Farklı Penetrasyon Sınıfına Ait Bitümlü Bağlayıcıların Reolojik Özelliklerinin Karşılaştırılması

Öz

Esnek üstyapılarda meydana gelen bozulmaların büyük bir çoğunluğunun bağlayıcı malzeme olarak kullanılan bitüm ve bitümün deformasyon özellikleriyle ilişkili olabileceği bilinmektedir. Bu nedenle, viskoelastik ve termoplastik bir malzeme olan bitümün sıcaklık ve trafik etkisi altında deformasyon davranışlarının bilinmesi önem arz etmektedir. Çalışmada, ülkemizde kullanılmakta olan B50/70 ve B160/220 sınıfına ait bağlayıcıların reolojik özellikleri güncel deney yöntemleriyle incelenmiş, iki bağlayıcı türüne ait reolojik parametrelerde meydana gelen farklılıklar araştırılmıştır. Bu amaçla, çalışmanın ilk aşamasında bağlayıcıların penetrasyon, yumuşama noktası, viskozite gibi fiziksel özelliklerine ait parametreler tespit edilmiş, ayrıca dönel ince film halinde ısıtma etüvü (RTFO) ve basınçlı yaşlandırma kabı (PAV) yardımıyla bağlayıcıların çeşitli reolojik deneylerde kullanılmak üzere kısa ve uzun vadeli yaşlandırma işlemleri gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmaların ardından, reolojik deney programına geçilmiştir. Buna göre, farklı genlik (amplitude sweep) deneyleri yardımıyla bağlayıcı türlerinin viskoelastik limit (LVE) değerleri belirlenmiş, küçük genlik salınım kesme deneyi (SAOS) ile bağlayıcıların zamana bağlı deformasyon davranışları gözlemlenmiştir. SAOS deneyi verileri yardımıyla bağlayıcı türlerine ait ana eğriler oluşturularak daha geniş bir frekans aralığında bağlayıcıların depolama ve kayıp modülü parametreleri araştırılmıştır. Güncel bir yorulma deneyi olan lineer genlik tarama (LAS) testi ile bağlayıcıların yorulma ömürleri belirlenmiştir. Elde edilen test parametreleri neticesinde B50/70 ve B160/220 bitümleri arasındaki reolojik farklılıklar karşılaştırılmalı olarak ortaya konmuştur. SAOS deneyi verilerine göre B160/220 bağlayıcısının 40 oC’nin üzerinde tümüyle viskoz davranış biçimini sergileyebileceği ortaya konmuştur. LAS deneyi neticesinde düşük deformasyon mertebelerinde B50/70 bitümünün B160/220 bağlayıcısına göre daha uzun bir yorulma ömrü olabileceği belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Bitüm
• Reoloji
• Deformasyon
• Yorulma ömrü

Comparison of Rheological Properties of Bitumens Having Various Penetration Classes

Abstract

As known, most of the deteriorations in flexible pavements are related to the deformation properties of the bitumen used as a binder. For this reason, it is fundamental to know the deformation behavior of bitumen which is a viscoelastic and thermoplastic material. In this study, the rheological properties of binders having B50/70 and B160/220 penetration classes were investigated with multiple test methods, and the differences in rheological parameters of these two binders were determined. For this purpose, in the first stage of the study, the physical properties of the binders such as penetration softening point, viscosity were determined, and the short and long-term aging processes of the binder were conducted by means of rotating thin film heating oven (RTFO) and a pressure aging vessel (PAV) tests. After these studies, the rheological experiment program was applied. The viscoelastic limit (LVE) ranges of individual binder types were determined by amplitude experiments, and the time-dependent deformation behavior of binders was observed with the small amplitude oscillation shear (SAOS) test. By means of SAOS test data, the master curves of the binders were drawn, and the storage and loss moduli of the binders were investigated within a wide frequency range. As a result of the test parameters obtained, the rheological differences between B50/70 and B160/220 bitumen were rheologically investigated. SAOS tests proves that B160/220 might exhibit completely viscous behavior over 40 oC. According to LAS test results B50/70 could have a longer fatigue life compared to that of B160/220.

Keywords

• Bitumen
• Rheology
• Deformations
• Fatigue

Kaynakça

1. AASHTO TP 101 Standard Method of Test for Estimating Fatigue Resistance of Asphalt Binders Using the Linear Amplitude Sweep 2012; American Association of State Highway and Transportation Officials, USA.
2. Ahmedzade P. The investigation and comparison effects of SBS and SBS with new reactive terpolymer on the rheological properties of bitumen. Construction and Building Materials 2013; 38, 285-291.
3. Airey GD. Rheological properties of styrene butadiene styrene polymer modified road bitumens. Fuel 2003; 82(14), 1709-1719.
4. ASTM D6521 Standard Practice For Accelerated Aging Of Asphalt Binder Using A Pressurized Aging Vessel (PAV) 2019; American Association of State Highway and Transportation Officials, West Conshohocken, PA.
5. ASTM, D 4402 (2006) standard test method for viscosity determination of asphalt at elevated temperatures using a rotational viscometer. Annual Book of ASTM Standards, West Conshohocken, PA.
6. ASTM, D2872. (2012). Standard test method for effect of heat and air on a moving film of asphalt (rolling thin-film oven test). American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA.
7. Behzadfar E., Hatzikiriakos SG. Rheology of bitumen: Effects of temperature, pressure, CO2 concentration and shear rate. Fuel 2014; 116, 578-587.
8. Button JW., Epps JA., Little DN., Gallaway BM. Asphalt temperature susceptibility and its effect on pavements. Transportation Research Record 1982; 843.

9. Ghuzlan KA., Al-Khateeb GG., Qasem Y. Rheological properties of polyethylene-modified asphalt binder. Athens Journal of Technology and Engineering 2013; 10, 1-14.
10. Gunay T., Tomkovic T., Hatzikiriakos, SG. Thermorheological properties of asphalt binders. The Canadian Journal of Chemical Engineering 2020; 98(8), 1803-1814.
11. Hassanpour Kasanagh S. , Ahmedzade P. , Günay T. Polimer Katkılı Bitümlü Sıcak Karışımların İzmir Hava Durumu Şartlarındaki Marshall Stabilite Performansının İncelenmesi. Afyon Kocatepe Üniversitesi Fen Ve Mühendislik Bilimleri Dergisi. 2021; 21(5): 1157-1166.
12. Laukkanen OV., Winter HH. Strain accumulation in bituminous binders under repeated creep-recovery loading predicted from small-amplitude oscillatory shear (saos) experiments. Mechanics of Time-Dependent Materials 2018; 22 (4), 499–518.
13. Lesueur D. The colloidal structure of bitumen: Consequences on the rheology and on the mechanisms of bitumen modification. Advances in colloid and interface science 2009, 145(1-2), 42-82.
14. Lytton RL., Uzan J., Fernando, EG., Roque R., Hiltunen D., Stoffels, SM. Development and validation of performance prediction models and specifications for asphalt binders and paving mixes. Strategic Highway Research Program 1993; Washington, DC.
15. McNally, T. Polymer modified bitumen: Properties and characterisation. Elsevier 2011.
16. Mezger, T. Basics of rheology workshop 2011. Applied Rheology 2011; 21 (5), 303–304.
17. Rossi CO., Spadafora A., Teltayev B., Izmailova G., Amerbayev Y., Bortolotti V. Polymer modified bitumen: Rheological properties and structural characterization. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 2015; 480, 390-397.
18. Saboo N., Kumar R., Kumar P., Gupta A. Ranking the rheological response of sbs-and eva-modified bitumen using mscr and las tests. Journal of Materials in Civil Engineering 2018; 30 (8), 04018165.
19. Salehfard R., Abdi A., Amini B. Effect of SBR/NC on the rheological properties of bitumen and fatigue resistance of hot mix asphalt. Journal of Materials in Civil Engineering 2017; 29(5), 04016282.
20. TS EN 1426, 2015, Bitümler ve bitümlü bağlayıcılar – İğne batma derinliği tayini, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 16 s.
21. TS EN 1427, 2015, Bitümler ve bitümlü bağlayıcılar - Yumuşama noktası tayini – Halka ve bilye yöntemi, Türk Standartları Enstitüsü, Ankara. 20 s.
22. Williams ML., Landel RF., Ferry JD. The temperature dependence of relaxation mechanisms in amorphous polymers and other glass-forming liquids. Journal of the American Chemical society 1955; 77 (14), 3701–3707.
23. Yusoff NIM., Shaw MT., Airey, GD. Modelling the linear viscoelastic rheological properties of bituminous binders. Construction and Building Materials 2011; 25(5), 2171-2189.