Atık mermer tozu ile zemin stabilizasyonunun mekanistik-amprik tasarım yöntemine göre incelenmesi

Year 2024, Volume: 39 Issue: 3, 1621 - 1636, 20.05.2024

Mustafa Karasahin , Ahmet Hüsrev Yıldız , Murat Vergi Taciroğlu

https://doi.org/10.17341/gazimmfd.1125457

Cited By: 1

Abstract

Mermer kullanımının artmasına bağlı olarak, ortaya çıkan mermer atıkları dünya çapında önemli bir çevre sorunu haline gelmiştir. Sürdürülebilirliğin önemli olduğu günümüzde bu tür atıklar inşaat işlerinde çeşitli amaçlar için kullanılmaktadır. Sürdürülebilirliğe en büyük katkı, atık maddelerin yeniden kullanımıdır. Yapılan deneysel ve hesaplamalı çalışmada, üç farklı atık mermer tozunun zemin stabilizasyon malzemesi olarak kullanılabilirliği araştırılmıştır. Çalışmanın deneysel kısmında atık mermer tozları % 0-10-20-30 ve 40 oranlarında iki farklı CL sınıfı killi zemine eklenmiş ve zeminlerin mukavemet özelliklerindeki değişiklikler Atterberg limitleri, standart Proctor sıkıştırma, kesme kutusu, ve Kaliforniya taşıma oranı (CBR) testleri ile izlenmiştir. Hesaplamalı kısımda ise CBR ve AASHTO-93yöntemleri kullanılarak yapılan stabilizasyonun üstyapı kalınlığına etkileri belirlenirken, KENPAVE yazılımı ile Mekanistik-Amprik tasarım metoduna uygun olarak mermer tozu iyileştirmesinin üstyapının yorulma ömrüne olan katkısı araştırılmıştır. Elde edilen test sonuçları mermer toz atıklarıyla stabilize edilen düşük plastisiteli killerin dayanım özelliklerinin iyileştiğini göstermiştir. CBR ve AASHTO-93 metotları ile bu iyileştirmenin gereken üstyapı kalınlığını azaltabileceği, SN sayısındaki azalma ile karayolu imalatında yüzlerce metreküp malzeme kazancı sağlanabileceği hesaplanmıştır. Mekanistik-Amprik yöntem ile yapılan hesaplar da atık mermer tozu stabilizasyonu ile üstyapının kritik tekerlek izi oturması ömrünün ortalama %86’ya kadar artabileceğini öngörmektedir.

Keywords

Atık Mermer Tozu, Zemin Stabilizasyonu, Karayolu Üstyapı Kalınlığı, Mekanistik-Amprik Dizayn, KENPAVE

Supporting Institution

TÜBİTAK

Project Number

105M-019

Thanks

Bu araştırma Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından desteklenmiştir

Investigation of soil stabilization with waste marble powder according to mechanistic-empirical design method

Abstract

Marble waste has become a critical environmental issue worldwide due to the increase in the use of marble. Nowadays, where sustainability is essential, such wastes are used for various purposes in construction works. The main contribution to sustainability is the reuse of marble waste. In the experimental and computational study, the usability of three different waste marble powders as soil stabilization material was investigated. In the experimental part of the study, waste marble powders were added to the CL type of two different clay soils at 0-10-20-30 and 40% rates. The changes in the strength properties of the stabilized soil were monitored by Atterberg limits, standard Proctor compression, shear box, and California Bearing Ratio (CBR) tests. In the computational part, while the effects of stabilization made using CBR and AASHTO-93 methods on pavement thickness were determined, the contribution of marble powder improvement to the fatigue life of the pavement was investigated in compliance with the Mechanistic-Empirical design method with KENPAVE software. The test results showed that the strength properties of low plasticity clays stabilized with marble dust wastes improved. With CBR and AASHTO-93 methods, it has been calculated that this improvement can reduce the required pavement thickness, and hundreds of cubic meters of material can be saved in highway construction with a reduction in the number of SN. Calculations made by the Mechanistic-Empirical method also predict that the critical rutting life of the pavement can increase up to 86% on average with the stabilization of waste marble dust.

Keywords

Waste Marble Powder, Soil Stabilization, Highway Pavement Thickness, Mechanical-Emprical Design, KENPAVE

Project Number

105M-019

References

• Gungat L., Putri, E.E., Makinda, J., Effects of Oil Palm Shell and Curing Time to the Load-Bearing Capacity of Clay Subgrade , Procedia Eng., 54, 690 – 697, 2013.
• Al-Swaidani A., Hammoud I., Ayman Meziab A., Effect of adding natural pozzolana on geotechnical properties of lime-stabilized clayey soil, J. Rock Mech. Geotech. Eng. 8, 714-725, 2016.
• H. Vidal, The principle of reinforced earth, Highway Research Record, 282, 1–16, 1969 .
• Vural İ., Utilization of construction demolition waste in soil İmprovement, Academic Platform Journal of Engineering and Science, Vol. 7 (1), 1-6, 2019.
• Durmaz, M., Killi zeminlerin kireç ile stabilizasyonunun deneysel çalışması ve sonuçların istatistiksel değerlendirilmesi, European Journal of Science and Technology, 18, 973-980, 2020.
• Sarsilmaz, O. M., Zemin iyileştirme yöntemlerinin sınıflandırılması, incelenmesi, değerlendirilmesi ve anılan yöntemlerin seçilme kriterleri üzerine kapsamlı bir araştırma, Yüksek Lisans Tezi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, 2017.
• Onyelowe, K.C., Review on the role of solid waste materials in soft soils reengineering, Mater. Sci. Energy Technol. , 2, 46–51, 2019.
• Wu, Z., Zhang, Z., Tao, M., Stabilizing blended calcium sulfate materials for roadway base construction, Constr. Build. Mater.,24 (10),1861-1868, 2010.
• François, D., Jullien, A., A framework of analysis for field experiments with alternative materials in road construction, Waste Management, 29, 374–382, 2009.
• Aruntaş, H.Y. , Gürü, M., Dayı M., Tekin, İ., Utilization of waste marble dust as an additive in cement production, Mater. Des., 31, 4039-4042, 2010.
• Sarkar, R., Das, S.K., Mandal, P.K., Maiti, H.S., Phase and microstructure evolution during hydrothermal solidification of clay-quartz mixture with marble dust source of reactive lime, J. Eur. Ceram. Soc., 26, 297–304, 2006.
• Akbulut, H., Gurer, C., Use of aggregates produced from marble quarry waste in asphalt pavements, Build. Environ., 42, 1921–1930, 2007.
• Öztürk M., Mermer Kesiminden Kaynaklanan Çevre Kirliliği Ve Önlemleri, Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, Ankara, 2018. Rizzo, G., D'Agostino, F., Ercoli, L., Problems of soil and groundwater pollution in the disposal of marble slurries in NW Sicily, Environ. Geol. 55 (5), 929–935, 2008.
• Tunç E.T., Cycling of marble waste: A review based on strength of concrete containing marble waste, J. Environ. Manage., 231 (2019) 86–97, 2019.
• Okagbue, C.O., Onyeobi, T.U.S., Potential of marble dust to stabilise red tropical soils for road construction, Eng. Geol., 53, 371-380, 1999.
• Aydin, K., Sivrikaya, O., Uysal, F., Effects of curing time and freeze–thaw cycle on strength of soils with high plasticity stabilized by waste marble powder, J Mater Cycles Waste Manag, 22 (5), 1459–1474, 2020.
• Saygılı, A., Use of waste marble dust for stabilization of clayey soil, Materials Science (Medžıagotyra), 21 (4), 601-606, 2015.
• Gürbüz A., Marble powder to stabilise clayey soils in sub bases for road construction, Road Materials and Pavement Design, 16, (2), 481–492, 2015.
• Yarbaşı, N., Mermer tozu ve atik lastik ile iyileştirilen düşük plastisiteli killi zeminlerin dayanım özellikleri, Doğ Afet Çev Derg, 4(2), 162-170, 2018.
• Zorluer, İ., Gücek, S., Şişen killerin mermer tozu katkı maddesiyle stabilizasyonu, International Symposium on Innovations in Civil Engineering and Technology (ICIVILTECH 2019), Afyonkarahisar -Turkey, 595-602, 23 – 25 October 2019.
• Eltwati, A.S., Saleh, F., Improvement of subgrade soils by using marble dust-(Libya, case study), The International Journal of Engineerıng And Information Technology, 6 (2), 40-43, 2020.
• Jain, A.K., Jha, A.K., Shivanshi, Geotechnical behaviour and micro-analyses of expansive soil amended with marble dust, Soils and Foundations, 60 (4), 737–751, 2020.
• Sivrikaya, O., Uysal, F., Yorulmaz, A., Aydin, K., The efficiency of waste marble powder in the stabilization of fine-grained soils in terms of volume changes, Arab J Sci Eng, 45, 8561–8576, 2020.
• Yılmaz, F., Uçucu kül ve mermer tozu katkılarının zeminin stabilizasyonuna ve donma- çözülmesine etkisinin araştırılması, Academic Platform Journal of Engineering and Smart Systems, 8(1), 56-61, 2020.
• Abdelkader,H.A.M., Hussein ,M.M.A., Ye, H., Influence of waste marble dust on the improvement of expansive clay soils, Advances in Civil Engineering, vol. 2021, Article ID 3192122, 13 pages, 2021.
• Elsiragy, M.N., Geotechnical behaviour of reinforced soft clay by marble dust as a waste material, Journal of Engineering Research, 5 (3), 1-7, 2021.
• Waheed, A., Arshid, M.U., Khalid, R.A., S.S.S., Soil improvement using waste marble dust for sustainable development, Civil Engineering Journal, 7 (09), 1594-1607, 2021.
• Yılmaz, F., Demir, E., Kireç ve mermer tozu ile stabilize edilmiş killi zeminlerin dayanım ve durabilite performansı, Düzce Üniversitesi Bilim ve Teknoloji Dergisi, 9 (2), 511 – 520, 2021. Terzi, S., Karaşahin, M., Mermer Toz Atıklarının Asfalt Betonu Karışımında Filler Malzemesi Olarak Kullanımı. Teknik Dergi, 14(2), 2903-2922, 2003.
• Karaşahin, M., Terzi, S., Evaluation of marble waste dust in the mixture of asphaltic concrete, Construction and Building Materials, 21, 616–620, 2007
• Chandra, S., Kumar, P., & Feyissa, B. A., Use of marble dust in road construction,Road Materials and Pavement Design, 3(3), 317–330, 2002.
• Dhanapandian, S., Gnanavel, B., & Ramkumar, T., Utilization of granite and marble sawing powder wastes as brick materials, Journal of Earth Environmental Science, 4(2), 147–160, 2009.
• Bilgin, N., Yeprem, H. A., Arslan, S., Bilgin, A., Günay, E., & Marsoglu, M., Use of waste marble powder in brick industry. Construction and Building Materials, 29, 449–457, 2012.
• Balkis, A.P., The effects of waste marble dust and polypropylene fiber contents on mechanical properties of gypsum stabilized earthen, Construction and Building Materials, 134, 556–562, 2017.
• Çelikten, S., Atabey, İ.İ., Farklı silis ve alümin kaynaklarının atık mermer tozu esaslı alkali ile aktive edilmiş harçların özelliklerine etkisi, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 9 (2), 396 - 405, 2021.
• Özdemir, C., Kırşehir yöresi atık mermer tozu katkılı kendiliğinden yerleşen hafif betonların mühendislik özelliklerinin araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Kastamonu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kastamonu, 2021.
• Elabade, W.A.T., Atık mermer tozu ve pirinç kabuğu külü katkılı köpük betonların mekanik ve bazı durabilite özellikleri, Yüksek Lisans Tezi, Kastamonu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kastamonu, 2021.
• Sağlık, A., Güngör A.G., Mekanistik ampirik üstyapı tasarımında esneklik modülünün şartnamelere uyarlanması, 5. Ulusal Asfalt Sempozyumu ve Sergisi, Ankara, Türkiye, 18-19 Kasım 2009.
• BOSTANCIOĞLU, M., Mekanistik ampirik esnek üstyapı tasarım modellerinin tabaka kalınlık ve rijitlik oranlarına bağlı olarak karşılaştırılması, Gümüşhane Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 11(1), 91-102, 2021.
• Yıldız, A.H., Karaşahin, M., Çavuş, U.S., Taciroğlu, M., Evaluation of the marble industry waste slurries as stabilisation material in road construction, Turkey VI. Marble and Natural Stone Symposium, Afyonkarahisar, pp. 97-106, 2008.
• Cetin, H.,Fener, M., Günaydın, M., Geotechnical properties of tire-cohesive clayey soil mixtures as fill material, Engineering Geology, 88, 110-120, 2006.
• ASTM D 854, Standard test methods for specific gravity of soil solids by water pycnometer, ASTM International, USA, 2000.
• ASTM D 4318, Standard test methods for liquid limit, plastic limit, and plasticity index of soils, ASTM International, USA, 2000.
• ASTM D 422, Standard test method for particle-size analysis of soils, ASTM International, USA, 2000.
• Hossain, K.M.A., Lachemi, M., Easa, S., Stabilized soils for construction applications incorporating natural resources of Papua New Guinea, Resources, Conservation and Recycling, 51, 711-731, 2007.
• ASTM D 3080, Standard test methods for direct shear test of soils under consolidated drained conditions, ASTM International, USA, 2000.
• Akbulut, S., Arasan, S., Kalkan, E., Modification of clayey soils using scrap tire rubber and synthetic fibers, Applied Clay Science, 38, pp. 23–32, 2007.
• ASTM D 1883, Standard test methods for California bearing ratio (CBR) of laboratory-compacted soils, ASTM International, USA, 2000.
• Umar, F., Ağar, E., Yol Üstyapısı, İTÜ Rektörlüğü, İstanbul, 1991.
• Karayolları Esnek Üstyapılar Projelendirme Rehberi, Teknik Araştırma Dairesi Başkanlığı, Üstyapı Şubesi Müdürlüğü, Ankara, 2008.
• Samad, E., Sensitivity analysis in flexible pavement performance using mechanistic empirical method (Case study: Cirebon–Losari road segment, West Java). In Journal of the Civil Engineering Forum, 20 (1), 2011.
• Bostancıoğlu, M., Granüler tabakaların fonksiyonel derecelendirilmesi ile esnek üstyapılarda yorulma ve tekerlek izinde oturma dayanımının artırılması. Uludağ University Journal of The Faculty of Engineering, 26(2), 557-572, 2021.
• Mallela, J., Von Quintus, H., Kelly, P.E, Smith, L., Consideration of lime-stabilized layers in mechanistic-empirical pavement design, The National Lime Association, Arlington/Virginia, 2004.
• Yılmaz, I., Erzin, Y., Selection of Core Material for an Earth Dam in the Lower Çekerek Basin, Tokat, Turkey. EJGE, Bundle: F, 0472, 2004.
• Khamehchiyan, M., Charkhabi, A.H., Tajik, M., Effects of crude oil contamination on geotechnical properties of clayey and sandy soils, Engineering Geology, 89, 220-229, 2007.
• Kolias, S., Kasselouri-Riopoulou, V., Karahalios, A., Stabilisation of clayey soils with high calcium fly ash and cement, Cement and Concrete Composites, 27, 301-303, 2005.
• Prabakar, J., Dendorkar, N., Morchhale, R.K., Influence of fly ash on strength behavior of typical soils, Construction and Building Materials, 18, 263–267, 2004.