Nano modifiye bitümlü sıcak karışımların performansının araştırılması
Investigation of performance of nano modified hot mix asphalt
Yazar: ŞEBNEM KARAHANÇER
Danışman: PROF. DR. MEHMET SALTAN ; PROF. DR. SERDAL TERZİ
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Ulaşım = Transportation ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Yol inşaatı = Road construction

Özet:
Bu çalışmada bitüm, çoğul duvarlı karbon nanotüp, çinko oksit nano tozu ve %50 oranında silika ile modifiye edilmiş karbon nanotüp kullanılarak %1, %3 ve %5 oranlarında modifiye edilmiştir. Ayrıca silika nano tozu kullanılarak %0.1, %0.3 ve %0.5 oranında bitüm modifikasyonu gerçekleştirilmiştir. Bitüm, nano malzemelerle yüksek devirli karıştırıcı kullanılarak 4000 devir/dakika hızda ve 160 C sıcaklıkta 2 saat boyunca homojen olarak karıştırılmıştır. Modifikasyon sonucunda elde edilen bitüm kullanılarak SuperpaveTM karışım tasarımına göre bitümün ve bitümlü sıcak karışımın performansı değerlendirilmiştir. Öncelikle Isparta Bölgesi için yüksek ve düşük sıcaklık verileriyle bağlayıcı sınıfı seçilmiştir. Daha sonra modifiye edilmiş bitümün üzerinde dönel ince film halinde ısıtma deneyi, basınçlı yaşlandırma kabı, dinamik kesme reometresi, kiriş eğilme reometresi ve dönel viskozimetre deneyleri ile performans dereceli sınıfları kontrol edilmiştir. Ayrıca bu deneyler yardımıyla bitümün tekerlek izi dayanımı ve yorulma çatlaklarına karşı dayanımı karşılaştırılmıştır. Nano malzemelerle modifiye edilmiş bitüm kullanılarak hazırlanan bitümlü sıcak karışımların AASHTO T 283'e göre nem hassasiyeti değerlendirilmiştir. 
Nano malzemelerle elde edilen bitümlerin taramalı elektron mikroskobu ve enerji dağılımlı X-ray spektrometresi görüntüleri ile nano modifikasyonun homojen olarak gerçekleştirilip gerçekleştirilmediği değerlendirilmiştir. Daha sonra Fayda/Maliyet analizi ile nano malzemelerin karışımın maliyetini ne ölçüde etkilediği belirlenmiştir.
Sonuç olarak tüm nano modifiyeli bitümlerin tekerlek izi dayanımı ve yorulma çatlaklarına karşı dayanımı %3 oranında en yüksek performansı göstermiştir. Nano modifiyeli bitümlerin performans dereceli sınıfı PG 64-22 olarak bulunmuş, yalnız %1 oranında çoğul duvarlı karbon nanotüp ile modifiye bitümün yaşlandırma sonucu performans dereceli sınıfı değişmiş ve PG 58-22 olarak bulunmuştur. Nano modifiye bitüm kullanılarak hazırlanmış bitümlü sıcak karışımların nem hassasiyeti %50 oranında silika ile modifiye edilmiş karbon nanotüp %5 oranı, silika nano tozu %1 ve %5 oranı dışında tüm nano modifiyeli bitümlü sıcak karışımlar için referans numuneden daha yüksek bulunmuştur. 
Taramalı elektron mikroskobu ve enerji dağılımlı X-ray spektrometresi görüntüleri ile nano malzemelerin bitüm içerisinde homojen olarak dağıldığı, topaklanmaların boyutunun 4 m'den daha küçük olduğu belirlenmiştir. Fayda/Maliyet analizi ile çoğul duvarlı karbon nanotüp dışındaki tüm nano modifiyeli bitümlü sıcak karışımların maliyetinin referans numuneden daha düşük olduğu bulunmuştur.

Abstract:
In this study, bitumen is modified by multi-walled carbon nanotube, zincoxide nano powder and %50 wt silica modified carbon nanotube in proportions of 1%, 3% and 5%. Also, bitumen is modified by silica nano powder in proportions of 0.1%, 0.3% and 0.5%. Bitumen is mixed with nano materials using high shear mixer at 4000 rpm, 160 C and 2 hours. Performance of hot mix asphalt and bitumen is evaluated according to SuperpaveTM mix design procedure. Performance grade of bitumen is determined for Isparta region using high and low temperatures data. After all, performance grade of bitumen is compared with rotating thin film oven test, pressure aging vessel, dynamic shear rheometer and bending beam rheometer tests conducted on modified bitumen. Also, rutting and fatigue cracking performance of bitumen is compared using these test results. Moisture susceptibility of hot mix asphalt modified by nano materials is obtained by AASHTO T 283 test procedure. 
Nano modified bitumen is evaluated by scanning electron microskopy whether the mixture is mixed with nano materials and bitumen homogenously or not. After all Benefit/Cost analysis is conducted to evaluate the effect of nano material cost in mixture. 
As a result, highest rutting and fatigue cracking performance is obtained by 3% modification ratio. Performance grade of all modified bitumen is determined as PG 64-22 except for multi-walled carbon nanotube modified bitumen in 1% ratio. Performance grade of multi-walled carbon nanotube modified bitumen in 1% ratio is determined as PG 58-22. Moisture susceptibility of all nano modified hot mix asphalt samples is determined as high resistive to moisture compared to reference sample except samples modified with %50 wt silica modified carbon nanotube in 5% ratio, silica nano powder in 1% and 5% ratios. 
Homogenous mixture is obtained according to scanning electron microskopy results. It is found that the agglomeration of nano materials is lower than 4 m in the mixtures. The costs of all nano modified mixtures are lower than the reference sample except multi-walled carbon nanotube modified samples according to benefit/cost analysis.