Asfalt Betonun Fiziksel Özelliklerinde Darbeli Sıkıştırmanın Etkisi

6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), 16-18 May 2011, Elazığ, Turkey Asfalt Betonun Fiziksel Özelliklerinde Darbeli Sıkıştırmanın Etkisi A.S. Karakaş 1, B. Sayın 2, B. Yıldızlar 3 1 İnş. Yük. Müh., İstanbul Üniversitesi, İstanbul/Türkiye, skarakas@istanbul.edu.tr 2 Dr. İnş. Yük. Müh., İstanbul Üniversitesi, İstanbul/Türkiye, barsayin@istanbul.edu.tr 3 Dr. İnş. Yük. Müh., İstanbul Üniversitesi, İstanbul/Türkiye, peace@istanbul.edu.tr The Effect of Pulse Compression to Physical Properties of Asphalt Concrete Abstract In this study, the effect of pulse compression to physical properties of asphalt concrete was investigated. The experiment was carried out that be used brook material over the aggregates and asphalt cement which was Diyarbakır Metropolitan Municapility plants assurance and it was seen that these materials were fixed suitable to the standarts. Marshall stabilite experiment was made and the optimum bituminous percent was determined that according to type II wearing course aggregate gradation was prepared and with different bitumen ratio was compared. The optimum bitumen and different pulse counts, (50, 60, 70, 75, 80 and 90) total 36 items Marshall brikets were prepared. In the result of these test, it was determined that the most suitable 4% voit ratio which compression was obtained. Keywords Aggregate, optimum bitumen ratio, pulse count, Marshall stability B I. GİRİŞ İTÜMLÜ karışımların yetersiz sıkıştırılması; deformasyona, ayrışmaya, tekerlek izi oluşumuna, bölgesel çökmeye, sökülmelere neden olmaktadır. Bitümlü sıcak karışımların hem laboratuar ortamında tasarım işlemlerinin yapılması, hem de arazide esnek yol kaplaması olarak uygulanmaları sırasında, beklenilen özellikleri göstermesi ve yeterli dayanımlarının olması için sıkıştırma işlemlerinin şartnamelere ve tekniğine uygun bir şekilde yapılması önem arz etmektedir. Sıkıştırmanın önemi göz önünde bulundurularak, laboratuar ortamında Marshall sıkıştırma tokmağı veya son zamanlarda AASHTO-T 283 [1] ile tasarım işlemleri sırasında numunelerin sıkıştırılması için geliştirilen Superpave Gyratory (Yoğurmalı) kompaktör laboratuar cihazları kullanılmakta; dönel kompaktör ile bitümlü karışımların sıkıştırma işlemi boyunca, numunelerin yoğunluğunu ölçmek ve kaydetmek mümkün olmaktadır. Yoğurmalı sıkıştırmanın geliştirilmesinin amacı, numunelere arazi şartlarına uygun yükleme yapmak, karışımın sıkışabilirliğini ve sıkıştırma problemlerini önceden belirlemektir. Çalışmada, Dicle Nehri nden temin edilen dere malzemesinin konkasörde kırılmasıyla elde edilen agregalar üç cins ve değişik ebatlarda granüler malzeme olarak kullanılmıştır. Granüler malzeme, Karayolları Fenni Şartnamesi [2] Tip II ye göre hazırlanarak bağlayıcı malzeme olarak kullanılan AC 75-100 asfalt çimentosu ile karıştırılmış ve numune sıkıştırma cihazı ile sıkıştırılmıştır. Hazırlanan 18 adet Marshall briketleri, Marshall deneyine tabi tutularak optimum bitüm oranı ve asfalt betonunun fiziksel özellikleri tespit edilmiştir. Ayrıca belediyelerin şehir içi yollarda ve ilçelerde sıcak asfalt kaplamalarda dere malzemesi olarak kullandığı, Dicle Nehri nden temin edilen ve konkasörlerde kırılarak kullanılan granüler agregalara yönelik aşınma, özgül ağırlık ve hava tesirlerine karşı dayanıklılık deneyleri ile AC 75-100 asfalt çimentosuna ait laboratuar deneyleri gerçekleştirilmiştir. Optimum bitüm oranında yapılan sıkıştırmalar, stabilite değerinin yüksek, akmanın düşük olması ve bitüm miktarı bakımından daha ekonomik olmasından dolayı, diğer bitüm oranlarıyla yapılan sıkıştırmalarla elde edilen sonuçlara göre daha uygun olmaktadır. 75 darbe ile yapılan sıkıştırmada %4 boşluk oranına yaklaşılmış ve beton asfaltın bütün fiziksel özelliklerinin sağlandığı görülmüştür. Hafif trafikli yollarda 50 darbeli sıkıştırmanın uygun olduğu görülmektedir. Bu yöntemle yapılan çalışmalar bitümlü sıcak karışımların arazideki iklim, trafik etkileri gibi çevre koşullarını dikkate alıp, laboratuar ortamında çevre koşulları ve malzemenin sıkıştırılması gibi arazi koşullarına uygun ortam sağlanmaktadır. Bu itibarla, dizayn aşaması ve %4 hava boşluğunda en uygun numunelerin elde edilmesi ve karışımın durabilitesini arttırması bakımından, diğer dizayn deney yöntemlerine nazaran performans bakımından daha iyi sonuç vermektedir. Standart Marshall deneyinde; bitümlü karışımlara, Proktor tokmağı kullanılarak numunenin üstüne ve altına 75 darbe vurularak briketler hazırlanmaktadır. Ancak istenilen %4 boşluk oranının hangi darbe sayısında elde edileceği ve bu esnada yoğunluğun değeri bilinmemektedir. Diğer bir yöntem olan Superpave karışım tasarım yönteminde ise, asfaltın sınıflandırılmasında farklı sıcaklık koşullarını dikkate alması ve karışımın sıkışabilirliğinin etüt edilmesinde kullandığı 1

A. S. Karakaş, B. Sayın, B. Yıldızlar yoğurmalı pres cihazı ile diğer yöntemlerden daha avantajlı olduğu düşünülmektedir. Bu yeni yöntemde yoğurmalı pres kullanılması ile, karışım, arazi koşullarına benzer şekilde sıkıştırılmakta, iri agregalar kullanılabilmekte, karışımın sıkışabilirliği ve sıkıştırma problemleri önceden belirlenebilmektedir [3-7]. Değişik bitüm oranlarında hazırlanan 18 adet Marshall briketinden tespit edilen optimum bitüm oranı olan %5.28 ile hazırlanan Marshall numunelerinin alt ve üst yüzlerine Marshall tokmağı ile 50,60,70,75,80 ve 90 olmak üzere değişik darbe oranlarında vurularak sıkıştırma yapılmıştır. Bu deneyler için her darbe sayısında üçer adet olmak üzere optimum bitüm oranında toplam 18 adet numune daha hazırlanmıştır. Deneylerin sonucunda %4 boşluk oranının hangi sıkıştırma sayısında elde edileceği saptanmıştır. Bu sıkıştırma derecesinde asfalt betonunun stabilitesi, bitümle dolu boşluk oranı ve akma değerlerinin şartname limitleri içinde kalıp kalmadığı araştırılmıştır. Ayrıca, darbe sayısı referans alınarak, yoğunluk, stabilite, boşluk oranı, boşlukların bitümle dolma oranı, bitüm oranı grafikleri elde edilmiş ve değişik sayıdaki darbeli sıkıştırmanın asfalt betonunun fiziksel özelliklerine etkisi araştırılmıştır. II. AGREGA VE BITÜMLÜ KARIŞIMLARA UYGULANAN DENEYLER A. Dere Malzemesi Üzerinde Deneysel Çalışmalar Dere malzemesi olarak söz konusu belediyeden temin edilen agregadan (Şekil 1) aşınma tabakası için Tip II gradasyon limiti ortalaması alınarak hazırlanan agrega üzerine yapılan deney sonuçları Tablo 1 de ve şartname limitleri ile karşılaştırılması ise Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 1 : Agregaların fiziksel özellikleri [ASTM, 8-13] Tablo 2: Deney sonuçları ve şartname sınırları Tablo 3 ten görüleceği üzere, konkasörlerle kırılıp agrega olarak kullanılan dere malzemesinin, KGM Fenni Şartnamesi kriterlerini sağladığı, yapılan laboratuar deneyleriyle anlaşılmıştır. Böylece, Şartname koşullarına uygun olan bu malzemenin, asfalt betonu kaplamalarındaki bitümlü sıcak karışımlarda kullanılmasında herhangi bir sakınca olmadığı Deneysel çalışmada bitüm olarak AC 75-100 bitümü kullanılmıştır. Bitüme ait fiziksel özellikler Tablo 3 te verilmiştir. Tablo 3: AC 75-100 Bitümüne Ait Fiziksel Özellikler [TS, ASTM, 14-18] Şekil 1: Aşınma tabakasında kullanılan agrega gradasyonu Karayolları Genel Müdürlüğü Fenni Şartnamesi aşınma tabakası Tip II ye göre hazırlanan mineral agrega gradasyonunda; iri agrega oranı %11.5, orta agrega oranı %32.5, ince agrega oranı %49 ve filler oranı %7 olarak alınmıştır. B. Marshall Briketlerinin Hazırlanması Dere malzemesinden hazırlanan agrega karışımlarına değişik bitüm oranlarında (% 4,4.5,5.0,5.5,6.0,6.5) bitüm ilave edilip, her bitüm yüzdesinden üçer tane olmak üzere toplam 18 adet numune, asfalt betonunun fiziksel özelliklerini ve optimum bitüm oranını tespit etmek için hazırlanmıştır. Ayrıca darbeli sıkıştırmanın asfalt betonu kaplamaların fiziksel özelliklerine etkisini araştırmak için optimum bitüm oranı ve değişik darbelerde (50,60,70,75,80,90) 18 adet daha bitümlü sıcak karışım numunesi hazırlanarak sıkıştırma yapılmıştır. Sıkıştırma aletinde 457 mm. yükseklikten serbest olarak düşen sıkıştırma tokmağı ile numune yüzüne değişik darbelerde sıkıştırma yapılmış ve işlem, aynı numune ters çevrilerek tekrarlanıp Marshall numune briketleri hazırlanmıştır (Şekil 2). 2

Asfalt Betonun Fiziksel Özelliklerinde Darbeli Sıkıştırmanın Etkisi Şekil 2: Marshal sıkıştırma tokmağı ve yoğurmalı kompaktör Asfalt betonunun fiziksel özelliklerine ait şartname kriterleri Tablo 4 te gösterilmiştir. Tablo 5 te KGM Yollar Fenni Şartnamesine göre; hafif ve orta trafik yollarda esnek yol kaplamalarının aşınma ve binder tabakaları için laboratuar ortamında asfaltın fiziksel özelliklerine yönelik yapılacak olan dizayn işlemlerinde uygulanacak minimum darbe sayısı 50 olup; ağır trafikli yollar, otoyollar ve tırmanma şeritlerinde ise bu değer, minimum 75 olarak Tablo 4: Asfalt betonunun fiziksel özellikleri Şekil 3: Darbe sayısına bağlı olarak Pratik özgül ağırlık ilişkisi Stabilite ilişkisi Değişik bitüm oranlarıyla Marshall sıkıştırma aletinde 75 darbe uygulanarak hazırlanan numuneler üzerinde yapılan deneysel çalışmalarda optimum bitüm oranı %5.28 olarak elde edilmiştir. Optimum bitüm yüzdesi olan %5.28 olmak üzere, değişik darbe sayısında hazırlanan karışımlarda, darbe sayısı 75 olarak gerçekleştiğinde, asfalt fiziksel özelliklerinde en yüksek değerler elde edilmiştir. Buna göre, pratik özgül ağırlık 2.321 gr/cm 3, stabilite 1236 kg, akma 3.32 mm, boşluk yüzdesi 5.92, bitümle dolu boşluk yüzdesi 65.86 ve agregalar arasındaki boşluk yüzdesi 17.34 olarak elde edilmiştir (Şekil 3, Şekil 4 ve Şekil 5). Şekil 4: Darbe sayısına bağlı olarak Akma ilişkisi Boşluk oranı ilişkisi 3

A. S. Karakaş, B. Sayın, B. Yıldızlar Şekil 5: Darbe sayısına bağlı olarak Asfaltla dolu boşluk ilişkisi Agregalar arasındaki boşluk ilişkisi Optimum bitüm oranı olan % 5.28 te; minimum boşluk oranı % 5.59 ve bu boşluk oranında darbe sayısı 90 olarak tespit edilmiştir. Darbe sayısı 90 iken, akma miktarı 2.95 mm, stabilite 918 kgf ve bitümle dolu boşluk oranı %67.23 olarak bulunmuştur. Değişik darbeler sayılarında optimum bitüm oranında hazırlanan asfalt betonunda fiziksel özelliklerin Şartname limitleri ile karşılaştırılması Tablo 5 te görülmektedir. Darbe sayısı 75 e kadar stabilite ve akmanın arttığı, sonrasında ise, söz konusu parametre değerlerinde azalma gerçekleştiği Tablo 5: Asfalt betonu fiziksel özelliklerinin şartname limitleri ile karşılaştırılması III. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Darbeli sıkıştırmanın, asfalt betonunun fiziksel özelliklerine etkisinin araştırılmasına yönelik olarak gerçekleştirilen çalışmada, bitümlü karışımlarda kullanılan dere malzemesinin aşınma dayanımı, hava tesirlerine karşı dayanıklılık ve özgül ağırlık değerlerinin şartname limitleri içinde kaldığı tespit edilmiştir. Aşınma tabakasında kullanılacak karışım için hazırlanan Marshall briketlerinde optimum bitüm oranı %5.28 olarak bulunmuştur. Optimum bitüm oranındaki numunelerin stabilite, boşluk oranı, asfaltla dolu boşluk oranı ve akma değerlerinin şartname limitleri içinde kaldığı deneysel olarak Optimum bitüm yüzdesi olan %5.28 ve değişik darbelerde (50,60,70,75,80 ve 90) olmak üzere toplam 18 adet Marshall briketi hazırlanıp, Marshall deneyine tabi tutulmuştur. Deney sonuçlarında; optimum bitüm oranı olan %5.28 de elde edilen boşluk oranı, şartname limitlerine göre yüksek çıkmıştır. Asfaltla dolu boşluk oranında, 50 darbe sayısında elde edilen minimum değer, şartname limitleri altında kalmıştır. Akma ve stabilite değerleri ise şartname limitleri içinde kalıp, 75 darbe sayısında stabilite maksimum değer almış, akma ise en büyük darbe sayısı olan 90 da, en küçük değerini alarak şartname limitlerine uygun elde edilmiştir. 75 darbe ile yapılan sıkıştırmada, %4 boşluk oranına yaklaşılmış ve beton asfaltın diğer fiziksel özelliklerinin sağlandığı görülmüştür. Hafif trafikli yollarda ise 50 darbeli sıkıştırmanın uygun olduğu görülmektedir. TEŞEKKÜR Yazarlar, çalışmada kullanılan agregaların temin edilmesi sürecindeki yardımlarından dolayı Diyarbakır Büyükşehir Belediyesi yetkililerine ve deneysel aşamanın gerçekleşmesinde katkıları bulunan Dicle Üniversitesi ve Fırat Üniversitesi Ulaştırma ve Zemin Mekaniği Laboratuarları na teşekkür eder. KAYNAKLAR [1] AASHTO T 283 Standard method of test for resistance of compacted hot mix asphalt (hma) to moisture-ınduced damage. [2] Karayolları Genel Müdürlüğü, 2000, Yollar Fenni Şartnamesi, Ankara. [3] Superpave Mix Design, Superpave Series, No.2, SP-2, р.117, 1996. [4] Superpave for the Generalist Engineer and Project Staff, Department of Transportation Federal Highway Administration, National Highway Institute,. Publication No. FHWA HI 97 031, USA, 1997. [5] Brian, JC, Van Der Horst K, Superpave Compaction, Transportation Conference Proceedings, pp. 264-267, 1998. [6] William RV, Samuel HC, Calculating air voids at specified number of gyrations in superpave gyratory compactor, Transportation Research Board, Research Record 1630, pp. 117-125, 1998. [7] Khan, ZA, WAHAB A, Asi HI, Ramadhan, R, Comparative study of asphalt concrete laboratory compaction methods to simulate field compaction, Construction and Buildings Materials, Vol. 12, pp. 373-384, 1998. [8] American Society for Testing and Materials (ASTM) Standards, C 131-2006, Standard test method for resistance to degradation of small-size coarse aggregate by abrasion and impact in the Los Angeles machine, USA, 2006. [9] American Society for Testing and Materials (ASTM) Standards, C 88-2005, Standard test method for soundness of aggregates by use of sodium sulfate or magnesium sulfate, USA, 2005. [10] American Society for Testing and Materials (ASTM) Standards, C 127-88, Test method for specific gravity and adsorption of coarse aggregate, Annual Book of ASTM Standards, USA, 1992. [11] American Society for Testing and Materials (ASTM) Standards, C 27-1998, Standard classification of fireclay and high-alumina refractory brick, USA, 1988. 4

Asfalt Betonun Fiziksel Özelliklerinde Darbeli Sıkıştırmanın Etkisi [12] American Society for Testing and Materials (ASTM) Standards, C 128-88, Test method for specific gravity and adsorption of fine aggregate. Annual Book of ASTM Standards, USA, 1992. [13] American Society for Testing and Materials (ASTM) Standards, D 854-2006, Standard test methods for specific gravity of soil solids by water pycnometer, USA, 2006. [14] TS 118 (ASTM D5), Petrol Ürünleri-Bitümler ve Bitümlü Bağlayıcılar- İğne Penetrasyonu Tayini, Türk Standartları Enstitüsü. Ankara, 1998. [15] TS 119, (ASTM D113), Bitümlü Maddelerin Düktilite Deneyi İçin Metot, Türk Standartları Enstitüsü. Ankara, 1997. [16] TS 120 EN 1427, (ASTM D36), Bitümler ve Bitümlü Bağlayıcılar- Yumuşama Noktası Tayini Halka ve Bilya Metodu Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 2003. [17] ASTM D 92 REV A-2005, Standard test method for flash and fire points by cleveland open cup tester-ıp designation: 36/84 (89), AASHTO No.: T48; DIN 51 376, 2005. [18] TS 1087, (ASTM D70), Bitümlü Maddelerde Özgül Ağırlık Tayini. Türk Standartları Enstitüsü, Ankara. 4-7, 1999. 5