elektrİk ark firini cÜrufunun karayolu esnek Üstyapi...

of 139 /139
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

Author: others

Post on 27-Jan-2020

2 views

Category:

Documents


0 download

Embed Size (px)

TRANSCRIPT

  • 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