Study on the Mechanical Behavior of Fiber-Reinforced Recycled Sands Derived from Construction and Demolition Waste

Öz

In this study, the strength and permeability properties of recycled concrete aggregate and waste brick powder obtained from construction and demolition wastes were investigated under the effect of different mixing ratios and alkali solution molarities. Sisal fiber, a natural fiber type, was applied to the soil samples prepared with recycled concrete aggregates and alkali solution-brick powder mixtures at different lengths, and the effect of the fiber additive was evaluated. For this purpose, alkali solution mixture-recycled soil was mixed at 15%, 20%, and 30% ratios. In order to determine the effect of an alkaline environment, alkali solution molarities were applied as 0.5M, 1M, 1.5M, 2M, and 2.5M. Fiber additive was applied at a constant rate, in lengths of 10 mm, 15 mm, and 20 mm. The results were evaluated with unconfined compressive strength and permeability tests. In addition, the behavior of soil samples under load was also investigated by considering the values of maximum unconfined compressive strength and axial strain corresponding to maximum strength test results. The results of this study showed that the mixture ratios were effective on the unconfined compressive strength and that the strength values increased as the mixture ratio increased. It was determined that the increase in the molarity of the alkali solution was more effective in increasing the strength compared to the mixture ratios and that this effect increased even more as the mixture ratio increased. It was observed that the fiber additive provided an increase in both the maximum strength and the strain values corresponding to these values and that it had positive effects on the load-carrying capacity and behavior of the soil. According to the permeability test results, it was evaluated that this soil improvement technique used could also be used for permeable soil surface layers.

Anahtar Kelimeler

• Construction and demolition waste
• recycled concrete aggregate
• recycled sand soil

Etik Beyan

There are no ethical issues regarding the publication of this study.

İnşaat ve Yıkıntı Atıklarından Elde Edilen Lif Takviyeli Geri Dönüştürülmüş Kumların Mekanik Davranışı Üzerine Bir Çalışma

Öz

Bu çalışmada, inşaat ve yıkıntı atıklarından elde edilen geri dönüştürülmüş beton agregası ve atık tuğla tozunun, farklı karışım oranları ve alkali çözeltisi molariteleri etkisi altındaki mukavemet ve geçirimlilik özellikleri incelenmiştir. Geri dönüştürülmüş beton agregaları ve alkali çözeltisi-tuğla tozu karışımları ile hazırlanan zemin örneklerine doğal bir fiber türü olan sisal fiber farklı uzunluklarda uygulanmış ve fiber katkısının da etkisi değerlendirilmiştir. Bu amaçla, alkali çözeltisi karışımı-geri dönüştürülmüş zemin %15, %20 ve %30 oranlarında karıştırılmıştır. Alkali ortamın etkisinin belirlenebilmesi amacıyla da alkali çözeltisi molaritesi 0,5M, 1M, 1,5M, 2M ve 2,5M olarak uygulanmıştır. Fiber katkısı ise sabit bir oranda, 10 mm, 15 mm ve 20 mm uzunluğunda uygulanmıştır. Sonuçlar, serbest basınç mukavemeti ve geçirimlilik deneyleri ile değerlendirilmiştir. Ayrıca, serbest basınç mukavemeti test sonuçlarından elde edilen, maksimum serbest basınç mukavemeti ve maksimum mukavemete karşılık gelen birim şekil değiştirme değerleri dikkate alınarak zemin örneklerinin yük altındaki davranışları da incelenmiştir. Bu çalışmanın sonuçları, karışım oranlarının serbest basınç mukavemeti üzerinde etkili olduğunu ve karışım oranı arttıkça mukavemet değerlerinin arttığını göstermiştir. Alkali çözeltisi molaritesinin artmasının, karışım oranlarına nispeten mukavemet artışında daha etkili olduğu ve karışım oranı arttıkça bu etkinin daha da arttığı belirlenmiştir. Fiber katkısının hem maksimum mukavemet değerlerinde hem de bu değerlere karşılık gelen birim şekil değiştirme değerlerinde artış sağladığı ve zeminin yük taşıma kapasitesi ve davranışında olumlu etkiler meydana getirdiği gözlemlenmiştir. Geçirimlilik deney sonuçlarına göre, kullanılan bu zemin iyileştirme tekniğinin, geçirimli zemin yüzeyi katmanları için de kullanılabileceği değerlendirilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• İnşaat ve yıkıntı atığı
• geri dönüştürülmüş beton agregası
• geri dönüştürülmüş kum zemin

Kaynakça

1. [1] Sayın, N., & Bozkurt, N. (2021) Günümüz teknolojileri çerçevesinde çimento dünyasındaki gelişmelerin araştırılması. Düzce University Journal of Science and Technology, 9, 1159-1173.
2. [2] Şimşek, B., Polat, R., & Gül, R. (2022) Atık lastik katkılı betonlarda uçucu kül kullanımının aderans ve basınç dayanımına etkisi. Journal of the Institute of Science and Technology, 12, 2290-2301. [3] Şenol, A. F., & Karakurt, C. (2023) Öğütülmüş pişmiş kil ve mermer atıklarının çimentolu harçlarda dayanım gelişimine etkisi. Journal of the Institute of Science and Technology, 13, 2692-2705.
3. [4] Şenol, A. F., & Çalışkan, Ö. (2025) Harç ve beton üretimlerinde endüstriyel atıkların etkisi: Uçucu kül, silis dumanı ve yüksek fırın cürufu kullanımı. In 3rd International Conference on Trends in Advanced Research (pp. 280-284). All Sciences Academy.
4. [5] Alakara, E. H. (2022) İnşaat yıkıntı atıklarından elde edilen atık tuğlaların geopolimer harçlarda kullanımının incelenmesi. Gaziosmanpaşa Bilimsel Araştırma Dergisi, 11, 251-259.
5. [6] Doğdu, G., & Alkan, S. N. (2023) Deprem sonrası oluşan inşaat ve yıkıntı atıklarının değerlendirilmesi: 6 Şubat 2023 Kahramanmaraş depremleri. Artvin Çoruh Üniversitesi Mühendislik ve Fen Bilimleri Dergisi, 1, 38-50.
6. [7] Kaplan, E., & Soyluk, A. (2024) Deprem sonrası atık yönetimi: Atık betonun geri dönüşümü ve mimaride kullanımı için öneriler. Journal of Architectural Sciences and Applications, 9, 140-162.
7. [8] Ölmez, E., & Yıldız, Ş. (2008) İnşaat ve yıkıntı atıklarının yönetimi ve planlanan İstanbul modeli. Kent Yönetimi, İnsan ve Çevre Sorunları, 8, 2-6.
8. [9] Eren, Z., & Şen, B. N. (2023) İnşaat ve yıkıntı atıklarının döngüsel ekonomi modeline göre yönetimi. Uluslararası Gelişim Akademi Dergisi, 1, 1-10.

9. [10] Dobrescu, C.-F., & Calarasu, E.-A. (2020) Engineering and environmental benefits of using construction wastes in ground improvement works. MATEC Web of Conferences, 310.
10. [11] Zaharieva, R., Evlogiev, D., Kerenchev, N., & Stanimirova, T. (2022) Modification of quaternary clays using recycled fines from construction and demolition waste. Processes, 10.
11. [12] Abregú, J., Mayon, C., & Fernández, C. (2021) Effect of two recycled building materials on the density and compressive strength of a clay soil. Vibroengineering Procedia, 36, 95-101.
12. [13] Akbas, M., Yalcin Dayioglu, A., Hatipoglu, M., & Iyisan, R. (2018) Geri dönüştürülmüş beton agregaların geoteknik mühendisliğinde kullanımı [Utilization of recycled concrete aggregate in geotechnical engineering].
13. [14] Ahmed, S. T., Kabir, M. U., Bin Zahid, C. Z., Tareque, T., & Mirmotalebi, S. (2024) Improvement of subgrade California bearing ratio (CBR) using recycled concrete aggregate and fly ash. Hybrid Advances, 5.
14. [15] Saberian, M., Li, J., & Cameron, D. (2019) Effect of crushed glass on behavior of crushed recycled pavement materials together with crumb rubber for making a clean green base and subbase. Journal of Materials in Civil Engineering, 31.
15. [16] Khan, Z. A., Balunaini, U., Nguyen, N. H. T., & Costa, S. (2024) Evaluation of cement-treated recycled concrete aggregates for sustainable pavement base/subbase construction. Construction and Building Materials, 449, 138417.
16. [17] Demirel, C., & Şimşek, O. (2015) Erken yaştaki atık betonların geri dönüşüm agregası olarak beton üretiminde kullanılabilirliği ve sürdürülebilirlik açısından incelenmesi. Düzce University Journal of Science and Technology, 3, 226-235.
17. [18] Fouladi, A. S., Arulrajah, A., Chu, J., Zhou, A., & Horpibulsuk, S. (2024) Factors affecting the MICP stabilization of washed recycled sands derived from demolition wastes. Acta Geotechnica.
18. [19] Bayraktar, O. Y., Kaplan, G., & Benli, A. (2022) The effect of recycled fine aggregates treated as washed, less washed and unwashed on the mechanical and durability characteristics of concrete under MgSO₄ and freeze-thaw cycles. Journal of Building Engineering, 48, 103924.
19. [20] ASTM D2487. (2011) Standard practice for classification of soils for engineering purposes. ASTM International.
20. [21] Wang, Y., Liu, J., Chen, Y., Dong, Y., Liu, Z., Song, Z., & Ma, X. (2024) Strength assessment of sand stabilized with synthetic polymer and natural fibers. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 83(4), 214.
21. [22] Megrousse, M., Mahmoudi, Y., Cherif Taiba, A., Azaiez, H., & Belkhatir, M. (2024) Mechanical properties of sand enhanced by combined polymer stabilizer and natural fibers. Transportation Infrastructure Geotechnology, 12, 12.
22. [23] Prabakar, J., & Sridhar, R. S. (2002) Effect of random inclusion of sisal fibre on strength behaviour of soil. Construction and Building Materials, 16(2), 123-131.
23. [24] Zhang, J., Yin, Y., Shi, L., Bian, H., & Shi, W. (2022) Experimental investigation on mechanical behavior of sands treated by enzyme-induced calcium carbonate precipitation with assistance of sisal-fiber nucleation. Frontiers in Earth Science, 10, 992474.
24. [25] Naldan, A., Akoğuz, H., & Çağlar, B. (2025) Evaluation of long-term reinforcement of soils using waste brick powder: Insights from strength and characterization. Geomechanics and Engineering, 41(4), 465-480. [26] Maaze, M. R., & Shrivastava, S. (2023) Design development of sustainable brick-waste geopolymer brick using full factorial design methodology. Construction and Building Materials, 370, 130655.
25. [27] Maaze, M. R., & Shrivastava, S. (2023) Design optimization of a recycled concrete waste-based brick through alkali activation using Box–Behnken design methodology. Journal of Building Engineering, 75, 106863.
26. [28] Giannopoulou, I., Robert, P. M., Sakkas, K.-M., Petrou, M. F., & Nicolaides, D. (2023) High temperature performance of geopolymers based on construction and demolition waste. Journal of Building Engineering, 72, 106575.
27. [29] ASTM D2166. (2016) Standard test method for unconfined compressive strength of cohesive soil. ASTM International.
28. [30] Hanjitsuwan, S., Hunpratub, S., Thongbai, P., Maensiri, S., Sata, V., & Chindaprasirt, P. (2014) Effects of NaOH concentrations on physical and electrical properties of high calcium fly ash geopolymer paste. Cement and Concrete Composites, 45, 9-14.
29. [31] Zivica, V., Palou, M., & Križma, M. (2015) Geopolymer cements and their properties: A review. Building Research Journal, 61, 85-100.
30. [32] Memon, I., Jhatial, A., Sohu, S., Lakhiar, M., & Hussain, Z. (2018) Influence of fibre length on the behaviour of polypropylene fibre reinforced cement concrete. Civil Engineering Journal, 4, 2124-2131.
31. [33] Hao, J., Huang, J., Yao, J., Zhang, Z., & Zhang, H. (2021) Unconfined compression strength and mesostructure of reinforced soil with wheat straw. Bulletin of Engineering Geology and the Environment, 80, 9173-9183.
32. [34] Oral, G. (2021) Fiber katkılar ile modifiye edilen atık malzemeli geçirimli asfalt karışımların tasarım parametrelerinin incelenmesi (Yüksek lisans tezi). Bartın Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü.
33. [35] Tokgöz, G., & Güngör, O. (2021) İklim değişikliği ile mücadelede peyzaj uygulamalarında geçirimli sert zemin kullanımının su döngüsüne katkıları. In I. Uluslararası Sağlık ve İklim Değişikliği Kongresi (pp. 102–113).