Utilization of Steel Slag As Road Base And Subbase Material

Öz

One of the important topic for the current technologies is to protect the natural resources by using industrial waste materials that are produced industrial manufacturing. According to 2014’ statistics, only 41% of steel slag is recycled in Turkey. The remaining amount of steel slag produced in Turkey was disposed or stored in wild life.  In this study, the utilization of steel slag in road base and subbase layers are evaluated by using finite element method. Deformation behaviour of steel slag is compared to crushed stone. Four different road cross-section are analysed by using axisymmetric finite element method. Analyses are carried out under 400 kPa wheel pressure for 20.111 cyclic loads. Steel slag deformation parameter was obtained by carrying out resonant column tests. The results show that the steel slag can be used in road base and subbase layers instead of natural aggregate. The minimum vertical deformation was obtained in the KC cross-section where the steel slag is used in the subbase layer.

Anahtar Kelimeler

• Steel Slag,Finite Element,base,subbase

Çelikhane Cürufunun Yol Temel ve Alttemel Malzemesi Olarak Kullanılması

Öz

Endüstriyel üretim sonucu oluşan atıkların geri kazanımı veya farklı sektörlerde kullanılmak suretiyle değerlendirilmesi doğal kaynakların korunması adına günümüz teknolojileri için önemli bir konu olmuştur. 2014 yılı verilerine göre Türkiye’de çelikhane cürufunun ancak %41’i geri dönüştürülmektedir. Geri kalan çelikhane cürufu bertaraf edilmekte veya düzensiz depolanmaktadır. Bu çalışmada çelikhane cürufunun yol üst yapısında temel ve alttemel malzemesi olarak kullanılabilirliği [u1] değerlendirilmiştir. Çalışma kapsamında kontrol kesiti olarak kırmataş temel ve kırmataş alttemelden oluşan yol kesiti analiz edilmiştir. Çelikhane cürufu ise temel ve alttemelde olmak üzere birlikte ve ayrı ayrı kullanılmıştır. Toplam dört farklı yol kesitinin 400 kPa yük altında, 20.111 tekrarlı yükleme yapılarak iki boyutlu sonlu elemanlar metodu ile aksisimetrik analizleri gerçekleştirilmiştir. Cüruf dinamik kayma modülünü elde etmek için rezonant kolon deneyleri gerçekleştirilmiştir. Analizler sonucu yol temel ve alttemel tabakalarında çelikhane cürufunun doğal agrega yerine kullanılabileceği belirlenmiştir. Cürufun alttemelde kullanıldığı KC kesiti ise düşey deformasyonlar açısından en iyi sonucu vermiştir.

Anahtar Kelimeler

• Çelikhane cürufu,sonlu elemanlar,temel,alttemel

Kaynakça

1. Karatag, H., S. Fırat, and N.S. Işık., "Assessment of performance of steel slag used in road base by finite element analysis" 13th International Congress on Advances in Civil Engineering, Çeşme, (2018).
2. Özgür Öztürk, M.Ç., Mesut Erkan, "Türkiye agrega sektör raporu", Hazır Beton, Kasım-Aralık:52-56, (2007).
3. Bilen, M., "Çelikhane curuflarından liç-karbonatlaştırma prosesi ile kalsiyum karbonat kazanılması", Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü (2010).
4. Horii, K.; Kato, T., Sugahara, K., Tsutsumi, N., Kitano, Y., "Overview of iron/steel slag application and development of new utilization technologies" Nippon Steel and Sumitomo Metal Technical Report, 109: 5-11, (2015).
5. Motz, H. and J., Geiseler, "Products of steel slags an opportunity to save natural resources", Waste Management, 21(3):285-293, (2001).
6. TÇÜD, "Demir Çelik Cüruf Raporu" ÇŞB, Ankara, (2015).
7. ASA, "A guide to the use of iron and steel slag in roads", Australasian Slag Association Inc., NSW, (2002).
8. Euroslag, "Position paper on the status of ferrous slag", The European Slag Association, Duisburg, (2012).

9. İnternet: National Slag Association (NSA), “Common uses for slag”, http://www.nationalslag.org/common-uses-slag, (2015).
10. nternet: U.S. Geological Survey (USGS), "Iron and steel slag statistics and information", http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/iron_&_steel_slag/index.html#contacts, (2015).
11. Yildirim, I.Z., Prezzi, M., "Use of steel slag in subgrade applications" Final Report, INDOT Office of Research and Development, FHWA/IN/JTRP-2009/32-SPR-3129, Indiana, (2009).
12. Yoshida, N., Sugita, T., Miyahara, T. and Hirotsu, E., "Influence of hydraulicity on resilient modulus and poisson’s ratio of hydraulic, graded iron and steel slag base-course material", Advances in Transportation Geotechnics, Nottingham, 779-784, (2008).
13. Fırat S., K., J.,N.Vural, İ. ve Yılmaz, G.,“Increasing compaction properties of road subbase fill using waste materials of steel slag and fly ash", International Conference and Exhibition on the Application of Efficient and Renewable Energy Technologies in Low Cost Buildings and Construction (RENEWBUILD), Ankara, (2013).
14. Aiban, S.A., "Utilization of steel slag aggregate for road bases", Journal of Testing and Evaluation, 34(1): 65-75, (2005).
15. Rohde, L., et al., "Electric arc furnace steel slag: base material for low-volume roads", Transportation Research Record, 1819 (1): 201-207, (2003).
16. Mymrin V.A., Ponte H.A., Ponte M.J.J.S., Maul, A.M., "Structure formation of slag-soil construction materials", Materials and Structures, 38(1): p. 107-113, (2005).
17. Behiry, A.E.A.M., "Evaluation of steel slag and crushed limestone mixtures as subbase material in flexible pavement", Ain Shams Engineering Journal, 4(1): 43-53, (2013).
18. Sas, W., Głuchowski, A.,Radziemska, M., Dzięcioł, J., Szymański, A., "Environmental and geotechnical assessment of the steel slags as a material for road structure", Materials, 8(8):4857-4875, (2015).
19. Hainin, M.R., Yusoff, N., Sabri, F., Aziz, A., Hameed A., Reshi, W., "Steel slag as an aggregate replacement in Malaysian hot mix asphalt", ISRN Civil Engineering, Article ID 459016: 1-5, (2012).
20. Hainin M.R., Rusbintardjo G., Aziz A., Hamim A. , Yusoff N., "Laboratory evaluation on steel slag as aggregate replacement in stone mastic asphalt mixtures", Jurnal Teknologi, 65(2):13-19, (2013).
21. Alataş, T., E. Somunkıran, P. Ahmedzade, "Ereğli demir çelik fabrikası cürufunun asfalt betonunda agrega olarak kullanılması", Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Der, 18(2): p. 225-234, (2006).
22. Yonar, F., "Elektrik ark ocağı çelikhane cürufunun karayolu esnek üstyapı tabakalarında kullanımının ve karışım performansının araştırılması", Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, (2017).
23. Özuğurlu, B., "Karayolu esnek üstyapı binder tabakasında elektrik ark oocağı cürufunun yapay agrega olarak kullanımının incelenmesi", Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, (2015).
24. Hasançebioğlu, Ö., "Elektrik ark ocağı cürufunun yapay agrega olarak karayolu inşaatı dolgu ve granüler tabakalarında kullanılabilirliğinin incelenmesi", Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, (2014).
25. Sönmez, B., Baş, E., Günay, E., Kara, M., "Erdemir çelikhane curuflarının asfalt betonu agregasi ve demiryolu balast malzemesi olarak kullanılması imkanları", II. International Iron and Steel Symposium, Zonguldak, (2003).
26. Gür, S., Parlak, F., Şişman, E., Tombuloğlu, T., Sadık, A. S., Özdoğan, M. S., Erbay, Ş.,"Çelikhane cürufunun beton yollarda temel malzemesi olarak kullanılması", Geoteknik Sempozyumu, Çukurova Üniversitesi, Adana, (2013).
27. Mutlugeldi, C., "Elektrik ark fırını cürufunun karayolu esnek üstyapı bitümlü temel tabakasında agrega olarak değerlendirilmesi", Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, (2015).
28. Somunkıran, E.T., "Ereğli demir çelik fabrikası cürufunun asfalt betonunda agrega olarak kullanılması", Yüksek Lisans Tezi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, (2005).
29. İnternet: National Slag Association (NSA), "SLAG-A green product", http://www.nationalslag.org/sites/nationalslag/files/documents/SLAG-A%20Green%20Product.pdf.
30. Altan, E., "Çelikhane curufu içerisindeki hurdaların değerlendirilmesi", I. Ulusal Demir-Çelik Sempozyumu ve Sergisi, Zonguldak, (2001).
31. Oluwasolaa, E.A., Hainina, M.R., Aziza, M.M.A., "Characteristics and utilization of steel slag in road construction", Jurnal Teknologi (Sciences & Engineering), 70 (7): 117–123, (2014).
32. FHWA, "User guidelines for waste and byproduct materials in pavement construction: steel slug", Federal Highway Administration, (2012).
33. Das, B., Mohanty, J.K., Reddy, P.S.R., Ansari, M.I., "Characterisation and beneficiation studies of charge chrome slag", Scandinavian journal of metallurgy, 26(4): 153-157, (1997).
34. Zheng, L., Hai-Lin, Y., Wan-ping, W., Ping, C., "Dynamic stress and deformation of a layered road structure under vehicle traffic loads: experimental measurements and numerical calculations", Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 39:100-112, (2012).
35. KGM, "yol alt yapısı, sanat yapıları, köprü ve tüneller, üst yapı ve çeşitli işler", Karayolu Teknik Şartnamesi (KTŞ), Karayolları Genel Müdürlüğü, Ankara, (2013).
36. KGM, "bitümlü karışımlar laboratuvar çalışmaları", Karayolları Genel Müdürlüğü, Araştırma Geliştirme Dairesi Başkanlığı, Ankara, (2012).
37. Moghaddam, M.K.M., "Elektrik ark fırını (eaf) cürufu katkısının zeminlerin mühendislik özellikleri üzerine etkisi", Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, (2011).
38. Noureldin, A.S., McDaniel, R.S., "Evaluation of surface mixtures of steel slag and asphalt", Transportation Research Record, 1269:133-149, (1990).
39. Yılmaz, A., M. Karaşahin, "Mechanical properties of ferrochromium slag in granular layers of flexible pavements", Materials and Structures, 43(3): 309-317, (2010).
40. Yilmaz, A., İ. Sütaş, "Ferrokrom cürufunun yol temel malzemesi olarak kullanımı", İMO Teknik Dergi, 19 (93): 4455-4470, (2008).
41. Güngör, A.G., Sağlik, A., "Karayolları esnek üstyapılar projelendirme rehberi", K.T.A.D.B.Ü.Ş. Müdürlüğü, KGM, Ankara, (2008).
42. Güngör, A.G., Sağlik, A., "Karayolları esnek üstyapılar projelendirme rehberi", K.T.A.D.B.Ü.Ş. Müdürlüğü, KGM, Ankara, (2008).
43. Olsson, J., Zeng, L.F., Wiberg, N.E., "Finite element analysis of road rutting", European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering (ECCOMAS) Barcelona, 11-14, (2000).
44. Huang, Y.H., "Pavement analysis and design" 2th ed., Pearson Prentice Hall, NJ, (2004).
45. Haas, R., "Reinventing the (pavement management) wheel", 5th Annual Conference on Managing Pavements, Seattle, (2001).
46. Rahman, M.S., "Characterising the deformation behaviour of unbound granular materials in pavement structures", Ph.D. Thesis, KTH Royal Institute of Technology, Division of Highway and Railway Engineering, Department of Civil and Architectural Engineering, (2015).
47. Seyhan, Ü., Tutumluer, E., "Characterization of unisotropic granular layer behavior in flexible pavements", FAA Center of Excellence for Airport Technology, Federal Aviation Administration, Report No.18, Washington DC, (2002).
48. Seyhan, Ü., "Characterization of unisotropic granular layer behavior in flexible pavements", Ph.D. Thesis, University of Illinois, (2002).
49. Lekarp, F., Isacsson, U., Dawson, A., "State of the art. I: Resilient response of unbound aggregates", Journal of Transportation Engineering, 126(1): 66-75, (2000).
50. NCHRP, "Guide for mechanistic-empirical design of new and rehabilitated pavement structures: calibration of permanent deformation models for flexible pavements", National Research Council, Washington DC, (2004).
51. Barksdale, R.D., "Compressive stress pulse times in flexible pavements for use in dynamic testing", Highway Research Record, 345(4):32-44, (1971).
52. Wang, H., Al-Qadi, I.L., "Near-surface pavement failure under multiaxial stress state in thick asphalt pavement", Transportation Research Record, 2154(1): p. 91-99, (2010).
53. Tan, S., Low, B., Fwa, T., "Behavior of asphalt concrete mixtures in triaxial compression", Journal of Testing and Evaluation, 22(3): (195-203), (1994).
54. Mattos, J.R., Nunez, W.P., Ceratti, J.A., Zíngano, A., Fedrigo, W., "Shear strength of hot-mix asphalt and its relation to near-surface pavement failure–a case study in Southern Brazil", 6th Eurasphalt & Eurobitume Congress, Prague, (2016).
55. Duncan, J.M., Monismith, C.L., Wilson, E.L.; "Finite element analysis of pavements", Highway Research Record, 228:18-33, (1968).
56. Kim, M., "Three-dimensional finite element analysis of flexible pavements considering nonlinear pavement foundation behavior", Ph.D. Thesis, University of Illinois Urbana, Illinois, (2007).