26‐28 Eylül 2018
İstanbul Üniversitesi‐Cerrahpaşa & İstanbul Üniversitesi, İstanbul
GERİ DÖNÜŞTÜRÜLMÜŞ BETON AGREGALARIN GEOTEKNİK MÜHENDİSLİĞİNDE KULLANIMI
UTILIZATION OF RECYCLED CONCRETE AGGREGATE IN GEOTECHNICAL ENGINEERING
Merve AKBAŞ1, Aslı Y. DAYIOĞLU2 Mustafa HATİPOĞLU 3, Recep İYİSAN4
ÖZET
Dünyada ve Türkiye’de her yıl inşaat sektörüne olan yatırımın artmasıyla sınırlı kaynakların uygun bir şekilde kullanılması büyük önem kazanmıştır. İnşaat sektöründe donatı haricinde en çok beton, sıva, tuğla gibi malzemeler kullanılmakta olup; beton güç ve performans olarak çok az kayba uğrayan, geri dönüşüm oranı yüksek bir malzemedir. Geri dönüşüm için kullanılabilecek beton atıkları; kullanım ömrünü tamamlamış yapılardan, doğal afet yıkıntılarından, yangın sonucu oluşan yıkıntılardan, ulaşım sistemi ile ilgili çalışmalardan, kalite kontrol numunelerinden ve prefabrik üretim atıklarından elde edilir.
Beton bileşiminin de hacimsel olarak %65‐75’inin agrega olduğu ve kaliteli agrega kaynaklarının tükenmekte olduğu düşünüldüğünde, geri kazanılmış agregaların özellikle çevresel ve ekonomik yönden önemi artmaktadır. Dolgu malzemesi olarak kullanılabildiğinin belirlenmesi amacıyla malzemenin bilhassa geoteknik özelliklerinin titizlikle incelenmesi gerekmektedir. Bu çalışma kapsamında, kentsel dönüşüm tesisinden alınan geri dönüştürülmüş agregalar, yol dolgularının sağlaması gereken teknik özellikler bakımından karşılaştırılmış, yapılan deneyler ile kullanım uygunluğu araştırılmıştır.
Numuneler üzerinde laboratuvarda sınıflandırma, permeabilite, proktor, CBR deneyleri yapılıp; sonuçlar geoteknik mühendisliği açısından değerlendirilmiştir.
Anahtar Kelimeler: Geri dönüştürülmüş beton agregası, dolgu, CBR
1 İnş. Müh. Merve AKBAŞ, İTÜ İnşaat Fak. , İnşat Müh. Bölümü, Zemin Mekaniği ve Geoteknik Birimi, Maslak‐İst. , akbasm@itu.edu.tr (Sorumlu Yazar)
2 Araş. Gör. Dr. Aslı Y. DAYIOĞLU, İTÜ İnşaat Fak. , İnşat Müh. Bölümü, Zemin Mekaniği ve Geoteknik Birimi, Maslak‐İst. , yalcinas@itu.edu.tr,
3 Dr. Öğr. Üyesi Mustafa HATİPOĞLU, İTÜ İnşaat Fak. , İnşat Müh. Bölümü, Zemin Mekaniği ve Geoteknik Birimi, Maslak‐İst. , hatipoglu1@itu.edu.tr
4 Prof. Dr. Recep İYİSAN, İTÜ İnşaat Fak. , İnşat Müh. Bölümü, Zemin Mekaniği ve Geoteknik Birimi, Maslak‐İst. , iyisan@itu.edu.tr
ABSTRACT
The use of limited resources in suitable applications has gained great importance because of increasing investment in the construction industry every year in the world and Turkey.
Besides reinforcement; concrete, plaster, brick and other materials are mostly used in the construction practice, among them concrete, which has very little loss in strength and performance upon recycling, is a highly preferred material. Concrete waste for recycling can be obtained from structures which complete their lifecycles, natural disaster demolition, fire demolition, concrete roads, quality control samples and prefabricated production wastes. In particular considering that concrete composition is 65‐75%
aggregate by volume and high‐quality aggregate resources are depleted, recycled aggregates rise in importance especially in terms of environment and economy. In order to determine the possibility of being used as an embankment material, especially the geotechnical properties of the material should be examined carefully. In this study, the recycled aggregates obtained from the urban transformation plant were compared with the required technical characteristics of the road embankments, and the suitability for use was investigated with experiments. In the laboratory, classification, permeability, CBR, proctor experiments were carried out on the samples and the results were evaluated in terms of geotechnical engineering.
Keywords: Recycled concrete aggregate, graded aggregate base, CBR
1. GİRİŞ
Katı atıkların kontrolü ve yönetimi, modern toplumların en büyük sorunlarından biridir.
İnşaat ve yıkıntı atıkları içerisinde ağırlıkça en büyük payı beton atıkları oluşturmaktadır (Öztürk, 2000; Oikonomou, 2005).
Beton atıklarının tekrar kullanımı; doğal kaynak kullanımını azaltması ve oluşan atıkların depolama sorununu bir çözüm olacağı anlayışı yaygın bir şekilde kabul görmektedir (Arulrajah vd., 2011).
2010 yılında Avrupa Birliği ülkelerinde üretilen toplam atık miktarı 2.51 milyar tondur.
İnşaat ve yıkım atıkları 859 milyon ton olup toplam atık miktarının %34’ünü; maden ve taşocaklarından üretilen atık malzeme miktarı ise 672 milyon ton olup toplam atık miktarının %27’sini oluşturmaktadır. (Eurostat, 2014).
Ülkemizde ise 2012 yılında çıkan 6306 sayılı ‘Afet Riski Altındaki Alanların Dönüştürülmesi Hakkında Kanun’ ile riskli bulunan yaklaşık 6‐7 milyon yapının yıkılması planlanmış ve yıkım çalışmaları hala devam etmektedir. Çevreye olan etkileri açısından; inşaat endüstrisi tarafından üretilen katı atıkların depolama maliyetlerini düşürmesi, atık depolama gereksinimini azaltması, inşaat için zeminden elde edilen doğal kaynakların kullanımını azaltması, atık malzemelerin daha çok değerlendirilmiş olması, enerji israfını azaltması ve sürdürülebilirliğin artması gibi olumlu etkileri nedeniyle geri dönüştürülmüş agrega kullanımı tercih edilebilmektedir (Ok ve Demir, 2017).
Bu çalışmanın amacı; genel olarak inşaat yıkıntı atıkları, özelde ise beton atıklarının yol dolgularında değerlendirilmesinde gereken geoteknik özelliklerine uygunluğunu
araştırmayı kapsamaktadır. Kentsel dönüşüm tesisinden temin edilen geri dönüştürülmüş beton agregalarının geoteknik özelliklerini ve dolgu uygunluğunu belirlemek amacıyla laboratuvarda yapılan deneylerde farklı yıkımlardan elde edilen numuneler kullanılmıştır.
Zemin sınıfını belirlemek amacıyla öncelikle Elek Analizi ve Hidrometre deneyleri yapılmıştır. Zemin sınıfı belirlenen malzeme üzerinde ASTM standartlarına uygun olarak Standart Proktor, Modifiye Proktor, Yaş‐Kuru CBR deneyleri ve Permeabilite deneyleri yapılmış; elde edilen değerlerin Karayolları Teknik Şartnamesinde belirtilen şartlar dikkate alınarak uygunluğu değerlendirilmiştir.
2. MALZEME VE YÖNTEM
Çalışma kapsamında kullanılacak geri dönüştürülmüş beton agreganın kalitesi, elde edildiği bölgeye, o bölgedeki yapı özelliklerine ve kullanılan yapı malzemesinin kalitesine göre değişim gösterebilmekte olup geoteknik özelliklerinin de bu doğrultuda değişebileceği öngörülmektir (Vieira ve Pereira, 2015).
Sadece bir bölgeden temin edilen malzeme üzerinde yapılacak çalışmalar o bölge ile sınırlı kalabileceğinden çeşitli bölgelerindeki bina yapım yıkım atıklarının toplandığı kentsel geri dönüşüm tesisinden malzeme kullanımı uygun görülmüştür.
Malzeme olarak bina yapım atıklarından elde edilen geri dönüştürülmüş beton agregası kullanılmıştır. Göktürk bölgesinde bulunan tesiste, bina yapım atıkları donatılardan ve diğer inşaat malzemelerinden ayrıştırılıp dane boyutlarına göre depolanmaktadır (Şekil 1).
Şekil 1. Dane boyutlarına göre istiflenmiş geri dönüştürülmüş beton agregaları
Yol dolgularında hem alt temel hem de temel tabasında doğal agrega kullanılabileceği gibi yalnızca geri dönüştürülmüş beton agregası veya doğal agrega ile belli oranlarda karışımı da kullanılabilir (Cardosa vd., 2016).
2.1. Endeks Özellikleri
Alınan numune üzerinde elek analizi ve hidrometre deneyleri yapılıp, malzemenin zemin sınıfı belirlenmiştir. Birleştirilmiş zemin sınıfı elek analizi ve hidrometre sonuçlarına göre zemin sınıfı Siltli Kum (SM) olarak bulunmuştur. ASTM‐D698 ve ASTM‐D1557’ye göre Standart ve Modifiye Proktor testleri yapılmıştır. Standart Proktor deney sonucuna göre optimum su muhtevası %13, maksimum kuru birim hacim ağırlık 19.3 kN/cm3 olarak belirlenirken; Modifiye Proktor deney sonucunda maksimum kuru birim hacim ağırlık 19.7 kN/cm3 optimum su içeriği %9 olarak bulunmuştur.
2.2. Kaliforniya Taşıma Oranı (CBR) ve Geçirimlilik
Zeminlerin karayolu alt dolgularında kullanımına uygunluğu belirlemek amacıyla 1929’da geliştirilmiş bir deney olan CBR deneyi, geri dönüştürülmüş beton agregası üzerinde modifiye sıkıştırma eğrisinde elde edilen optimum su muhtevasında numune hazırlanıp ASTM D 1883’e göre uygulanmıştır. Islak ve kuru CBR deneyleri yapılmıştır. Malzemenin optimum su içeriğindeki kuru CBR değeri %76 yaş CBR değeri %79 olarak bulunmuştur.
Permeabilite katsayısı zeminlerin en çok farklılık gösteren ve diğer faktörlerden en çok etkilenen zemin endeks özelliklerinden biri olmakla beraber karayolu dolgularında kullanılacak malzemelerde önemli bir özellik olmaktadır. Permeabilite katsayısını belirlemek için geri dönüştürülmüş beton agregası üzerinde ASTM D2434’e göre Sabit Seviyeli Permeabilite Deneyi yapılmış, değişen hidrolik eğimlerde permeabilite katsayıları bulunmuştur. Ortalama permeabilite katsayısı 8.86x10‐5 cm/s’dir. Buna ilaveten deney sırasında hidrolik eğim ile değişen su hızları belirlenmiştir.
3. DENEY SONUÇLARININ TARTIŞILMASI
Yol dolgularında geri dönüşüm agregalarının kullanım uygunluğu alt temel için kullanım uygunluğu ve temel tabakası kullanım uygunluğu olarak ayrı ayrı ele alınmalıdır. Bu çalışma kapsamında alt temel tabakası için uygunluk incelenmiştir. Karayolları Teknik Şartnamesine göre göre alt temel tabakasında kullanılacak malzeme A ve B tipi olmak üzere 2’ye ayrılmaktadır.
Karayolları Teknik Şartnamesinde A ve B tipi malzemenin dane çapı dağılımı için üst ve alt limitler belirlenmiş olup; tesis geri dönüşüm beton agregası dane çapı dağılımı bu limitlerin dışında kalmaktadır. Laboratuvarda Karayolları Teknik Şartnamesi (KTŞ) üst ve alt limitleri dikkate alınarak malzeme yeni bir dane çapı dağılımında tekrar hazırlanmıştır (Şekil 2). Hazırlanan numunenin geoteknik özelliklerini belirlemek için laboratuvarda Standart Modifiye Proktor, CBR ve Permeabilite deneyleri yapılıp KTŞ’ de belirtilen dolgu şartlarına uygunluğu araştırılmıştır (Tablo 1).
Standart ve Modifiye Proktor sonuçları tesis geri dönüşüm malzemesi ile beraber Şekil 3’te, Islak ve Kuru CBR deneyinde elde edilen yük‐deformasyon eğrileri Şekil 4’te ve permeabilite katsayısının hidrolik eğim ile değişimi Şekil 5’te gösterilmiştir.
Tablo 1. Deney sonuçlarının KTŞ’de belirtilen değerler ile karşılaştırılması
Deney Adı Kullanım Alanı Şartname Limiti Deney Sonucu
Likit Limit Dolgu Malzemesi ≤ 60 Non‐Plastik
Plastisite İndeksi(PI),% Dolgu Malzemesi ≤ 35 Non‐Plastik Maksimum Kuru Birim
Ağırlık (Standart Proktor)
Dolgu Malzemesi ≥ 1.450 t/m3 1.930 t/m3 Yaş CBR Şişme
Yüzdesi,% Dolgu Malzemesi ≤ 3 1
0.075 mm Elekten Geçen,%
Dona Hassas Olmayan
Taban Malzemesi ≤ 12 6
Likit Limit Dona Hassas Olmayan
Taban Malzemesi ≤ 25 Non‐Plastik
Plastisite İndeksi(PI),% Dona Hassas Olmayan
Taban Malzemesi ≤ 6 Non‐Plastik
Şekil 2. Çalışmada kullanılan malzemelerin dane çapı dağılımları
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
0.001
0.01
0.1
110
100
ÇAPLARI D DEN KÜÇÜK OLAN DANELERİN AĞIRLIK YÜZDELERİ (%)
DANE ÇAPI D (mm)
Tip A Üst Limit Tip A Alt Limit Tip B Üst Limit Tip B Alt Limit Tesis GDBA Hazırlanan GDBA Doğal Agrega
Şekil 3. Kompaksiyon deney sonuçları
Şekil 4. CBR deney sonuçları
Tablo 2. CBR ve Permeabilite deney sonuçları özet tablosu
Malzeme Yaş
CBR
Kuru
CBR Permeabilite (cm/sn)
Tesis Numunesi 79 76 8.86 x 10‐5
Hazırlanan Numune 121 106 5.64 x 10‐5
Doğal Agrega 134 ‐‐ 4.86 x 10‐4
Şekil 4’te ve Tablo 2’de gösterilen CBR deney sonuçlarına göre hazırlanan numune için elde edilen değerlerin tesis numunesinden daha yüksek olduğu görülmektedir. Bu durum hazırlanan numunenin tesis numunesine nazaran daha iyi derecelenmiş olması ile açıklanabilir. Ayrıca doğal agrega numuneleri üzerinde yapılan CBR deneylerinde genellikle ıslak CBR değerlerinin kuru CBR değerlerine göre daha yüksek olması beklenirken, hem tesis numunesi hem de hazırlanan numune için geri dönüştürülmüş beton agregasında ıslak CBR değerlerinin kuru CBR değerlerinden daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Bu durum beton agregası içerisinde henüz hidrate olmamış çimentonun suyla temastan dolayı reaksiyona girmesi ile açıklanabilir. Benzer sonuçlar ile geçmişte geri dönüştürülmüş beton agregası üzerine yapılan çalışmalarda da karşılaşılmıştır (Garach vd., 2015, Mahdi 2017). Karayolları teknik şartnamesinde alt temel tabakaları için istenen yaş CBR değerleri Tip A için minimum %30, Tip B için minimum %50 olup, Tip A ve Tip B sınır dane çapı dağılımları dikkate alınarak hazırlanmış numunenin CBR değeri, istenen minimum değerin oldukça üzerinde kalmaktadır.
Tesisten alınan ve hazırlanan geri dönüştürülmüş beton agregası ile doğal agrega üzerinde yapılan permeabilite sonuçları Tablo 2’de verilmiştir. Bu sonuçlara göre hazırlanan numune tesis numunesinden daha düşük bir permeabiliteye sahiptir. Yukarıda da belirtildiği gibi bu sonuç hazırlanan numunenin daha iyi derecelenmiş bir dane çapı dağılımına, dolayısı ile daha düşük boşluk oranına sahip olması ile açıklanabilir. Bununla birlikte tesis numunesi ve doğal agrega permeabilite değerleri birbirine oldukça yakın sonuçlar vermektedir.
4. SONUÇLAR
Bu çalışma kapsamında geri dönüştürülmüş beton agregalarının yol dolgularında alt temel tabası olarak kullanım uygunluğu incelenmiştir. Malzeme olarak İstanbul Göktürk Kentsel dönüşüm tesisinden alınan geri dönüştürülmüş beton agregası kullanılmıştır. Tesis numunesinin dane çapı dağılımı Karayolları Teknik Şartnamesinde belirtilen dane çapı dağılımı limitlerine uygun olmadığı için uygun bir dane çapı dağılımında numune hazırlanmıştır. Laboratuvar deneyleri (Elek analizi, Hidrometre, Proktor, CBR, Permeabilite) hem alınan tesis numunesi hem de uygun dane çapı dağılımında hazırlanan numune üzerinde yapılmıştır.
Tesis numunesi üzerinde yapılan elek analizi ve hidrometre sonuçlarına göre Birleştirilmiş Zemin Sınıfı Siltli Kum olarak belirlenmiş ve ince malzeme oranı %13 olarak belirlenmiştir.
Tesis Numunesi üzerinde yapılan Standart Proktor deney sonuçlarında sıkıştırma için optimum su muhtevası değeri %13 bulunurken maksimum kuru birim hacim ağırlık değeri 19.0 kN/m3 bulunmuştur. Hazırlanan numunede ise maksimum kuru
birim hacim ağrılığının bir miktar artıp 19.2 kN/m3 ya ulaştığı, su muhtevasının ise
%10’a düştüğü görülmüştür.
Modifiye Proktor deneyinde tesis numunesi için %9 optimum su muhtevası ve 19.70 kN/m3 maksimum kuru birim hacim ağırlık değerleri elde edilmiştir.
Hazırlanan numunede maksimum kuru birim hacim ağırlık 19.50 kN/m3, su muhtevası ise %8’dir.
CBR deneyi hem yaş hem kuru olarak yapılmıştır. Tesis numunesinde yaş ve kuru numunenin CBR değerleri birbirine çok yakın olmakla beraber sırası ile %79 ve
%76’dır. Hazırlanan numune kuru CBR değeri %106 bulunurken yaş CBR değeri
%121 olarak belirlenmiştir. Her 2 numunede de şişme oranı %1 olarak bulunmuştur.
Sabit seviyeli permeabilite deneyinde tesis numunesi ve hazırlanan numune için permeabilite katsayısı sırası ile ortalama 8.86x10‐5 cm/s ve 5.64x10‐5 cm/s olarak belirlenmiştir.
KAYNAKLAR
Arulrajah, A., Piratheepan, J., Aatheesan, T., and Bo, M. W. (2011), “Geotechnical properties of recycled crushed brick in pavement applications”, J. Mater. Civ. Eng., 23(10), 1444–1452.
Eurostat,2014.Waste statistics in Europe.http://epp.eurostat.ec.europa.eu/(July,2014) Garach L, López M, Agrela F, Ordóñez J, Alegre J, Moya JA, (2015), “Improvement of
Bearing Capacity in Recycled Aggregates Suitable for Use as Unbound Road Sub‐
Base”, Materials, 8(2015) 8804‐8816, https://doi.org/10.3390/ma8125493
Karayolları Teknik Şartnamesi; “Yol Altyapısı, Sanat Yapıları, Köprü ve Tüneller, Üstyapı ve Çeşitli İşler”, Ankara, Türkiye, 2013.
Mahdi, Z.A.Z. (2017), “Evaluation of Using the Crushed Concrete Aggregate as Unbound Pavement Layer”, Journal of Babylon University/Engineering Sciences, 4(2017) 1478‐1484.
Oikonomou N.D. (2005), “Recycled Concrete Aggregates”, Cement & Concrete Composites, 27,315‐318.
Ok, M. ve Demir, A. (2018), “Yapım Yıkım Atıklarının Yol Temellerinde Kullanılabilirliğinin İncelenmesi”, Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt 7, Sayı 1, (2018), 224‐236.
Öztürk M. (2003), “İnşaat/Yıkıntı Atıklarının Yönetimi”, Çevre ve Orman Bakanlığı, Ankara.
R. Cardoso, R.V. Silva, J. De Brito,R. Dhir (2016), “Use of recycled aggregates from construction and demolition waste in geotechnical applications : a literature review”, Waste Manage, 49 (2016) 131‐145,
https://doi.org/10.1016/j.wasman.2015.12.021
Vieira, C.S. and Pereira, P.M, (2016), “Use of recycled construction and demolation materials in geotechnical applications: a review”, Resources, Conservation and Recycling 103 (2015) 192–204, https://doi.org/10.1016/j.resconrec.2015.07.023
