NANOMATERYALLERİN ASFALT ÇİMENTOSUNA KATILMA YÖNTEMLERİ

Asfalt çimentosunun nanomalzemelerle modifikasyon yoluyla performansını arttırabilmek için etkili bir karıştırmanın yapılması ve kimyasal uyumun sağlanması en önemli iki konudur (Hussain vd., 2006).

Laboratuar çalışmalarında genel olarak üç çeşit karıştırıcı kullanılabilmektedir; mekanik, high shear ve ultrasonik mikserler. Literatürde yapılan çalışmalarda daha çok high shear mikserlerin tercih edildiği görülmektedir (Fang vd., 2013). Yapılan bir çalışmada, karbon nanotüplerin asfalt çimentosunun modifikasyonunda kullanıldı. Karbon nanotüpler üç farklı oranda asfalt çimentosuna katıldı. Yaygın olarak kullanılan üç karıştırıcı ile modifikasyon gerçekleştirildi. Modifikasyonun başarısı taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri ile değerlendirildi. SEM görüntüleri mekanik karıştırıcıların nano malzemeleri karıştırmak için uygun olmadığı görüldü. Çünkü mekanik karıştırıcı hem nanomalzemeleri birbirinden ayıramamakta hemde bu malzemeleri asfalt içerisinde homojen olarak dağıtamamaktadır. High shear mikserin ise homojen dağıtımı sağlayabildiği fakat kümeleşmiş karbon nanotüpleri birbirinden ayıramadığı ifade edildi. Ultrasonik karıştırıcıların da hem nanomalzemeleri asfalt içerisinde homojen olarak dağıtabildiği hemde nanopartikülleri birbirinden ayırabildiği, bunun nedeninin, onun ultrasonik dalgalar vasıtasıyla kavitasyon oluşturduğu ve enerji üretme yeteneğinden kaynaklandığı vurgulandı (Hasan vd., 2012).

Şekil 16. Mekanik, hihg shear ve ultrasonik mikser görüntüleri (Hasan vd., 2012)

Nano-killerle modifikasyonda çeşitli yöntemler kullanılmış olsa da genellikle iki yöntem üzerinde odaklanılmıştır. Birinci yöntem yüksek hızda kesme etkili karıştırma (high-speed shearing) olarak adlandırılmakta ve nano-kil kesme etkili bir karıştırıcıda (high shear device), yüksek karıştırma hızlarında asfalt çimentosuna karıştırılmaktadır. İkinci yöntem ise, ana çözeltide eritme (mother liquor melting) olarak adlandırılır ve nano-kil inorganik bir çözücüde çözülerek yüksek konsantrasyonlu polimer çözeltisi hazırlanır. Daha sonra hazırlanan karışım asfalt bağlayıcıya karıştırılır. Son olarak ta, karışım ısıtılarak çözücü buharlaştırılır ve modifiye bitüm elde edilmiş olur (Fang vd., 2013).

ZnO/SBS kompozit modifye asfaltlar üzerinde yapılan araştırmada ana çözeltide eritme (mother liquor melting) yöntemiyle yapılan modifikasyonlarda polimer kompozit modifiyerlerin asfalt bağlayıcı içerisinde daha homojen olarak dağıtılabildiği ifade edilmiştir. Ancak, modifikasyon işleminin çok karmaşık olduğu ve modifikasyonda kullanılan çözücünün asfalt çimentosunun diğer özelliklerini etkileyebileceği belirtilmiştir (Kang vd., 2010). Bu yöntem üzerinde çalışmalara ihtiyaç vardır. Yüksek hızda kesme etkili karıştırma (high-speed shearing) yöntemi daha çok tercih edilmektedir (Fang vd., 2013).

Kil partiküllerinin matriks içerisinde dağılımı üç farklı şekilde olabilmektedir. Birinci tür geleneksel kompozit yapısıdır ki bü türde silikat levhaları küme şeklinde yer alır. İkinci tür aratabakalı kompozi yapıdır, burada bazı matriks molekülleri bireysel silikat tabakaları arasına girmiştir fakat tabakalar hala birbirlerine paralel kalmaktadır. Üçüncü tip ise eksfoliye nano- kompozit yapıdır. Bu yapıda kilin tabakalı yapısı bozulmakatdır. Silikatlı tabakalar artık birbirine yakın değildir ve nano-metrik partiküller matriks içerisinde tamamen dağılmıştır. Aratabakalı veya eksfoliye dağılıma uygun tipik killer montmorillonit, flurohektorit ve bentonitlerdir. (Zare-Shahabaldi vd., 2010)

154

Şekil 17. Kil partiküllerinin asfalt içerisinde mümkün yayılma şekillerinin şematik gösterimi (Zare-Shahabaldi

vd., 2010).

Diğer yandan, modifiye bitümün ve üretilecek karışımın prformansları nano-kilin bitüm içerisinde dağılma şekline bağlıdır. Tabakalı ve özellikle eksfoliye halinde dağılanlar geleneksel kompozit şeklinde dağılanlara göre daha yüksek performans göstermektedirler (Yu vd., 2009; Zhang vd., 2011; Zhang vd., 2012). Eksfoliye dağılım elde etmek için bitümün viskozitesini düşürerek daha iyi bir karıştırmanın sağlanması gerekmektedir. Bunun için de karıştırma sıcaklığının arttırılması literatürde kullanılan bir yöntemdir (Zhanping vd., 2011). Nano-killerle yapılan modifikasyonlarda, bu alanda çalışan araştırmacılar, değişik karıştırma süreleri uygulamışlardır. High-shear mikser kullanılarak yapılan çalışmada, ilkin asfalt çimentosu akışkan hale gelmesi için 160°C sıcaklığa kadar ısıtılmış, ardından nano-kil %2, %4, %6 ve %8 oranlarında asfalt çimentosuna eklenmiştir. Ardından nanokilin tabakalı bir şekilde homojen olarak dağılmasını sağlamak için 2500rpm hızda 180dk karıştırma yapılarak modifikasyon tamamlanmıştır (El-shafie vd., 2012). Başka bir çalışmada, 160°C sıcaklığa kadar ısıtılan asfalt çimentosuna (viskozite yaklaşık 170,000 Pa.s) %5 nano-kil ilave edilmiş ve 6000rpm karıştırma hızında 60 dakika karıştırma uygulanmıştır (Abdullah vd., 2012). PP/SBS/nano-kil modifiye bitüm üzernde çalışılmış, bir yandan viskoziteyi düşürerek iyibir karıştırma arzulanmış diğer yandan da yüksek sıcaklıklarda polimerin dağıımını iyileştirmek için karıştırma sıcaklığı 180°C’den 200°C’ye kadar değiştirilmiştir. İlk karıştırma 200rpm hızda 10 dakika yapılmış ve ardından 3000rpm hızda 30dk daha karıştırma gerçekleştirilmiştir (Yazdani ve Pourjafar, 2012).

Bitümün ve asfalt betonunun performansını geliştirmek için polimer modifiyerlerin kullanılması popüler olmuştur. Polimerik nano-kompozitler çok ilgi çekmektedir. Nanokompozitin özellikleri, kilin türü-saflığı-ön iyileştirme biçimi, doğru polimer bileşiğin seçilmesi, polimerin nano kompozite karıştırma biçimi konularıyla değişim göstermektedir. (El-Shafie vd., 2012).

Literatürde yer alan çalışmalarda polimer ve nano-kilin katılma önceliğinde de farklılıklar mevcuttur. Bazı çalışmalarda önce polimer sonra nano-kil katılırken (Golestani vd., 2015) diğerlerinde de önce nano-kil katılmaktadır (Polacco vd., 2008).

EVA (ethylene-co-vinyl acetate) ile nano-killerin bir arada kullanıldığı çalışmada cloisite ve dellite türü iki nano-kil kullanılmıştır. Birinci seçenekte Nano-kil ve EVA kendi aralarında karıştırıldıktan sonra bitüme ilave edilmiş, ikinci seçenekte ise bitüme, EVA ve nano-kil ayrı ayrı karıştırılarak, nano-kil modifiye bitüm ve EVA modifiye bitüm elde edilmiştir. Yüksek polimer konsantrasyonlarında nanokilin varlığının, asfalt matriksi içerisinde polimerin

Tabakalı nanokompozit

Geleneksel kompozit _{Eksfoliye nanokompozit}

km e mu ka ve m etin d eki ar tış ,%

dağılmasını etkilediği görülmüştür. Bununla birlikte iki kilin aynı etkiyi göstermediği, üstelik, kil ekleme yönteminin etkili olduğu ifade edilmiştir. Özellikle Cloisite 20A EVA ile önceden karıştırıldığında tamamen homojen bir asfalt polimer karışımının sağlandığı görülmüştür. Killerin asfalt/polimer arasında uyumlaştırıcı gibi bir etkiye sahip olduğu vurgulanmıştır. X Işını difraksiyonundan iki kilinde tabakalı olmasına rağmen Cloisite’in polimer ile daha iyi bir uyum sağladığı görülmüştür. Kimyasal yapıları düşünüldüğünde, killerin polimerlerden daha çok asfalta ilgisinin olduğu tahmin edilmektedir. Bu yüzden, killer fiziksel olarak karıştırıldığında, asfalt molekülleri tarafndan eklenirler. Bunun aksine, modifiye bitüm durumunda, kil ve polimer arasında önceden sağlanmış (pre-formed) uyum, asfalt ile karıştırma fazında halen devam etmektedir. Kil polimer ile olduğundan daha çok asfaltla uyumlu olsa bile, ilkin polimer/kil etkileşimi kurulmalıdır, bu etkileşim sonradan eklenen asfalt molekülleri tarafından değiştirilmemektedir. Kil sayesinde, polimer/kil mastır karışımı polimerin yalnız başına oluşturmuş olduğundan daha yüksek polarite oluşturmakta ve bu asfalt ile olan uyumu artırmaktadır (Markanday vd., 2010).

5. MODİFİYE BİTÜMÜN DEĞERLENDİRMESİNDE KULLANILAN BAZI