«Köprülerde İletken Asfalt Kaplamalarla Buzlanmayla Mücadele Yöntemleri» Cahit GÜRER (Afyon Kocatepe Ünv.) Cihan Düşmez (Afyonkarahisar Belediyesi)

Transkript

1 «Köprülerde İletken Asfalt Kaplamalarla Buzlanmayla Mücadele Yöntemleri» Cahit GÜRER (Afyon Kocatepe Ünv.) Cihan Düşmez (Afyonkarahisar Belediyesi) 09 Mayıs 2015 Bursa

2

3 I. Giriş Kış aylarındaki ulaşımı kolaylaştırmak ve trafik güvenliğini sağlamak için özellikle köprüler ve viyadükler gibi kritik yol kesimlerinde oluşan buzlanmayı engellemek en önemli konuların başında gelmektedir.

4 Kar ve buz mücadelesinde en sık kullanılan yöntemler küreme, tuzlama, kum ve kimyasal madde uygulanmasıdır. Ancak bu yöntemler kar yağışı veya buzlanmadan sonra uygulandıklarında, kaplama-buz arasındaki bağın çözülebilmesi için daha çok madde gereksinimine, trafikte tıkanıklığına ve işletme hızında azalmaya neden olmaktadır. Ayrıca acil eylem planı yetersiz olan yerel yönetimler ve idareler bu tip olağanüstü hava koşullarına yeterince hızlı müdahale edememektedirler. Kimyasal madde ve tuz kullanımı, görünüşte düşük maliyetli bir çözüm olarak görülmekte bununla birlikte yalnızca hava sıcaklığının çok düşük olmadığı şartlarda fayda sağlamaktadır.

5 Tuz kullanımı köprülerde, özellikle taşıyıcı elamanlarda ve metal kısımlarda korozyon kaynaklı olumsuz etkiler meydana getirmekte, kumla birlikte kullanıldığında drenaj sistemlerinin işlevini yitirmesine sebep olmaktadır. Bu istenmeyen durumlar günümüz geleneksel uygulamaların yerine, karayollarında ve sanat yapılarında buzla mücadelede farklı yöntemlerin kullanılması ile ilgili çalışmaların yapılmasına sebep olmuştur.

6 İletken Asfalt Kaplamalar, hava sıcaklığı düşüşleri ve nem artışlarına duyarlı almaçlarla devreye giren aktif sistemler olup buzlanmayı daha oluşmadan önleyebilmektedir. Tuz yerine bu tür sistemlerin kullanılması ile korozyon kaynaklı yapısal hasarlar, trafik kazalarından kaynaklı can ve mal kayıpları azaltılabilir. Bu çalışmada köprülerdeki buzlanmayla geleneksel yöntemler yerine İletken Asfalt Betonunun kullanılabilirliği uygulamaları hakkında önemli bilgiler verilmesi amaçlanmıştır.

7 Köprü ve Viyadüklerde Buzlanma Köprü ve viyadükler diğer üstyapılara göre daha çok ve daha çabuk buzlanır. Köprü, viyadük ve üst geçitler iki taraftan birden soğur. Yollar ise altlarını örten toprak yüzünden sadece üst yüzeylerinden yani bir taraftan soğur. Köprü, viyadük ve üst geçitler her taraftan hava ile temastadır. Böylece köprü ve viyadükler hava sıcaklıkları düşünce hızla ısı kaybedip soğurlar. Bunun sonucu olarak hava sıcaklığının donma noktasına kadar düşmesi ile köprü ve viyadüklerin donması arasındaki zaman farkı çok küçüktür.

8 Kar ve Buzlanma ile Mücadele ve Trafik Güvenliği Özellikle karlı ve buzlanmanın olduğu havalarda, yüksek taşıt hızlarında yol yüzeyi ile tekerlek bandajı arasında oluşan sürtünme direnci çok küçük değerlere inebilmektedir Bu alandaki çalışmalar, sürtünme direncindeki azalmanın trafik kazalarını arttırdığını ortaya koymuştur (TNZ, 2005:524; Gürer vd., 2007:129; Delice vd., 2013:187). İngiltere de yapılan bir çalışma kaplamanın kayma direnci değerinde %10 luk bir iyileştirmenin, yağışlı havalarda meydana gelen trafik kazalarında %13 lik bir azalma sağladığını ortaya koymuştur (Hosking,1987) Çalışmaları, yol yüzeyinin kayma direnci değerinin %35 ten %48 e çıkması durumunda trafik kazalarının da %60 oranında azalma meydana geldiğini göstermiştir (Xiao vd., 2000). Buzlanma ile zamanında müdahale sonucu kazaların engellenmesi ve azaltılması, ileriye dönük büyük bir maddi -manevi kazanım olacaktır!

9 İnsan Gücü Paletli Öteleme Aygıtları Kar Blowerları NaCl CaCl2, MgCl2, CMA KAc İletken Üstyapı kaplamaları Hidronik Buz eritme sitemleri Enerji verilmiş Üstyapı kaplamaları Donmayan Asfalt Betonları

10 a) c) b) d) a) Kar blowerı b)kar Sıyırıcı c) Solvent Aracı d)tuzlama Çalışması (Gürer C Lisansüstü Ders Notları)

11 Pasif Mücadele Yöntemlerinin Dezavantajları Fiziksel yöntemler yoğun işgücü, araç parkı ve yakıt gerektiren yöntemler olup, yağısın sürekli olması durumunda etkisiz kalırlar. Kimyasalların sebep olduğu, çevre kirliliği ile ekolojik yaşama negatif etkileri bulunmaktadır. Köprülerde ve üstyapı yardımcı elamanlarında meydana gelen korozyon kaynaklı hasarlar oluşturmaktadır. NaCl, sıcaklık -3.9 C nin altına düştüğünde buz eritmede yetersiz kalmaktadır. (Löfgren 2001; Sanzo and Hecnar 2006).

12 Kimyasal Mücadele Kaynaklı Korozyon Hasarları Ölçüm Ort. kalınlık (cm) Min. Kalınlık (cm) Doku Kaybı ( L11E dış (doğu) bağlantı levhası L11E iç (doğu) bağlantı levhası L11W iç (doğu) bağlantı levhası L11W dış (batı) bağlantı levhası Tablo1. I35 W Köprüsü çökmeden önceki Mn/DOT denetleme raporunda L11 %) bağlantı plaka kalınlığı lazer tarama ölçümleri Şekil 4. I-35W köprüsü göçmeden önce kaydedilmiş korozyon kaynaklı hasarlar (web site 1, 2007)

13 Kar ve Buzlanmada Kullanılan Başlıca Kimysal Maddeler Kimyasal Madde Sodyum Klorür (NaCl) Kalsiyum Klorür, (CaCl 2 ) Magnezyum Klorür (MgCl 2 ) Potasyum Klorür (KCl) Magnezyum Asetat (CMA) Potasyum Asetat (KCO 2 H) Özellikleri Kaya, göl ve deniz tuzu olarak yaygın olarak bulunması kolaydır. Diğer tuzlara göre maliyet olarak daha uygundur. Düşük sıcaklıklarda buz çözmede iyi çalışan maddelerden biridir. Soda sanayinde yan ürün olarak elde edilir. Kimyasal bir madde olan magnezyum klorürün buz çözme özelliği vardır. Kimyasal bir madde olan potasyum klorürün buz çözme özelliği vardır. Düşük sıcaklıklarda buz çözme özelliği, metal, betona ve çevreye, düşük korozif etkisi sebebiyle son zamanlarda kullanılan kimyasal bir maddedir. Düşük sıcaklıklarda buz çözme özelliği, metal, betona ve çevreye, düşük korozif etkisi sebebiyle son zamanlarda kullanılan kimyasal Etkili Sıc. ( o C) Çevreye Etkileri -8 Ekolojik çevreyi etkiler. Toprağa ve suya geçerek alkaliliğini arttırır. Klorür içerdiği için, korozyon açısından metal yüzeylere ve betona zarar verir Ekolojik çevreyi etkiler. Klorür içerdiği için korozyon açısından, metal yüzeylere ve betona zarar verir. Uygulandıktan sonra yol yüzeyinde temizlenmesi zor ve kaygan bir kalıntı bırakırlar. -15 Ekolojik çevreyi etkiler. Klorür içerdiği için korozyon açısından, metal yüzeylere ve betona zarar verir. Uygulandıktan sonra yol yüzeyinde temizlenmesi zor ve kaygan bir kalıntı bırakırlar. -7 Ekolojik çevreyi etkiler. Toprağa ve suya geçerek alkaliliğini arttırır. Klorür içerdiği için, Korozyon açısından metal yüzeylere ve betona zarar verir. -20 Klorür içermediği için diğer tuzlara göre metallere, betona ve ekolojik çevreye zararlı bir korozif etkisi etkisi yoktur. Diğer tuzlara göre maliyeti yüksektir. -20 Klorür içermediği için diğer tuzlara göre metallere, betona ve ekolojik çevreye zararlı bir korozif etkisi etkisi yoktur. Diğer tuzlara göre maliyeti yüksektir. Tablo 2. Kar ve buzlanma önleyici kimyasalların bazı özellikleri ve çevre üzerindeki bir maddedir. olumsuz etkileri (Özcan vd., 2005)

14 Aktif Mücadele Yöntemlerinin Avantajları Bu yöntemler oldukça etkili ve çevre dostu yöntemlerdir Uzun dönem maliyetlerinin pasif sistemlere göre daha düşük olduğu söylenebilir. Kontrol edilebilir sistemlerdir. Soğuk havalar için acil eylem planlarının başarılı bir şekilde uygulanmasını sağlarlar. Bu Tip Sistemler Nerelerde Kullanılabilir? Havaalanlarında, Yükleme rıhtımlarında Park alanlarında, Köprü tabliyelerinde, Güzergahların tehlikeli geometrik kesimlerinde, Zirai alanlarda, Askeri stratejik bölgelerde, Yüzey sıcaklığının kontrol edilmek istendiği yerlerde (Hastane Acil Servis Ulaşımı, Otobüs Durakları vb.) kullanılabilir. Gürer,2015

15 3. İLETKEN ASFALT BETONU ve MÜHENDİSLİK ÖZELLİKLERİ İletken asfalt beton, elektrik ısıtıcı kaplama olarak üst yapılarda kar eritme ve buz çözmeye yardımcı olmak için kullanılabilmektedir. İletken asfalt betondan geçen akım, kaplama üzerinde kar birikimi ve buzlanmayı önlemek için yeterli ısıyı oluşturmaya yardımcı olur. Şekil 6.Snowfree sistemi enkesiti ve uygulama sonucu kar kütelesinin eritilmesi

16 Bir iletken asfalt betonu; Elektriksel olarak iletken kaplama karışımı, Elektriksel iletken kablolar Elektrik güç kaynağı Hava koşullarını (nem, sıcaklık, rüzgar hızı vb.) ölçen sensör sistemlerinden oluşur. (Minsk, 1968; Minsk ve Hannover, 1971;. Yehia ve arkadaşları, 2000; Zaleski ve ark.1998). Geleneksel asfalt betonları ise; Bitüm Agrega Mineral Filler den oluşur ve elektriksel olarak yalıtkandır.

17 İAB Bileşenleri Şekil 7. Geleneksel asfalt betonu ve İAB arasındaki farklar (Rew and Park, 2014; Gürer, 2015). İletken Asfalt Betonu

18 İAB İletken Bileşenleri Temel İletken Polimer Kompozitleri Teorisine Göre Geleneksel asfalt betonuyla düşük özdirençli bir karışım elde etmek için, Toz halinde iletkenler (grafit, karbon siyahı vb.) (Huang ve diğ.,2009; Wen ve Chung, 2004) Lif halinde iletkenler (Karbon ve Çelik lifleri, Atık Çelik Lifleri) (Garcı a ve diğ., 2009; Khattak ve diğ., 2013; Wu ve diğ., 2005b); Parçacık halinde iletkenler (Çelik cürufu, diğer iletkenlik özelliği gösteren agregalar) katılması ile ulaşabilir. Bunların kombinasyonu ile en iyi mekanik özelliklere ve elektrik iletkenliğine ulaşmak hedeflenmektedir.

19 İletken Asfalt Betonunda Kullanılan Özdirenci Düşük - İletken Malzemeler Grafit Karbon Siyahı Çelik Curufu Tek bir iletken malzeme ile modifiye edilmiş asfalt betonu bazı sınırlamalara ve zorluklara sahip olup iletken malzeme ilavesi maliyetinin artmasının yanı sıra muhtemelen bir ölçüde mekanik performans vb. sorunları olacaktır. Bununla birlikte farklı tip iletken malzemelerin kombinasyonları ile hazırlan iab nun yeterli mekanik ve elektriksel özelliklere sahip ve uygun fayda/maliyeti sağladığı anlaşılmaktadır.

20 İAB için Agrega Gradasyonu iletken asfalt betonlarında agrega gradasyonu için özel bir tanımlama bulunmamaktadır. Literatür sonuçlarına göre, iletken asfalt karışımı agrega gradasyonu için sıcak karışım asfalt (BSK) şartnameleri izlenmiştir. İletken malzemelerle ilgili olarak, mineral agregalar arasındaki boşluklarının iletken filler malzemesi katkıları ile doldurulması gerekirken aynı zamanda mükemmel mekanik performans için ise iyi bir yapı iskeleti gerekmektedir (Mo, 2004). Ayrıca, iletken tozlar ve çelik cürufları, iletken asfalt karışımının hacimsel özelliklerinde değişikliklere yol açabilir ve sırası ile mineral filler ve agreganın yerini alabilir. İletken asfalt karışımının mekanik özelliklerinin bozulması riskini azaltmak için yoğunluktaki oluşabilecek değişikliklerin dikkate alınması gerekmektedir.

21 İAB için Asfalt (bağlayıcı) içeriği Asfalt, film şeklinde agregayı sararak mekanik özellik olarak ve iletken madde içeriği ile iletkenlik konusunda önemli bir rol oynar. Asfalt karışımının dayanıklılığı ve iletkenliği, güçlü bir şekilde asfalt film kalınlığına bağlıdır. Daha ince bir film tabakası iletkenlik elde etmek için etkili iken, kalın film daha yüksek mukavemet üretmek için yararlıdır(wu ve ark., 2002). İAB için hem yüksek mukavemet hem de ve yüksek iletkenliğin gerekli olması nedeniyle, asfalt içeriği iletken asfalt karışımının hazırlanması için kritik bir faktördür. İletken malzemelerin eklenmesi genellikle iletken asfalt

22 Optimum Asfalt Miktarı (gr) Asfalt (bağlayıcı) içeriğinin iletken madde ilavesine göre değişimi Grafit Miktarı (gr) Grafik 1. Optimum bağlayıcı miktarı ve eklenen grafit miktarı ilişkisi Grafik,1 g mineral filler maddesi yerine 1 gr grafit kullanıldığında optimum asfalt miktarındaki artışın 0,5039 g artığını göstermektedir

23 Asfalt (bağlayıcı) içeriği Buna ek olarak İAB tasarımı yapılırken, elyaf ve çelik cürufu gibi diğer iletken malzemelerde asfalt absorbsiyonunun dikkate alınması önem arz etmektedir (Cheng, 2010; Wu ve diğ., 2007; Zhang, 2010). Poliakrilonitril (PAN) - bazlı fiberlerin daha çok asfalt absorbe ettiği, Şekil 5 de görülmektedir Şekil 8. (a) saf PAN lif (b) PAN lif ve asfalt birleşimi SEM görüntüleri

24 İAB Performansı Sıcak iklime sahip yerlerde, iletken filler malzemelerin eklenmesi yolu ile potansiyel tekerlek izi deformasyonlarında azalma elde edilebileceği bildirilmiştir (Liu ve diğerleri, 2008b,. Wen ve Chung, 2004). Yumuşama Noktası (oc) Hacimce İletken Filler (%) Grafik 2. Farklı oranlardaki iletken tozların asfalt karışımının yumuşama noktasına etkisi (Pan vd.,2013 )

25 İAB nun Performansı İletkenliğin Gelişimi İletken malzeme, asfalt betonu numunesi boyunca yeterli bir uzunlukta iletken bir yola sahipse, yalıtkandan bir iletkene düştürülebilir. Bu durumda böyle bir iletken köprü, iletken kompozit malzeme üretimi üzerinde en etkili parametre olmaktadır. Genellikle bu durum iletkenliğin performansını göstermenin basit bir versiyonu olan perkolasyon teorisi ile açıklanmıştır. Perkolasyon teorisi, iletken katkı içeriği varyasyonları altında özdirenç değişimleri açıklamak için kabul edilen bir yöntemdir.

26 İAB nun Performansı İletkenliğin Gelişimi Şekil 9. Toplam iletken katkı maddesi içeriği ve hacim direnci değişimi grafiği(pan vd.,2013) Şekil 10. İletken (a) ve (b) modelinin şematik gösterimi: Basit iletken lif ve filler sistemli bir asfalt betonunda iletken köprülü, filler içeriği perkolasyon teorisine göre olması gerekenden az. (c) ise karışık iletken katkı ile üretilen asfalt betonundaki iletken yolu göstermektedir

27 İAB nun Performansı İletkenliğin Gelişimi Literatürde, iletken asfalt hazırlanması için üç tip katkı komposizyonu kullanılmıştır: Tek tip katkı (örnk. İletken toz yada tek elyaf), Karışık katkı sistemi (örnk. hem iletken toz hemde elyaf ) Multikarışım katkı sistemi (örnk. Karışık toz ve elyafla birlikte iletken agrega)

28 İAB nun Performansı İletkenliğin Gelişimi Asfalt betonun iletkenliği, çelik cürufun agregaya ikame edilmesiyle geliştirilebilir. Bunun nedeni iletken çelik cürufun, iletken köprü uzunluğunu azaltması ve asfalt betonuna yapısal bir iletken ağ oluşturmasıdır (Zhang, 2010). Saf çelik cüruflu asfalt beton özdirençi hala yüksektir. Asfalt betonun iletkenliği, katkının sadece %3 oranında olsa bile, iletken fillerin asfalt karışımı içeriğindeki dağılımına göre değişiklik gösterir. Bu durum, etkin bir iletken ağ için asfalt bağlayıcı ve iletken fillerin etkili olduğunu, çelik cürufu parçacıkların elektrik direncini azaltmak için agrega ve

29 Makro CT ile İAB İletken Köprü Dağılımları Şekil 11. İAB CT görüntüleri : (a) Tüm elyaf kısımlar, (b) sadece bağlı elyaflar, (c) Agrega ve çelik curufu ve (d) bağlayıcı içeriği. CT: Bilgisayarlı tomografi.

30 Buzla Aktif Mücadele Yöntemlerinin Maliyet Kıyaslaması Buz Eritme Yöntemi İlk Maliyet Yıllık İşletme Maliyeti Dizayn Güç Tüketim Aksif buz çözme sistemlerin karşılaştırması (Derwin ve ark., 2003; Tuan, 2008).

31 Sonuç ve Öneriler Çevre ve güvenlik açısından bakıldığında, kar eritme/buz çözme için İAB uygulamaları, geleneksel buz çözücü yöntemlerle karşılaştırıldığında birçok önemli avantaj sağlamaktadır. Dünyada elektrik ısıtmalı üstyapı sistemi ve uygulamaları ile ilgili; Chicago O Hare uluslararası hava limanı (Derwin vd., 2003), Batı Virginia US35 güzergahı 5. ve 20. nehir geçki köprüleri (Minsk, 1999), Güney New Jersey 130. geçki köprüsü (Caggiano ve Michael, 1998), Nebraska Roca Tuz gölü üzeri Spur Köprüsü (Tuan, 2008) gibi başarılı örnekler mevcuttur. Literatür değerlendirmeleri buzlanma ile mücadelede geleneksel uygulamalardan kaynaklanan güvenlik zafiyeti, zaman ve iş gücü kayıpları olduğunu, köprülerde ve araçlardaki korozyon kaynaklı hasarların giderilmesinde İletken Asfalt Betonlarının (İAB) etkili olabileceğini göstermektedir.

32 Günümüzde çalışan örnekleri mevcut olan bu sistemlerin iletkenlik özellikleri ile birlikte mekanik özellikleri, uzun vadede performans özellikleri ve onarım teknikleri kapsamlı deneysel çalışmalar ile araştırmalıdır. Bilgi birikimi ve bilinçli uygulamalar ile köprü ve viyadük gibi, amortisman bedeli yüksek yapılarda buzla mücadelede, kimyasal kullanımının azalması ve zamanında müdahale sağlanacak, bu sayede yapıların servis ömrü uzayacak ve depremde zarar görme riskleri, buzlanma nedeni ile meydana gelen trafik kazaları dolayısı ile can ve mal kayıpları azalacaktır.

33 Teşekkür Ederiz Cahit GÜRER (AKÜ) Cihan DÜŞMEZ (Afy.Bld.) 09 Mayıs 2015 Bursa