İnşaat yıkıntı atıkları ve endüstriyel atıkların kısa dönemli filtrasyon özelliklerinin deneysel olarak belirlenmesi
Experimental investigation on short-term filtration behaviour of construction demolition wastes and industrial by-products
Yazar: BURAK BULUT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA HATİPOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Günümüzün hızlı nüfus artışı ve kentleşme süreçleri, doğal kaynakların hızla tükenmesine ve çevresel sorunların daha belirgin hale gelmesine neden olmaktadır. Artan nüfus, beraberinde daha fazla yapılaşma ihtiyacını getirirken, inşaat sektörü büyük miktarlarda hammadde tüketimi ve enerji talebi yaratmaktadır. Bu durum, doğal kaynakların sürdürülebilir bir şekilde yönetilmesi gerekliliğini ortaya koymaktadır. Özellikle beton, çimento, asfalt gibi yaygın olarak kullanılan inşaat malzemeleri, üretimleri sırasında yüksek enerji ve su tüketimi gerektirdiği gibi, üretim sonrası ciddi miktarda atık üretimine de sebep olmaktadır. Bu atıkların uygun şekilde yönetilmemesi durumunda, çevre üzerinde olumsuz etkiler yaratmakta, hava ve su kirliliğine yol açarak ekosistem dengesini bozabilmektedir. Aynı zamanda, inşaat faaliyetleri sonucu ortaya çıkan büyük miktarlardaki atıklar, geleneksel bertaraf yöntemleriyle çevresel sorunlara neden olmaktadır. İnşaat ve yıkım faaliyetleri sonucu ortaya çıkan yıkıntı atıkları ve endüstriyel atıkların genellikle doğrudan depolama sahalarına yönlendirilmektedir. Ancak, çöp sahalarının dolması, bu alanların uzun vadede sürdürülebilir olmaması ve atıkların ayrıştırılmadan bertaraf edilmesi gibi sorunlar, bu yöntemlerin sınırlı olduğunu göstermektedir. Çöp sahalarının dolması, enerji tüketimi ve ekosistem üzerindeki olumsuz etkiler, bu atıkların daha verimli bir şekilde değerlendirilmesi ihtiyacını doğurmaktadır. Ayrıca, atık yönetimi sürecinde oluşan sera gazı salınımı ve CO2 emisyonu da küresel ısınma ve iklim değişikliği gibi ciddi çevresel sorunları tetiklemektedir.
İnşaat yıkıntı atıkları ve endüstriyel atıklar karayolları, istinat duvarları ve dolgu yapılarında alternatif malzemeler olarak değerlendirilmektedir. Bu çalışma, geri kazanılmış asfalt (RAP), geri kazanılmış beton (RCA) ve çelik cürufu (SS) gibi atık malzemelerin karayolları alt yapıları ve istinat duvarı dolgularında kullanılabilirliğini incelemektedir. Özellikle bu malzemelerin kısa dönemli filtrasyon özellikleri deneysel olarak analiz edilmiştir. Her ne kadar uzun dönemli filtrasyon performansı daha belirleyici olsa da bu deneylerin uzun zaman alması nedeniyle kısa dönemli hidrolik iletkenlik değişimlerine odaklanılmıştır. Bu kısa dönemli analizler, uzun dönemli filtrasyon deneyleri için bir ön kaynak olarak değerlendirilecek ve gelecekte yapılacak bu tür deneylerin zeminini oluşturacaktır. Çalışmada, farklı açıklıklara sahip örgüsüz geotekstiller kullanılarak kısa dönemli filtrasyon performansları incelenmiş ve en uygun AOS (görünür göz açıklığı) değerine sahip geotekstil malzemesi belirlenmeye çalışılmıştır. Bu incelemeler, malzemelerin hidrolik iletkenlik değişimlerine dayalı olarak yapılmış ve malzemeler ile geotekstil kombinasyonlarının hidrolik iletkenlik değerleri belirli bir mertebede bulunmuştur. Bu sonuçlar hem atık malzemelerin hem de geotekstil kombinasyonlarının karayolları ve istinat duvarı dolgularında kullanım potansiyelini göstermekte ve uzun dönemli uygulamalar için sağlam bir temel oluşturmaktadır.
Kullanılan malzemeler arasında geri kazanılmış asfalt (RAP), geri kazanılmış beton (RCA) ve çelik cürufu (SS) yer almakta olup, bu malzemeler doğal agrega (NA) ile karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Malzemeler farklı özelliklere sahip olup, her biri inşaat yıkıntı atıkları veya endüstriyel atıklar sınıfına girmektedir. RAP, asfalttan geri kazanılmış malzeme olup, özellikle bitümlü bağlayıcı içerir ve karayolu yapılarında yaygın olarak kullanılır. RCA ise inşaat projelerinden geri kazanılmış beton malzemesidir ve genellikle yüksek mukavemeti ve dayanıklılığı ile bilinir. SS, çelik üretimi sırasında yan ürün olarak elde edilen bir malzeme olup, yüksek yoğunluk ve mukavemet özellikleriyle öne çıkar. Bu malzemelerin her biri, inşaat sektöründe sürdürülebilir alternatifler sunmakta ve doğal kaynakların korunmasına katkı sağlamaktadır. Deneylerde kullanılan doğal agrega (NA) ise referans malzeme olarak seçilmiş ve geri kazanılmış malzemelerle kıyaslama yapılmıştır. Bu dört farklı malzeme, Karayolları Teknik Şartnamesi (2013) ve AASHTO (1993) standartlarına uygun olarak hazırlanmıştır. Malzemeler, belirlenen dane çapı dağılımına ve şartlara göre hazırlanmış, ince ve kaba dane çapı dağılımlı numuneler olarak sınıflandırılmıştır. Bu numuneler, filtrasyon ve drenaj performanslarını incelemek için farklı hidrolik koşullar altında test edilmiştir.
Bu çalışmada kullanılan deneylerin başında Kabarcıklı Tüp Permeabilite Deneyi (BTP) gelmektedir. Bu deney hem geotekstil malzemeleri hem de atık malzemeler ile yapılan sistemlerde kısa dönemli hidrolik iletkenlik değerlerini belirlemek için tercih edilmiştir. BTP farklı hidrolik eğimler altında büyük boyutlu numunelerin test edilmesine olanak sağlar ve numunelerde oluşabilecek sıkışmalar veya tıkanmaları simüle ederek performans değerlendirmesi yapar. Bu deneyde, numuneler belirli bir basınç altında suya maruz bırakılarak hidrolik iletkenlik katsayıları belirlenmiştir. BTP'ye ek olarak, özgül ağırlık (piknometre) deneyi de tüm malzemeler için uygulanmıştır. Bu deney, malzemelerin yoğunluklarını belirlemek amacıyla kullanılmıştır. Bir diğer önemli deney ise kompaksiyon deneyleridir. 
Bu tezde hem standart Proctor hem de modifiye Proctor deneyleri, numunelerin maksimum kuru birim hacim ağırlıklarını ve optimum su muhtevalarını belirlemek amacıyla yapılmıştır. Standart Proctor ve modifiye Proctor deneyleri, farklı sıkıştırma enerjileri kullanılarak uygulanmış ve her iki enerji seviyesi için numuneler titizlikle hazırlanmıştır. Özellikle SS-2 numunesi için, kaba dane çapı dağılımına sahip numunelerde yapılan sıkıştırma işlemi sırasında, standart Proctor ve modifiye Proctor enerji seviyelerinde maksimum kuru birim hacim ağırlığı ve optimum su muhtevası değerlerinin birbirine çok yakın olduğu tespit edilmiştir. Bu bulgu, bu numunenin sıkıştırma enerjisinden bağımsız olarak benzer sonuçlar verdiğini ortaya koymaktadır. Bu aşamada elde edilen maksimum kuru birim hacim ağırlıkları ve optimum su muhtevaları, Kaliforniya Taşıma Oranı (CBR), Kabarcıklı Tüp Permeabilite Deneyi (BTP) ve şişme deneyleri için numune hazırlığında kritik bir rol oynamaktadır. Numunelerin doğru sıkıştırma koşullarında hazırlanması, bu deneylerden elde edilecek sonuçların doğruluğu açısından büyük önem taşır. Özellikle CBR ve BTP gibi deneyler, numunenin sıkıştırma enerjisiyle doğrudan ilişkili olduğundan, Proctor deneylerinde elde edilen bu veriler, sonraki aşamalarda numunelerin performansını etkileyen temel unsurlar olarak öne çıkmaktadır. Bu nedenle, Proctor deneyleriyle elde edilen sonuçlar, hidrolik iletkenlik, taşıma kapasitesi ve şişme potansiyelini belirlemede hayati bir öneme sahiptir.
Kaliforniya Taşıma Oranı (CBR) deneyleri de bu çalışmada önemli bir yer tutmaktadır. CBR deneyleri, numunelerin taşıma kapasitesini belirlemek amacıyla hem optimum su muhtevasında hem de yaş halde gerçekleştirilmiştir. Standart Proctor ve modifiye Proctor enerji seviyelerinde hazırlanan numuneler, CBR kalıplarında test edilmiş ve her numunenin optimum ve doygun haldeki taşıma oranları hesaplanmıştır. Özellikle çelik cürufu (SS) numunelerinde yaş halde şişme potansiyeli incelenmiş ve sonuçlar analiz edilmiştir. Deney sonunda, şişme potansiyelinin gözlenmemesi, çelik cürufunun uzun süre dış ortamda kalması ve oksidasyon geçirmesiyle açıklanmıştır. Permitivite deneyi de bu çalışmada kullanılan bir diğer önemli deneydir. Bu deney, geotekstil malzemelerin su geçirgenlik özelliklerini belirlemek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Deney, geotekstillerin VH50 su geçirimliliği ve filtrasyon performanslarını incelemek amacıyla yapılmış, farklı göz açıklıklarına sahip geotekstillerin kısa dönemli hidrolik iletkenlik değerleri belirlenmiştir.
BTP deneyleri sonunda, numunelerden alınan mikro fotoğraflar ile geotekstil malzemelerinde oluşan tıkanmalar veya dane hareketleri dikkatle incelenmiştir. Bu mikro fotoğraflar, malzemelerin kısa dönemli filtrasyon performansını değerlendirirken önemli veriler sunmuştur. Mikro fotoğraf analizlerinin yanı sıra, deney sonrası yapılan eleme analizleri ile numunelerde meydana gelebilecek malzeme göçü ve dane kayıpları da detaylı olarak incelenmiştir. Bu analizler, geotekstil malzemeleriyle oluşturulan sistemlerde filtrasyon sırasında meydana gelen fiziksel değişiklikleri ortaya koymak adına kritik bir rol oynamıştır.
Elek analizlerinin yapılmasının bir diğer nedeni, numunelerin kompaksiyon işlemi sırasında kalıba yerleştirilirken başlangıçta belirlenen dane çapı dağılımına uygunluğunu kontrol etmektir. Bu analizler, numunelerin hazırlık aşamasında herhangi bir kırılma veya dane çapı dağılımında bozulma olup olmadığını tespit etmek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Özellikle yüksek sıkıştırma enerjileriyle uygulanan kompaksiyon işlemleri sırasında, numunelerde dane yapısında değişiklikler meydana gelebilir ve bu da malzemenin hidrolik iletkenlik ve filtrasyon performansını doğrudan etkileyebilir. Yapılan eleme analizleri, numunelerde kırılma veya dağılımda bozulma olup olmadığını gösterdiği gibi, geotekstil üzerinde biriken malzemelerin türünü ve miktarını da belirlemek için önemli veriler sunmuştur.
Deney sonuçlarında, farklı açıklıklara sahip örgüsüz geotekstillerin kullanıldığı sistemlerde hidrolik iletkenlik katsayılarında önemli değişiklikler tespit edilmiştir. Bu doğrultuda, kısa dönem filtrasyon sonuçlarına dayanarak uzun dönem filtrasyon deneyleri için en uygun geotekstil belirlenmiştir. Deneyler sonrasında alınan mikro fotoğraflar ile geotekstillerin tıkanma performansı analiz edilmiş ve geotekstil malzemesinin uzun dönem kullanımına uygunluğu değerlendirilmiştir. Sonuçlar, geri kazanılmış asfalt, beton ve çelik cürufu gibi malzemelerin doğal agrega yerine kullanımının kısa dönemli drenaj performansında olumlu etkiler yaratabileceğini göstermiştir.

Abstract:
The rapid population growth and urbanization processes of today have led to the accelerated depletion of natural resources and have made environmental issues more pronounced. The increasing population brings with it a greater demand for infrastructure, with the construction sector consuming vast amounts of raw materials and energy. This situation underscores the need for sustainable management of natural resources. Commonly used construction materials, such as concrete, cement, and asphalt, require high energy and water consumption during their production, and they also generate significant amounts of waste post-production. Improper management of this waste can result in adverse environmental impacts, causing air and water pollution, and disrupting ecosystem balance. At the same time, large volumes of waste generated by construction activities are causing environmental problems when managed through traditional disposal methods. Construction and demolition activities result in waste and industrial by-products that are often directed to landfills. However, the overfilling of landfills, their unsustainable nature in the long term, and the failure to segregate waste for disposal highlight the limitations of these methods. The overuse of landfill space, energy consumption, and negative impacts on ecosystems demonstrate the need for more efficient utilization of these wastes. Furthermore, the emissions of greenhouse gases and CO2 during waste management processes contribute significantly to global warming and climate change, posing severe environmental challenges.
The concept of sustainability plays a significant role today in promoting both environmental responsibility and economic benefits. The reuse of construction and demolition waste, as well as industrial by-products, emerges as a critical solution within this framework. The utilization of recyclable materials contributes to the preservation of natural resources and the reduction of construction costs. When demolition waste is properly reclaimed, it can reduce dependence on natural raw materials and extend the lifespan of existing resources. Thus, the use of recycled materials in new projects can minimize environmental impacts. The evaluation of recycled materials such as reclaimed asphalt pavement (RAP), recycled concrete aggregate (RCA), and steel slag (SS) contributes not only to energy savings in the construction sector but also significantly aids in the conservation of natural resources. This approach not only reduces the amount of waste directed to disposal but also minimizes the environmental impact by incorporating recycled materials into new projects. The proper utilization of construction and demolition waste, as well as industrial by-products, offers sustainable solutions in waste management strategies, facilitating the long-term preservation of natural resources. In this process, determining whether reclaimed materials possess adequate mechanical and hydraulic properties for suitable engineering applications is crucial for sustainable construction projects. The use of waste materials in geotechnical applications provides an environmentally friendly solution, while also contributing to cost reduction and enhancing the sustainability of construction projects.
Construction and demolition waste, as well as industrial by-products, are being evaluated as alternative materials for use in highways, retaining walls, and embankment fills. This study examines the applicability of recycled asphalt pavement (RAP), recycled concrete aggregate (RCA), and steel slag (SS) in highway infrastructure and retaining wall fills. Specifically, the short-term filtration properties of these materials have been experimentally analysed. Although long-term filtration performance is more conclusive, the time required for such experiments has led to a focus on the short-term changes in hydraulic conductivity. These short-term analyses will serve as a preliminary reference for long-term filtration experiments and lay the groundwork for future research in this field. In this study, nonwoven geotextiles with varying apparent opening sizes (AOS) were utilized to assess short-term filtration performance, with the goal of identifying the most suitable geotextile material based on AOS. These evaluations were conducted based on changes in hydraulic conductivity, and the hydraulic conductivity values of material-geotextile combinations were found to be within a certain range. The findings highlight the potential use of both the recycled materials and geotextile combinations in highway and retaining wall fills and provide a solid foundation for their long-term application.
The materials used in this study include reclaimed asphalt pavement (RAP), recycled concrete aggregate (RCA), and steel slag (SS), which were analysed in comparison to natural aggregate (NA). These materials possess distinct characteristics, with each classified as either construction demolition waste or industrial by-products. RAP is a material reclaimed from asphalt, containing bituminous binder, and is widely used in roadway construction. RCA, on the other hand, is recycled from construction projects and is known for its high strength and durability. SS is a by-product of steel production, characterized by its high density and strength. Each of these materials offers sustainable alternatives in the construction sector and contributes to the conservation of natural resources. Natural aggregate (NA) was selected as the reference material in the experiments, and comparisons were made with the recycled materials. These four different materials were prepared according to the specifications outlined in the Turkish Highway Technical Specifications (2013) (KTŞ) and AASHTO (1993) standards. The materials were classified as fine and coarse-graded samples, with the particle size distribution prepared according to the specified conditions. These samples were tested under various hydraulic conditions to evaluate their filtration and drainage performance.
Among the experiments utilized in this study, the Bubble Tube Permeability Test (BTP) holds a primary role. This test was chosen to determine the short-term hydraulic conductivity values in systems involving both geotextile materials and waste materials. The bubble tube test allows for the testing of large-sized specimens under varying hydraulic gradients and simulates potential compaction or clogging in the specimens to evaluate performance. During this experiment, the specimens were subjected to water under a specific pressure, and their hydraulic conductivity coefficients were determined. In addition to the bubble tube test, the specific gravity test (pycnometer method) was applied to all materials to measure their density. Another key test conducted in this study was the compaction test, which played an essential role in assessing the behaviour of the materials under different compaction conditions.
One of the primary experiments used in this study is the Bubble Tube Permeability Test (BTP). This test was selected to determine the short-term hydraulic conductivity values in systems incorporating both geotextile materials and waste materials. The bubble tube test allows for testing large-sized specimens under varying hydraulic gradients and simulates potential compaction or clogging in the specimens to evaluate their performance. During this experiment, the specimens were subjected to water under specific pressure conditions, and their hydraulic conductivity coefficients were measured. In addition to the bubble tube test, the specific gravity test (pycnometer method) was applied to all materials to determine their density. Another crucial experiment was the compaction test, which played a significant role in evaluating the materials' behaviour under different compaction energies and conditions.
In this thesis, both standard and modified Proctor tests were conducted to determine the maximum dry unit weights and optimum moisture contents of the specimens. The Proctor tests were applied using different compaction energies, and samples were meticulously prepared for both energy levels. Notably, for the SS-2 specimen, which has a coarse grain distribution, the maximum dry unit weight and optimum moisture content obtained during the compaction process were found to be very similar under both standard and modified energy levels. This finding indicates that the compaction energy had little influence on the results for this particular specimen.
The maximum dry unit weights and optimum moisture contents obtained at this stage played a critical role in preparing specimens for the California Bearing Ratio (CBR), Bubble Tube Permeability Test (BTP), and swelling tests. Proper preparation of the specimens under appropriate compaction conditions is crucial to ensuring the accuracy of the results obtained from these tests. Since tests like CBR and BTP are directly related to the compaction energy applied to the samples, the data derived from the Proctor tests are essential in influencing the subsequent performance of the specimens. Therefore, the results from the Proctor tests are vital for determining hydraulic conductivity, bearing capacity, and swelling potential.
The California Bearing Ratio (CBR) tests also hold a significant place in this study. These tests were conducted to determine the bearing capacity of the specimens, both at optimum moisture content and in a saturated state. Specimens prepared at standard and modified energy levels were tested in CBR molds, and the bearing ratios for each sample in both optimum and saturated conditions were calculated. In particular, the swelling potential of the steel slag (SS) specimens was examined under saturated conditions, and the results were analysed. The absence of observable swelling was attributed to the prolonged exposure of the steel slag to external conditions, leading to oxidation. Another important test used in this study was the permittivity test, which was conducted to determine the water permeability characteristics of geotextile materials. This test evaluated the VH50 water permeability and filtration performance of the geotextiles, with the short-term hydraulic conductivity values of geotextiles possessing different apparent opening sizes (AOS) being determined.
At the conclusion of the BTP tests, microphotographs were carefully analysed to observe potential clogging or particle movement within the geotextile materials. These microphotographs provided valuable data for assessing the short-term filtration performance of the materials. In addition to the microphotograph analyses, sieve analyses were conducted after the tests to examine any potential material migration and particle loss from the specimens. These analyses played a critical role in identifying the physical changes that occurred during filtration in systems incorporating geotextile materials, offering key insights into the behaviour and performance of the materials under different conditions.
Another purpose of conducting sieve analyses was to verify whether the particle size distribution of the specimens remained consistent with the initial distribution during the compaction process. These analyses were performed to identify any potential breakage or alteration in the particle size distribution during specimen preparation. Particularly during compaction under high-energy levels, changes in the particle structure may occur, which can directly affect the hydraulic conductivity and filtration performance of the material. The sieve analyses not only revealed whether there was any breakage or alteration in the distribution of particles but also provided critical data to determine the type and quantity of materials accumulated on the geotextile.
The experimental results revealed significant changes in the hydraulic conductivity coefficients in systems utilizing nonwoven geotextiles with varying opening sizes. Based on the short-term filtration results, the most suitable geotextile for long-term filtration experiments was identified. Microphotographs taken after the experiments were analysed to assess the clogging performance of the geotextiles, and the suitability of the geotextile material for long-term use was evaluated. The findings indicated that the use of recycled materials such as reclaimed asphalt pavement, concrete, and steel slag, in place of natural aggregates, could have positive effects on short-term drainage performance.