Bitümlü malzemeler, doğada katı ya da yarı katı halde bulunabildiği gibi, daha çok ham petrolün distilasyonu sonucu artık ürün olarak veya taşkömürünün karbonizasyonu sırasında bir yan ürün olarak elde edilen hidrokarbon malzemelerdir. Hidrokarbonlar, karbon ve hidrojenin birleşiminden oluşan, sade veya kompleks yapılı cisimler olup, organik kimyada önemli bir sınıf oluştururlar ve İçinde yaklaşık oranlarda şu elementler bulunur:

• Karbon %70-85
• Hidrojen %7-12
• Nitrojen %0-1
• Sülfür %1-7
• Oksijen %0-5
• Metaller çok az miktarda (oksit, tuz veya metal içeren organik bileşikler halinde)

19. yüzyılda özellikle Fransa, ABD ve İngiltere’de kaya asfaltı kaldırım kaplamaları ve yol kaplamalarında kullanılmaya başlanmıştır. 1900’lü yılların başlarında ham petrolden rafinaj yöntemi ile asfalt üretiminin keşfi ile otomobillerin gittikçe artan popülaritesi, hızla gelişen bir endüstri dalının ortaya çıkmasına neden olmuştur. Asfalt en çok yol yapımında, yalıtım malzemesi ve yalıtım örtüsü olarak çatılarda ve köprü tabliyelerinde, endüstride akü yapımında ve daha pek çok alanda yaygın biçimde kullanılmaktadır.

Bitüm, ham petrolden uçucu ve hafif yakıtlar rafine edildikten sonra kalan ağır petrol bileşenidir. Damıtılmış petrolden elde edilen bitüm başlarda en çok yol inşaatlarında yapıştırıcı amaçlı kullanılmaktaydı. Çünkü 50 °C ‘de eriyip, 0 °C ‘de kırılması, bina çatılarında kullanılmasını engellemekteydi. Daha sonraları denenen bir yöntemde, erimiş bitüme yüksek sıcaklıkta hava üflendi. Bu yöntemle, oksijen ile yapısı değiştirilmiş bitümün daha iyi bir ısıl kararlılığa kavuşması sağlandı. “Okside” bitüm olarak bilinen bu tipin sıcaklık aralığının -5°C ila + 70°C olmasıyla ise bitümün, bina çatılarında su yalıtım amaçlı kullanım süreci başlamış oldu. Okside bitüm, çatılarda kullandığımız bitümlü örtülerin ham halini oluşturmaktadır.

Damıtmadan çıkan ham asfalt artıklarının üzerinden hava üflemek yöntemiyle okside (airblown) asfaltlar elde edilir. Bu tür asfaltların hidrojenizasyon işlemi sonucu C/H oranı yükseldiğinden düktiliteleri azalır, penetrasyon değerleri düşer, yumuşama noktaları yükselir ve doğrudan üretilen asfaltlara göre sıcaklık değişimlerinden daha az etkilenirler. Okside asfaltlar;

• Çatı yalıtımlarında,
• Su yalıtımı işlerinde,
• Boruların korozyona karşı korunmasında,
• Hidrolik yapı ve benzeri işlerde kullanılırlar.

Bu dönemlerde su yalıtımı; uygulama sahasında, sıcaklığı 200–220 °C ‘ye kadar çıkabilen özel kaplar içerisinde ısıtılarak akışkan hale getirilen okside bitümün taşıyıcı karton aralarına sürülerek katmanlar halinde yapıştırılması yöntemi ile yapılırdı. Uygulanacak alana doğrudan dökülen sıcak bitüm, geniş fırçalarla yüzeye yayılır. Bu işlemin ardından, bitümlü karton ruloları serilir, bu işlemler birkaç defa tekrar edilerek bitümlü kartonlarla 3–4 katmanlı uygulamalar gerçekleştirilirdi. İngilizlerin metodundaysa uygulama, serilmekte olan bitümlü kartonun hemen önüne sıcak bitüm dökerek yapılırdı. Sonuçta ortaya toplam 8–10 mm kalınlıkta olan, katmanlı ve sürekli bir su yalıtım örtüsü çıkmaktadır.

Bitüm endüstrisi hızlı bir şekilde bitümün; yüksek, orta ve düşük sıcaklık olmak üzere maruz alabileceği bütün sıcaklık şartlarında, performansının, fiziksel özelliklerinden ziyade mekanik ve reolojik özelliklerine bağlı olarak test edildiği bitüm sınıflamasına doğru yönelmektedir. Türkiye’de ise halen tek bir sıcaklıkta yapılan penetrasyon deneyine bağlı sınıflama sistemi kullanılmaktadır. Bitümlü bağlayıcıların tanımlanmasında penetrasyon değerine bağlı bir sınıflama sistemi, söz konusu bitümün 25oC'den farklı sıcaklıklardaki davranışı konusunda çok sınırlı ölçüde bilgi vermekte, yük altındaki davranışı hakkında ise hiçbir bilgi vermemektedir (1).

Geleneksel sınıflandırma sistemlerinin bu yetersizlikleri nedeniyle, Amerika Birleşik Devletleri’nde, Stratejik Karayolu Araştırma Programı çerçevesinde, performans esaslı SUPERPAVE (SUperior PERforming Asphalt PAVEments) bağlayıcı sınıflandırma sistemi geliştirilmiştir (2). SUPERPAVE yönteminde bitümler, sıcaklık koşullarında gösterdikleri performanslara göre sınıflandırılmıştır. Bu nedenle, bu tür bitümlere “Performans Sınıfı (Performance Grade-PG)” bitüm adı verilmiştir. Sistemde, bağlayıcının tanımlanması için yapılan deneylerde bitümden beklenen özellikler aynıdır. Ancak bu özelliklerin beklendiği sıcaklıklar farklılık gösterir. Yani, performans sınıfı bitümlerde fiziksel özellikler sabit kalır; ancak, bu özelliklerin elde edileceği sıcaklıklar kaplamanın yapılacağı yerdeki iklim şartlarına göre farklılık gösterir. PG simgesini takip eden rakamlar, bağlayıcının hizmet vereceği yerdeki ortalama en yüksek ve ortalama en düşük kaplama sıcaklıklarını göstermektedir (2, 3).

Yüksek performanslı bitümlü kaplama (SUPERPAVE) yönteminde bitümler, sıcaklık koşullarında gösterdikleri performanslara göre sınıflandırılmıştır. Bu nedenle, bu tür bitümlere “Performans Sınıfı (Performance Grade)” bitüm adı verilmiş ve PG simgesi ile tanımlanmıştır. Sistemde, bağlayıcının tanımlanması için yapılan deneylerde bitümden beklenen özellikler aynıdır. Ancak bu özelliklerin beklendiği sıcaklıklar farklılık gösterir. Yani, performans sınıfı bitümlerde fiziksel özellikler sabit kalır; ancak, bu özelliklerin elde edileceği sıcaklıklar kaplamanın yapılacağı yerdeki iklim şartlarına göre farklılık gösterir. Örneğin PG 64-22 olarak adlandırılan bitümde; 64°C ve -22°C’ lerde beklenen performans, PG 46-40 bitümü için 46°C ve -40°C ’lerde beklenir. PG simgesini takip eden rakamlar, bağlayıcının hizmet vereceği yerdeki en yüksek ve en düşük kaplama sıcaklıkları ile ilgilidir (4).

Bitümlü bağlayıcıların penetrasyonu ve diğer fiziksel özellikleri benzer dahi olsa, bitümlerin orijinine ve reolojik yapısına göre önemli performans farklılıkları ortaya çıkabilmektedir. Bunun yanında, sıcak karışımın üretilmesi sırasında oluşan hızlı yaşlanma ve servis koşullarında oluşan yavaş yaşlanma nedenleriyle de bitümlü bağlayıcıların davranışı, yani performansı, önemli ölçüde değişebilmektedir. Bu durum yaşlanma konusunun önemini ortaya koymakta ve reolojik yapının yaşlanma davranışına olan etkisinin incelenmesini zorunlu kılmaktadır.

Bitümün yaşlanması hem uygulama hem de servis koşullarında, bitümün sertleşmesi ve kırılgan hale gelmesiyle sonuçlanan çok karmaşık bir süreçtir. Yaşlanma, kaplamaların bozulmasında çok önemli bir etkiye sahip olup, bitümlerin bileşiminde bulunan asfaltenlerin stabilitesi ve kolloidal yapısı yaşlanma ile doğrudan ilişkilidir (5). Bitümün bileşiminde meydana gelen değişme nedeniyle ortaya çıkan yaşlanma; bitümün yağlı bileşiklerinin uçuculuk (volatilization) ile ya da boşluklu agrega tarafından emilerek kaybolması, atmosferik oksijenle reaksiyon nedeniyle kimyasal bileşimde oluşan değişim ve tiksotropik etkilerle (fiziksel sertleşme) ortaya çıkan moleküler yapılanma şekillerinde gerçekleşmektedir (2).

Bununla beraber, bitümlü bağlayıcılar esas olarak oksidasyon nedeniyle yaşlanmakta; oksidasyonla oluşan değişme ise, bitümün özelliklerine bağlı olarak bazı bitümlerde daha hızlı ve daha fazla sertleşme şeklinde kendini gösterebilmektedir. Oksidasyon iki aşamada ortaya çıkmaktadır. Birinci aşamada karıştırma-serme süresince bağlayıcının maruz kaldığı yüksek sıcaklıktan ve ısıtılan agreganın geniş yüzey alanından dolayı, oksidasyon hızlı bir şekilde oluşmakta olup, bitümün sertleşmesi daha çok bazı uçucu bileşenlerin bitümün bünyesinden ayrılmasıyla ortaya çıkmaktadır. İkinci aşamada ise oksidasyon, kaplamanın servis ömrü boyunca zamanla havadaki oksijenle etkilenmesi ve bağlayıcının bu oksijenle oluşturduğu tepkime nedeniyle oluşmaktadır. Bu süreç, oksidasyonun yavaş ve uzun süreli olarak gerçekleştiği esas sertleşme süreci olarak bilinmektedir (6).

Kaplama bünyesindeki bitümlü bağlayıcının; servis ömrü boyunca ısının, havanın ve çevresel koşulların etkisinde oksidasyonu sonucu zamanla gerçekleşen bu değişim yaşlanma sertleşmesi olarak adlandırılmaktadır. Yaşlanma sertleşmesine uğrayan bitüm daha düşük penetrasyon ve daha yüksek viskozite değerine sahip olmaktadır. Sonuçta, bitümlü bağlayıcının serleşerek daha kırılgan hale gelmesi ve agrega ile adezyonunun azalması nedeniyle bitümlü kaplama tabakaları bozulabilmektedir (7).

Karıştırma ve serme süresince bitümün sertleşmesi, laboratuarda döner ince film halinde ısıtma deneyi (Rolling Thin Film Oven Test, RTFOT) ile temsil edilmektedir. Bu deneyde, bitüm filmi 85 dakika boyunca 163 oC sabit sıcaklıkta sürekli olarak ısı ve hava akışına maruz bırakılır. Bu işlem sonunda buharlaşan kütle miktarı, bitümün karıştırma ve serme işlemi sırasında meydana gelebilecek yaşlanmasının bir göstergedir (8,9).

2. Asfalt Emülsiyonları

Yol inşaatlarında kaplama işlerinde kullanılan asfalt çimentoları normal sıcaklıklarda kıvamlı ve yarı-katı haldedir. Bu asfaltlarınn kullanılabilmeleri için belirli bir akışkanlığa getirmek üzere ısıtılmaları gerekir. Arazide ısıtma imkanlarının kısıtlı olması ya da hiç olmaması, soğuk kullanılabilecek bağlayıcılar için bir talep doğurmuştur. Emülsiyon asfaltları bu probleme bir çözüm getirdiğinden, günümüzde önemleri giderek artmaktadır.

Emülsiyon, birbiri ile iyi karışmayan iki sıvının birinin diğerinde çok küçük kürecikler halinde dağılmış halde bulunduğu heterojen bir karışımdır. Yol inşaatlarında kullanılan asfalt emülsiyonları asfaltın “dağınık faz”, suyun “sürekli faz” olduğu emülsiyonlardır.

Asfalt emülsiyonları kimyasal yapılarına göre iki grupta sınıflandırılır:
• Anyonik emülsiyonlar
• Katyonik emülsiyonlar

Asfalt emülsiyonlarının şu avantajları vardır:
• Normal sıcaklıklarda sıvı haldedirler, ısıtma gerektirmezler.
• Soğuk ve yaş agregalarla kullanılabilirler.
• Islak yüzeylere tatbik edilebilirler.
• Katbek asfaltlarında olan yangın tehlikeleri ve toksit etkileri yoktur.
• Diğer sıvı asfalt türlerine kıyasla daha ekonomiktirler.
• Çevre kirliliğine neden olmazlar.

3. Modifiye Bitümler (veya Modifiye Asfaltlar)

Asfalt ve yol kaplamalarının, yalıtım ve yalıtım örtü malzemelerinin performans yönünden üstün nitelikli, bakım onarım gereksinimi ve maliyetinin az olması istenmektedir. Özellikle esnek yol üstyapı kaplamaları kendilerinden beklenen fonksiyonları yerine getirebilmeleri için;
• Kalıcı deformasyonlar,
• Yorulma çatlakları,
• Düşük sıcaklık çatlakları,
• Soyulma,
• Düşük durabilite

gibi başlıca bozulmaların en aza indirgenmesi sağlanmalıdır. Bu nedenle bitümlerin özelliklerini iyileştirerek, bağlayıcının ve/veya karışımın performansını arttırmak amacıyla modifiye edici katkıların belirli oranlarda ve şartlarda ya bitüm içerisine ya da tesiste karışım içine katılır.

Modifiye bitümler günümüzde en çok polimerlerle elde edilmektedir. Bu amaçla kullanılan polimerler aşağıdaki gibi sınıfa ayrılmaktadır:
• Elastomerler (SBS, lateks vb.),
• Plastomerler (EVA, polietilen vb.),
• Termosetting polimerler (epoksi reçineleri),
• Poliüretan reçineleri.

Modifiye bitümlerin ve karışımların kullanım amaçları aşağıda özetlenmiştir.
• Düşük sıcaklıklar için daha yumuşak karışımlar elde etmek ve çatlakları azaltmak.
• Yüksek sıcaklıklar için daha sert karışımlar elde etmek ve tekerlek izinde oturmayı azaltmak.
• Yapım sıcaklıklarında viskoziteyi düşürmek.
• İşlenebilirliği ve sıkışmayı iyileştirmek.
• Karışım dayanımını ve stabilitesini artırmak.
• Karışımın aşınma dayanımını iyileştirmek ve agrega kopmasını azaltmak.
• Kaplamanın düşük sıcaklık çatlaklarını azaltmak.
• Karışımın yorulma dayanımını iyileştirmek.
• Marjinal asfalt çimentolarının kalitesini yükseltmek.
• Yaşlanmış asfalt bağlayıcıyı tekrar gençleştirmek.
• Marjinal agregaların kullanımı sağlamak.
• Asfalt bağlayıcının ömrünü uzatmak.
• Agrega üzerinde daha kalın asfalt filmi oluşturmak.
• Yapışmayı iyileştirmek ve asfalt çimentosunun agrega yüzeyinden soyulmasını azaltmak.
• Kusmayı azaltmak.
• Geliştirilmiş çatlak dolgusu sağlamak.
• Yakıt dökütülerine karşı dayanım artışı sağlamak.
• Yaşlanmaya ya da oksidasyona karşı dayanım artırmak.
• Kaplama tabakalarının kalınlığı azaltmak.
• Kaplamanı ömür-döngü maliyeti azaltmak.
• Kaplamaların tüm performansını geliştirmek

4. Bitümlü Karışımlardan Beklenen Fiziki ve Mekanik Özellikler

4.1 Stabilite
Stabilite terimi mukavemet ile yakından ilgili olup bitümlü sıcak karışımlardan imal edilen kaplamalarda oluşacak deformasyonlara karşı gösterdiği direnç olarak adlandırılır. Yani bitümlü sıcak karışımın stabilitesi ne kadar düşük olursa trafik yükleri altında oluşabilecek deformasyon da o kadar fazla olacaktır. Ancak çok düşük stabilite ne kadar istenmez ise çok yüksek stabilite de o kadar zararlıdır. Çünkü çok yüksek stabiliteli (çok sert, rijit veya gevrek) bitümlü karışımlar gerilmelere maruz kaldığında esnek davranış gösteremeyip kaplamada çatlakların oluşmasına neden olmaktadır.

4.2 Dayanıklılık (Durabilite)
Bir bitümlü karışımın dayanıklılığı, trafik, su, hava ve sıcaklık değişikliklerinin etkilerine karşı gösterdiği dirençtir. Bu etkiler:
• Asfaltın özelliklerinin değişmesi (yaşlanma-sertleşme)
• Agrega danelerinin kırılması ve ufalanması
• Asfaltın soyulmasıdır.

Dayanıklılık genel olarak;
• Asfalt oranının artması
• Sert asfalt (düşük penetrasyonlu)
• Yüksek soyulma direnci
• İyi sıkışma
ile artış gösterir.

Yukarıdaki şartlar sağlanırsa geçirimsizlik artarak karışımın içine daha az hava ve su gireceğinden dayanıklılık ta artacaktır.

4.3 Esneklik (Fleksibilite)
Bitümlü sıcak karışımların esnekliği, zeminin ve temel tabakasının uzun dönemli oturma durumunda bu çökmelere uyum sağlayabilme yeteneğidir. Esneme yetersizliği olması durumunda çatlamaların olması kaçınılmazdır. Esnekliğe etki eden faktörler aşağıdaki gibidir.
• Dolgu oranı
• Sıcaklığa karşı duyarlılık
• Kaplama kalınlığı

4.4 İşlenebilirlik
İşlenebilirlik, karışımın karıştırılması ve sıkıştırılmasındaki kolaylık olarak ifade edilebilir. Çok fazla agrega bulunduran karışımlar kolay işlenebilir olamazlar.

4.5 Yorulmaya Direnç
Yorulmaya karşı direnç, trafik yükleri altında oluşan ve tekrarlanan gerilimlere karşı dirençtir. Karışımdaki boşluk yüzdesi ve karışım viskozitesi yorulmaya karşı direnç üzerinde çok etkilidir. Karışımdaki yüksek boşluk yüzdesi gibi etkenler arttıkça yaşlanma ve sertleşme sonrası bu direnç azalır.

5. Ürün Sistemleri ve Kullanım Alanları
Su yalıtım malzemeleri, yapılarda istenmeyen suyun uzak tutulması için hemen hemen her yerde kullanılır. Toprak altı temellerde, toprak altı ve üstü perde duvarlarda, ıslak hacimlerde(banyo, mutfak, lavabo vb.), asansör boşluklarında, çatılarda, teraslarda, balkon gibi alanlarda, toprak altından gelebilecek, yağmur ile veya kullanım sonucu suya maruz kalabilecek tüm alanlarda su yalıtım uygulaması yapılması gerekir. Bitümlü sistemler, bu alanlar arasında en çok temel, perde yalıtımlarında ve çatı yalıtımında kullanılır.
Yapıların temel yalıtımlarında tercih edilen bitümlü su yalıtım malzemeleri, sürme veya serme olmak üzere iki tipten oluşur. Bu iki tip ürünler temelde aynı şekilde su yalıtımı yaparlarken, uygulama ve herhangi bir sorun oluşumunda çözüm bulmak veya tamirat açısından çok farklı alanlarda yer almaktadırlar.

5.1 Serme Membranlar
Serme membranlar, temel ve perde yalıtımlarında kullanılırlar ve bohçalama şeklinde uygulanırlar. Uygulamacı, ürünü bir şaloma alevi ile ısıtır ve ürünlerin isminde yer aldığı gibi, ürünü yüzeye sererek uygulamaya devam eder. Genellikle, bir metre genişliğinde olan serme membranlar, bini payları üst üste getirilip ve yapıştırılarak uygulanır. Bu şekilde yapılan uygulama ne kadar kolay gözükse de, oluşabilecek bir su kaçağı durumunda, hatanın çözümü bir o kadar zor olur. Serme membranların, altına giren suyun nereden çıkacağı bilinmez ve bu sebeple tamirat için yapılması için gereken işlem çok zor olmaktadır.
Serme membranların, hem temelde hem de çatıda kullanılabilmeleri ve uygulama açısından kolay olmaları tercih sebepleri arasındadır. Polyester keçe ve cam tülü taşıyıcılı olan serme membranlar, kalınlık ve taşıyıcı türüne göre temelde veya çatılarda kullanılabilirler. Polyester keçe taşıyıcılı membranlar (Megaİzo PK3 S354 / Megaİzo PK4 S355 / Megaİzo PK3 Plus S356 / Megaİzo PK4 Plus S357 / Megaİzo PK3 SuperPlus S358 / Megaİzo PK4 SuperPlus S359) temel yalıtımlarında kullanılırken, polyester keçe taşıyıcılı membranlara göre daha ince ve hafif olan cam tülü taşıyıcılı membranlar(Megaİzo CT2 S351 / Megaİzo CT3 S352 / Megaİzo CT3 Plus S353) genellikle çatı yalıtımında kullanılır. Çatılarda kullanılan bitüm esaslı serme membranlarda, güneş ışığına maruz kalmaları durumunda, kararlı yapısından uzaklaşıp, su yalıtım özelliğinde kayıplar meydana gelebilir. Bu sebeple çatılarda kullanılan bitüm esaslı serme membranların üstleri kapatılmalıdır.

5.2 Sürme Membranlar
Sürme su yalıtım ürünleri, uygulama açısından serme membranlara göre daha kolay uygulanabilmektedir. Serme membranların uygulamasında kullanılan şaloma alevi gibi ekstra aletler gerektirmemektedir. Ayrıca serme membran kullanılan su yalıtım uygulamalarında meydana gelen, bir metrede bir yapılması gereken ve yalıtımda zayıf nokta olarak kalan ek/bini yerleri, sürme su yalıtım ürünleri uygulamalarında gerçekleşmemektedir. Bu ürünler(Megaİzo K S301 / Megaİzo 2K S302), fırça, rulo veya sprey makinası ile uygulandıkları için gerekli kuru film kalınlığının sağlanması için titiz ve detaylı bir şekilde uygulanmalıdırlar. Yüzeye uygulanan ürünün kuruması ve ilk katın üzerine ikinci katın uygulanması için belirli bir sürenin beklenmesi gerekmektedir. Oluşan bir su yalıtım sorununda ise, çözümün yapılması, serme membranlara göre lokal olarak yapılabildiği için çok daha kolaydır.
Bitümlü sistemlerde, sürme esaslı ve su bazlı ürünlerin dışında solventli, hibrit ürünler de bulunmaktadır. Bu ürünlerin(Megaİzo PU 6 S404), su bazlı ürünlere göre avantajları ve dezavantajları vardır. Solventli ve reaksiyon reçine sınıfında olmaları sebebiyle, su bazlı ürünlere göre çok daha hızlı kürlenmeleri, katlar arası bekleme süresini kısaltmaktadır. Fakat kapalı alan uygulamalarında, uygulamacıların üründeki solvente uzun süre maruz kalmaları ciddi sağlık problemlerine sebep olmaktadır. Ayrıca bu tür ürünlerin şantiye koşullarında uygulanmaları, su bazlı ürünlere göre daha zordur. Çünkü yüzey nemi veya yüzeydeki herhangi bir yabancı maddeye karşı toleransları, su bazlı ürünlere göre çok daha azdır. Aynı zamanda çevre yönetmelikleri, solventli sistemlerin kullanımını gittikçe kısıtlamaktadır ve su bazlı sistemlere yönelmektedir.