Farklı Tasarım Yöntemlerine Göre Hazırlanmış Asfalt Beton Numunelerinin Rijitliği

Transkript

1 Fırat Üniv. Fen ve Müh. Bil. Der. Science and Eng. J of Fırat Univ. 18 (2), , (2), , 2006 Farklı Tasarım Yöntemlerine Göre Hazırlanmış Asfalt Beton lerinin Rijitliği Remzi NAMLI ve Necati KULOĞLU Fırat Üniversitesi Teknik Bilimler Meslek Yüksekokulu, 23119, Elazığ Fırat Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü, 23119, Elazığ rnamli@firat.edu.tr (Geliş/Received: ; Kabul/Accepted: ) Özet: Bu çalışmada farklı tasarım yöntemleri ile hazırlanmış sıcak karışım asfalt numunelerinin rijitliği deneysel olarak incelenmiştir. ler hem Marshall hem de Superpave yöntemlerine uygun olarak sıkıştırılmıştır. Daha sonra numunelerin rijitliğini bulmak için Üniversal Test Makinası kullanılmış ve ardışık 5 yüklemeli rijitlik testi uygulanmıştır. Elde edilen rijitlik değerleri birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Ortaya çıkan sonuçlardan, Marshall Yöntemi ile hazırlanan numunelerin, Superpave Yöntemi ile hazırlanan numunelerden daha rijit olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler : Asfalt Betonu, Sıkıştırma,, Polimer. Stiffness of the Asphalt Concrete Specimens Prepared with the Different Design Methods Abstract: In this study, stiffness of the Hot Mix Asphalt specimens prepared by different design methods were investigated experimentally. Specimens were compressed in respect to both Marshall and Superpave Methods. Then, to determine the stiffness of the specimens Open Loop Controlled 5 Pulse Test was applied by using Universal Test Machine. Obtained stiffness values were compared with each other. It was observed that the specimens prepared by Marshall Method were more stiff than the specimens prepared by Superpave Method. Keywords : Asphalt Concrete, Compress, Stiffness, Polymer. 1. Giriş modülü, viskoelastik özelliklere sahip bitümlü sıcak karışımların mekanik özelliklerini belirlemek için kullanılır. Karışımların rijitlik modülleri yükleme hızı ve ısıya bağlı olarak değişir. Karışımdaki malzemeler rijitlik üzerinde ikinci derecede rol oynamaktadır., yükleme altında gerilme ve deformasyon arasındaki ilişkinin göstergesidir. genel olarak; yükleme süresi azaldıkça, ısı azaldıkça, karışım yoğunluğu arttıkça ve asfalt penetrasyonu azaldıkça artacaktır [1]. Gerek bitümün, gerekse sıcak karışımların rijitliği üzerine çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Bunların amacı, sıcak karışımların ya da bitümün olumsuz hava ve yol şartlarında nasıl davrandığını ortaya çıkarmaktır. Çünkü bilindiği gibi birçok sıcak karışımda, düşük sıcaklıklarda çatlama, yüksek sıcaklıklarda ise tekerlek izi ve ondülasyon gibi istenmeyen durumlar meydana gelmektedir. Bitümün elastik rijitliğine etki eden parametreler; yükün etki süresi, penetrasyon indeksi, bitüm yumuşama noktası ve sıcaklıktır. Yükün etki süresinin artışı bitümün elastik rijitliğini azaltırken, penetrasyon indeksinin ve yumuşama noktasının artışı elastik rijitliği arttırmaktadır. Bitümün plastik rijitliğine etki eden parametreler bitümün viskozitesi ve bitüme etki eden toplam etki süresidir. Bitümlü karışımın elastik rijitliğine etki eden parametreler ise bitümün elastik rijitliği ve agrega hacimsel konsantrasyonudur. Boşluk oranı arttıkça karışımın elastik rijitliği de lineer bir şekilde düşmektedir. Değişik bitüm ve agrega oranlarının elastik rijitliğe etkileri incelendiğinde en yüksek elastik rijitlik %3 hava boşluğu (Vh), %96 agrega ağırlığı (Wa) ve %4 bitüm ağırlığı (Wb) değerlerinin bulunduğu

2 R. Namlı ve N. Kuloğlu karışımda görülmüştür. Bitümlü karışımın plastik rijitliği, sadece bitümün plastik rijitliğine bağlıdır. Bitümün plastik rijitliği arttıkça karışımın plastik rijitliği de artmaktadır [2]. Bir sıcak asfalt karışım, kısa süreli tekrarlı yüklemelere maruz bırakıldığında hem kalıcı, hem de geri gelen deformasyonlara uğrar. Her ardışık küçük yükleme tekrarından sonra, sürekli deformasyonlar toplam deformasyonlara göre küçüktür. Halbuki geri gelen deformasyonlar hala etkili bir miktarda olabilir. Bu geri dönen deformasyonlar, rijitlik modülü kapsamına girer. Sıcak karışım dizaynında bu gibi deformasyonlar gerilme yorulmasının artmasına sebep olabilir. modülü testi; hareketli tekerlek yüklerinin kaplamaya uyguladığı etkiyi açıklamak için bir kavram ortaya koyar [3]. Sıcak karışım rijitliğinin belirlenmesi, asfalt kaplamanın tasarımı ve değerlendirilmesi için esastır. Asfalt kaplamadaki birim uzama ve gerilme dağılımını değerlendirmek için karışımın rijitliğinin belirlenmesi gereklidir. Buna ilaveten karışım rijitliği kaplama dizaynında önemli ölçüde kulanılır ve karışım kalitesinin bir göstergesidir [4]. Karışım rijitliğini tayin etmek için farklı yöntemler kullanılır. Asfalt karışımların rijitliğinin tayininde basit performans testi kullanılabilir. Bu deneyde 100 mm çapında ve 150 mm yüksekliğinde numuneler eksenel olarak tekrarlı düşük gerilmelerle yüklenir. Rijitliği tayin etmek için tekrarlı yükler arasındaki birim gerilme ile birim uzama değerlerinden faydalanılır [5]. Sıcak karışım asfalt kaplamasının rijitliği, hem taşıt hızı hem de kaplama sıcaklığına bağlıdır. Bundan dolayı sıcak karışım kaplamanın rijitliğini elde etmek için dinamik modül testi kullanılır. Bu test; -12 0, 4 0, 21 0, 38 0, 54 0 sıcaklık aralıkları ile 25, 10, 5, 1, 0.5 ve 0.1 yükleme frekanslarında yapılır [6]. testi olarak bilinen dinamik modül testi asfalt kaplama karışımlarının rijitlik değerlerini hesaplar. Bu rijitlik değeri, deneysel kaplama tasarımında kullanılabilir. Bu deney, meteoroloji istasyonlarından elde edilen uzun dönemli sıcaklık verilerine göre her bölgede uygun şekilde kullanılır. Bu testin en önemli avantajı, numuneyi bozmamasıdır. Bu nedenle tek bir numune ile farklı sıcaklık ve yükleme koşullarında deney yapılabilir [7]. Başka bir çalışmada üç farklı tane dağılımı değerleriyle elde edilen sıcak karışımlar, Superpave deneyine tabi tutulmuştur. Bu deney neticesinde en büyük rijitlik değerleri, kaba agrega yüzdesi fazla olan karışımlardan elde edilmiştir [8]. Sıcak kaplama karışımının rijitliğine bağlayıcı cinsi de önemli ölçüde etki eder. Yüksek sıcaklık sınıfındaki bir bağlayıcı için, bağlayıcı derecesinin bir derece arttırılması ile yaklaşık olarak iki misli daha rijit bağlayıcı elde edilir. Başka bir deyişle performans sınıfı PG 70 bağlayıcısı, kendisinden bir derece eksik PG 64 bağlayıcısından iki kat daha rijit; PG 76 bağlayıcısı da PG 64 bağlayıcısından dört kat daha rijittir [9]. 2. Ardışık Yüklemeli Modülü Testi Üniversal Test Makinası ile yapılan bu test, sıcak karışımların rijitliğinin blunmasında kullanılan testlerden biridir. Test sırasında belli boyutlardaki asfalt briket numunesi cihaza yerleştirilir. Ölçüm yapılması için gerekli almaçlar bağlanır. Test esnasında deplasman 7 mikron olarak sabit tutulmuştur. Bu 7 mikron (0.007 mm) deplasman için numunelerin gerilme ve rijitlik modülleri incelenir. Şekil 1 de rijitlik modülü testi için yüklemenin, basınç ve zaman değişimi üzerindeki etkisi görülmektedir [10]. Şekil 1. ye yükleme uygulandığında hemen deformasyon meydana gelmemekte, belli bir süre sonra deformasyon oluşmaktadır. Yine kuvvet kalktığında deformasyon hemen son bulmamakta, numune belli bir süre sonra eski halini 236

3 Farklı Tasarım Yöntemlerine Göre Hazırlanmış Asfalt Beton lerinin Rijitliği almaktadır. Şekil 2 de test sırasında yükleme ve deformasyon arasındaki ilişki verilmiştir. Şekil 2. Kuvvet etkisi ve deformasyon durumu ile zaman diyagramı [10]. 3. Materyal ve Yöntem Bu çalışmada öncelikle optimum bitüm yüzdelerinde asfalt numuneleri Marshall ve Superpave Yöntemleri kullanılarak sıkıştırılmıştır. Marshall yönteminde numunelerin her iki yüzüne 75 darbe vurularak sıkıştırılırken, Superpave yönteminde faklı bir sıkıştırma tekniği uygulanmaktadır. Ayrıca bu yöntemde kullanılan numunelerin boyutu da farklıdır. Superpave numuneleri 150 mm çapında ve yaklaşık 115 mm yüksekliğindedir. Bu numuneler Superpave Yoğurmalı Presi ile sıkıştırılır. Bu preste numuneler, 600 kpa sabit yükle, 1.25 derecelik bir açıda ve dakikada 30 devir hızda sıkıştırılır. Her numune için aynı agrega tane dağılımı kullanıldı. Bitüm olarak AC-10 seçildi. Agrega gradasyonu Superpave yöntemine uygun şekilde seçildi. Her iki yöntem ile numuneler hazırlandıktan sonra deplasman kontrollu, 5 ardışık yüklemeli modül testi yapıldı. Bu deney için Üniversal Test Makinesi kullanıldı. Yaklaşık 115 mm yüksekliğindeki Superpave numunelerinin Üniversal Test makinasında kullanılması için boyları kesilerek yaklaşık 63.5 mm ye düşürüldü. Deneyde her iki metoda göre optimum bitüm yüzdelerinde hazırlanan katkısız Marshall, bitümde % 5 SBS Kraton D1192 katkılı Marshall, katkısız Superpave ve yine bitümde % 5 SBS Kraton D1192 katkılı Superpave numuneleri kullanıldı. Deneyde kullanılan numunelerin çapı Marshall için mm, Superpave için 150 mm dir. Her yöntemden ikişer numune deneye tabi tutularak bunların ortalamaları hesaplandı. 5 ardışık yükleme testi standart olarak 7 mikron (0.007 mm) deplasman için numunelerinin gerilme ve rijitlik modüllerini hesaplar. Bu deneyde poisson oranı test şartnamesinin belirttiği şekilde 0.35 alındı. Deney sırasında sadece numune boyutları ile birkaç değer girilir. Üniversal Test Makinesinin kendi yazılımı rijitlik ve diğer değerleri otomatik olarak vermektedir. Şekil 3. (a) ve (b) de 5 ardışık yüklemeli rijitlik modülü deneyi için numunelerin Üniversal Test Makinası nda yerleşimi görülmektedir. 237

4 R. Namlı ve N. Kuloğlu (a) nin çeneye yerleşimi (b) Deneye hazır haldeki numune Şekil 3. Marshall ve Superpave numunelerinin yerleşimi 3.1. Marshall numunelerinin rijitlik modülü deneyi mm çapındaki Marshall numuneleri deneye tabi tutuldu. Deneyde ikişer adet, Marshall tokmağıyla sıkıştırılan numuneler kullanıldı. Katkısız Marshall numunelerinin optimum asfalt muhteviyatı. %5.44 ve bitümde % 5 SBS Kraton D1192 katkılı Marshall numunelerinin optimum asfalt muhteviyatı %4.95 dir. Tablo 1 de katkısız Marshall, Tablo 2 de ise katkılı Marshall numunelerinin Üniversal Test Makinesinde rijitlik modülü için deneye tabi tutulması sonucu elde edilen değerler verilmiştir Tablo 1. %5.44 AC içeriğindeki katkısız Marshall sonuçları Kuvvet(N) (F) Geçici birim r uzama ( ) (kpa) (St) mod.(mpa) (E) 1 63,3 565,25 76,2 56,22 775,3 2 60,0 567,68 71,73 56,46 766,6 3 63,2 572, ,95 770,2 4 63,2 574, ,19 773,5 5 63,2 574,96 74,77 57,19 744,8 Ortalama - 571,08 72,22 56,8 766,1 Standart sapma - 3,9417 1,372 0,392 11,05 Tablo 2. %4.95 AC içeriğinde katkılı Marshall sonuçları Kuvvet(N) Geçici birim (F) uzama ( ) r (kpa) (St) mod.(mpa) (E) 1 63,3 1100,15 71, , ,2 1103,8 71,33 109, ,2 1103,8 73,41 109, ,2 1115,9 73,55 111, ,3 1123,2 74,1 111, Ortalama ,4 72,77 110, Standart sapma - 9,7687 1,359 1,365 17,43 238

5 Farklı Tasarım Yöntemlerine Göre Hazırlanmış Asfalt Beton lerinin Rijitliği 3.2. Superpave numunelerinin rijitlik modülü deneyi Optimum değerdeki %4.75 AC katkısız ve bitümde SBS Kraton D1192 katkısı bulunan %4.45 AC oranındaki Superpave numunelerinden ikişer adet hazırlanmıştır. 150 mm çapındaki bu numuneler yine 5 tekrarlı yükleme ve 7 mikronluk sabit deformasyona göre deneye tabi tutulmuştur. Elde edilen değerler Tablo 3 ve Tablo 4 de verilmiştir. Tablo 3. %4.75 AC içeriğinde katkısız Superpave sonuçları Kuvvet(N) Geçici birim (F) uzama ( ) r (kpa) (St) mod.(mpa) (E) 1 64,0 281,41 32,92 18,66 551,9 2 63,9 276,56 33,11 18,34 539,4 3 64,0 278,99 33,11 18,50 544,1 4 63,9 276,56 33,48 18,34 533,4 5 64,0 281,41 34,03 18,66 533,9 Ortalama - 278,99 33,33 18,50 540,6 Standart sapma - 2,1698 0,395 0,143 6,904 Tablo 4. %4.45 AC içeriğinde katkılı Superpave sonuçları Kuvvet(N) Geçici birim (F) uzama ( ) r (kpa) (St) mod.(mpa) (E) 1 65,1 293,54 34,59 19,16 539,6 2 65,0 300,82 34,22 19,64 558,9 3 65,0 300,82 34,59 19,64 553,0 4 65,0 312,95 35,33 20,43 563,2 5 65,0 305,67 35,88 19,95 541,6 Ortalama - 302,76 34,92 19,76 551,2 Standart sapma - 6,4002 0,601 0,417 9, Elde edilen değerlerin grafiklerle karşılaştırılması Marshall ve Superpave yöntemleri ile hazırlanan numunelerin deney sonucundaki rijitlikleri grafiklerle karşılaştırılmıştır. Şekil 4 te katkısız numuneler için rijitlik modülleri gösterilmiştir. Şekil 4 te katkısız Marshall ve Superpave numunelerinin rijitlik modülleri incelendiğinde Marshall ın Superpave ye göre daha yüksek değerler verdiği görülmüştür. Şekil 5 te katkılı Marshall ve Superpave numunelerinin rijitlik modülleri grafik olarak verilmiştir. Şekil 5 te, bitümde %5 SBS Kraton D1192 katkısıyla yapılan Superpave ve Marshall numuneleri incelendiğinde yine Marshall ın Superpave ye göre daha rijit değerler verdiği görülmüştür. 239

6 R. Namlı ve N. Kuloğlu 850 Modülü (MPa) Marshall Superpave Şekil 4. Katkısız Marshall ve Superpave numunelerinin rijitlik modülleri 1600 Modülleri (MPa) Marshall Superpave Şekil 5. Katkılı Marshall ve Superpave numunelerinin rijitlik modülleri 4. Sonuçlar modülü deneyinde hem katkısız hem de katkılıda Superpave numunelerinin Marshall a göre daha düşük değerler vermesinin nedeni Superpave numunelerinin boylarının yaklaşık 63.5 mm ye düşürülmesi sırasında numunenin yıpranmasıdır. Katkı kullanılarak yapılan Marshall numuneleri katkısız olanlara göre yaklaşık iki kat artış göstermiştir. Superpave de ise katkılı numuneler saf olanlara göre daha yüksek çıkmasına rağmen, bu durum Marshall daki gibi fazla değildir. Dolayısıyla sıcak iklimli yerlerde yapılan kaplamalar için tekerlek izi oluşması ve ondülasyonlara karşı katkılı Marshall kullanılması uygun olabilir. Ayrıca her iki yöntem için hazırlanan numunelerde 240

7 Farklı Tasarım Yöntemlerine Göre Hazırlanmış Asfalt Beton lerinin Rijitliği SBS Kraton D1192 katkısının kullanılması rijitlik üzerinde olumlu etki yapmıştır. Ülkemiz asfalt bakımından yurt dışına bağımlıdır ve büyük paralar harcamaktadır. 3 Mayıs 2003 itibariyle yapılan hesaplamalarda katkısız optimum değerlerde Marshall için 1 ton asfalt betonundaki AC-10 nun maliyeti TL iken, Superpave de bu durum TL olmuştur. SBS Kraton D1192 nin %5 oranında optimum değerlerde kullanılması sonucunda 1 ton asfalt betonundaki AC - 10+Kraton D1192 bağlayıcısının maliyeti Marshall da TL ye, Superpave de ise TL ye düşmüştür. Dolayısıyla Kraton D1192 katkı malzemesi kullanılarak hem bitüm maliyetinden tasarruf etmek, hem de daha rijit kaplamalar elde etmek mümkündür. 5. Kaynaklar 1. Tunç, A. (2001). Yol Malzemeleri ve Uygulamaları, Atlas Yayınevi, 840 s. 2. Kuloğlu, N., 2001, Bitüm ve Bitümlü Sıcak Karışımların Rijitliğine Etki Eden Parametreler, Turk J. Engin. Environ. Sci, 25, Braz, D., Lopes, R.T., Da Motta, L.M.G. (2000). Computed Tomography: Evaluation of Stability Tests and Indirect Tensile Strength of Field Asphaltic Mixtures, ELSEVIER. 4. C-SHRP, (2000). Asphalt: Current Issues and Research Needs, Canadian Strategic Highway Research Program. 5. Anderson, M., (2004). Simple Performance Testing of Asphalt Mixtures to Determine Stiffness, AI Lab Corner. 6. Bennert, T., Maher, A., Simith, J. (2004). Evaluation of Crumb Rubber in Hot Mix Asphalt, Bayshore Recycling Corp. Final Report. 7. Myers, L., D angelo, J. (2005). Evaluating the Field Performance of Asphalt Mixtures in the Lab, U.S. Department of Transportation Federal Highway Administration, 68(4). 8. Solaimanian, M. (1999). Statics Creep Behavior of Superpave Mixes, South Central Superpave Center News, 1(3). 9. Superpave Mixture Design Guide, (2001). Westrack Forensic Team Consensus Report, Washington, DC. 10. Universal Testing Machine, (1995). Open Loop Controlled 5 Pulse Test, UTM Test No: 003, 13 s. 241