Doğal zeolit ve sentetik zeolitin ılık karışım asfalt katkısı olarak kullanımı
Evaluation of natural and synthetic zeolite as warm mix asphalt additive
Yazar: SELCEN TEMEL
Danışman: PROF. DR. MELEK TÜTER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Yolcu taşımacılığında %95, yük taşımacılığında ise %92 oranı ile ulaştırma sistemleri içerisinde en önemli yeri işgal eden ve ulaşım yatırımlarının büyük kısmını oluşturan karayollarının; trafik, çevre ve iklim koşullarına karşı uzun süre dayanabilmesi, emniyetli ve konforlu bir şekilde hizmet verebilmesi için karayolu üstyapılarının en üst kısmına belli özellikleri sağlayan kaplama tabakası kaplanır. Kaplama tabakası olarak ülkemizde Bitümlü Sıcak Karışım (BSK) veya Sathi Kaplamalar şeklinde inşa edilen asfalt kaplamalar kullanılır. 
Asfalt kaplamalarda bağlayıcı malzeme olarak bitüm kullanılır. Bitümlü bağlayıcılar normal hava koşullarında katı halde olduğundan hem agregalarla karıştırılarak asfalt betonu elde edilebilmesi, hem de agrega boşluklarına nüfuz edip agregaya yapışabilmesi için bitümlü bağlayıcının viskozitesi düşürülerek akışkan hale getirilmesi ve işlenebilirlik özelliğinin kazandırılması gerekir. BSK kaplamaların imalatlarında bu işlem, özel olarak kurulmuş asfalt plentlerinde bitümlü bağlayıcı yüksek sıcaklık derecelerine kadar ısıtılarak sağlanır. Küresel ısınmaya neden olan sera gazlarının oluşumda bitüm ve agreganın ısıtılması ve sıcak karışımın hazırlanması sırasında ortaya çıkan çeşitli emisyonların etkisi büyüktür. Bu çerçevede BSK üretimi ve uygulamasında enerji tasarrufu sağlanması ve çevreye yayılan emisyonların azalması amacıyla üretimin daha düşük sıcaklıklarda yapılabilmesi için yeni teknolojiler geliştirilmiştir. "Ilık Karışım Asfalt" olarak bilinen bu teknoloji; yoğun gradasyonlu asfalt, taş mastik asfalt, poroz asfalt ve mastik asfalt karışımları dahil tüm bitümlü karışımların hazırlanmasında kullanılır. Bu teknoloji ile plentte karıştırma sıcaklıkları 15-35°C daha azaltılarak 115-140°C arası sıcaklıklara düşürülebilmektedir.
İlk defa 2000'li yıllarda Avrupa'da geliştirilen daha sonra ise Amerika ve dünyanın diğer kesimlerinde uygulanan ılık karışım asfalt teknolojisi ülkemizde uygulanmamaktadır. Üretim maliyetlerinin azalması, teknolojik ve çevresel faydalar, istihdam ve katma değer sağlanması gibi yararları düşünüldüğünde ılık karışım asfalt önemli konulardan biridir. 
Bu çalışmada, ticari, doğal ve sentetik katkılar kullanılarak ılık karışım asfalt çalışmaları yapılmıştır. Böylece yerli kaynakların ve yerli üretim olması muhtemel kaynakların kullanımı araştırılmış, ılık karışım asfalt ile sağlanacak faydalar incelenmiştir. Bitüm içeriği ve agrega gradasyonu belirlendikten sonra, karışımın mekanik özelliklerini değerlendirmek amacıyla Marshall stabilite, indirekt çekme mukavemeti (İÇM), tekerlek izinde oturma ve yorulma dayanımı testleri yapılmıştır. Sentetik katkı zeolitik bazlı olup ticari katkılar baz alınarak sentezlenmiş ve geliştirilmiştir. Doğal katkı olduğu haliyle ve modifiye edilerek asfalt karışımlara katılmıştır. Ticari katkı olarak zeolitik bazlı Aspha-min katkısı kullanılmıştır. Ilık asfalt karışımların değerlendirmesini yapabilmek için aynı zamanda sıcak karışım asfalt ve katkısız ılık karışım asfalt hazırlanarak performansları incelenmiştir.

Asfalt karışımların performans değerlendirmelerinde en sık kullanılan analizler trafik yükleri altında performansın incelendiği tekerlek izinde oturma deneyi, suya hassassiyetin incelendiği indirekt çekme mukavemeti ve yorulma dayanımı testleridir. Tekerler izi deney sonuçlarına göre, katkısız sıcak, katkısız ılık karışımların ve Aspha-min ve sentezlenen zeolit katkısı ile hazırlanmıs ılık asfalt karışımların tekerlek izinde oturma yönünden aynı performansı gösterdiği, buna karşılık doğal zeolit ve organo-zeolit katkılı ılık karışımların performansında bir miktar düşüşün olduğu görülmüştür. İÇM değerleri katkısız sıcak ve katkısız ılık karışım İÇM değerlerinin sırasıyla %82,3 ve 11,2 olarak hesaplanmış, asfalt hazırlama esnasında sıcaklığı IKA katkısı katılmaksızın düşürmenin İÇM performansına negatif etkisi olduğu, tüm katkıların katılması ile İÇM değerlerinin yükseldiği görülmüştür. Katkılar ile hazırlanan ılık karışım asfaltların İÇM değerlerinin katkısız sıcak karışıma göre nispeten düşük çıkmıştır. Aspha-min ve sentezlenen IKA katkısının yorulma değerlerini iyileştirdiği, doğal zeolitin yorulma dayanımını düşürdüğü, organo-zeolitin ise etkisi olmadığı gözlenmiştir. Katkısız ılık karışım yorulma dayanımının katkılı ılık karışım yorulma dayanımlarına göre çok düşük olması, katkılar olmadan asfalt hazırlama ve sıkıştırmada sıcaklık düşmesi sağlanamayacağını göstermiştir.

Abstract:
Highway which have supreme importance among transportation systems, constitute 95% of passanger transportation and 92% of Cargo transportation. Asphalt surface course is made of some specialized pavements to increase the durability against traffic, environmental and climate conditions for safe and comfortable roads. Hot Mix Asphalt (HMA) and Surface Treatment (ST) are used in Turkey for asphalt pavement.
Bitumen is used as a binder in asphalt overlaying. Bitumenous binders are in solid form under normal weather conditions and its viscosity should be reduced for fluidizing and its workability should be increased to mix with agregates for producing asphalt concrete and to fill the aggregate voids for a good adhesion. This process is accomplished by heating the bitumenous binders to high temperatures in asphalt plants for hot mix asphalt concrete production. Greenhouse gas emmisions causing global warming are produced by heating the aggregates and bitumen to prepare HMA. In this circumstances, new technologies are developed to ensure energy saving and reduce the emmisions in HMA production and applications. A new technology called "Warm Mix Asphalt" can be used in all bitumenous mixtures including dense graded asphalt, stone mastic asphalt, porous asphalt and mastic asphalt. 
Warm mix asphalt (WMA) is an asphalt mixture which is mixed at temperatures lower than conventional hot mix asphalt. Typically, mixing temperatures of warm mix asphalt range from 115 to 140°C compared to mixing temperatures of 150 to 180°C for hot mix asphalt. Thus, warm mix asphalt has been gaining an increasing popularity in recent years. Rising energy prices, global warming and more stringent environmental regulations have resulted in an interest in warm mix asphalt technologies as a mean to decrease energy consumption and emissions associated with conventional hot mix asphalt production. Warm mix asphalt technology has also many advantages as compared to hot mix asphalt. It reduces emissions, provides better working conditions because of the absence of harmful gases and lower energy consumption in mix production. Since, the compaction and mixing temperature is lower by WMA technology, it provides quicker turnover to traffic, longer hauling distances and extended paving period. It also facilitate the usage of reclaimed asphalt pavement in higher amounts for construction. 
In principle, there are four major methods for the preparation of asphalt mixtures at lower temperatures. These methods are foaming by water injection, organic additives, chemical additives and water bearing inorganic additives. The foaming process by injection of water generally produces tiny steam bubbles in the asphalt binder, which causes a volume increase, leading to increased workability of the binder and lower high shear viscosities. Organic additives typically consist of paraffinic hydrocarbons are added to the binder and reduce its viscosity. The chemical additives usually include anti-stripping agents that are designed to enhance coating, adhesion and workability of asphalt mixture.  
The method with water bearing additives is based on the release of chemically bound water from the additives into the binder by means of mixing temperature. Release of this water leads to a finely dispersed steam when it comes in contact with the heated aggregate and binder. The fine steam bubbles lead to microbubbles that improve the compaction properties of the binders. Water bearing additives are generally natural or synthetic zeolites. 
In this study, commercial, natural and synthetic additives were used as warm mix asphalt additives. So that, the benefits of warm mix asphalt technology and potential usage of local products and domestically produced synthetic additives were investigated.  After determining the aggregate gradation and bitumen content, Marshall stability test, indirect tensile strenght, rutting performance, fatique resistance were conducted to evaluate the mechanical properties of asphalt mixtures. The zeolitic synthetic additive was developed on the basis of commercial products. Natural zeolite and organo-zeolite (modified natural zeolite) were evaluated also WMA additives. Aspha-min was used and tested as commercial product. At the same time hot mix asphalt (HMA) and pure (no additive added) warm mix asphalt were prepared to make an assessment of the performance of additive added asphalt mixtures. 
The rutting performance of asphalt mixtures were measured by the wheel-tracking test. This test measures the rut depth produced by the repeated rolling of a loaded wheel for 20,000 loading cycles. The results shows that, asphalt mixtures prepared by synthesized additive, commercial additive (Aspha-min) and hot mixture asphalt performed similar wheel tracking results where the synthesizde additive had the highest rut depth. The TSR (Tensile strength ratio) testing was used to evaluate the moisture susceptibility of asphalt mixture. The moisture susceptibility was evaluated by comparing the tensile strength of asphalt mixtures in the dry and wet condition. From the results, it was found that none of the WMA specimens made, passed the minimum TSR value required by the General Directorate of Highways Technical specifications (TSR=0.80). however, warm mix asphalt mixtures prepared by WMA additives showed higher TST value according to WMA without additive. This clearly showed the positive effect of additives on the production of warm mix asphalt. In addition, the domestic WMA sample (produced by syntthesized additive) exhibited higher TSR value compared to commercial product. Fatique behaviour of WMA by additives was higher than WMA without additives. When all results were evaluated, it was shown that that is impossible to produce asphalt mixtures at lower temperatures according to conventional mixture temperatures without adding of WMA additives.