Bitümün Kimyasal Bileşimi, Yapısı ve Reolojisi

Belirili bir sıcaklıkta bitüm reolojisi, malzemedeki hâkim hidrokarbon moleküllerin hem kimyasal bileşimi hem de fiziksel yapısı ile belirlenmektedir. Bitümün kimyasal bileşiminde, fiziksel yapısında veya her ikisinde meydana gelecek değişimler bitüm reolojisini doğrudan etkilemektedir [52].

1.4.1.1. Bitümün Kimyasal Bileşimi ve Yapısı

Bitüm hakim durumdaki hidrokarbon moleküller ile az miktarda, yapısal olarak benzer heterosiklik türler ve sülfür, nitrojen ve oksijen atomları içeren fonksiyonel grupların kompleks bir kimyasal karışımıdır. Bitüm aynı zamanda az miktarda, inorganik tuzlar ve oksitler ya da porpirin yapıları şeklinde ortaya çıkan kalsiyum, vanadyum, nikel, demir ve magnezyum gibi metaller de içerir [1,52]. Çeşitli ham petrollerden imal edilen bitümlerin analiz sonuçları Tablo 1’de verilmiştir.

Tablo 1. Dört farklı bitümün kimyasal kompozisyonu [1]

Element Adı ^{Asfalt Numunesi}

A B C D Karbon (%) 83.77 85.78 82.09 86.77 Hidrojen (%) 9.91 10.19 10.45 10.93 Azot (%) 0.28 0.26 0.78 1.10 Kükürt (%) 5.25 3.41 5.43 0.99 Oksijen (%) 0.77 0.36 0.29 0.20 Vanadyum (milyonda) 180 7 1380 4 Nikel (milyonda) 22 0.40 109 6

Kimyasal kompozisyonu oldukça karmaşık olduğundan bitümün kimyasal analizini yapmak oldukça zahmetlidir ayrıca –eğer mümkün ise- yapılan bu analizlerden, bitüm reolojisi ile korelasyon kurmayı imkansız hale getirecek miktarda veri ortaya çıkmaktadır. Fakat bitümü n-heptan içerisinde çözünmeyen asfaltenler ve çözünen maltenler olarak iki geniş kimyasal gruba ayırmak mümkündür. Maltenlerde ayrıca doygunlar, aromatikler ve reçineler olarak alt gruplara ayrılmaktadır [52].

Asfaltenler, esasen karbon ve hidrojenden oluşan ve bir miktar nitrojen, sülfür ve oksijen içeren, n-heptan içerisinde çözünmeyen siyah veya kahverengi amorf katılar olup asfaltın %5 ila %25’ini oluştururlar. Asfaltenler genel olarak oldukça yüksek molekül ağırlığına sahip polar ve karmaşık maddelerdir. Asfalten miktarının artırılması ile daha katı, daha yüksek yumuşama noktasına sahip ve sonuç olarak daha yüksek viskoziteli bir bitüm elde edilmektedir. Reçineler, koyu kahverengi rengkte, katı veya yarı katı kıvamda ve doğal elektriksel yüklere sahip (polar) olması nedeniyle asfaltlara yüksek adezyon özelliği kazandırmaktadır. Aromatikler, asfaltın %40 ile %60’ını oluşturan, asfaltenlerin yayılımı için gereken ortamı teşkil eden, koyu kahve renkli, viskoz yağ şeklindeki sıvılardır. Bitüm içerisindeki en düşük molekül ağırlıklı bileşenlerdir. Doygunlar veya doygun hidrokarbonlar ise asfaltın %5 ile %20’sini oluşturan, saman rengi veya beyaz renkteki polar olmayan viskoz yağlardır [1,52].

Bitüm, yapısal anlamda asfaltenlerin maltenler içerisinde çözünmüş veya dağılmış olduğu bir süspansiyon sistemi olarak tanımlanabilir. Bu oluşum özelliği bakımından bitümler, SOL (çözelti) ve JEL (jelatin) olmak üzere iki tipte değerlendirilmektedir. SOL tipi bitümlerde asfaltenler, malten içinde çok iyi bir biçimde yayılıp dağılmışlardır (penetrasyon asfaltları). JEL tipi bitümlerde ise asfaltenler, malten içinde çok az yayılmış, bir bakıma kümelenmiş bir yapı göstermektedir (okside asfaltlar) [1,50,52,53].

Bitümü oluşturan kimyasal bileşenlerin kendi içlerindeki oransal değişimlerin bitüm özelliklerine etkisi şu şekilde özetlenebilir: Asfalten içeriği sabit iken, doygunların reçinelere oranı sabit tutulup aromatik bileşen oranının artırılmasının reoloji üzerindeki etkisi azdır. Reçinelerin aromatiklere oranını sabit tutarak doygun içeriğinin artırılması bitümü yumuşatmaktadır. Reçine eklenmesi durumunda ise bitüm sertleşmekte, penetrasyon indeksi ve kayma hassasiyeti düşmekte, viskozite ise artmaktadır. Sabit sıcaklıkta maltenlerin içerisine karıştırılan asfalten konsantrasyonu artırıldığında bitümün viskozitesi yükselmektedir. Bitümde bulunan asfaltenlerin aromatik/naftenik halka şeklinde yapılardan oluşmuş, levhaya benzer tabaka yığınları şeklinde olduklarına inanılmaktadır. Yüksek sıcaklıklarda bu tabakaları birarada tutan hidrojen bağları kopmakta ve bunun sonucu olarak asfaltenlerin hem şekilleri hem de boyutları değişmektedir, bu değişimde viskozite azalması olarak sonuçlanmaktadır [52].

Literatürde bitümün kimyasal yapısı ve reolojik özellikleri arasındaki ilişkiyi saptamaya yönelik pek çok çalışma vardır. Yapılan çalışmalarda bitümü oluşturan bu bileşenlerin hangisinin bitümün fiziksel özellikleri üzerinde daha etkili olduğu konusunda araştırmacılar arasında net bir uyum söz konusu değildir. Bazı araştırmacılar bitüm içerisindeki asfalten miktarının viskozite, penetrasyon ve yumuşama noktası gibi fiziksel özellikler ile ilişkili olduğunu ileri sürerken bir diğer grup asfalten miktarı ile reolojik özellikler arasında bir ilişki kuramamışlardır. Genel bir görüş olarak, bitümün reolojik özelliklerinin, kimyasal yapısına göre değiştiği ancak bunun sadece kimyasal yapı ile açıklanamayacağı ve bitümü oluşturan bileşenlerin molekül ağırlıkları ve polaritelerinin de bitümün fiziksel davranışı üzerinde etkili olduğu söylenebilir [54].

1.4.1.2. Bitümün Reolojisi

Reoloji, bir maddenin akma ve deformasyonunu, sadece maddeye uygulanan yüke değil ayrıca bu yükün uygulanma süresine de bağlı olarak belirlemeye çalışan bir bilimdir. Bitüm reolojik bir malzeme olup trafik yükleri altında yükün şiddetine, yükleme zamanına ve sıcaklığa bağlı olarak visko-elastik ve termo-plastik özellikler gösterir. Bu tür malzemeler yüksek yükleme hızlarında (hızlı taşıtlar) elastik, düşük yükleme hızlarında (yavaş ya da duran taşıtlar) viskoz, orta yükleme hızlarında orta elastik ve viskoz davranış gösterir. Benzer şekilde, düşük sıcaklıklarda elastik davranış ve yüksek mukavemet, yüksek sıcaklıklarda ise viskoz davranış ve düşük mukavemet gösterirler. Bitümün bu

reolojik özelliği asfalt karışımların da visko-elastik özellik göstermesine sebep olmaktadır. Bu nedenle yükleme süresi ve sıcaklık, asfalt çimentosunun ve bitümlü sıcak karışımın rijitliğine doğrudan etki etmektedir [1,23,50,55-57].

Sıcak iklim koşullarında ya da yavaş hareket eden veya park halindeki ağır araçların sebep olduğu sürekli ve değişmeyen yükler altındaki yollarda, asfalt çimentosu viskoz davranır ve akmaya başladıklarında, soğuma olsa bile hiçbir zaman eski (orijinal) durumlarına gelemedikleri için plastik olarak nitelendirilir. Bu koşullarda sıcak asfalt karışımın yük taşıyan bileşeni sadece agregadır. Bu sebeple yüksek sıcaklıklarda ve tekrar eden tekerlek yükleri altında düşük stabiliteye sahip olan sıcak karışım kaplamalarda tekerlek izleri oluşur [1,57-59].

Soğuk iklim şartlarında veya hızlı hareket eden araç trafiğinin sebep olduğu kısa süreli yükler altında, asfalt çimentosu elastik bir katı gibi davranış gösterir. Elastik katı malzemeler yüklendiklerinde şekil değiştirirler, ancak üzerindeki yük kaldırıldığında önceki (orijinal) hallerine geri dönme yeteneğine sahiptirler. Bu malzemelere taşıma kapasitesinden daha fazla yükleme yapıldığında, malzeme bünyesinde kırılma, çatlama veya kopma meydana gelir. Asfalt çimentosu düşük sıcaklıklarda her ne kadar elastik bir katı ise de aşırı yüklendiğinde kırılgan olabilir ve çatlayabilir. Bu yüzden asfalt kaplamalarda soğuk havalarda düşük sıcaklık çatlakları (termal çatlaklar) görülür. Bu duruma, düşük sıcaklık nedeniyle kaplama yüzeyinin büzülmeye çalışmasının ortaya çıkardığı iç gerilmeler sebep olur [1,57-59].

İklim ve çevre koşulları genellikle aşırı sıcak ile aşırı soğuk arasındadır. Bu tür iklime sahip bölgelerde asfalt bağlayıcı, hem viskoz sıvı ve hem de elastik katı özelliklerini sergiler. Asfaltın bu davranışı, yani sıcaklık ve yüke bağlı olarak hem elastik hem de viskoz özellik göstermesi, onun viskoelastik bir malzeme olması ile ilgilidir. Asfaltın yük etkilerine karşı gösterdiği bu davranış kavramsal olarak Şekil 3’te gösterildiği gibi “yay-amortisör” modeliyle açıklanabilir.

Şekil 3. Viskoelastik davranış ve yay-amortisör modeli

Asfalta uygulanan herhangi bir kuvvet yay ve amortisörde paralel bir tepkiye neden olur. Yük etkiyen bir bitümlü sıcak karışımda yay, asfaltın ilk elastik tepkisini, amortisör ise asfaltın özellikle daha sıcak havalardaki daha yavaş viskoz tepkisini sembolize eder. Asfalt bazı durumlarda plastik davranış gösterse de çoğu durumda yüklemelere elastik veya viskoelastik olarak tepki verir. Yani deformasyonlar, etkiyen yüklerin şiddetine göre zamanla eski durumuna gelir veya kısmen kaybolur [1,50,57-59].