Bitümün sentetik metal ve polimer katkı maddeleriyle yaşlanma direncinin arttırılması
Improvement of the aging resistance of bitumen by addition of synthetic metal and polymer additives
Yazar: MUSTAFA ÇALIŞICI
Danışman: YRD. DOÇ. DR. M. KÜRŞAT ÇUBUK
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bitümlü malzemeler yol kaplamalarında olduğu gibi diğer uygulamalarda da kullanılan en eski mühendislik malzemelerinden biridir. Günümüzün endüstrileşmiş dünyasında ve yüksek yaşam standartlarında gelişen teknoloji ve değişen ihtiyaçlar çerçevesinde daha kaliteli malzemelerin gerekliliği ortaya çıkmaktadır.Bitümlü bağlayıcıların kısa dönem yaşlanması karıştırma ve serim esnasında, uzun dönem yaşlanması ise yolda hizmet ömrü boyunca daha yavaş bir şekilde gerçekleşmekte, sonuçta zamanla bitümün kimyasal ve mekanik özellikleri değişime uğramaktadır. Toplam yaşlanmanın %70'ini kısa dönem yaşlanmanın oluşturması yaşlanma direncinin arttırılması çalışmalarının önemini ortaya koymaktadır.Bu çalışmada metalik ve polimerik katkılarla modifiye edilmiş bitümlü bağlayıcıların kısa dönem yaşlanmaya karşı direnci araştırılmıştır. Katkı maddeleri olarak organik esaslı çinko (Zn), kalsiyum (Ca), magnezyum (Mg), bor (B), çinko fosfat (ZnPO4) ve mangan (Mn) metal grubu katkılar olarak ve sentezlenen dietilen glikol esaslı polibor bileşiği ile trietilen glikol esaslı polibor bileşiği ise polimer grubu katkıları olarak kullanılmıştır.Kullanılan metal ve polimer esaslı katkıların saf bitümün yaşlanmaya karşı direncine etkilerini belirlemek üzere standart test metotları (dönel viskozite, penetrasyon, yumuşama noktası, 15 ve 25 oC'de düktilite) 50-70 penetrasyon dereceli orijinal ve katkılı tüm bitümlere uygulanmıştır. Bitümlü bağlayıcının kısa dönem yaşlanması ince film halinde ısıtma deneyi (TFOT) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Bitümün oksidasyon derecesi ise doğrudan metodolojik yaklaşım olan FTIR spektroskopisi ile değerlendirilmiştir. Buna ilave olarak katkıların yaşlanmaya karşı etkilerinin daha iyi belirlenmesi için orijinal, orijinal yaşlı, katkılı ve katkılı yaşlı bitümlerin performans analizleri Marshall stabilite ve akma metodu ile belirlenmiştir.Deneysel çalışmalar sonucunda tüm katkıların denenen tüm oranlarında bitümlü bağlayıcının yaşlanmaya direncinin arttığı belirlenmiştir. Orijinal bitümün özellikleriyle karşılaştırıldığında metal grubu katkıların bağlayıcının yaşlanmadan önceki ve sonraki viskozitesini ve yumuşama noktasını düşürdüğü, penetrasyon ve düktilitesini ise arttırdığı görülmüştür. Polimer grubu katkılar ise bitümlü bağlayıcının viskozitesini ve yumuşama noktasını arttırırken, penetrasyon ve düktilitesini düşürdüğü belirlenmiştir. Metal grubu katkılardan ağırlıkça %1 Zn katkısı yaşlanmaya karşı direnci en fazla arttıran katkı olup yaşlanmayı katkısız bitümlü bağlayıcıya kıyasla %58,5 oranında düşürmüştür. Polimer grubu içinde yaşlanmaya direnci en fazla arttıran katkı trietilen glikol esaslı polibor bileşiği olup, yaşlanmayı katkısız bitümlü bağlayıcıya kıyasla %56,7 oranında düşürebilmiştir.

Abstract:
Bitumen materials are one of the earliest engineering materials used for road pavement, as well as for many other applications. In today?s industrialized world and high living standards, the need for higher quality materials is evident within the framework of developing technology and changing needsThe mechanical and chemical properties of bitumen changes with time, as short-term aging during the mixing and paving process and as long-term aging during its service life as a pavement. The significance of studies on improving the resistance to aging can be represented by the fact that short-term aging comprises approximately 70% of aging process.The resistance of modified bitumens with metallic and polymeric additives to short-term aging was investigated in this study. Organic based Zinc (Zn), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), Boron (B), Zinc phosphate (ZnPO4) and Manganese (Mn) were used as metallic group additives, and Diethylene Glycol based Boron and Triethylene Glycol based Boron were used as polymeric group additives.To determine the influence of metallic and polymeric additives on the aging resistance of the pure bitumen, the standard test methods (rotational viscosity, penetration, softening point, ductility at 15 and 25 o C) were carried out on the 50-70 pen type original bitumen, original aged bitumen, modified bitumen, and modified aged bitumen containing metallic and polymeric in optimum quantities determined by viscosity aging index. The short-term aging of bitumen binders was carried out using TFOT method. The degree of oxidation of bitumen was evaluated through FTIR spectroscopy. In addition, the performance analyses of original, modified and aged bitumens were performed using Marshall Stability and flow method.The test results indicate that all of the used additives improve the aging resistance of the bitumen. The metallic group additives decreased the viscosity and softening point, but increased penetration and ductility of the bitumen. The polymeric group additives increased the viscosity and softening point, but decreased penetration and ductility of the bitumen. From metallic additives group, 1 % of organic based zinc by mass was found to be the most effective against aging by decreasing the short term aging by %58,5. From polymeric additives group, 2% of Triethylene Glycol based Boron by mass was the most effective, which decreased the short term aging by %56,7.