Atık araç yağları ve atık bitkisel yağ katkılı bitüm içeren asfalt betonlarının performans özelliklerinin değerlendirilmesi
Evaluation of the performance properties of asphalt concretes containing waste vehicle oils and waste vegetable oil additive bitumen
Yazar: BELİT KERMAN ERKARA
Danışman: PROF. DR. ALİ OSMAN ATAHAN ; PROF. DR. MURAT KARACASU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Ulaşım = Transportation
Dizin: Ulaştırma mühendisliği = Transportation engineering

Özet:
Ulaşım, bir ülkenin ekonomik ve sosyal anlamda gelişebilmesine katkı sağlayabilmektedir. Ulaşım ağının genişlemesi ekonomik, kültürel ve sosyal açıdan anlam kazanmaktadır. Bunlarla beraber, ulaşım alanındaki yeni gelişmeleri de takip etmek gerekmektedir. Yeni gelişmelerle birlikte kullanılan malzemeler ve uygulanan metodlar değişim göstermiştir. Günümüzde, genellikle asfalt betonu ve normal beton tercih edilmektedir.
Günümüz dünyasında nüfusun ve endüstrinin genişlemesi bazı problemleri de beraberinde getirmiştir. Atık birikimi ve depolama alanlarının kısıtlı olması bu sorunların başında gelmektedir. Atık malzemelerin tekrar kullanılabilirliği sürdürülebilirlik açısından fayda sağlayabilmektedir. Gün geçtikçe sürdürülebilirlik ve geri dönüşüm konuları önem kazanmaktadır. Atık malzemeler biriktikçe çevre, doğa ve canlılar için zararlı olmaktadır. Atıkların geri kullanılabilir olması çevre ve sürdürülebilir yaşam bağlamında önemli bir yer almaktadır. Oluşan atık malzemelerin tekrar yaşam içinde değerlendirilmesi çevre kirliliği, sürdürülebilirlik ve ekonomi açısından incelenmelidir. Yapılan inşaat çalışmalarını daha sürdürülebilir bir noktaya getirebilmek amacıyla araştırmalar artmaktadır. Çevresel atıkların değerlendirilmesi ve asfalt betonun performansının yükseltilmesi için yapılan bilimsel çalışmalar değer kazanmıştır. Karayollarının sürdürülebilir hale getirilebilmesini sağlamak için dizayn, yapım, işletme ve bakım-onarım aşamaları boyunca tasarlanmalıdır.
Karayolları, yol altyapısı ve yol üstyapısı olarak iki bölüme ayrılmaktadır. Karayolu altyapısının geliştirilmesi ve iyileştirilmesi sosyal ve ekonomik hayat bağlamında da önemli rol oynamaktadır. Yol üstyapısı; alttemel, temel ve kaplama bölümlerinin bir araya geldiği kısım olarak anlatılabilmektedir.
Yol üstyapısı için iki temel kaplama çeşidi bulunmaktadır. Bunlardan biri esnek üstyapı, diğeri ise rijit üstyapı olarak adlandırılmaktadır. Bir üstyapı seçimi yapılırken çevre, zemin, trafik ve ekonomi bağlamında incelenerek en optimum üstyapı seçimine karar verilmektedir. Esnek üst yapılar, ülkemizde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Esnek üstyapılar sınıflandırıldığında başlıca kaplama şekilleri; sathi kaplama ve bitümlü karışım kaplama olmaktadır. Sathi kaplamaların tek kat sathi kaplama ve çift kat sathi kaplama olmak üzere iki çeşit imalatı yapılabilmektedir. Bitümlü karışım kaplamalar ise; bitümlü sıcak karışım, bitümlü ılık karışım ve bitümlü soğuk karışım olarak üç farklı biçimde kategorize edilmektedir. Bitümlü sıcak karışımlarda bitüm ve agrega belirli yüzdelerde uygun sıcaklıklarda karıştırılarak homojen bir malzeme haline gelmektedir. Bu karışım asfalt betonu olarak adlandırılmaktadır. Asfalt betonu, bitüm ve agreganın bir araya getirilmesiyle meydana gelirken, bitüm bağlayıcı özellik olarak yapışkanlık etkisi göstermektedir.
Yapılan deneysel çalışma içerisinde atık kamyon, otomobil ve bitkisel yağların bitüm üzerindeki performans özelliklerini incelemeye yönelik bir araştırma gerçekleştirilmek istenmiştir. Üç farklı atık yağ çeşidi olan, kamyon yağ atığı, otomobil yağ atığı ve bitkisel yağ atığının sürdürülebilirliği test edilmiştir. Her bir yağ atığı %1, %3 ve %5 oranlarında bitüm malzemesine modifiye edilmiştir. Bitümle karıştırılan atık yağlar, 140-160 °C sıcaklık arasında 200 devir/dk hızda 60 dakika süresince mekanik karıştırıcı yardımıyla karışımı sağlanmıştır. Kamyon, otomobil ve bitkisel yağ atıkları ile modifiye edilen bitüm numuneleri üzerinde penetrasyon deneyi, yumuşama noktası deneyi, düktilite deneyi ve ince film ısıtma kaybı deneyi yapılarak karşılaştırılmıştır. Ortaya çıkan deney sonuçları, grafikler üzerinde karşılaştırmalı olarak gösterilmiştir. Bu deneyler kontrol bitüm numunesiyle karşılaştırmalı olarak yapılan performans değerlendirilmesinin bir araştırmasıdır. Penetrasyon, yumuşama noktası, düktilite ve ince film ısıtma kaybı deneyleri grafik üzerinde incelendikten sonra optimum olarak belirlenen değer %3 oranında karıştırılmış kamyon yağ atığı modifiyeli bitüm olmuştur. Sonraki deneysel çalışmalar, %3 katkılı kamyon yağ atığı (KYA) modifiyeli bitüm ve 50/70 penetrasyonlu kontrol bitümü arasında gerçekleştirilmiştir. %3 KYA ve kontrol numuneleri viskozite, dönel ince film ısıtma kaybı, dinamik kayma(kesme) reometresi, Marshall tasarımı, tekrarlı yük ve statik sünme deneyleri içerisinde karşılaştırmalı olarak test edilmiştir. Deney değerlendirme ve sonuçları ilerleyen bölümlerde verilmiştir.

Abstract:
Transportation can contribute to the economic and social development of a country. The expansion of the transportation network gains economic, cultural and social meaning. Along with these, it is necessary to follow the new developments in the field of transportation. Highway, railway, airway, seaway and public transport areas within the transportation network are making progress day by day. The development of highway, airway, rail systems and seaway also produces positive results in terms of transportation. Expanding the transportation network over a wider area can increase economic vitality. With the new developments, the materials used and the methods applied have changed. Nowadays, asphalt concrete and concrete slab are generally preferred.
In today's world, the expansion of the population and industry has brought some problems. Waste accumulation and limited storage areas are among these problems. Reusability of waste materials can provide benefits in terms of sustainability. Sustainability and recycling issues are gaining importance day by day. As waste materials accumulate, they become harmful to the environment, nature and living things. Recycling of wastes is an important issue in the context of environment and sustainable life. The recycling of waste materials in life should be examined in terms of environmental pollution, sustainability and economy. Researches are increasing in order to bring the construction works to a more sustainable point. Scientific studies to evaluate environmental wastes and improve the performance of asphalt concrete have gained value. In order to make highways sustainable, they should be planned throughout the design, construction, operation and maintenance-repair phases.
Highways are divided into two parts as road infrastructure and road pavement. The development and improvement of road infrastructure also plays an important role in the context of social and economic life. The road pavement can be described as the part where sub-base, base and pavement parts come together. There are two basic types of pavement for road pavement. One of them is called flexible pavement and the other is called rigid pavement. While choosing a pavement, the most optimum pavement selection is decided by examining the environment, soil, traffic and economy. Flexible pavement are widely used in our country. When flexible pavements are classified, the main pavement forms are; surface treatment and bitumen mixture coating. Two types of surface treatment can be produced as single layer surface treatment and double layer surface treatment. Bitumen mixture coatings; it is categorized in three different ways as hot mix asphalt, warm mix asphalt and cold mix asphalt. In hot mix asphalt, bitumen and aggregate are mixed in certain percentages at appropriate temperatures and become a homogeneous material. This mixture is called asphalt concrete. Asphalt concrete is formed by combining bitumen and aggregate. Bitumen has a sticky effect as a binding property.
Hot bituminous mixtures used in highway construction are frequently preferred. The bitumen used as the control sample in the study is bitumen with 50/70 penetration. Bitumen properties were evaluated by performing softening point, penetration, ductility, thin film oven test, specific gravity and viscosity experiments. Waste truck oil, waste automobile oil and waste vegetable oil were modified to 50/70 bitumen and analyzed in experiments.
Waste truck oil (WTO) and waste automobile oil (WAO) were obtained from the industrial zone. Waste vegetable oil (WVO) was taken from a business providing food and beverage services. Waste truck and automobile oil was transferred directly from the vehicles into tin. Waste vegetable oil (WVO) was filtered using a strainer and included in the experiments. Before participating in the experiments, care was taken to ensure that the waste oils did not contain sediment, precipitate or particles.
Explanations about the application purpose and process of penetration, softening point, ductility, thin film oven test (TFOT), rotational thin film oven test (RTFOT), bitumen specific gravity test, viscosity, dynamic shear rheometer (DSR), Marshall design test, repeated load and static creep tests are given in the following sections. 
In the experimental study, it was desired to carry out a research to examine the performance properties of waste truck, automobile and vegetable oils on bitumen. The sustainability of three different types of waste oil, waste truck oil, waste automobile oil and waste vegetable oil, was tested. It has been modified to bitumen at the rates of 1%, 3% and 5% for each waste oil. Waste oils mixed with bitumen were mixed with the help of a mechanical mixer for 60 minutes at a speed of 200 rpm between 140-160 °C. Penetration test, softening point test, ductility test and thin film oven test were performed on bitumen samples modified with waste truck, automobile and vegetable oils. In the softening point test, it is desired to measure the consistency of bitumen or modified bitumen under the influence of temperature. In the penetration test, consistency values can be calculated. In addition, the elasticity properties of bitumen or modified bitumen are tested with slow acting loads in ductility studies. Additionally, thin film oven test is applied to determine the loss rate that may occur in the amount of bitumen or modified bitumen due to high temperatures. The resulting experimental results are shown comparatively on the graphs. These experiments are a survey of performance evaluation in comparison with a control bitumen sample. After examining the penetration, softening point, ductility and thin film oven tests on the graph, the optimum value was determined as 3% mixed waste truck oil modified bitumen. Subsequent experimental studies were carried out between 3% additive waste truck oil modified bitumen and 50/70 penetration control bitumen. 3% WTO and control samples were tested comparatively in rotational viscosity, rolling thin film oven, dynamic shear rheometer, Marshall design, repeated load and static creep experiments. In addition, penetration index test results were added using the softening point test and penetration test data of the control sample and 3% waste truck oil modified bitumen sample. Experiment evaluation and results are given in the following sections. 
Cost results are given in the economic analysis section for the 50/70 control sample and 3% waste truck oil modified bitumen sample. In the economic analysis section, the cost analysis of a 1 km long, 10 m wide and 15 cm thick road is shown. Cost calculations were made using the optimum bitumen rates determined for the 50/70 control sample and the 3% waste truck oil (WTO) modified bitumen sample. When cost analysis is done, it is seen that asphalt concrete is a high cost mixture. A high proportion of the cost is due to the bitumen material. Cost calculations are detailed in the economic analysis section.