Determination of the Effect of the Position of Geosynthetic Layers on Road Layers using Steel Slag

Öz

On highways, one of the most important transportation networks, structural deformations such as fatigue cracks and ruts are encountered on the road surface due to constant vehicle traffic. In designs where deterioration occurs, complete reconstruction of the road may be required, as well as maintenance and repair work. In many countries, the use of aggregates required for highways becomes difficult. Considering this situation, steel slag is also used as road aggregate to increase the contribution of waste materials to recycling and to provide material supply. Use of steel slag in the granular layers of the road both increases the stability of the road structure and provides an efficient use of natural resources. In this study, numerical analyses were performed for the sections in four different combinations created by using steel slag and natural aggregate in the foundation and/or sub-base layers. In addition, static analyses were carried out for three different settlement situations to determine the effect of the number of layers in which geosynthetic reinforcement was placed. The results of the analyses showed that the vertical deformation effect was successfully reflected in the case of using steel slag in the lower foundation layer, in accordance with the literature, in the sections formed with steel slag. It is also one of the important findings that in the case of using two rows of geogrid reinforcement, there is a greater decrease in the deformation value compared to the use of a single row.

Anahtar Kelimeler

• Static analysis
• steel slag
• geogrid
• deformation
• position of reinforcement

Çelik Cürufu Kullanılan Yol Katmanlarında Geosentetik Tabaka Konumunun Etkisinin Belirlenmesi

Öz

En önemli ulaşım ağlarından biri olan karayollarında sürekli taşıt trafiğine bağlı olarak yol yüzeyinde yorulma çatlakları, tekerlek izleri gibi yapısal deformasyonlarla karşılaşılmaktadır. Bozulmaların meydana geldiği tasarımlarda bakım ve onarım çalışmalarının yanı sıra yolun tümüyle yeniden inşası da gerekebilmektedir. Birçok ülkede karayolları için gerekli olan agregaların kullanımı hem doğal kaynakların azalması hem de kaynağa uzak olması nedeniyle zorlaşmaktadır. Bu durum göz önünde bulundurulduğunda atık malzemelerin geri dönüşüme katkısının artırılması ve malzeme temininin sağlanması açısından çelik cürufu da yol agregası olarak kullanılmaktadır. Bu amaçla çelik cürufunun yolun granüler katmanlarında kullanımı sayesinde hem yol yapısının stabilite kazanması hem de doğal kaynaklarının verimli kullanımı mümkün olmaktadır. Bu çalışmada temel ve/veya alt temel tabakalarında çelik cürufu ve doğal agrega kullanılarak oluşturulan dört farklı kombinasyondaki kesitler için sayısal analizler yapılmıştır. Ayrıca geosentetik donatı yerleştirilen tabaka sayısı etkisinin belirlenmesi amacıyla üç farklı yerleşim durumu için statik analizler gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları, çelik cürufu ile oluşturulmuş kesitlerde literatür ile uyumlu olacak bir şekilde alt temel tabakasında çelik cürufu kullanılması halinde düşey deformasyona etkisinin başarılı bir şekilde yansıdığı görülmüştür. İki sıra geogrid donatı kullanılması durumunda deformasyon değerinde tek sıra kullanımına kıyasla daha fazla azalma meydana geldiği de elde edilen önemli bulgulardan biridir.

Anahtar Kelimeler

• Statik analiz
• çelik cürufu
• geogrid
• deformasyon
• donatı konumu

Kaynakça

1. European Commission. (2020, March). A New Circular Economy Action Plan for a Cleaner and More Competitive Europe. European Commission: Brussels, Belgium. [Online]. Available: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=COM%3A2020%3A98%3AFIN
2. J. Choudhary, B. Kumar, A. Gupta, “Utilization of solid waste materials as alternative fillers in asphalt mixes: A review”, Constr. Build. Mater., vol. 234, 117271, (2020).
3. A. Woszuk, L. Bandura, W. Franus, “Fly ash as low cost and environmentally friendly filler and its effect on the properties of mix asphalt”, J. Clean. Prod, vol. 235, pp. 493-502, (2019).
4. C. Plati, “Sustainability factors in pavement materials, design, and preservation strategies: A literature review”, Constr. Build. Mater., vol. 211, pp. 539–555, (2019).
5. Y. Jiang, T.C. Ling, C. Shi, S.Y. Pan, “Characteristics of steel slags and their use in cement and concrete-A review”, Resources, Conservation and Recycling, vol. 136, pp. 187-197, (2018).
6. B.A. Abd Alhay, A.K. Jassim, “Steel Slag Waste Applied to Modify Road Pavement”. IOP Publishing in Journal of Physics: Conference Series, vol. 1660(1), 012067, (2020).
7. M. Shiha, S. El-Badawy, A. Gabr, “Modeling and performance evaluation of asphalt mixtures and aggregate bases containing steel slag”, Construction and Building Materials, vol. 248, 118710, (2020).
8. M. Pasetto, N. Baldo, “Mix design and performance analysis of asphalt concretes with electric arc furnace slag”, Construction and Building Materials, vol. 25(8), pp. 3458-3468, (2011).

9. H. Kumar, S. Varma, “A review on utilization of steel slag in hot mix asphalt”, International Journal of Pavement Research and Technology, vol. 14, pp. 232-242, (2021).
10. G. Wang, Y. Wang, Z. Gao, “Use of steel slag as a granular material: Volume expansion prediction and usability criteria”, Journal of Hazardous Materials, vol. 184(1-3), pp. 555-560, (2010).
11. C. Maharaj, D. White, R. Maharaj, C. Morin, “Re-use of steel slag as an aggregate to asphaltic road pavement surface”, Cogent Engineering, vol. 4(1), 1416889, (2017).
12. Z. Chen, Z. Gong, Y. Jiao, Y. Wang, K. Shi, J. Wu, “Moisture stability improvement of asphalt mixture considering the surface characteristics of steel slag coarse aggregate”, Construction and Building Materials, vol. 251, 118987, (2020).
13. M.R. Hainin, G. Rusbintardjo, M.A.S. Hameed, N.A. Hassan, N.I.M. Yusoff, “Utilization of steel slag as an aggregate replacement in porous asphalt mixtures”, J. Teknol, vol. 69(1), pp. 67-73, (2014).
14. L. He, C.Y. Zhan, J. Gao, J. Xie, T.Q. Ling, “Application status of steel slag asphalt mixture”, Journal of Traffic and Transportation Engineering, vol. 20(2), pp. 15-33, (2020).
15. H. Karadag, S. Fırat, N.S. Işık, G. Yılmaz, “Determination of permanent deformation of flexible pavements using finite element model”, Građevinar, vol. 74(06), pp. 471-480, (2022).
16. BOF SLAG: Basic oxygen furnace (Thailand Trading Company) - Mining Machine - Industrial Supplies Products - DIYTrade China manufacturers, DIYTrade.com. [Online]. Available: https://www.diytrade.com/china/pd/20376629/BOF_SLAG_Basic_oxygen_furnace.html (accessed Mar. 07, 2023).
17. O. US EPA, “Electric Arc Furnace (EAF) Slag,” Jun. 03, 2021. [Online]. Available: https://www.epa.gov/smm/electric-arc-furnace-eaf-slag
18. [Online]. Available: https://electrodepaste.en.made-in-china.com/product/lFXJIhZjMrVc/ChinaLadle-Furnace Refining-Slag-Fuesd-Sythetic-Slag.html (accessed 25 July 2023)
19. H. Qasrawi, “Use of Relatively High Fe 2 O 3 Steel Slag as Coarse Aggregate in Concrete”, ACI Materials Journal, vol. 109(4), pp. 471-478, (2012).
20. H. Karadağ, S. Fırat, N.S. Işık, “Çelikhane Cürufunun Yol Temel ve Alttemel Malzemesi Olarak Kullanılması”, Politeknik Dergisi, vol. 23(3), pp. 799-812, (2020).
21. M. Özsoy, S. Fırat, “Çelik Cürufu ile Yapılan Yol Katmanlarının Sayısal Analizleri”, Politeknik Dergisi, in press, (2023).
22. S.W. Perkins, M. Ismeik, “A synthesis and evaluation of geosynthetic-reinforced base layers in flexible pavements-part-i.” Geosynthetics International, vol. 4(6): pp. 549-604, (1997).
23. H. Karadağ, “Yol Temel ve Alttemel Tabakalarında Kullanılan Çelikhane Cürufunun Dinamik Performansının Sonlu Elemanlar Analizi ile Değerlendirilmesi”, Doktora Tezi , Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, pp.70-133, (2020).
24. J. M. Duncan, C. L. Monismith and E. L. Wilson, “Finite element analysis of pavements”. Highway Research Record, vol.228, no. 18-33, pp.157, (1968).
25. M. Kim, “Three-dimensional finite element analysis of flexible pavements considering nonlinear pavement foundation behavior”. Ph.D. Thesis, University of Illinois Urbana, Illinois, 57-70, (2007).
26. B. Saad, H. Mitri and H. Poorooshasb, “Three-dimensional dynamic analysis of flexible conventional pavement foundation”. Journal of transportation engineering, vol. 131(6), pp. 460-469, (2005).
27. S. M. Zaghloul and T. White, “Use of a three-dimensional, dynamic finite element program for analysis of flexible pavement”. Transportation research record, (1388), (1993).
28. W. Uddin and L. Ricalde, “Nonlinear material modeling and dynamic finite element simulation of asphalt pavement”. In Fourteenth Engineering Mechanics Conference. (2000).