Atık lastik katkılı silindirle sıkıştırılmış beton (SSB) yolların performansının araştırılması
Investigation of the performance of roller compacted concrete (RCC) pavements containing waste rubber
Yazar: ÖMER FARUK KELEŞ
Danışman: DOÇ. DR. OSMAN ÜNSAL BAYRAK
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bu çalışmada, sürdürülebilir silindirle sıkıştırılmış beton (SSB) yol üretebilmek amacıyla, çevreyi kirleten ve her yıl yeterince bertaraf edilemeyen farklı boyutlarda atık lastiklerin kaba ve ince agrega yerine kullanılarak atık lastiğin SSB yolların mekanik, durabilite ve termal özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiştir.
Yöntem: Parçalanmış, kırıntı ve toz olmak üzere üç farklı boyuta sahip atık lastikler SSB karışımlarda maksimum %30 olacak şekilde altı düzeyde (%2.5, %5, %7.5, %10, %20 ve %30) agrega yerine hacimce ikame edilmiştir. Atık lastiklerin bileşimi ile elde edilen SSB yol karışımların mekanik özelliklerini incelemek amacıyla basınç, eğilme ve yarmada çekme dayanımları ile birlikte UPV, birim ağırlık ve elastisite modülleri belirlenmiş ve sonuçlar birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Atık lastik katkılı SSB yol karışımlarının durabilite özelliklerini belirlemek amacıyla ise numuneler yüksek sıcaklık, donma-çözünme ile birlikte asit ve sülfat etkisine maruz bırakılmıştır. Ayrıca çalışmada atık lastik katkılı SSB'nin fiziksel yapısını ve bunun beton özellikleri üzerindeki etkisini incelemek için mikroyapı analizi taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak ele alınmıştır. Bununla birlikte, dış ortam sıcaklık verileri kullanılarak, 3B yazılım paketi ANSYS programı ile modellemeler sonlu elemanlar analiziyle yapılmıştır. Yapılan bu modellemeler ile atık lastiklerin SSB yollarda sıcaklık değişiminden kaynaklı oluşan gerilmeler üzerine etkileri incelenmiştir.
Bulgular: Atık lastik içeriğinin artmasıyla SSB karışımların dayanımlarında düşüşler elde edilmiştir. %30 atık lastik katkılı SSB numunelerde, atık lastik içermeyen kontrol numuneleriyle kıyaslandığında basınç, eğilme ve yarmada çekme dayanımlarında sırasıyla %81, %60 ve %74 dayanım kaybı meydana gelmiştir. Dayanımlarda düşüşe sebep olmasına rağmen atık lastiğin %20 oranında kullanımıyla 4,96 MPa eğilme dayanımına sahip karışım elde edilerek kaplamalarda kullanımları mümkün kılınmıştır. %30 atık lastik katkılı karışımlarda yüksek sıcaklık sonrası basınç, yarmada çekme ve eğilme dayanımlarında %62, %71 ve %97 oranlarında kayıp gerçekleşmiştir. %30 atık lastik katkılı karışımlarda 300 döngülük donma-çözünme sonrası basınç dayanımlarında %21 oranında kayıp gerçekleşmiştir. 180 gün asit etkisi sonrası %30 atık lastik katkılı numunelerde basınç dayanım kaybı %55 oranında olurken, 180 gün sülfat etkisi sonrası %30 atık lastik katkılı numunelerde basınç dayanım kaybı %18 oranında gerçekleşmiştir. Kaba ve ince agreganın kısmen atık lastiklerle değiştirmesiyle birlikte elastisite modülünde yaklaşık olarak %90 gibi önemli bir gerileme belirlenmiştir.
Sonuçlar: Atık lastiğin agrega yerine SSB'de kullanılması karışımların mekanik ve durabilite özelliklerinde olumsuz etkiye sebep olmuştur. Atık lastik miktarının artması karışım için daha fazla su ihtiyacının ortaya çıkmasına yol açmış ve düşük özgül ağırlığa ve boşluklu yapıya sahip olması nedeniyle %15 daha hafif karışım elde edilmesi sağlamıştır. Termal açıdan değerlendirildiğinde sonlu elemanlar analiz sonuçları, atık lastik içeriğinin artmasıyla yol tabakasında sıcaklık farklarından dolayı meydana gelen gerilmelerin azaldığı belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Silindirle sıkıştırılmış beton, atık lastik, mekanik özellikler, durabilite özellikleri, termal analiz, sonlu elemanlar yöntemi.

Abstract:
In this study, in order to produce sustainable roller compacted concrete (RCC) pavements, waste rubber tyres of different sizes, which pollute the environment and cannot be disposed of sufficiently every year, were used as coarse and fine aggregate substitutes to investigate the effects of waste rubber on the mechanical, durability and thermal properties of RCC pavements.
Method: Waste rubber in three different sizes (shredded, crumb and powder) was replaced by aggregate at six levels (2.5%, 5%, 7.5%, 10%, 20% and 30%) with a maximum of 30% in SSB mixtures. The compressive, flexural and splitting tensile strengths as well as UPV, unit weight and modulus of elasticity were determined and compared with each other in order to investigate the mechanical properties of the SSB pavement mixtures with waste rubber composition. In order to determine the durability properties of SSB pavement mixtures containing waste rubber, the specimens were subjected to elevated temperature, freeze thaw, acid and sulphate effects. In addition, microstructural analysis was performed using scanning electron microscopy (SEM) to investigate the physical structure of SSB with waste rubber and its effect on concrete properties. In addition, using outdoor temperature data, modeling was performed by finite element analysis using the 3D software package ANSYS. With these models, the effects of waste rubber tires on the stresses caused by temperature changes in SSB pavements were investigated.
Findings: In SSB specimens with 30% waste rubber content, 81%, 60% and 74% strength loss occurred in compressive, flexural and splitting tensile strengths, respectively, when compared to control specimens without waste rubber. Although it caused a decrease in strength, a mixture with a flexural strength of 4,96 MPa was obtained with the use of 20% waste rubber, making it possible to use them in pavements. In mixtures with 30% waste rubber content, 62%, 71% and 97% loss occurred in compressive, splitting tensile and flexural strengths after elevated temperature. In mixtures containing 30% waste rubber, a 21% loss in compressive strength occurred after 300 cycles of freeze thawing. After 180 days of acid effect, compressive strength loss was 55% in 30% waste tire-containing specimens, while compressive strength loss was 18% in 30% waste tire-containing specimens after 180 days of sulfate effect. With the partial replacement of coarse and fine aggregate with waste tires, a significant decrease of approximately 90% in the modulus of elasticity was determined.
Results: The use of waste rubber in SSB instead of aggregate had a negative effect on the mechanical and durability properties of the mixtures. The increase in the amount of waste rubber resulted in the need for more water for the mixture and resulted in a 15% lighter mixture due to its low specific gravity and hollow structure. From a thermal point of view, the finite element analysis results show that the stresses in the pavement layer due to temperature differences decrease with increasing waste rubber content.

Keywords: Roller compacted concrete, waste rubber, mechanical properties, durability properties, thermal analysis, finite element method