Investigation of boron waste usage in civil engineering applications

Öz

Nowadays, limited natural resources and huge consumption leads to increase in production costs and energy usage. Increasing energy consumption causes environmental damages, which yield climate change. This situation increases the interest in sustainability along with the recycling of waste material in different areas. While sustainability awareness of society is tried to be created in different countries, research and development studies are also carried out on the other hand. Studies regarding sustainability in civil engineering include recycling and reuse of various wastes. Turkey has 73% of the boron reserves, and provides 50% of boron need in the world. The boron mine can be used in a wide variety of applications such as aerospace and aircraft industries and even in disinfectant production due to the Covid-19 pandemic. On the other hand, boron waste is expected to increase with the increase in production potential. The objective of this study is to introduce the potential of using boron wastes in civil engineering. Applications of boron waste in civil engineering have been researched in the literature and evaluated in detail. As a result of the study, possible boron waste assessment suggestions have been presented for Turkey.

Anahtar Kelimeler

• Boron waste
• Civil engineering
• Re-usage
• Sustainability.

İnşaat mühendisliği uygulamalarında bor atıklarının kullanımının araştırılması

Öz

Günümüzde sınırlı doğal kaynaklar ve fazla tüketim, üretim maliyetlerinin ve enerji kullanımının artmasına neden olmaktadır. Artan enerji tüketimi, iklim değişikliğine neden olan çevresel zararlara neden olmaktadır. Bu durum, farklı alanlarda atık malzemelerin geri dönüşümü ile birlikte sürdürülebilirliğe olan ilgiyi artırmaktadır. Farklı ülkelerde toplumun sürdürülebilirlik bilinci oluşturulmaya çalışılırken bir yandan da araştırma geliştirme çalışmaları yürütülmektedir. İnşaat mühendisliğinde sürdürülebilirlik ile ilgili çalışmalar, çeşitli atıkların geri dönüştürülmesini ve yeniden kullanılmasını içermektedir. Türkiye bor rezervinin %73'üne sahiptir ve dünyanın bor ihtiyacının %50'sini sağlamaktadır. Bor madeni, havacılık ve uçak endüstrileri gibi çok çeşitli uygulamalarda ve hatta Covid-19 pandemisi nedeniyle dezenfektan üretiminde kullanılabilmektedir. Öte yandan, üretim potansiyelindeki artışla birlikte bor atıklarının da artması beklenmektedir. Bu çalışmanın amacı, bor atıklarının inşaat mühendisliğinde kullanım potansiyelini ortaya koymaktır. Bor atıklarının inşaat mühendisliğindeki uygulamaları literatürde araştırılmış ve detaylı olarak değerlendirilmiştir. Çalışma sonucunda Türkiye için olası bor atığı değerlendirme önerileri sunulmuştur.

Anahtar Kelimeler

• Bor atığı
• İnşaat mühendisliği
• Yeniden kullanım
• Sürdürebilirlik.

Kaynakça

1. T. Mutuk and B. Mesci, Analysis of mechanical properties of cement containing boron waste and rice husk ash using full factorial design. Journal of cleaner production, 69, 128-132, 2014.https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2014.01.051
2. A. Karslıoğlu, E. Balaban and M.İ. Onur, Insulation properties of bricks with waste rubber and plastic: A Review. Journal of Nature, 1, 20-27, 2021. https://doi.org/10.36937/janset.2021.001.004
3. R. Bütüner, Emet bölgesi düşük tenörlü kolemanit stoklarının değerlendirilebilirliğinin araştırılması. Doctoral dissertation, Doktora Tezi, Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kütahya, 2011.
4. Etimaden, https://www.etimaden.gov.tr, Accessed 3 March 2022.
5. M. Özdemir and N.U. Öztürk, Utilization of clay wastes containing boron as cement additives. Cement and Concrete Research, 33(10), 1659-1661, 2003. https://doi.org/10.1016/S0008-8846(03)00138-8
6. S. Durak, Eti maden müdürlüğü kırka bor işletmesi bor endüstri atıklarında eser elementlerin tayini ve lityumun kazanılması, Yüksek Lisans Tezi, Dumlupınar Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü. Kütahya, 2011.
7. Türkiye Çimento Müstahsilleri Birliği, TÇMB, https://www.turkcimento.org.tr/ , Accessed 3 March 2022.
8. Kavas ve Emrullahoğlu, seydişehir kırmızı çamur ve kırka bor atıklarının endüstriyel hammadde olarak kullanımı. I. Batı Hammadde Kaynakları Sempozyumu, TMMOB Jeoloji Mühendisleri Odası, 216-225, İzmir, 2005.

9. T. Kavas, Use of boron waste as a fluxing agent in production of red mud brick. Building and Environment, 41(12), 1779-1783, 2006. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2005.07.019
10. D. Demir and G. Keleş, Radiation transmission of concrete including boron waste for 59.54 and 80.99 keV gamma rays. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 245(2), 501-504, 2006. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2005.11.139
11. T. Batar and N. S. Köksal, Atık bor, atık kâğıt ve perlit katkılı sıva malzemesinin üretimi ve karakterizasyonu. Ekoloji Dergisi, 18(72), 2009.
12. M. Davraz, The effects of boron compounds on the properties of cementitious composites. Science and Engineering of Composite Materials, 17(1), 1-18, 2010. https://doi.org/10.1515/SECM.2010.17.1.1
13. T. Kavas, A. Christogerou, Y. Pontikes, and G. N. Angelopoulos, Valorisation of different types of boron-containing wastes for the production of lightweight aggregates. Journal of Hazardous Materials, 185(2-3), 1381-1389, 2011.https://doi.org/10.1016/ j.jhazmat.2010.10.059
14. A. Akyıldız, Beton üretiminde bor atıklarının puzzolan materyal olarak kullanılabilirliğinin araştırılması. Doktora tezi, Namık Kemal Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012.
15. S. Eyyüboğlu. Kolemanit konsantratör atıklarının çimento üretiminde değerlendirilmesi. Master's thesis, Balıkesir Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, 2013.
16. A. Murathan, A.S.A.N. Abdurrahman and T.A. Abdulkarem, Çevresel atıkların yapı malzemesinde değerlendirilmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 28(2), 2013.
17. A. Kilicarslan, Y. Kurttepeli and M. N. Saridede, Using of Boron Wastes in Red Brick Production. In Advanced Materials Research, 699, 223-227, 2013. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.699.223
18. H. Binici, O. Aksogan, A.H. Sevinc, and A. Kucukonder, Mechanical and radioactivity shielding performances of mortars made with colemanite, barite, ground basaltic pumice and ground blast furnace slag. Construction and Building Materials, 50, 177-183, 2014. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2013.09.033
19. K. Kunt, F. Dur, B. Ertınmaz, M. Yıldırım, E. M. Derun and S. Pişkin, Utilization of boron waste as an additive for cement production. CBU J Sci, 11(3), 383-389, 2015. https://doi.org/10.18466/cbujos.72356
20. F. Oruç, E. Sabah and Z. E. Erkan, Türkiye’de Bor Atıklarını Sektörel Bazda Değerlendirme Stratejileri. II. Uluslararası Bor Sempozyumu, 23-25, 2004.
21. D. Koumpouri and G. N. Angelopoulos, Effect of boron waste and boric acid addition on the production of low energy belite cement. Cement and Concrete Composites, 68, 1-8, 2016. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2015.12.009
22. Y. Erdoğan, Halı ve Bor atıklarından izolasyon malzemesi üretimi, Maden Tetkik ve Arama Dergisi, 2016. http://dx.doi.org/10.19076/mta.57122
23. M. Ozturk and U. K. Sevim, Utilization of boron waste borogypsum with silica fume as a supplementary cementitious material in mortar. International Journal of Advanced Engineering Research and Science, 3(12), 236978, 2016.https://dx.doi.org/10.22161/ ijaers/3.12.45
24. D. Ö. Kaman, L. Köroğlu, E. Ayas, and Y. Güney, The effect of heat-treated boron derivative waste at 600 C on the mechanical and microstructural properties of cement mortar. Construction and Building Materials, 154, 743-751, 2017.https://doi.org/10.1016/ j.conbuildmat.2017.07.209
25. B. Cicek, E. Karadagli and F. Duman, Valorisation of boron mining wastes in the production of wall and floor tiles. Construction and Building Materials, 179, 232-244, 2018. https://doi.org/10.1016/ j.conbuildmat.2018.05.182
26. M. Yildirim and E. M. Derun, The influence of CuO nanoparticles and boron wastes on the properties of cement mortar. Materiales de Construcción, 68(331), e161-e161, 2018.https://doi.org/10.3989/mc.2018.03617
27. A. Mancı and A. Sarıışık, Investigation of the Effect of Cement Amount and Boron Waste on Early Strength of Pumice Aggregate Lightweight Concrete. I CIVILTECH 2019, 124, 2019.
28. A. G. Çelik, A. Yörükoğlu, S. Sürdem, A. Türker and Y. Erdoğan, Bor katkılı pomza tuğla üretimi, fizikomekanik ve kimyasal özelliklerinin belirlenmesi. Journal of Boron, 4(2), 107-118, 2019. https://doi.org/10.30728/boron.756254
29. A. Evcin, B. Ersoy and H. Çiftçi, Utilization of marble and boron waste in brick products. International Journal of Computational and Experimental Science and Engineering (IJCESEN), 5(1), 19-22, 2019.
30. H. Tokgöz, B. Dündar and E. Çınar, Investigation of the Effect of Sulfuric Acid on Colemanite Additive Mortars, I CIVILTECH 2019, 126, 2019.
31. Y.Y. Çelen, A. Evcin, I. Akkurt, N.Ç. Bezir, K. Günoğlu and N. Kutu, Evaluation of boron waste and barite against radiation. International Journal of Environmental Science and Technology, 16(9), 5267-5274, 2019. https://doi.org/10.1007/s13762-019-02333-3
32. U.K. Sevim, M. Ozturk, S. Onturk and M. B. Bankir, Utilization of boron waste borogypsum in mortar. Journal of Building Engineering, 22, 496-503, 2019. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2019.01.015
33. A. Aldakshe, H. Çağlar, A. Çağlar and Ç. Avan, The investigation of use as aggregate in lightweight concrete production of boron wastes. Civil Engineering Journal, 6(7), 1328-1335, 2020. http://dx.doi.org/10.28991/cej-2020-03091551
34. M. Ozturk, U.K. Sevim, O. Akgol, E. Unal and M. Karaaslan, Investigation of the mechanic, electromagnetic characteristics and shielding effectiveness of concrete with boron ores and boron containing wastes. Construction and Building Materials, 252, 119058, 2020. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.119058
35. A. Christogerou, P. Lampropoulou and E. Panagiotopoulos. Increase of frost resistance capacity of clay roofing tiles with boron waste addition. Construction and Building Materials, 280, 122493, 2021. https://doi.org/10.1016/ j.conbuildmat.2021.122493
36. T. Kütük-Sert, T. and S. Kütük, Physical and marshall properties of borogypsum used as filler aggregate in asphalt concrete. Journal of Materials in Civil Engineering, 25(2), 266-273, 2013. https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0000580
37. S. Terzi, N. Morova, N. Çolak, S. Serin and M. Saltan, Kolemanit Atıklarının Asfalt Beton Karışımlarda Filler Malzemesi Olarak Değerlendirilmesi. 10. Ulaştırma Kongresi, TMMOB İnşaat Mühendisleri Odası, İzmir, 25-27 Eylül, 449-457, 2013.
38. C. Gürer and G. Ş. Selman, Investigation of properties of asphalt concrete containing boron waste as mineral filler. Materials Science, 22(1), 118-125, 2016. https://doi.org/10.5755/j01.ms.22.1.12596
39. Ş. Oruç, B. Yılmaz, K. Sancak, Effect of boron-containing additives on rheological properties of asphalt binder. Road Materials and Pavement Design, 17(4), 810-824, 2016. https://doi.org/10.1080/ 14680629.2015.1120228
40. M. Keskin, M. Karacasu, Effect of boron containing additives on asphalt performance and sustainability perspective. Construction and Building Materials, 218, 434-447, 2019. https://doi.org/10.1016/ j.conbuildmat.2019.05.133
41. H. Kara, Taş mastik asfalt ve beton yol kaplama inşasında bor atıklarının kullanılabilirliği, Master's thesis, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021.
42. A. Karslıoğlu and M. İ. Onur, Geopolymers in Soil Stabilization from Past to Present. International Conference on Advances in Engineering, Architecture, Science and Technology (ICA-EAST 2021). Etkinlik Tarihi: 15 – 17 Aralık 2021.
43. E. Çoruh, S. Hinislioğlu, M. Kocakerim, S. Arasan, and M. Oltulu, Borojipsin alttemel tabakasinda stabilizasyon malzemesi olarak kullanılmasının araştırılması. Erzincan Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 6(2), 221-231, 2013.
44. Y. Zhang, Q. Guo, L. Li, P. Jiang, Y. Jiao and Y. Cheng, Reuse of boron waste as an additive in road base material. Materials, 9(6), 416, 2016. https://doi.org/10.3390/ma9060416
45. İ. Zorluer and S. Gucek, Usage of fly ash and waste slime boron for soil stabilization. Periodicals of Engineering and Natural Sciences (PEN), 5(1), 2017. http://dx.doi.org/10.21533/pen.v5i1.74
46. V. Okur and K. Akinci, Dynamic behavior of soft subgrade soils treated with boron waste. Advances in Materials Science and Engineering, 2018. https://doi.org/10.1155/2018/2390481
47. İ. Zorluer and S. Gucek, The usability of industrial wastes on soil stabilization. Revista de la construcción, 19(1), 80-89, 2020. http://dx.doi.org/10.7764/rdlc.19.1.80-89.