Nano malzemelerin bitümlü sıcak karışımların Marshall ve superpave karakteristikleri üzerindeki etkilerinin araştırılması ve modellenmesi
Investigation and modeling of the effects of nano materials on the Marshall and superpave characteristics
Yazar: ANIL ÖCAL
Danışman: DOÇ. DR. MURAT KARACASU
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışmada bitümün nano malzemeler ile modifiye edilmesi neticesinde; modifiye bitüm ve bitümlü sıcak karışımın (BSK) sıcak bölgelerdeki tekerlek izi ve yorulma dayanım performansının geliştirilmesi amaçlanmıştır. 50/70 penetrasyonlu normal bitümü modifiye etmek amacıyla katkı malzemesi olarak nano magnezyum spinel oksit (NMS) ve kolemanit (NK) kullanılmıştır. Mikro boyuttaki katkı maddeleri mekanik aşındırma yöntemiyle dane çapı nano boyuta (180-200 nm) gelecek şekilde öğütülmüştür. Bitüm ağırlığınca %1, 3, 5 ve 8 katkı oranlarında modifiye bitüm numuneleri ve %5 olarak tespit edilen optimum katkı oranında BSK numuneleri hazırlanmıştır. 

Superpave bitüm deney sonuçlarından, her iki katkı malzemesi ile yapılan modifiye işlemi neticesinde bitümün yüksek sıcaklıklarda tekerlek izi ve orta sıcaklıklarda yorulma dayanımının önemli ölçüde arttığı tespit edilmiştir. Her iki katkı bitüme %8 oranında ilave edildiğinde; normal bitüme göre yenilme sıcaklığında yaklaşık 4°C artış sağlanmıştır. DSR deneyinden elde edilen sonuçlar, %5 NMS ve %5 NK ile bitümün modifiyesi neticesinde, 25°C sıcaklıkta, numunelerin yorulma direnç parametresindeki azalmanın sırasıyla %46 ve %60 olduğunu göstermektedir.

Superpave karışım tasarım yönteminde malzeme seçimi (bitüm ve agrega) ve karışım tasarımı yapılırken uygulama bölgesi olarak Antalya ili seçilmiştir. Antalya özellikle yaz aylarında en yüksek sıcaklığın yaşandığı ildir. Superpave yöntemine göre yoğurmalı sıkıştırıcı ile dökülecek BSK numunelerinde kullanılacak optimum bitüm oranları Marshall yöntemine göre tespit edilmiştir. Bu bağlamda, normal bitüm için optimum bitüm oranı %4,50; NMS için %4,47 ve NK için %4,60 olarak bulunmuştur. Superpave yöntemine göre normal, NMS ve NK katkılı BSK numuneleri için optimum bitüm oranları sırasıyla, %4,28; %4,21 ve %4,33 olarak tespit edilmiştir. Çalışma sonunda nano malzemelerin kullanımı ile BSK'ların performanslarının arttırılabileceği ispatlanmıştır.

Abstract:
In this study, as a result of bitumen modification with nano materials, it is aimed to improve bitumen and asphalt concrete fatigue strength performance and the rutting strength in hot regions. Additives such as nano magnesium spinel oxide (NMS) and colemanite (NK) are used for modifying 50/70 penetration normal bitumen. The additives at the micro size are milled until the desired nano particle size (180-200 nm) with mechanical abrasion method. Modified bitumen specimens with additive ratios of %1, 3, 5 and 8 by weight of the bitumen and asphalt concrete samples with the determined %5 optimum additive content are prepared.

According to the Superpave bitumen test results, the modification process with the addition of each material significantly increased the rutting strength of bitumen at high temperatures and the fatigue strength at the intermediate temperatures. When both additives are added to the bitumen at %8, failure temperature is increased approximately 4°C compared with normal bitumen. According to the DSR test results, at 25°C test temperature, the decrease in the fatigue resistance parameter for the samples modified with % 5 NMS and %5 NK are %46 and %60 respectively.

In the Superpave mixture design method, while choosing the materials (bitumen and aggregate) and making the mixture design, the Antalya province was chosen as the application area. Antalya is the province which is experiencing the highest temperatures especially in the summer months. The optimum bitumen content in Superpave method for preparing the asphalt concrete specimens with the gyratory compactor is determined according to Marshall method. In this context, the optimum bitumen content for normal bitumen was %4,50; %4,47 for NMS and %4,60 for NK. According to the Superpave method, the optimum bitumen contents for normal, NMS and NK modified asphalt concrete specimens are determined as %4,28; %4,21 and %4,33 respectively. At the end of the study, it has been proved that the performance of asphalt concrete can be increased with the use of nano materials.