Effects of a Clayey Soil Stabilized with Blast Furnace Slag on Rigid Pavement Thickness and Cost

Öz

The use and disposal of coal-sourced blast furnace slag (BFS), which causes significant environmental problems today, as a pozzolan material in the construction industry, especially in urban roads, airport runways, parking lots, terminals and concrete production, has recently become important. In this study, the effects of a clay-bearing soil stabilized with waste BFS on rigid road pavement covering thickness and cost were investigated. For this purpose, stabilized mixture samples were prepared by adding 0, 5, 10, 15 and 20% waste BFS to the clay soil. Pure and stabilized samples were subjected to standard proctor, unconfined compression and california bearing ratio (CBR) tests to determine their physical and mechanical properties. As a result of the experiments, the BFS ratio (20% BFS) of the stabilized mixture sample with the highest strength was determined. Taking into account his ratio, the thickness and costs of the rigid pavement layer to be constructed on pure and BFS-added clay soil were calculated with the AASHTO 1993 method. In the study, the economical evaluation of concrete road pavements was made by comparing the pavement thickness and cost for the pure and the clay soils with 20% BFS. In the study, different equivalent single axle load repetition numbers (project traffic, W8,2), 75x106, 100x106, 125x106 and 150x106, rigid pavement thicknesses for pure clay soil 31.90 cm, 33.35 cm, 34.54 cm and 35.53 respectively cm; for clayey soils with 20% BFS added, it was determined as 28.83 cm, 30.38 cm, 31.55 cm and 32.56 cm respectively. According to these thicknesses obtained for the accepted traffic values, compared to the pure clay soil of the rigid pavement cost for 20% BFS additive clay soil of a 1000 m long and 20 m wide road. 9,63%, 8,91%, 8,68% and 8,36%, respectively, have been found to be more economical.

Anahtar Kelimeler

• Clay soil
• blast furnace slag (BFS)
• soil stabilization
• rigid pavement
• AASHTO method.

Yüksek Fırın Cürufu ile Stabilize Edilmiş Killi Bir Zeminin Rijit Kaplama Kalınlığı ve Maliyetine Etkileri

Öz

Günümüzde önemli çevre sorunlarına neden olan kömür kaynaklı atık yüksek fırın cürufunun (YFC) inşaat sektöründe, özellikle şehir içi yollarda, havaalanı pistlerinde, otopark sahalarında, terminallerde ve beton üretiminde puzolan malzeme olarak kullanılması ve bertaraf edilmesi konusu son zamanlarda önemli bir hale gelmiştir. Bu çalışmada, atık YFC ile stabilize edilmiş taşıma gücü zayıf killi bir zeminin rijit yol üstyapı kaplama kalınlığı ve maliyetine etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla kil zemine ağırlıkça %0, 5, 10, 15 ve 20 oranlarında atık YFC ilave edilerek stabilize karışım numuneleri hazırlanmıştır. Saf ve stabilize numuneler standart proktor, serbest basınç ve kaliforniya taşıma oranı (CBR) deneylerine tabi tutularak fiziksel ve mekanik özellikleri belirlenmiştir. Deneyler neticesinde, en yüksek dayanımın elde edildiği stabilize karışım numunesinin YFC oranı (%20 YFC) tespit edilmiştir. Bu oran dikkate alınarak, AASHTO 1993 yöntemi ile saf ve YFC katkılı kil zemin üzerine inşa edilecek rijit üstyapı tabaka kalınlıkları ve maliyetlerinin hesabı yapılmıştır. Çalışmada, saf ve %20 YFC katkılı killi zeminler için kaplama kalınlıkları ve maliyetleri karşılaştırılarak, beton yol kaplamalarının ekonomik değerlendirmesi yapılmıştır. Bu amaçla çalışmada, farklı eşdeğer tek dingil yük tekerrür sayıları (proje trafiği, W8,2), 75x106, 100x106, 125x106 ve 150x106 alınarak saf kil zemin için rijit üstyapı kalınlıkları sırasıyla 31,90 cm, 33,35 cm, 34,54 cm ve 35,53 cm; %20 YFC katkılı killi zemin için ise sırasıyla 28,83 cm, 30,38 cm, 31,55 cm ve 32,56 cm olarak belirlenmiştir. Kabul edilen trafik değerleri için elde edilen bu kalınlıklara göre 1000 m uzunluğunda ve 20 m genişliğindeki bir yolun %20 YFC katkılı killi zemin için rijit üstyapı maliyetinin saf killi zemine kıyasla sırasıyla %9,63, %8,91, %8,68 ve %8,36 daha ekonomik olduğu tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Kil zemin
• yüksek fırın cürufu (YFC)
• zemin stabilizasyonu
• rijit üstyapı
• AASHTO metodu

Kaynakça

1. ACI, 2005. Ground granulated blast-furnace slag as a cementitious constituent in concrete reported by acı committe 233, American Concrete Institude, Detroit, Michigan.
2. American Association of State Highway and Transportation Officials, 1993. AASHTO Guide for Design of Pavement Structures. Washington, D.C.
3. Aruntaş H.Y, 2006. Uçucu küllerin inşaat sektöründe kullanım potansiyeli, Gazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 21(1), 193-203.
4. Arulrajah A., Mohammadinia A., Horpibulsuk S., Samingthong W, 2016. Influence of class f fly ash and curing temperature on strength development of fly ash-recycled concrete aggregate blends, Construction and Building Materials, 127, 743-750.
5. Bayrak O.Ü, 2007. Rijit üstyapı tasarımına yeni bir yaklaşım, Doktora tezi, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Erzurum.
6. Bilge T, 2011. Yüksek fırın cürufu katkısının kil zeminlerin stabilizasyonuna etkisinin araştırılması, Balıkesir Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir.
7. Bilgen G., Kavak A., Çapar Ö.F, 2012. Düşük plastisiteli bir kilde katkı olarak çelikhane cürufunun kullanılması ve kireç ile etkileşimi, Karaelmas Fen ve Mühendislik Dergisi, 2(2):30-38.
8. Bilgen G, 2007. Yüksek fırın cürufu ile zemin stabilizasyonu. Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli.

9. Bilgen G., Kavak A., Yıldırım S.T, Çapar Ö.F, 2010. Yüksek fırın cürufunun inşaat sektöründeki yeri ve önemi. 2’nci Ulusal Katı Atık Yönetimi Kongresi Bildirileri, Cilt 1: 506-513, Mersin.
10. Cokca E., Yazıcı V., Özaydın V, 2009. Stabilization of expansive clays using granulated blast furnace slag (GBFS) and GBFS-cement. Geotechnical and Geological Engineering. 27: 489-499.
11. Çakılcıoğlu İ, 2007. Yüksek plastisiteli killerin stabilizasyonu. Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sakarya.
12. Emery J.J., Kim, C.S. Cotsworth R.P, 1976. Base stabilization using pelletized blast furnace slag, 4(1):94-100.
13. Gökalp İ., Uz V.E., Saltan M., and Tutumluer E, 2018. Technical and environmental evaluation of metalurgical slags as aggregate for sustainable pavement layer applications. Transportation Geotechnics,14, 61-69.
14. Gurer C., Akbulut H., Kurklu G, 2004. İnşaat endüstrisinde geri dönüşüm ve bir hammadde kaynağı olarak farklı yapı malzemelerinin yeniden değerlendirilmesi, 5’inci Endüstriyel Hammaddeler Sempozyumu, İzmir, Türkiye.
15. Güngör A.G., ve Sağlık A, 2008. Karayolları esnek üst yapılar projelendirme rehberi, Karayolları Genel Müdürlüğü, Teknik Araştırma Dairesi Başkanlığı, Ankara.
16. Hausman M.R, 1990. Engineering principles of ground modification. International Edition, 321-335.
17. Huang Y., Wang Q., and Shi M, 2017. Characteristics and reactivity of ferronickel slag. Construction and Building Materials, 156, 773-789.
18. http://www.birimfiyat.net, 2020. Erişim tarihi Ocak 23, 2021.
19. Karayolları Beton Yol Üstyapılar Projelendirme Rehberi, Türkiye, 2019.
20. Kavak A., Bilgen G, 2005. Yüksek fırın cürufu ve kirecin katkı olarak kil üzerindeki etkileri ve yol yapımında kullanımının araştırılması, Geoteknik Sempozyumu, Adana.
21. Kelly B.C, 2008. Geo-engineering properties of granulated blast furnace slag. International Conference on Geotechnical Engineering, Hammamet, Tunisia.
22. Kılıç G, 2008. Çimento ile zemin stabilizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
23. Kodikara J., Yeo R, 2005. Performance evaluation of road pavements stabilized in situ, Editor: Zhang L. Elsevier Geo- Engineering Book Series, 409-443, Elsevier Science.
24. Kuloğlu M., Özden G., Kayalar A, 2006. Çelik cüruflarının dolgu malzemesi olarak kullanılabilirliği üzerine bir araştırma. Zemin Mekaniği ve Temel Mühendisliği 11’inci Ulusal Kongresi 7–8 Eylül Karadeniz Teknik Üniversitesi, Trabzon, 192-201.
25. Mahmoud M.K, 2011. Fırın cürufu katkısının zeminlerin mühendislik özellikleri üzerine etkisi, Dokuz Eylül Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İzmir.
26. Sivrikaya O., Yavascan S., Cecen E, 2014. Effects of ground granulated blast- furnace slag on the index and compaction parameters of clayey soils. Acta Geotechnica. 19-27.
27. Tanyıldızı M.M, 2010. AASHTO metodunda rijit üstyapı beton kaplama kalınlığına etki eden parametrelerin irdelenmesi, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi.
28. Tokyay M., Erdoğdu K, 2002. Cüruflar ve cüruflu çimentolar, Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği, Ankara.
29. TS 1900-1, 2006. İnşaat mühendisliğinde zemin laboratuvar deneyleri-Türk Standartları Enstitüsü, Ankara.
30. Tunç A, 2001. Yol malzemeleri ve uygulamaları. Türkiye.
31. Yılmaz Y, 2013. Beton endüstrisinde sürdürülebilir üretim. Beton 2013 Kongresi Bildirileri, Cilt1: 145-155, İstanbul.
32. Yılmaz.I, Yıldıran M., Keskin İ. (2017), Zemin Mekaniği Laboratuvar Deneyleri ve Çözümlü Problemler, Seçkin Kitabevi Ankara.