The Effect of Carbon Black on Moisture Performance of Asphalt Pavements

Abstract

In this study, the effects of carbon black (CB) additive obtained from waste tires on the moisture performance of hot mix asphalt pavements were investigated. For this purpose, modified asphalts were prepared by adding 5%, 10%, 15% and 20% CB by weight to pure asphalt with penetration class B 160/220. Physical properties of pure and modified asphalts were determined by penetration, softening point and ductility tests, and workability properties were determined by rotational viscometer (RV) test. Then, the optimum asphalt content of the mixture was determined according to Marshall design method by using aggregate and pure asphalt for mixture design. Based on this determined ratio, pure and modified asphalts and hot mix samples were prepared. Pure and CB added modified mixture samples were subjected to Marshall stability, retained Marshall stability (RMS) and indirect tensile strength (ITS) tests. According to the physical test results, it was observed that the hardness and workability temperatures of the modified binders increased with the CB additive. According to the test results of the mixture, it was observed that CB additive had an improving effect on the moisture performance of road pavements due to the significant increases in Marshall stability, RMS and indirect tensile strength ratio (ITSR) values, especially at the rate of 10% CB.

Keywords

• Asphalt
• Carbon black
• Modified mixture
• Marshall stability
• Indirect tensile strength

Asfalt Kaplamaların Nem Performansı Üzerinde Siyah Karbonun Etkisi

Abstract

Bu çalışmada, atık lastiklerden elde edilmiş olan siyah karbon (SK) katkısının sıcak karışım asfalt kaplamaların nem performansı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla, penetrasyon sınıfı B 160/220 olan saf asfalta ağırlıkça %5, %10, %15 ve %20 oranlarında SK eklenerek modifiye asfaltlar hazırlanmıştır. Saf ve modifiye asfaltların fiziksel özellikleri penetrasyon, yumuşama noktası ve düktilite deneyleri ile, işlenebilirlik özellikleri ise dönel viskozimetre (RV) deneyi ile belirlenmiştir. Daha sonra, karışım tasarımı için agrega ve saf asfalt kullanılarak Marshall tasarım yöntemine göre karışımın optimum asfalt içeriği belirlenmiştir. Belirlenen bu oran esas alınarak saf ve modifiye asfaltlar ile sıcak karışım numuneleri hazırlanmıştır. Saf ve SK katkılı modifiye karışım numuneleri Marshall stabilitesi, kalıcı Marshall stabilitesi (RMS) ve dolaylı çekme mukavemeti (ITS) deneylerine tabi tutulmuştur. Fiziksel test sonuçlarına göre, SK katkısı ile modifiye bağlayıcıların sertliğinin ve işlenebilirlik sıcaklıklarının arttığı görülmüştür. Karışım test sonuçlarına göre, Marshall stabilitesi, RMS ve dolaylı çekme mukavemeti oranı (ITSR) değerlerinin özellikle %10SK oranında önemli artışlar göstermesi sebebiyle yol kaplamalarının nem performansı üzerinde SK katkısının iyileştirici bir etki gösterdiği görülmüştür.

Keywords

• Asfalt
• Siyah karbon
• Modifiye karışım
• Marshall stabilitesi
• Dolaylı çekme mukavemeti

References

1. [1] A. E. A. El-Maaty Behiry, “Laboratory evaluation of resistance to moisture damage in asphalt mixtures,” Ain Shams Engineering Journal, vol. 4, no. 3, pp. 351-363, 2013.
2. [2] H. A. Omar, N. I. Yusoff, M. Mubaraki and H. Ceylan, “Effects of moisture damage on asphalt mixtures,” Journal of Traffic and Transportation Engineering,vol. 7, no. 5, pp. 600-628, 2020.
3. [3] B.V. Kök, “Bitümlü sıcak karışımların üretimindeyeni bir karıştırma yönteminin araştırılması,” Doktora tezi, İnşaat Mühendisliği, Fen Bilimleri Enstitüsü, Fırat Üniversitesi, Elazığ, Türkiye, 2007.
4. [4] Ç. Görkem and B. Şengöz, “Predicting stripping and moisture induced damage of asphalt concrete prepared with polymer modified bitumen and hydrated lime,” Construction and Building Materials, vol. 23, no. 6, pp. 2227–2236, 2009.
5. [5] H. Özen, “Rutting evaluation of hydrated lime and SBS modified asphalt mixtures for laboratory and field compacted samples,” Construction and Building Materials, vol. 25, no. 2, pp. 756–765, 2011.
6. [6] A. Aksoy, E. İskender, Ş. Oruç ve H. Özen, “SBS polimeri ve su hasarı önleyici katkıların asfalt kaplamalarda performans karşılaştırması,” İMO Teknik Dergi, c. 80, ss. 5967-5986, 2012.
7. [7] J. C. Petersen, H. P. Plancher and M. Harnsbergen, “Lime treatment of asphalt to reduce age hardening and improve flow properties,”In: Proceedings AAPT,vol. 56, pp. 632-653, 1987.
8. [8] Anonymous. (2021, September 27). How to add hydrated lime to hot mix asphalt.[Online]. Available: https://www.lime.org/documents/publications/free_downloads/how-to-add-lime.pdf.

9. [9] T. W. Kennedy and N. J. Anagnos, “Lime treatment of asphalt mixtures,”4. Center for Transportation Research, Austin, United States, 1983, pp. 20–28.
10. [10] J. Epps, E. Berger and J. N. Anagnos, “Moisture sensitivity of asphalt pavements,”A National Seminar, California, United States, 2003, pp. 117-177.
11. [11] P. Kumar, S. Chandra and S. Bose, “Strength characteristics of polymer modified mixes,” International Journal of Pavement Engineering, vol. 7, no. 1, pp. 63–71, 2006.
12. [12] T. Geçkil, Y. Önal ve C. B. İnce, “Atık PET ile modifiye edilmiş bitümlü sıcak karışımların nem direnci,” Politeknik Dergisi, c. 24, s. 2, ss. 461-471, 2021.
13. [13] H. Eryılmaz ve K. O. Demirarslan, “Ömrünü tamamlamış lastiklerin (ÖTL) sıvılaştırılarak geri dönüşümünün araştırılması,” Sürdürülebilir Mühendislik Uygulamaları ve Teknolojik Gelişmeler Dergisi, c. 2, s. 1, ss. 50-56, 2019.
14. [14] A. P. T. Demir. (2021, 27 Ekim). Atık lastiklerin geri dönüşümü üzerine bir derleme. [Online]. Erişim:http://www.plastik-ambalaj.com/tr/plastik-ambalaj-makale/2452-arac-lastiklerinin-geri-doenuesuemue-uezerine-bir-derleme.
15. [15] B. Adhikari and D. De, S. Maiti, “Reclamation and recycling of waste rubber,” Progress in Polymer Science, vol. 25, pp. 909-948, 2000.
16. [16] J. Xu, J. Yu, W. He, J. Huang, J. Xu and G. Li, “Recovery of carbon black from waste tire in continuous commercial rotary kiln pyrolysis reactor,” Science of The Total Environment,vol. 772, pp. 145507, 2021.
17. [17] E. Durna, G. Köz ve N. Genç, “Türkiye’de ömrünü tamamlamış lastiklerin yönetiminde en uygun bertaraf seçeneğinin Promethee ve bulanık Promethee yöntemi ile belirlenmesi,” Politeknik Dergisi, c. 23, s. 4, ss. 915-927, 2020.
18. [18] D. Czajczyńska, R. Krzyżyńska, H. Jouhara and N. Spencer, “Use of pyrolytic gas from waste tire as a fuel: a review,” Energy,vol. 134, pp. 1121-1131, 2017.
19. [19] R. Smelík, S. Vilamová, K. Chuchrová, R. Kozel, A. Király, A. Levit andJ. Gajda, “Complex processing of rubber waste through energy recovery,” Acta Montanistica Slovaca, vol. 20, pp. 290-297, 2015.
20. [20] T, Geçkil,“Siyah karbonubn bitümlü sıcak karışımların özelliklerine etkisinin araştırılması,” Doktora tezi, İnşaat mühendisliği, Fen Bilimleri Enstitüsü, Fırat Üniversitesi, Elazığ, Türkiye, 2008.
21. [21] P. Cong, P. Xu and S. Chen, “Effects of carbon black on the anti aging, rheological and conductive properties of SBS/asphalt/carbon black composites,” Construction and Building Materials, vol.52, no. 15, pp. 306-313, 2014.
22. [22] R. Casado-Barrasa, P. Lastra-Gonzalez, I. Indacoechea-Vega and D. Castro-Fresno, “Assessment of carbon black modified binder in a sustainable asphalt concrete mixture,”Construction and Building Materials, vol. 211, pp. 363-370, 2019.
23. [23] T. Alataş, M. Yılmaz, B. V. Kök, M. E. Çeloğlu, M. Akpolat, Ö. E. Yamaç ve E. Yalçın, “Öğütülmüş araç lastiğinin ve piroliz işleminden sonra oluşan karbon siyahının bitümlü bağlayıcıların reolojik özellikleri üzerindeki etkisi,” Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, c. 23, s. 1, ss. 311-328, 2018.
24. [24] Z. Yao and C. L. Monismith, “Behavior of asphalt mixtures with carbon black reinforcement,” Proceedings of the Association of Asphalt Paving Technologists, vol. 32, 1987.
25. [25] R.L. Terrel andS. Rimstrington, “Evaluation of wood lignin as a substitute or extender for asphalt,”Federal Highway Administration, United States, Report FHWA/RD-80/125, 1980.
26. [26] P. Ahmedzade, T. Alataş ve T. Geçkil, “Asfalt betonunda siyah karbonun filler olarak kullanımı,”İMO Teknik Dergi, c. 297, ss. 4493-4507, 2008.
27. [27] P. Ahmedzade, T. Alataş and T. Geçkil, “The effect of carbon black on the mechanical properties of asphalt mixtures,” Journal of Engineering and Natural Sciences Sigma, vol. 25, no. 2, pp. 179-189, 2007.