Ülkemiz deniz dibi tarama malzemelerinin ince ve kaba agrega olarak beton uygulamalarında faydalı kullanımının incelenmesi
Beneficial use of Turkey's marine dredged materials as fine and coarse aggregate in the production of concrete applications
Yazar: PEMBE ÖZER ERDOĞAN
Danışman: DOÇ. DR. İBRAHİM ERDEN ; DR. H. MERVE BAŞAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı / Anorganik Kimya Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Bu tez çalışması ile deniz dibi tarama malzemelerinin (DTM) betonda ince ve yapay hafif kaba agrega (YHA) olarak kullanılabilirliği teknik, çevresel ve ekonomik açıdan irdelenmiştir. 
Çalışmanın ilk aşamasında, Türkiye kıyılarındaki dört farklı pilot bölgede tarama faaliyetleri gerçekleştirilmiştir. DTM'ler tehlikeli atık özelliği gösterip göstermediği ve bünyesindeki olası kirleticilerin çevresel açıdan risk teşkil edip etmediğinin saptanması amacıyla sırasıyla 02/04/2015 tarihli ve R.G. 29314 sayılı "Atık Yönetimi Yönetmeliği (AYY)-EK3B" ve 26/03/2010 tarihli ve R.G. 27533 sayılı "Atıkların Düzenli Depolanmasına Dair Yönetmelik (ADDDY)-EK2 (TS EN 12457-4:2004'e göre)"ye göre analiz edilmişlerdir. Değerlendirme neticesinde; DTM'nin AYY'ye göre tehlikesiz atık (17 05 06 atık kodu) olduğu, ADDDY'ye göre ise II. Sınıf (tehlikesiz atık) düzenli depolamaya uygun olduğu sonucuna varılmıştır.
Çalışmanın ikinci aşamasında, DTM'lerin betonda ince agrega olarak silis kumu yerine ham (ön işlemsiz) ve ıslah edilmiş olmak üzere iki farklı şekilde kullanılabilirliği teknik, çevresel ve ekonomik açıdan araştırılmıştır. Ham DTM'ler kaba eleme (3 mm) işlemine tabi tutularak 105°C'de kurutulmuşken ıslah DTM'ler ise DTM'nin kalitesini artırmak amacıyla sırasıyla; kaba eleme (3 mm), tuz giderimi (yıkama) (DTM:su ağırlıkça 1:5), filtre pres ile susuzlaştırma, kurutma (105°C), ince fraksiyonu ayırma (63 µm altı) gibi ön işlemler uygulanmıştır. Ham ve ıslah DTM'lerin silis kumu yerine %100 oranında ikame edilmesi ile üretilen bireysel betonların taze ve sertleşmiş beton özellikleri belirlenmiş, buna göre; dört pilot bölgeye ait ham ve ıslah DTM'lerin pilot bölgeler arasındaki mesafeler dikkate alınmaksızın ağırlıkça DTM-1:DTM-2:DTM-3:DTM-4 sırası ile %40:%40:%10:%10 oranlarında karıştırılması ile "ham kompozit DTM" ve "ıslah kompozit DTM" hazırlanmıştır. Silis kumu, "ham kompozit DTM" ve "ıslah kompozit DTM"nin, TS 706 EN 12620+A1:2009 beton agregaları standardına göre agrega özellikleri saptanarak silis kumu yerine %25, %50, %75, %100 olmak üzere dört farklı oranda ikame edilmeleri ile üretilen betonların taze ve sertleşmiş beton testleri gerçekleştirilmiştir. DTM'nin maksimum oranda kullanımı da dikkate alındığında; beton ürünlerden, "Ham kompozit DTM" ve "ıslah kompozit DTM"nin ince agrega olarak kullanımı ile elde edilen optimum performans özelliklerini gösteren ikame oranlarının %50 ham kompozit DTM ("Ham Komp50" kodlu beton) ve %100 ıslah kompozit DTM ("Islah Komp100" kodlu beton) olduğu tespit edilmiş olup söz konusu betonların sızma (liç) potansiyelleri ile mineralojik ve mikroyapısal özellikleri tespit edilmiştir. DTM'nin betonda silis kumu yerine ince agrega olarak kullanılmasına yönelik çalışmalar birlikte değerlendirildiğinde DTM'nin ön işleme tabi tutulması koşulu ile mekanik, fiziksel, çevresel, mineralojik ve mikroyapısal özellikleri açısından olumsuz bir etkiye sebebiyet vermeyeceği sonucuna ulaşılmıştır.
Çalışmanın üçüncü aşamasında, DTM'lerin beton eldesinde YHA (5-12 mm) olarak kullanılabilirliği teknik, çevresel ve ekonomik açıdan araştırılmıştır. DTM'ler ile birlikte ülkemizin en önemli endüstriyel atık problemlerini oluşturan atık döküm kumu (ADK) ve uçucu kül de YHA eldesinde kullanılmıştır. DTM, ADK ve uçucu küle çeşitli ön işlemler (yıkama, kurutma, öğütme, eleme vb.) uygulandıktan sonra söz konusu malzemeler ile üç farklı bileşim oranında karışımlar hazırlanmış (A serisi, B serisi, C serisi), granülasyon cihazında 5-12 mm tane boyutuna sahip yapay granüller üretilmiş ve bu granüller kurutulup yüksek sıcaklıkta sinterlenerek YHA'lar elde edilmiştir. Sinterleme adımında, sinterleme süresi (dk), sinterleme sıcaklığı (°C), ısıtma hızının (°C/dk) her bir serideki YHA'ların fiziksel, mekanik ve mikroyapısal özellikleri üzerindeki etkisi incelenmiş, her bir serideki YHA'lardan 20 dk sinterleme süresi, 1190°C sinterleme sıcaklığı, 5°C/dk ısıtma hızı ile hazırlanan YHA'ların (A8, B8 ve C8) en iyi performansa sahip olduğu tespit edilmiştir. YHA'ların betonda mıcır 1 (5-12 mm) yerine kullanılabilirliğini araştırmak üzere A8, B8 ve C8'in ağırlıkça eşit oranlarda karıştırılmaları ile "kompozit YHA" elde edilmiştir. TS 706 EN 12620+A1:2009 beton agregaları standardına göre agrega özellikleri test edilen "kompozit YHA", beton üretiminde mıcır 1 yerine %25, %50, %75, %100 oranlarında ikame edilmiştir. DTM'nin maksimum miktarda betonda kullanımı da gözönünde bulundurulduğunda, kompozit YHA ile elde edilen betonlardan %100 ikame oranında hazırlanan betonun ("Komp YHA100" kodlu beton) optimum performans özelliklerine sahip olduğu görülmüştür. Şahit beton ile "Komp YHA100" kodlu betonun sızma (liç) potansiyelleri ile mineralojik ve mikroyapısal özellikleri tespit edilmiştir. Sonuç olarak, YHA'nın betonda mıcır 1 yerine kaba agrega olarak kullanılmasına yönelik yapılan tüm çalışmalar dikkate alındığında; YHA'nın teknik ve çevresel açıdan betonda kullanılabilir nitelikte olduğu YHA'nın çimento fabrikalarında sinterlenmesi halinde ise ekonomik açıdan da kullanımının uygun olacağı sonucuna ulaşılmıştır.    
Çalışmanın dördüncü aşamasında, DTM'lerin ön işlem tesisinden çıkması muhtemel atıksuyunun karakterizasyonu ortaya konulmuştur. Elde edilen sonuçlara göre atıksuda bulunması muhtemel askıda katı maddenin gravite/kimyasal çöktürme veya mikro elek kullanımı ile giderilebileceği önerilmiştir. DTM'nin ön işlemden gerilmesi kapsamında kullanılması gereken su sarfiyatı göz önünde bulundurulduğunda, su sarfiyatının azaltımına yönelik alternatifler geliştirilmiş olup DTM ön işlem tesislerinin kentsel atıksu arıtma tesislerinin yakınına kurulmasının uygun olacağına karar verilmiştir.
Çalışmanın beşinci aşamasında, DTM'lerin klorür ve sülfat içeriğinin azaltılması, ince fraksiyonun (63 µm) uzaklaştırılması, katı madde içeriğinin arttırılması amacıyla DTM'lerin taramanın yapıldığı yerde yıkanıp elenmesine imkan verecek günlük 1500 m3 DTM yıkama-eleme kapasitesine sahip karada kalıcı DTM ön işlem tesisi teorik olarak tasarlanmıştır.
Çalışmanın altıncı aşamasında, DTM'lerin yönetim seçeneklerine ait maliyet analizleri gerçekleştirilmiş; buna göre, denize boşaltım, karada bertaraf ve faydalı kullanım maliyetleri sırası ile 6,70-21,05, 297,5-510,9 TL/m3 ve 15,68-28,88 TL/m3 olarak belirlenmiştir. 
Çalışmanın son aşamasında, tez çalışması kapsamında elde edilen sonuçlar değerlendirilmiş, buna göre; DTM'nin ön işlemden geçirilmek kaydı ile betonda ince ve kaba agrega olarak kullanılabilir özellikte olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, bu kısımda çalışmaya ilişkin öneriler sunulmuştur.

Abstract:
In this thesis, feasibility of dredged materials (DM) as a fine aggregate and lightweight aggregate (LWA) in the production of concrete was investigated in terms of technical, environmental and economical aspects. 
In the first part of the thesis, DMs were dredged from four different pilot areas which are located in the coasts of Turkey. DMs were analyzed to determine whether it is hazardous or not according to national regulation named "Waste Management Directive Annex-3B" dated 02/04/2015 and with Official Gazzette (OG) no: 29314. In addition, the leachability potentials of DMs were obtained according to the TS EN 12457-4 leaching test with the limit values stated in "The Regulation on the Landfilling of Waste (ADDDY)-Appendix 2: The acceptance criteria of the landfilling of waste (OG no: 27533, dated 26/03/2010). After evaluation of analysis results, DMs were classified as nonhazardous and categorized as 17 05 06 (dredging spoil other than 17 05 05) according AAY and also DM samples sustained the limits of Class II (Nonhazardous waste) landfilling criteria regarding ADDDY.
In the second part of the thesis, feasibility of use of untreated (without pretreatment) and treated (with pretreatment) DMs in place of silica sand as a fine aggregate in the production of concrete were investigated in terms of technical, environmental and economical aspects. Untreated DMs were sieved (3 mm) and dried (105°C) while treated DMs were subjected to sieving (3 mm), washing (desalination) (with a DM-to-water weight ratio of 1:5), dewatering by filter-press, drying and sieving (63 µm) steps to improve the quality of DMs. Hardened and fresh concrete properties of the concretes produced by the utilization of all untreated and treated DMs individually in 100% replacement of silica sand. According to these results; untreated and treated DMs from four different pilot areas mixed as DM-1:DM-2:DM-3:DM-4 with weight ratio 40%:40%:10%:10% regardless of distance between pilot areas to obtain untreated-composite-DM (COMP-U) and treated-composite-DM (COMP-U), respectively. Due to the utilization of composite DMs as partial replacement of silica sand in concrete production, aggregate properties of silica sand, COMP-U and COMP-T mixtures were determined in accordance with TS 706 EN 12620+A1:2009 specifications. Considering these results; COMP-U and COMP-T were substituted in place of silica sand at four different ratios 25%, 50%, 75%, 100% by weight and fresh and hardened concrete properties were determined for produced concretes. The concrete specimens prepared by 50% COMP-U and 100% COMP-T are the mix proportions which had optimum performance properties with the higher percentage of DM material were subjected to leach test, mineralogical and microstructural analysis. Considering all conducted studies on the use of DMs in place of silica sand to produce concrete; pretreated DMs will not lead to negative effects on concrete in terms of technical and environmental aspects. 
In the third part of the thesis, feasibility of use of LWA in place of coarse aggregate (5-12 mm) in the production of concrete was investigated regarding technical, environmental and economical requirements. In the production of LWA, DMs were used with coal fly ash (FA) and waste foundry sand (WFS) which are the two important industrial waste problems of Turkey. Initially, DM, FA and WFS were exposed to the some pretreatment procedures such as washing, drying grinding, sieving. Three different mixtures (series A, B and C) were prepared with DMs, FA and WFS and granules were manufactured in pelletizing disk by using these mixtures. Granules were dried at 105C° and then sintered at higher temperatures to produce LWA. In the sintering step, influence of sintering time (min), sintering temperature (°C), heating rate (°C/min) on physical, mechanical and microstructural properties of LWAs were investigated and LWAs produced at 20 min sintering time, 1190°C sintering temperature, 5°C/dk heating rate (A8, B8, C8) showed the best performance for each series. Composite LWA were prepared by mixing A8, B8 and C8 in equal amounts and this composite LWA was utilized to determine feasibility of use of LWA in place of coarse aggregate (5-12 mm) in the production of concrete. Composite LWA were analysed according to concrete aggregate standard TS 706 EN 12620+A1:2009 and then substituted coarse aggregate with 25%, 50%, 75%, 100% ratios in the production of concrete. Regarding use of DMs with the higher ratio, the concrete produced by using 100% composite LWA (Comp LWA100) had sufficient performance properties. Control concrete and "Comp LWA100" coded concrete were analyzed in terms of leach potantials, mineralogical and microstructural properties. Overall, LWA can be substituted in place of coarse aggregate regarding technical and environmental outcomes.
In the fourth part of the thesis, laboratory scale studies were carried out to characterize wastewater which was expected to be realized from DM pretreatment plant. According to the obtained results, some suggestions were produced to eliminate suspended solid concentration which was probable to be found in wastewater such as gravitational/chemical precipitation or using microsized filter. Regarding water consumption in the pretreatment of DMs, some alternatives to lessen water usage were offered. In this content, installation of pretreatment plant was supposed to close to the urban wastewater treatment plants.
In the fifth part of the thesis, DMs pretreatment plant was designed theoretically to minimize of chloride and sulfate concentration, remove fine particles (63 µm) and increase solid part in DMs. The plant was supposed to be found near the dredging activity carried out and designed as a stable on land and have pretreatment capacity 1500 m3/day. 
In the sixth part of the thesis, cost analysis of DM management alternatives (dumping at sea, landfill disposal, beneficial use) were carried out. According to results; costs of dumping at sea, landfill disposal and beneficial use were determined as 6.70-21.05, 297.5-510.9 TL/m3 and 15.68-28.88 TL/m3, respectively.
In the final part of the thesis, outcomes produced in this study were evaluated. Regarding the outcomes, utilization of DMs (with the requirement of pretreatment) as fine aggregate and LWA in the production of concrete was detected as applicable. In addition, suggestions were submitted related with this study in this part.