Öğütülmüş araç lastiği modifiyeli ılık karışım asfaltların çevresel etkiler altında uzun dönem performansının araştırılması
The investigation of long-term performance of crumb rubber modified warm mix asphalt under environmental effects
Yazar: MUSTAFA AKPOLAT
Danışman: PROF. DR. BAHA VURAL KÖK
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Ulaştırma Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Ulaşım = Transportation

Özet:
Bitümlü karışımların daha uzun süre hizmet verebilmesi için katkı kullanımı kaçınılmaz bir durum haline gelmiştir. Katkı olarak çoğunlukla polimer tipi katkılar kullanılmaktadır. Bu katkıların ek maliyetler getirmesi, enerji verimliliğinin olmaması ve yüksek emisyon değerlerine sahip olması, her yıl daha da fazla artarak açığa çıkan atık araç lastiklerinin de katkı olarak kullanımını pek çok ülkede gündeme getirmiştir. Ancak bu katkılar performansı artırırken ve polimer modifikasyonuna göre ekonomi sağlarken karışımın işlenebilirliğini olumsuz yönde etkilemekte ve bağlayıcıların viskozitesini arttırmaktadır. Karışımların işlenebilirlik özelliklerini iyileştirmek ve bağlayıcı viskozitesini azaltmak amacıyla ılık karışım katkıları da son zamanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak bu katkıların kullanıldığı bağlayıcı ve karışımların uzun dönemde yaşlanmaya karşı performansı konusunda çok detaylı çalışmalar bulunmamaktadır. Yaşlanma kaplama ömrünü belirleyen önemli bir parametredir. Laboratuvarda bitüm yaşlanmasını temsil etmek için dönel ince film halinde ısıtma (RTFOT) ve basınçlı yaşlandırma kabı (PAV) başta olmak üzere çeşitli test yöntemleri kullanılmaktadır. Karışımların laboratuvarda yaşlandırma yöntemi olarak kabul gören standart AASHTO R30 yöntemi ise birçok araştırmacı tarafından sorgulanmaktadır. Bu yüzden birçok araştırmacı karışımların arazi yaşlanmasını tespit etmek amacıyla farklı yaşlandırma metotları uygulamışlardır. Ancak uygulanan yaşlandırma yöntemleri, kullanılan katkılar, çevresel şartlar ve karışım tasarımı bakımından değişiklikler göstermektedir.
     Bu çalışmada 4 bağlayıcı 3 karışım deneyi olarak toplam 7 farklı deney yöntemi ele alınmıştır. 3 farklı modifikasyonun (%10 Öğütülmüş araç lastiği (CR), %10 CR+%3 Sasobit ve %10 CR+%0.7 Evotherm) bağlayıcı ve bitümlü karışım içindeki etkileri laboratuvarda (60 °C'de 1, 2, 3 ve 4 hafta) ve çevresel koşullar altında (arazide) (2'şer aylık periyotlarla 12 ay boyunca) farklı yaşlandırma süreleri dikkate alınarak araştırılmıştır. Bağlayıcı deneylerinde, yaşlanma periyotlarına maruz bırakılan bitümlü karışımlardan ekstrasyon ve distilasyon yöntemi ile elde edilen bağlayıcılar kullanılmıştır. Bağlayıcı deneyi olarak Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), dinamik kayma reometresi (DSR), dönel viskozimetre (RV) ve yumuşama noktası deneyleri uygulanmıştır. İndirekt çekme yorulma, indirek çekme rijitlik modülü (ITSM) ve indirek çekme mukavemeti (ITS) karışım deneyleri saf ve modifiye bağlayıcılarla hazırlanmış laboratuvarda ve arazide yaşlandırılmış Marshall numuneleri üzerine uygulanmıştır.
     Gerek bağlayıcı gerekse karışım deneylerinin yaşlanmayı belirlemedeki hassasiyetini, ayrıca CR modifikasyonunun ve CR modifikasyonu ile ılık asfalt katkılarının birlikte kullanımının etkinliğini değerlendirmek amacıyla her deneyden elde edilen yaşlanma indekslerinin değişimi incelenmiştir.
     Bitümlü karışımların yaşlanma derecelerinde meydana gelecek küçük bir değişikliğin yorulma deneyindeki makisimum yük tekrar sayılarının önemli derecede farklılaşmasına neden olduğu ve yorulma deneyinin saf ve katkılı karışımlarda, yaşlanmaya karşı en hassas deney yöntemi olduğu tespit edilmiştir. Yorulma deneyinden sonra yaşlanmanın değerlendirilmesine karşı hassasiyet bakımından sırasıyla DSR, ITSM, RV, ITS, FTIR ve yumuşama noktası deneyleri gelmektedir. 
     Laboratuvar ve arazi yaşlandırması sonrası elde edilen bağlayıcılara yapılan deneyler sonucunda %10 CR + %3 Sasobit modifiyeli bağlayıcı bütün bağlayıcı deneylerinde en az, %10 CR modifiyeli bağlayıcı ise en fazla yaşlanan bağlayıcılar olmuştur. 
     %10 CR + % 0.7 Evotherm bağlayıcısı yine bu yaşlandırma yöntemlerine göre saf bağlayıcıdan daha az yaşlanmıştır. Bu yaşlandırma yöntemlerine göre CR'nin tek başına kullanılması yaşlanma bakımından olumsuz etkiye sahipken ılık asfalt katkıları ile birlikte kullanılması yaşlanma direncini önemli derecede arttırmaktadır. Standart kısa dönem yaşlandırma yönteminin CR modifiyeli karışımların yaşlandırılmasında uygun bir yöntem olmadığı tespit edilmiştir. Bağlayıcı ve karışım deneyleri bakımından gerek CR modifikasyonu gerekse CR+ılık karışım asfalt katkısı modifikasyonu saf bağlayıcı ve karışımlardan önemli derecede üstün performans göstermiştir.

Abstract:
Use of additives has become indispensable for bituminous mixtures to serve for a longer time. Mostly, polymer-type additives are used as additives. These additives' additional expenses, lack of energy efficiency and higher emission rates have raised the topic of using waste vehicle tires, which emerges at an increasing rate each year, as additives in many countries. However, while these additives improve performance and they provide more economic benefits in polymer modification, they affect the workability of the mixture negatively and decrease the binder viscosity. Recently, warm mixture additives have been widely used to improve the workability properties of the mixtures and to improve the binder viscosity as well. Nevertheless, not many comprehensive studies were conducted regarding the performance of binders and mixtures with these additives against long-term aging. Aging is a significant parameter that determines the service lives of pavements. In laboratories, various tests, mainly rolling thin film oven test (RTFOT) and pressure aging vessel (PAV), are used to represent the bitumen's aging. The standards of AASHTO R30 method, which is regarded as the method to age mixtures in laboratories, are questioned by researchers. Thus, many researchers used various aging methods to determine the field aging of mixtures. However, the aging methods vary in terms of the additive used, environmental conditions and mixture design.
     In this study, a total of 7 test methods, 4 binder and 3 mixture tests, were evaluated. The effects of 3 different modification (%10 Crumb rubber (CR), %10 CR+%3 Sasobit and %10 CR+%0.7 Evotherm) on binders and bituminous mixtures were investigated by considering various aging periods both in laboratory (at 60 °C for 1, 2, 3, and 4 weeks) and in the field (for 12 months with 2-month intervals). In the binder tests, binders obtained from the aged bituminous mixtures by using extraction and distillation method were used. As the binder tests, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), dynamic shear rheometer (DSR), rotational viscometer (RV) and softening point tests were conducted. Indirect tensile fatigue, indirect tensile strength modulus (ITSM) and indirect tensile strength (ITS) mixture tests were conducted on laboratory and field-aged Marshall specimens, which were prepared with pure and modified binders. 
     The variances in aging indexes from each test were investigated in order to evaluate the sensitivity of both binder and mixture tests in predicting aging as well as the efficiencies of CR modification and using warm asphalt additives with CR modification.
     It was determined that a minor change in the aging rate of bituminous mixtures could cause significant changes in the number of repetitive loads in the fatigue test, and fatigue test was determined to be the most sensitive test for aging in pure and modified mixtures. In terms of the sensitivity in evaluating aging, DSR, ITSM, RV, ITS, FTIR and softening point test follow the fatigue test, respectively.
     As a result of the tests conducted on the bitumen obtained from laboratory and field aging, it was determined that 10% CR + 3% Sasobit modified binder was aged the least compared to all other binders while 10% CR modified binder was aged the most. Also with these aging  
methods, 10% CR + 0.7% Evotherm modified binder was aged less than the pure binder was. According to these aging methods, sole use of CR had negative effects in terms of aging while its use with warm-mix asphalt additives substantially increased aging resistance. It was also determined that standard short-term aging method was not a suitable method for the aging of CR modified mixtures. In terms of binder and mixture tests, both CR modification and CR + warm-mix asphalt additives modification demonstrated significantly superior performances compared to pure binder and mixtures.