Çöp atıklarından elde edilen geopolimerlerin sıcak karışım asfalt kaplamalarda kullanımının araştırılması
Investigation of the use of geopolymers obtained from garbage wastes in hot mix asphalt pavements
Yazar: CEREN BEYZA İNCE
Danışman: DOÇ. DR. TACETTİN GEÇKİL
İnönü Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Asfalt = Asphalt ; Atıklar = Wastes ; Bitümlü sıcak karışım = Bituminous hot mixture ; Geopolimerler = Geopolymers ; Katı atıklar = Solid wastes ; Kül = Ash ; Marshall stabilitesi = Marshall stability ; Modifikasyon = Modification ; Reoloji = Rheology ; Yorulma ömrü = Fatigue life

Özet:
Bu çalışmada, çöp atıklarından elde edilen küllerin bir katkı malzemesi olarak asfalt içerisinde geopolimer olarak kullanılmasının sıcak karışım asfaltların (HMA) performans özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla öncelikle, asfalt bağlayıcı içerisine ağırlıkça %1.25, %2.5, %5 ve %7.5 kül ve kül ağırlığının %45'i kadar sodyum silikat (AA) ilave edilerek geopolimer modifiyeli bağlayıcılar hazırlanmıştır. Saf ve modifiye bağlayıcıların karakteristik özellikleri yumuşama noktası, penetrasyon, düktilite, özgül ağırlık, parlama noktası, ince film etüvü (TFO), depolama stabilitesi, dönel viskozimetre (RV), dinamik kayma reometresi (DSR), kiriş eğme reometresi (BBR), lineer farklı genlik (LAS) ve çoklu gerilmeli sünme geri dönme (MSCR)  testleriyle belirlenmiştir. Bağlayıcıların mikroyapısal özellikleri ise taramalı elektron mikroskobu (SEM), X-ışını difraksiyonu (XRD), Fourier dönüşümlü kızılötesi (FT-IR) spektroskopisi ve elementel analiz testleriyle belirlenmiştir. Ardından, Marshall karışım tasarım yöntemi esas alınarak, saf ve geopolimer katkılı bağlayıcılar ile HMA numuneleri hazırlanmıştır. Bu numuneler Marshall stabilite ve akma, kalıcı Marshall stabilitesi (RMS), dolaylı çekme mukavemeti (ITS), Modifiye Lottman, dolaylı çekme rijitlik modülü (ITSM), dinamik ve statik sünme, dolaylı çekme yorulma testi gibi performans testlerine maruz bırakılmıştır. Bağlayıcı test sonuçlarına göre, geopolimer katkısıyla bağlayıcının sertliğinin arttığı ve penetrasyon sınıfının değiştiği, sıcaklık hassasiyetinin azaldığı ve yaşlanma direncinin arttığı tespit edilmiştir. Bununla birlikte, geopolimer katkısı ile bağlayıcıların hem yüksek hem de düşük sıcaklık dirençlerinin arttığı ve %2.5 geopolimer oranında bağlayıcı performans sınıfının PG 58-28'den PG 70-34 sınıfına dönüştüğü görülmüştür. Ayrıca, geopolimer katkısının asfalt ile kimyasal reaksiyona girerek homojen ve tek fazlı kararlı bir yapı oluşturduğu belirlenmiştir. Karışım test sonuçlarına göre, %2.5 geopolimer oranıyla edilen karışımların stabilite, nem direnci, kalıcı deformasyon direnci ve yorulma ömrünün önemli ölçüde arttığı görülmüştür. Sonuç olarak, çöp atıklarından elde edilen küllerin asfalt ve dolayısıyla HMA içerisinde geopolimer olarak karayolu mühendisliğinde uygulanabilirliği tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, the effect of using ashes obtained from garbage waste as a geopolymer in asphalt as an additive on the performance properties of hot mix asphalts (HMA) were investigated. For this purpose, firstly, geopolymer modified binders were prepared by adding 1.25%, 2.5%, 5% and 7.5% ash by weight and sodium silicate (AA) up to 45% by weight of ash into the asphalt binder. Characteristics of pure and modified binders were determined by softening point, penetration, ductility, specific gravity, flash point, thin film oven (TFO), storage stability, rotational viscometer (RV), dynamic shear rheometer (DSR), bending beam rheometer (BBR), linear amplitute sweep (LAS) and multiple stress creep rebound (MSCR) tests. The microstructural properties of the binders were determined by scanning electron microscopy (SEM), X-ray diffraction (XRD), Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopy and elemental analysis tests. Then, HMA samples were prepared with pure and geopolymer added binders based on Marshall mix design method. These samples were subjected to performance tests such as Marshall stability and flow, retained Marshall stability (RMS), indirect tensile strength (ITS), Modified Lottman, indirect tensile stiffness modulus (ITSM), dynamic and static creep, indirect tensile fatigue test. According to the binder test results, it was determined that the hardness of the binder increased and the penetration class changed, the temperature sensitivity decreased and the aging resistance increased with the geopolymer additive. In addition, it was observed that both high and low temperature resistances of the binders increased with the geopolymer additive and the binder performance grade changed from PG 58-28 to PG 70-34 class at the rate of 2.5% geopolymer. In addition, it was determined that the geopolymer additive a homogeneous and single-phase stable structure by chemically reacting with the asphalt. According to the mixture test results, it were observed that the stability, moisture resistance, permanent deformation resistance and fatigue life of the mixtures produced with the 2.5% geopolymer ratio increased significantly. As a result, the applicability of the ashes obtained from the garbage wastes as a geopolymer in asphalt and therefore HMA in highway engineering has been determined.