INVESTIGATION OF PHYSICAL AND CHEMICAL PROPERTIES OF BITUMEN MODIFIED WITH WASTE ENGINE AND INDUSTRIAL OILS

Abstract

The modification of bitumen with waste oils encourages the transition5 to sustainable production and consumption strategies by increasing resource efficiency and reducing environmental impacts. In this study, bitumen was modified with waste engine oil (WEO) and waste industrial oil (WIO) at the rate of 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, and 4% by weight to increase resource efficiency and contribute to sustainable transportation. Physical tests (penetration, softening point, penetration index, rotational viscometer) were applied to the oil modified bitumens, and the chemical composition of the bitumen as a result of the modification was examined using FTIR, SEM, and EDS analyses. Results indicate that modified bitumens exhibit superior performance in cold climate regions. The modification of 4% WIO and WEO into bitumen reduced the mixing temperature by 3.5% and 5%, respectively, and the compaction temperature by 5% and 10%, respectively. The findings of the study indicate that WIO and WEO can be used in bitumen modification to improve its performance. This study contributes to sustainable production practices by not only utilizing waste materials in a sustainable manner but also reducing the environmental impacts of industrial processes.

Keywords

• Sustainability
• Bitumen
• Waste Engine Oil
• Waste Industrial Oil

ATIK MOTOR VE ENDÜSTRİYEL YAĞLAR İLE MODİFİYE EDİLMİŞ BİTÜMÜN FİZİKSEL VE KİMYASAL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

Abstract

Bitümün atık yağlar ile modifikasyonu, kaynak verimliliğini artırarak ve çevresel etkileri azaltarak sürdürülebilir üretim ve tüketim modellerine geçişi teşvik etmektedir. Bu çalışmada, kaynak verimliliğini arttırmak ve sürdürülebilir ulaşıma katkı sağlamak amacıyla bitüm ağırlıkça %2, %2.5, %3, %3.5 ve %4 oranlarında atık motor yağı (AMY) ve atık endüstriyel yağ (AEY) ile modifiye edilmiştir. Modifiye edilen bitümlere fiziksel deneyler (penetrasyon, yumuşama noktası, penetrasyon indeksi, dönel viskozimetre) uygulanmış ve modifiye bitümlerin kimyasal içeriği FTIR, SEM ve EDS analizleri ile incelenmiştir. Çalışma sonucunda, modifiye edilen bitümlerin hava sıcaklığının düşük olduğu bölgelerde kullanımının daha uygun olacağı tespit edilmiştir. AEY ve AMY ile %4 oranında modifiye edilen bitümlerin karıştırma sıcaklığı sırasıyla %3.5 ve %5 oranında azalırken, sıkıştırma sıcaklığı ise %5 ve %10 oranında azalmıştır. Çalışmadan elde edilen sonuçlara göre AEY ve AMY’lerin bitüm performansını arttırmak amacıyla bitüm modifikasyonunda kullanılabileceği gösterilmiştir. Bu çalışma, atık malzemelerin sürdürülebilir bir şekilde kullanılmasının yanı sıra endüstriyel süreçlerin çevresel etkilerini azaltarak sürdürülebilir üretim uygulamalarına katkıda bulunmaktadır.

Keywords

• Sürdürülebilirlik
• Bitüm
• Atık Motor Yağı
• Atık Endüstriyel Yağ

References

1. İ. Gökalp, Y. Özinal, V.E. Uz, Atık bitkisel yemeklik yağların saf bitüm özelliklerine etkisinin araştırılması, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi 6 (4) (2018) 570–578.
2. N.H.M. Kamaruddin, M.R. Hainin, N.A. Hassan, M.E. Abdullah, H. Yaacob, Evaluation of pavement mixture incorporating waste oil, Jurnal Teknologi 71 (3) (2014).
3. İ. Gökalp, V.E. Uz, Sustainable production of aging-resistant bitumen: waste engine oil modification, J. Transp. Eng. Part B: Pavements 147 (4) (2021) 04021055.
4. T. Khedaywi, M. Melhem, Effect of waste vegetable oil on properties of asphalt cement and asphalt concrete mixtures: an overview, Int. J. Pavement Res. Technol. 17 (1) (2024) 280–290.
5. M.T. Rahman, A. Mohajerani, F. Giustozzi, Recycling of waste materials for asphalt concrete and bitumen: a review, Materials 13 (7) (2020) 1495.
6. S. Liu, H. Meng, Y. Xu, S. Zhou, Evaluation of rheological characteristics of asphalt modified with waste engine oil (WEO), Petrol. Sci. Technol. 36 (6) (2018) 475–480.
7. S. Liu, A. Peng, S. Zhou, J. Wu, W. Xuan, W. Liu, Evaluation of the ageing behaviour of waste engine oil-modified asphalt binders, Constr. Build. Mater. 223 (2019) 394–408.
8. E. Yalcin, M. Yilmaz, Characteristics of bituminous binders modified with waste oils: physical, chemical, and rheological properties, Int. J. Civ. Eng. 20 (12) (2022) 1377–1395.

9. T. Shoukat, P.J. Yoo, Rheology of asphalt binder modified with 5W30 viscosity grade waste engine oil, Appl. Sci. 8 (7) (2018) 1194.
10. W.N.H.M. Sani, R.P. Jaya, B. Bunyamin, Z.H. Al-Saffar, Y. Arbi, Waste motor engine oil–the influence in warm mix asphalt, J. Pendidik. Teknol. Kejuruan 6 (4) (2023) 248–255.
11. Z. Liu, S. Li, Y. Wang, Characteristics of asphalt modified by waste engine oil/polyphosphoric acid: conventional, high-temperature rheological, and mechanism properties, J. Clean. Prod. 330 (2022) 129844.
12. Y. Liu, Z. Yang, H. Luo, Effects of anhydrous calcium sulfate whisker and waste engine oil on performance of asphalt binder and its mixture, J. Mater. Civ. Eng. 36 (2) (2024) 04023540.
13. S. Fernandes, J. Peralta, J.R. Oliveira, R.C. Williams, H.M. Silva, Improving asphalt mixture performance by partially replacing bitumen with waste motor oil and elastomer modifiers, Appl. Sci. 7 (8) (2017) 794.
14. K.A. Owaid, A.A. Hamdoon, R.R. Matti, M.Y. Saleh, M.A. Abdelzaher, Waste polymer and lubricating oil used as asphalt rheological modifiers, Materials 15 (11) (2022) 3744.
15. A.A. Mamun, H.I. Al-Abdul Wahhab, M.A. Dalhat, Comparative evaluation of waste cooking oil and waste engine oil rejuvenated asphalt concrete mixtures, Arab. J. Sci. Eng. 45 (2020) 7987–7997.
16. K.P. Okon, E.O. Inyang, E.O. Mkpa, S.A. Saturday, Optimization of hot mix asphalt using diesel engine waste oil and reclaimed asphalt pavement to improve stability and durability, Asian J. Eng. Appl. Technol. 13 (2) (2024) 7–14.
17. A. Eltwati, R. Putra Jaya, A. Mohamed, E. Jusli, Z. Al-Saffar, M.R. Hainin, M. Enieb, Effect of warm mix asphalt (WMA) antistripping agent on performance of waste engine oil-rejuvenated asphalt binders and mixtures, Sustainability 15 (4) (2023) 3807.
18. A. Refaat, A.M. Saleh, R.K. Farag, A.E. Mostafa, Toward sustainable green asphalt pavement mixture using RAP and waste engine oil, Trends Adv. Sci. Technol. 1 (1) (2024) 10.
19. B. Ali, P. Li, D. Khan, M.R.M. Hasan, W.A. Khan, Investigation into the effect of waste engine oil and vegetable oil recycling agents on the performance of laboratory-aged bitumen, Bud. Archit. 23 (1) (2024) 033–054.
20. A. Villanueva, S. Ho, L. Zanzotto, Asphalt modification with used lubricating oil, Can. J. Civ. Eng. 35 (2) (2008) 148–157.
21. B. Kuczenski, R. Geyer, T. Zink, A. Henderson, Material flow analysis of lubricating oil use in California, Resour. Conserv. Recycl. 93 (2014) 59–66.
22. A. Eleyedath, A.K. Swamy, Use of waste engine oil in materials containing asphaltic components, in: Eco-Efficient Pavement Construction Materials, Woodhead Publishing, 2020.
23. X. Jia, B. Huang, B.F. Bowers, S. Zhao, Infrared spectra and rheological properties of asphalt cement containing waste engine oil residues, Constr. Build. Mater. 50 (2014) 683–691.
24. A.K. Banerji, D. Chakraborty, A. Mudi, P. Chauhan, Characterization of waste cooking oil and waste engine oil on physical properties of aged bitumen, Mater. Today Proc. 59 (2022) 1694–1699.
25. S.M.R. Tabatabaei, M. Arabani, G.H. Hamedi, Performance of asphalt mixtures containing high reclaimed asphalt pavement and waste steel rolling oil, Constr. Build. Mater. 441 (2024) 137570.
26. Türk Standartları Enstitüsü, TS EN 1426. Bitüm ve bitümlü bağlayıcılar – İğne batma derinliği tayini, Ankara, Türkiye, 2015.
27. Türk Standartları Enstitüsü, TS EN 1427. Bitüm ve bitümlü bağlayıcılar – Yumuşama noktası tayini – Halka ve bilye yöntemi, Ankara, Türkiye, 2015.
28. Türk Standartları Enstitüsü, TS EN 13589. Bitüm ve bitümlü bağlayıcılar – İşlem görmüş bitümlerin çekme özelliklerinin düktilometre metoduyla tayini, Ankara, Türkiye, 2009.
29. Türk Standartları Enstitüsü, TS EN 15326+A1. Bitüm ve bitümlü bağlayıcılar-Yoğunluk ve özgül kütle tayini-Kapiler kapaklı piknometre yöntemi. Ankara, Türkiye, 2010.
30. Petrol Sanayi ve Emobilite Derneği (PETDER), Atık yağların yönetimi projesi 2023 faaliyet raporu. , 2025 (Accessed: Mar. 22, 2025).
31. ASTM International, ASTM D4402/D4402M-13. Standard test method for viscosity determination of asphalt at elevated temperatures using a rotational viscometer, West Conshohocken, PA, 2013.
32. Nuroil. (2024). Bitumen 100/150 (Penetration Grade Bitumen) Product Data Sheet. , 2025 (Accessed: Mar. 20, 2025).
33. Petra Oil. (2024). Bitumen Viscosity Grade AC 2.5. , 2025 (Accessed: Mar. 20, 2025).
34. Asphalt Institute. (2005). Guidance on AASHTO M320 Specification Limit for Rotational Viscosity. , 2025 (Accessed: Mar. 20, 2025).
35. İ. Gökalp, A. U. Yıldız, M. B. Eren, V. E. Uz, Atik Motor Yağı Modifiyeli Bitümün Mühendislik Özelliklerinin Araştırılması. Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Mühendislik ve Mimarlık Fakültesi Dergisi, 27(3), 184-193, 2019.
36. N. Kuloğlu, M. Yılmaz, B. V. Kök, Farklı penetrasyon derecelerine sahip asfalt çimentolarının kalıcı deformasyona karşı dayanımlarının ve işlenebilirliklerinin incelenmesi, Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 13(1), 2008.