Bitümlü sıcak karışımlarda grafen nanoplatelet katkı maddesi performansının incelenmesi
Investigation of graphene additive performance in hot mix asphalts
Yazar: SUNA IŞIK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH İRFAN BAŞ
Erzincan Binali Yıldırım Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Ulaşım = Transportation ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Yol inşaatı = Road construction

Özet:
Karayolu üstyapılarında en yaygın kullanılan kaplama türü, birçok avantajından dolayı 
bağlayıcı malzeme olarak bitümün kullanıldığı esnek kaplamadır. Güvenli, konforlu, ekonomik 
ve sürdürülebilir yollar için bitümlü sıcak karışım (BSK) kaplamalar sıklıkla tercih 
edilmektedir. Ancak trafik, iklim ve çevre etkilerinden dolayı BSK kaplamalarda farklı 
bozulmalar meydana gelmektedir. Bu bozulmalara karşı kaplamaların daha dayanıklı hale 
getirilebilmesi amacıyla bitüm farklı katkı maddeleri ile modifiye edilmektedir. Bu çalışmada 
sağlamlığı, esnekliği ve ekonomik olması nedeniyle katkı maddesi olarak Grafen nanoplatelet 
(GNP) kullanılmıştır. Taguchi yöntemi ile belirlenen deney planına göre %0;0,35;0,70;1 GNP 
oranları; 145, 160, 175, 190°C karıştırma sıcaklıkları; 15,30,45,60 dakika karıştırma süreleri; 
1000, 2000, 3000, 4000 rpm karıştırma hızları olmak üzere dört parametre ve dörder seviye 
kullanılarak 16 farklı karışım hazırlanmıştır. Bu karışımlara penetrasyon, yumuşama noktası, 
parlama noktası, elastik geri dönme, dönel ince film ısıtma kaybı (RTFOT), Fourier dönüşümü 
kızılötesi spektroskopisi (FT-IR) ve Marshall tasarım deneyleri yapılarak belirlenen parametre 
ve seviyelerin bitüm üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Çalışma sonucunda, GNP katkı maddesi 
saf bitümün penetrasyonunu ve RTFOT kütle kaybını azaltmış; yumuşuma noktasını, parlama 
noktasını, elastik geri dönme yüzdesini ve Marshall stabilitesini artırmıştır. Kullanılan 70/100 
penetrasyonlu bitüm ile seçilen parametre ve seviyelerde yapılan çoklu yanıt performans 
indeksi (MRPI) optimizasyonu sonuçlarına göre optimum seviyeler %0,70 GNP oranı, 145°C 
karıştırma sıcaklığı, 15 dakika karıştırma süresi ve 2000 rpm karıştırma hızı olarak 
bulunmuştur. GNP, optimum karıştırma sıcaklığını 145°C'ye düşürerek enerji tasarrufu ve 
çevresel avantajlar sağlamıştır. Ayrıca bitümün sıcaklık hassasiyetini azaltarak yüksek 
sıcaklıklarda kalıcı deformasyon direncini, düşük sıcaklıklarda ise çatlama ve kırılma direncini 
artırmıştır.

Abstract:
The most widely used type of pavement is flexible pavement, in which bitumen is used as a 
binding material due to its many advantages. Hot mix asphalt pavements (HMA) are often 
preferred for the safety, comfort, economy and sustainable roads expected from transportation. 
However, different deteriorations occur in HMA pavements due to traffic, climate, and 
environmental effects. Bitumen is modified with different additives to make the pavements 
more resistant to these deteriorations. In this study, graphene nanoplatelet (GNP) was used as 
an additive material due to its strength, flexibility, and cost-effectiveness. According to the 
experimental plan determined by the Taguchi method, 0; 0.35; 0.70; 1% GNP rates; 145, 160, 
175, 190°C mixing temperatures; 15, 30, 45, 60 minutes mixing times; 1000, 2000, 3000, 4000 
rpm mixing speeds, 16 different mixtures were prepared using four parameters and four levels 
each. Penetration, softening point, flash point, elastic recovery, rotational thin film heating loss 
(RTFOT), Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), and Marshall design experiments 
were conducted on these mixtures, and the effects of the determined parameters and levels on 
bitumen were investigated. As a result of the study, the GNP additive reduced the penetration 
and RTFOT mass loss of pure bitumen; it increased the softening point, flash point, elastic 
recovery, and Marshall stability. According to the results of multiple response performance 
index (MRPI) optimizations performed at the selected parameters and levels with the 70/100 
penetration bitumen used, the optimum levels were found to be 0.70% GNP rate, 145°C mixing 
temperature, 15 minutes mixing time, and 2000 rpm mixing speed. GNP provided energysaving and environmental advantages by reducing the optimum mixing temperature to 145°C. 
It also increased the permanent deformation resistance at high temperatures and cracking and 
fracture resistance at low temperatures by reducing the temperature sensitivity of bitumen.