Utilization of Coal Ashes from Tea Factory as Fine Aggregate in Concrete Roads

Öz

Concrete is one of the most demanded materials in the construction industry. The search for new materials that can be used instead of aggregate continues in order to protect natural resources, find solutions to the disposal problem of waste materials and reduce construction costs by using waste materials. In this study, it was aimed to determine whether the coal ash waste (CAW) generated in tea factories can be disposed of by using it instead of fine aggregate in road concrete. After the physical, chemical and morphological properties of CAW were determined, concrete pavement design was made by substituting 0-1 mm fine aggregate at the rates of 0%, 25%, 50%, 75% and 100%. Density and pH values of fresh concrete were measured and placed in molds. Hardened concrete test measurements consisting of Schmidt hammer, ultrasonic pulse velocity, capillary water absorption, compressive, flexural, splitting tensile and abrasion strength were carried out on the 7th and 28th days. Additionally, heavy metal leaching of 0% and 50% CAW substituted concretes was measured. As a result, it has been determined that CAW increases the capillary water absorption values of concrete types, reduces compressive strength, improves tensile strength up to 50% replacement rate, and does not create any change on abrasion resistance up to 50% replacement rate. According to the leakage test results, it has been determined that heavy metals can be eliminated by using CAW in concrete.

Anahtar Kelimeler

• Coal waste ash
• concrete road
• fine aggregate
• strength

Çay Fabrikalarında Açığa Çıkan Kömür Küllerinin Beton Yollarda İnce Agrega Olarak Değerlendirilmesi

Öz

İnşaat sektöründe en fazla talep edilen malzemelerden birisi betondur. Doğal kaynakların korunması, atık malzemelerin bertaraf sorununa çözüm bulunması ve atık malzeme kullanılarak inşaat maliyetlerinin düşürülmesi amacıyla agrega yerine kullanılabilecek yeni malzeme arayışları devam etmektedir. Bu çalışmada çay fabrikalarında ortaya çıkan kömür külü atığının (KKA) yol betonu içerisinde ince agrega yerine kullanılarak bertaraf edilebilirliğinin belirlenmesi amaçlanmıştır. KKA fiziksel, kimyasal ve morfolojik özellikleri tespit edildikten sonra %0, %25, %50, %75 ve %100 oranlarında 0-1 mm ince agregaya ikame edilerek beton yol tasarımı yapılmıştır. Taze betonların yoğunluk ve pH değerleri ölçülmüş ve kalıplara yerleştirilmiştir. Beton test çekici, ultrases geçiş hızı, kapiler su emme, basınç, eğilme, yarmada çekme ve aşınma dayanımlarından oluşan sertleşmiş beton deney ölçümleri 7. ve 28. günlerde gerçekleştirilmiştir. Ayrıca %0 ve %50 KKA ikameli betonların ağır metal sızıntısı ölçülmüştür. Sonuç olarak, KKA’nın beton türlerinin kapiler su emme değerlerini arttırdığı, basınç dayanımını azalttığı, çekme dayanımlarını %50 ikame oranına kadar iyileştirdiği, %50 ikame oranına kadar aşınma dayanımı üzerinde herhangi bir değişim yaratmadığı belirlenmiştir. Sızıntı testi sonuçlarına göre ise, KKA’nın betonda kullanılmasıyla ağır metallerin bertaraf edilebildiği tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Kömür külü atığı
• Beton yol
• İnce agrega
• dayanım

Kaynakça

1. Argane, R., Benzaazoua, M., Hakkou, R., Bouamrane, A. (2016). A comparative study on the practical use of low sulfide base-metal tailings as aggregates for rendering and masonry mortars. Journal of Cleaner Production, 112, 914–925. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.06.004
2. Arrigoni, A., Panesar, D.K., Duhamel, M., Opher, T., Saxe, S., Posen, I.D., MacLean, H.L. (2020). Life cycle greenhouse gas emissions of concrete containing supplementary cementitious materials: cut-off vs. substitution. Journal of Cleaner Production, 263, 121465. https://doi:10.1016/J.JCLEPRO.2020.121465
3. ASTM (2016). Standard test method for pulse velocity through concrete. ASTM International (C597), West Conshohocken, PA.
4. ASTM (2023). Standard specification for coal fly ash and raw or calcined natural pozzolan for use in concrete. ASTM International (C618-23e1), West Conshohocken, PA.
5. Azak Tüzün, D., Över Kaman, D., Göncü, S. (2020). Çimento harcı içerisinde kullanılan atık döküm kumunun çevresel risklerinin ve harç mekanik özelliklerine olan etkilerinin değerlendirilmesi. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 26(6), 1123–1132. https://doi:10.5505/pajes.2019.12571
6. Bekem Kara, İ. (2022). Characterization of copper tailings in Murgul Copper Plant, Turkey, and its utilization potential in cement mortar with nano- and micro-silica. Environmental Science and Pollution Research, 29(24), 36938–36950. https://doi:10.1007/S11356-021-18077-Y/TABLES/6
7. Çelik, M., Seferoğlu, M.T., Akpinar, M.V., Güneş Seferoğlu, A. (2020). Beton Yol Uygulamalarında Derz Türlerine Göre Düşey Deplasman Oluşumlarının İncelenmesi ve Maliyet Analizi: Trabzon-Rize Örneği. El-Cezeri, 7(2), 474–486. https://doi:10.31202/ECJSE.656138
8. Chindasiriphan, P., Meenyut, B., Orasutthikul, S., Jongvivatsakul, P., Tangchirapat, W. (2023). Influences of high-volume coal bottom ash as cement and fine aggregate replacements on strength and heat evolution of eco-friendly high-strength concrete. Journal of Building Engineering, 65, 105791. https://doi:10.1016/J.JOBE.2022.105791

9. Choi, W.H., Lee, S.R., Park, J.Y. (2009). Cement based solidification/stabilization of arsenic-contaminated mine tailings. Waste Management, 29(5), 1766–1771. https://doi:10.1016/J.WASMAN.2008.11.008
10. Cocke, D.L. (1990). The binding chemistry and leaching mechanisms of hazardous substances in cementitious solidification/stabilization systems. Journal of Hazardous Materials, 24(2–3), 231–253. https://doi:10.1016/0304-3894(90)87013-8
11. Gooi, S., Mousa, A.A., Kong, D. (2020). A critical review and gap analysis on the use of coal bottom ash as a substitute constituent in concrete. Journal of Cleaner Production, 268, 121752. https://doi:10.1016/J.JCLEPRO.2020.121752
12. Goswami, L., Sarkar, S., Mukherjee, S., Das, S., Barman, S., Raul, P., Bhattacharyya, P., Mandal, N.C., Bhattacharya, S., Bhattacharya, S.S. (2014). Vermicomposting of Tea Factory Coal Ash: Metal accumulation and metallothionein response in Eisenia fetida (Savigny) and Lampito mauritii (Kinberg). Bioresource Technology, 166, 96–102. https://doi:10.1016/j.biortech.2014.05.032
13. Hamada, H., Alattar, A., Tayeh, B., Yahaya, F., Adesina, A. (2022). Sustainable application of coal bottom ash as fine aggregates in concrete: A comprehensive review. Case Studies in Construction Materials, 16, e01109. https://doi:10.1016/J.CSCM.2022.E01109
14. Hasim, A.M., Shahid, K.A., Ariffin, N.F., Nasrudin, N.N., Zaimi, M.N.S. (2022). Properties of high volume coal bottom ash in concrete production. Materials Today: Proceedings, 48, 1861–1867. https://doi:10.1016/J.MATPR.2021.09.250
15. Kara, C., Kütük-Sert, T., Kütük, S. (2020). Öğütülmüş kolemanit içeren betonlarda sodyum klorür etkisi. Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 8 (2020) 499-510. https://doi.org/10.29130/dubited.553523
16. Mehra, P., Gupta, R.C., Thomas, B.S. (2016). Assessment of durability characteristics of cement concrete containing jarosite. Journal of Cleaner Production, 119, 59–65. https://doi:10.1016/J.JCLEPRO.2016.01.055
17. Qasrawi, H.Y. (2000). Concrete strength by combined nondestructive methods simply and reliably predicted. Cement and Concrete Research, 30(5), 739–746.
18. Rafieizonooz, M., Mirza, J., Salim, M.R., Hussin, M.W., Khankhaje, E. (2016). Investigation of coal bottom ash and fly ash in concrete as replacement for sand and cement. Construction and Building Materials, 116, 15–24. https://doi:10.1016/J.CONBUILDMAT.2016.04.080
19. Rozière, E., Loukili, A., El Hachem, R., Grondin, F. (2009). Durability of concrete exposed to leaching and external sulphate attacks. Cement and Concrete Research, 39(12), 1188–1198. https://doi:10.1016/J.CEMCONRES.2009.07.021
20. Singh, M., Siddique, R. (2014). Strength properties and micro-structural properties of concrete containing coal bottom ash as partial replacement of fine aggregate. Construction and Building Materials, 50, 246–256. https://doi:10.1016/J.CONBUILDMAT.2013.09.026
21. Sönmez, G., Işık, M. (2020). Kömür yanma atiklarinin çevresel etkileri ve kullanim alanlari. Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 9(1), 72–83. https://doi:10.28948/ngumuh.546144
22. TSE, (2004). 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 Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
23. TSE, (2010). TS EN 12390-6, Beton - Sertleşmiş beton deneyleri - Bölüm 6: Deney numunelerinin yarmada çekme dayanımının tayini. Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
24. TSE, (2011). TS EN 772-11, Kâgir birimler-deney metotları-bölüm 11:betondan,yapay ve doğal taştan yapılmış kâgir birimlerde kapiler su emme ve kil kâgir birimlerde ilk su emme hızının tayini. Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye. TSE, (2012). TS EN 197-1, Çimento - Bölüm 1: Genel çimentolar - Bileşim, özellikler ve uygunluk kriterleri. Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
25. TSE, (2013). TS EN 196-2, Çimento deney yöntemleri - Bölüm 2: Çimentonun kimyasal analizi. Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
26. TSE, (2015). TS EN 13892-3, Şap malzemeleri - Deney yöntemleri - Bölüm 3: Aşınma direncinin tayini - Böhme. Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
27. TSE, (2016). TS 802, Beton karışım tasarımı hesap esasları. Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
28. TSE, (2018). TS 1247, Beton yapım, döküm ve bakım kuralları (Normal hava koşullarında). Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
29. TSE, (2019a). TS EN 12350-2, Beton - Taze beton deneyleri - Bölüm 2: Çökme (slump) deneyi. Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
30. TSE, (2019b). TS EN 12350-6, Beton - Taze beton deneyleri - Bölüm 6: Birim hacim kütlesi. Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
31. TSE, (2019c). TS EN 12390-3, Beton - Sertleşmiş beton deneyleri - Bölüm 3: Deney numunelerinin basınç dayanımının tayin. Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
32. TSE, (2019d). TS EN 12390-5, Beton - Sertleşmiş beton deneyleri - Bölüm 5: Deney numunelerinin eğilme dayanımının tayini. Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
33. TSE, (2019e). TS EN 12390-2, Beton - Sertleşmiş beton deneyleri - Bölüm 2: Dayanım deneylerinde kullanılacak deney numunelerinin hazırlanması ve küre tabi tutulması. Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
34. TSE, (2021a). TS EN 206+A2, Beton - Özellik, performans, imalat ve uygunluk. Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
35. TSE, (2021b). TS EN 12504-2, Yapılarda beton deneyleri - Bölüm 2: Tahribatsız muayene - Geri sıçrama sayısının belirlenmesi. Türk Standardları Enstitüsü, Ankara, Türkiye.
36. Türkmenoğlu, M., Anıl, M., Erkuş, F.Ş. (2014). Ege Bölgesindeki Termik Santrallerden Alınan Uçucu Küllerin Liç Karakteristiklerinin Belirlenmesi. Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, 29(2), 131–140. https://doi:10.21605/cukurovaummfd.242823
37. Zhou, H., Bhattarai, R., Li, Y., Si, B., Dong, X., Wang, T., Yao, Z. (2022). Towards sustainable coal industry: Turning coal bottom ash into wealth. Science of The Total Environment, 804, 149985. https://doi:10.1016/J.SCITOTENV.2021.149985