Determining Optimum Sulphur Content As An Alternative Binder Additive In Asphaltic Concrete Pavements

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2016Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2016Karayolu üstyapıları esasen esnek ve rijit olmak üzere iki gruba ayrılır. Farklı tabakalardan meydana gelen esnek üstyapı kaplamalarında alttan itibaren, sırasıyla binder ve aşınma tabakaları vardır. Bu tabakalarda belirlenmiş gradasyonlarda hazırlanmış iri agrega, ince agrega ve filler bitüm ile birlikte plentlerde (asfalt üretim tesisleri) karıştırılarak projesinde belirtilen kalınlıklarda sıkıştırılır. Bu tür karışımlar "Bitümlü Sıcak Karışımlar, BSK, Asfalt Betonu" olarak adlandırılır. Bunun yanında, yol yüzeyine ince bir bitüm tabakasının püskürtülmesi ve üzerine agrega serilip sıkıştırılması sonucu elde edilen, "Yüzeysel (sathi) Kaplama" olarak adlandırılan yöntemler de mevcuttur. Dolayısıyla, asfalt betonu ve yüzeysel kaplamalarda bağlayıcı olarak "bitüm" kullanılmakta ve ülkemizin karayollarında tamamına yakınında yukarıdaki iki türden bir tanesi, yolun trafik miktarı da göz önüne alınarak uygulanmaktadır. Bitüm ham petrolün rafinerilerde ayrıştırılması sonucu elde edilir, yani ham petrolün fraksiyonlarından biridir. İlerleyen teknoloji petrolün; bitüm, benzin ve motorin gibi daha kıymetli olan fraksiyonlarına çevrilmesine olanak sağlamıştır. Ham petrolün ithal edildiği de göz önüne alındığında, esnek üstyapılarda bitüm kullanımının azaltılmasının ülke ekonomisine faydası aşikârdır. Bitümlü sıcak karışımlara olan talep azalmadığından, bu bağlamda yapılacak uygulama bitümün yerine daha uygun bir bağlayıcı kullanmaktır. Bu nedenle bitümün yerine kullanılacak bağlayıcının bitümün özelliklerine sahip olması gerekmektedir. Bitüm’ün esnek üstyapılarda kullanılmasına olanak sağlayan en önemli iki özelliği adezyon (agregalara yapışabilme) ve kohezyondur (esnek bir biçimde şekil değiştirebilme). Epoksi bir tür bağlayıcı olup bitümün yerine kullanılabilmektedir ve bu tür uygulamalar "epoksi asfalt" olarak adlandırılmaktadır. Ancak epoksi asfaltın maliyeti çok yüksek olup, çelik köprü kaplamaları gibi çok özel uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu nedenle bitüm yerine kullanılacak bağlayıcının aynı zamanda karışımın maliyetini arttırmaması elzemdir. Doğada yaygın olarak bulunan ve "kükürt" olarak da bilinen sülfür, yukarıda belirtilen özellikleri nedeniyle bitüm yerine kullanılabilecek bir bağlayıcıdır. Doğada bulunmasının yanı sıra birçok endüstride yan ürün olarak da elde edilmektedir. Ülkemiz sülfür yatakları bakımından birbirinden farklı, büyük rezervlere sahip olup, bunlar çeşitli şekillerde işletilmektedir. Dolayısıyla, asfalt betonu üretiminde sülfür kullanılması, birim fiyatı ve ülke ekonomisine katkısı yönünden bitüme göre daha uygun olabilmektedir. Ülke ekonomisine yapacağı katkının ve bitümün önemli özelliklerine sahip olmanın yanı sıra, sülfür kullanılarak hazırlanan asfalt betonlarının kalıcı deformasyonlara direncinin yüksekliği ve karışımlarda işlenebilirliği olumlu yönde etkilemesi, yani mekanik özelliklerinin üstünlüğü de söz konusu uygulamalarda kullanımlarını cazip kılmaktadır. Ancak yapılan araştırmalar, en azından günümüzde, sülfürün bitümün yerine tamamen değil de kısmen kullanılabileceği doğrultusunda sonuçlar vermektedir. Arazideki uygulamalarda, sülfür bitümle birlikte asfalt betonu üretiminde iki şekilde kullanılabilir. Bunlar: • Harman tipi (batchtype) asfalt plentlerindebitüm ve agrega ile birlikte, mikserde aynı anda karıştırmak • Rafinerilerde veya karışım tesislerinde bitümle önceden karıştırılarak plentlerde kullanıma hazır hale getirmek Bu tezin danışmanının daha önce yaptırmış olduğu, granüler sülfür kullanılarak bitümlü sıcak karışımlar hazırlanması ve performansının incelenmesi konusundaki doktora çalışmasının sonuçlarından da faydalanılarak, sülfürün bitümün yerine tamamen kullanılmasının istenilen performansı sağlamayacağı düşüncesine varılmıştır. Ayrıca mezkur çalışmada sülfür agrega ile karıştırılarak, yani asfalt plentlerindeki uygulamanın benzeri asfalt betonu numuneleri hazırlanarak sülfür kullanımının karışım üzerine etkisi incelenmiştir. Dolayısıyla, sülfürün bitümle birlikte bağlayıcı olarak performansı, diğer bir deyişle rafinerilerde veya karışım tesislerinde bitümle önceden karıştırılarak hazırlanması sonucu üretilen bağlayıcının performansı incelenmiş ve sonuçları değerlendirilmiştir. Bu bağlamda ve laboratuvar ölçeğinde yapılan çalışmalarda esas olarak, ülkemizde yaygın olarak kullanılan penetrasyon dereceli bitümler belirli oranlarda granüler sülfürle karıştırılarak reolojik, mekanik ve morfolojik özellikleri karşılaştırılmıştır. Reolojik, mekanik ve morfolojik deneyler sülfür ilave edilmemiş, asfalt betonu yapımında kullanılan bitümlere de uygulanarak, bu bağlayıcılar "kontrol grubu" olarak kabul edilmiştir. Bu şekilde sülfür ilave edilerek özellikleri değiştirilen bağlayıcıların geleneksel olarak kullanılan bağlayıcılara göre performansı karşılaştırılmıştır. Çalışmada sırasıyla B50/70, B70/100, B100/150, B160/220 penetrasyon dereceli bitümler kullanılmıştır. Bağlayıcılardan B160/220 genellikle yüzeysel kaplamalarda, B50/70 sıcak bölgelerde, diğerleri ise ülkenin değişik kesimlerindeki uygulamalarda kullanılmaktadır. Öncelikle bu bitümlerin temel özellikleri belirlenmiş, Penetrasyon İndeksleri hesaplanmıştır. Daha sonra, %10 oranından başlayarak, sırasıyla %20, %30, %40 ve %50 oranlarında sülfür bitüm ile karıştırılarak numuneler hazırlanmıştır. Bitüm ve sülfürün birim hacim ağırlıkları farklı olduğundan, ilave edilen sülfür miktarı ağırlıkça, yani 10 gram bitüm yerine 10 gram sülfür ilave edilmiştir. Oranların bu şekilde belirlenmesi, yukarıda sözü edilen ve diğer deneysel çalışmaların göz önüne alınması sonucunda verilmiş bir karardır. Karışımlar hazırlanırken homojen bir karışım elde edilmesi doğrultusunda gerekli her tedbir alınış, bitümün bozulması kristalleşme oluşumu önlenmiştir. Hazırlandıktan sonra ortam sıcaklığında soğumaya bırakılan numuneler, alüminyum folyeye sarılarak çevresel etkilerden olumsuz etkilenmesi önlenmiştir. Asfalt betonu hazırlanırken, serilip ve sıkıştırılırken, ayrıca hizmet ömrü süresince bitüm oksitlenir, yani yaşlanır. Yaşlanmış bağlayıcıların performanslarının incelenmesi amacıyla, hazırlanan karışımlar kısa ve uzun süreli yaşlandırılmaları sırasıyla, Dönel İnce Film Halinde Isıtma Deneyi ve Basınçlı Yaşlandırma Kabini cihazları kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Temel bitüm deneyleri yaşlandırılan numunelere de uygulanmıştır. Temel deneylerin üzerine, bağlayıcının çeşitli ortamlardaki davranışını belirleyen gelişmiş SUPERPAVE bağlayıcı deneyleri uygulanmıştır. Bunlar Dönel Viskometre bağlayıcının uygulama sıcaklığındaki vizkozitesini, Dinamik Kesme Reometresi farklı sıcaklıklardaki rijitlik özelliğini ve Kiriş Eğilme Reometresi özellikle düşük sıcaklıklarda sünme rijitliğini belirleyen deneylerdir. Bütün bu deneylerin gerçekleştirilmesi sonucunda, farklı oranlarda sülfür ilave edilen bağlayıcıların hem kendi aralarında hem de geleneksel olarak kullanılan bağlayıcılara nazaran, yaşlanma özellikleri de göz önüne alınarak tüm performans özellikleri incelenmiş ve değerlendirilmiştir. Sülfür kullanılarak hazırlana karışımların performansları değerlendirilirken, bitümle sülfürün birlikte kullanılmaları halinde aralarındaki uyumluluk son derece önemlidir. Genel olarak bitümle sülfür arasındaki ilişki, düşük oranlarda sülfürün bir kısmının bitümle kimyasal reaksiyona girmesi biçimindedir. Bitüme ilave edilen sülfür oranı arttırıldıkça sülfürün bir kısmının bitüm içerisinde çözülmesi ve geriye kalanının kristalleşmesi şeklindedir. Bütün bu ilişkinin karışımın performansı açısından önemi göz önüne alındığında, numunelerin yaşlandırılmadan önce ve sonraki morfolojisi SEM (Scanning Electron Microscopy) yardımıyla belirlenmiştir. Böylelikle sülfürün bitüm içerisinde dağılımı ve oluşturduğu yapılanmalar gözlemlenmiştir. İlave olarak, yapılan kimyasal analizlerle karışımlardaki Karbon ve Sülfür oranları hem ağırlık hem de atomik yüzde cinsinden hesaplanmıştır. Böylelikle standart ve SUPERPAVE bitüm deneylerinden elde edilen sonuçların görsel olarak da karşılaştırılması ve yorumlanması sağlanmıştır. Sonuç olarak, sülfür ilave edilen bitümlerin kalıcı deformasyonlara karşı daha dirençli olduğu, viskozite özellikleri nedeniyle daha düşük sıcaklıklarda karıştırılıp sıkıştırılacağı düşüncesine varılmıştır. Yapılan ekonomik analiz de göz önüne alındığında bağlayıcılarda bitüm yerine %30 ve/veya %40 oranında sülfür kullanıldığında hem daha ekonomik hem de performansı daha yüksek bitümlü karışımların elde edilebileceği kanaatine varılmıştır.A by-product of crude oil, about 50 million tons of bitumen are manufactured annually, with the majority of this production directed towards pavement construction. The world's mounting population means that in coming decades the current oil reserves will no longer meet needs, causing a rise in the price of bitumen, and thus in the price of pavements as well. Used as the primary binder in asphaltic concrete production, the high financial costs of bitumen, coupled with the constricting amounts needed have been forcing pavement engineers to search for an alternative material that can at least partially be used as a substitute. Sulphur ranks as the tenth most abundant chemical element in the universe and the thirteenth in the earth’s crust. Apart from its natural existence, the strict environmental regulations of developed countries have also led to the acquisition of an abundant amount of elemental sulphur during desulphurization processes of natural gas and petroleum. Therefore instead of discarding sulphur, it can be utilized in road pavements.Although many important studies were conducted in the 1970s on the use of sulphur in asphalt pavements, there is still a deficiency of additional information due to the lack of multi-sided assessments and contemporary SUPERPAVE tests. The purpose of this paper is to provide an in-depth explanation of the integrated studies relative to sulphur utilization with current binders. In this study, a set of both laboratory experiments is conducted on different types of neat bitumen and sulphur-extended-binders. Bitumen types classified by penetration grades (B50/70, B70/100, B100/150, and B160/220) are used to investigate the effectiveness of sulphur.Each neat bitumen type is then replaced with 10, 20, 30, 40, and 50% granular sulphur by weight. It is important to note here that the granular sulphur proportion in the replacement process is a weight percentage of the entire mixture. During the blending, careful attention is paid to the sulphur replacement and the blending process is performed in accordance with relevant specifications to maximize the rheological properties, minimize the bitumen degradation, obtain a homogenous blend, create chemical bonds, and prevent possible crystallization and the emission of poisonous SO2 and H2S gases.After the completion of the blending, the new binders are placed in small containers, and the mixtures are allowed to cool to room temperature. The mixtures are sealed with aluminium foil against possible oxidation and aging. Finally, they are stored for the following experiments: The basic properties of neat bitumen, prior to any extension, are determined so that they can be compared with resultant sulphur-extended-binders. Monitoring of the molecular and intermolecular (microstructure) levels of these new binders is carried out by scanning electron microscope. Physical and rheological tests specified in many binder specifications are also examined to determine penetration, softening point, penetration index, specific gravity, rotational viscometer, dynamic shear rheometer, and bending beam rheometer. Re-monitoring of a new morphology is performed to understand the matrix of bitumen phase and sulphur phase by scanning electron microscope. All physical experiments mentioned above are conducted so as to validate the effectiveness of differing amounts of sulphur on each bitumen sample. A dynamic shear rheometer test is conducted at different frequencies and temperatures to calculate the complex modulus and phase angle.To simulate the aging mechanism of the new binders, they are first aged via a rolling thin film oven test and then a pressure aging vessel. All physical experiments on short-term aged and long-term aged specimens are performed to examine the behavior of aged new binder specimens that are simulating the performance of itself during typical compaction and service life. The morphology, mechanical, and rheological engineering properties investigated demonstrated that the addition of sulphur not only lowers total costs, but also increases the performance of the binder.DoktoraPh