DEVELOPMENT OF A SELF-HEALING ASPHALT MIXTURE THROUGH THE USE OF ENCAPSULATED HEALING AGENTS

Abstract

Asfalt karışımların servis ömrü kapsüllenmiş iyileştiricilerin asfalt karışımlarına eklenmesiyle uzatılabilir ki bu durum asfalt karışımlarının doğal kendini iyileştirme yeteneklerini geliştirmektedir. Çatlak hasarı meydana geldiğinde, kapsüller kırılır ve içlerindeki gençleştiriciler çatlak içine akar. Bu çalışmada yeni bir tip kapsül üretilmiştir. Bu kapsüller iyileştirici olarak ayçiçeği yağı içermektedir. Kapsüllerin, boyut, morfoloji, mekanik mukavemet ve termal stabiliteleri araştırılmıştır. İlaveten, kapsüllerin bitümün kimyasal bileşenleri üzerindeki etkisi kırılan kapsüllere maruz kalma zamanları ile birlikte FTIR testi kullanılarak değerlendirilmiştir. Kapsüllerin, özelliklerini ve asfalt karışımların kimyasal bileşenleri üzerindeki etkilerini belirlemek için, kapsüller asfalt karışımlarına eklenmiştir ve bu durum asfalt karışımlarının mekanik performanslarını ve kendini iyileştirme yeteneklerini gözlemleme olanağı sağlamıştır. Kapsüllerin fiziksel, termal ve mekanik özellikleri değerlendirilmiştir. Kapsüller karıştırma ve sıkıştırma şartlarına dayanabilmektedir ve karışımlar içinde kırılarak kapsüllenmiş yağları küçük hacimlerle serbest bırakmaktadır. Ayrıca, kapsül içermeyen karışımlar ile karşılaştırıldığında, kapsüllerin asfalt karışımlarına eklenmesinin sertlik modülünü arttırmadığı ve karıştırma sırası ve yaşlanma süresinin karışımların esneme mukavemetleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olmadığı gözlemlenmiştir. Ek olarak, karışımlardan elde edilen iyileşme seviyeleri, kapsüllerin eklenme sıralarına göre değişmiştir ve kapsül içeren karışımların, kapsül içermeyen karışımlara göre daha yüksek iyileştirme seviyelerine sahip olduğu gözlemlenmiştir. Yaşlanmaya tabi tutulmamış karışımların iyileşme seviyeleri, yaşlanmaya tabi tutulmuş karışımlarla karşılaştırıldığında, daha yüksek bulunmuştur. Kapsül içeren Taş Mastik Asfalt (TMA) karışımlarının mekanik ve kendini iyileştirme performansları incelenmiştir. Bu amaç için, kalsiyum-alginat ve gençleştirici olarak ayçiçeği yağı içeren kapsüller üretilmiş ve TMA karışımlara ilave edilmiştir. TMA karışımlarının hem kapsüllü hem de kapsülsüz numunelerinin fiziksel ve mekanik özellikleri, sertlik modülü, indirekt çekme mukavemeti, yorulma testi, su hassasiyeti ve kayma testleri kullanılarak ölçülmüştür. İlaveten, kapsüllü ve kapsülsüz TMA kirişlerinin özellikleri, farklı iyileştirme zamanlarında, 5 ila 216 saat arasında, kendini iyileştirme özellikleri açısından incelenmiştir. Başlıca sonuçlar kapsüllerin, özelliklerini önemli bir derecede kaybetmeden, karıştırma ve sıkıştırma süreçlerine dayanabildiğini göstermiştir. Ayrıca, kapsüllü ve kapsülsüz TMA karışımlarının mekanik özellikleri benzer sonuçlar göstermiştir. Kapsüller, TMA karışımların içerisinde de iyi bir boşluksal dağılım göstermiştir. Yağ içeren kapsüllerin, kapsülsüz karışımlarla karşılaştırıldığında, TMA karışımlarının çatlak iyileştirme özelliklerini arttırdığı tespit edilmiştir. Kendini iyileştirme amaçlı kapsüller yol yapımında, yolun kalitesini etkilemeden, güvenle kullanılabilir. İçinde gençleştirici olarak kapsüllenmiş ayçiçeği yağı içeren yeni tip kapsüllerin ilave edildiği asfalt karışımlarının kendini iyileştirme yetenekleri incelenmiştir. Bu amaç için saf bitüm numuneleri içindeki gençleştirici maddenin yayılma kapasitesi ve çatlak içeren kapsüllü asfalt karışımlarının iyileşme seviyeleri değerlendirilmiştir. Başlıca sonuçlar bitüm içindeki gençleştirici konsantrasyonunun zamanla ve sıcaklıkla, konsantrasyonun sıcaklıktan bağımsız bir şekilde maksimum değerine ulaşıncaya kadar arttığını göstermiştir. Ayrıca, kapsüllü asfalt karışımı kirişlerinin yorulma iyileşmesi sonuçları i) uygulanan yük arttığında belirli bir yüzdede kırılmış kapsüllere ulaşmak için gerekli olan döngü sayısın azaldığını, ii) iyileştirme endeksinin dinlenme sürecinde, elde edilen ömür uzamasının maksimum olduğunda, uygulanacak olan optimum döngü sayısını ortaya koyduğunu ve iii) yük arttığında, iyileştirme için gereken optimum döngü sayısının azaldığını göstermiştir. Bilgisayarlı tomografi taraması sonuçlarının, gençleştirici maddelerin kalsiyum-alginat mikro gözenekleri içinde kapsüllenebilen, bir mikro kapsüle karşılık geldiğini göstermiştir. Bu çalışmada çevre sıcaklıklarında iyileşebilen ve gençleştirilebilen kendi kendini iyileştiren bir asfalt kaplama geliştirmek ve karakterize etmektir. Kendi kendini iyileştirme konusunda bu tez çalışması birçok bu konudaki soru işaretini gidermiştir. Fakat hala asfalt karışımlardaki kapsüllerin homojen dağılımı veya kapsüllerin yaşam ömrü gibi çözülmemiş soru işaretleri bulunmaktadır. Gelecekteki çalışmalar bu eksikliklerin giderilmesi üzerine yürütülebilir.The service lives of asphalt pavements can be extended by using encapsulated rejuvenators in asphalt mixtures, improving the natural self-healing ability of asphalt mixtures. When crack damage occurs, the capsules are broken, releasing the rejuvenator substance into the cracks. In this thesis, a novel type of capsule was manufactured. These capsules included sunflower oil as rejuvenators. The size, morphology, mechanical strength and thermal stability of these capsules were investigated. In addition, the effect of the capsules on the chemical composition of bitumen with time of exposure to broken capsules was evaluated by the FTIR test. In order to determine the properties of the capsules and their effect on the chemical components of the asphalt mixture, the capsules were included in the asphalt mixtures, providing an opportunity to observe the mechanical performance of the asphalt mixtures and their self-healing abilities. Physical, thermal and mechanical properties of the capsules were evaluated. The capsules can resist the mixing and compaction conditions and break inside the mixture releasing the encapsulated oil in small volumes. In addition, it was observed that the addition of capsules did not improve the stiffness modulus of asphalt mixtures compared to mixtures without capsules, and that the mixing order and the aging time did not have a significant influence on the flexural strength of the mixtures. Moreover, the healing levels obtained by the mixtures varied depending on the order of addition of capsules, and mixtures with capsules showed higher healing levels than mixtures without capsules. The levels of healing for the mixtures without aging were greater than those of mixtures after the aging process. The mechanical and self-healing performance of Stone Mastic Asphalt (SMA) mixtures with encapsulated rejuvenators were evaluated. With this purpose, calcium-alginate capsules with encapsulated sunflower oil have been manufactured and added into the SMA mixtures. Physical and mechanical properties of SMA specimens with, and without, calcium-alginate capsules have been evaluated by measuring the stiffness modulus, indirect tensile strength and fatigue tests, and water sensitivity and skid resistance. In addition, self-healing properties of SMA beams with, and without, capsules have been assessed at different healing times, from 5 to 216h. The main results showed that the capsules can resist the mixing and compaction processes without significantly reducing their properties. Additionally, mechanical properties of SMA mixtures with, and without, capsules presented similar results. Moreover, capsules showed a good spatial distribution inside the SMA samples. It was found that capsules with encapsulated oil increase the crack-healing properties of SMA when compared to mixtures without capsules. The capsules with asphalt self-healing purposes can be safely used in the road construction, without affecting its quality. The self-healing capability of asphalt mixtures containing a new type of capsules with encapsulated sunflower oil as rejuvenating agent. With this purpose, the diffusion capacity of the rejuvenating agent inside of virgin bitumen samples and the healing level of the cracked asphalt mixtures containing of capsules have been evaluated. The main results showed that the rejuvenator concentration inside the bitumen increased with the time and the temperature until the moment where the concentration reached a maximum value that is independent of temperature. In addition, fatigue healing results of asphalt mixture beams with capsules proved that: i) the number of cycles necessary to reach a given percentage of broken capsules reduced when the applied load increased, ii) the results of healing index presented an optimum number of cycles to apply the resting period, at which the obtained life extension was maximum, and iii) the optimum number of cycles to apply the healing treatment decreased when the load increased. CT-Scan results proved that the microstructure of the capsules corresponded to that of a microbead, where the rejuvenating agent can be encapsulated inside of calcium-alginate micropores. The aim of this study was to develop and characterize a self-healing asphalt pavement that can heal itself and rejuvenate at environmental temperatures. This thesis conducted on self-healing provided answers to a lot of questions regarding the subject. However, unsolved problems, such as capsules homogeneous dispersion or capsules service lives, still remain. Further studies could be conducted on these points.