Siyah Karbonun Bitümün Tekerlek İzi Dayanımı Üzerindeki Etkisi

Transkript

1 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), May 2011, Elazığ, Turkey Siyah Karbonun Bitümün Tekerlek İzi Dayanımı Üzerindeki Etkisi T. Geçkil 1, T. Alataş 2 ve P. Ahmedzade 3 1 İnönü Üniversitesi, Malatya/TÜRKİYE, tageckil@inonu.edu.tr 2 Fırat Üniversitesi, Elazığ/TÜRKİYE, talatas@ firat.edu.tr 3 Ege Üniversitesi, İzmir/TÜRKİYE, perviz.ahmedzade@ege.edu.tr The Effect of Carbon Black on the Resistance of Bitumen Rutting Abstract Various deteriorations primarily rutting occurs in hot mix asphalt under conditions of traffic, climate and environmental in length of time. To increase the resistance of mixtures and thus delaying these deteriorations, the various additives are added to the bituminous binders. In this study, the effect of carbon black, which was used as an additive, on the rutting resistance of bitumen at high temperatures was investigated. For this purpose, the carbon black was added to B160/220 bitumen in three different contents (5%,10%,15%) to obtain modified bitumens. The neat and modified bitumens were aged according to rolling thin film oven test (RTFOT) method. The high temperature performance levels of bitumens were determined according to Superpave system by carried out dynamic shear rheometer (DSR) test on bitumens before and after aging processes. Based on the obtained results it was determined that the G*/sinδ which is a parameter of rutting resistance increased with the increase content of carbon black for both aged and unaged bitumens. Keywords Carbon black, modified bitumen, aging, performance level I. GİRİŞ Bitümlü sıcak karışımların (BSK) bünyesinde, ağır trafik ve iklim etkileriyle oluşan tekerlek izi, düşük sıcaklık çatlağı, yorulma çatlağı, yaşlanma ve nem hasarı gibi kusurlar en yaygın görülen bozulmalardır [1,2]. Bu bozulmaları engellemek veya geciktirmek amacıyla asfalt modifikasyonunda çok çeşitli katkı maddeleri kullanılmaktadır. BSK da belirli mineral filler malzemesinin kullanımı, karışımın rijitlik ve gerilme artışı için uygun bir değer artışı sağlamaktadır [3]. Karışımlarda filler malzemesi olarak genellikle taş tozu, portland çimentosu, sönmüş kireç, uçucu kül ve siyah karbon (SK) gibi ince daneli malzemeler kullanılmaktadır. Bu maddelerin, özellikle de SK un kullanılmasının karışımın durabilitesi, aşınma direnci ve sıcaklık hassasiyeti için faydalı olduğu belirtilmektedir [4,5]. SK un asfalt için bir güçlendirici eleman olarak kullanılması fikri ilk kez Alliotti tarafından 1962 yılında dile getirilmiştir [6]. Bu bağlamda Martin, bitüm ağırlığına göre %3 oranında SK katarak ilk laboratuar çalışmasını yapmıştır. Martin in test sonuçları, uygun viskozite elde etmek için SK a ilave edilen akıcı yağın bitümle uyuşmazlığı, düşük SK konsantrasyonu ve bitüm içerisindeki kötü dağılımından dolayı bitümün performansı üzerinde herhangi bir gelişme göstermemiştir [7]. Amerika Federal Karayolu İdaresinin (FHWA), 1968 den 1972 yılına kadar verdiği destekle yapılan çalışmalar sonucunda, bitüme ağırlıkça %11 16 SK katılmasının, karışımın durabilitesinde, kayma direncinde, düşük sıcaklık çatlaklarında, yüksek sıcaklık bozulmalarında ve asfaltın sıcaklık-viskozite özelliklerinde önemli iyileşmeler yaptığı, buna karşılık bitümün temel kimyasal özelliklerinde bir değişme olmadığı görülmüştür [8]. Rostler, bitüm ağırlığına göre %11 15 oranında SK kullanılmasının bitümün yaşlanma sertleşmesi ve sıcaklık hassasiyetini azaltarak özelliklerini önemli ölçüde geliştirdiğini belirtmiştir. Rostler, Martin in test sonuçlarındaki SK un zayıf performansının, SK un asfalt içindeki kötü dağılımı, SK konsantrasyonunun düşüklüğü ve uygun vizkoziteyi elde etmek için ilave edilen yağdan kaynaklandığı yorumunda bulunmuştur. Ayrıca bitüm içindeki SK dağılımının fotomikrografı yapılmış ve SK parçacıklarının asfalt çimentosuna entegre olması için mikrondan daha az ortalama bir parçacık çapına sahip olması gerektiğini belirtmiştir [9]. Microfil 8 SK kullanılarak yapılan bir çalışmada, SK ile fiziksel ve kimyasal özellikleri daha uygun hale gelen bitümün, sıcaklık hassasiyetini geliştirebildiğini ve karışımların nem direncini arttırabildiğini göstermiştir [10]. Vallerga ve Gridley, SK olarak Microfil 25 ve Microfil 8, bağlayıcı olarak da , ve penetrasyon dereceli bitümler kullanarak çalışma yapmışlardır. Buna göre bitüm ağırlığının %21,2 kadar Microfil 25 katıldığında, düşük sıcaklıklarda (0 39,2 o F) ve bitümlerin viskozitesinde azalma, bitümde ise çok az değişim gözlenmiştir. Yüksek sıcaklıklarda ( o F) ise viskozite değerleri 10 kat kadar artmıştır. Benzer şekilde bitümüne %21,2 Mikrofil 8 katılmış ve deney sonunda düşük sıcaklıklarda değişim olmamış ancak yüksek sıcaklıklarda viskozitede 50 kat artış meydana gelmiştir [11]. AR 2000, AR 4000 ve AR 8000 bitümlerine belirli oranlarda Microfil 8 SK ilave edilerek yapılan bir çalışmada, karışımlara bitüm ağırlığının %15 20 kadar Microfil ilavesinin, yüksek servis sıcaklıklarında tekerlek izi direncini arttırdığını, katkısız karışımlara göre sünme modülü değerinin zamanla daha az değiştiğini ve ayrıca SK ile işlem görmüş yumuşak bitümlerin bir dereceye kadar düşük sıcaklık çatlaklarını ve sıcak havalarda da tekerlek izi oluşumunu engellemek amacıyla kullanılabileceğini belirtmişlerdir [12]. Button, AC 5 174

2 Siyah Karbonun Bitümün Tekerlek İzi Dayanımı Üzerindeki Etkisi bitümüne, Microfil 8 (SK) katarak deneylere tabi tutmuş ve katkısız AC 5 ve AC 20 kontrol numune sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak, AC 5 bitümüne %15 Microfil 8 ilavesinin, daha sert olan AC-20 ye kıyasla kalıcı deformasyonlara karşı direncini önemli ölçüde artırdığı belirtilmiştir [13]. AC 200/300 bitümüne Microfil 8 ilave edilerek hazırlanan karışımların kontrol karışımlarına göre enine çatlaklarda 2/3 oranında, tekerlek izi derinliğinde ise 1/2 oranında bir azalma olduğu belirtilmiştir [14]. Khosla, SK modifiyeli bitümün katkısız bitüme göre sıcaklık hassasiyetinin azaldığı, yüksek sıcaklıklarda esneklik modülü değerinin arttığı ve tekerlek izi direncinde artış olduğunu tespit etmiştir [15]. Ali tarafından, bitümlere siyah karbon katıldığında üstyapının tahmini hizmet ömrünün katkısız karışımlara göre önemli derecede arttığı görülmüştür [16]. SK un bitüm ağırlığının %20 si oranında 80/100 penetrasyonlu bitüme ilave edilmesi sonucunda, SK un asfalt kaplamalarda katkı maddesi olarak kullanılması ile yüksek sıcaklıklarda deformasyon direncinde, düşük sıcaklıklarda ise çatlak direncinde artış olduğu ve SK un kaplamanın durabilitesini arttırmada etkili bir filler olduğunu belirtmiştir [17]. AC 5 ve AC 10 bitümleri kullanılarak hazırlanan karışımlarda HAF N-326 SK un filler olarak kullanılmasının, karışımların mekanik özelliklerini geliştirdiği ve bitümlü sıcak karışımlarda SK un kullanılabilirliği tespit edilmiştir [18]. AC 10 ve AC 20 bitümlerine % oranlarında SK katılarak hazırlanan modifiye karışımlarda, katkılı karışımın tekerlek izi direnci katkısız karışımlara göre yüksek, sıcaklık hassasiyeti ise daha düşük bulunmuştur. Genel olarak, %10 15 siyah karbon kullanımının asfalt karışımların performans özelliklerini geliştirdiği tespit edilmiştir [6,19]. A. Materyal II. MATERYAL ve METOD Bu çalışmada, modifikasyon için Elazığ Karayolları 8. Bölge Müdürlüğü Asfalt Şantiyesinden temin edilen yumuşak kıvamlı B160/220 penetrasyon dereceli asfalt çimentosu kullanılmıştır. Çalışmada katkı maddesi olarak, TÜPRAŞ tarafından üretimi yapılan birçok siyah karbon çeşidinden biri olan Petkara FEF N-550 hızlı gönderme fırını Siyah Karbon (SK) cinsi kullanılmıştır. Kullanılan siyah karbonun fiziksel özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1: Siyah karbonun fiziksel özellikleri [20] Özellikler Deney Standardı Siyah Karbon (FEF N-550) Toz Miktarı, (Ağırlıkça, Maks. %) ASTM D Isıtma Kaybı (125 o C), (Ağırlıkça, Maks. %) ASTM D ,0 İyod Miktarı (mg/g) ASTM D Pellet Sertliğix20, (gr) ASTM D PH ASTM D Yoğunluk, (gr/lt) ASTM D Kükürt İçeriği, (Ağırlıkça %) ASTM D ,5 Dibutil Ftalat (DBP) Absorpsiyonu, (ml/100gr) ASTM D Özgül Yüzey Alanı, (m 2 /gr) ASTM D Kül İçeriği, (Ağırlıkça %) ASTM D ,2 Ürün Şekli - Siyah Pellet B. Bağlayıcıların Dönel İnce Film Halinde Isıtma Deney (RTFOT) Yöntemiyle Yaşlandırılması Asfalt bağlayıcının karıştırma ve yapım sırasındaki kısa süreli yaşlanmasını temsil eden Dönel İnce Film Etüvü Deneyi (RTFOT), AASHTO T240 standardına göre Şekil 1 de görülen cihaz kullanılarak yapılmaktadır. Deneyde, ince bir film halinde hareket eden asfalt bağlayıcıda, sıcaklık ve havanın etkisiyle uçucu madde kaybının tespit edilmesi ve deneyden sonra yaşlanmış olarak elde edilen bağlayıcının fiziksel özelliklerinin belirlenmesi amaçlanmaktadır [21,22]. Şekil 1: Dönel ince film etüvü (RTFOT) cihazı Deneyde kullanılacak 8 adet şişenin her birine 35±0,5 gr asfalt bağlayıcı doldurularak cihazın dönen tablasına yerleştirilir ve tabla dakikada 15 devir yapacak şekilde 85 dakika döndürülür. Dönme esnasında bir hava üfleyici yardımıyla şişelere akışı 4000±200 ml/dakika olacak şekilde hava püskürtülür. Sıcaklık, dönme hareketi ve hava üfleme etkisiyle asfalt bağlayıcı şişe içerisini tam olarak kaplayarak ince bir film tabakası oluşturmakta ve bu sayede bağlayıcının yaşlanması sağlanmaktadır. Deneyden sonra, şişelerden 6 tanesi bir kaba boşaltılarak PAV ve DSR deneylerinde kullanılmak üzere saklanır. Kalan iki şişe, bağlayıcıda oluşan kütle kaybının tespit edilmesi amacıyla kullanılır. Kütle kaybı, yaşlanmadan önceki ağırlık (M 1 ) ve sonraki ağırlık (M 2 ) yardımıyla aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır. Kütle kaybı; asfalt bağlayıcı içerisindeki uçucu maddelerin kaybından ibaret olup bağlayıcının taşıma, depolama, ısıtılma, kaplamanın inşası ve kullanımı esnasında sertleşmesinin bir göstergesidir [22,23]. KütleKaybı,%=[(M 1 M 2 )/M 1 ] 100 (1) C. Bağlayıcıların Dinamik Kayma Reometresi (DSR) Deneyi ile Yüksek Sıcaklık Hassasiyetlerinin Belirlenmesi Superpave sisteminde, performans esaslı bağlayıcı sınıfı iki değişkenli olarak PG X-Y simgesi ile ifade edilmektedir. Burada birinci değişken (X), bağlayıcının performans şartlarını sağladığı yüksek kaplama dizayn sıcaklığını, ikinci değişken (Y) ise bağlayıcının performans şartlarını sağladığı düşük kaplama dizayn sıcaklığını belirtmektedir. Sistemde, 175

3 T. Geçkil, T. Alataş, P. Ahmedzade bağlayıcıların yüksek sıcaklıklardaki performans seviyeleri DSR deneyi ile tespit edilmektedir [21,24,25]. Tablo 2 de kaplama dizayn sıcaklıkları ve bunlara karşılık gelen bağlayıcı sınıfı verilmiştir. Tablo 2: Kaplama dizayn sıcaklıkları ve bağlayıcı sınıfı [21,25,26] Yüksek Sıcaklık Sınıfları (X), C Düşük Sıcaklık Sınıfları (Y), C Gösterim 46-34, -40, -46 PG 46-Y 52-10, -16, -22, -28, -34, -40, -46 PG 52-Y 58-16, -22, -28, -34, -40 PG 58-Y 64-10, -16, -22, -28, -34, -44 PG 64-Y 70-10, -16, -22, -28, -34, -44 PG 70-Y 76-10, -16, -22, -28, -34 PG 76-Y 82-10, -16, -22, -28, -34 PG 82-Y DSR deneyi ile, yapımdan hemen sonraki yüksek servis sıcaklıklarında kaplamanın tekerlek izi oluşumuna karşı direnci ve ilerleyen dönemlerde orta servis sıcaklıklarında kaplamanın yorulma çatlağı oluşumuna karşı dayanımı belirlenmektedir [22]. Ölçümler, farklı sıcaklık, farklı gerilme ve deformasyon düzeyleri ve farklı frekanslarında elde edilebilmektedir [22,27]. DSR deneyinde, asfalt numunenin sinüsoidal gerilmelere karşı davranışı belirlenerek bitümlü bağlayıcının kompleks kayma modülü (kayma sertliği) (G*) ve faz açısı (δ) hesaplanmaktadır. Viskoelastik bölgede bitümlü bağlayıcıların kayma deformasyonuna karşı dayanımının göstergeleri olan G* ve δ, sıcak kaplamaların tekerlek izi oluşumu ve yorulma ömrü potansiyelini belirlemeye yardımcı olmaktadır [22]. DSR deneyinde asfalt numunesi Şekil 2 de görüldüğü gibi, sabit bir plaka ile sola ve sağa küçük dönme hareketleri (salınım) yapabilen bir plaka arasına sabit kalınlıkta yerleştirilerek belirli bir ısı altında ve belirli bir hızda döndürülmeye çalışılır. Döner tablaya uygulanan gerilme ile tabla A noktasından B noktasına kadar hareket ettirilir. Sonra tabla B noktasından A noktasına ve C noktasına kadar döndürülür. Daha sonra C noktasından tekrar A noktasına kadar döndürülür. Döner tablanın bu hareketine bir devir denilir ve bu salınım deney süresince aynı şekilde tekrar edilir [22,25]. Deney, saniyede 10 radyanlık sabit bir frekansta 10 devir yapılarak gerçekleştirilmektedir [21]. DSR ile bağlayıcıların G* ve δ parametreleri ölçülerek viskoz ve elastik davranışları tanımlanmaktadır. Kayma modülü (G*), malzemenin sürekli tekrar eden kayma gerilmelerine tabi tutulmasıyla deformasyona karşı gösterdiği toplam direncin bir ölçüsüdür ve elastik ve viskoz olmak üzere Şekil 3 de görüldüğü gibi iki bileşeni bulunmaktadır. Faz açısı (δ) ise viskoz ve elastik deformasyonun bağıl miktarlarının göstergesidir ve uygulanan gerilme ile meydana gelen deformasyon arasındaki zaman aralığına (Δt) eşit olmaktadır (Şekil 4). Bitümlü bağlayıcıların viskoelastik özelliği sebebiyle, normal sıcaklıklarda faz açısı 0 ile 90 arasında değişecektir. Faz açısının düşük olması bağlayıcının daha fazla elastik özellik gösterdiğini ifade etmektedir [21,25]. Şekil 2: Dinamik kayma reometresi (DSR) çalışma şekli [22,25] Şekil 3: Viskoelastik davranış [28] Kesme modülü ve faz açısı yükleme frekansı ve sıcaklıkla doğrudan ilişkilidir. Asfalt bağlayıcı, yüksek sıcaklıklarda viskoz bir sıvı gibi davranır. Yani faz açısı δ= 90 o iken malzemenin kayma modülü elastik bir özellik göstermez. Çok düşük sıcaklıklarda ise bağlayıcı, oluşan deformasyonların tamamen geri döndüğü elastik katılar gibi davranmaktadır. Bu da faz açısı δ= 0 o iken malzemenin kayma modülünün viskoz bir özellik taşımadığı anlamına gelir [22, 25]. Şekil 4: Viskoelastik malzemelerde gerilme-deformasyon ilişkisi [21,25] DSR deneyinde, işlem görmemiş ve RTFOT ile yaşlandırılmış asfalt bağlayıcılarda 1000 mikron (1 mm) aralık ve 25 mm çaplı plakalar, PAV ile yaşlandırılmış numunelerde ise 2000 mikron aralık ve 8 mm çaplı plakalar kullanılmaktadır. Deneyin gerilme veya deformasyon kontrollü yapılmasına bağlı olarak gerekli değerler hedef verisi olarak bilgisayara girilmektedir [22,23,25,27]. Deney sonucunda belirlenen G* ve δ değerleri kullanılarak tekerlek izi dayanım parametresi olan G*/sinδ değeri tespit edilmektedir. Yüksek tekerlek izi direnci için G*/sin δ değeri orijinal bağlayıcılar için en az 1,00 kpa, RTFOT ile 176

4 Kayma Modülü, G* (Pa) Siyah Karbonun Bitümün Tekerlek İzi Dayanımı Üzerindeki Etkisi yaşlandırılmış bağlayıcılar için ise en az 2,20 kpa olmalıdır. Yüksek G* ve düşük δ değerleri tekerlek izi direncine karşı artışı ifade eder [22,25]. III. DENEYSEL ÇALIŞMALAR A. Siyah Karbon ile Bitüm Modifikasyonu Yapılması Bu çalışmada, modifiye bağlayıcı elde etmek amacıyla yumuşak kıvamlı B160/220 bağlayıcısına ağırlıkça belirli oranlarda (%5, %10, %15) SK ilave edilerek B160/220+%5SK, B160/220+%10SK ve B160/220+%15SK modifiye bağlayıcıları elde edilmiştir. Elde edilen modifiye bağlayıcıların özellikleri incelenerek, saf B160/220 bağlayıcısı ile kıyaslanmış ve siyah karbonun bitümlü bağlayıcı özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Homojen bir bağlayıcı-siyah karbon karışımı elde etmek amacıyla, siyah karbon o C sıcaklığında ısıtılarak, sıcaklığı 150 o C ye ayarlanmış 8 cm çapındaki silindir kalıpta, her bir kanat uzunluğu 3 cm olan iki kanatlı bir karıştırıcı ile 500 devir/dakika hızda 1,0 saat karıştırılmıştır. Saf ve hazırlanmış olan modifiye bitümlerin geleneksel deney yöntemleriyle belirlenmiş bazı fiziksel özellikleri ve bunların AASHTO T240 standardına göre RTFOT ile yaşlandırıldıktan sonraki kütle kaybı sonuçları Tablo 3 da verilmiştir. Tablo 3 incelendiğinde, SK katkılı bağlayıcılarda, saf B160/220 bitümüne göre düktilite ve penetrasyon değerlerinde azalma, yumuşama ve parlama noktalarında ise artış meydana gelmiştir. Bu durum, SK ilavesiyle bağlayıcıların sertliğinin arttığını ve sıcaklık hassasiyetinin düştüğünü göstermektedir. Ayrıca saf, %5 SK ve %10 SK katkılı bitümlerinin kütle kayıpları şartnamenin öngördüğü sınırın altında kalırken %15 SK katkılı bağlayıcının bu sınırı geçtiği ve dolayısıyla kütle kaybı bakımından karışımlarda kullanılmaması gerektiği görülmüştür. Özellikler Tablo 3: Saf ve SK katkılı bitümlü bağlayıcıların fiziksel özellikleri ve RTFOT kütle kayıpları Deney Standardı B 160/220 B 160/220 Sonuç Şartname Sınırı +%5SK B 160/220 +%10SK B 160/220 +%15SK Özgül Ağırlık (gr/cm 3 ), 25 o C TS ,028 1,0 1,1 1,046 1,063 1,079 Düktilite (cm), 25 o C TS min Penetrasyon (0,1mm), 100gr, 5sn, 25 o C EN 1426 (TS 118) Yumuşama Noktası, ( o C) EN 1427 (TS 120) 40, ,8 56,8 64,6 Parlama Noktası, ( o C) EN min Kütle Kaybı (%) AASHTO T240 0,796 maks. 1,0 0,856 0,971 1,192 tabi tutulmuştur. Deney, 1000 mikron aralık ve 25 mm çaplı B. Bağlayıcıların Dinamik Kayma Reometresi (DSR) Deneyi ile Yüksek Sıcaklık Hassasiyetlerinin Belirlenmesi plakalar kullanılarak salınım hızı 10 rad/sn frekansta gerilme kontrollü olarak yapılmış olup, orijinal numunelere 120 Pa, Çalışmada, saf ve modifiye bağlayıcıların, yüksek servis yaşlandırılmış numunelere 220 Pa sabit gerilme uygulanmıştır. sıcaklıklarındaki reolojik özellikleri (G*, δ) belirlenmiş ve Deney sonucunda, orijinal (O) ve yaşlandırılmış (Y) saf ve bitümlerin G*/sin δ tekerlek izi oluşumuna karşı göstereceği katkılı bağlayıcıların farklı sıcaklıklardaki DSR deney direnç tespit edilerek bu bağlayıcıların yüksek servis sonuçlarına göre G*, δ ve G*/sin δ tekerlek izi sıcaklıklarındaki performans dereceleri belirlenmiştir. Bu parametrelerinin sıcaklıkla değişim grafikleri sırasıyla Şekil 5, amaçla Şekil 4 de görülen Bohlin DSR II dinamik kayma Şekil 6 ve Şekil 7 de gösterilmiştir. reometresi kullanılmıştır. 1,E+05 O.Saf O.%5 SK O.%10 SK O.%15 SK Y.Saf Y.%5 SK Y.%10 SK Y.%15 SK 1,E+04 1,E+03 Şekil 4: Bohlin DSR II dinamik kayma reometresi Bağlayıcıların yüksek sıcaklık özelliklerinin tespiti için, yaşlandırılmamış (orijinal) ve RTFOT ile yaşlandırılmış saf ve modifiye bağlayıcılar 6 o C artışla 4 farklı sıcaklıkta deneylere 1,E Sıcaklık ( 0 C ) Şekil 5: Orijinal ve Yaşlandırılmış numunelerin G*-Sıcaklık ilişkisi 177

5 G*/Sinδ, (Pa) Faz Açısı, δ (0) T. Geçkil, T. Alataş, P. Ahmedzade O.Saf O.%5 SK O.%10 SK O.%15 SK 58 Y.Saf Y.%5 SK Y.%10 SK Y.%15 SK Sıcaklık ( 0 C ) Şekil 6: Orijinal ve Yaşlandırılmış numunelerin δ-sıcaklık ilişkisi 1,E+05 1,E+04 1,E+03 1,E+02 Orijinal (min.1000) O.Saf O.%5 SK O.%10 SK O.%15 SK Y.Saf Y.%5 SK Y.%10 SK Y.%15 SK Yaşlandırılmış (min.2200) Sıcaklık ( 0 C ) Şekil 7: Orijinal ve Yaşlandırılmış numunelerin G*/sin δ-sıcaklık ilişkisi Şekil 5 İncelendiğinde, malzemenin sürekli tekrar eden kayma gerilmelerine tabi tutulmasıyla deformasyona karşı gösterdiği direncin bir ölçüsü olan kayma modülü (G*) değerinin hem orijinal hem de yaşlandırılmış bağlayıcılarda SK katkı miktarının artmasıyla önemli bir artış gösterdiği görülmektedir. Şekil 6 İncelendiğinde, B160/220 bağlayıcısına göre, %5 SK katkılı bağlayıcının faz açısının (δ) kısmen yükseldiği yani bağlayıcının daha da viskoz hale geldiği ancak katkı miktarlarının artması ile birlikte faz açılarında düşüş meydana geldiği dolayısıyla modifiye bağlayıcıların SK miktarının artması ile birlikte daha elastik bir katı gibi davrandıkları görülmektedir. Bu iki özellik dolayısıyla, bağlayıcılara SK ilave edilmesiyle bağlayıcıların deformasyonlara karşı göstermiş olduğu dirençte büyük artışlar meydana gelirken aynı zamanda bağlayıcının elastiklik özelliğinin de arttığı ve dolayısıyla kalıcı deformasyon miktarının azaldığı görülmektedir. Şekil 7 İncelendiğinde, SK un B 160/220 bitümüne ilave edilmesiyle elde edilen modifiye bağlayıcıların tekerlek izi parametresinde (G*/sin δ) saf bitüme göre önemli artış olduğu görülmektedir. Saf B 160/220 bitümü, şartname alt ve üst limitleriyle birlikte değerlendirildiğinde, şartname limitlerini yaklaşık 59 o C sıcaklığa kadar sağladığı ve dolayısıyla bu bağlayıcının yüksek sıcaklık performans sınıfının PG 58 olduğu görülmektedir. Benzer şekilde %5, %10 ve %15 SK katkılı bitümlerin sırasıyla 60, 69 ve 73 o C sıcaklığa kadar şartname limitlerini sağladığı görülmektedir. Saf B 160/220 bitümüne göre sırasıyla yaklaşık %2, %17 ve %24 lük bir sıcaklık artışı meydana gelmiştir. Bu bitümlerin yüksek sıcaklık performans sınıfları da sırasıyla PG 58, PG 64 ve PG 70 olarak tespit edilmiştir. Modifiye bağlayıcılar kendi içinde değerlendirildiklerinde, %5 SK katkılı bağlayıcının performans derecesinde B 160/220 bağlayıcısına göre değişim olmadığı, %10 SK katkılı bağlayıcının performans derecesinin bir sınıf (6 o C) ve %15 SK katkılı bağlayıcının iki sınıf (12 o C) arttığı görülmektedir. Buna göre SK ilave edilmiş bağlayıcılarda, bağlayıcının sıcaklık hassasiyetinin düştüğünü, tekerlek izine karşı dayanımının önemli ölçüde arttığını ve sonuç olarak, bağlayıcının daha yüksek sıcaklıklarda kullanılabileceğini ifade etmek mümkündür. IV. SONUÇ Siyah karbonun (SK), bitümlü bağlayıcıların yüksek sıcaklık altında tekerlek izine karşı dayanımına etkisinin araştırıldığı bu çalışmada aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir; B160/220 bağlayıcısına %5, %10 ve %15 SK ilave edilmesiyle hazırlanmış modifiye bağlayıcılarda, katkısız bağlayıcılara göre düktilite ve penetrasyon değerlerinde azalma, yumuşama ve parlama noktalarında ise artış meydana gelmiştir. Bu durum, SK ilavesiyle bağlayıcıların sertliğinin arttığını ve sıcaklık hassasiyetinin düştüğünü göstermektedir. Dinamik Kayma Reometresi (DSR) deney sonuçlarına göre; katkısız bitümlere göre SK katkılı modifiye bağlayıcıların kayma modülü (G*) değerlerinin, SK oranının artışıyla (özellikle %10 ve %15 SK ) önemli ölçüde yükseldiği görülmektedir. Bu yükselme, SK un bitümü sertleştirdiğini ve dolayısıyla deformasyonlara karşı bitümün direncini arttırdığını göstermektedir. SK ile modifiye edilmiş bitümlü bağlayıcıların faz açısı değerlerinin düşük olması, bu tür bağlayıcıların saf bitüme göre daha fazla elastik öğeye sahip olduğunu, bu nedenle daha fazla deformasyonun geriye dönmesine olanak sağladığını göstermektedir. DSR deneyleri sonucunda, SK katkılı bağlayıcıların tekerlek izi parametresi, katkısız bitüme göre daha yüksek çıkmış, dolayısıyla bitümün tekerlek izi dayanımını önemli ölçüde artırmıştır. Saf B160/220 bitümü Superpave tekerlek izi şartını 59 o C sıcaklıkta sağlarken artan SK oranıyla bu sıcaklık 73 o C ye kadar çıkmıştır. Ayrıca saf ve SK modifiyeli bitümlerin performans sınıfları sırasıyla PG 58, PG 58, PG 64 ve PG 70 olarak tespit edilmiştir. Ancak %15 SK katkılı bağlayıcısı RTFOT kütle kaybı bakımından uygun olmadığından bu durumda en elverişli karışımın %10 SK katkılı karışım olduğu görülmüştür. Sonuç olarak, bitüm modifikasyonunda SK kullanılması durumunda, özellikle yüksek sıcaklığa sahip bölgelerde karışımların elastiklik özelliğinin ve tekerlek izine karşı dayanımının artacağı, kaplamada yaptığı iyileştirmelerle kaplamanın hizmet ömrü boyunca maruz kalacağı bakım- 178

6 Siyah Karbonun Bitümün Tekerlek İzi Dayanımı Üzerindeki Etkisi onarım masraflarını, gösterdiği iyi performansla çok daha aza indireceği düşünülmektedir. KAYNAKLAR [1] Lu, X., Isacsson, U., 1998, Effect of Filler on Low Temperature Physical Hardening of Bitumen, Construction and Building Materials, V.12, [2] Ait-Kadi, A., Brahimi, B., Bousmina, M., 1996, Polymer Blends for Enhanced Asphalt Binders, Polymer Engineering and Science, V.36, No.12, pp [3] Benson, F.C., Martinez, D.F., 1984, Evaluation of several mineral fillers for use in item 340 hot-mix asphaltic concrete, Report FHWA/TX/85/1, Texas Transportation Institute, USA. [4] Roberts, F.L., Kandhal, P.S., Brown, E.R., 2000, Hot mix asphalt materials, mixture design and construction, NAPA Education Foundation, Maryland, USA. [5] Roque, R., Birgisson, B., Tia, M., Kim, B., Cui, Z., 2004, Guidelines for Use of Modifiers in Superpave Mixtures: Evaluation of Ground- Tire-Rubber (GTR), Final Report No , University of Florida Department of Civil and Coastal Engineering, 81p. [6] Park, T., Lovell, C., 1996, Using Pyrolized Carbon Black (PCB) from Waste Tires in Asphalt Pavement (Part 1, Limestone Aggregate), Final Report No.FHWA/IN/JHRP-95/10, Joint Highway Research Project Civil Engineering Building, Perdue University, Indiana, 344p. [7] Martin, K.G., 1962, Preliminary Microviscometer Studies of Carbon Black (Rubber) Bitumen Dispersions, Proceedings Australian Road Research Board, Vol.1, Part 1, 895p. [8] Fitzgerald, R.L., 2000, Novel Applications of Carbon Fiber for Hot Mix Asphalt Reinforcement and Carbon-Carbon Pre-forms, The Degree of Master of Science in Chemical Engineering Michigan Technological University, 70p. [9] Rostler, F.S., White, R.M., Dannenberg, E.M., 1977, Carbon Black as a Reinforcing Agent for Asphalt, AAPT, Vol.46, pp [10] Terrel, R.L., Rimstrington, S., 1980, Evaluation of wood lignin as a substitute or extender for asphalt, Report FHWA/RD-80/125, FHA, Washington DC. [11] Wallerga, B.A., Gridley, P.F., 1980, Carbon Black Reinforcement of Asphalt in Paving Mixtures, Asphalt Pavement Construction, New Materials and Techniques, ASTM STP 724, J.A. Scherocman, Ed., American Society for Testing and Materials, pp [12] Yao, Z., Monismith, L.C., 1986, Behavior of Asphalt Mixtures with Carbon Black Reinforcement, AAPT, Vol.55, pp [13] Button, J.W., Little, D.N., Kim, Y., Ahmed, J., 1987, Mechanistic evaluation of selected asphalt additives, Proceedings of the Association of Asphalt Paving Technologists, Vol.56, pp [14] Jennings, P.W., Pribanic, J.A.S., Smith, J., Mendes, T.M., 1988, Predicting the Performance of Montana Test Sections by Physical and Chemical Testing, TRR 1171, TRB, National Research Council, Washington, D.C., pp [15] Khosla, N.P., 1991, Effect of the Use of Modifiers on Performance of Asphaltic Pavements, TRB, Transportation Research Record, No.1317, Washington D.C., pp [16] Ali, N., Zahran, S., Trogton, J., Bergan, A., 1994, A Mechanistic Evaluation of Modified Asphalt Paving Mixtures, Canadian Journal of Civil Engineering, v.21, No.6, pp [17] Yamaguchi, K., Sasaki, I., Nishizaki, I., Meiarashi, S., Moriyoshi, A., 2005, Reinforcing Effects of Carbon Black on Asphalt Binder for Pavement, Journal of Japan Petroleom Institute, 48, (6), [18] Ahmedzade, P., Geçkil, T., 2007, Influence of Carbon Black on the Mechanical and Electrical Properties of Asphalt Mixtures, Indian Journal of Engineering and Materials Sciences, Vol. 14, pp [19] Park, T., Coree, B.J., Lovell, C.W., 1996, Evaluation of Pyrolized Carbon Black from Scrap Tires as Additive in Hot Mix Asphalt, Transportation Research Record, Vol.1530, pp [20] Türkiye Petrol Rafinerileri Anonim Şirketi (TÜPRAŞ), Erişim Tarihi [21] Kennedy, T.W., Huber, G.A., Harrigan, E.T., Cominsky, R.J., Hughes, C.S., Quintus, H.V., Moulthrop, J.S., 1994, Superior Performing Asphalt Pavements (Superpave): The Product of the SHRP Asphalt Research Program, SHRP-A-410, National Research Council, Washington, DC, 170p. [22] Zaniewski, J.P., Pumphrey, M.E., 2004, Evaluation of Performance Graded Asphalt Binder Equipment and Testing Protocol, West Virginia University, Morgantown, 109p. [23] Warren, R.S., McGennis, R.B., Bahia, H.U., 1994, Superpave Asphalt Binder Test Methods an Illustrated Overview, National Asphalt Training Center Demonstration Project 101, Publication No. FHWA- SA , Asphalt Institute, Lexington, 164p. [24] Cominsky, R.J., Huber, G.A., Kennedy, T.W., Anderson, M., 1994, The Superpave Mix Design Manuel for New Construction and Overlays, SHRP-A-407, National Research Council, Washington, DC, 184p. [25] McGennis, R.B., Shuler, S., Bahia, H.U., 1994, Background of Superpave Asphalt Binder Test Methods, National Asphalt Training Center Demonstration Project 101, Publication No. FHWA-SA , Asphalt Institute, Lexington, KY, 104p. [26] McGennis, R.B., Anderson, R.M., Kennedy, T.W., Solaimanian, M., 1995, Background of Superpave Asphalt Mixture Design and Analysis, U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration, Publication No. FHWA-SA , 172p. [27] Petersen, J.C., Robertson, R.E., Branthaver, J.F., et.al., 1994, Binder Characterization and Evaluation Volume 4: Test Methods, SHRP-A- 370, Strategic Highway Research Program National Research Council, Washington, DC, 197p. [28] Asfalt El Kitabı, 2002, İstanbul Büyükşehir Belediyesi, İSFALT Bilimsel Yayın No:2, İstanbul, 573s. 179