ARALIK 2016

İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

ELEKTRİK ARK FIRINI CÜRUFUNUN KARAYOLU ESNEK ÜSTYAPI

AŞINMA VE BİNDER TABAKALARINDA AGREGA OLARAK

KULLANILABİLİRLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI

Onur DEMİR

İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı

Ulaştırma Mühendisliği Programı

ARALIK 2016

İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

ELEKTRİK ARK FIRINI CÜRUFUNUN KARAYOLU ESNEK ÜSTYAPI

AŞINMA VE BİNDER TABAKALARINDA AGREGA OLARAK

KULLANILABİLİRLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI

YÜKSEK LİSANS TEZİ

Onur DEMİR

(501151413)

İnşaat Mühendisliği Anabilim Dalı

Ulaştırma Mühendisliği Programı

Tez Danışmanı: Yrd. Doç. Dr. Şükrüye İYİNAM

iii

Tez Danışmanı : Yrd. Doç. Dr. Şükrüye İYİNAM ..............................

İstanbul Teknik Üniversitesi

Jüri Üyeleri : Doç. Dr. Murat ERGÜN

İstanbul Teknik Üniversitesi

Yrd. Doç. Dr. Mustafa Sinan YARDIM Yıldız Teknik Üniversitesi

İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü’nün 501151413 numaralı Yüksek Lisans Öğrencisi

Onur DEMİR, ilgili yönetmeliklerin belirlediği gerekli tüm şartları yerine getirdikten

sonra hazırladığı “ELEKTRİK ARK FIRINI CÜRUFUNUN KARAYOLU ESNEK

ÜSTYAPI AŞINMA VE BİNDER TABAKALARINDA AGREGA OLARAK

KULLANILABİLİRLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI” başlıklı tezini aşağıda imzaları

olan jüri önünde başarı ile sunmuştur.

Teslim Tarihi : 25 Kasım 2016

Savunma Tarihi : 23 Aralık 2016

iv

v

Aileme,

vi

vii

ÖNSÖZ

Yüksek Lisans çalışmalarım süresince çalışmalarıma yön veren, bilgi ve tecrübesini

paylaşan, günlük yaşantısında güler yüzünü hiç eksik etmeyen değerli danışman

hocam Sayın Yrd. Doç. Dr. Şükrüye İYİNAM’a sonsuz teşekkürlerimi sunarım.

Çalışmalarımın başından beri hiç bir yardımı esirgemeyen, yoğun temposuna rağmen

çok emeği geçen Sayın İnşaat Yüksek Mühendisi Fatih YONAR'a ve Sayın İnşaat

Yüksek Mühendisi Barış YILMAZ’a minnettarlığımı sunarım. Tezin deneysel

kısımlarında katkıları olan değerli laboratuvar teknisyenimiz Murat ŞAHİN’e çok

teşekkür ederim.

Bu günlere gelebilmem için maddi ve manevi hiçbir fedakârlıktan kaçınmayan

annem ve babama, tüm aileme sonsuz şükranlarımı sunarım.

Kasım 2016 Onur DEMİR

İnşaat Mühendisi

viii

ix

İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖNSÖZ…… .............................................................................................................. vii İÇİNDEKİLER ......................................................................................................... ix KISALTMALAR .................................................................................................... xiii

ÇİZELGE LİSTESİ ................................................................................................. xv ŞEKİL LİSTESİ ..................................................................................................... xvii

ÖZET……… ............................................................................................................ xix SUMMARY ............................................................................................................. xxi 1. GİRİŞ….. ................................................................................................................ 1 2. KARAYOLU İNŞAATI ALTYAPI VE ÜSTYAPI TABAKALARI ................ 3

2.1 Rijit Üstyapı ....................................................................................................... 4

2.1.1 Taban zemini ............................................................................................... 5 2.1.2 Rijit üstyapı kaplama altı tabakası .............................................................. 6

2.1.3 Beton plak ................................................................................................... 6 2.2 Yarı rijit üstyapı (komposit üstyapı) .................................................................. 6 2.3 Esnek Üstyapı ..................................................................................................... 7

2.3.1 Taban zemini ............................................................................................... 8 2.3.2 Alttemel tabakası ......................................................................................... 8

2.3.3 Temel tabakası ............................................................................................ 9 2.3.4 Bitümlü karışım tabakaları .......................................................................... 9

2.3.4.1 Bitümlü temel tabakası ....................................................................... 10 2.3.4.2 Binder tabakası ................................................................................... 10 2.3.4.3 Aşınma tabakası ................................................................................. 10

3. ESNEK ÜSTYAPI TABAKALARINDA KULLANILAN MALZEMELER

VE ÖZELLİKLERİ ............................................................................................ 13 3.1 Bitümlü Bağlayıcılar ........................................................................................ 13 3.2 Agregalar .......................................................................................................... 14

3.2.1 Alttemel tabakasında kullanılan agregalar ................................................ 15 3.2.2 Temel tabakasında kullanılan agregalar .................................................... 17

3.2.3 Kaplama tabakasında kullanılan agregalar ............................................... 21

4. DEMİR ÇELİK ÜRETİMİ ................................................................................. 25 4.1 Demir Çelik Sektörü ......................................................................................... 25 4.2 Demir Çelik Üretimi ......................................................................................... 26

4.2.1 Yüksek fırında üretim ............................................................................... 28

4.2.2 Bazik oksijen fırınında üretim ................................................................... 29 4.2.3 Elektrik ark fırınında üretim ..................................................................... 31

5. CÜRUFLARIN OLUŞUMU ÖZELLİKLERİ VE KULLANIM ALANLARI35 5.1 Cürufların Oluşumu .......................................................................................... 35

5.1.1 Yüksek fırın (YF) cürufu .......................................................................... 35 5.1.2 Bazik oksijen fırını (BOF) cürufu ............................................................. 37 5.1.3 Elektrik ark fırını (EAF) cürufu ................................................................ 37

x

5.2 Cürufların Özellikleri ....................................................................................... 38

5.2.1 Cürufların fiziksel özellikleri .................................................................... 39 5.2.2 Cürufların kimyasal özellikleri.................................................................. 40

5.3 Cürufların Kullanım Alanları ........................................................................... 42

6. MALZEME DENEYLER VE YÖNTEM .......................................................... 45 6.1 Kullanılan Malzemeler ..................................................................................... 45 6.2 Malzemelerin Fiziksel Özelliklerinin Belirlenmesine İlişkin Deneyler ........... 45

6.2.1 Elek analizi ................................................................................................ 45 6.2.2 Özgül ağırlık ve su emme deneyi .............................................................. 46

6.2.2.1 Kaba agregalar için özgül ağırlık ve su emme deneyi ....................... 47 6.2.2.2 İnce agregalar için özgül ağırlık ve su emme deneyi ......................... 48 6.2.2.3 Mineral filler için özgül ağırlık ve su emme deneyi .......................... 49

6.2.3 Los Angeles deneyi ................................................................................... 50 6.2.4 Yassılık indeksi deneyi.............................................................................. 52

6.2.5 Soyulma deneyi ......................................................................................... 53

6.2.6 Cilalanma deneyi ....................................................................................... 53

6.2.7 Organik madde içeriği deneyi ................................................................... 55 6.2.8 Penetrasyon deneyi .................................................................................... 56 6.2.9 Özgül ağırlık deneyi .................................................................................. 57

6.3 Marshall Yöntemi İle Tasarım.......................................................................... 58

6.3.1 Deney numunelerinin hazırlanması ........................................................... 59 6.3.2 Marshall stabilite ve akma deneyi ............................................................. 62

6.3.3 Yoğunluk ve boşluk analizleri................................................................... 64 6.3.3.1 Agrega karışımının tane yoğunluğunun hesaplanması ....................... 64 6.3.3.2 Sıkıştırılmış bitümlü karışımının pratik özgül ağırlığı ....................... 65

6.3.3.3 Bitümlü karışımının maksimum teorik özgül ağırlığı ........................ 65 6.3.3.4 Sıkıştırılmış bitümlü karışımda hava boşluğu yüzdesinin hesaplanması

........................................................................................................................ 66 6.3.3.5 Sıkıştırılmış bitümlü karışımdaki agregalar arası boşluk yüzdesinin

hesaplanması .................................................................................................. 66 6.3.3.6 Sıkıştırılmış bitümlü karışımdaki bitümle dolu boşluk yüzdesinin

hesaplanması .................................................................................................. 66

6.3.4 Optimum bitüm yüzdesinin belirlenmesi .................................................. 67

7. DENEYSEL BULGULAR ................................................................................... 69 7.1 Agregaların Fiziksel Özelliklerinin Belirlenmesine İlişkin Deney Sonuçları .. 69

7.1.1 Elek analizi deney sonuçları ...................................................................... 69 7.1.2 Özgül ağırlık ve su emme deneyi sonuçları .............................................. 70

7.1.3 Los Angeles deneyi sonuçları ................................................................... 72 7.1.4 Yassılık indeksi deneyi sonuçları .............................................................. 72

7.1.5 Soyulma deneyi sonuçları ......................................................................... 72 7.1.6 Cilalanma deneyi sonuçları ....................................................................... 73 7.1.7 Organik madde içeriği deneyi sonuçları.................................................... 73

7.2 Bitüm Deneylerinden Elde Edilen Sonuçlar..................................................... 74 7.3 Marshall Deneyi Sonuçları ............................................................................... 74

7.3.1 EAF cürufu için grafikler .......................................................................... 74 7.3.2 EAF cürufu için optimum bitüm yüzdesi sonuçları .................................. 81

7.3.3 Doğal agrega için grafikler ........................................................................ 82 7.3.4 Doğal agrega için optimum bitüm yüzdesi sonuçları ................................ 88 7.3.5 Grafiklerin karşılaştırılması....................................................................... 89

8. SONUÇ VE ÖNERİLER ..................................................................................... 97

xi

KAYNAKLAR ....................................................................................................... 103

EKLER…… ............................................................................................................ 107 ÖZGEÇMİŞ ............................................................................................................ 113

xii

xiii

KISALTMALAR

ABD : Amerika Birleşik Devletleri

BOF : Bazik oksijen fırını

CBR : California Bearing Ratio

DKY : Doygun Kuru yüzey

Dp : Toplam karışımın özgül ağırlığı

EAF : Elektrik Ark Fırını

KTŞ : Karayolları Teknik Şartnamesi

TS : Türk Standartları

TÜPRAŞ : Türkiye Petrol Rafinerileri A.Ş.

VFA : Bitümle Dolu Boşluk

Vh : Hava Boşluğu

VMA : Agregalar Arası Boşluk

YFC : Yüksek Fırın Cürufu

xiv

xv

ÇİZELGE LİSTESİ

Sayfa

Çizelge 3.1 : Alttemel tabakasının granülometri limitleri [20]. ................................. 16 Çizelge 3.2 : Alttemel tabakasının fiziksel özellikleri [20]. ...................................... 16 Çizelge 3.3 : Alttemel tabakasının sıkıştırma kriterleri [20]. .................................... 17

Çizelge 3.4 : Temel tabakasının kaba agrega fiziksel özellikleri [20]. ...................... 18

Çizelge 3.5 : Temel tabakasının ince agrega fiziksel özellikleri [20]. ....................... 18

Çizelge 3.6 : Granüler temel tabakasının granülometri limitleri [20]. ...................... 19 Çizelge 3.7 : Granüler temel tabakasının sıkıştırma kriterleri [20]. .......................... 19 Çizelge 3.8 : Plent-miks temel tabakasının granülometri limitleri [20]. ................... 20 Çizelge 3.9 : Plent-miks temel tabakasının sıkıştırma kriterleri [20]. ....................... 20

Çizelge 3.10 : Çimento bağlayıcılı stabilize temel tabakasının granülometri limitleri21 Çizelge 3.11 : Çimento bağlayıcılı stabilize temel tabakasının sıkıştırma kriterleri . 21

Çizelge 3.12 : Binder tabakası için gradasyon limitleri [20]. .................................... 22 Çizelge 3.13 : Aşınma tabakası için gradasyon limitleri [20]. .................................. 22 Çizelge 3.14 : Kaplama tabakasında kaba agreganın fiziksel özellikleri [20]. .......... 23

Çizelge 3.15 : Kaplama tabakasında ince agreganın fiziksel özellikleri [20]. ........... 23 Çizelge 4.1 : Yıllık ham çelik üretim miktarı [22]. ................................................... 26

Çizelge 4.2 : Ham çelik üretici ülkeler ve üretim miktarları [22]. ............................ 26 Çizelge 5.1 : Cürufların fiziksel özellikleri ............................................................... 40

Çizelge 5.2 : Cürufların mekanik özellikleri ............................................................. 40 Çizelge 5.3 : Cüruf içinde bulunan bileşikler [32] .................................................... 41 Çizelge 6.1 : Elek analizinde kullanılan elekler ........................................................ 46 Çizelge 7.1 : Aşınma tabakası için kullanılan gradasyon limitleri ………………... 96

Çizelge 7.2 : Binder tabakası için kullanılan gradasyon limitleri ………..………. 97

Çizelge 7.3 : Kaba ve ince agrega özgül ağırlık değerleri ……….………………... 99

Çizelge 7.4 : Filler malzemesi özgül ağırlık değerleri ……………………...…… 100

Çizelge 7.5 : Kaba agrega ve ince agrega su emme oranları …………………….. 100

Çizelge 7.6 : Los Angeles aşınma değeri ……..…………………………………. 101

Çizelge 7.7 : Yassılık indeksi deney sonuçları …...……………………………… 101

Çizelge 7.8 : Soyulma mukavemeti deneyi ……..……………………………….. 102

Çizelge 7.9 : Cilalanma deneyi sonuçları ………….…………………………….. 102

Çizelge 7.10 : Bitüm deneylerinden elde edilen sonuçlar ……………………….. 103

Çizelge 7.11 : EAF cürufunun aşınma karışımı için optimum bitüme göre

hesaplanan değerleri ve şartname limitleri …….…………………. 110

Çizelge 7.12 : EAF cürufunun binder karışımı için optimum bitüme göre

hesaplanan değerleri ve şartname limitleri ……….………………. 110

Çizelge 7.13 : Doğal agrega aşınma karışımı için optimum bitüme göre

hesaplanan değerleri ve şartname limitleri………………………... 117

Çizelge 7.14 : Doğal agrega binder karışımı için optimum bitüme göre

hesaplanan değerleri ve şartname limitleri………………………... 118

xvi

xvii

ŞEKİL LİSTESİ

Sayfa

Şekil 2.1 : Kaplamalara göre yük dağılımı [8]. ........................................................... 5 Şekil 2.2 : Esnek üstyapının enine kesiti [11]. ............................................................ 7 Şekil 4.1 : Bir entegre çelik tesisinde üretim akışı [23]. ............................................ 27 Şekil 4.2 : Yüksek fırın [23] ...................................................................................... 28 Şekil 4.3 : Bazik oksijen fırını [25] ........................................................................... 29

Şekil 4.4 : Yüksek fırından gelen pik demirin BOF'na dökülmesi [25] .................... 30 Şekil 4.5 : Elektrik ark fırını [26] .............................................................................. 32 Şekil 5.1 : Demir ve yüksek fırın cürufunun üretim süreci [27] ................................ 36

Şekil 5.2 : Genleştirilmiş, granule ve öğütülmüş yüksek fırın cürufu ....................... 37 Şekil 5.3 : BOF’da girdi ve çıktılar ........................................................................... 37 Şekil 5.4 : EAF cürufu üretim süreci ......................................................................... 38

Şekil 5.5 : ABD’de cürufun kullanım alanları ........................................................... 43 Şekil 5.6 : Kanada’da cürufun kullanım alanları ....................................................... 43

Şekil 6.1 : Agregaların suda bekletilerek doygun hale getirilmesi ............................ 47 Şekil 6.2 : Vakum makinesi ....................................................................................... 49 Şekil 6.3 : Hassas Terazi ............................................................................................ 50

Şekil 6.4 : Los angeles makinası................................................................................ 51 Şekil 6.5 : Los Angeles deneyi bilyeleri .................................................................... 51

Şekil 6.6 : Yassılık indeksi elekleri ........................................................................... 52 Şekil 6.7 : Cilalanma makinesi .................................................................................. 54 Şekil 6.8 : Sürtünme pandülü .................................................................................... 55

Şekil 6.9 : Suda çözülen NaOH ................................................................................. 56

Şekil 6.10 : Penetrometre ........................................................................................... 57 Şekil 6.11 : Etüv ........................................................................................................ 60 Şekil 6.12 : Hassas tartıda bitüm eklenmesi .............................................................. 60

Şekil 6.13 : Mikser ..................................................................................................... 61 Şekil 6.14 : Marshall tokmağı .................................................................................... 62 Şekil 6.15 : Su havuzu ............................................................................................... 63

Şekil 6.16 : Marshall akma ve stabilite deneyi .......................................................... 63 Şekil 7.1 : Boşluk % (Vh) - bitüm % grafiği ……………………………………... 104

Şekil 7.2 : Boşluk % (Vh) - bitüm % grafiği ……………………………………... 104

Şekil 7.3 : VMA % - bitüm % grafiği …………………...………………………. 105

Şekil 7.4 : VMA % - bitüm % grafiği ……………...……………………………. 105

Şekil 7.5 : VFA % - bitüm % grafiği …………………………………………….. 106

Şekil 7.6 : VFA % - bitüm % grafiği …………………………………………..… 106

Şekil 7.7 : Pratik özgül ağırlık - bitüm % grafiği ………….…………………….. 107

Şekil 7.8 : Pratik özgül ağırlık - bitüm % grafiği …………….………………….. 107

Şekil 7.9 : Stabilite - bitüm % grafiği …………………………….……………… 108

Şekil 7.10 : Stabilite - bitüm % grafiği ……………………………...…………… 108

Şekil 7.11 : Akma - bitüm % grafiği …………………………………...………... 109

Şekil 7.12 : Akma - bitüm % grafiği ……………………………………...……... 109

Şekil 7.13 : Boşluk % (Vh) - bitüm % grafiği ……………………………………. 111

Şekil 7.14 : Boşluk % (Vh) - bitüm % grafiği ……………………………………. 112

xviii

Şekil 7.15 : VMA % - bitüm % grafiği ………………...………………………... 112

Şekil 7.16 : VMA % - bitüm % grafiği …………………...……………………... 113

Şekil 7.17 : VFA % - bitüm % grafiği …………………………………………… 113

Şekil 7.18 : VFA % - bitüm % grafiği …………………………………………… 114

Şekil 7.19 : Pratik özgül ağırlık - bitüm % grafiği ……………….……………… 114

Şekil 7.20 : Pratik özgül ağırlık - bitüm % grafiği ………………….…………… 115

Şekil 7.21 : Stabilite - bitüm % grafiği ………………………………...………… 115

Şekil 7.22 : Stabilite - bitüm % grafiği …………………………………...……… 116

Şekil 7.23: Akma - bitüm % grafiği ………………………………………...…... 116

Şekil 7.24 : Akma - bitüm % grafiği …………………………………………...... 117

Şekil 7.25 : Doğal agrega ile EAF cürufunun aşınma karışımlarının pratik özgül

ağırlıkları - bitüm yüzdeleri ………………………………………. 118

Şekil 7.26 : Doğal agrega ile EAF cürufunun aşınma karışımlarının boşluk (Vh) -

bitüm yüzdeleri …………………………………………………….. 119

Şekil 7.27 : Doğal agrega ile EAF cürufunun aşınma karışımlarının agregalar

arası boşluk (VMA) - bitüm yüzdeleri …………………………….. 119

Şekil 7.28 : Doğal agrega ile EAF cürufunun aşınma karışımlarının bitümle dolu

boşluk (VFA) - bitüm yüzdeleri ………………………………….. 120

Şekil 7.29 : Doğal agrega ile EAF cürufunun aşınma karışımlarının akma - bitüm

yüzdeleri ………………………………………...………………… 120

Şekil 7.30 : Doğal agrega ile EAF cürufunun aşınma karışımlarının stabilite - bitüm

yüzdeleri……………………………………………………..……... 121

Şekil 7.31: Doğal agrega ile EAF cürufunun binder karışımlarının pratik özgül

ağırlık - bitüm yüzdeleri …………………………………………… 121

Şekil 7.32 : Doğal agrega ile EAF cürufunun binder karışımlarının boşluk (Vh) -

bitüm yüzdeleri …………………………………...………………. 122

Şekil 7.33 : Doğal agrega ile EAF cürufunun binder karışımlarının agregalar arası

boşluk (VMA) - bitüm yüzdeleri …………………….…………..... 122

Şekil 7.34 : Doğal agrega ile EAF cürufunun binder karışımlarının bitümle dolu

boşluk (VFA) - bitüm yüzdeleri …………………………………… 123

Şekil 7.35 : Doğal agrega ile EAF cürufunun binder karışımlarının akma - bitüm

yüzdeleri …………………………………..………………………. 123

Şekil 7.36 : Doğal agrega ile EAF cürufunun binder karışımlarının stabilite - bitüm

yüzdeleri ……………………………………….………………….. 124

xix

ELEKTRİK ARK FIRINI CÜRUFUNUN KARAYOLU ESNEK ÜSTYAPI

AŞINMA VE BİNDER TABAKALARINDA AGREGA OLARAK

KULLANILABİLİRLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI

ÖZET

Nüfus artışının hızlanması ve teknolojideki gelişmeler, beraberinde tüketim artışını

ve kaynak bulma sıkıntısını getirmektedir. Ortaya çıkan bu tüketim artışı ve kaynak

bulma sıkıntısı, insanoğlununun bilinçsizce ve acımasızca doğayı tahrip etmesine

sebebiyet vermektedir. Doğal kaynakların tükenmesine sebep olan bu tüketim ve

tahribat, endüstriyel yan ürünlerin ve atıkların yeniden kullanımını zorunlu hale

getirmiştir. Yan ürünlerin ve atıkların yeniden kullanımı, hem tüketicinin maliyetini

düşürmekte, hem de doğada oluşacak tahribatın önüne geçmeye ve atıkların meydana

getireceği çevre kirliliğini azaltmaya yardımcı olmaktadır. Son günlerde, diğer

sektörlerde olduğu gibi inşaat sektöründe de atık madde kullanımının yaygınlaştığı

görülmektedir.

Yapılan bu çalışmada, elektrik ark fırını (EAF) kullanılarak hurda çelikte üretim

yapan tesislerde atık madde olarak ortaya çıkan cürufun, karayolu esnek üstyapı

aşınma ve binder tabakalarında agrega olarak kullanılabilirliği araştırılmıştır.

Cürufların fiziksel ve mekanik özellikleri deneylerle tespit edilmiş ve aynı deneylere

tabi tutularak özellikleri elde edilen doğal agregayla karşılaştırılması yapılmıştır.

Yapılan bu çalışmanın ilk bölümünde, tezin amacı ve kapsamı hakkında kısaca

bilgilendirme yapılmıştır.

İkinci bölümde ise, karayolu üstyapısı hakkında, üstyapı tipleri ve tabakalarına

değinilerek genel bir bilgilendirme yapılmıştır.

Çalışmanın üçüncü bölümünde, çalışmanın konusu olan esnek üstyapı tabaklarında

kullanılan malzemeler ve bu malzemelerin özellikleri hakkında bilgiler verilmiştir.

Bu bölümde ayrıca bu malzemelerin şartname özellikleri verilmiştir.

Dördüncü bölümde, demir çelik sektörü hakkında bilgiler verilmiştir. Ülkemizde ve

dünya da demir çeliğin yeri ve önemi anlatılmış ve sayısal verilerle desteklenmiştir.

Bu bölümde ayrıca demir çelik üretimi ve üretim yöntemleri açıklanmıştır.

Beşinci bölümde ise, demir çelik sektöründe atık madde olarak nitelendirilen cürufun

oluşum şekilleri ve oluşan bu cürufların fiziksel ve kimyasal özelliklerine yer

verilmiştir. Bu bölümde son olarak, cürufların kullanım alanlarına değinilmiştir.

Çalışmanın altıncı ve yedinci bölümünde, elektrik ark fırını cürufu ve doğal

agregayla yapılan laboratuvar çalışmaları ve bu çalışmaların sonuçları anlatılmıştır.

Laboratuvarda kullanılan malzemeler, yapılan deneyler ve kullanılan yöntemler

anlatılmıştır. Bu bölümlerde, cürufun ve agreganın fiziksel özelliklerinin

belirlenmesine yardımcı olan elek analizi, özgül ağırlık ve su emme deneyi, Los

Angeles deneyi, yassılık indeksi deneyi, soyulma deneyi, cilalanma deneyi, organik

madde içeriği deneyinin yanı sıra; bitümün özelliklerini belirlemeye yardımcı olan

xx

penetrasyon deneyi ve özgül ağırlık deneyleri anlatılmıştır. Ayrıca Marshall yöntemi

ile tasarım hakkında bilgiler verilip deney aşamaları anlatılmış ve sonuçları

karşılaştırılmalı olarak gösterilmiştir.

Çalışmanın son bölümünde, deney sonuçları karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiş

ve önerilerde bulunulmuştur.

xxi

INVESTIGATION OF USAGE OF ELECTRIC ARC FURNACE SLAG AS

AGGREGATE IN WEARING COURSE AND IN BINDER COURSE OF

FLEXIBLE PAVEMENTS

SUMMARY

After the industrial revolution, there are so many development in the world. Increase

in population and technological developments has caused speed up and that has made

way for consumption growth and resource shortage. This consumption growth has

drived people to destroy the nature to satisfy the needs of consumption. Development

in numerous fields has caused the environmental values to be neglected in many

times. At first, these environmental issues were discounted by people and

governments. People just want to come up in the world, increase the quality of their

life without considering about the future. They were using up all the facilites, all the

natural resources to enhence their quality of life. But, nowadays, these issues are the

most important problems for people and governments. Nowadays, this is not a

problem for a region, this is a problem for all world. That is why there are so many

researches about the environmental pollution or recycling methods in these days.

People are more conscious than the past. People care about the environment because

they all have learnt the natural resources are not endless.

There are so much consumption in construction industry. Recycling in construction

industry is the necessity for the nature. Concrete, asphalt, iron-steel are the mostly

consumpted materials in construciton industry. These materials have got an

important percentage in recycling operations.

The materials which are used in asphalt plank wearing surface mostly consists of

agregates. Aggregates are the 95 percent of these materials. The stone pits around the

construciton area are the fund for these aggregates. When these stone pits drain

away, there is a need of another drain pits and for this reason earth surface has

damaged day by day.

Agregates which are the main material of asphalt plank wearing surface has a big

percentage of a pavement design. There must be different properties of aggregates

for each layer of the pavement. The wearing course is the most important layer for

the road safety. The aggregates which are used for wearing course must have a high

coefficient of friction and they must have a high polishing strength. In order to do

that the aggregates which are used for wearing course must has good mechanical

properties.

To supply aggregates which have good mechanical properties is too hard in these

days. There are some new regulations for stone pits and it is harder than past to build

a stone pit and to manage it. Also there is another problem which is wasting stone

pits around the construction sites. The construciton firms go towards another stone

pits which are a long way off from the construction sites. This situation causes

increasing of the manifacturing costs.

xxii

Increasing of the amount of the slag with the increasing of the industrialization can

help decreasing manifacturing costs and environmental pollution with being used in

road construciton.

In this study, the usage of electric arc furnace slag as aggregate in wearing course

and binder course of flexible pavements was searched and compared with natural

aggregate.

The electric arc furnace slags are supplied from Ekinciler Demir ve Çelik Sanayi

A.Ş. in Iskenderun, the natural aggregates are supplied from Omerli-Alyans stone pit

in this study.

In the first section of this study, there is a briefing about purpose of the thesis and

scope of the thesis.

The second part of this thesis is about flexible pavement and the courses of these

flexible pavements.

The next section of the study, a general information about the materials which are

used in each courses of flexible pavements and these materials’ properties were

given. In additon, the spefication infromations were given in this chapter.

In the fourth chapter of the thesis, a general infromation about the iron-steel sector

has been given. The place and importance of iron-steel in our country and also in the

world were given with numeric datas. In addition to that, there is some information

about the production of the iron-steel and its production methods.

In the fifth chapter of the study, some information about the slag which is called a

waste material in iron-steel sector were given. Also there are some information about

the chemical and physical properties of these slags. Finally, the areas of usage of

these slags were given in this chapter.

In the sixth part of the study, laboratory studies of the electric arc furnace slag and

natural aggregate were given. The materials which are used in labratory, the tests

which were done, and the methods have been given in this chapter. There is some

information about the tests which help for identification of the physical and

mechanical properties of the slag and natural aggregetas. These tests are sieve

analysis, specific bulk density and water absorbtion experiment, abrasion (Los

Angles) experiment, flatness index test, peel strength test, consisting of organic

matter experiment, polishing test. Also there are two bitumen experiments which are

specific bulk density and penetration test. After these tests, test phases of Marshall

experiment and calculation methods are described.

In the seventh part of the study, results of the aggregate tests, bitümen and marshall

experiment which were described in sixth chapter, were given. In this part, given

some graph and calculate about natural aggregate and electic ark furnace slag.

Useage of electic ark furnace slag and natural aggregate’s graph, find optimum

bitumen for each of them. And compare electric ark furnace slag’s graph and natural

aggregate’s graph. The optimum percentage of bitumen of asphalt mixture was

determined by Marshall Stability tests using bitumen content of %4,0, %4,5, %5,0,

%5,5, %6,0. All the experimantal studies are conducted as per Republic of Turkey

General Directorate of Highways Technical Specification. Addition to that, the

comparison of the results with the spesification limits has been given in this chapter.

Charts and graphics with optimum percentage of bitumen of asphalt mixture help for

xxiii

determining of the physical and mechanical properties of slags and natural

aggregates.

In the last section of this study as conclusion, there are some evaluation about the

usage of electric arc furnace slag as aggregate in wearing course and binder course of

flexible pavements. Additionally, there are some suggestions according to

evaluations of the results of the all study.

xxiv

1

1. GİRİŞ

Sanayi devriminin gerçekleşmesi ile birlikte dünya büyük gelişmelere sahne

olmuştur. Nüfusun hızla artması ve teknolojik gelişmeler, üretimin artmasına ve

kaynakların daha çok kullanılmasına sebep olmuştur. İnsanoğlu ise artan tüketim ve

üretim ihtiyacını karşılamak amacıyla sınırsız bir kaynak olarak gördüğü doğayı

kontrolsüzce kullanmış ve tahrip etmiştir. Ekonomik, sosyal, teknolojik vb.

alanlardaki kalkınma çabaları da çevresel değerlerin çoğu kez ihmal edilmesine

neden olmuştur. Özellikle ikinci dünya savaşından sonra başlayan kalkınma çabaları,

birçok ülkeyi ekonomik olarak gelişmiş ülke statüsüne sokarken aynı zamanda

insanlığı tehdit eder boyutta çevre sorunlarıyla baş başa bırakmıştır. Başlangıçta

kalkınma için mazur görülen çevre sorunları giderek bölgesellikten çıkarak, küresel

boyuta ulaşmıştır. 1970’lerden itibaren kalkınma ve doğal çevre arasında denge

kurulması için arayışlar hız kazanmıştır [1].

Asfalt kaplamalı yollarda kullanılan malzemelerin ortalama % 95’i agregalardan

oluşmaktadır. Yol inşaatında tüketilen bu agregalar, civardaki agrega ocaklarından

veya doğal agrega kaynaklarından temin edilmektedir. Dolayısıyla her geçen gün

yeni agrega ocaklarına olan talep giderek artmakta ve bu ocaklar sebebiyle

yeryüzünün genel yapısı bozulmakta, çevremizde hoş olmayan görüntüler

oluşmaktadır [2].

Esnek kaplamaların ana malzemelerinden biri olan agregalar, yolun tasarımında

büyük rol oynarlar. Farklı yol tabakalarında farklı agrega özellikleri aranır.

Yollardaki aşınma tabakası (en üst tabaka) yol güvenliği açısından en önemli

tabakadır. Yolun hizmet ömrünü güvenli bir şekilde tamamlaması için, kullanılan

agregaların, sürtünme katsayılarının yüksek olması ve hizmet ömrü boyunca

cilalanmaya karşı yüksek dayanım sağlaması istenir. Bunu sağlamak için asfalt

karışımlarda kullanılan agregaların mekanik özellikleri oldukça iyi olmalıdır [2].

Karayolu tabakalarının yapımı için gerekli olan kaliteli doğal agregaların temini

giderek zorlaşmaktadır. Yeni düzenlemeler getirilmesi nedeniyle ve yerel

2

yönetimlerin daha bilinçli davranması neticesinde taş ocaklarının açılması ve

işletilmesi giderek daha sıkı kurallara tabi tutulmaktadır. Ayrıca, yerleşim birimlerine

yakın olan mevcut ocaklarda ve dere yataklarında kaliteli malzemenin tükenmeye

başlaması nedeniyle, yerleşim birimlerine daha uzak bölgelere yönelme söz konusu

olmaktadır. Bu durum, nakliye maliyetlerinin giderek artmasına neden olmakta ve

yol yapım maliyetlerini de etkilemektedir [3]. Bütün bu doğa tahribatını azaltacak ve

maliyet artışını engelleyecek bir atık olan cüruf birçok alanda geri kazanım

malzemesi olarak kullanılmaktadır.

Cüruflar pirometalurjik işlemler sırasında oldukça fazla miktarda açığa çıkmakta ve

eğer uygun şekilde geri kazanılamaz ve kullanılamazsa atık olarak kalmaktadır.

Dünya çapında sanayileşmedeki hızlı gelişme ile büyük miktarlardaki metalurjik

cürufların depolanması için uygun alanlar dünya çapında giderek azalmakta ve buna

paralel olarak cüruf tasfiye maliyetleri sürekli olarak artmaktadır. Ek olarak atık

malzemelerle doldurulan alanlar ciddi bir hava, su ve toprak kirliliği kaynağı olmakta

ve bu durum canlı sağlığını önemli ölçüde etkilemektedir. Metalurjik atık üretimini

azaltmak için en ekonomik ve verimli seçenek cürufların yeniden kullanılmasıdır [4].

Sanayileşmenin yoğunlaşmasıyla artan cüruf miktarının, yol inşaatında kullanımıyla

geri kazanımı, doğal kaynakları korumayla birlikte atık malzemelerin sebep olduğu

çevre kirliliği ve stok sahası masrafı gibi problemlere de çözüm getirmektedir.

Bu çalışmada, elektrik ark fırını (EAF) kullanarak hurda demirden üretim yapan

işletmelerde atık madde olarak açığa çıkan EAF cüruflarının karayolu inşaatı aşınma

ve binder tabakasında yapay agrega olarak kullanılabilirliği incelenmiştir. Ayrıca,

EAF cürufu için yapılan incelemeler, Ömerli-Alyans taş ocağından temin edilen

doğal agregalar için de yapılarak karşılaştırma yapılmıştır. Araştırma, İskenderun

Körfezi’nde bulunan Ekinciler Demir ve Çelik Sanayi A.Ş. tesislerinden temin edilen

EAF cürufları kullanılarak yapılmıştır.

3

2. KARAYOLU İNŞAATI ALTYAPI VE ÜSTYAPI TABAKALARI

Karayolu, önceden belirlenen geometrik standartlara uygun olarak saptanmış bir

güzergah boyunca, doğal zeminin istenilen yükseltilere getirilmesi ve üzerinde

motorlu taşıtların istenilen hız, güvenlik ve konfor koşullarında hareketlerinin

sağlanabilmesi amacıyla inşa edilen yapıların tümü olarak tanımlanabilir. Karayolu,

altyapı ve üstyapı olmak üzere iki ayrı bölümde incelenebilir [5].

Yolun boykesitinde belirlenmiş kırmızı çizgiye uygun olarak, toprak tesviyesi ve

sanat yapıları işleri bitirildikten sonra elde edilen kısma altyapı adı verilir. Yolda esas

taşıyıcı kısım altyapıdır. Ancak, altyapıyı oluşturan zeminler, genellikle, üzerlerine

gelecek tekerlek yüklerini büyük deformasyonlara uğramadan taşıyamazlar. Bu

nedenle, altyapı üzerine bir üstyapının inşası zorunludur [6].

Altyapının işlevi; istenilen kotta düzgün bir satıh sağlamak, üstyapı tarafından

iletilen yükleri daha geniş bir alana yaymak ve az da olsa, yolu dış etkenlere karşı

korumaktır. Bu işlevi yerine getirebilmesi için, altyapının trafik yükleri, don ve su

etkilerine karşı dayanıklı olması gerekir. Altyapı oluşturulurken bitkisel toprak,

çürük zemin ve sıkıştırmaya elverişli olmayan zeminler kullanılmamalıdır. Bu

nedenle, altyapıyı oluşturan zemin özelliklerinin çok iyi incelenmesi gerekmektedir

[5].

Yolun, trafik yüklerini taşımak ve bu yükü taban zemininin taşıma gücünü

aşmayacak şekilde taban yüzeyine dağıtmak üzere altyapı üzerine inşa edilen ve

temel altı (alt temel), temel ve kaplama tabakalarından oluşan kısmına ise üstyapı adı

verilir [7].

Yolun, trafiğin aşındırıcı etkileri ile doğrudan doğruya maruz kalan kısmı kaplama

tabakasıdır. Bu tabaka, üzerinden geçen taşıtların etkisine bozulmadan karşı

koyabilmeli ve düzgün yüzeyli olmalıdır.

4

Altyapının yük taşıma kapasitesini artırmak ve kaplamanın daha sağlam bir yüzeye

dayanmasını sağlamak amacıyla kaplama ile altyapı arasına temel ve temel altı

tabakaları yapılır. Böylelikle iyi inşa edilmiş bir üstyapı;

Düzgün yüzeyi sayesinde üzerinden geçen trafiğe seyir kolaylığı sağlar.

Tekerlek yüklerinin doğurduğu gerilmeleri yayarak altyapıda büyük

deformasyonların oluşmasını önler.

Altyapıdaki zeminleri su etkisiyle yumuşamaktan korur [6].

Üstyapılar, kaplama tabakasında kullanılan malzemelerin türlerine, özelliklerine ve

yapım yöntemlerine göre rijit, yarı rijit ve esnek üstyapı olarak üç ana gruba

ayrılmaktadır.

2.1 Rijit Üstyapı

Çimento betonuyla yapılan kaplamalarla oluşturulan üstyapıya rijit üstyapı veya

beton yol denir. Yol kaplaması olarak betonun görevi, trafik yüklerini tabana iletmek

ve bu sırada tabanın deforme olmamasını sağlamaktır. Bir beton kaplamanın

davranışı, dökülen beton tabakaların özelliklerinin yanı sıra, kaplama altına serilen

temel ve alttemel tabakalarının ve taban zemininin özelliklerine bağlı olarak değişir.

Beton yollar, genellikle, enine ve boyuna derzlerle birbirinden ayrılmış 20-25 m2

alana sahip plakalar halindedir. Beton plağın rijitliğinin yüksek olması nedeniyle

taban zemininde oluşan gerilmeler geniş bir alana yayılır [5].

Don, pompaj, şişme-büzülme olaylarına karşı ise beton kaplama ile taban zemini

arasına kaplama altı tabakası yapılır. Beton plağın elastisite modülü taban

zemininkinden çok büyüktür. Bu sebeple, beton yol, elastik zemine oturan bir kiriş

şeklinde çalışır ve trafik yüklerini, esnek üstyapıya göre daha geniş bir alana yayarak

taban zeminine iletir. Rijit beton plak, taban zemini ile sürekli temas halinde olduğu

sürece taşıyıcı bir eleman olarak rol oynar.

Üst kaplama tabakası trafikte sürüş güvenliği ve konforunu sağlayacak yüzeyi

oluşturmakta olup, trafik yükü ve çevre koşullarına doğrudan maruz kaldığı için

yeterli dayanım ve dayanıklılıkta olmalıdır. Rijit üstyapılarda beton kaplama betonun

yüksek dayanımı ve elastisite modülü dolayısıyla rijit bir plak gibi çalışır. Esnek ve

5

rijit üstyapılarda trafik yüklerinin üst kaplama tabakasından zemine iletilmesi

şekil 2.1’de görüldüğü gibi birbirinden farklıdır [8].

Şekil 2.1 : Kaplamalara göre yük dağılımı [8].

Taban zemini ile sürekli temas halindeyken, beton yol elastik zemine oturan kiriş

gibi çalışması sebebiyle, taşıma gücü taban zemininin direncine bağlı değildir. Bu

nedenle, rijit üstyapılar, zayıf taban zeminleri üzerinde, esnek üstyapılara göre daha

iyi sonuçlar verir [9].

2.1.1 Taban zemini

Rijit bir üstyapının davranışı taban zeminin fizikel özellikleri ve taşıma gücü ile

doğrudan doğruya ilgilidir. Bazı taban zeminleri rijit kaplamaların davranışlarına

zarar verecek özelliktedir. Bu zararlı etkileri çoğu zaman plak kalınlığını arttırarak

gidermek mümkün değildir. Düzeltici tedbirleri gerektiren problemlerin daha henüz

proje aşamasında iken teşhis edilmesi ve çözümlerin plan ve şartnamelerde dikkate

alınması gerekir [9].

Taban zemininin iyice sıkıştırılması zorunludur. İyi sıkıştırılmaması durumunda

taneli zeminlerde ağır trafik titreşimiyle oluşan ilave sıkışmalar ve bu nedenle

meydana gelen oturmalar söz konusu olabilmektedir. Yüzey sularının taban zemini

üzerinde birikmemesi için de düzen kurulmalıdır. Serbest su bulunması, plak

6

hareketleri esnasında pompa olayına sebep olur ve aşınma durumu söz konusu

olabilir [9].

2.1.2 Rijit üstyapı kaplama altı tabakası

Beton kaplamaya zarar verecek aşağıdaki hallerden biri veya birkaçının mevcut

bulunduğu hallerde, kaplama ile taban zemini arasına kaplama altı tabakası konur:

Donma etkisi

Yüksek hacim değişmesi gösteren topraklarda şişme ve büzülme etkisi

İnce taneli topraklarda pompa etkisi

Kaplama altı tabakalarının, yalnızca plak kalınlığını azaltmak için, tabanın taşıma

gücünün artırılması amacıyla kullanılmaları bazen yerinde olmaktadır [6].

Kaplama altı tabakası en çok 15 cm’lik tabakalar halinde serilir [6].

2.1.3 Beton plak

Beton yolların yüzeyleri kayma sakıncası göstermediği ve tutucu, pürüzlü olduğu

için, bu yüzeylerde %7'ye kadar boyuna eğim uygulanabilir. Daha fazla eğimli veya

daha pürüzlü bir beton yol isteniyorsa yüzeyin özel olarak pürüzlendirilmesi gerekir.

Betonun tek tabaka olarak dökülmesi halinde plak kalınlığı en fazla 25 cm, en düşük

12 cm olabilmektedir.

Çelik donatı olarak tek çubuklar veya kaynak ile birbirine kaynatılan çubukların

oluşturduğu çelik hasırlar kullanılmaktadır. Hasırların gözleri kare veya

dikdörtgendir.

Sıcaklık ve nem miktarındaki değişmeler betonun genleşip büzülmesine sebep olur.

Bu hareketler nedeniyle yük altındaki beton plakta gerilmeler oluşur ve bu hareket

sonucu çatlamalar meydana gelir. Uygun aralıklarla derzlerin yapılması ve derzlerin

çelik donatı ile güçlendirilmesi geniş çatlakların oluşmasını bir dereceye kadar

önlemektedir.

2.2 Yarı rijit üstyapı (komposit üstyapı)

Komposit üstyapı, mevcut üstyapı üzerine bir veya birden fazla bitümlü sıcak

karışım katmanı serilmesi ile elde edilen üstyapı türüdür. Bitümlü sıcak karışım

7

doğrudan tamir görmüş rijit üstyapı üzerine veya çatlayarak kırılmış rijit üstyapı

tabakası üzerine serilebilmektedir.

Rijit üstyapı üzerindeki esnek üstyapının tasarımı farklı etkilerin göz önünde

bulundurulmasını gerektirmektedir. Bozulmuş bir yolun üzerine takviye tabakası

getirilmesi halinde eski kaplamada yer alan çatlak bölgeleri yeni kaplamada zayıflık

bölgesi oluşturmaktadır. Trafik ve çevre koşulları nedeniyle takviye tabakası altında

yer alan bu çatlaklar boyunca gerilme yoğunlaşması meydana gelmekte ve eski

üstyapıdaki çatlaklar kısa sürede yüzeye çıkarak takviye tabakasının bozulmasına

sebep olmaktadır. Bu çatlaklar yansıma çatlağı olarak bilinmektedir. Yansıma

çatlakları uygulanacak kaplamanın tasarımı ile beraber geosentetik malzemelerin

uygulanması ile de önlenebilmektedir [10].

2.3 Esnek Üstyapı

Taban yüzeyi ile sürekli olarak her noktada sıkı temas sağlayan ve yükleri taban

yüzeyine dağıtan bir üstyapı şekli olarak tanımlanmaktadır. Esnek üstyapıların

stabilitesi, agrega kenetlenmesine, taneler arasındaki sürtünmeye ve kohezyona

bağlıdır [6].

Bir esnek üstyapı, kaplama tabakası, temel tabakası ve alt temel tabakalarından

oluşur ve üstyapının üst kısmından taban zeminine inildikçe, tabakalarda kullanılan

malzemelerin fizik ve mekanik özellikleri, kaliteleri düşer. Bu tabakaların

kalınlıklarını belirleyen ölçütler hizmet ömrü, trafik hacmi, mevcut malzeme

özellikleri ve taban zemini taşıma gücüdür [6].

Bitümlü sıcak karışımlar çok tabakalı olup bu katmanlara ait şema Şekil 2.2’de

verilmiştir [11].

Şekil 2.2 : Esnek üstyapının enine kesiti [11].

8

2.3.1 Taban zemini

Yarma ve dolgularda ve dolgu temellerinde taban yüzeyi altında kalan ve üstyapının

taşıma gücüne etkisi olabilecek bir derinliğe kadar uzanan kısma taban zemini denir

[6].

Bir esnek üstyapının davranışı taban zemininin taşıma gücü ile doğrudan ilgili

olduğu için, taban zemininin şartnamelere uygun olarak hazırlanması üstyapı

projelendirmesinde çok önemlidir. Taban zeminlerinde yeraltı su seviyesi tesviye

yüzeyinin en az 150 cm altında tutulmalı, bunun sağlanması için, uygun yeraltı

drenajı yapılmalıdır. Ayrıca uygun drenaj sistemi ile yüzey suyunun yol gövdesini

etkilemesi önlenmelidir. Yol gövdesinin, yapım sırasında ve yolun ömrü boyunca

stabil kalabilmesi için, etkili ve kalıcı uygun drenaj sistemleri ile sudan korunması

sağlanmalıdır. Yol üstyapıları, aşırı don kabarması ve tabanın donma çözülme

mevsiminde taşıma gücünün azalması ile zarar görebilir. Don olayının yol

üstyapısına olan etkisinin azaltılabilmesi için aşağıdaki faktörlerin incelenmesi

gerekir [5].

Taban zemininin dona karşı hassasiyeti

Üstyapının toplam kalınlığı

Donma indeksi

Yeraltı su seviyesinin üstyapı seviyesinden ölçülen derinliği

Güzergahtaki yarma ve dolgu yükseklikleri

2.3.2 Alttemel tabakası

Temel tabakasını taşımak üzere taban yüzeyine yerleştirilen ve taneli malzeme veya

belirli koşullara uygun malzemeden oluşmuş, belirli kalınlığa sahip olan tabaka veya

tabakalara alttemel tabakası denir [6].

Alttemel tabakası taban zeminin taşıma gücünü aşabilecek yüksek gerilmeleri ve

tabanda oluşacak don etkisinin üstyapıya yansımasını önleyecek niteliklere sahip

olması gerekir. Alttemel tabakasının kalınlığı üstyapı projelendirmesi sonunda

belirlenmeli ve şartnameye uygun olarak hazırlanmış olan tesviye yüzeyi üzerine

serilip sıkıştırılmalıdır. Minimum alttemel kalınlığı 20 cm olmalıdır. Alttemel

tabakası ekonomik faktörler göz önünde tutularak bölgede bulunan ve şartname

9

kriterlerine uygun yuvarlak malzeme ile teşkil edilmeli, eğer uygun yuvarlak

malzeme yoksa kırma taş kullanılmalıdır [12].

2.3.3 Temel tabakası

Kaplama tabakasını taşımak üzere alttemel veya taban yüzeyi üzerine yerleştirilen ve

taneli malzeme veya belirli koşullara uygun malzemeden oluşmuş, belirli hesap

kalınlığına sahip tabaka veya tabakalara temel tabakası denir [6].

Temel tabakasının ana görevi, üstyapının yük taşıma kabiliyetini arttırmaktır. Temel

tabakası ayrıca, trafik hareketlerinden doğan yüksek kayma gerilmelerine karşı

koyabilecek, drenaja yardımcı olabilecek ve don olaylarına karşı koruma

sağlayabilecek özelliklere sahip olmalıdır [5]. Karayollarında üç farklı temel tipi

uygulanmaktadır;

Granüler temel

Plent-miks temel

Çimento bağlayıcılı granüler temel

2.3.4 Bitümlü karışım tabakaları

Bitümlü karışımlar sıcak ve soğuk olmak üzere iki farklı şekilde imal edilmektedir.

Yaygın olarak kullanılan bitümlü sıcak karışımlar, asfalt ve agreganın ısıtılıp plentte

karışımı ile elde edilerek sıcak olarak sıkıştırılmakta ve esnek üstyapı kaplamalarının

üst tabakalarında kullanılmaktadır. Bitümlü soğuk karışımlar, sıvı asfaltlar (katbek

veya emülsiyon) ile agreganın soğuk olarak yolda veya plentde karıştırılması ile elde

edilmekte ve soğuk olarak sıkıştırılmaktadır [13].

Bitümlü sıcak karışım tabakaları aşınma, binder ve bitümlü temel olmak üzere 3

gruba ayrılır. Sıcak asfalt karışımlar ile yapılan aşınma, binder ve bitümlü temel gibi

kaplama tabakalarının kaliteleri aşağıdaki özelliklere bağlıdır;

Stabilite

Rijitlik

Dayanıklılık

Yorulma mukavemeti

Fleksibilite

10

Geçirimsizlik

Kayma direnci

İşlenebilirlik

Bu fiziksel ve mekanik özelliklerin tümünü ideal olarak sağlayabilecek sıcak asfalt

karışımları elde etmek bugün için hemen hemen mümkün değildir. Ancak optimum

karışım tasarımlarının yapılabilmesi için bu özelliklerin çok iyi bilinmesi gerekir

[13].

2.3.4.1 Bitümlü temel tabakası

Bitümlü temel tabakası, belirli granülometri limitleri içindeki kırılmış ve elenmiş

kaba agrega, ince agrega ve mineral fillerin plentte sıcak bitümlü bağlayıcı ile

karıştırılması ile elde edilmektedir. Bitümlü temel tabakası, granüler temel ve alt

temele gelen yükleri büyük ölçüde azaltmaktadır. Bu nedenle orta ve yüksek trafikli

yollarda, kaplama ile granüler temel arasında bir veya birden fazla tabakalar halinde

kullanılmaktadır [13].

2.3.4.2 Binder tabakası

Binder tabakası, aşınma tabakası ile temel tabakası arasına serilen ve esnek üstyapı

tabakasının yapısal bileşenidir. Binder terimi, aşınma tabakasını granüler temel ile

birleştirerek bağlayan tabakayı ifade etmektedir. Binder tabakasının amacı, aşınma

tabakasından iletilen trafik yükünü temel tabakasının taşıma kapasitesini aşmayacak

şekilde iletmek ve tekrarlı yüklerin etkilerine karşı direnç göstererek kalıcı

deformasyonun ve çatlamaların meydana gelmesini engellemektir. Binder tabakası

ayrıca tabakalar arasındaki sıcaklık farklarının oluşturduğu kuvvetlere karşı dayanıklı

olması gerekmektedir. Binder tabakasının serilmesi aşınma tabakasının serilmesi için

uygun yüzey oluşturmakta, ancak trafik yükünün az olduğu bölgelerde binder

tabakası uygulanmayabilmektedir [14], [15].

2.3.4.3 Aşınma tabakası

Aşınma tabakası, üstyapının trafik yüklerine doğrudan maruz kalan en üst

tabakasıdır. Trafik yükleri nedeniyle meydana gelen basınç ve çekme gerilmelerinin

en üst seviyede olması nedeniyle kaplama tabakası, üstyapının diğer tabakalarına

göre daha yüksek elastisite modülüne sahip olmalıdır. Aşınma tabakasının, yeterli

11

sürtünme katsayısına sahip olması, taşıtlar için düzgün yüzey sağlaması, gürültünün

kontrolü, tekerlek izi direncine sahip olması ve geçirimsiz bir yüzey oluşturularak

drenaj sağlaması gibi özellikleri nedeniyle diğer tabakalara göre en yüksek kalitedeki

malzemeler ile yapılmaktadır ve diğer tabakalara göre maliyeti fazladır. Bu nedenle

aşınma tabakası altında kalan tabakaların kalitesi, aşınma tabakasında

gereksinimlerin sağlanması için ihtiyaç duyulan tabaka kalınlığını belirlemekte ve

yolun üretim maliyetini etkilemektedir. Ülkemizde bitümlü temel ve binder

tabakaları tek tip uygulamaya sahiptir. Aşınma tabakası ise yoldan beklenen

performans özellikleri, iklim koşulları ve trafik durumu göz önüne alınarak

değişkenlik arz eder. Ülkemiz karayollarında en çok kullanılan aşınma tabakası,

geleneksel asfalt betonu aşıma tabakasıdır. Bunun dışında taş mastik asfalt ve poroz

asfalt da bir aşınma tabakası tipidir [14], [16], [17].

12

13

3. ESNEK ÜSTYAPI TABAKALARINDA KULLANILAN MALZEMELER

VE ÖZELLİKLERİ

Esnek yol üstyapılarında taşıyıcı kısmın iskeletini sağlamak üzere agregalar, bunların

birbirine bağlantısını sağlamak üzere de hidrokarbonlu bağlayıcılar kullanılmaktadır.

Doğal olarak agregalar ve bağlayıcı malzemeler için kalite kontrol yöntemleri

olacağı gibi, bunların sıcak veya soğuk ortamda karıştırılmasıyla elde edilecek

karışımların da kalite kontrol yöntemleri bulunmaktadır. Günümüzde esnek yol

üstyapılarında, hidrokarbonlu bağlayıcı olarak çoğunlukla bitümler kullanılmaktadır

[18].

3.1 Bitümlü Bağlayıcılar

Yol yapımında kullanılan bitümlü malzeme esas olarak bitümden oluşur. Bir bitümlü

malzemenin yol yapımındaki değeri, içinde bulunan bitümün miktar ve özelliğine

bağlıdır.

Doğal veya pirojen orijinli hidrokarbonların veya bunların her ikisinin bir araya

gelmiş şeklinin, çoğunlukla metal olmayan bileşenleri ile birlikte ve gaz, sıvı yarı

katı veya katı halinde bulunan ve karbon sülfürde tamamen eriyen karışımlarına

bitüm denir.

Hidrokarbonlu bağlayıcılar, katranlar ve asfaltlar olmak üzere iki ana gruba

ayrılmaktadır. Katran ve asfalt fiziksel özellikleri sebebiyle esnek yol kaplamalarının

yapımında büyük ölçüde kullanılmaktadır.

Hidrokarbonlu bağlayıcılar, sıcaklığa bağlı olarak sıvı, yarı katı veya katı halde

bulunurlar. Isıtma veya özel hazırlama yolu ile sıvı hale getirilerek kullanılmaları

mümkün olup sıvı halden tekrar derhal yapışkan hale gelerek kohezyon ve adezyon

gibi 2 önemli özellik gösterirler. Kozhezyon, çatlama ve ayrılma olmaksızın

geçirimsiz ve plastik filmler meydana getirerek şekil değiştirme özelliğidir. Adezyon

ise, mineral agregalara yapışma özelliğidir [6].

14

3.2 Agregalar

Agrega, yol esnek kaplamasının stabilitesini önemli ölçüde etkilediği kadar miktar

olarak da büyük bir paya sahiptir. Çünkü bağlayıcısız temel ve alttemel tabakalarının

tamamı, sıcak asfalt karışımların ağırlıkça %90-95’i ve hacimce %80-85’i agrega

tarafından sağlanmaktadır. Hem kaplamanın stabilitesine olan büyük katkısı hem de

çok büyük miktarda gereksinim duyulması nedeniyle, agrega önemli bir kaplama

malzemesidir [13].

Bitümlü kaplamalarda kullanılacak agreganın kökeni ne olursa olsun, her kaplama

tipi için, şartnamelerde verilen fiziksel özellikleri sağlaması gerekir. Ancak istenen

bütün koşulları sağlayan bir agrega, yol yapımında kullanılabilir. Agrealar

boyutlarına göre üç grupta incelenir;

Kaba (iri) agrega 4# (4,76 mm) elek üzerinde kalan

İnce agrega 4# (4,76 mm) – 200# (0,074 mm) arası

Mineral filler 200# (0,074 mm) den geçen

Bu üç grup malzemenin herbiri bitümlü karışımın ayrı ayrı özelliklerini kontrol

etmektedir.

Bitümlü karışımdaki iri agrega yüzdesi %40-50’ye çıkarılırsa, iri agrega mekanik bir

sistem, iskelet oluşturur ve karışımın akmaya direncinde önemli bir artış oluşmaya

başlar. Bu tip bir iskeletin sağlanması için gerekli iri agrega oranı, kullanılacak

agreganın tane şekli ve dokusu ile ilgilidir. Beton asfalt kaplamalarda, %55 oranında

iri agrega içeren karışımların, %25 oranında iri agrega içeren karışımlardan daha az

deformasyona uğradığı görülmüştür.

İnce agrega ise, iri agreganın oluşturduğu iskeletin boşluklarını doldurarak daha

yoğun bir karışımın elde edilmesini sağlamaktadır. Bu arada ince agregaın yüzey

dokusu da önemlidir. Örneğin bir çakıl kumu, kırma malzeme veya cürufa nazaran

daha düşük deformasyon direnci sağlar.

Mneral filler, toplam agreganın çok küçük yüzdesini oluşturmasına karşılık,

karışımın özelliklerinin düzenlenmesinde önemli derecede rol oynar.

Agregaların özelliklerinin yeterli olup olmadığını saptamak için kullanılabilecek en

önemli deneyler,

15

Tane boyutu

Aşınmaya direnç

Hava tesirlerine karşı dayanıklılık

Cilalanma direnci

Özgül ağırlık ve su emme

Su tesirine karşı dayanıklılık

şeklinde sıralanabilmektedir.

Belli bir yapı için bunların hepsi aynı derecede önemli olmayabilir. Örneğin, temel

tabakasında kullanılacak agrega için yüksek bir aşınma veya cilalanma direnci

aranmaz [6].

3.2.1 Alttemel tabakasında kullanılan agregalar

Tesviye yüzeyi üzerine serilen ve taban yüzeyi ile temel tabakası arasında yer alan

genellikle belli bir granülometrisi olan ve incesi az, kum, çakıl, yüksek fırın cürufu

gibi taneli granüler malzemeden oluşan tabakadır. Kaplama ve temel tabakasından

gelen trafik yükü etkisini taban zemini üzerine yayılmasında temel tabakasına

yardımcı eleman olarak yer almakta ayrıca su ve don tesirlerine karşı tampon bölge

vazifesi görmektedir [19].

Alttemel malzemesi, Karayolları Teknik Şartnamesinde verilen ve AASHTO T-27,

T-11 veya TS 1900 standartlarında belirtilen yöntemler ile bulunan granülometri,

Çizelge 3.1'de verilen granülometri limitleri dahilinde ve iyi derecelenmiş olacaktır.

Alt temel malzemesi fiziksel özellikleri Çizelge 3.2’de gösterilmiştir [20].

16

Çizelge 3.1 : Alttemel tabakasının granülometri limitleri [20].

Elek açıklığı Geçen %

(mm) Tip - A Tip - B

75 100 -

50 - 100

37,5 85-100 80-100

25 - 60-90

19 70-100 -

9,5 45-80 30-70

4,75 30-75 25-60

2 - 15-40

0,425 10-25 10-20

0,075 0-12 0-12

Çizelge 3.2 : Alttemel tabakasının fiziksel özellikleri [20].

Deney

Limit

Değer Deney Standardı

Hava tesirine karşı dayanıklılık (donma) 20 TS - 3655, AASHTO T-104

deneyi ile maksimum kayıp %

Aşınma kaybı (Los Angeles) maksimum

% 50 TS – 3694, AASHTO T-96

Likit Limit maksimum % 25 TS – 3655, AASHTO T-89

Plastite indeksi maksimum % 6 TS – 1900, AASHTO T-90

Kil topakları ve dağılabilen tane oranı

maksimum % 2 ASTM C-142

Organik madde % 1 AASHTO T-194

17

Alttemelin sıkıştırma kriterleri Çizelge 3.3‘te gösterilmiştir. Sıkıştırmada, çalışma

ağırlığı en az 11.000 kg, statik çizgisel yükü 30 kg/cm den büyük, iki frekanaslı

vibrasyon düz bandajlı silindirler veya lastik başına düşen yükü, en az 3.500 kg olan

lastik tekerlekli sıkıştırıcılar kullanılacaktır. Kullanılan malzeme ve serilen tabaka

kalınlığına uygun olan sıkıştırma tekniği işin başında bir deneme kesimi yapılarak

belirlenecektir. Deneme kesimi en az üç silindirme kesitinden oluşacak ve 100 m’den

az olmayacaktır.

Sıkıştırma yolun eksenine paralel olarak yapılacak, düşük kotlu kenardan başlayarak

eksene doğru kayacaktır. Yatay kurblarda, kurbun içinden başlayacak ve dışına

doğru devam edecektir. Her geçişte bir önceki kısma, silindir geçişinde %10

bindirme yapılacaktır [20].

Çizelge 3.3 : Alttemel tabakasının sıkıştırma kriterleri [20].

3.2.2 Temel tabakasında kullanılan agregalar

Temel tabakası;

Granüler temel

Plent-miks temel

Çimento bağlayıcılı stabilize temel

olmak üzere üç farklı şekilde inşa edilmektedir.

Temel tabakasının, Karayolları Teknik Şartnamesinde verilen kaba agrega için

fiziksel özellikleri ve ince agrega için fiziksel özellikleri sırasıyla çizelge 3.4’te ve

çizelge 3.5’te gösterilmiştir.

Tip - A Sıkıştırma Maksimum % 95 Modifiye Proktor TS

Optimum Su İçeriği % Wopt ± 2 1900, AASHTO T-180

Tip - B Sıkıştırma Maksimum % 97 Modifiye Proktor TS

Optimum Su İçeriği % (Wopt ± 2) - Wopt 1900, AASHTO T-180

18

Çizelge 3.4 : Temel tabakasının kaba agrega fiziksel özellikleri [20].

Deney adı Şartname Limitleri

Deney

Standardı

Hava Tesirine Karşı Dayanıklılık < 20 TS EN 1367-2 (Donma) Deneyinde MgSO4 ile kayıp

%

Aşınma Kaybı (Los Angeles) % < 35 TS EN 1097-2

Kil Topağı ve Dağılabilen Tane oranı

% < 1 ASTM C-142

Organik Madde % Negatif TS EN 1744-1

Su Emme Oranı % < 3,0 TS EN 1097-6

Yassılık indeksi % < 30 BS 812

Çizelge 3.5 : Temel tabakasının ince agrega fiziksel özellikleri [20].

Deney adı Şartname Limitleri

Deney

Standardı

Likit Limit % Normal Performans TS EN 1900-1

Plastisite İndeksi % Normal Performans TS EN 1900-1

Organik Madde % Negatif TS EN 1744-1

Metilen Mavisi < 4,5 TS EN 933-3

Granüler temel, Karayolları Teknik Şartnamesinde verilen granülometri, Çizelge

3.6'da verilen granülometri limitleri dahilinde ve iyi derecelenmiş olacaktır.

19

Çizelge 3.6 : Granüler temel tabakasının granülometri limitleri [20].

Granüler temelin sıkıştırma kriterleri Çizelge 3.7‘de gösterilmiştir. Sıkıştırmada,

çalışma ağırlığı en az 11.000 kg, statik çizgisel yükü 30 kg/cm den büyük, iki

frekanaslı vibrasyondüz bandajlı silindirler veya lastik başına düşen yükü, en az

3.500 kg olan lastik tekerlekli sıkıştırıcılar kullanılacaktır. Kullanılan malzeme ve

serilen tabaka kalınlığına uygun olan sıkıştırma tekniği işin başında bir deneme

kesimi yapılarak belirlenecektir. Deneme kesimi en az üç silindirme kesitinden

oluşacak ve 100 m’den az olmayacaktır.

Sıkıştırma yolun eksenine paralel olarak yapılacak, düşük kotlu kenardan başlayarak

eksene doğru kayacaktır. Yatay kurblarda, kurbun içinden başlayacak ve dışına

doğru devam edecektir. Her geçişte bir önceki kısma, silindir geçişinde %10

bindirme yapılacaktır [20].

Çizelge 3.7 : Granüler temel tabakasının sıkıştırma kriterleri [20].

Minimum Sıkıştırma % 95 TS EN 1900-1

Optimum Su İçeriği % (Wopt ± 2) - Wopt Modifiye Proctor,

Titreşimli Tokmak

Elek Açıklığı Geçen %

(mm) Tip-A Tip-B Tip-C

50 100 - -

37,5 80 - 100 100 -

25 60 - 90 70 - 100 100

19 45 - 80 60 - 92 75 - 100

9,5 30 - 70 40 - 75 50 - 85

4,75 25 - 55 30 - 60 35 - 65

2 15 - 40 20 - 45 25 - 50

0,425 8 - 20 10 - 25 12 - 30

0,075 2 - 8 0 - 12 0 - 12

20

Plent-miks temel, Karayolları Teknik Şartnamesi'nde verilen granülometri, Çizelge

3.8'de verilen granülometri limitleri dahilinde ve iyi derecelenmiş olacaktır.

Çizelge 3.8 : Plent-miks temel tabakasının granülometri limitleri [20].

Elek Açıklığı Geçen %

(mm) Tip-I Tip-II

37,5 100 -

25 72 - 100 100

19 60 - 92 80 - 100

9,5 40 - 75 50 - 82

4,75 30 - 60 35 - 65

2 20 - 45 23 - 50

0,425 8 - 25 12 - 30

0,075 0 - 10 2 - 12

Plent-miks temelin sıkıştırma kriterleri Çizelge 3.9’da gösterilmiştir. Sıkıştırmada,

çalışma ağırlığı en az 11.000 kg, statik çizgisel yükü 30 kg/cm den büyük, iki

frekanaslı vibrasyondüz bandajlı silindirler veya lastik başına düşen yükü, en az

3.500 kg olan lastik tekerlekli sıkıştırıcılar kullanılacaktır.

Sıkıştırma yolun eksenine paralel olarak yapılacak, düşük kotlu kenardan başlayarak

eksene doğru kayacaktır. Yatay kurblarda, kurbun içinden başlayacak ve dışına

doğru devam edecektir [20].

Çizelge 3.9 : Plent-miks temel tabakasının sıkıştırma kriterleri [20].

Minimum Sıkıştırma % 100 TS EN 1900-1

Optimum Su İçeriği % (Wopt ± 2) - Wopt Modifiye Proctor,

Titreşimli Tokmak

Çimento bağlayıcılı stabilize temel, Karayolları Teknik Şartnamesinde verilen

granülometri, Çizelge 3.10'de verilen granülometri limitleri dahilinde ve iyi

derecelenmiş olacaktır.

21

Çizelge 3.10 : Çimento bağlayıcılı stabilize temel tabakasının granülometri limitleri

Elek Açıklığı Geçen %

(mm)

37,5 100

25 72 - 100

19 60 - 92

9,5 40 - 75

4,75 30 - 60

2 20 - 45

0,425 8 - 25

0,075 0 - 10

Çimento bağlayıcılı stabilize temelin sıkıştırma kriterleri Çizelge 3.11’de

gösterilmiştir. Sıkıştırmada, çalışma ağırlığı en az 11.000 kg, statik çizgisel yükü 30

kg/cm den büyük, iki frekanaslı vibrasyonlu düz bandajlı silindirler veya lastik

başına düşen yükü, en az 3.500 kg olan lastik tekerlekli sıkıştırıcılar kullanılacaktır.

Sıkıştırılmış çimento bağlayıcılı granüler temel kalınlığı projede gösterilen kalınlığın

%10’unda farklı olursa gerekli düzenleme aşağıdaki şekilde yapılacaktır.

Ilk olarak söz konusu düzenleme, karışımın hazırlanmasından sonra 2 saat

içerisinde yapılacaksa, malzeme yüzeyi en az 5 cm kabartılacak ve gerekli

azaltma veya gerekli karışımlar eklenerek sıkıştırılacak.

Daha sonrasında, eğer düzenleme 2 saati aşan bir süre sonunda yapılacaksa,

mevcut malzeme tüm tabaka kalınlığı boyunca kaldırılıp, yeni bir karışımla

projede gösterilen kalınlığın %10’unu aşmıyacak şekilde tekrar serilip

sıkıştırılır [20].

Çizelge 3.11 : Çimento bağlayıcılı stabilize temel tabakasının sıkıştırma kriterleri

Minimum Sıkıştırma % 100 TS EN 1900-1

Optimum Su İçeriği % (Wopt ± 2) - Wopt Modifiye Proctor,

Titreşimli Tokmak

3.2.3 Kaplama tabakasında kullanılan agregalar

Binder tabakası için gradasyon limitleri Çizelge 3.12’de gösterilmiştir. Aşınma

tabakası için gradasyon limitleri Çizelge 3.13’de gösterilmiştir.

22

Çizelge 3.12 : Binder tabakası için gradasyon limitleri [20].

Elek Açıklığı Geçen %

(mm)

25 100

19 80 - 100

12,5 58 - 80

9,5 48 - 70

4,75 30 - 52

2,000 20 - 40

0,425 8 - 22

0,180 5 - 14

0,075 2 - 7

Çizelge 3.13 : Aşınma tabakası için gradasyon limitleri [20].

Elek Açıklığı Geçen %

(mm) Tip-A Tip-B Tip-C

19 100 - -

12,5 88 - 100 100 100

9,5 72 - 90 80 - 100 90 - 100

6 - - 25 - 33

4,75 42 - 52 55 - 72 23 - 31

2,00 25 - 35 35 - 53 20 - 27

0,425 10 - 20 16 - 28 12 - 18

0,180 7 - 14 8 - 16 -

0,075 3 - 8 4 - 8 7 - 11

Kaplama tabakası için kaba ve ince agreganın fiziksel özellikleri sırasıyla Çizelge

3.14 ve Çizelge 3.15’te gösterilmiştir.

Kaplamanın sıkıştırılması yol serildikten hemen sonra sıkıştırma işlemine

başlanacaktır. Silindiraj başladığında karışımın sıcaklığı 130 ⁰C’nin altında

olmayacak ve karışımın sıcaklığı 80 ⁰C’nin altına düşmeden sıkıştırma işlemi

tamamlanmış olacaktır.

Karıştırma işleminde statik ağırlığı 8 – 12 ton arasında demir bandajlı silindirler ile

lastik basıncı ayarlanabilen kendinden yürür lastik tekerlekli silindirilen

kullanılacaktır.

23

Silindiraj sonunda yol yüzeyinde taş kırılmaları, kaymalar, çatlamalar ve yırtılmalar

olmayacaktır [20].

Çizelge 3.14 : Kaplama tabakasında kaba agreganın fiziksel özellikleri [20].

Deney Adı Şartname Limitleri Deney

Standardı Binder Aşınma

Aşınma Kaybı (Los Angeles) % < 30 < 27 TS EN 1097-2

Hava Tesirine Karşı Dayanıklılık < 25 < 20 TS EN 1367-2

(Donma) %

Kırılmışlık, Ağırlıkça % > 95 > 95 TS EN 933-5

Yassılık İndeksi % < 30 < 25 BS 812

Cilalanma Değeri % > 35 > 50 TS EN 1097-8

Su emme Oranı % < 2,5 < 2,0 TS EN 1097-6

Soyulma Mukavemeti % > 60 > 60 TS EN 12697-11

Kil Topağı ve Dağılabilen Tane < 0,3 < 0,3 ASTM C-142

Oranı %

Çizelge 3.15 : Kaplama tabakasında ince agreganın fiziksel özellikleri [20].

Deney Adı Şartname Limitleri Deney

Standardı Binder Aşınma

Plastisite İndeksi % Normal

Performans

Normal

Performans TS EN 1900-1

Organik Madde % Negatif Negatif TS EN 1744-1

Su Emme % < 2,5 < 2,0 TS EN 1097-6

Metilen Mavisi < 3,0 < 3,0 TS EN 933-6

24

25

4. DEMİR ÇELİK ÜRETİMİ

4.1 Demir Çelik Sektörü

Sanayileşme sürecinde Demir-Çelik sektörünün yadsınamaz bir önemi

bulunmaktadır. Metal eşya sanayii, tarımsal makine sanayii, deniz ve motorlu kara

ulaşım araçları sanayii, inşaat sanayii, elektrikli ve elektriksiz makine sanayii gibi

pek çok sanayi dalı Demir-Çelik sektöründen hammadde temin etmektedir.

Dünya ülkelerinin zaman içerisinde gelişmesi ve teknolojinin ilerlemesi ile Demir-

Çelik kullannımı tüm dünyada artmış, bununla birlikte sektör de gelişmiş ve

büyümüştür. Ekonomik büyümeye bağlı olan sektör, ekonomik büyümenin az olduğu

yıllarda daha az gelişme göstermiş, fakat büyümenin yüksek olduğu yıllarda daha da

büyümüş ve gelişmiştir. Zaman içerisinde teknolojinin sağladığı avantaları da

kullanarak Demir-Çelik sektörü daha verimli ve üretken hale gelmiştir [21].

Dünya ham çelik üretimi sürekli bir artış eğilimi içinde bulunmaktadır. Çizelge

4.1'de 2002-2014 döneminde Dünya'daki ve Türkiye'deki ham çelik üretim miktarları

görülmektedir. Çizelgede görüldüğü üzere, dünyada ham çelik üretimi 2014 yılında,

2010 yılına göre yaklaşık %14,5'lik bir artış göstermiştir. Türkiye'de ise aynı

dönemde %17,2'lük bir artış görülmüştür.

Çizelge 4.2'de ise, 2014 yılına göre, dünya ham çelik üretiminde ilk 10 sırayı alan

ülkeler gösterilmiştir. Ayrıca, bu ülkelerin 2010 ve 2014 yıllarına ait ham çelik

üretimleri ve bu yıllar arasındaki değişim oranları gösterilmiştir.

Türkiye, 2014 yılının ilk on ayında 34 milyon ton ham çelik üretimiyle dünyanın en

büyük ham çelik üreticileri arasında 8'inci sırada yer almıştır. Ayrıca, Türkiye, dünya

ham çelik üretiminin %2,4'lük bölümünü gerçekleştirmekte olup, 2010 - 2014 yılları

arasında ilk 10 ülke içinde en büyük üretim artışını gerçekleştiren 4’üncü ülke

olmuştur [22].

26

Çizelge 4.1 : Yıllık ham çelik üretim miktarı [22].

Yıl Dünya Üretim

(Milyon Ton)

Türkiye Üretim

(Milyon Ton)

2002 904 16

2003 970 18

2004 1071 20

2005 1144 21

2006 1247 23

2007 1347 26

2008 1329 27

2009 1232 25

2010 1428 29

2011 1490 34

2012 1510 36

2013 1649 35

2014 1636 34

Çizelge 4.2 : Ham çelik üretici ülkeler ve üretim miktarları [22].

Sıra Ülkeler

Üretim (Milyon

Ton) Değişim %

2010 2014

1 Çin Halk Cumhuriyeti 637,4 822,7 29,07

2 Japonya 109,6 110,7 1,01

3 A.B.D. 80,5 88,3 9,69

4 Hindistan 68,3 83,2 21,81

5 Rusya 66,9 70,6 5,53

6 G.Kore 58,9 71,1 20,71

7 Almanya 43,8 42,9 -2,05

8 Türkiye 29,1 34 17,18

9 Brezilya 32,9 33,9 3,04

10 Ukrayna 33,4 27,2 -18,56

4.2 Demir Çelik Üretimi

İnsanoğlu demir ve çelik elde etmek için günümüze gelinceye dek pek çok yöntem

geliştirmiştir. Kullanılan ilk yöntemde, odun kömürünün yakılması ile oluşan

redükleyici karbonmonoksit gazı aşağıdaki reaksiyonda görüldüğü gibi, demir

cevheri ile tepkimeye girerek sonuçta demir elde edilmiştir. Bu reaksiyon:

Fe2O3+3CO→2Fe+3CO2

denklemi ile gösterilebilir.

27

Günümüzde demir-çelik üretimi için kullanılan birçok sistem bulunmakla birlikte en

yaygın iki sistemden biri demir cevherinden ham demir ve ham demirden çelik

üretimi yöntemi, bir diğeri ise, çelik hurdasından çelik üretimi yöntemidir. Entegre

tesislerde demir-çelik üretim süreci, demir cevherinin kırma, eleme işlemleri

sonucunda hazırlanması veya parça cevherin doğrudan doğruya yüksek fırın şarjı ile

başlamaktadır. Yüksek fırında kok kömürünün yardımıyla demir oksit haline gelen

cevherin oksijeni alınarak indirgenmekte ve sıvı ham demir elde edilmektedir. Bunun

için farklı çelik üretim metotları bulunmaktadır. Bessemer – Thomas çelik üretim

metodu ve Siemens – Martin çelik üretim metodunun yanı sıra en çok kullanılanları;

Yüksek fırın ile demir – Bazik oksijen fırını ile cevher bazlı çelik üretimi

(BOF)

Elektrik ark fırını ile hurda bazlı çelik üretimi (EAF) [22]

Şekil 4.1 : Bir entegre çelik tesisinde üretim akışı [23].

28

4.2.1 Yüksek fırında üretim

Demir içerikli hammadelerin kok ve kireç taşı ile bir arada ergitilmesinde kullanılan

ve kapasitelerine göre yükseklikleri 30 ile 90 m arasında değişebilen, içerisinde

reaksiyonlar sonucu oluşan C ve CO’ in cevherin redüklediği (indirgenme

reaksiyonuna uğradığı), oluşan ısı ile demirin eritildiği fırınlara yüksek fırın denir.

Dünya çelik üretiminin yaklaşık %60’ı yüksek fırınlar ve çelikhane ile, %40’ı

hurdaların ergitilmesiyle yapılır. Bu hurdaların kaynakları da yüksek fırın olduğu için

dünya çelik üretiminin %99’unda yüksek fırınların varlığı söz konusudur [24].

Yüksek fırına üst bölümden metalurjik kok, dolomit, limonit, hematit, manyetit, kireç

taşı, vüslit, siderit ilave edilir. Hava, körük vasıtasıyla 1000 – 1100 oC’ye ısıtılarak

tüyerlerden fırın içine püskürtülür ve bu hava kok ile reaksiyona girerek koku yakar.

Kok içindeki karbonların (C) yanması ile karbonmonoksit (CO) oluşur. Oluşan CO

demir cevherinin indirgenmesini sağlar. Yüksek fırından alınan ham demir, çelik

üretimi için çelikhaneye gönderilir. Yan ürünler cüruf ve fırın gazıdır.

Fırın çalışırken şarj malzemeleri fırına, fırın içinde bellirli bir yüksekliği muhafaza

edilecek şekilde verilir. Fırın ergitme bölgesinde katı şarj malzemeleri ergiyip sıvı

haldeki pik demir ve cüruf meydana gelirken bir yandan da şarj işlemi sürekli devam

eder [24].

Şekil 4.2 : Yüksek fırın [23]

29

4.2.2 Bazik oksijen fırınında üretim

Bazik oksijen fırını, Bessemer konvertörünün modernleştirilmiş halidir. Ham demire

oksijen üflenerek empüritelerin giderildiği fırınlardır. Adını üflenen oksijenden ve

çeperlerindeki bazik refrakterlerden alır.

Yüksek fırından alınan sıvı ham demirin bileşiminde %93.5-95 Demir (Fe), %0.30-

0.90 Silisyum (Si), %0.025-0.050 Sülfür (Kükürt,S), %0.55-0.75 Mangan (Mn),

%0.03-0.09 Fosfor (P), %0.02-0.06 Titanyum (Ti) ve %4.1-4.4 Karbon (C)

bulunmaktadır. Bu ise malzemenin gerek mekanik özelliklerinin iyileştirilmesi, gerek

istenilen kaliteye getirilmesi, gerekse kolay işlenebilmesi açısından istenilmeyen bir

durumdur. Sıvı ham demiri mühendislik malzemesi olarak kullanabilmek için

yabancı elementlerden ve özellikle karbondan belirli seviyelere kadar arındırmak

gerekir. Bu arındırma işlemi günümüzde bazik oksijen fırınlarında yapılmaktadır

[25].

Şekil 4.3 : Bazik oksijen fırını [25]

Yüksek fırından alınan sıvı ham demir BOF’a konulur. Genellikle Bakır (Cu) bir

borudan içeri, sıvı ham demirin yüzeyine saf Oksijen gönderilir. Dikkat edilmesi

gereken konu, buradaki oksijenin saflığıdır. Oksijen ne kadar saf olursa işlem o kadar

başarılı gerçekleşmektedir.

30

Şekil 4.4 : Yüksek fırından gelen pik demirin BOF'na dökülmesi [25]

Karbon (C) oranı %2.1’den az olan malzemeler çelik olarak nitelendirilmektedir.

Bunu sağlamak için fırına üflenen Oksijen ile bir takım reaksiyonlar gerçekleşir.

Yüksek sıcaklık sebebiyle, Demir içinde oldukça aktif hale gelen Karbon, Oksijen ile

temasa geçtiği anda reaksiyon verir.

2C + O2 → 2CO

Daha sonra oluşan Karbonmonoksit (CO) tekrar Oksijen ile reaksiyon verir ve

karbondioksit oluşturur.

2CO + O2 → 2CO2

Oluşan bu Karbondioksit gazı ortamdan uzaklaşır. Bu reaksiyonlar Karbon oranı

istenilen seviyeye gelinceye kadar devam eder. Bu sırada Sülfür de Oksijen ile

tepkime vererek yanar ve Kükürtdioksit oluşturur.

S + O2 → SO2

Ametal oksitler genelde asidik oksitlerdir. Bu asidik oksitler bazik olan fırın

çeperiyle reaksiyon verir ve çeperlerde aşınma olabilir. Bu bakımdan işlemin kontrol

altında tutulması gerekmektedir.

31

Ham demirin içindeki Demir de Oksijen ile reaksiyon verecek ve az da olsa Demir

kaybı olacaktır.

2Fe + O2 → 2FeO

Bu işlemlerde sıvı ham demir içerisinde bulunan diğer metaller veya empüriteler de

Oksijen ile reaksiyon vermeye devam ederler.

Si + O2 → SiO2

4P + 5O2 → 2P2O5

2Mn + O2 → 2MnO

Fırına şarj yapılırken fırına bir miktar hurda da ilave edilebilir. Bunun yanı sıra fırına

verilen Oksijen, Kükürtü tamamen gidermekte veya istenilen seviyeye getirmekte

yetersiz kaldığından fırına bir miktar flux (akı) da ilave edilir. Bu yardımcı

maddelerin en önemlisi Kireç Taşı (CaCO2)’dır. Kireç Taşı önce parçalanarak:

CaCO2 → CaO + CO reaksiyonunu verir. Ayrılan CO, O2 ile yanarak tekrar CO2

oluşturur.

CaO ise yapıda kalan Kükürt (S) ile tepkimeye girer ve sıvı ham demirden daha fazla

miktarda kükürt uzaklaştırılmış olur.

BOF’larda bu işlemler bileşim istenilen düzeye getirilene kadar devam eder ve

içerideki malzemeye sürekli bileşim kontrolleri yapılır. BOF’larda sıvı ham demiri

çelikleştirme işlemi ortalama 18 dakika sürer ve 40 dakikada bir döküm yapılabilir.

Elde edilen sıvı çelik üzerinde kalan oksitli ve sülfürlü yapılar fırının yan tarafındaki

deliklerden alınarak ayrılır ve sıvı çelik döküm işlemine hazır hale getirilir [25].

4.2.3 Elektrik ark fırınında üretim

Yüksek fırınlardan alınan demire ham demir, bu demirin katılaşmış haline ise pik

demir denir. Genel anlamda çelik olarak anılan malzemenin ana bileşeni demir

metalidir. Yüksek fırınlardan alıan bu metal ile hurdaların ergitilmesinin ve istenilen

bileşim aralığı için arıtmanın yapıldığı fırınlardan biri de elektrik ark fırınlarıdır.

Elektrik ark fırını, genellikle iki grafit elektrot arasında düşük gerilim ve yüksek

akım uygulanarak açığa çıkan ısı ile metalin ergitildiği fırınlardır. Bu cihazlarda

sıcaklık 3000 oC’ye kadar çıkabilmekte ve kapasiteleri de 150 kg ile 200 ton

arasında değişmektedir.

32

Bu fırınlar endüstride kütle halinde üretilen, yüksek kaliteli ve alaşımlı çeliklerin

üretiminde kullanılırlar. Ark voltajının ani düşüşü söz konusu olduğundan yüksek ısı

için yüks