Bitümlü malzemelerin reolojik ve dielektrik özelliklerinin yapay sinir ağlarıyla modellenmesi
Modeling the rheological and dielectric properties of bituminous materials with artificial neural networks
Yazar: BETÜL DEĞER ŞİTİLBAY
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA KARAŞAHİN ; DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA SİNAN YARDIM
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Karayolu üstyapısında kullanılan bitümlü malzemelerin kalitesi, yol kaplamasının performansını, kullanım ömrünü ve sürüş güvenliğini doğrudan etkilemektedir. Bitümlü malzeme kalitesi de, reolojik özelliklerle bağlantılı olarak ifade edilebilmektedir. Esnek üstyapılarda kullanılan bitüm içerikli malzemelerin reolojik açıdan doğru tanımlanması, yolun inşaa edileceği bölgeye, zemine ve iklim koşullarına uygun olarak tasarlanmasını sağlayarak, olası bozulmaların önüne geçecektir. Böylelikle kaynak kullanımı azalacak ve ihtiyaca uygun malzeme seçimiyle birlikte düşük maliyet-doğru performans kararları alınabilecektir. Yol malzemelerinin hem iyileştirilebilmesi hem de reolojik özelliklere ek olarak geliştirilebilecek farklı yöntemlerin araştırılması adına, bu çalışma kapsamında öncelikle yol kaplamasının performansında önemli bir etkiye sahip olan 50/70 penetrasyonlu bitüm iki farklı örnek grubu (modifiye bitüm ve asfalt mastik) şeklinde hazırlanmıştır. Modifiye bitüm grubunda, saf bitüme ağırlıkça %5 oranında ortoftalik yapılı ve izoftalik yapılı olmak üzere iki farklı polyester reçine katkısı, %10 ve %20 oranında kauçuk granül katkısı ve %5 oranında Stiren-Bütadiyen-Stiren katkısı ilave edilmiştir. Mastik örneklerinde ise, %4, %5, %6, %7 ve %8 oranında kiraçtaşı filler kullanılarak malzeme üretimi yapılmıştır. Bu örneklerin reolojik özelliklerini belirlemek için Özgül Ağırlık, Penetrasyon, Yumuşama Noktası, Düktilite, Elastik Geri Dönme, Parlama noktası, İnce Film Isıtma Kaybı deneyleri uygulanmış ve farklı katkı tiplerinin değişen oranlarda veya tek başına/birlikte kullanımının etkileri araştırılmıştır. Çalışmanın bir diğer bölümünde ise, Dielektrik Spektroskopi Analiz Cihazı kullanılarak, sıcaklığa ve frekansa bağlı kapasite ve dielektrik kayıp faktörleri ölçülmüştür. Modifiye bitüm örneklerinde numune kalınlığı sabit iken, asfalt mastik örneklerinde kalınlık faktörü de göz önüne alınarak ölçümler yapılmıştır. Daha sonra, ölçülen kapasite ve dielektrik kayıp faktörü değerlerinden yararlanılarak, dielektrik sabiti, dielektrik enerji kaybı, alternatif iletkenlik ve dielektrik modülleri hesaplanmıştır. Deneysel çalışmalara ait sonuçlar, malzeme iç yapısını tanımlayan dielektrik özelliklerin, malzeme reolojisinden, katkı tipinden ve katkı miktarından etkilendiğini göstermiştir. Çalışmanın son bölümünde ise, malzeme dielektrik özelliklerine ait parametrelerin değişimi Yapay Sinir Ağları Sınıflandırma yöntemi kullanılarak modellenmiştir. Malzeme tanıma modeli olarak da değerlendirilebilen bu model sonuçlarına ait %75-%95 arasında değişen tahmin isabet oranlarının kabul edilebilir düzeylerde olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
The quality of the bituminous materials used in the highway pavement directly affects the performance, service life and driving safety of the road pavement. Bituminous material quality can also be expressed in relation to rheological properties. The rheologically correct definition of bitumen-containing materials used in flexible pavements will prevent possible deterioration by ensuring that the road is designed in accordance with the region, ground and climatic conditions where the road will be built. In this way, resource utilization will be reduced and low cost-accurate performance decisions can be made with the selection of appropriate materials. In order to both improve road materials and to investigate different methods that can be developed in addition to rheological properties, within the scope of this study, 50/70 penetration bitumen, which has a significant effect on the performance of the road pavement, was prepared in two different sample groups (modified bitumen and asphalt mastic). In the modified bitumen group, 5% by weight of two different polyester resin additives (orthophthalic and isophthalic), 10% and 20% of rubber granule additives and 5% of Styrene-Butadiene-Styrene additives were added to pure bitumen. In the mastic samples, 4%, 5%, 6%, 7% and 8% limestone fillers were used. In order to determine the rheological properties of these samples, Specific Gravity, Penetration, Softening Point, Ductility, Elastic Return, Flash Point, Thin Film Heating Loss tests were performed and the effects of using different types of additives at varying ratios or alone/in combination were investigated. In another part of the study, temperature and frequency dependent capacity and dielectric loss factors were measured using the Dielectric Spectroscopy Analyzer. While the sample thickness was constant in modified bitumen samples, measurements were made by considering the thickness factor in asphalt mastic samples. Then, dielectric constant, dielectric energy loss, alternative conductivity and dielectric modulus were calculated from the measured capacity and dielectric loss factor values. The results of the experimental studies showed that the dielectric properties, which define the internal structure of the material, are affected by the material rheology, the type of additive and the amount of additive. In the last part of the study, the variation of the parameters of the material dielectric properties were modeled using the Artificial Neural Networks Classification method. The results of this model, which can also be considered as a material recognition model, were found to be at acceptable levels with prediction accuracy ranging between 75%-95%.