Farklı plastik atıkların pirolizinden elde edilen ürünlerin bitümlü ılık karışımların performans özelliklerine etkisi
The effect of products obtained from pyrolysis of different plastic wastes on the performance properties of warm mix asphalts
Yazar: HÜSEYİN KÖSE
Danışman: PROF. DR. OSMAN NURİ ÇELİK
Konya Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Ulaşım = Transportation ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Asfalt karışımları = Asphalt mixture ; Atıklar = Wastes ; Bitüm = Bitumen ; Piroliz = Pyrolysis ; Polietilen tereftalat = Polyethylene terephthalate ; Polipropilen = Polypropylene ; Polistiren = Polystyrene

Özet:
Ilık karışım asfalt (IKA), geleneksel bitümlü sıcak karışımdan (BSK) daha düşük sıcaklıklarda serim-sıkıştırma işlemine imkan veren bir karışım türüdür. Bu çalışmada, atık plastiklerin pirolizinden elde edilen ürünlerin ılık karışım asfalt (IKA) performansı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Atık plastiklerden polipropilen (PP) ve polistiren (PS) tek başına, yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) ve polietilen tereftalat (PET) ise birlikte (Ağırlıkça YYPE %67, PET ise %33 oranında) piroliz edilmiştir. Piroliz işlemleri sonucu elde edilen katı (K) ve sıvı (S) ürünler ile bitüm modifiye edilerek, ürünlerin bitüm ve bitümlü karışım üzerindeki etkileri incelenmiştir. Çalışmada ayrıca ticari IKA katkısı olarak Sasobit® kullanılmıştır. Saf (B50/70) ve modifiye bitümlere penetrasyon, yumuşama noktası, rotasyonel viskozimetre, kısa-uzun dönem yaşlandırma testleri ile Dinamik Kesme Reometresi (DSR) ve Kiriş Eğme Reometresi (BBR) gibi reolojik testler yapılmıştır. Bunların dışında, katkı-bitüm etkileşimi Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM), Fourier Dönüşümlü Kızılötesi Spektroskopisi (FTIR), Diferansiyel Taramalı Kalorimetre (DSC) ve Zeta Potansiyel analizi testleriyle incelenmiştir. BSK (referans karışım) ve IKA'ların optimum bitüm oranları, yoğunluk-boşluk ve stabilite-akma analizleri Marshall tasarımı ile belirlenmiştir. Tekerlek izi deneyi ile karışımların yüksek sıcaklık performansı değerlendirilmiştir. Termal Gerilme Kısıtlı Numune Testi (TSRST) ile karışımların soğuk hava çatlaklarına karşı direnci test edilmiştir. Deney sonuçlarına göre, saf bitüme PP %6K-%6S, YYPE-PET %6K-%6S, PS %6K-%6S ve Sasobit® %3 ilavesi ile bitümlü karışımın karıştırma-sıkıştırma sıcaklığı sırasıyla 14ºC, 10ºC, 15ºC ve 9ºC azalmıştır. Bu koşullarda hazırlanan bitümlü karışımlardan IKA-1 (PP) ve IKA-4 (Sasobit®)'in yüksek sıcaklık performansının, BSK'dan daha iyi olduğu, IKA-2 (YYPE-PET)'in performansının BSK'ya hemen hemen eşit olduğu, IKA-3 (PS)'nin performansının ise BSK'ya oldukça yakın olduğu Marshall tasarımı ve tekerlek izi test sonuçlarından anlaşılmıştır. Marshall tasarımından ayrıca, IKA'ların optimum bitüm oranlarının BSK'dan daha düşük veya BSK'ya çok yakın (IKA-3 'teki gibi) olduğu görülmüştür. Piroliz katkılı IKA'ların tamamının soğuk hava performansının BSK'dan daha iyi olduğu, IKA-4'ün ise BSK'ya yakın performans sergilediği TSRST ile ortaya çıkmıştır. Katkı maddelerinin; bitüm içerisinde uniform dağıldığı, topaklanıp çökelmediği, bitümün içinde 80-140ºC aralığında eriyerek viskozite azaltmaya sebep olduğu ve katkı-bitüm modifikasyon mekanizmasının daha çok fiziksel yönde olduğu sırasıyla SEM, Zeta Potansiyel, DSC ve FTIR analizleri ile anlaşılmıştır.

Abstract:
Warm mix asphalt (WMA) is a new technology that can be mixed and compacted at lower temperatures than hot mix asphalt (HMA). In this study, the effect of the products obtained from the pyrolysis of waste plastics on the performance of WMA was investigated. Among the waste plastics, polypropylene (PP) and polystyrene (PS) were pyrolyzed individually, while high density polyethylene (HDPE) and polyethylene terephthalate (PET) were pyrolyzed together (67% for HDPE and 33% for PET). Both solid (K) and liquid (S) products obtained from pyrolysis were modified with bitumen, and the effects of the products on the bitumen and the bituminous mixture were investigated. Sasobit® was also used as a commercial WMA additive in this study. Penetration, softening point, rotational viscometer, short and long term aging tests and rheological tests such as Dynamic Shear Rheometer (DSR) and Bending Beam Rheometer (BBR) were performed on base (B50/70) and modified bitumen. Besides, the additive-bitumen interaction was investigated by Scanning Electron Microscopy (SEM) analysis, Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) analysis, Differential Scanning Calorimetry (DSC) analysis and Zeta Potential analysis. Design binder content, density-void and stability-flow analyzes of HMA (reference mixture) and WMA mixtures were determined by Marshall design. The high temperature performance of the mixtures was evaluated by the rutting test. Low temperature cracking resistance of the mixtures was tested with the Thermal Stress Restrained Specimen Test (TSRST). Test results show that, the mixing-compaction temperature of the bituminous mixture decreased by 14ºC, 10ºC, 15ºC and 9ºC, respectively, with the addition of PP 6K-6S%, HDPE-PET 6K-6S%, PS 6K-6S% and Sasobit® 3% to the base bitumen. Marshall design and rutting test results show that the high temperature performance of WMA-1 (PP) and WMA-4 (Sasobit®) is higher than HMA, the performance of WMA-2 (YYPE-PET) is almost comparable to HMA and the performance of WMA-3 (PS) is quite close to HMA. Also from the Marshall design, it was observed that the design binder contents of WMA mixtures are lower than or very close to HMA (as in WMA-3). TSRST revealed that the low temperature performance of all WMA mixtures with pyrolysis additives is better than HMA, and that WMA-4 performs close to HMA. It was understood by SEM, Zeta Potential, DSC and FTIR analyzes that the additives are uniformly dispersed and suspended in the bitumen, melt in the bitumen at the range of 80-140ºC and cause viscosity reduction and that the additive-bitumen modification mechanism is physical.