Improvement of engineering properties and liquefaction reduction of sandy soils using electric arc furnace slag and roof tile powder

Abstract

Mühendislik yapıları için uygun arazinin az bulunması ve doğal yeryüzü agregasının kıtlığı, yenilikçi yapım şekli bulma ihtiyacını doğurmuştur. Günümüzde yumuşak kil, organik ve sıvılaşabilir zeminler gibi problemli olan zeminlerin stabilizasyonu yapılarak inşaat mühendisliği için uygun projeler gerçekleştirilebilir. Zemin stabilizasyonu, zeminlerin kütlesel ve kimyasal değişikliğe uğramasını önlemek veya stabilitesini korumak için mühendislik özelliklerini iyileştiren bir tekniktir.Genellikle kullanılan zemin iyileştirme teknikleri, yoğunlaştırma, güçlendirme, drenaj ve derin karıştırmadır. Bağlayıcısı olmayan malzemeler de zemin iyileştirmesi için kullanılan çimentolu malzemeler (kireç, çimento, uçucu kül, atık maddeler) ile zemin iyileştirmesi yapılabilir. Çevresel kaygılar ve doğal kaynakların eksikliği, dengeleyici malzemeler ile atık malzemelerin yer değiştirmesi ihtiyacını doğurmaktadır. Metalurji sektörünün bir yan ürünü olan cüruf, düşük taşıma kapasitesine sahip zeminlerin, mühendislik özelliklerinin iyileştirilmesi için kullanılmaktadır.Bu çalışmada, kohezyonsuz zeminlerin mekanik özellikleri, atık malzemeler kullanılarak iyileştirilmiştir. Kullanılan atık malzeme, elektrik ark fırın cürufudur (EAFC). Doğal malzeme olan diatomit ve kiremit tozu da karıştırılarak mühendislik özelliklerinin değişimi incelenmiştir. Cürufu aktif hale getirmek için bazı kimyasal katkı maddeleri de ilave edilmiştir. Hazırlanan silindirik numuneler üzerinde 7, 21 ve 28 günlük periyotlarda bekletildikten sonra serbest basınç dayanım (SBD) testi yapılmıştır. Optimum karışımın sıvılaşma direncinin değerlendirilebilmesi için, laboratuvar ortamında farklı deprem kayıtları altında bir boyutlu (1-D) sarsma tablası deneyleri yapılmıştır. Dinamik yükleme altında zemin davranışı ve oturmaları değerlendirmek için fotogrametrik yaklaşım kullanılmıştır.İçerisinde EAFC, kum, kireç ve sülfürik asit (H2SO4) olan karışımın dayanımı 7,736 MPa ile en yüksek basınç dayanımına sahip olduğu görülmüştür. EAFC ve kum arasındaki bağ kapasitesi, sülfürik asit eklenmesi ile arttırılmıştır. 1-D sarsma tablası deneyleri incelendiğinde elde edilen karışımın sıvılaşma direncinin arttığı ve oturmaların da etkisi azaltılmıştır. Yapıların oturmasını hesaplamak için fotogrametrik yaklaşımın kullanılabilirliği de böylece ortaya konmuştur. Yapılacak daha ayrıntılı çalışmalarla, EAFC atık malzemesinin zemin stabilizasyonun da kullanılması kohezyonsuz zeminlerin iyileştirilmesi için kullanışlı bir yöntem olduğu değerlendirilmektedir.

The scarcity of suitable land for construction of engineering facilities and shortage of natural earth aggregates has highlighted the need for finding innovative way of construction. Nowadays problematic soils such as: soft clay, organic soils and liquefiable soils can be improved to the required civil engineering requirements by application of soil stabilization. Soil stabilization is a method intended to increase or preserve the stability of soil mass and chemical alteration of soil to improve engineering properties. Generally, ground treatment techniques used are: densification, reinforcement, drainage and deep soil mixing. Using soil treatement, unbound materials can stabilized with cementitious materials (lime, cement, fly ash, waste materials). Replacement of stabilizing agents with waste materials is becoming a need due to lack of natural resources and environmental concerns. Slag a by-product of metallurgical industry is being used to improve engineering properties of low bearing capacity soils. In this study, mechanical properties of non-cohesive soils are improved using waste materials. Waste material used is: electric arc furnace slag (EAF slag). Natural materials diatomite and roof tile powder are mixed too. In order to activate slag, some chemical additives were added. Firstly, cylindrical samples with different proportions were prepared. They were tested for period of 7, 21 and 28 days under unconfined compressive strength (UCS) test. The optimum mixture was tested also under 1-D shaking table subject to different earthquake records. Photogrammetric approach was used to observe behaviour of soil under dynamic load and settlement.It was seen that combination giving the highest compressive strength was mixture containing EAF slag, sand, lime and sulphuric acid (H2SO4). The highest compressive strength obtain was 7.736 MPa. Bonding capacity between EAF slag and sand is increased by addition of sulphuric acid. Liquefaction effect and settlement was reduced compare to control sample. Photogrammetric approach seems to be a valuable way to calculate settlement of a structure. Soil stabilization with EAF slag waste material with some deeper studies can be a useful method to treat non-cohesive soils.