Polimer modifiye bitüm özelliklerinin nanomalzemeler kullanılarak iyileştirilmesi
Improvement of polymer modified bitumen properties by using nanomaterials
Yazar: DİLAY UNCU
Danışman: PROF. DR. ALİ TOPAL
Dokuz Eylül Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Bitümlü sıcak karışımlarda zaman içinde trafik, iklim ve çevre koşulları etkisi ile kalıcı deformasyonlar, yorulma çatlakları, düşük sıcaklık çatlakları ve su etkisiyle soyulma gibi birçok bozulma meydana gelmektedir. Bu bozulmalara karşı en sık başvurulan yöntem bitümlü bağlayıcıların katkılar ile modifiye edilmesidir. Günümüze kadar en çok kullanılan katkı türü de polimerler olmuştur. Fakat polimer katkılar ile yapılan modifiye bitümlerin özellikleri incelendiğinde, özellikle depolama stabilitesi değerleri bakımından olumsuz sonuçlar elde edildiği görülmüş ve bu durum bitüm ile polimer arasındaki yoğunluk farkından kaynaklanan uyumsuzluk ile ilişkilendirilmiştir. Bu yoğunluk farkını giderebilmek için çözüm, son yıllarda nanoteknolojinin gelişmesi ile birlikte nanomalzemelerin bitümlü bağlayıcıların modifiye edilmesinde kullanılabilirliğinde aranmaya başlanmıştır. Böylece polimer modifiye bitümlerde nanomalzemelerin kullanımı gündeme gelmiştir.
Yapılan doktora tezi kapsamında, ekonomik ve ülkemiz özkaynaklarından elde edilebilir olmasından dolayı iki farklı kil esaslı nanomalzemenin (halloysit ve sepiyolit) polimer (SBS) modifiye bitüm üzerindeki etkileri araştırılmış ve bitümlü bağlayıcıların performanslarının iyileştirilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca modifiye işleminde iki farklı üretim yöntemi (fiziksel karıştırma ve eriyik harmanlama) kullanılmıştır. Elde edilen modifiye bitümlerden ince kesit örnekleri alınarak fluoresan mikroskobunda görüntüleri incelenmiş ve birbiri ile karşılaştırılmıştır. Eriyik harmanlama yöntemiyle üretilen kil içerikli kompozit malzemeler de taramalı elektron mikroskobu (SEM) altında incelenmiştir. Saf ve modifiye bitüm örnekleri üzerinde penetrasyon, yumuşama noktası, dönel viskozite, depolama stabilitesi, dönel ince film halinde ısıtma etüvü, dinamik kesme reometresi deneyleri gerçekleştirilmiştir. Yaşlandırılmamış (orijinal) ve kısa dönem yaşlandırılmış modifiye bitüm numunelerinin Superpave Şartnamesine göre yüksek sıcaklık performans sınıfları, beş farklı sıcaklık değerinde, yavaş ve hızlı yükleme koşullarını temsil eden düşük ve yüksek frekanslardaki reolojik davranışları tespit edilmiştir. Ayrıca tekerlek izine karşı oluşan dayanımları sıfır kesme viskozitesi ve çoklu gerilme sünme toparlanma deneyleri uygulanarak incelenmiştir.
Bitümün modifiye edilmesinde polimer katkıya ilave olarak kil esaslı nanomalzemelerin kullanılması ve bu kil minerallerinin ülkemiz kaynaklarından elde edilmesi çalışmayı önemli kılmaktadır. Çalışmadan elde edilen bulguların; farklı karıştırma parametreleri ve katkı oranları ile üretilen modifiye bitümlerin fiziksel ve reolojik özellikleri üzerindeki etkisinin belirlenmesinde yararlı olacağı düşünülmektedir. Uygulanan geleneksel bitüm deneyleri ve reolojik deneyler sonucunda nanokil ilavesinin fiziksel ve reolojik özellikleri olumlu yönde geliştirdiği ve polimer bitüm arasındaki faz uyumsuzluğunu azaltarak, olumlu yönde etkilediği görülmüştür.

Abstract:
Many deformations such as permanent deformation, fatigue cracking, low temperature cracking and moisture damage with the effect of traffic, climate and environmental conditions occur in time on pavement surface. Most frequently used method against these deformations is to modify the bitumen with additives. Nowadays, most commonly used additives are polymers. However, when the properties of polymer modified bitumens are examined, it is found that negative results are obtained especially in terms of storage stability values, which is related to the incompatibility due to the density difference between bitumen and polymer. In order to overcome the density difference, a new technology has been developed in recent years involving the utilization of nanomaterials within polymer modified bitumen. Thus, the use of different types of nanomaterials in polymer modified bitumen become a current issue.
In the scope of the doctorate dissertation , the effects on polymer (SBS) modified bitumen of two different clay based nanomaterials (halloysite and sepiolite) were investigated aiming to improve the performance of polymer modified bitumen. Furthermore, two different mixing procedure (physical mixing and melt blending) were used for modification process. Thin section samples were taken from the obtained modified bitumen and their images were examined under a fluorescent microscope and compared with each other. The clay containing composite materials produced by melt blending were also investigated under scanning electron microscopy (SEM). Penetration, softening point, rotational viscosity, storage stability, rotating thin film heating oven, dynamic shear rheometer experiments were performed on base and modified bitumen. The high performance grades, the rheological behaviors at five different temperature values, and low and high frequency levels simulating slow and fast loading conditions, the basic properties ofunaged and short term aged samples based on Superpave specifications were determined. The resistance against the rutting was also investigated by performing zero shear viscosity and multiple stress creep recovery experiments.
The utalization of clay based nanomaterials that are obtained from our country resources in polymer modified bitumen increase the importance of the study. Findings from the study are thought to be useful for determining the effect on the physical and rheological properties of the modified bitumen produced with different mixing parameters and additive rates. As a result of the conventional bitumen experiments and rheological experiments, it has been found that nanoclay addition improves the physical and rheological properties some more and affects positively by reducing phase incompatibility between the polymer and bitumen.unaged and short term aged samples based on Superpave specifications were determined. The resistance against the rutting was also investigated by performing zero shear viscosity and multiple stress creep recovery experiments.
The utalization of clay based nanomaterials that are obtained from our country resources in polymer modified bitumen increase the importance of the study. Findings from the study are thought to be useful for determining the effect on the physical and rheological properties of the modified bitumen produced with different mixing parameters and additive rates. As a result of the conventional bitumen experiments and rheological experiments, it has been found that nanoclay addition improves the physical and rheological properties some more and affects positively by reducing phase incompatibility between the polymer and bitumen.