DÜNYADA VE ÜLKEMĠZDE MĠKRO YÜZEY UYGULAMALARININ ĠNCELENMESĠ. YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Abdullah ÇABUK. Anabilim Dalı : ĠnĢaat Mühendisliği

Transkript

1 ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ DÜNYADA VE ÜLKEMĠZDE MĠKRO YÜZEY UYGULAMALARININ ĠNCELENMESĠ YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Abdullah ÇABUK Anabilim Dalı : ĠnĢaat Mühendisliği Programı : UlaĢtırma Mühendisliği EKĠM 2010

2

3 ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ DÜNYADA VE ÜLKEMĠZDE MĠKRO YÜZEY UYGULAMALARININ ĠNCELENMESĠ YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Abdullah ÇABUK ( ) Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 13 Eylül 2010 Tezin Savunulduğu Tarih : 08 Ekim 2010 Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 06 ġubat 2008 Tez DanıĢmanı : Doç. Dr. Murat ERGÜN (ĠTÜ) Tezin Savunulduğu Diğer Jüri Tarih Üyeleri : 27 : ġubat Yrd Doç. Dr. ġükriye ĠYĠNAM (ĠTÜ) Yrd. Doç. Dr. Mustafa GÜRSOY (YTÜ) ( ) EKĠM 2010

4

5 ÖNSÖZ ÇalıĢmamda bana sürekli destek olup, bilgi ve tecrübesi ile beni yönlendiren danıģmanım Doç. Dr. Murat ERGÜN e teģekkür ederim. Tez çalıģması sırasında geçirdiğim uykusuz gecelerin ardından beni tahammülle dinleyen, destekleyen ve her konuda yardımcı olmaya çalıģan sevgili eģim Merve ile biricik kızım Asude Nur a sevgilerimi iletirim. EYLÜL 2010 Abdullah ÇABUK iii

6 iv

7 ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa ÖNSÖZ iii ĠÇĠNDEKĠLER v KISALTMALAR xi ÇĠZELGE LĠSTESĠ xiii ġekġl LĠSTESĠ xv ÖZET xviivii SUMMARY xix 1. GĠRĠġ 1 2. BĠTÜM Bitümün ĠĢlenebilirliği Bitümlü Bağlayıcılara Uygulanan Deneyler Penetrasyon deneyi (TS 118 EN 1426) Düktilite deneyi (TS EN 13589) YumuĢama noktası deneyi (TS 120 EN 1427) Bitümlü maddelerin organik çözücülerdeki çözünürlük deneyi 9 (TS 1090 EN 12592) Viskozite deneyi (TS EN 12595) Parlama noktası deneyi (TS 123 EN 22592) Ġnce film halinde ısıtma kaybı deneyi (TS EN ) Özgül ağırlık deneyi (TS EN 15326) Bitümlü Emülsiyonlar Emülgatör Emülsiyon türleri Anyonik emülsiyonlar Katyonik emülsiyonlar Diğer emülsiyonlar Bitüm emülsiyonlarının üretimi Bitüm emülsiyonunun özellikleri Emülsiyonun stabilitesi Emülsiyonun yapıģkanlığı Emülsiyonun viskozitesi Bitümlü emülsiyonlara yapılan deneyler Saybolt Furol viskozite deneyi (TS 117) Destilasyon kalıntısı deneyi (TS 132) Çimento ile karıģma deneyi (TS 132) Çökelme deneyi (TS 132) Elek deneyi (TS 132) Örtme kabiliyeti ve suya karģı direnç deneyi (TS 132) Partikül yük deneyi (TS 132) Emülsiyonların teknik Ģartnamesi BĠTÜMLÜ SICAK KARIġIMLAR Asfalt KarıĢım Tipleri 27 v

8 Bitümlü sıcak karıģım (BSK) Ilık karıģım Soğuk karıģım Köpük karıģım (Foam Asfalt) Bitümlü Sıcak KarıĢım Tipleri Asfalt betonu TaĢ mastik asfalt (SMA-Stone Mastik Asphalt) karıģımı Geçirimli (Poroz) asfalt karıģımı Mastik asfalt karıģımı Kum asfalt karıģımı Bitümlü Sıcak KarıĢımların Mekanik Özellikleri Stabilite Dayanıklık (Durabilite) Esneklik Yorulma dayanımı Kayma dayanımı Geçirgenlik (Permeabilite) ĠĢlenebilirlik KarıĢım Tasarımın Amacı KarıĢım Tasarım Deneylerinin Uygulanması Ön etüd aģaması tasarım deneyleri ĠĢyeri karıģım kontrolü Rutin yapım kontrolü Bitümlü Sıcak KarıĢım Tasarım Yöntemleri Hubberd Field yöntemi Hveem yöntemi SUPERPAVE yöntemi Marshall yöntemi Bitümlü Sıcak KarıĢımların Yola Serilmesi Serim öncesi iģlemler Ġnce reglaj Süpürme Astar tabakası YapıĢtırma tabakası Bitümlü sıcak karıģımların serilmesi FiniĢer Bitümlü sıcak karıģımların sıkıģtırılması Ġlk silindiraj Ara silindiraj Son silindiraj Bitümlü Sıcak KarıĢımlar Yönünden Agrega Agregalara uygulanan deneyler Elek analizi (AASHTO T-11, T-27; ASTM C-136; TS 3530 EN 933-1/A1) AĢınma (Los Angeles) deneyi (ASTM C ; AASTHO T-96; TS EN ) 47 vi

9 Agregaların hava etkilerine karģı dayanıklılık (Donma) deneyi (ASTM C 88, AASHTO T-104; TS EN , TS EN ) Cilalanma deneyi (BS-812) Su etkilerine karģı dayanıklılık (Soyulma) deneyi (Nicholson Yöntemi) Yassılık indeksi deneyi (BS 812; TS 9582 EN 933-3) Özgül ağırlık ve su emme (Absorbsiyon) deneyi (ASTM C , TS EN ) Birim hacim ağırlık deneyi (TS EN ) SATHĠ KAPLAMALAR Sathi Kaplama Tipleri Tek katlı sathi kaplama Çok katlı sathi kaplama Kum örtme tabakası Sathi Kaplamaların Fonksiyonları Sathi Kaplama Performansını Etkileyen Faktörler Trafik Mevcut yol yüzeyi Agreganın büyüklüğü ve tipi Bitümlü bağlayıcı Bitümlü bağlayıcının yayılma oranı Çevresel etkiler Sathi Kaplamada Kullanılan Malzemeler Bitüm Agrega Sathi Kaplamada Kullanılan Ekipmanlar Distribütör Agrega sericileri Temizleme ekipmanı Silindirler Sathi Kaplama Tasarımı Tek tabaka sathi kaplama Çok tabakalı sathi kaplamalar Yapım Yöntemi ĠĢlemlerin sırası Proje etüdü Mevcut yüzeyin hazırlanması Hava koģulları Bitüm püskürtme Enine derzler Boyuna derzler Agrega serilmesi Silindiraj Fazla agrega Kum Yalıtımı KARARTMA ÖRTÜSÜ (FOG SEAL) Karartma Örtüsünün Fonksiyonu Karartma Örtüsü Proje Seçimi 76 vii

10 YaĢlanmıĢ veya hasar görmüģ yüzeyler Yüzey koruması Karartma örtüsünün performası-faydaları ve sınırları Karartma Örtüsünde Kullanılan Malzemeler Karartma Örtüsü Yapımı Saha koģulları Yüzey hazırlanması Malzemelerin hazırlanıģı Uygulama oranları ve püskürtme Uygulama oranının tahmini BĠTÜMLÜ HARÇ TĠPĠ KAPLAMA (SLURRY SEAL) Tarihçe Genel Tanım Amaç Kullanılan Malzemeler ve Özellikleri Bitüm emülsiyonu Agrega Agrega karakteristikleri Agrega gradasyonu Çimento ve katkı maddeleri KarıĢım Tasarımı Ön inceleme ĠĢ yeri karıģım formülü KarıĢım oranları AĢınma direnci (Islak tekerlek aģınma kaybı deneyi) Üst bağlayıcı sınırı Optimum bağlayıcı Son deney Proje Seçimi Bozukluklar ve uygulama koģulları Bitümlü harç tipi kaplamanın hizmet ömrü Yapım Süreci Güvenlik ve trafik kontrolü Ekipman gereksinimleri Stok/depo alanı gereksinimi Yüzey hazırlama Uygulama Ģartları Kalite konuları Boyuna ek yerleri Enine ek yerleri Düzensiz karıģım ve segregasyon Yüzey düzgünlüğü problemleri Erken trafiğe açılma problemi Yapım sonrası Ģartlar Son iģlemler Silindiraj Süpürme 111 viii

11 Kumlama MĠKRO-KAPLAMA (MICRO-SURFACING) Kullanılan Malzemeler ve Özellikleri Bitüm emülsiyonu Agrega Mineral filler Su Katkı maddeleri Laboratuar Değerlendirmesi KarıĢım tasarımı Uygulama oranı Ekipmanlar KarıĢtırma ekipmanları Orantılama cihazları Ekipmanların dağıtılması Ġkincil çıkarıcı Tekerlek izi doldurma kutusu Kalibrasyon Hava KoĢulları Yüzey Hazırlama YapıĢtırma katmanı Çatlaklar Uygulama Ek yerleri KarıĢım stabilitesi El iģçiliği ÖRNEK UYGULAMALAR Sathi Kaplama Yolun reglajı Zeminin nemlendirilmesi Plent-miks serimi Plent-miks üzerinin nemlendirilmesi Astar uygulaması (MC-30) Bitüm uygulaması (Pen. 160/220) Agrega uygulaması Mikro-Kaplama Uygulaması Yoldaki bozuklukların tesbiti ve onarımı Çift kompanantlı yol çizgilerinin kazılması Yol yüzeyinin süpürülmesi Mikro-kaplama uygulaması Dünyadaki uygulamalar Fiyat Analizi Örnek uygulama SONUÇ VE ÖNERĠLER 143 KAYNAKLAR 145 BĠYOGRAFĠ 147 ix

12 x

13 KISALTMALAR AASHTO AEMA ASTM BHK BSK HMA ISSA ĠBB KGM LWT Pen. TB YOGT : American Association of State Highway and Transportation Officials (Amerikan Devlet Karayolları ve UlaĢım Yetkili Makamları Birliği) :Asphalt Emulsion Manufacturers Association (Asfalt Emülsiyonu Üreticileri Birliği) : American Society for Testing and Materials (Amerikan Test ve Malzeme Kurumu) : Bitümlü Harç Tipi Kaplama : Bitümlü Sıcak KarıĢım : Hot Mix Asphalt (Bitümlü Sıcak KarıĢım) : International Slurry Surfacing Association (Uluslar arası Bitümlü Harç Kaplama Birliği) :Ġstanbul BüyükĢehir Belediyesi : Karayolları Genel Müdürlüğü : Load Wheel Test (Yüklü Tekerlek Deneyi) : Penetrasyon : Technical Bulletins (Teknik Bülten) :Yıllık Ortalama Günlük Trafik xi

14 xii

15 ÇĠZELGE LĠSTESĠ Sayfa Çizelge 2.1 : TÜPRAġ rafinerilerinde bitüm üretimi 4 Çizelge 2.2 : Yol inģaatında kullanılan bitüm miktarı 4 Çizelge 2.3 : Yol endüstrisinde tüketilen bitüm ve emülsiyon miktarları 6 Çizelge 2.4 : KGM bitüm teknik Ģartnamesi 7 Çizelge 2.5 : Kesilme hızlarına göre bitüm emülsiyonları 13 Çizelge 2.6 : Bitüm ve emülgatör sıcaklıkları 15 Çizelge 2.7 : Anyonik ve katyonik emülsiyonların farklı agrega türleri ile 19 verdiği kesilme ve adezyon sonuçları Çizelge 2.8 : Yol üstyapılarında kullanılan katyonik bitüm emülsiyonlarının 24 özellikleri Çizelge 2.9 : Yol üstyapılarında kullanılan anyonik bitüm emülsiyonlarının 25 özellikleri Çizelge 3.1 : Hveem izafi stabilite değerleri 36 Çizelge 3.2 : Marshall tasarım kriterleri 39 Çizelge 3.3 : AĢınma deneyi numune sınıfları ve aģındırma yükleri 48 Çizelge 3.4 : Donma deneyi tane boyutları ve ağırlıkları 50 Çizelge 3.5 : Yassılık indeksi tayini için alınacak min. numune miktarı 52 Çizelge 4.1 : Tek tabaka sathi kaplamalar için agrega ve bitüm miktarı 65 Çizelge 4.2 : Kaplanacak yüzey koģullarına göre düzeltmeler 66 Çizelge 4.3 : Çift tabaka sathi kaplamalar için agrega ve bitüm miktarı 67 Çizelge 4.4 : Bitüm püskürtme için önerilen sıcaklıklar 70 Çizelge 5.1 : AEMA nın tavsiye ettiği uygulama oranları 83 Çizelge 6.1 : Emülsiyon-agrega uyumu 89 Çizelge 6.2 : Bitümlü harç tipi kaplamada kullanılan emülsiyon Ģartnamesi 90 Çizelge 6.3 : Bitümlü harç tipi kaplama için agrega gradasyonu 91 Çizelge 6.4 : Bitümlü harç tipi kaplamada kullanılan agreganın özellikleri 92 Çizelge 6.5 : Bitümlü harç malzemesi için Ģartnameler 95 Çizelge 6.6 : Uygulama kriterleri 98 Çizelge 7.1 : CSS-1h emülsiyonu için deney koģulu 114 Çizelge 7.2 : CSS-1h emülsiyonuna yapılan deneyler 114 Çizelge 7.3 : Agreganın sahip olması gereken Ģartlar 115 Çizelge 7.4 : Agrega gradasyonu 115 Çizelge 7.5 : Agrega ve filler malzemesi için yapılan deneyler 116 Çizelge 7.6 : Mikro-kaplama karıģım tasarımı için Ģartnameler 118 Çizelge 7.7 : Mikro-kaplama malzeme bileģen oranları 118 Çizelge 7.8 : Mikro-kaplama uygulama oranları 119 Çizelge 7.9 : Tekerlek izi derinliğine göre uygulama oranları 119 Çizelge 8.1 : BSK uygulamasını oluģturan kalemler ve maliyetleri 139 xiii

16 Çizelge 8.2 : Mikro-kaplama maliyetleri 140 Çizelge 8.3 : Mikro-kaplama uygulamasının maliyetleri 140 Çizelge 8.4 : Tek katlı mikro-kaplama uygulamasının brim analizi 141 Çizelge 8.5 : Çift katlı mikro-kaplama uygulamasının brim analizi 142 xiv

17 ġekġl LĠSTESĠ ġekil 2.1 : Penetrasyon deney aleti 8 ġekil 2.2 : Düktilite deney aleti 8 ġekil 2.3 : YumuĢama noktası deney aleti 9 ġekil 2.4 : Parlama noktası deney aleti 10 ġekil 2.5 : Ġnce film halinde ısıtma deney aleti 11 ġekil 2.6 : Özgül ağırlık deney aleti 11 ġekil 2.7 : Katyonik emülgatör iyonları ile bitüm zerresi 12 ġekil 2.8 : Anyonik emülsiyon 14 ġekil 2.9 : Katyonik emülsiyon 14 ġekil 2.10 : Kolloid değirmenin diyagramı 15 ġekil 2.11 : Emülsiyonun çökelme iģlemi 16 ġekil 2.12 : Emülsiyonun pıhtılaģması 17 ġekil 2.13 : Stabil sistemde misel Ģeklindeki emülgatör iyonları 18 ġekil 2.14 : Kesilme durumunun baģlaması 18 ġekil 3.1 : Marshall stabilite deney aleti 38 ġekil 3.2 : Marshall tasarım grafikleri 40 ġekil 3.3 : BSK ın serilmesi ve sıkıģtırılması 45 ġekil 3.4 : Elek analizi 47 ġekil 3.5 : Los Angeles aģınma makinesi 48 ġekil 3.6 : Yassılık indeksi elekleri 53 ġekil 5.1 : Karartma örtüsünün uygulama Ģematiği 76 ġekil 5.2 : Karartma örtüsü uygulaması 78 ġekil 5.3 : Uygun yüzey, aģırı yaģlanmıģ yoğun gradasyonlu BSK 78 ġekil 5.4 : Uygun olmayan yüzey, yüzey boģluksuz yoğun 78 gradasyonlu BSK ġekil 5.5 : Uygun yüzey, açık gradasyonlu BSK 79 ġekil 5.6 : Sathi kaplamaya karartma örtüsü uygulanmadan 79 öncesi ve sonrası. ġekil 5.7 : Seyreltim oranına göre viskozite değiģimi 82 ġekil 5.8 : Emülsiyonun su ile uyumluluk deneyi 82 xv Sayfa ġekil 6.1 : Bitümlü harç tipi makinesi Ģematiği 86 ġekil 6.2 : Lateks/bitüm kür tabakasının mikrografiği 89 ġekil 6.3 : Agrega gradsyonlarının Ģematik gösterimi 91 ġekil 6.4 : KarıĢım kıvamı 94 ġekil 6.5 : Islak tekerlek aģınma kaybı deneyi 95 ġekil 6.6 : Yüklü tekerlek deneyi ve deney numuneleri 96 ġekil 6.7 : Optimum bağlayıcı miktarının belirlenmesi 97 ġekil 6.8 : Zaman süreci içindeki kaplama performansı 100

18 ġekil 6.9 : Bitümlü harç tipi kaplama makinesi 101 ġekil 6.10 : Bitümlü harç malzemesi serim ünitesi (helezonlu) 102 ġekil 6.11 : Stok alanı 102 ġekil 6.12 : Yüzey hazırlama metotları 104 ġekil 6.13 : Sıcaklığın kesilme oranına etkisi 105 ġekil 6.14 : Boyuna ek yerleri 106 ġekil 6.15 : Enine ek yerleri 107 ġekil 6.16 : Düzensiz karıģım 107 ġekil 6.17 : Ondülasyon problemi 108 ġekil 6.18 : Kaplamanın erken trafiğe açılması 109 ġekil 6.19 : Yağmurdan dolayı bozulma 109 ġekil 6.20 : Silindiraj iģlemi 110 ġekil 6.21 : Vakumlu süpürge 111 ġekil 6.22 : Dört yol ağzında kumlama iģlemi 111 ġekil 8.1 : Yolun reglajı 126 ġekil 8.2 : Zeminin nemlendirilmesi 127 ġekil 8.3 : Plent-miks serimi 127 ġekil 8.4 : Plent-miks zemininin nemlendirilmesi 128 ġekil 8.5 : Astar uygulaması 128 ġekil 8.6 : Bitüm uygulaması 129 ġekil 8.7 : Agrega uygulaması 130 ġekil 8.8 : Silindiraj 130 ġekil 8.9 : Sathi kaplama yapılmıģ yol 131 ġekil 8.10 : Kaplama yapılacak yoldaki çatlaklar 132 ġekil 8.11 : Çatlakların tamiri 133 ġekil 8.12 : Çift kompanatlı boyaların kazılması 134 ġekil 8.13 : Mikro-yüzey uygulamasının kaplamadan sökülmesi 134 ġekil 8.14 : Mikro-yüzey uygulamasına baģlama anı 135 ġekil 8.15 : Mikro-yüzey uygulaması 136 ġekil 8.16 : Mikro-yüzeyin kürünü alması 136 ġekil 8.17 : Mikro-yüzeyin kürünü alması 137 ġekil 8.18 : Ġmalatı tamamlanmıģ mikro-yüzey kaplaması 137 ġekil 8.19 : Dünyadaki mikro-yüzey uygulamaları 138 xvi

19 DÜNYADA VE ÜLKEMĠZDE MĠKRO YÜZEY UYGULAMALARININ ĠNCELENMESĠ ÖZET Bu tez çalıģmasında, mikro-yüzey uygulamalarının dünyadaki ve ülkemizdeki yeri incelenmiģtir. Mikro-yüzey uygulamalarının temelini oluģturan bitümlü bağlayıcılar ve bitümlü emülsiyonlar hakkında temel bilgiler, deney yöntemleri ve gerekli Ģartnameler verilmiģtir. Bu tezde, dünyada ve ülkemizde en sık kaplama çeģidi olarak kullanılan bitümlü sıcak karıģımlardan bahsedilmiģtir. Bitümlü sıcak karıģım tipleri, mekanik özellikleri, karıģım tasarımı ve tasarım yöntemleri incelenmiģtir. Bitümlü sıcak karıģımlara göre daha ekonomik ve imalatı kolay olan sathi kaplamalar ve sathi kaplama tasarımları anlatılmıģtır. Bitümlü sıcak karıģımlara genellikle bakım yöntemi olarak uygulanan karartma örtüsü, bitümlü harç tipi kaplama ve mikro-kaplama yöntemleri incelenmiģtir. Bu bakım yöntemlerinin amaçlarından, kullanılan malzemelerden, tasarımlarından ve uygulama oranlarından detaylı bir Ģekilde bahsedilmiģtir. Bu yöntemlerin, dünyada ve ülkemizde uygulanan örnekleri incelenmiģ ve bu uygulamaların bitümlü sıcak karıģımlarına göre maliyet analizleri yapılmıģtır. Maliyet analizleri yapılırken Ġ.B.B. nin brim fiyatlarından faydalanılmıģtır. Son olarak bu uygulamaların sonuçları ve bunlara ait yorumlar anlatılmıģtır. xvii

20 xviii

21 ANALYSING OF APPLICATION OF MICRO-SURFACING IN THE WORLD AND OUR COUNTRY SUMMARY In this thesis study, applications of micro-surfacing in the world and our country are analysed. It is given abaout basic informations, test methods and requirement specifications of asphalt binder and asphalt emulsion that fundamentals of microsurfacing applications. In this thesis, hot mix asphalt as most frequent used pavement kind is reported. Kinds, mechanic features, mix dizayn and project methods of hot mix asphalt are analysed. Chip sealing and chip seal project more economic and easy applicate than hot mix asphalt is reported. Fog seal, slurry seal and micro-surfacing applicate hot mix asphalt as maintenance methods are analysed. Targets, used materials, projection and application rates of these maintenance methods are explained in detail. Sample constructions in the world and our country of these methods are analysed and cost analysing of methods are calculated according to hot mix asphalt. When cost analysing is calculated, unit cost of methods of the I.B.B. is used. At last, consequence and comments of all applications are given. xix

22

23 1. GĠRĠġ ġehirlerin geliģmesi, yolların hızla artmasını ve kullanımını yaygınlaģtırmıģtır. En iyi yol yüzeyleri bile zaman, hava Ģartları ve trafiğin neden olduğu aģınmaya ve yıpranmaya maruz kalarak yıpranma ve bozulma eğilimi göstermektedir. Yol yapımı pahallı bir iģtir ve yola yapılan yatırımı korumanın tek çaresi uygun yöntemlerle zamanında yapılacak olan bakım yöntemleridir. Yol yüzeyinde oluģan çukurlara ya da meydana gelen deformasyonlara birkaç kürek sıcak karıģım atıp sıkıģtırmak tam anlamıyla bir bakım sayılmamaktadır. Bakımdan beklenen sonucun elde edilmesi için, bozulmaya doğru teģhisin konulması gerekmektedir. Yapılan bakımın fayda sağlaması için, zamanında ve doğru malzeme ile yapılması Ģarttır. Ülkemizde, yola yapılan periyodik bakımlar genellikle KGM ve belediyeler tarafından 4-5 cm Bitümlü Sıcak KarıĢım (BSK) ilavesi ile yapılmaktadır. Bu yöntem ekonomik olmadığı gibi; bordür yüksekliğinin azalması, rogar kapaklarının düģük kalması, kavģaklarda kot farklılıklarının oluģması gibi teknik problemleri de beraberinde getirmektedir. Dünyada, bitüm emülsiyonu teknolojisinde meydana gelen geliģmeler sayesinde; oksidasyona uğramıģ, soyulmuģ ve yüzey yalıtımını sağlanması istenen kaplamalara çok ucuz bir bakım yöntemi olan sadece su ve bitüm emülsiyonu ile uygulanan karartma örtüsü, ve daha uzun ömürlü bir bakım yöntemi olan 4-15 mm arasında serilebilen ve yaklaģık yarım saat içinde trafiğe açılabilen bir harç tipi kaplama uygulamalarını getirmiģtir. Bu yollardan stabilize olanlarda ise, motorlu taģıtların hareketinden dolayı yol yüzeyinin olumsuz yönde etkilememesi için bitümlü sıcak kaplamalara göre yapım maliyeti daha düģük olan sathi kaplama uygulaması yapılmaktadır. Araçların fren emniyeti açısından da önemli olan sathi kaplama, bitümlü sıcak kaplamalarda da kullanılabilmekte ve sızdırmaz bir tabaka oluģturarak kaplamanın altına su giriģini engellemektedir. Böylece, kaplamanın uzun ömürlü olmasını da sağlamaktadır. 1

24 2

25 2. BĠTÜM Bitüm, ham petrolden elde edilen bir üründür. Ham petrolün genelde deniz canlıları ve bitkisel madde kalıntılarının okyanus tabanındaki çamur ve kaya parçalarıyla karıģmasından kaynaklandığı kabul edilmektedir. Milyonlarca yıl boyunca bu organik maddeler ve çamur, yüzlerce metre kalınlığında katmanlar halinde birikmiģ ve üzerlerindeki katmanların muazzam ağırlığıyla alt katmanlar tortul kayalar haline gelmiģtir. Organizma ve bitkisel maddelerin ham petrolün hidrokarbonları haline dönüģmesinin nedeni yerkabuğundan gelen sıcaklık, üst tortul tabakalarının yaptığı basınç, bakteriyel oluģum ve radyoaktif etkilerin bir sonucu olduğu düģünülmektedir. Petrolün oluģtuğu tortullar, tortul kayalar üzerinde birikirken ilave basınçların etkisiyle sıkıģtırılan petrol, bu gözenekli kayaların içerisinden yana ve üste ilerleyerek gözenekli kayaların yeryüzüne doğru uzandığı kısımlarda petrol dıģarıya sızarak yeryüzüne çıkmıģtır. Petrol ve gazın büyük bir çoğunluğu gaz ve petrol rezervleri oluģturacak Ģekilde geçirgen olmayan baģka bir kaya altında kalan gözenekli kayalar içerisinde hapsolmuģtur. Petrol, sismik yöntemler kullanılarak yeri belirlenene ve etrafındaki geçirgen olmayan kayalar delinerek çıkartılıncaya kadar bu rezervlerde saklı kalmıģtır. Dünyada 1500 civarında, birbirinden farklı ham petrol elde edilmektedir. Çıkartılan ürünün kalite ve verimi göz önüne alındığında bunların yalnızca birkaç tanesi bitüm üretimi için uygun özelliklere sahiptir [1]. Asfalt endüstrisinde kullanılan bitüm, Türkiye Petrol Rafinerileri A.ġ. (TÜPRAġ) a ait 4 ayrı rafineride üretilmektedir. Asfalt kaplamalarda kullanılmak üzere farklı penetrasyon değerlerinde bitüm üreten TÜPRAġ, üretimde talepleri dikkate almaktadır. TÜPRAġ rafinerilerinde son 4 yılda üretilen toplam bitüm miktarı Çizelge 2.1 de ve yol inģaatında tüketilen bitüm miktarı ise Çizelge 2.2 de verilmiģtir. 3

26 Çizelge 2.1 : TÜPRAġ rafinerilerinde bitüm üretimi. Yıl Kırıkkale Ġzmir Ġzmit Batman Toplam (x 1000 ton) ,8 249,7 533,1 231, ,3 242,5 535,2 241, ,0 296,3 632,7 306, ,9 351,6 899,0 365, %10 u yerli ham petrol olmak üzere ortalama yılda 20 milyon ton civarında ham petrol iģleyen TÜPRAġ rafinerileri, özellikle bitüm üretimine yönelik olarak tasarlanmıģ rafineriler değildir. Bitüm talebinin yoğun olduğu yaz aylarında bitüm üretimini artırmak amacıyla, ham petrol ithalatında Ortadoğu menģeli ağır ham petrolleri tercih etmektedir. Genelde TÜPRAġ tarafından üretilen bitüm ihtiyacı karģıladığından bitüm ithalatı yapılmamaktadır [2]. Çizelge 2.2 : Yol inģaatında kullanılan bitüm miktarı. Yıl Üretim Yol inģaatında kullanılan miktarı Diğer (x 1000 ton) Bitümün ĠĢlenebilirliği Bitüm, yol kaplamalarında çeģitli Ģekillerde kullanılmaktadır. Normal sıcaklıkta iģlenemeyecek derecede viskoz bir yapıya sahip olun bitüm, iģlenebilir hale üç farklı yolla getirilebilmektedir. Isıtarak, Petrol destilatları ile eriterek, ve Su ile emülsiyon haline getirerek bitümü iģlenebilir hale getirmek mümkündür. 4

27 Birinci alternatif olarak görülen sıcak karıģım, büyük ve orta çaplı iģlerde ısıtma, stoklama, hazırlama ve serme ekipmanları olduğu takdirde kullanımı mümkündür. Küçük iģlerde ve ekipmanın yetersiz olduğu durumlarda uygun bir yol değildir. Bitümü iģlenebilir hale getirmenin ikinci yolu ise petrol destilatları ile seyreltmekle mümkün olmaktadır. Bunlara katbek asfaltlar da denmektedir. Katbeklerin karıģımındaki destilatlar sonuçta havaya uçarak (gaz, benzin gibi destilatlar), bitümün özelliğini etkilememekle birlikte; pahallı, çevreyi kirletici ve yanma tehlikesi gibi olumsuzluklara sahiptirler [3,4]. Bitümü iģlenebilir hale getirmenin son yolu ise su ile karıģtırarak emülsiyon haline getirmektir. Emülsiyon, ısıtmasız, soğuk ve hatta rutubetiyle kullanma Ģeklidir. Fransa da 2007 yılında 3,5 milyon tona yakın bitüm kullanılmıģ olup bunun 970 bin tonu emülsiyon olarak tüketilmiģtir. Ülkemizde ise bitüm tüketimi 2007 yılında 1,88 milyon tonu bulmuģtur. Bu miktarın 42 bin tonu emülsiyon olarak kullanılmıģtır. Çizelge 2.3 de Avrupa ülkelerinin 2006 ve 2007 yılı için kullanılan bitüm ve emülsiyon miktarları gösterilmiģtir. Türkiye 2007 yılı sonu ile bitüm tüketiminde Avrupa da 4. ülke olmasına karģın emülsiyon tüketimi için orta sıralarda yer almaktadır. Bitüm emülsiyonunun belli baģlı kullanım yerleri: Sathi kaplama, Bitümlü Harç Tipi Kaplama, Karartma Örtüsü, Yama ve tamir iģleri, Bitümlü stabilizasyon, Astar tabakası, YapıĢtırma tabakası, Sıcak KarıĢım Kaplama, ve Penetrasyon Makadamdır. 5

28 Çizelge 2.3 : Yol endüstrisinde tüketilen bitüm ve emülsiyon miktarları. ÜLKE Bitüm (x milyon ton) Emülsiyon (x milyon ton) Almanya 2,41 2,15 Avusturya 0,55 0,50 0,025 Belçika 0,22 0,20 Çek Cumhuriyeti 0,45 0,47 0,040 Danimarka 0,17 0,17 0,020 Estonya 0,08 0,09 0,030 Finlandiya 0,29 0,30 0,010 Fransa 3 3,52 0,970 Hırvatistan 0,20 0,012 Hollanda 0,37 0,35 Ġngiltere 1,50 1,48 0,130 Ġrlanda 0,27 0,26 0,020 Ġspanya 1,60 2,15 0,112 Ġsveç 0,50 0,50 0,050 Ġsviçre 0,27 0,26 Ġtalya 1,90 1,70 0,085 Ġzlanda 0,03 0,03 Letonya 0,70 0,600 Lüksemburg 0,04 0,04 Macaristan 0,23 0,20 Norveç 0,29 0,003 Polonya 1,45 0,078 Portekiz 0,46 0,46 0,035 Romanya 0,17 0,18 0,090 Slovakya 0,12 Slovenya 0,10 0,10 0,003 Türkiye 1,56 1,88 0,042 Yunanistan 0,40 0,40 0,015 6

29 2.2. Bitümlü Bağlayıcılara Uygulanan Deneyler Bitümlü bağlayıcılara uygulanan deneyler, bağlayıcının teknik Ģartnamelerde istenilen kurallara uygun olup olmadığını belirlenmesi için yapılmaktadır. Türkiye de kullanılan ve yollar teknik Ģartnamesinde verilen bitüm Ģartnamesi Çizelge 2.4 de gösterilmiģtir. Çizelge 2.4 : KGM bitüm teknik Ģartnamesi [5]. DENEY ADI DENEY STANDARDI BĠTÜM SINIFLARI 40/60 50/70 70/ / /220 PENETRASYON, (25 o C), 0,1 mm TS 118 EN YUMUġAMA NOKTASI, o C TS 120 EN FRASS KIRILMA NOKTASI, o C mak. TS EN ĠNCE FĠLM HALĠNDE ISITMA DENEYĠ (163 o C de, 5 saat) TS EN KÜTLE DEĞĠġĠMĠ, % mak. 0,5 0,5 0,8 0,8 1,0 KALICI PENETRASYON min. TS 118 EN YUMUġAMA NOKTASI, o C min YUMUġAMA NOKTASI YÜKSELMESĠ, o C mak. TS 120 EN PARLAMA NOKTASI, o C min. TS 123 EN ÇÖZÜNÜRLÜK, % min. TS 1090 EN ,0 99,0 99,0 99,0 99, Penetrasyon deneyi (TS 118 EN 1426) Bitümlü bağlayıcının kıvamlılığı penetrasyon deneyi ile tayin edilmektedir. Penetrasyon; standart bir iğnenin belirli bir yük altında, belirli bir süre içinde, belli sıcaklıktaki bağlayıcıya dikey doğrultuda batma uzunluğu olarak belirtilmektedir. Penetrasyon birimi 0,01 cm olup penetrasyon cihaz göstergesindeki her taksimat 0,1 mm ye eģittir. Penetrasyon değeri 500 e kadar olan bitümlü bağlayıcılarda numuneye 25 o C sıcaklıkta 5 saniye süre ile 100 gr lık bir yük uygulanmaktadır. Penetrasyon değeri 500 ün üzerinde olan numuneler için deney 15 o C de yapılmakta ve yükleme Ģartları değiģmektedir. 7

30 Yol uygulamalarında penetrasyon değeri en fazla 300 ye kadar olan bitümlü bağlayıcılar kullanılmaktadır. ġekil 2.1 de penetrasyon deney aleti gösterilmiģtir. ġekil 2.1 : Penetrasyon deney aleti Düktilite deneyi (TS EN 13589) Düktilite deneyi, bitümlü bağlayıcıların uzama kabiliyetinin belirlenmesi için yapılan bir deneydir. Bitümlü bir maddenin düktilitesi; standart bir kalıpta hazırlanmıģ bir bitüm numunesinin her iki ucundan çekilerek uzatılması sonucunda koptuğu andaki mesafenin cm cinsinden ifadesidir. ġekil 2.2 de düktilite deney aleti gösterilmiģtir. ġekil 2.2 : Düktilite deney aleti. 8

31 YumuĢama noktası deneyi (TS 120 EN 1427) Bitümlü bağlayıcıların sıcaklık karģısındaki davranıģları farklılıklar göstermektedir. Her bitümlü maddenin yumuģama değeri aynı sıcaklıkta gerçekleģmemektedir. 25 o C sıcaklıkta aynı penetrasyona sahip iki bitümlü bağlayıcı numunesi farklı sıcaklıkta farklı özellikler gösterebilmektedir. Bu davranıģları ölçmek için halka ve bilya yöntemi kullanılmaktadır. ġekil 2.3 de yumuģama noktası deney aleti gösterilmiģtir. ġekil 2.3 : YumuĢama noktası deney aleti Bitümlü maddelerin organik çözücülerdeki çözünürlük deneyi (TS 1090 EN 12592) Bu deney yöntemi bitümlü maddelerin organik çözücülerde çözünen ve çözünmeyen miktarın yüzdesinin tayininde kullanılmaktadır Viskozite deneyi (TS EN 12595) Viskozite deneyi petrol ürünlerinin ve yağların kıvamlılığını belirlemek için yapılmaktadır. Bitümlü bir maddenin viskozite değeri yükseldikçe kıvamlılığı artmakta yarı katı hale geçmektedir. Saybolt viskozitesi, standart bir tüp içine konulan bitüm numunenin belirlenen deney sıcaklığına kadar ısıtıldıktan sonra 60 cm 3 hacmindeki toplama kabını doldurması için geçen zamanın saniye cinsinden değerini vermektedir. 9

32 Viskozite deneyi sırasında standart tüp olarak üniversal delikli tüp kullanılıyorsa saybolt üniversal, furol delikli tüp kullanılıyorsa saybolt furol viskozite adını almaktadır. Furol viskozite yaklaģık olarak üniversal viskozitenin onda biri kadardır Parlama noktası deneyi (TS 123 EN 22592) Bu deney parlama noktası 79 o C nin üstünde olan petrol ürünlerine uygulanmaktadır. Parlama noktası ısıtılan deney numunesinin buharına deney alevinin temas ettirilmesi sonucunda numunenin parladığı fakat yanmaya devam etmediği en düģük sıcaklık olarak belirtilmektedir. Petrol ürünlerinin parlama noktalarının bilinmesi özellikle uygulamalar sırasında doğabilecek tehlikelerin önlenmesi açısından önem taģımaktadır. ġekil 2.4 de parlama noktası deney aleti gösterilmiģtir. ġekil 2.4 : Parlama noktası deney aleti Ġnce film halinde ısıtma kaybı deneyi (TS EN ) Bu deney ile 0,32 cm kalınlığında bir bitüm filminin 5 saat süre ile 163 o C sıcaklıkta ısıtılması sonucu kütlesinde oluģacak kayıp tespit edilmektedir. Bitümlü malzemelerin, ısı ve hava etkileriyle özellikle penetrasyon ve düktilite değerlerinde oluģacak değiģmeler bu yöntemle belirlenebilmektedir. ġekil 2.5 de ince film halinde ısıtma deney aleti gösterilmiģtir. 10

33 ġekil 2.5 : Ġnce film halinde ısıtma deney aleti Özgül ağırlık deneyi (TS EN 15326) Bitümlü maddelerin özgül ağırlığı 25 o C de hacmi bilinen bir bitüm numunesinin aynı sıcaklık ve hacimdeki suyun ağırlığına bölünmesinden elde edilen orandır. ġekil 2.6 da özgül ağırlık deney aleti gösterilmiģtir. ġekil 2.6 : Özgül ağırlık deney aleti Bitümlü Emülsiyonlar Bitüm emülsiyonu, bitümün su içerisinde çok küçük parçacıklar halinde dağılması ile oluģmaktadır. Bitüm, su fazı içerisinde 1 ila 5 mikron ( 1 mikron=0,001 mm ) çapında ve bir emülgatör ile stabilize edilen elektrostatik sarjlar tarafından süspansiyon halinde tutulan (birbirlerine yapıģarak sudan ayrılmalarını önlemek için) küreciklerden oluģmaktadır. 11

34 Ġyi bir emülsiyon, görünüģte kaygan ve genellikle kahverengi rengindedir. Emülsiyon, 20. yüzyılın baģlarında ticari olarak üretilmeye baģlanmıģ; yol inģaatında, yol bakımında ve zemin stabilizasyonunda kullanılmıģtır. Emülsiyon imalatı için, her derecedeki penetrasyon değerine sahip bitüm kullanılabilmektedir. Fakat yol inģaatında genellikle 100 ila 200 penetrasyon derecesine sahip bitüm kullanılmaktadır [6] Emülgatör Bitüm emülsiyonu; bitüm, su ve emülgatör olmak üzere üç bileģenden oluģmaktadır. Bir emülgatör, katyonik veya anyonik grupla sonlanan uzun bir hidrokarbon zincirinden oluģmaktadır. Molekülün parafinik kısmının (hidrokarbon zinciri) bitüme, iyonik kısmının ise suya karģı kimyasal bir ilgisi vardır. Emülgatör iyonu ġekil 2.7 de gösterildiği gibi bitüm damlacığının üzerine yerleģmekte, öyle ki hidrokarbon zinciri bitüme bağlanırken iyonik kısım ise yüzeyde kalmaktadır. Böylece damlacıklar katyonik emülsiyonlar içinde pozitif elektrikle, anyonik emülsiyonlar içinse negatif elektrikle yüklenmektedir [7]. ġekil 2.7 : Katyonik emülgatör iyonları ile bitüm zerresi. Emülgatör yalnızca stabilizasyonu sağlamakla kalmayıp, ayrıca yapıģma özelliğini de arttırmaktadır. Emülgatörün pozitif katyonik parçası, negatif yüklü agregayla yüzeyiyle güçlü bir elektrostatik bağ oluģturmaktadır. Bitüm partikülleri agrega yüzeyine çekilerek ve bitümün pozitif yükü agrega yüzeyindeki oksijenin negatif yüküyle nötr hale gelmektedir. Böylece bu partiküller agregayı sararak yapıģmaktadırlar [8]. 12

35 Emülsiyon türleri Bitüm emülsiyonları kullanılan emülgatörlere göre, ilk ikisi en önemlisi olmak üzere, dört sınıfa ayrılmaktadır: Anyonik emülsiyonlar, Katyonik emülsiyonlar, Noniyonik emülsiyonlar, ve Kille stabilize edilmiģ emülsiyonlardır. Ayrıca emülsiyonlar kesilme hızlarına göre de sınıflandırılmaktadırlar. Bunlar: Çabuk kesilen emülsiyonlar (RS), Orta hızda kesilen emülsiyonlar (MS), ve YavaĢ kesilen emülsiyonlardır (SS) [9]. Anyonik ve katyonik emülsiyonların kesilme hızlarına göre sınıflandırılması Çizelge 2.5 de gösterilmiģtir. Çizelge 2.5 : Kesilme hızlarına göre bitüm emülsiyonları [10]. Çabuk Kesilen Orta Hızda Kesilen YavaĢ Kesilen Anyonik Bitüm Emülsiyonu Katyonik Bitüm Emülsiyonu RS-1 MS-1 SS-1 RS-2 MS-2 SS-1h MS-2h CRS-1 CMS-2 CSS-1 CRS-2 CMS-2h CSS-1h Anyonik emülsiyonlar Anyonik terimi, bitüm yüzeylerinin taģıdığı negatif yüklerden gelmektedir. Anyonik emülsiyonlar, bitüm parçacıklarının, ġekil 2.8 de gösterildiği üzere, yüzeyleri negatif yüklerle kaplandığından dolayı, elektropozitif agregalara daha iyi yapıģmaktadır. Bu tür emülsiyonların, yangın tehlikelerine karģı güvenlikli olmaları ve çevreyi daha az kirletme gibi avantajları olmasına rağmen her türlü agrega ile kullanılamama, yağıģlara karģı yüksek hassasiyet gösterme ve oldukça uzun kesilme zamanı gibi olumsuzluklara sahiptirler. 13

36 ġekil 2.8 : Anyonik emülsiyon Katyonik emülsiyonlar Bu yeni tip emülsiyon 1950 li yıllarda endüstriye girmiģtir. Bitüm parçacıklarının, ġekil 2.9 da gösterildiği üzere, yüzeyleri pozitif bir yük taģıyan bu emülsiyonlar anyonik emülsiyonlara göre avantajlı yönleri vardır. Katyonik emülsiyonlar, her tür agrega ile daha iyi adezyon temin etmektedir. Daha kısa kesilme zamanı özelliğinden dolayı yağıģlara karģı daha az hassastırlar. Ayrıca, emülsiyonun viskozitesini önemli derecede değiģtirmeksizin su içerisinde daha fazla bitüm dağıtılabilmektedir [6]. ġekil 2.9 : Katyonik emülsiyon Diğer emülsiyonlar Ġyonik olmayan emülsiyonlar içindeki bitüm küreciklerinin etrafındaki yük nötrdür. Noniyonik emülsiyonlar yol kaplamalarında nadiren kullanılmaktadır. Kille stabilize edilmiģ emülsiyonlar ise yol uygulamalarından ziyade endüstriyel amaçlı olarak 14

37 kullanılmaktadır. Burada kullanılan emülgatör toz halinde kil veya bentonit gibi malzemelerdir Bitüm emülsiyonlarının üretimi Bitüm emülsiyonlarının büyük çoğunluğu kolloid değirmeni kullanılarak üretilmektedir. Değirmen, bir gövde içinde 1000 dev./dak. ile 6000 dev./dak. arasında dönen yüksek hızlı bir çarktan oluģmaktadır. Çark ve gövde arasındaki açıklık 0,2 mm ile 0,6 mm arasında değiģmektedir. Sıcak bitüm ve emülgatör solüsyonu değirmen içerisine ayrı ayrı ancak eģ zamanlı olarak doldurulmaktadır. Ġki bileģiğin sıcaklıkları emülgatör ve bitümün cinsine ( ve oranına ) göre değiģmektedir. ġekil 2.10 da kolloid değirmenin diyagramı gösterilmiģtir. ġekil 2.10 : Kolloid değirmenin diyagramı. Bitüm ve emülgatör solüsyonu değirmene girerken Ģiddetli kesme kuvvetlerine maruz kalmakta; bunun sonucu olarak da bitüm, küçük kürecikler haline gelmektedir. Her bir kürecik daha sonra emülgatör ile kaplanarak yüzeylerinde elektriksel yük oluģturmaktadır. Ortaya çıkan elektrostatik kuvvetler, bitüm küreciklerinin tekrar birleģmesini (emülsiyonunun kesilmesini) önlemektedir. Çizelge 2.6 da bitüm ve emülgatör sıcaklıkları gösterilmiģtir [1,3]. Çizelge 2.6: Bitüm ve emülgatör sıcaklıkları. Penetrasyon Derecesi 180/220 80/100 40/50 Bitüm 140 o C 150 o C 160 o C Emülgatör Çözeltisi 55 o C 45 o C 35 o C 15

38 Bitüm emülsiyonunun özellikleri Bitüm emülsiyonlarının formülasyonu (karıģım oranlarının belirlenmesi) karmaģık bir stabilite problemidir. Emülsiyonları kesilmeden depolamak ve taģımak için dengeli bir dağılım sağlanması gerekmektedir. Emülsiyon, yol yüzeyine uygulandıktan sonra hızlı bir Ģekilde kesilmelidir. Bitüm emülsiyonlarının en önemli özellikleri Ģu Ģekilde sıralanmaktadır: Emülsiyonun stabilitesi, Emülsiyonun yapıģkanlığı, ve Emülsiyonun vizkozitesidir Emülsiyonun stabilitesi Bitüm emülsiyonları iki stabilite Ģartını sağlaması gerekmektedir. Bunlar depolama stabilitesi ve kesilme hızıdır. Depolama stabilitesi Emülsiyonun depolama stabilitesindeki ilk problem, bitüm açısından fakir üst tabaka ve bitüm açısından zengin alt tabaka Ģeklinde sonuçlanan emülsiyonun çökelmesidir. Emülsiyonun çökelmesi demek kullanılmaması anlamına gelmemektedir. Emülsiyon karıģtırılarak tekrar orjinal haline dönüģebilmektedir. Emülsiyonun çökelme iģlemi ġekil 2.11 de gösterilmiģtir. ġekil 2.11 : Emülsiyonun çökelme iģlemi. Eğer emülsiyonun stabilitesi düģükse, çökelen emülsiyon koagülasyona (pıhtılaģma), ġekil 2.12 de gösterilmiģtir ve kesilmeye maruz kalmaktadır. Bu duruma uğrayan emülsiyonlar tekrar orijinal hale dönüģememektedir. 16

39 ġekil 2.12 : Emülsiyonun pıhtılaģması. Emülsiyonun çökelme derecesi onun stabilitesinin bir göstergesidir. Bitüm parçacıklarının aģağıya doğru hızı, yani çökelme hızı (V) aģağıdaki denklemde ifade eden Stokes Kanunu kullanılarak tahmin edilmektedir. (2.1) Burada: g = Yerçekimi, r = Bitüm parçacığının yarıçapı, d1 = Bitümün özgül ağırlığı, d2 = Sıvı fazın özgül ağırlığı, = Sıvı fazın viskozitesidir. Emülsiyondaki çökelme, yerçekimi kuvvetinden ve iki faz arasındaki özgül ağırlık farkından meydana gelmektedir. Bitüm zerreciklerinin hızı, emülsiyon bitümünün cinsine ve bitüm miktarına bağlı olmaktadır. Bitüm miktarı % 65 ten fazla olan emülsiyonlarda, çökelme oluģumu önlenememektedir. Çökelmeyi önlemek için: Çözücü destilat (gaz, motorin v.s.) ilavesiyle, bitüm fazın yoğunluğu azaltılabilmektedir. Su fazının viskozitesi, viskozite artırıcı katkı maddeleriyle arttırılabilmektedir. Çevre sıcaklığı yerine, yüksek sıcaklıkta emülsiyonun muhafazasıyla Ģartlar iyiye yöneltilebilmektedir. Çökelmeyi takiben birleģim iki aģamada gerçekleģmektedir. Ġlk olarak, bitüm kürecikleri bir araya toplanarak (üzüm salkımı gibi) kümeler oluģturmaktadır. Bu geri dönüģebilir olaya koagülasyon (pıhtılaģma) denmektedir. Bunu geri dönüģemez olan birleģim takip etmekte, kümeler birbirleriyle kaynaģarak daha büyük damlacıklar oluģturmaktadır. BirleĢme, karıģtırma, pompalama ve vibrasyon gibi mekanik etkenlerle baģlamaktadır. 17

40 Emülsiyonun kesilmesi Emülsiyon, hem su fazında hem de küreciklerin yüzeyinde emülgatör molekülleri içermektedir. Bazı emülgatör iyonları misel denilen bitümden bağımsız iyon kürecikleri oluģturmuģtur. Stabil bir emülsiyon ġekil 2.13 de gösterildiği gibi dengelidir. Emülgatör iyonları eğer solüsyondan çıkarılacak olursa denge, misel ve küreciklerin yüzeyindeki iyonlarla tekrar sağlanmaktadır. Bu durum bir emülsiyonun mineral agregayla temas etmesi halinde ortaya çıkmaktadır. ġekil 2.13 : Stabil sistemde misel Ģeklindeki emülgatör iyonları. Negatif yüklü agrega yüzeyi solüsyon içindeki iyonların bir kısmını hızlı bir Ģekilde emerek küreciklerin yüzeyindeki yükleri zayıflatmaktadır. Bu iģlem ġekil 2.14 de gösterildiği gibi kesilmenin baģlamasına sebep olmaktadır. Damlacıkların yüzeyindeki yüklerin tüketildiği öyle bir noktaya gelinir ki, bunun sonucu olarak hızlı bir birleģme oluģmaktadır. Daha sonra agrega, hidrokarbon zincirleriyle kaplanarak serbest kalan bitüm, agrega yüzeyine güçlü bir Ģekilde yapıģmaktadır [11,3]. ġekil 2.14 : Kesilme durumunun baģlaması. 18

41 Emülsiyonun yapıģkanlığı Bitümün katı yüzeyler arasında yapıģtırıcı olarak kullanıldığı yerlerde birinci kural bitümün yüzeyi ıslatarak maksimum değme alanı yaratmasıdır. Islatmanın oluģturduğu kritik yüzey gerilimi bitümün agrega yüzeyi üzerinde kolayca yayılmasını sağlayacak derecede olmalıdır. Bunun sonucu olarak ortaya çıkan yapıģma (adezyon) genellikle bitümün kohezyonunu aģmaktadır. Bitüm ile agrega arasındaki yapıģmanın kalitesi birtakım faktörlere bağlı olmaktadır. Bunlar: Emülgatörün tipi ve miktarı, Bitümün türü ve biliģimi, Emülgatör solüsyonun PH ı, Emülsiyon partikül boyutu dağılımı, ve Agrega tipidir. Asit karakterli anyonik emülsiyon K ve Na inorganik katyonları, silisli agrega yüzeyi tarafından absorbe edilmektedir. Bu katyonlar nüfuz etmiģ yüzeylere oleofillik özelliklerini vermemektedir. Sonuç itibariyle anyonik emülsiyondaki bitümün agrega yüzeyine yapıģması oldukça zayıf olmaktadır. Katyonik emülsiyonun asitik ve bazik agregalarla kesilmesi sonucunda yüzeyde kuvvetli bir organik katyon bağı meydana gelmektedir. ( R-NH 3 + ) Bir katyon agrega yüzeyine oleofillik özellik kazandırmaktadır. Böylece agrega ile bitüm arasında kuvvetli bir adezyon sağlanmaktadır. Çizelge 2.7 de anyonik ve katyonik emülsiyonların farklı agrega türleri ile verdiği kesilme ve adezyon sonuçları gösterilmektedir. Çizelge 2.7 : Anyonik ve katyonik emülsiyonların farklı agrega türleri ile verdiği kesilme ve adezyon sonuçları. EMÜLSĠYON AGREGA KESĠLME ORANI ADEZYON KATYONĠK ASĠDĠK HIZLI MÜKEMMEL KATYONĠK ALKALĠK HIZLI ĠYĠ ANYONĠK ASĠDĠK YAVAġ ZAYIF ANYONĠK ALKALĠK ORTA ĠYĠ 19

42 Emülsiyonun viskozitesi Viskozite, sıvıların akmaya karģı göstermiģ olduğu direnç olarak tanımlanmaktadır. Emülsiyonların büyük bir çoğunluğu püskürtülerek (sprey Ģeklinde) uygulandıklarından dolayı viskozite emülsiyonlar için büyük önem taģımakta, viskozitesi büyük olan emülsiyonlar püskürtme uçlarında tıkanıklığa sebep olabilmektedir. Viskoziteyi etkileyen ana faktörler Ģunlardır: Bitüm miktarı arttıkça emülsiyonun viskozitesi artmaktadır. Emülsiyon ısısı arttıkça emülsiyonun viskozitesi azalmaktadır. Bitüm küreciklerinin boyutlarının dağılımı viskoziteyi etkilemektedir. Değirmen içindeki akıģ hızının arttırılmasıyla emülsiyonun içindeki bitüm küreciklerinin boyutlarının dağılımı değiģtirilebilmektedir. %65 ten daha az bitüm içeriğindeki emülsiyonun viskozitesi neredeyse akıģ hızından bağımsızdır. Bununla birlikte, bitüm küreciklerinin göreceli olarak birbirlerine yakın olarak bulunduğu %65 ten daha fazla bitüm içeriklerinde parçacık boyutu dağılımında akıģ hızı değiģtirilerek yapılacak bir uygulama viskozite üzerinde önemli bir etkiye sahiptir Bitümlü emülsiyonlara yapılan deneyler Emülsiyonun özelliklerini belirten deneyler bazı standartlara bağlı olarak yapılmaktadır. Bunlardan en iyi bilinenleri British Standard (BS) ve American Society for Testing Materials (ASTM) deneyleridir. Bu standartlarda çok önemli deneylerden bazıları: Saybolt Furol viskozite deneyi, Destilasyon kalıntısı deneyi, Çimento ile karıģma deneyi, Çökelme deneyi, Elek deneyi, Örtme kabiliyeti ve suya karģı direnç deneyi, ve Partikül yük deneyidir. 20

43 Saybolt Furol viskozite deneyi (TS 117) Saybolt Furol viskozite deneyi, bitümlü emülsiyonlarının özelliklerinin (akıģ hızı) ölçülmesi amacıyla kullanılmaktadır. Deneyin uygunluğu ve deney hassasiyetinin sağlanması için, bitümlü emülsiyonuna iliģkin spesifik tip ve sınıfına bağlı olarak 25 o C veya 50 o C sıcaklık değerlerinden birinde gerçekleģtirilmektedir. Deneyin 25 o C de gerçekleģtirilebilmesi için, bir numune alınarak deney sıcaklığına gelinceye dek karıģtırılıp ısıtılmaktadır. Bu aģamadan sonra, numune ağız kısmından tıkaçlanmıģ standart bir tüpe bir süzgeçten geçirilerek dökülmektedir. Daha sonra tıkaç çekilmekte ve 60 ml emülsiyonun standart delikten akması için gereken zaman saptanmaktadır. Bu zaman aralığına Saybolt Furol viskozitesi denilmekte ve saniye biriminde ölçüm yapılmaktadır. Malzemenin viskozitesi arttıkça belli miktardaki bir akıģkanın ağızdan geçmesi için gereken zamanın da artacağı açıktır. Bundan dolayı, viskozite değerindeki bir artıģ bitüm viskozitesinde bir yükselmeyi ifade etmektedir. Deneyi 50 o C de yürütmek amacıyla, numune ilk önce 50±3 o C arasında ısıtılmakta ve bundan sonra bir süzgeçten geçirerek tüpe dökülerek tıkacın çıkarılması ve akıģ ölçümünün az önce anlatıldığı gibi gerçekleģtirilmektedir [12] Destilasyon kalıntısı deneyi (TS 132) Destilasyon deneyi, bir bitüm emülsiyonundaki göreceli bitüm ve su oranlarının saptanmasında kullanılmaktadır. Bazı bitüm emülsiyonu cinsleri aynı zamanda bir yağ destilatı içerebilmekte olup; destilasyon deneyi bu malzemenin emülsiyon içindeki oranı hakkında da bilgi vermektedir. Bunun yanında, destilasyon deneyi bitüm için ilave deneylerin (penetrasyon, çözünürlük ve düktilite) gerçekleģtirilebileceği bir bitüm kalıntısı sağlamaktadır. 200 gramlık bir emülsiyon numunesi 260 o C dereceye kadar damıtılmaktadır. Bitüm emülsiyonunun ısıtılması esnasında köpükleģmenin engellenmesi amacıyla özel ekipman dizayn edilmelidir. Destilasyonun son noktası 260 o C dereceye taģınmakta ve bu sıcaklık derecesi pürüzsüz ve homojen bir kalıntı elde edilmesi amacıyla 15 dakika boyunca sabit tutulmaktadır. DerecelenmiĢ silindirde toplanan destilat, bitüm emülsiyonundan hem yağ hem de su içermektedir. Bu iki malzemenin derecelendirilmiģ silindir içinde ayrı ayrı bulunmaları nedeniyle her birinin miktarı kolaylıkla ölçülebilmektedir [12]. 21

44 Çimento ile karıģma deneyi (TS 132) Çimento ile karıģma deneyi, bitüm emülsiyonlarının yavaģ kesilen tipleri için demülsibilite deneyi yerine kullanılmaktadır. Bu deney, ince gradasyonlu zemin veya tozlu agregalar ile temas eden bitüm partiküllerinin hızla pıhtılaģmadığı ürünler sağlamak amacıyla hem katyonik hem de anyonik türler için tanımlanmıģtır. Çimento ile karıģma deneyi 50 gram çok erken mukavemet kazanan portland çimentosu ile 100 ml.lik emülsiyonun (%55 bitüme göre su ile seyreltilmiģ) karıģtırılması ile gerçekleģtirilmektedir. Daha sonra 1.40 mm (No. 14) elekten geçirilmekte ve elek üzerinde kalan malzeme miktarı saptanmaktadır [12] Çökelme deneyi (TS 132) Çökelme deneyi, bitüm küreciklerinin emülsiyonlarının depolanması sırasındaki çökelmeye karģı eğilimlerini teģhis etmek için yapılmaktadır. Ġki adet tıkaçlı ve derecelendirilmiģ silindirin her birine 500-ml.lik numune yerleģtirilmekte ve 5 günlük bir süre boyunca bu Ģekilde bırakılmaktadır. Daha sonra her bir silindirin üst ve alt kısımlarında küçük numuneler alınmaktadır. Her bir numune bir deney tüpü içerisine konularak tartılmaktadır. Bundan sonra ise, numuneler su buharlaģıncaya dek ıstılmakta ve geriye kalan kalıntılar tartılmaktadır. Elde edilen ağırlık değerleri derecelendirilmiģ silindirin üst ve alt kısımlarındaki bitüm oranları arasındaki farklılığın belirlenmesi için bir temel oluģturmakta dolayısıyla bir çökelme olup olmadığı ortaya koymaktadır [12] Elek deneyi (TS 132) Elek deneyi, çökme deneyini tamamlamakta ve benzeri bir amaca hizmet etmektedir. Bu deney, parçacık, Ģerit veya daha geniģ çaplı kürecikler halinde mevcut bitümün sayısal olarak yüzdesini saptamada kullanılmaktadır. Bu tür dağılmıģ bitüm parçacıkları teçhizatı tıkayabilmekte ve agrega daneleri üzerinde üniform olmayan bir bitüm filmi oluģmasına sebep olabilmektedir. Bu heterojen sarma durumu, yalnızca bitüm ve suyun çökmeye izin verecek yeterlikte özgül ağırlık faklılıkları gösterip göstermediğini ortaya koyan örtme deneyinde teģhis edilememektedir. Elek deneyinde, 1000 gram ağırlığındaki bitüm emülsiyonu 850 mm (N0. 20) elek içinden dökülmektedir. Anyonik bitüm emülsiyonları için, elek ile elekte kalan bitüm yumuģak bir sodyum oleat solüsyonu ile durulanmaktadır. Katyonik bitüm 22

45 emülsiyonları ise damıtık su ile yıkanmaktadır. Durulama iģlemi sonrasında, elek ve bitüm bir fırın içinde kurutulmakta ve elek üzerinde kalan göreceli bitüm miktarı saptanmaktadır [12] Örtme kabiliyeti ve suya karģı direnç deneyi (TS 132) Bu deney aynı anda üç amaca hizmet etmekte olup, bir bitüm emülsiyonunun agregayı tamamen sarma, agregalar üzerinde bir film tabakası halinde kalmak suretiyle karıģtırma iģlemine karģı dayanma ve karıģtırma iģlemi sonrasında suyun yıkama çabasına direnme yeteneğini belirlemektedir. Deney esas olarak kaba gradasyonlu kalker, agregalar ile karıģtırılmaya uyumlu orta hızda kesilen bitüm emülsiyonlarının teģhis edilmesini öngörmektedir. Yöntem boyunca kalsiyum karbonat ihmal edilirse deneyde diğer agregalar da kullanılabilmektedir. Bu deney, hızlı veya yavaģ kesilen bitüm emülsiyonlarına adapte edilememektedir. Referans agrega, kalsiyum karbonat tozu ile kaplanmakta ve daha sonra bitüm emülsiyonu ile karıģtırılmaktadır. KarıĢımın yaklaģık yarısı, emülsiyon ile kaplanmıģ olan agrega yüzeyinin görsel incelenmesi amacıyla bir emici kağıda serilmektedir. KarıĢımın geriye kalan kısmına ise su püskürtülmekte ve durulanmıģ su temiz akana dek durulanmaktadır. Bu aģamadan sonra bu malzeme emici bir kağıda yerleģtirilmekte ve kaplama durumu incelenmektedir [12] Partikül yük deneyi (TS 132) Bu deney, hızlı ve orta hızda kesilen katyonik bitüm emülsiyonlarının teģhisinde kullanılmaktadır. Bitüm emülsiyonu numunesine bir pozitif (anot) bir de negatif (katot) elektrod daldırılmakta ve bu elektrodlar kontrollü bir doğru akım elektrik kaynağına bağlanmaktadır. 30 dakika sonrasında iki elektrod, hangisinde bitüm birikintisi olduğu konusunda incelenmektedir. Katot üzerinde bitüm birikintisi bulunuyor ise emülsiyon katyoniktir [12] Emülsiyonların teknik Ģartnamesi KGM, anyonik ve katyonik emülsiyonlar için sağlaması gereken min. ve mak. değerleri belirlemiģtir. Çizelge 2.8 de ve Çizelge 2.9 da bu değerler gösterilmektedir. 23

46 Çizelge 2.8 : Yol üstyapılarında kullanılan katyonik bitüm emülsiyonlarının özellikleri [5]. Tipler Çabuk Kesilen Orta Hızda Kesilen YavaĢ Kesilen Türler CRS-1 CRS-2 CMS-1 CMS-2h CSS-1 CSS-1h TS No: Min Maks Min Maks Min Maks Min Maks Min Maks Min Maks Saybolt Furol Viskoziesi, 25 o C da, sn TS Saybolt Furol Viskoziesi, 50 o C da, sn TS Çökme, 5 gün, % TS Depolanma stabilitesi deneyi, 1 gün, % TS Örtme kabiliyeti ve suya karģı direnç TS 132 Örtme (kuru agrega ile) ĠYĠ ĠYĠ Su püskürtülmesinden sonra ORTA ORTA Örtme (yaģ agrega ile) ORTA ORTA Su püskürtülmesinden sonra ORTA ORTA Partikül yükü deneyi TS 132 POZĠTĠF POZĠTĠF POZĠTĠF POZĠTĠF POZĠTĠF POZĠTĠF Elek deneyi, % TS 132-0,10-0,10-0,10-0,10-0,10-0,10 Çimento ile karıģtırma deneyi, % TS ,0-2,0 Destilasyon kalıntısı, % Penetrasyon (kalıntı), 25 o C da, 100 gram, 5 sn TS 118 EN Duktilite (kalıntı), 25 o C da, 5 cm/dak, cm TS