Geri Dön

Geoenvironmental evaluation of steel slag utilization in highways using experimental analyses

Çelik cüruflarının mekanik ve çevresel etkilerinin deneysel olarak değerlendirilmesi

  1. Tez No: 941364
  2. Yazar: BİLAL KORKMAZ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. ASLI YALÇIN DAYIOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 184

Özet

Cüruf, en genel tanım itibari ile metal, demir ve çelik üretim endüstrilerinin sonucunda ortaya çıkan katı bir yan üründür ve kimyasal içerik olarak çoğunlukla kalsiyum oksit (CaO) ve magnezyum oksit (MgO) gibi hafif oksitlerden, silikatlardan ve boratlardan oluşmaktadır. Eriyik çelik üretiminde safsızlıkları gidermek için kullanılan katkılar ve alaşımlar, cüruf oluşumunu kaçınılmaz hale getirmektedir. Bu atıklar fırınlarda oluşurken, eriyik demir veya çeliğe göre daha düşük yoğunluğa sahip olduğu için yüzeyde birikir. Eriyik çelik, ham demir cevherinden elde edilen pik demirin, belirli alaşımlar, hurda metaller ve katkılar ile beraber, bazik oksijen ve elektrik ark fırınlarında rafine edilmesiyle üretilir. Bu fırınlarda ortaya çıkan çelik cüruf atıkları bazik oksijen (BOF) ve elektrik ark ocağı (EAF) olarak adlandırılır ve bu iki atık kimyasal olarak birbirine benzerdir. Ayrıca çeliğin nihai bileşimini iyileştirmek ve istenmeyen bileşenleri bertaraf etmek için pota fırınlarında ikincil işlemden geçirilir. Bu işlemde pota çelik cürufu (LS) denilen katı atık oluşur. LS cürufu ikincil işlemden geçtiği için demir oksit içeriği nispeten daha azdır. Özetle çelik üretiminde üç farklı fırından BOF, EAF ve LS çelik cürufları ortaya çıkmaktadır. Dünya çelik üreticileri birliğinden elde edilen verilere göre, 2023 yılı itibari ile dünya genelinde 1.892 milyar ton çelik üretilmiştir. Üretimde Çin, 1.019 milyar ton ile başı çekmekte, ülkemiz de 33,7 milyon ton ile sekizinci sırada yer almıştır. Üreticilerden derlenen bilgilere göre genellikle 1 ton çelik üretiminde %15 - %20 oranında çelik cürufu ortaya çıkmaktadır. Çelik fabrikalarında oluşan cüruf miktarları düşünüldüğünde, depolama sorunlarına ve cürufların kimyasal yapılarından kaynaklı çevresel problemlere neden olacaktır. Özellikle bu atıkların yüksek alkali yapılara sahip olması ve ağır metal içermelerinden kaynaklı çevresel ve biyolojik sorunlar oluşabilecektir. Genel bir ifade ile sürdürebilirlik terimi; doğal veya yapay kaynakların minimum tüketimini hedeflerken, endüstriyel atıkların da en az çevresel etki oluşturacak şekilde yeniden kullanımını veya geri dönüşümünü amaçlamaktadır. Bu açıdan, güvenli şekilde ve büyük miktarlarda bertaraf edebilmede, geoteknik mühendisliği uygulamaları önem arz etmektedir. Çelik cüruflarının genellikle yeterli dayanım performansına sahip olduğu, agrega olarak kullanıldığı saha uygulamalarında servis ömrünü arttırdığı, rijit yapısından dolayı deformasyon potansiyelinin az olduğu ve yeterli drenaj özelliği sergilediği geçmişteki çalışmalardan derlenmiştir. Ancak bu atıklar, içerdikleri hafif oksitlerin su ile temas etmesi durumunda ortama Ca^(+2), Mg^(+2) ve OH^- iyonları salmaktadır. Böylece Ca^(+2) iyonu kısa vadeli, Mg^(+2) ise uzun vadeli şişme problemine neden olmaktadır. OH^- anyonu ise ortamın pH değerini oldukça yükseltip cüruf bünyesinde bulunan metallerin salınımını tetikleyebilmektedir. Bu durum, çevresel kirliliğe ve temiz suların olumsuz etkilenmesine neden olmaktadır. Bu tez çalışması, çelik cüruflarının mekanik performansını ve çevresel olası risklerini kapsamlı mekanik ve çevresel deneylerle irdelemiştir. Buna göre elektrik ark ocağı (EAF) ve pota (LS) çelik cürufları üretimden hemen sonra, herhangi bir yağışa ve açık hava koşullarına maruz kalmadan temin edilerek ilgili deneyler yapılmıştır. Malzemelerin fiziksel ve mekanik özellikleri; dane dağılımı, özgül ağırlıklar, kompaksiyon parametreleri, hidrolik iletkenlikler, kesme kutusu testleri, kuru ve yaş durumdaki Kaliforniya Taşıma Oranı (CBR) gibi deneyler ile ele alınmıştır. Ayrıca, hafif oksitlerin olası genleşme etkilerini kısa ve uzun vadeli gözlemlemek üzere hızlandırılmış şişme deneyleri de yapılmıştır. Çevresel etkiler ve olası kirliliğin ölçülmesi adına ise su sızma testleri (WLTs) hem tek döngüde hem de sıralı düzenekte; pH, elektriksel iletkenlik (EC) ve toplam çözünmüş katı (TDS) ölçümleri ile belirlenmiştir. Burada pH, alkali ortama neden olan bir olgu iken, EC ve TDS de su kalitesini temsil eden parametrelerdir. Böylece su sızma testleri ile EAF ve LS cüruflarından elde edilen sızıntı sularının pH/EC/TDS değerleri detaylı şekilde ölçülmüştür. Sıralı su sızma deneylerinde (SWLTs) ise, kirliliğin azaltılması amacı ile kullanılan kil ve kum zeminlerin etkisi belirlenmiştir. Bir yol dolgusu için EAF ve LS çelik cürufları agrega olarak kullanıldığında oluşacak sızıntı sularının kirliliğini ölçmek adına kolon deneyleri de tez kapsamında çalışılmıştır. Kolon deneyleri sıralı şekilde yapılmıştır. Sıralı düzenekte; birinci kolona çelik cürufu yerleştirilmiş, ikinci kolona ise doğal zeminler konulmuştur. Böylece hem atıklardan çıkan sızıntı suyunun kirliliği hem de ikinci kolondaki zeminlerin kirliliğe etkisi pH/EC/TDS ölçümleri ele alınmıştır. Çalışmadan elde edilen sonuçlar şu şekildedir. X-ray diffraction ve X-ray fluorescence analizlerine göre EAF ve LS büyük oranda hafif oksitlerden oluşmakta, LS cürufu ikincil işlem nedeni ile daha az demir oksit içermektedir. EAF ve LS çelik cüruflarının özgül ağırlıkları sırası ile 3.62 ve 2.73 olarak belirlenmiş, atıklar kötü derecelenmiş çakıl (GP) ve A-1-a olarak sınıflandırılmıştır. Yüksek demir oksit seviyeleri nedeniyle atıkların sert bir forma sahip olduğu ve danelerin pürüzlü, keskin kenarlı ve gözenekli bir yapı sergilediği gözlenmiştir. Bu durum sürtünme yüzeylerinin gelişimini sağlamıştır. Buna göre kesme kutusu deneylerinde kayma mukavemet açıları ϕ_EAF=37° ve ϕ_LS=30° olarak hesaplanmıştır. Kuru durumda yapılan Kaliforniya Taşıma Oranı (CBR) deneylerinde EAF = %31, LS = %28, ıslak durumda ise hidratasyon etkisi ile CBR sonuçlarında artış yaşanmıştır (EAF = %36, LS = %30). Hızlandırılmış şişme testinin sonuçlarına göre, EAF cürufu %4.6, LS cürufu ise %4.4 şişme göstermiştir. EAF ve LS cüruflarında gözlenen şişme özellikleri, serbest CaO ve MgO gibi bileşenlerden kaynaklanmaktadır. Su sızma testlerinin (WLTs) sonuçları, EAF ve LS çelik cüruflarından çıkan sızıntı suyunun belirgin şekilde alkali olduğunu, saf haldeki EAF cürufunun ortalama pH değerinin 12.4, LS cürufunda ise 12.5 olduğunu göstermiştir. Bu değerler, Çevre Bakanlığı tarafından belirlenen temiz su için 6.5  8.5 aralığı ve ABD Çevre Koruma Ajansı (EPA) endüstriyel metal atık suların alıcı ortama deşarj gereksinimleri olan 6  9 aralığını aşmaktadır. EAF ve LS ağırlıkça %20, %40 ve %60 bentonit, kum, kaolin ve NC kili gibi doğal zeminlerle karıştırılarak pH ölçümleri yapılmıştır. Buna göre %60 NC eklentisinde EAF ve LS pH değerleri sırasıyla 1.2 ve 0.7 birim azalma görülmüştür. Kum inert yapıda olup negatif yüzey alanına sahip olmadığı için sadece seyrelme etkisinden kaynaklı 0.1 birim düşüş sağlamıştır. Killer ise tamponlama, negatif yüzey alanları ve katyon değiştirme kapasiteleri (CEC) gibi özelliklerinden dolayı pH değerlerini düşürmede potansiyel kullanıma sahiptir. EAF ve LS çelik cürufu, kaolin (K), bentonit (B), doğal kil (NC), kaba (CS) ve ince kum (FS) zeminleri ile sıralı su sızma testleri (SWLTs) kullanılarak çevresel etki irdelenmiştir. Buna göre, sıralı düzenekte, NC kili tamponlama yeteneğinden dolayı EAF ve LS sızıntı sularında sırası ile 2.0 ve 0.9 olacak şekilde en büyük düşüşü sağlamıştır. Ayrıca NC kili, EAF ve LS elektrik iletkenliğini (EC) sırasıyla %77 ve %81 oranında azaltmıştır. Su sızma testleri hem tek döngüde hem de sıralı düzenekte, yol dolgularında EAF ve LS kullanımını yeterince temsil edemeyeceği için kolon deneyleri yapılmıştır. Deneyler sıralı kolon düzeneği ile kurulmuş, hem çelik cüruflarından çıkan sızıntı suyunun hem de ikinci kolona geçerek NC kili ve kaolinden çıkan sızıntı sularının kirlilik potansiyeli değerlendirilmiştir. Böylece bir yol kesiti modellenmiş ve çelik cürufu tabakasının, ikinci kolonlara yerleştirilen killer ile kapsüle edilmesi sağlanmıştır. Kapsamlı kolon deneylerinin sonuçlarına göre; birinci kolonda EAF, ikinci kolonda kaolin var iken, ilk kolondan çıkan sızıntı suyunun pH değeri 84 gün boyunca stabil bir trend göstermiş ve ortalama 11.5 olarak ölçülmüş, bu süre boyunca su ile seyrelme pH değerini düşürmemiştir. Benzer durum EC ve TDS için de geçerlidir. Daha sonra EAF kolonundan kirlenerek çıkan sızıntı suyu, kaolin kolonuna girip, pH değerini ortalama 8'e düşürmüş ve bu değer EPA tarafından belirtilen limitin altında kalmıştır. Buna göre kaolin, EAF çelik cürufundan çıkan sızıntı suyunun kirliliğini azaltmış, EC ve TDS parametrelerini sırası ile 2.04 ve 1.02 değerlerine düşürmüştür. Diğer bir sıralı kolon düzeneğinde ise birinci kolonda LS cürufu ve ikinci kolonda kaolin kili yerleştirilmiştir. LS, 84 gün boyunca ortalama 12.3 pH değerine sahip sızıntı suyu üretmiştir. EC ve TDS değerleri de 7.17 ve 3.58 olarak ölçülmüştür. LS kolonundan kirlenip çıkan sızıntı suyu kaolinden geçtikten sonra pH, EC ve TDS değerleri sırası ile 11.7, 3.39 ve 1.68 değerlerine düşmüştür. Kaolin, EAF cürufunun pH değerini düşürmede başarılı olurken LS için bu performansı gösterememiştir. LS cürufu daha yüksek kireç içeriğine sahiptir (CaO = %44.03), bu da suya daha fazla OH⁻ iyonu salmasına neden olmuştur. Kaolin kili düşük iyon değişim kapasitesi ve çözünürlüğü az olduğu için, bazikliği nötralize etmede yetersiz kalmıştır. Sıralı kolon düzeneği, NC kili için de kurulmuş olup, 72 gün boyunca ölçümler yapılmıştır. Buna göre, EAF ve LS kolonlarından çıkan kirli su, NC kili tarafından tamponlanarak pH değerleri sırası ile 6.6 ve 6.7 değerlerine kadar düşmüştür. Benzer durum elektriksel iletkenlik (EC) ve toplam çözünmüş katı (TDS) değerlerinde de ölçülmüştür. Sonuç olarak çelik cürufları, mekanik açıdan yeterli performansa sahip olmakla beraber, kimyasal yapısındaki bileşenler nedeni ile yüksek alkali özellik göstermektedir ve buna bağlı olarak ağır metal salınım potansiyeline sahiptir. Dolayısı ile çelik cürufu kullanımında, mekanik performans, değerlendirme için yeterli değildir. Kirlilik potansiyeli ve uzun vadede şişme davranışının da ele alınarak, mühendislik uygulamalarında kullanılması önerilmektedir.

Özet (Çeviri)

Slag, in its most general definition, is a solid by-product resulting from the metal, iron and steel production industries and is mostly composed of light oxides such as calcium oxide (CaO) and magnesium oxide (MgO), silicates and borates in terms of chemical content. Additives and alloys used to remove impurities in molten steel production make slag formation inevitable. While these wastes are formed in furnaces, they accumulate on the surface because they have a lower density than molten iron or steel. Molten steel is produced by refining peak iron obtained from raw iron ore, together with alloys, scrap metals and additives, in basic oxygen and electric arc furnaces. The steel slag wastes generated in these furnaces are called basic oxygen (BOF) and electric arc furnace (EAF) and these two wastes are chemically similar. Global steel production achieved an 1.892 billion tons as of 2023 while China produced 1.019 billion tons to lead the industry. Turkey ranked as eighth with its 33.7 million tons steel production contribution. The steel production process creates steel slag which constitutes 15%  20% per ton with substantial storage and disposal difficulties. The combination of high alkalinity and substantial toxic trace metal content in slags leads to major environmental and biological risks. Accordingly, sustainability aims to reduce resource usage while encouraging waste reuse to minimize environmental damage as much as possible. Geotechnical engineering applications play a crucial role in the complete and efficient evaluation of steel slags in this framework. As a results of the study, XRD and XRF analyses demonstrate that EAF and LS steel slags are mainly composed of light oxides while LS experiences diminished iron oxide content due to secondary processing. EAF has a specific gravity of 3.62 while LS waste has a specific gravity of 2.73 and both materials belong to GP and A-1-a classifications. Direct shear tests determined that EAF and LS have internal fiction angles of 37° and 30° respectively. Higher levels of iron oxide in wastes create hard, rough, and sharp surfaces that generate substantial friction. California Bearing Ratio (CBR) test results showed EAF = 31%, LS = 28% in unsoaked conditions; EAF 36%, LS 30% in soaked conditions were obtained. The accelerated swelling test reveals that EAF swelled by 4.6% and LS expanded by 4.4% due to the presence free CaO and MgO components. Tests on water leachate tests (WLTs) proved that EAF and LS steel slags produce leachate with elevated alkalinity levels (pH: EAF 12.4, LS 12.5). The values surpass the thresholds established by both the Ministry of Environment of Türkiye (6.5-8.5) and the US EPA (6-9). To lower the pH, EAF and LS were combined with natural soils like bentonite, sand, kaolin, and NC clay at proportions of 20%, 40%, and 60% by weight. The inclusion of 60% NC clay resulted in a reduction of 1.2 and 0.7 units in pH values of EAF and LS, respectively. The impact of sand was minimal (0.1 unit), whereas clays demonstrated useful in lowering pH, attributed to their negative surface characteristics, buffering capacity and cation exchange capacity (CEC). The environmental effects of EAF and LS steel slags combined with kaolin (K), bentonite (B), natural clay (NC), fine sand (FS), and coarse sand (CS) were assessed through sequential water leachate tests (SWLTs). NC clay achieved the most significant decrease in EAF and LS leachate pH, with reductions of 2.0 and 0.9 units, respectively, attributed to its buffering properties. Moreover, NC proved to be the most effective soil in minimizing the environmental impact, achieving a reduction in electrical conductivity (EC) of 77% for EAF and 81% for LS. Column leachate tests were carried out as water infiltration tests were insufficient to fully represent road fills, and the environmental impacts of EAF and LS steel slag were assessed using a two-stage column setup. In the experiments, leachate from EAF was channeled into the second column filled with kaolin or NC clay. In the initial column with EAF, the pH consistently averaged 11.5 over a period of 84 days, while the EC and TDS recorded values of 2.86 and 1.43, respectively. When the polluted water flowed through the second column filled with kaolin, the pH value dropped to 8, which is below EPA limits, while the EC and TDS reduced to 2.04 and 1.02, respectively. The findings indicate kaolin's potential for leachate remediation. The mitigation effect of NC clay was also investigated in the sequential column setup. Accordingly, the pH values of the polluted leachates coming out of EAF and LS decreased to 6.6 and 6.7 after passing through NC clay, respectively. The EC and TDS values of the water coming out of EAF column decreased to 2.97 and 1.49 after leaving NC, and in LS they were measured as 2.83 and 1.42, respectively. Consequently, steel slags exhibit adequate mechanical performance; however, the elements present in their chemical composition contribute to their high alkaline properties, which in turn may lead to the release of heavy metals. As a result, the mechanical performance of steel slags does not meet the necessary criteria for evaluation. It is recommended to utilize them in engineering applications while taking into account the potential for pollution and the long-term swelling behavior.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    56021

    Katı atık depolama tesisleri ve uygulamadan bir örnek

    Başlık çevirisi yok

    AREL KAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1996

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. AHMET SAĞLAMER

  2. Tez No

    315581

    Karot boğma deneyi (cst) ' nin kayalarda dayanım anizotropisinin belirlenmesinde kullanılabilirliği ve performansının değerlendirilmesi

    Evaluation of the usefulness and performance of the core strangle test (cst) for determination of the strength anisotropy in rocks

    ÖZGE YÜCEL

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Jeoloji MühendisliğiCumhuriyet Üniversitesi

    Jeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. IŞIK YILMAZ

  3. Tez No

    269734

    Çok kriterli analiz teknikleri kullanılarak CBS tabanında jeo çevresel kriterlere göre Gölbaşı Özel Çevre Koruma bölgesinin mikrobölgelendirilmesi

    Micro sectionalization of Golbasi Special Environmental Protection zone with the usage of multi criteria analysis techniques according to the geo environmental criteria in GIS database

    DERYA POLATKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2010

    Şehircilik ve Bölge PlanlamaGazi Üniversitesi

    Şehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ŞULE TÜDEŞ

  4. Tez No

    129375

    Jet grouting technique and strength properties of jet grout columns

    Jet grouting tekniği ve jet grout kolonlarının dayanım özellikleri

    GAYE GÜMÜŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2002

    İnşaat MühendisliğiBoğaziçi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EROL GÜLER

  5. Tez No

    166153

    Jet grouting tekniği ile zemin islahı

    Soil stabilisation with jet grouting

    ORAL DOĞU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2005

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HÜSEYİN YILDIRIM

Geri Dön