki uçucu küllerin sınıflandırılması ve özellikleri. TÇMB/ ARGE/Y03.03, Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği (TÇMB), Ankara, Türkiye, 2009.
40. Atabey, İ.İ. F Sınıfı Uçucu Küllü Geopolimer Harcının Durabilite Özelliklerinin Araştırılması, Doktora Tezi, Erciyes Üniversitesi, 2017.
41. Türkiye İstatistik Kurumu (TÜİK). Haber Bülteni. Termik Santral Su ve Atık İstatistikleri, Sayı:24873, 18 Aralık 2017. http://www.tuik.gov.tr (Erişim tarihi: 28.07.2020)
42. Uyanık, S., Topeli, M., The opportunities and challanges of fly ash in Turkey. İskenderun Enerji Üretim ve Ticaret A.Ş. (ISKEN), 2014. http://www.ashtrans.eu/ (Erişim tarihi: 09.08.2020)
43. Koh, T., Moon, S.-W., Jung, H., Jeong, Y., Pyo, S. A Feasibility Study on the Application of Basic Oxygen Furnace (BOF) Steel Slag for Railway Ballast Material. Sustainability, 10, 284, 2018.
44. Pathak, K.,Choudhary,R., Kumar, A., Damena, T.D. Feasibility assessment of the use of basic oxygen furnace slag in open graded asphalt courses. Int. J. Pavement Res. Technol, 12, 664-673, 2019.
45. Dayıoğlu, A.Y., Geotechnical and environmental impacts of steel slag in embankments, Doktora tezi, University of Maryland, College Park, 2016.
46. Dayioglu, A. Y., Aydilek, A. H., Cimen, O., & Cimen, M. Trace Metal Leaching from Steel Slag Used in Structural Fills. J Geotech Geoenviron, ASCE, 144, 12, 04018089, 2018.
47. Shen,W., Zhou, M., Ma, W., Hu, J., Cai, Z. Investigation on the application of steel slag–fly ash–phosphogypsum solidified material as road base material. Journal of Hazardous Materials, 164, 1, 99-104, 2009.
48. Pasetto, M., Baldo, N. Re-use of industrial wastes in cement bound mixtures for road construction. Environ Eng Manag J, Environmental Engineering and Management Journal, 17, 2, 417-426, 2018.
49. Falayi, T. A comparison between fly ash- and basic oxygen furnace slag-modified gold mine tailings geopolymers. Int J Energy Environ Eng 11, 207–217, 2020.
50. Yildirim, I. Z., Prezzi, M., Vasudevan, M., Santoso, H. Use of soil-steel slag-class-C fly ash mixtures in subgrade applications. Publication FHWA/IN/JTRP-2013/06. Joint Transportation Research Program, Indiana Department of Transportation and Purdue University, West Lafayette, Indiana, 2013 (doi: 10.5703/1288284315188).
51. Yildirim, I.Z. Türkiye’de Geo-malzemeler ve Sürdürülebilirlik: Çelik Cürufunun Hacim Değiştirme (Şişme) Davranışının Çeşitli Deneysel Metotlarla Belirlenmesi. Tübitak 2232 Proje No: 117C018, Sonuç Raporu,1-54, 2019.
52. American Society of Testing Materials (ASTM), Standard test method for CBR (California Bearing Ratio) of laboratory compacted soils. ASTM D 1883-07, West Conshohocken, PA, 2018.
53. American Society of Testing Materials (ASTM), Standard practice for reducing samples of aggregate to testing size. ASTM C 702/702M-18, West Conshohocken, PA, 2018.
54. American Society of Testing Materials (ASTM), Standard test method for particle-size analysis of soils. ASTM D422-63, West Conshohocken, PA, 2007.
55. American Society of Testing Materials (ASTM), Standard test methods for specific gravity of soil solids by water pycnometer. ASTM D854-10, West Conshohocken, PA, 2010.
56. American Society of Testing Materials (ASTM), Standard test method for laboratory compaction characteristics of soil using standard effort [12,400 ft-lbf/ft3 (600 kN-m/m3)]. ASTM D698-00a, West Conshohocken, PA, 2010.
57. American Society of Testing Materials (ASTM), Standard test method for measurement of hydraulic conductivity of porous material using a rigid-wall, compaction-mold permeameter. ASTM D5856-15, West Conshohocken, PA, 2015.
58. American Society of Testing Materials (ASTM), Standard test method for direct shear test of soils under consolidated drained conditions. ASTM D3080/D3080-11, West Conshohocken, PA, 2011.
59. American Society of Testing Materials (ASTM), Standard test method for soil resistivity using the two-electrode soil box method. ASTM G187-18, West Conshohocken, PA, 2011.
60. American Society of Testing Materials (ASTM), Standard test method for measuring pH of soil for use in corrosion testing. ASTM G51-95, West Conshohocken, PA, 2012.
61. TS EN 12457-4. Atıkların nitelendirilmesi - Katıdan özütleme analizi- Granül katı atıkların ve çamurların katı özütlemesi için uygunluk deneyi - Bölüm 4 : Sıvı katı oranı 10 l/kg olan ve parçacık boyutu 10 mm’den küçük (ölçüsü azaltılmış veya azaltılmamış) malzemeler için tek aşamalı parti deneyi. Türk Standartları Enstitüsü, Bakanlıklar-ANKARA, 2004.
62. EPA SW846 Method 6020B. Inductively Coupled Plasma - Mass Spectrometry. Revision 2, U.S. Environmental Protection Agency, July 2014.
63. TS EN ISO 17852. Su kalitesi - Civa tayini - Atomik floresans spektrometresi kullanan yöntem. Türk Standartları Enstitüsü, Bakanlıklar-ANKARA, 2009.
64. TS 9546 EN 12880. Çamurların karakterizasyonu- Kuru kalıntı ve su muhtevası tayini. Türk Standartları Enstitüsü, Bakanlıklar-ANKARA, 2002.
65. Bachus, R.C., Terzario, M., Pasten, C., Chong, S. H., Dai, S., Cha, M.S., Kim, S.J., Jang, Papadopoulos, E., Roshankhah, S., Lei, L., Garcia, A., Park, J., Sivaram, A., Santamarina, F., Ren, X., and Santamarina, J. C., Characterization and engineering properties of dry and ponded Class-F fly ash. J. Geotech. Geoenviron. Eng., ASCE, 145, 3, 04019003, 1-11, 2019.
66. Roberge, P. R. Corrosion Inspection and Monitoring. Wiley Series in Corrosion, R.Winston Revie, Royal Military College of Canada Ontario, Canada, Wiley-Interscience, A John Wiley & Sons, Inc., 2007.
67. RG:26.03.2010-27533. Atıkların Düzenli Depolanmasına Dair Yönetmelik, Çevre Bakanlığı, 2010.
68. Oğuz, T.C. İçme suyu arıtımında yaygın olarak karşılaşıan su kalite problemleri ve arıtımı için çözüm önerileri. Uzmanlık Tezi, TC Orman ve Su İşleri Bakanlığı, 2015.