Elektrik ark ocağı çelikhane cürufunun karayolu esnek üstyapı tabakalarında kullanımının ve karışım performansının araştırılması
Investigation of electric arc furnace slag utilization in flexible highway layers and mixture performance
Yazar: FATİH YONAR
Danışman: DOÇ. DR. MURAT ERGÜN ; PROF. DR. HÜSEYİN ATİLLA DİKBAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Ulaşım = Transportation
Dizin: Demir çelik endüstrisi = Iron steel industry ; Demir çelik sektörü = Iron steel sector ; Endüstriyel atıklar = Industrial wastes ; Taş mastik asfalt = Stone mastic asphalt ; Çevresel sürdürülebilirlik = Sustainable environment

Özet:
Hızla artan dünya nüfusu, gelişen teknoloji ve bu ikisine paralel olarak artan ihtiyaçlar
doğrultusunda kaynaklarımızın tüketimi, çağımızda yeni bir ivme kazanmıştır. Bu
süreçte insanlığın karşılaştığı felaketler ile kaynaklarımızın sınırsız olmadığı ve
gelecek nesillere de yaşama hakkı tanınması gerekliliği net bir şekilde anlaşılmıştır.
Bu kapsamda ilk olarak geri dönüşüm yaklaşımları benimsenmiş, içinde
bulunduğumuz 21. yüzyılda ise sürdürülebilirlik, üretimimizin vazgeçilmez bir koşulu
olmuştur.
Sürdürülebilirlik kapsamında yapılan araştırmalar ile üretimdeki enerji ve hammadde
tüketimleri her geçen gün azalmaktadır. Geleneksel geri dönüşüm yaklaşımlarının yanı
sıra bileşik ya da kompozit ürünlerin de geri dönüşümü sağlanmaktadır. Bunlara ek 
olarak, herhangi bir sektörde üretim sonrası ortaya çıkan atıklar, yan ürün olarak aynı
veya farklı bir sektörde değerlendirilmeye başlanmıştır.
Bu yaklaşımlar doğrultusunda, gelişmiş pek çok ülkede olduğu gibi Türkiye'de de
çevresel etkinin ve doğal kaynak tüketiminin azaltılması için alternatiflerin dikkate
alınması gerekmektedir. Bu kapsamda, son dönemde gösterdiği büyük ilerleme ile
çelik sektörü dikkat çekmektedir.
Türkiye, dünyanın en büyük 8. çelik üreticisi konumundadır ve yıllık üretimin %75'i
elektrik ark ocaklı tesislerde yapılmaktadır. Buna rağmen çelik üretiminde elde edilen
çelikhane cürufu, ülkemizde halen atık konumunda olup sadece %1'i kilitli parke taşı
imalatında kullanılmaktadır. Çevresel etkinin azaltılması açısından daha yoğun bir
kullanım alanının tanımlanması gerekmektedir. Bu kapsamda inşaat sektörü
Türkiye'de en çok hammaddeye ihtiyaç duyan öncü sektör olarak dikkat çekmektedir.
Yapılan araştırmalar ile çelikhane cürufu, gelişmiş ülkelerde atık olmaktan
çıkartılmıştır. Özellikle karayolu inşaatında yapay agrega olarak pek çok ülkede
kullanılmaktadır. Uluslarası örneklerden yola çıkılarak, bu doktora tezi çalışması
kapsamında çelikhane cürufunun karayolu üstyapı inşaatında yapay agrega olarak
kullanım olanakları ve performansı incelenmiştir.
Tez kaspamında kullanılan çelikhane cürufu, Türkiye'nin en büyük üçüncü elektrik
ark ocaklı çelik üreticisi olan Çolakoğlu Metalürji A. Ş.'nin Dilovası'ndaki
tesislerinden temin edilmiştir. Çelikhane cürufunun doğal agrega ile
karşılaştırılabilmesi için Ömerli-Alyans taş ocağından da dolomitik kalker taşı
alınmıştır.
İlk olarak temin edilen çelikhane cürufunun ve doğal agreganın bileşenleri X-ışını
kırınım yöntemi ile incelenmiştir. Her iki numunenin fiziksel özellikleri, Karayolları Teknik Şartnamesi 2013'te tanımlanan deneyler uyarınca araştırılmıştır. Elde edilen
kimyasal ve fiziksel veriler ile iki numune tanımlanmıştır.
İkinci aşamada her iki numunenin, fiziksel özellikler kapsamında yapılan deneylerden
elde edilen sonuçları, Karayolları Teknik Şartnamesi 2013 limitleri ile
karşılaştırılmıştır. Cürufun kullanımı açısından büyük öneme sahip olan metalik demir
ve serbest kireç içerikleri kimyasal analiz ile belirlenmiştir. Çelikhane cürufunun
çevresel etkisi, eluat ve orijinal malzeme üzerinden test edilmiştir. Çevresel etki
incelemesi kapsamında çelikhane cürufu için ölçülen parametreler, karşılaştırma için
doğal agregada da gözlemlenmiştir. Karayolları Teknik Şartnamesi 2013'te
tanımlanan granüler tabakalara göre ideal tane dağılımı ile maksimum kuru birim
hacim ağırlık, optimum su muhtevası ve California taşıma oranı değerleri
belirlenmiştir. En kötü senaryoyu canlandırabilmek için en yüksek kuru birim hacim
ağırlığa sahip olan numune, Agregaların Hidratasyondan Potansiyel Genleşmesi
Deneyi için seçlmiştir. Deney, ASTM D4792 standardı uyarınca gerçekleştirilmiştir.
En uygun karışım sıcaklığı belirlenmiş ve Karayolları Teknik Şartnamesi 2013
doğrultusunda, ideal granülometride, Marshall yöntemi ile aşınma, taş mastik asfalt,
binder ve bitümlü temel karışımları üretilmiştir. Optimum bağlayıcı oranları,
maksimum teorik birim hacim ağırlığın hesaplandığı geleneksel yöntem ve maksimum
teorik birim hacim ağırlığın ölçüldüğü deneysel yöntem ile belirlenmiş, her iki
yaklaşım ile elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır. En uygun sonuçların deneysel
yaklaşım ile elde edildiğine karar verilmiş, bu yaklaşım ile elde edilen optimum
bağlayıcı oranları kullanılarak kontrol briketleri üretilmiştir. Kontrol briketlerinden
elde edilen sonuçlar, hedeflenenlerle karşılaştırılmıştır. Sonuçların benzer olduğu
belirlenmiş, performans deneyi numuneleri üretilmiştir. Performans deneylerine,
karışımların sudan kaynaklanan bozulmalara dirençlerinin belilenebilmesi için
Lottman deneyi ile başlanmıştır. İkinci olarak tekerlek izinde oturma deneyi Hamburg
yöntemi ile gerçekleştirilmiştir. Son olarak numunelerin yorulma ömrüleri
belirlenmiştir.
Üçüncü aşamada, elde edilen deney sonuçları kendi içlerinde ve literatür ile
kıyaslanmıştır. Karayolları Teknik Şartnamesi 2013 limitleri dışında kalan deney
sonuçları irdelenmiştir. Ekonomik analiz kapsamında, çelikhane cürufunun birim
fiyatı, ekonomik taşıma mesafesi ve karışım maliyetleri hesaplanmıştır.
Son olarak çevresel etki, kimyasal içerik, fiziksel özellikler, ekonomi ve performans
açısından çelikhane cürufunun kullanımı irdelenmiş, öneriler sunulmuştur.

Abstract:
Resource consumption has gained a new momentum in our era by the effect of rising
needs, parallel to population growth and technological advances. In this period with
the effects of disasters mankind have understood that our resources are not unlimited
and posterity have the right to live. In this context recycling approaches have been
adopted. With the begining of 21st century, sustainabilty has been an irreplacable
condition of produciton.
Energy and raw materials consumption has started to decrease day by day with the
resaerches about sustainability. Alongside conventional recycling approaches,
recycling of composite products has been provided. In addition to these, waste of an
industry has started to be evaluated as the raw material of another industry.
In line with these developments, to reduce the environmental impact of raw material
production and consumption of natural resources in Turkey, alternatives should be
taken into consideration as have been in many developed countries. Accordingly steel
industry attracts attention with developments in recent years.
Turkey is the 8th biggest steel producer in the world and 75% of annual steel
production is obtained from electric arc furnaces. However just 1% of steel slag
occurred from total steel production is used for manufacturing interlocking paving
stones. Another high volume area of utilization should be specified in order to reduce
the environmental impact. In this context construction industry attracts attention as the
highest comsumer of raw materials and leader sector in Turkey.
Steel slag has been removed from waste group and accepted as a by-product in
developed countries. It is used as an artificial aggregate in many countires espacially
in highway construction. On the basis of international examples, utilization
probabilities and performance of electric arc furnace steel slag as an artificial aggregate
in flexible highway superstructure has been investigated in this thesis.
Electric arc furnace steel slag used in this thesis is obtained from Turkey's 3rd biggest
electric arc furnace steel producer Çolakoğlu Metalürji A. Ş. Steel Plant in Dilovası.
For comparison dolomitic limestone is obtained from Ömerli-Alayns quarry in
Istanbul.
Firstly components of steel slag and natural aggregate are investigated by X-Ray
diffraction method. Main components of steel slag are accepted as total iron, MgO,
SiO2, MnO, total lime and Al2O3 according to literature. These components are
researched in both natural aggregate and steel slag.
In order to determine physical properties of samples, tests identified in Highway
Technical Specifications 2013 are chosen. These tests include; unit weight, water
absorption, organic material content, Atterbeg limits, methylene blue, clay lumps and friable particles, flakiness index, soundness of aggregates b sodium suphate, resistance
to degradation, polishing resistance and stripping resistance. All tests are performed
for both samples.Test results are compared with each other and Highway Technical
Specifications 2013 limits. Water absorption and friable particle content of steel slag
were beyond the limits of Highway Technical Specifications 2013.
Cooling steel slag by water spray is a general process in electric arc furnace steel
producing facilities in Turkey. In this process; especially the surface of hot slag (1.100
– 1.500 oC) is immediately cooled. Gases are trapped inside the slag in this cooling
process. Therefore steel slag takes a porous structure. High water absorption values
originates from this porous structure. Besides high friable particle content originates
from free lime.
Porous structure problem may be solved by different cooling processes. However these
processes need sizable ivestment and new infrastructure. Therefore scope of this thesis
based on the utilization of steel slag with its present physical properties and minimum
investment.
Free lime originates from purification process of scrap with lime in laddle. It is a small
amount of total lime in steel slag and can be removed by weathering.
Chemical analyses are performed in order to determine metallic iron and free lime
content of steel slag. These contents are accepted as critical compunds of slag because
of oxidation and expansion probability. Oxidation of metallic iron may cause adhesion
loss and free lime may cause expansion with hydration by the effect of water.
Ecological analysis of steel slag is investigated from eluate and original material
according to national solid waste disposal specifications. Flouride, sulphate, total
dissolved material, dissolved organic carbon, chloride, copper, barium, mercury,
nickel, antimon, arsenic, cadmium, total chrome, lead, selenium, molibden, zinc, fenol
index, pH, total organic carbon, loss of ignition, BTEX, mineral oil and derivatives
and PCB parameters are researched. According to test results, it is determined that
steel slag is in non-hazardous waste class. Two parameters were above the limits of
inert waste class. These parameters are total dissolved material and nickel
concentration. It is predicted that the total dissolved material amount is based on free
lime content. Therefore this problem may be solved by weathering. In weathering
process, lime hydrates and becomes Ca(OH)2. If the weathering process is kong
enough, with the effect of CO2, Ca(OH)2 becomes CaCO3. CaCO3 is a tough structure
that have low solubilty in water. Formation of CaCO3 is called as armoring process.
After armoring process, leaching of metals decreases.
Granular layers are examined according to Highway Technical Specifications 2013
granulometry limits. Steel slag is not accepted as a by-product in Turkey. Hence
particle distrubition differs according to facility's requirements. Therefore ideal
granulometry is used for each granular layer. There are two main types of granular
layers in Highway Technical Specifications 2013; subbase and base. Subbase has two
different types. Base has two subtypes as granular base and plant mix base which have
three and two types respectively. All granular layers are investigated in this thesis to
determine their properties as well as to choose the worst sample for expansion test.
Optimum water content, maximum dry density and California bearing ratios of all
granular layers determined for steel slag and natural aggregate.
Sample with the highest maximum dry density is chosen for potential expansion of
aggregates from hydration test for the worst scenario case. Test is performed according to ASTM D4792 standard. Expansion ratio is determined in the limits of ASTM D4792
standard
Four types of bituminous mixtures are produced. There are bituminous base, binder,
wearing course and stone matrix asphalt. Mainly used types of these mixtures are
produced. As specified in granular layers, ideal granulometry is used in mix designs.
In order to decrease optimum bitumen content due to high water absorption, two
approaches adopted. Firstly mixing temperature is decreased to 145 – 150 oC range.
Through binder would behave more viscous and isolate voids instead of filling them.
Secondly experimental approach introduced. In experimental approach, maximum
theorotical weight is measured instead of calculation.
Optimum binder contents are determined by both experimental approach in which
maximum theoritical weight is measured and conventional approach in which
maximum theoritical weight is calculated. Results obtained form both approaches are
compared. According to comparison it is decided that the best results are obtained from
experimental approach.
Control mixtures are produced with optimum binder contents obtained from
experimental approach. Results obtained from control mixtures are compared with
projected data. According to comparison it is observed that the results were close.
Performance test specimens are produced according to optimum binder contents
obtained from experimental approach.
Performance tests are started by Lottman tests for determination of resistance to water
damage. Secondly rutting tests are performed according to Hamburg method. Lastly
fatigue life of samples are determined.
In third phase, test results are compared between each other and with the literature.
Obtained test results beyond Highway Technical Specifications 2013 limits are
criticised. Unit price, economical hauling distance and mixture costs of steel slag are
calculated in economical analysis.
Lastly utilization of steel slag is examined according to ecological effect, chemical
content, physical properties, economy and performance besides suggestions are
presented.