Geri dönüştürülebilir atık malzemelerin yol dolgusunda kullanılabilirliğinin karşılaştırılmalı olarak incelenmesi
Comparative analysis of the usability of recyclable waste materials in road embankment
Yazar: ŞÜHEDA TAŞTAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ ASLI YALÇIN DAYIOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Birçok ülkede, yol inşaatında dolgu malzemesi olarak kullanılan kaliteli doğal agregaların temin edilmesi giderek zorlaşmaktadır. Bu duruma, taş ocakların açılması ve işletilmesi hususunda yeni düzenlemeler getirilmesi ile taş ocaklarının daha sıkı kurallara tabi olması neden olmaktadır. Ayrıca, yerleşim birimlerine yakın olan taş ocaklarında ve dere yataklarında doğal agrega rezervlerinin tükenmeye başlaması da doğal agrega teminini zorlaştıran diğer bir etkendir. Bu nedenle yerleşim birimlerine daha uzak bölgelerde bulunan taş ocaklarına yönelme söz konusudur. Ancak bu durum nakliye maliyetlerinin giderek artmasına neden olmakta ve yol yapım maliyetlerini arttırmaktadır. Maliyet artışının önüne geçebilmek ve sınırlı doğal kaynakların korunması için, atık malzemelerin yeniden kullanımı her geçen gün daha önemli hale gelmektedir. Bu nedenle inşaat veya farklı endüstri kollarında ortaya çıkan atık veya yan ürünlerin doğal agrega kaynaklarının yerine kullanılabilirliğinin değerlendirilmesine yönelik  birçok sayıda çalışma yürütülmektedir. 
Geri dönüştürülebilir atık malzemelerin yol dolgu malzemesi olarak kullanılması, yol yapım maliyetlerinde iyileşmeye ve atık malzemelerin yeniden kullanımına katkı sağlayarak sürdürülebilirliği desteklemektedir. Atık malzemelerin yeniden kullanılması, bu malzemelerin depolanma sorununu ortadan kaldırmakla birlikte doğal kaynaklara olan talebi ve ihtiyacı azaltarak çevre tahribatını engellemektedir. Bu malzemelerin inşaat mühendisliği uygulamalarında, özellikle büyük miktarda doğal agrega gerektiren yol inşaatlarında kullanımı, sarfiyatın büyük miktarlarda olması sebebiyle ayrı bir öneme sahiptir. 
Bu tez çalışması; yol dolgusunda kullanılması planlanan geri kazanılmış asfalt agregası (GKAA), geri kazanılmış beton agregası (GKBA), elektrik arkı fırın cürufu (EAF),  pota fırın cürufu (PF) atık malzemelerinin geoteknik açıdan dolgu malzemesi olarak kullanılabilecek nitelikte olup olmadığını araştırmaktadır. Yol dolgusunda atık malzemelerinin kullanılabilirliğinin deneysel tespiti ile düşük maliyetli, doğal kaynakları koruyarak çevre tahribatını azaltan ve sürdürülebilirliği destekleyen yolların yapımına katkı sağlanmış olunacaktır. 
Bu amaçla tedarik edilen atık malzemelerin; dane çapı dağılımı, plastisite özellikleri, özgül ağırlığı, kompaksiyon parametreleri, permeabilite katsayıları, kayma mukavemeti parametreleri, ıslak ve kuru CBR değerlerini belirlemek için deneyler yapılmıştır. Bunlara ek olarak kimyasal özelliklerinden dolayı şişme potansiyeline sahip çelik cüruflara ASTM D4792-13 standardına uygun hızlandırılmış şişme deneyleri gerçekleştirilerek maksimum şişme yüzdeleri belirlenmiştir. Tüm atık malzemelerin geoteknik mühendisliği açısından kullanılabilirliğini incelemek için ince (1-DZ) ve kaba gradasyonlu (2-DZ) olmak üzere kontrol amaçlı iki doğal zemin malzemesi kullanılarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. 
Çalışma kapsamında elde edilen sonuçlara göre, EAF cürufu demir içeriği nedeniyle agregalar da dahil diğer malzemelere kıyasla yüksek özgül ağırlığa ve maksimum kuru birim hacim ağırlık değerine sahiptir. Ayrıca tüm malzemeler Karayolu Teknik Şartnamesi'nde dolgu malzemesi için belirtilen maksimum kuru birim hacim ağırlık koşulunu sağlamaktadır. Drenaj özellikleri bakımından GKAA, EAF cürufu ve 1-DZ serbest drenajlı malzemeler olarak sınıflandırılırken GKBA, PF cürufu ve 2-DZ zayıf drenajlı malzemeler olarak sınıflandırılmaktadır.  Atık malzemelerin ve agregaların özgül ağırlık değerleri, plastisite davranışları, hidrolik iletkenlikleri ve kompaksiyon parametrelerinin literatürdeki bulgularla uyumlu olduğu görülmektedir.
Atık malzemelerin kayma mukavemeti açıları agregaya kıyasla düşüktür. Malzemelerin potansiyel taşıma gücünü belirlemek için CBR deneyleri ıslak ve kuru koşullarda gerçekleştirilmiştir. Karayolları Teknik Şartnamesi'ne göre kuru CBR sonuçları değerlendirildiğinde, GKAA ve GKBA alt temel tabakası için, EAF ve PF cürufunun ise temel veya alt temel tabakası için kullanıma uygun olduğu görülmektedir. Islak koşullarda gerçekleşen CBR deneylerinde EAF, PF cürufu ve GKBA'nın kontrol malzemelerine kıyasla çok yüksek CBR değerlerine sahip olduğu görülmektedir. 
ASTM D4792-13 standardına göre gerçekleştirlen şişme deneylerinde %100 EAF ve %100 PF cürufları kullanılmış ve ölçülen maksimum şişme değerlerinin, şişme potansiyeli olan malzemelerin karayolu uygulamalarında kullanılabilirliğini ölçen ASTM D2940M-20 standardında izin verilen %0.5 sınır değeri aştığı görülmüştür. Bu nedenle cüruf atıklarındaki şişme potansiyelini azaltmak amacıyla kum kullanılmıştır. Elde edilen yeni karışımlar için kompaksiyon ve CBR deneyleri yapılmıştır. Ağırlıkça cüruf oranı fazla olan numunelere eklenen kum miktarı arttıkça cüruf-kum karışımlarının maksimum kuru birim hacim ağırlık değerlerinin nispeten azaldığı gözlenmiştir. EAF cürufuna eklenen kum miktarı arttıkça kuru CBR değerinin yaklaşık iki kat arttığı görülmüştür. Ancak PF cürufuna eklenen kum miktarı arttıkça kuru CBR değerinde belirgin bir değişim gözlenmemiştir. %40 PF+%60KUM karışımı hariç her iki cüruf malzemesine eklenen kum miktarı arttıkça ıslak CBR değerinin azaldığı görülmüştür.
Cüruf atıklarına, ilk olarak ağırlıkça %20 kum eklenerek şişme deneyleri yapılmıştır. %80EAF+%20KUM karışımı izin verilen sınır değeri sağlarken %80PF+%20KUM karışımı ise izin verilen sınır değeri sağlamamıştır. Bu nedenle PF cürufuna ağırlıkça sırasıyla %40-60-80 kum eklenerek şişme deneyleri tekrarlanmıştır. Ancak %60PF+%40KUM, %40PF+%60KUM, %20PF+%80KUM karışımlarının da izin verilen sınır değeri sağlamadığı görülmüştür.  Bu nedenle PF cürufuna farklı malzemeler eklenerek veya farklı iyileştirme yöntemleri uygulanarak şişme davranışının yeniden incelenmesi gerekmektedir.  
Sonuç olarak, bu  tez çalışması kapsamında kullanılan atık malzemelerin yol dolgusunda doğal agrega yerine granüler malzeme olarak kullanılmasının atık yönetimini kontrol altına almak ve doğal kaynakları korumak için uygun koşullara sahip olduğu anlaşılmaktadır. Ancak PF cürufunun duraylılık sorunlarına yol açmadan yol dolgusunda kullanılabilmesi için PF cürufuna farklı iyileştirme yöntemleri uygulanarak şişme davranışının incelenmesi gerekmektedir.

Abstract:
In many countries, obtaining high-quality natural aggregates used as fill materials in road construction is becomes increasingly difficult. This is due to the stricter regulations imposed on the opening and operation of quarries and the depletion of natural aggregate reserves near residential areas and stream beds. As a result, there is a tendency to prefer to quarries located in more distant areas, but this leads to increased transportation costs and higher road construction expenses. To mitigate cost increases and conserve limited natural resources, the reuse of waste materials has become  important. Therefore, numerous studies are being conducted to evaluate the potential of waste or by-products from construction or other industries as substitutes for natural aggregate resources. 
The use of recyclable waste materials as road embankment materials not only improves road construction costs but also contributes to the reuse of waste materials, supporting sustainability. Reusing waste materials eliminates the stockpiling issue and reduces the demand for and necessity on natural resources, thus preventing environmental damage. The use of these materials in construction engineering applications, especially in road constructions that require large quantities of natural aggregates, holds significant importance. 
This study investigates suitability of four recyclable waste materials, recycled asphalt pavement (RAP), recycled concrete aggregate (RCA), electric arc furnace slag (EAF), and ladle slag (LS) for utilization as a road embankment material. By experimentally determines the usability of waste materials in road embankments, this study aims to contribute to the construction of low-cost, environmentally friendly, and sustainable roads that conserve natural resources. 
The conducted experiments involved determining the particle size distribution, plasticity properties, specific gravity, compaction characteristics, permeability coefficient, shear strength parameters and wet and dry CBR values of the waste materials. Additionally, accelerated swelling tests in accordance with ASTM D2940M-20 were conducted to determine the maximum swelling ratios of steel slags, which have swelling potential due to their chemical properties. Two control aggregates, fine-grained (1-NS) and coarse-grained (2-NS), were used to evaulate the usability of all waste materials in terms of geotechnical engineering.
According to the results obtained within the scope of the study, all materials showed non-plastic material behavior as a result of the sieve analysis (ASTM C136M-19) and Atterberg limits (ASTM D4318-17). In the pycnometer test results carried out according to ASTM D854-14, the highest specific gravity belongs to the EAF slag. EAF slag has a higher specific gravity compared to other materials due to its iron content. The lower specific gravity of cement paste adhering to the surface of RCA (approximately 1-1.60) than that of the aggregate explains why the specific gravity value of RCA is lower than that of natural aggregate.  The specific gravity of the asphalt binder in the RAP content (approximately 1.05) is lower than the specific gravity of the aggregate, resulting in a lower specific gravity value of the RAP than that of the aggregate.
According to the results of the compaction test conducted according to ASTM D698-12, EAF slag has the highest maximum dry unit weight value compared to other materials with ω_opt=%9.0 and γ_dmax=24.4 kN/m^3  compaction parameters. In addition, all materials meet the maximum dry unit weight γ_dmax≥14.5 kN/m^3 condition specified for the filling material in the Highway Technical Specification.
The constant head permeability test was conducted according to ASTM D2434-19 standard. The permeability coefficients of the materials are as follows: k_RCA=5.7x〖10〗^(-4)  cm/s, k_RAP=2.0x〖10〗^(-3)  cm/s, k_EAF=1.1x〖10〗^(-2)  cm/s,  k_LS=3.2x〖10〗^(-4)  cm/s, k_(1-NS)=1.0x〖10〗^(-2)  cm/s  and k_(2-NS)=2.1x〖10〗^(-4)  cm/s. Based on their drainage properties, RAP, EAF slag, and 1-NS materials are classified as free-draining, while RCA, LS, and 2-NS are classified as poorly-draining materials. 
The specific gravity values, plasticity behavior, hydraulic conductivity, and compaction parameters of the waste materials and aggregates are found to be compatible with the findings in literature studies. 
The internal friction angles of the materials are as follows: 〖〖ϕ_f〗^'〗_EAF=37° ,〖" "  〖ϕ_f〗^'〗_LS=28°,〖〖〖 " " ϕ〗_f〗^'〗_RAP=34°,〖〖〖" " ϕ〗_f〗^'〗_RCA=37°,〖〖〖" " ϕ〗_f〗^'〗_(1-NS)=45°,〖〖〖" " ϕ〗_f〗^'〗_(2-NS)=38°. The angle of internal friction values of the waste materials is lower compared to the aggregates. 
To determine the potential bearing capacity of the materials, CBR tests were conducted according to ASTM D1883-07 standard under both wet and dry conditions. The dry CBR results indicate that RAP and RCA are suitable for subbase layers, while EAF and LS are suitable for base or subbase layers. In the CBR tests conducted under wet conditions, it can be observed that EAF, LS, and RCA have significantly higher CBR values compared to aggregates. Additionally, all materials meet the requirement of having a CBR swelling ratio less than 3% as specified in the Highway Technical Specifications. 
According to ASTM D4792-13 standard, swelling tests were conducted using 100% EAF and 100% LS, and the measured maximum swelling values were recorded as 4.62% and 4.41% respectively. Both values exceed the 0.5% limit allowed by the ASTM D2940M-20 standard, which measures the usability of materials with swelling potential in highway applications. Therefore, sand was added to reduce the swelling potential in the slag wastes. 
Compaction and CBR tests were conducted for the resulting mixtures. In samples with a higher weight percentage of slag, it is observed that the maximum dry unit weight of slag-sand mixtures decreases as the amount of sand added to the slag increases. This can be explained by the specific gravity of sand lower than the that of the of slag. It has been observed that the dry CBR value of the %80EAF +%20 SAND mixture is approximately twice as high as that of the %100EAF slag. This can be explained by the added sand filling the voids between the slag particles, resulting in increased interlocking due to improved gradation. In the case of ladle slag, there is no significant change in the dry CBR values as the amount of sand added increases. This can be attributed to the lower void ratio and higher fine particle content of ladle slag compared to EAF slag. Additionally, when the dry CBR results of the mixtures are evaluated according to the Highway Technical Specifications (2013) it can be seen that the mixture of 80% EAF + 20% SAND is suitable for the base layer, while the mixtures of 80% LS + 20% SAND, 60% LS + 40% SAND, 40% LS + 60% SAND and 20% LS + 80% SAND are suitable for the base or sub-base layer. Except for the %40PF +%60 SAND mixture, an increase in the amount of sand added to both slag materials results in a decrease in the wet CBR value. The increased sand content reduces the contact surfaces between slag particles. The observed decrease in wet CBR values can be explained to reduced hydration reactions. Interestingly, in the %40PF +%60 sand mixture, there is not a decrease but a 6% increase compared to the %60PF +%40 SAND mixture. This can be explained by better interlocking provided by the coarse material underneath the penetration piston during the CBR test, depending on the sample preparation.
Swelling tests were conducted by adding 20% sand by weight to the slag wastes. The swelling value of the 80% EAF + 20% SAND mixture was recorded as 0.49%, which satisfies the allowed limit of 0.5%. The swelling value of the 80% LS + 20% SAND mixture was measured as 2.57%, which didn't provide the allowed limit. Therefore, swelling experiments were repeated by adding sand to ladle slag in weight percentages of 40-60-80. The maximum swelling percentages for the mixtures of 60% PF + 40% SAND, 40% PF + 60% SAND, and 20% PF + 80% SAND were recorded as 2.30%, 1.31%, and 0.80 respectively. It was observed that as the weight percentage of sand added to ladle slag increased, there was a significant decrease in the stabilization time of the mixtures. Additionally, an increase in the amount of sand used in the mixtures resulted in a decrease in the recorded swelling values. However, the maximum swelling values recorded for all mixture samples exceed the limit of 0.5% specified in ASTM D2940M-20. Therefore, it is necessary to re-examine the swelling behavior by adding different materials to ladle slag or applying different improvement methods. 
As a result, it is understood that it is appropriate to use the waste materials used within the scope of the thesis as granular material in the road embankment. However, in order for ladle slag to be used in road embankment without causing stability problems, different improvement methods should be applied to investigate its swelling behavior.