Bitümlü sıcak karışımlara sönmüş kireç ilavesi etkilerinin bulanık mantık yöntemiyle değerlendirilmesi
Evaluation of the effects of hydrated lime addition to bituminous hot mixtures by fuzzy logic method
Yazar: BETÜL DEĞER ŞİTİLBAY
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA SİNAN YARDIM
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Ulaştırma Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Karayolu kaplamalarında bozulmaların meydana gelmesi, yol yapım ve işletiminde karşılaşılan en önemli problemlerden biridir. Bu probleme neden olan etmenlerin en başında, artan trafik hacimleri ve dingil yüklerinin geldiği bilinmektedir. Yol tasarımında hesaba katılmayan bu problem nedeniyle, yolların hizmet ömürlerinde azalmalar görülmektedir. Bu durum, hem yol kullanıcıları hem de karayollarından sorumlu otoriteler için istenmeyen bir durumdur. Yol kaplamalarında karşılaşılan bu problemin çözümü için günümüzde birçok yöntem denenmektedir. Önerilen yöntemlerden biri de yol kaplamalarında kullanılan bitümlü karışımların modifiye edilmesidir. Modifikasyon işlemi için farklı katkı malzemeleri kullanılabilmektedir. 
Bitümlü sıcak karışımlarda katkı malzemesi olarak sönmüş kireç kullanımı, günümüzde uygulanan sıcak karışım modifikasyon yöntemlerinin önemli olanları arasında yer almaktadır. Sönmüş kirecin, karışımlarda meydana getirdiği olumlu veya olumsuz etkileri belirlemek için bugüne kadar çok sayıda çalışma yapılmış olup, halen de çalışmalar devam etmektedir. Kullanılan katkı malzemelerinin, karışım üzerindeki etkileri, malzemenin yalnızca türü ile değil, kullanım miktarı ile de doğrudan ilişkilidir.
Bu çalışmada, karayolu kaplamalarında kullanılan bitümlü sıcak karışımlara katkı malzemesi olarak sönmüş kireç ilavesi incelenmiştir. Karışıma ilave edilen sönmüş kireç katkısı miktarının etkileri, geniş ve yüksek hassasiyetli bir aralıkta araştırılmıştır. 
Birinci bölümde, sönmüş kirecin karayolu üstyapısındaki çeşitli problemleri çözmek üzere kullanım alanları, yararları, kullanım şekilleri ve katkı olarak kullanım miktarları hakkında yapılan geniş bir literatür araştırması sunulmuştur. 
İkinci bölümde, önce çalışmada kullanılan malzemeler tanıtılmış ve malzeme özelliklerini belirlemeye yönelik deneylerin sonuçları sunulmuştur. Çalışmada kullanılan üç temel malzeme, agrega, bağlayıcı ve modifiye edici katkı olarak sönmüş kireçtir. Kullanılan agreganın kaynağı İstanbul'daki Ömerli bölgesi kalker ocaklarıdır. İSFALT A.Ş. Ümraniye Fabrikası'ndan temin edilen bu kalker tipi, genel olarak gri-koyu gri renklidir. Karayolları Teknik Şartnamesi Aşınma-Tip-1 karışım yüzdeleri dikkate alınarak yapılan hesaplamaya göre, karışımdaki kaba agrega, ince agrega ve filler malzemesi oranları sırayla, %51,3, %41,9 ve %6,8 olarak bulunmuştur. Çalışma kapsamında asfalt çimentosu olarak, Tüpraş Rafinerisi'nden temin edilen AC 50-70 bitüm kullanılmıştır. Katkı malzemesi, Öztüre Holding A.Ş. Bartın Kireç Fabrikası'nda, S-KK 80-T koduyla üretilen ticari söndürülmüş toz kalsiyum kireçtir.
Sonraki aşamada, sönmüş kirecin etkisini incelemek üzere, karışımda kullanılan filler malzemesi miktarı çok düşük miktarlarda (ağırlıkça %0,5 hassasiyetle) azaltılarak, yerine aynı miktarlarda sönmüş kireç ilave edilmiştir. Böylelikle, Marshall yöntemine göre, farklı sönmüş kireç içeriğine sahip 15 adet dizayn seti elde edilmiştir. Her bir Marshall dizaynında 18 numune bulunduğu için toplamda ise 15x18=270 adet numune hazırlanmıştır. Bu numunelere ait karışım parametrelerinden pratik özgül ağırlık (Dp), Marshall stabilitesi (MS), akma (F), boşluk Oranı (Vh), asfaltla dolu boşluk oranı (VFA) ve agregalar arası boşluk yüzdesi (VMA) değerleri belirlenmek suretiyle, her bir Marshall dizaynının optimum bitüm miktarı tayin edilmiştir. Sönmüş kirecin, bitümlü sıcak karışımlarda kullanımının etkileri üzerine gerçekleştirilen bu çalışmanın, yüksek hassasiyetli olması, kullanılan sönmüş kirecin etki aralıklarının ve bunlar arasındaki geçişlerin net bir şekilde görülebilmesine imkân sağlamaktadır. 
Çalışmanın takip eden kısmında ise, yapılan numune üretimleri sonucunda elde edilen optimum bitüm muhtevalarına ait; pratik özgül ağırlık, agregalar arası boşluk, boşluk oranı, akma, stabilite ve asfaltla dolu boşluk değerlerinin doğruluğunu kontrol etmek için, bulunan optimum asfalt içerikleri kullanılarak, her dizayn için 3'er adet olmak üzere, 15x3=45 adet numune üretimi yeniden yapılmıştır. 
Üçüncü bölümde elde edilen bulgular değerlendirilmiştir. Bunun için Marshall dizaynına göre üretilmiş 270 adet numuneden elde edilen dizayn sonuçları ve bu numunelere ait optimum bitüm içeriklerine göre üretilen 45 adet numuneden elde edilen hesap sonuçları karşılaştırılarak, uyumlulukları araştırılmıştır.
Çalışma kapsamında elde edilen dizayn ve hesap sonuçları arasındaki ilişkiyi modellemek amacıyla bulanık mantık yönteminden yararlanılmış ve 270 adet numunenin üretildiği dizayn sonuçlarından yararlanılarak bir bulanık mantık modeli geliştirilmiştir. 
Bulanık mantık modeli sonuçları, optimum bitüm muhtevası ve ilgili %SK oranı kullanılarak elde edilen, hem deney hem de hesap sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Model sonuçları ile dizayn sonuçlarının kabul edilebilir bir uyumluluğa sahip olduğu, model sonuçları ile hesap sonuçları arasında ise hatanın büyüdüğü görülmüştür. 
Bu çalışmanın, belirlenen optimum bitüm muhtevalarındaki karışımlara, diğer performans deneylerinin de uygulanmasıyla ortaya çıkacak yeni çalışmalara ışık tutması açısından yarar sağlayacağı düşünülmektedir.
Anahtar Kelimeler: Bitümlü sıcak karışım, Marshall deney yöntemi, modifiye edici katkı, sönmüş kireç, bulanık mantık

Abstract:
Deterioration of highway pavements is one of the primary problems faced in highway construction and operation. Principal leading factor to this problem is increasing traffic volumes and axle loads. Because of this problem, which is generally not taken into account in the highway design phase, shortening in the service lives of the roads is experienced. This is undesirable for both users of and authorities responsible from the highways. Nowadays, many different methods are being attempted to overcome this problem. One of the methods proposed is modification of the bituminous mixtures. A variety of additives can be used for the modification process. 
Usage of hydrated lime as an additive in hot bituminous mixtures is one of the foregoing hot mixture modification methods. Up to now, numerous studies have been conducted to determine the positive and negative effects of hydrated lime on the mixture and the subject is still widely being studied. Effects of any additive on the mixture depend on not only the type but also the amount of the additive. 
In this study, usage of hydrated lime as an additive to bituminous hot mixtures used in highway pavements is investigated. The effects of the amount of hydrated lime additive are examined in a wide range with high sensitivity intervals. 
In the first part, a comprehensive literature review about the usage of hydrated lime to solve different problems with highway pavements, as well as its benefits, methods of addition and amount of usage of it is presented.  
In the second part, experimental materials are introduced and results of the material property determination tests are presented. Three primary materials used in this study are aggregates, binder and hydrated lime (as additive). Aggregate comes from the limestone quarries in Ömerli, İstanbul. The aggregate, which is obtained from İsfalt Inc. Ümraniye asphalt production plant, is mostly grey – dark grey colored.  Particle size distribution analysis of the aggregate is done according to the Highway Technical Specifications Wear – Type – 1 mixture percentages and it is found to be 51,3% coarse aggregate, 41,9% fine aggregate and 6,8% filler. Bitumen from Tüpraş refinery with production code AC 50-70 is used as asphalt cement. The additive (hydrated lime) is a commercial product of Öztüre holding Inc. Bartın lime factory, with production code S-KK 80-T. 
In the next stage, to assess the effect of the amount of hydrate lime addition on the mixture, the amount of filler is reduced 0,5% by 0,5% by weight, coupled with the addition of exactly the same amount of hydrated lime. Hence, 15 different Marshall Design sets, each having a different hydrated lime content, are obtained. There are 18 specimens per Marshall Design set, adding up to 15x18 = 270 specimens. Among the various mixture parameters of those specimens, bulk specific gravity (Dp), Marshall Stability (MS), flow (F), air voids (Vh), voids filled with asphalt (VFA) and voids in mineral aggregates (VMA) are determined to calculate the optimal bitumen amount for every different Marshall Design. Since hydrated lime is varied with high sensitivity intervals, this study enables the effect intervals of hydrated lime amount and transitions between them to be accurately observed. 
In the following phase of the study, to confirm the bulk specific gravity, Marshall Stability, flow, air voids, voids filled with asphalt and voids in mineral aggregates values corresponding to optimal bitumen amounts, 45 specimens, 3 for every different Marshall Designs, are produced, using the calculated optimal bitumen amount. 
In the third part, the results are evaluated. For this, design results from the 270 specimens of Marshall Design and computational results from the 45 specimens, produced with the calculated respective optimal bitumen amounts the original designs, are compared.  
To model the relation between the design results and the computational results, a fuzzy logic model is developed, using the design results of 270 specimens for calibration. Model outcomes are then compared with both design results and computational results, each of them being obtained by using optimal bitumen content with its respective hydrated lime amount. It is seen that, model outcomes are within a tolerable range of design results. However, the error with respect to computational results is gets larger.
It is thought that, this study will be beneficial, on the basis that it would shed light on future studies, which are likely to include further performance tests on the mixtures with optimal bitumen contents. 
Keywords: Bituminous hot mixture, Marshall test method, modifying additives, hydrated lime, Fuzzy logic