Atık yağ içeren kapsüllerin kendini onarabilen bitümlü sıcak karışımların mekanik özelliklerine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effects of capsules containing waste oil on the mechanical properties of self-healing hot mix asphalts
Yazar: ÖZGE ERDOĞAN YAMAÇ
Danışman: PROF. DR. MEHMET YILMAZ
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Ulaştırma Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Ulaşım = Transportation ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Karayolu üstyapılarında kullanılan bitümlü sıcak karışımlarda (BSK) trafik, iklim ve çevresel etkenler nedeni ile bozulmalar meydana gelmektedir. Bu bozulmalar belirli bir seviyeye ulaştığında bakım ve onarım yapılması gerekmektedir. Bu durum son yıllarda kendini iyileştirebilen BSK'larla ilgili çalışmaların hız kazanmasına neden olmuştur. 
BSK'ların kendini iyileştirmesi üzerine çalışmalar, indüksiyon ile ısıtma, mikrodalga ile ısıtma ve kapsül kullanımı olmak üzere üç ana başlık altında toplanmıştır. Çalışmada tercih edilen kapsül kullanımı metodunda, BSK'ya içerisinde gençleştirici madde bulunan kapsüller ilave edilmektedir. Kaplamada meydana gelen çatlak kapsülle karşılaştığında kapsül çatlağın oluşturduğu çekme gerilmesi sonucu kırılmakta, içerisindeki gençleştirici madde serbest kalarak bölgedeki bitümün viskozitesini azaltıp bitümün çatlağı doldurmasını sağlamaktadır.
Tez çalışmasında, gençleştirici malzeme olarak atık bitkisel yağ ve atık madeni yağ kullanılmıştır. Ülkemizde her yıl tonlarca atık yağ açığa çıkmakta ve bunlar suyun, toprağın ve havanın kirlenmesine neden olmaktadır. Bu atıkların yönetimi için en uygun yöntem çevreye zarar vermeyecek ve ticari değeri olan farklı bir kullanım alanı oluşturmak olacaktır. Bu alanlardan biri de, atık yağların çevresel olarak uygun oranlarda BSK'larda gençleştirici malzeme olarak kullanılmasıdır.
Çalışmada öncelikle 5 farklı yağ/su oranı ve 4 farklı sodyum aljinat miktarı kullanılarak atık bitkisel ve madeni yağlardan kapsüller üretilmiş ve çalışmanın devamında kullanılacak optimum kapsül içeriği belirlenmiştir. Bu kapsüller, agrega ağırlığınca 4 farklı oranda mastik asfalt ve BSK kiriş numunelerine ilave edilmiştir. Bu numunelere 3 noktalı eğilme ve 4 noktalı eğilme yorulma deneyleri uygulanarak, kapsüllerin çatlaklar üzerindeki iyileştirme etkisi ve kaplamada bozulmalar meydana gelmesi durumda yorulma ömrüne etkisi değerlendirilmiştir. Ayrıca kiriş numunelerine farklı sıcaklık ve farklı sürelerde dinlenme kürü uygulanarak iyileşmenin sıcaklık ve zamanla olan ilişkisi de incelenmiştir. İlaveten kapsül kullanımının BSK'ların mekanik özelliklerine etkisinin belirlenebilmesi için, agrega ağırlığınca 4 farklı oranda kapsül ilave edilerek hazırlanan ve uzun dönem yaşlandırılan silindir asfalt numunelere, Marshall stabilite ve akma, çekme dayanımı oranı, dinamik sünme, indirekt çekme rijitlik modülü ve indirekt çekme yorulma deneyleri uygulanmıştır. Böylelikle kapsüllerin uzun dönem yaşlanmaya etkisi de incelenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda belirlenen optimum kapsül içeriğinin BSK'ların karıştırma-sıkıştırma işlemleri sırasında kırılmadan dayanabildiği ancak çatlak oluşumu durumunda kırılarak içindeki yağı serbest bıraktığı ve çatlak bölgesinde iyileşme sağladığı belirlenmiştir. Kapsül kullanımı ile BSK'ların mekanik özellikleri olumsuz etkilenmekle birlikte, deney sonuçları Karayolları Teknik Şartnamesi'nin sınır değerleri içinde kalmıştır. 3 noktalı eğilme ve 4 noktalı eğilme yorulma deney sonuçları dikkate alındığında, kapsül kullanımının çatlakların iyileşmesine ve bozulma olan numunelerde yorulma ömrünün uzamasına olumlu etki ettiği belirlenmiş ve atık madeni yağ içeren kapsüllerin atık bitkisel yağ içeren kapsüllerden daha iyi sonuç verdiği görülmüştür. Ayrıca kür sıcaklığı ve kür sürelerinin artması ile iyileşmenin doğru orantılı olarak arttığı tespit edilmiştir.

Abstract:
In hot mix asphalt (HMA) used in highway pavements, deterioration occurs due to traffic, climate, and environmental factors. When these deteriorations reach a certain level, maintenance and repair practices become necessary. These conditions have caused studies on self-healing bituminous hot mixtures to gain speed in recent years.
Studies on improving the self-healing characteristics of HMAs include three main methods as induction heating, microwave heating, and utilization of capsules. In the capsule utilization method, which was adopted in this study, capsules that contain rejuvenating materials are included in HMA mixtures. When the cracks that occur in pavements contact the capsules, the capsules break open due to the tensile stress caused by the crack, releasing the rejuvenating agent inside, which decreases the viscosity of bitumen in the region and enables that the bitumen fills the crack.
In this thesis study, waste vegetable and waste mineral oils were used as the rejuvenating agents. In Turkey, tons of waste oils are produced every year and these waste oils cause water, soil, and air pollution. One of the most suitable methods to manage these wastes is to create a field of use for these wastes to be used commercially while preventing their damage to the environment. One of these fields is the utilization of waste oils at environmentally suitable ratios in HMAs as rejuvenator agents.
In the study, capsules with waste vegetable and mineral oils were produced by using 5 different ratios of oil/water and 4 different sodium alginate ratios, and the optimum capsule content to be used in the rest of the study was determined. These capsules were included in mastic asphalt and HMA beam specimens at 4 different ratios by the weight of the aggregates. These specimens were subjected to 3-point bending and 4-point bending fatigue tests, and the healing effects of capsules on the cracks and their effects on fatigue lives upon the formation of deteriorations were examined. Furthermore, the relationships of healing with temperatures and periods were examined by conducting resting cures on beam specimens at different temperatures and periods. Additionally, in order to determine the effects of using capsules on the mechanical properties of HMAs, cylindrical asphalt specimens, which were prepared by including capsules at 4 different ratios and aged for long-terms, were subjected to Marshall Stability and Flow, Tensile Strength Ratio, Dynamic Creep, Indirect Tensile Stiffness Modulus and Indirect Tensile Fatigue tests. Thus, the effects of capsules on long-term aging were also investigated. As a result of the tests, it was determined that the optimum capsule content determined in the study could withstand the mixing and compacting process of HMAs without breaking while breaking upon crack formation and releasing the oils inside, which led to the healing process in the crack region. With the utilization of the capsules, the mechanical properties of HMAs were affected negatively while the results of the tests remained within the limit values of Highways Technical Specifications. Considering the results of 3-point bending and 4-point bending fatigue tests, it was determined that the utilization of capsules results in positive effects on the healing process of the cracks and the extension of fatigue lives in specimens with deteriorations. Furthermore, it was determined that capsules with waste mineral oils provided better results compared to the capsules with waste vegetable oils. Moreover, it was determined that increasing the curing temperatures and extending the curing periods led to directionally proportional increases in healing.