Bitümlü bağlayıcı ve asfalt karışımların nano malzemelerle modifikasyonu
Modification of bituminous binders and asphalt mixtures by using nano materials
Yazar: HAMEEDULLAH RAUFI
Danışman: PROF. DR. ALİ TOPAL
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Ulaştırma Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Bitümlü sıcak karışım = Bituminous hot mixture ; Reoloji = Rheology

Özet:
Nanomalzemeler, nespetin daha yüksek aktif yüzey alanı ve kuantum etkileri yaratan küçük boyutları sahip çok benzersiz özelliklere gösteren malzemeler olduğu için araştırma alanında çok dikkat çekmiştir. Yaygın olarak ortaya çıkan sıkıntılara karşı asfalt kaplamaların genel performansınıı iyileştirme amacıyla bitüme nanomalzemelerin katması, özellikle son birkaç on yılda, çok araştırılmıştır.
Bu çalışma kapsamında, bitüm ağırlığınca yüzdesi olarak 2, 4 ve 6 nano-Bentonit, 3, 6 ve 9 nano-CaCO3 ve 0,1, 0,2 ve 0,3 nano-organosilan olmak üzere üç tür nanomalzeme bitüme eklenmiştir. Nanomodifiye bitüm numunelerini hazırlamak için yüksek-hızlı bir karıştırıcı kullanılmıştır. Bitümlü fazda nanopartiküller ve nanoteknoloji temelli sıvı katkı maddesinin dağılımını gözlemlemek amacıyla fluoresan mikroskopi kullanılmıştır. Bitümlü sıcak karışım (BSK) 'nın hazırlanması için kireçtaşı kullanılmıştır.
Bu çalışmanın amacı, bitümlü bağlayıcının fiziksel ve reolojik özelliklerine yönelik her üç tip nanomalzemenin bitüm içindeki etkisini değerlendirmek ve nanomalzemerlei içeren bitüm örnekleri ile hazırlanan asfalt karışımlarının mekanik davranış ve performanslarını incelemektir. Bu amaçla saf ve nanomodifiye edilmiş bitüm üzerinde bazı geleneksel ve reolojik deneyler yapılmıştır. Optimum bitüm içeriğini belirlemek için Marshall stabilite ve akma deneyi, hem kontrol hem de nanomalzemeleri içeren asfalt karışımları üzerinde uygulanmıştır. Son olarak, asfalt karışımın neme karşı duyarlığı belirtmek için modifiye Lottman deneyi (AASHTO T283) uygulanmış ve çekme direnme oranları (TSR) elde edilmiştir.
Elde edilen sonuçlara göre, nanomalzemelerin bitümün fiziksel özellikleri (penetrasyon, yumuşama noktası) üzerinde büyük etkisi olmadığını göstermiştir. Buna karşın, nanomalzemeler saf bitüm bağlayıcının yüksek sıcaklık performansını, yaşlanma direncini, depolama kararlılığını ve reolojik özelliklerini geliştirmiştir. Genel olarak, nanomalzemelerli asfalt karışımlar kontrol karışımına göre daha düşük optimum bitüm içeriği değerleri vermiştir. Modifiye Lottman deneyi sonuçları, kontrol karışımları ile karşılaştırıldığında her üç katkı özellikle nano-organosilan'ın TSR değerlerinde artışa neden olduğunu bildirilmiştir.

Anahtar Kelimeler: Nanomalzemeler, nano-Bentonit, nano-CaCO3, nano-organosilan, fluoresan mikroskopi, modifikasyon, BSK, neme karşı duyarlılık

Abstract:
Due to having unique features like the higher active surface area and small spatial dimensions that give rise to the quantum effects, nanomaterials have made a solid ground in the research area. The introduction of nanomaterials into bitumen for enhancement of pavement in terms of its overall performance against commonly occurring distresses has been the topic of research for the last few decades. 
Within the scope of this study, three types of nanomaterials at their various proportions (percentage wise 2, 4 and 6 nano-Bentonite; 3, 6 and 9 nano-CaCO3, and 0.1, 0.2 and 0.3 nano-organosilane) were added into bitumen. A high-speed shearing mixer was employed to prepare the nanomodified bitumen samples. Fluorescence microscopy was utilized to observe the dispersion of nanomaterials in bituminous phase. For the preparation of hot mix asphalt (HMA), limestone was used.
The objective of this study was to assess the influence of nanomaterials on physical and rheological properties of bitumen binders and also examine the mechanical behavior and performance of asphalt mixtures involving these nanomaterials. For this purpose, conventional and rheological tests were performed on base and nanomodified binders. For determining optimum bitumen contents, Marshall stability and flow test was carried out. Finally, the Modified Lottman test (AASHTO T283) was performed on compacted specimens to predict their performances against moisture susceptibility by obtaining the Tensile Strength Ratios (TSR). 
Based on the obtained results, nanomaterials were not very influential on the physical properties (penetration, softening point) of bitumen. However, they enhanced the high-temperature performance, aging resistance, storage stability and rheological properties when compared to the base binder. With nanomodification, asphalt mixtures resulted in lower optimum binder contents. The Modified Lottman test results declared that nanomaterials, especially nano-organosilane, can improve TSR values when compared with the control mixture.

Keywords: Nanomaterials, nano-Bentonite, nano-CaCO3, nano-organosilane, fluorescent microscopy, modification, HMA, rheology, moisture-sensitivity