Bitümlü Sıcak Karışımlarda Kullanılan Agrega Cinsinin Kaplamanın Fiziksel Özelliklerine Etkisi

Transkript

1 Fırat Üniv. Fen ve Müh. il. Der. Science and Eng. J of Fırat Univ. 18 (1), 81-89, (1), 81-89, 2006 itümlü Sıcak arışımlarda ullanılan Agrega Cinsinin aplamanın Fiziksel Özelliklerine Etkisi Taner ALATAŞ, Perviz AHMEDZADE ve Yüksel DOĞAN F.Ü. Mühendislik Fak. İnşaat Müh. öl. ELAZIĞ talatas@firat.edu.tr (Geliş/Received: ; abul/accepted: ) Özet: u çalışmada, bitümlü sıcak karışımlarda kullanılan agrega cinsinin kaplamanın fiziksel özelliklerine etkisi araştırılmıştır. u amaçla Elazığ ili Hanpınar ve arayazı yöresinden temin edilen kalker (), bazalt (), incesi kalker-irisi bazalt () ve incesi bazalt-irisi kalker () karışımlarından meydana gelen dört farklı agrega grubu kullanılmıştır. arayolları Genel Müdürlüğü Fenni Şartnamesi tarafından aşınma tabakası için verilen Tip II gradasyonu ortalama değerlerine göre hazırlanmış Marshall briketleri üzerinde, Marshall stabilite ve indirekt çekme deneyleri yapılmış, agrega cinsinin kaplamanın optimum bitüm oranına ve diğer fiziksel özelliklerine etkisi incelenmiştir. Sonuç olarak, en ekonomik karışımın, dayanımı en yüksek olan karışımın ise karışımı olduğu görülmüştür. Anahtar elimeler: Asfalt betonu, Agrega, Marshall metodu, Rijitlik modülü, itüm. The Effect Of Aggregate Type Used In The itumen Hot mix To The Physical Properties Of Pavement Abstract: In this study, the effect of aggregate type used in the bitumen hot mix to the physical properties of pavement was investigated. For the experiments four different aggregate group which take from limestone and basalt, from Hanpınar and arayazı regions of Elazığ were used. The Marshall stability and indirect tension tests were applied to the Marshall samples. The samples were prepared according to the Type II gradation limits of General Directorate of Highways Technical Specification. The effect of the aggregate type to the optimum bitumen ratio and the physical properties of the pavement was investigated. It was observed that the most economical mixture was obtained from limestone and the mixture with the highest strength was obtained from basalt. ey words: Asphalt pavement, Aggregate, Marshall Method, Stiffness modules, itumen. 1. Giriş Esnek üstyapı; tesviye yüzeyi ile sıkı bir temas sağlayan ve trafik yüklerini, kaplama, temel ve alt temel tabakaları vasıtasıyla taban zeminine dağıtan bir üstyapı şekli olup, stabilite, adezyon, dane sürtünmesi ve kohezyon gibi özellikleri, kullanılan agrega ve bitümlü bağlayıcının özelliklerine bağlıdır. aplama tabakası, üstyapının trafik yüklerine doğrudan maruz kalan en üst tabakasıdır. Trafik yükleri nedeniyle oluşan basınç ve çekme gerilmelerinin en yüksek seviyede olması nedeniyle kaplama tabakası, üstyapının diğer tabakalarına göre daha yüksek elastisite modülüne sahip olmalıdır. itümlü sıcak karışım; iri ve ince agrega, filler ve bitümün plentlerde o C sıcaklıkta karıştırılıp düzgün bir tabaka halinde serilip sıkıştırılarak elde edilen bir yol kaplamasıdır. itümlü sıcak karışım kaplamalarda ağırlıkça %93-96 arasında agrega mevcut olmaktadır. u nedenle agrega granülometrisi önemli bir faktördür [1-5]. Al-Hourani M. A. ve hedaywi S. T., 1989 yılında asfalt kaplama karışımlarının dayanıklılıklarını artırmak için polimer ve kalker tozu katkılı karışımların performansını incelemişlerdir. u katkıların kaplama karışımlarının dayanımına etkisini tespit etmek için Marshall deneyi, indirekt çekme deneyi ve kohezyon deneyi yapılmıştır. Sonuç olarak, karışıma eklenen %10 oranındaki kalker tozunun Marshall stabilite, çekme gerilmesi ve kohezyon değerlerini arttırdığı görülmüştür [6]. M. Mohammad Omar Wasfi ve hedaywi S. T., 1991 yılında bazı filler tiplerinin binder tabakasındaki bitümlü

2 T. Alataş, P. Ahmedzade ve Y. Doğan karışımların özellikleri üzerine etkisini araştırmak amacıyla bir çalışma yapmışlardır. u çalışmada; bazalt ve granitten oluşmuş 2 tip agrega, portland çimentosu, sönmüş kireç ve kalker tozundan oluşmuş 3 tip filler ve tek tip asfalt çimentosu kullanmışlardır. Çalışmada Marshall test metodu ve indirekt çekme deneyi uygulanmıştır. Araştırma sonuçları göstermiştir ki; % 6 çimento kullanılan bazalt karışımları ve % 6 sönmüş kireç ve kalker tozu kullanılan granit karışımları iyi sonuçlar vermiştir [7]. S. Abdullah Waddah, Obaidat M. Taleb ve Abu-Sa da M. Nazem, 1998 yılında yaptıkları çalışmada agrega tipinin, karışımın boşluk oranına (V h ) ve agregalar arası boşluk oranına (VMA) etkisini incelemişlerdir. Çalışma için kırma kireçtaşı, kırma bazalt ve kırma granitten oluşmuş 3 tip agrega kullanılmıştır. u agrega tiplerinin her biri için 5 tip gradasyon (ASTM üst limit, alt limit ve orta limit, ASTM A gradasyonu ve Lee rasyonel metot gradasyonu) kullanılmıştır. ASTM alt limit gradasyonu için, bazaltta agregalar arası boşluk azalması % 66, kireçtaşında % 68 ve granitte % 91 olarak hesaplanmıştır. azalt agregasındaki agregalar arası boşluk azalma değerinin düşük çıkmasının nedeni, bazalt karışımında topaklanma olması ve oluşan boşlukların bitümle dolmasıdır. Granit agregasındaki agregalar arası boşluk azalması değerinin yüksek oluşu ise bu agrega yüzey yapısının yuvarlak formda oluşundan kaynaklandığı belirtilmiştir. aba agrega seçiminden dolayı asfalt karışımının boşluk oranı ve su geçirgenlik indeksi önemli oranda artmıştır [8]. uloğlu N yılında yapmış olduğu bir çalışmasında, asfaltlı karışımlarda kullanılacak agrega gradasyonlarının tespitini araştırmıştır. Asfaltlı karışımlarda, şartnamede verilen agrega tiplerinden binder tabakası için Tip III ün alt limitinin, aşınma tabakası için Tip II nin alt limitinin kullanılması halinde karışımın daha ekonomik olacağı sonucuna varmıştır [9]. 2. Materyal ve Metot Deneylerde agrega malzemesi olarak Elazığ ili Hanpınar ve arayazı yöresinden temin edilen kalker (), bazalt (), incesi kalker irisi bazalt () ve incesi bazalt irisi kalker () karışımlardan meydana gelen dört farklı agrega grubu kullanılmıştır. Tablo 1. de, kullanılan farklı agrega karışımlarının özgül ağırlıkları verilmiştir. Agrega gradasyonu için Tablo 2. de verilen Tip II gradasyonu ortalamaları kullanılmıştır [10]. Tablo1. Farklı agrega karışımlarının özgül ağırlıkları. Agrega cinsi Özgül ağırlık (gr/cm 3 ) aba (ASTM C-127) İnce ASTM C-128) Filler (ASTM D-854) alker 2,675 2,694 2,732 azalt 2,610 2,590 2,570 alker-bazalt 2,610 2,694 2,732 azalt- kalker 2,675 2,732 2,570 Tablo 2. Agrega gradasyonu [10]. Elek boyutu (mm) % geçen ,5 88,5 9,5 75 4, , , ,180 12,5 0,075 7 u deneysel çalışmada, bağlayıcı olarak AC (AC-10) asfalt çimentosu kullanılmıştır. AC-10 asfalt çimentosunun fiziksel özellikleri Tablo 3. de verilmiştir. Ayrıca asfalt çimentosunun bozulma sıcaklığı Termogravimetrik Analiz (TGA) ile araştırılmıştır. Şekil 1. de görüldüğü gibi AC- 10 azot atmosferinde 10 o C/dak hızı ile 500 o C ye kadar ısıtılmış ve 215 o C de bozulmaya başladığı tespit edilmiştir. Asfalt 80

3 itümlü Sıcak arışımlarda ullanılan Agrega Cinsinin aplamanın Fiziksel Özelliklerine Etkisi çimentosunun toplam kütle kaybı %71 civarında ve artık madde miktarının da %29 olduğu anlaşılmıştır. Tablo 3. AC-10 nun fiziksel özellikleri Özellikler Test Sonuçları Standartlar Özgül ağırlık (gr/cm 3 ) 1,0350 TS 1087 Düktilite (cm) 100 TS 119 Penetrasyon (0,1mm) 25 o C'de, 100gr, 5sn 84 TS o C'de, 100gr, 5sn 18 Yumuşama noktası ( o C) 46 TS 120 Parlama noktası ( o C) 304 TS 123 Fraas kırılma noktası ( o C) -27,1 TS EN inematik viskozite, 135 o C, mm 2 /sn 354 TS 1093 Penetrasyon indeksi (PI) -1,00 - Penetrasyon viskozite sayısı (PVN) -0,6 - Şekil 1. AC-10 un TGA analizi 3. Deneysel Çalışmalar Deneysel çalışmada, bitümlü sıcak karışımlarda kullanılan agrega cinsinin kaplamanın fiziksel özelliklerine etkisini araştırmak amacıyla laboratuarda toplam 72 adet Marshall numuneleri hazırlanmıştır. u numuneler üzerinde Marshall ve indirekt çekme rijitlik modülü deneyleri yapılmıştır Marshall metodu Marshall metodu kullanılarak Tablo 2. de verilen agrega gradasyonu için dört farklı agrega grubunda optimum bitüm muhtevası araştırılmıştır. unun için % 4,0; 4,5; 5,0; 5,5 ve 6,0 bitüm muhtevalarında hazırlanan üçer adet Marshall numuneleri Marshall aygıtında (Ele Test-E) test edilerek denenmiş ve her agrega grubu için elde edilen sonuçlar Tablo 4. de ve bunlara ait grafikler Şekil 2., 3., 4., 5., 6. ve 7. de verilmiştir [11-13]. 81

4 T. Alataş, P. Ahmedzade ve Y. Doğan Tablo 4. Dört farklı agrega grubuna ait optimum bitüm muhtevası için Marshall değerleri W a W b D p (gr/cm 3 ) D t (gr/cm 3 ) V h VMA V f Akma (mm) Stabilite (kg) 4,0 3,85 2,387 2,529 5,629 14,628 61,571 3, ,3 4,5 4,31 2,414 2,511 3,889 14,077 72,410 3,39 12,82,7 5,0 4,76 2,409 2,494 3,397 14,644 76,819 3, ,3 5,5 5,21 2,404 2,477 2,954 15,240 80,656 4,44 827,2 6,0 5,66 2,400 2,460 2,440 15,760 84,520 4,51 798,3 4,0 3,85 2,327 2,452 5,087 13,861 63,385 2, ,8 4,5 4,31 2,340 2,435 3,910 13,788 71,770 3, ,8 5,0 4,76 2,350 2,419 2,869 13,839 79,331 3, ,5 5,21 2,354 2,404 2,050 14,083 85,477 4, ,3 6,0 5,66 2,345 2,388 1,818 14,830 87,761 4, ,0 3,85 2,357 2,504 5,876 14,764 60,460 3, ,5 4,5 4,31 2,383 2,487 4,181 14,241 70,692 3, ,2 5,0 4,76 2,389 2,470 3,293 14,444 77,240 3, ,7 5,5 5,21 2,392 2,453 2,493 14,720 83,108 4,44 995,7 6,0 5,66 2,386 2,437 2,093 15,333 86,350 4,53 876,4 4,0 3,85 2,316 2,475 6,430 15,164 57,603 2, ,2 4,5 4,31 2,336 2,459 4,997 14,858 66,368 3, ,4 5,0 4,76 2,348 2,442 3,877 14,839 74,211 3, ,5 5,5 5,21 2,357 2,426 2,849 14,897 80,903 4, ,8 6,0 5,66 2,350 2,410 2,490 15,530 83,967 4,32 996,3 W a : arışımındaki bağlayıcı oranı (agreganın ağırlıkça % si olarak). W b : ağlayıcı miktarı (karışımın ağırlıkça % si olarak). D p : Sıkıştırılmış numunenin hacim özgül ağırlığı (gr/cm 3 ). D t : Sıkıştırılmış numunenin teorik özgül ağırlığı (gr/cm 3 ). V h : Sıkıştırılmış karışımdaki boşluk oranı. VMA: Sıkıştırılmış karışımdaki agregalar arası boşluk. V f : sıkıştırılmış karışımdaki bağlayıcı ile dolu boşluk. 2,42 irim Hacim Ağırlığı Dp (gr/cm3) 2,4 2,38 2,36 2,34 2,32 2,3 itüm % Şekil 2. 4 Tip numune için bitüm yüzdesi - birim hacim ağırlığı ilişkisi. 82

5 itümlü Sıcak arışımlarda ullanılan Agrega Cinsinin aplamanın Fiziksel Özelliklerine Etkisi Hava oşluğu Yüzdesi Vh 6,8 5,8 4,8 3,8 2,8 1,8 itüm % Şekil 3. 4 Tip numune için bitüm yüzdesi - hava boşluğu yüzdesi ilişkisi. 16 Agregalar Arası oşluk Yüzdesi VMA 15, , ,5 13 itüm % Şekil 4. 4 Tip numune için bitüm yüzdesi - agregalar arası boşluğu yüzdesi ilişkisi. 90 itümle Dolu oşluk Yüzdesi Vf itüm % Şekil 5. 4 Tip numune için bitüm yüzdesi - bitümle dolu boşluk yüzdesi ilişkisi. 83

6 T. Alataş, P. Ahmedzade ve Y. Doğan Akma (mm) 4,75 4,5 4,25 4 3,75 3,5 3,25 3 2,75 itüm % Şekil 6. 4 Tip numune için bitüm yüzdesi - akma ilişkisi Stabilite (kg) itüm % Şekil 7. 4 Tip numune için bitüm yüzdesi - stabilite ilişkisi. Optimum bitüm muhtevası bulunduktan sonra bu bitüm oranlarında hazırlanan numunelerin Marshall değerleri Tablo 5. te ve bunlara ait grafikler Şekil 8., 9., 10., 11., 12. ve 13. de verilmiştir. Tablo 5. Marshall dizayn değerleri. Agrega grubu W a W b D p (gr/cm 3 ) D t (gr/cm 3 ) V h VMA V f Akma (mm) Stabilite (kg) alker 4,75 4,53 2,415 2,503 3,514 14,249 75,344 3, ,6 azalt 4,9 4,67 2,346 2,422 3,156 13,899 77,317 3, ,1 alker - bazalt 4,95 4,72 2,338 2,472 3,393 14,434 76,494 3, ,3 azalt - kalker 5,1 4,85 2,349 2,439 3,692 14,867 75,189 3, ,9 Şartname limitleri [10] min

7 itümlü Sıcak arışımlarda ullanılan Agrega Cinsinin aplamanın Fiziksel Özelliklerine Etkisi 2,420 irim Hacim Ağırlığı Dp (gr/cm3) 2,400 2,380 2,360 2,340 2,320 2,300 Şekil 8. 4 Tip numune için birim hacim ağırlığı ilişkisi. Hava oşluğu Yüzdesi Vh 3,800 3,700 3,600 3,500 3,400 3,300 3,200 3,100 3,000 2,900 2,800 Şekil 9. 4 Tip numune için hava boşluğu yüzdesi ilişkisi. Agregalar Arası oşluk Yüzdesi VMA 15,000 14,800 14,600 14,400 14,200 14,000 13,800 13,600 13,400 Şekil Tip numune için agregalar arası boşluğu yüzdesi ilişkisi. 85

8 T. Alataş, P. Ahmedzade ve Y. Doğan itümle Dolu oşluk Yüzdesi Vf 77,500 77,000 76,500 76,000 75,500 75,000 74,500 74,000 Şekil Tip numune için bitümle dolu boşluk yüzdesi ilişkisi. 4,00 3,90 3,80 Akma (mm) 3,70 3,60 3,50 3,40 Şekil Tip numune için akma ilişkisi. 1350,0 1300,0 Stabilite (kg) 1250,0 1200,0 1150,0 1100,0 Şekil Tip numune için stabilite ilişkisi. 86

9 itümlü Sıcak arışımlarda ullanılan Agrega Cinsinin aplamanın Fiziksel Özelliklerine Etkisi Şekil 12. de görüldüğü gibi, en düşük akma değerine numuneleri, en yüksek ise numuneleri sahiptir. Şekil 13. de en küçük stabilite değeri numunelerinde, en yüksek ise numunelerinde görülmüştür İndirekt çekme esneklik modülü deneyi İndirekt çekme esneklik modülü deneyi, dinamik yükler karşısında bitümlü karışımların esnekliğini tespit etmek amacıyla yapılmaktadır. Rijitlik modülü yüzey kaplamalarının en önemli performans karakteristiğidir. Esneklik modülü, bitümlü kaplamalarda yük dağıtma kabiliyetinin bir ölçüsüdür. Esneklik modülü, kaplamanın altında trafik etkisiyle meydana gelen ve yorulma çatlaklarına neden olan çekme gerilmelerini ve basınç gerilmesinin neden olduğu kalıcı deformasyonları kontrol eder. Tek eksenli yükleme altındaki esneklik modülü genel olarak maksimum gerilmenin maksimum birim şekil değiştirmeye oranıdır. u çalışmada, indirekt çekme esneklik modülü deneyi, Universal Testing Machine (UTM-5P) aletiyle yapılmıştır (Şekil 14). Deney için hazırlanan Marshall numuneleri tek eksenli yüklemenin yapılacağı yükleme hücresine yerleştirilir ve LVDT ler bağlanır. Taşıt hızları göz önünde bulundurularak yükleme frekansı belirlenir. arışımın tahmini poisson oranı (0,35), hedef deformasyon (7µm) ve yük artış süreleri bilgisayardan girilir ve deney başlatılır. Deney, 20 o C de periyodu 3000 ms yükleme zamanı 126 ms olan 5 tekrarlı yükleme alınarak deformasyon kontrollü olarak düzenlenmiş ve esneklik modülünün (S m ) hesaplanmasında formül (1) kullanılmıştır [14,15]. S m = P (µ + 0,27 ) / D t (1) S m : Esneklik modülü (Mpa) P: Maximum yük (N) t: Numune kalınlığı (mm) D: Yatay deformasyon (mm) µ: Poisson oranı (deneylerde 0,35 alınmıştır) Şekil 14. İndirekt çekme rijitlik modülü deney aleti Tablo 6. Dört tip malzeme karışımı için esneklik modülü değerleri. Agrega grubu Esneklik modülü (Mpa) alker 1353 azalt 1706 alker - azalt 1674 azalt - alker

10 T. Alataş, P. Ahmedzade ve Y. Doğan 2100 Esneklik Modülü (Mpa) Şekil 15. Esneklik Modülü Malzeme tipi ilişkisi. Optimum bitüm oranlarında hazırlanan numunelerin Marshall değerleri tespit edildikten sonra, aynı oranlarda hazırlanan diğer numuneler de indirekt çekme esneklik modülü deneyine tabi tutulmuştur. Elde edilen sonuçlar Tablo 6. de ve Şekil 15. de verilmiştir. Şekil 15. de görüldüğü gibi, en yüksek esneklik modülü değerine numunelerinde ulaşılmıştır. 4. Sonuçlar u çalışmada, bitümlü sıcak karışımlarda kullanılan agrega cinslerinin kaplamanın fiziksel özelliklerine etkisini araştırmak üzere, 4 grup agrega karışımı üzerinde Marshall deneyleri ve indirekt çekme deneyleri yapılmıştır. Marshall metodu kullanılarak yapılan deneyler sonucunda, optimum bitüm oranlarında hazırlanan numunelerin stabilite, boşluk oranı, asfaltla dolu boşluk oranı ve akma değerlerinin şartname limitleri içerisinde kaldığı görülmüştür. una göre, numunelerinin en düşük optimum bitüm oranına sahip olması bu karışımın en ekonomik karışım olması sonucunu doğurmuştur. Stabilite açısından numunelerinde en yüksek, numunelerinde ise en düşük değer elde edilmiştir. Çünkü, agrega olarak bazalt malzemesi kalker malzemesine göre daha dayanıklıdır. Ancak, kalker malzemesinin yüzeyi bazalta göre daha gözenekli ve pürüzlü olduğundan, sıcak karışım içerisinde agregalar ile bitüm arasındaki adezyon kalkerde daha yüksek olmaktadır. undan dolayı, kalkerli numunelerde daha düşük akma değeri elde edilmiştir. Yine numunelerinde stabilite bakımından numunelerine yakın bir değere ulaşılmıştır. numunelerindeki boşluk oranı, numunelerindeki boşluk oranına göre daha düşük çıkmıştır. İndirekt çekme esneklik modülü deneyi sonuçlarında da, Marshall deneyi sonuçlarına paralel olarak en iyi esneklik modülü değerlerine numunelerinde ulaşılmıştır. numunelerinde ise esneklik modülü değeri numunelerine yakın çıkmıştır. Fakat, numunelerinde ise en düşük esneklik modülü değeri elde edilmiştir. itümlü sıcak karışımlarda malzeme seçimi yapılırken numuneleri ekonomik olarak görünse de uzun vadede yolun işletilmesinde stabilite problemlerinin oluşmaması ve kaplamanın trafik etkisinden dolayı meydana gelen çekme gerilmelerine karşı koyabilmesi için stabilite değeri yüksek olan karışımı öncelikle tercih edilmelidir. ununla beraber karışımı ve karışımı kullanılması halinde de makul sonuçlar elde edilebilir. Ancak, yol inşaatının üst yapı teşkilinde ve kullanılması için iki ayrı taş ocağı işletilmesi gerektiğinden, uygulamada ekonomik olmayacağı için fazla tercih edilmemelidir. aynaklar 1. Umar, F. ve Ağar, E. (1991). Yol Üstyapısı, İ.T.Ü., İnşaat Fakültesi Matbaası, İstanbul. 2. GM. (1984). arayolları Esnek Üstyapılar Projelendirme Rehberi, Araş. Dai. aşk., Ankara. 88

11 itümlü Sıcak arışımlarda ullanılan Agrega Cinsinin aplamanın Fiziksel Özelliklerine Etkisi 3. Tunç, A. (2001). Yol Malzemeleri ve Uygulamaları, Ankara, 4. Dallas, L. N. (1995). Handbook for Stabilization of Pavement Subgrades and ase Courses With Lime, Texas. 5. Salter, J. R. (1998). Highway Design and Construction, London. 6. Al-Hourani, M.A. and hedawi, T.S. (1998). Effect of Polymer and Limestone Dust On The Durability of Asphalt Paving Mixtures. 7. Mohammed, O. W. M. and hedawi, T. S. (1991). Effect of Types of Fillers On The Properties of ituminous Mixtures In The inder Layer. 8. Abdullah, W. S. Obaidat, M. T. and Abu- Sada, M. N. (1998). Influence of Aggregate Type and Gradation On Voids of Asphalt Concrete Pavements, Journal of Materials In Civil Engineering, uloğlu, N. (1998). Agrega Gradasyonunun Asfalt Muhtevasına Etkisi, İnşaat Mühendisleri Odası IV. Ulaştırma ongresi ildiriler itabı, Denizli, GM. (2000). Yollar Fenni Şartnamesi, Teknik Araş. Dairesi aşk., Yayın No:170/2, Ankara. 11. GM. (1990). Asfalt etonu arışım Dizayn Metotları, Teknik Araş. Dairesi aşk., Ankara. 12. İlter, A. (1967). Yol Yapımında Agregat ve itümlü Malzemeler,.G.M, No:153, Ankara. 13. eçeciler, A. F. ve Gümrükçüoğlu, A. (1988). itümlü Malzemeler Laboratuar El itabı,.g.m., Araş. Dairesi aşk., Yayın No:239, Ankara. 14. ituminous inders and Mixes, (1998). Rilem Report ritish Standards Institution, Method for The Determination Of The Indirect Tensile Stiffness Modulus Of ituminous Mixtures. Draft For Development DD-213,