Bitümlü Sıcak Karışımların Performansına Filler Etkisi Osman Nuri Çelik Doç. Dr. Selçuk Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, 42075, Konya. Fatih Yonar İnş. Yük. Müh. Selçuk Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, 42075, Konya. Seyfullah Ceylan İnş. Yük. Müh. Büyükşehir Belediyesi, Konya. Öz Bitümlü Sıcak Karışımlar (BSK) agrega, filler ve bitümlü bağlayıcının yüksek ve uygun sıcaklıkta karıştırılması ile elde edilirler. Karışımın çoğunluğunu oluşturan agreganın özellikleri bu karışımların dayanımını ve dayanıklılığını etkiler. Karışımın yorulma mukavemeti ve tekerlek izi derinliği de agrega cinsi, dolayısı ile kırılma özellikleri yani şekli ve granülometrisi, yüzey pürüzlülüğü ile bağlantılıdır. Trafik yükleri altında, şekil değiştirme yüzey tabakasında oluşur. Kaplamanda kullanılan malzeme, yapım tekniği ve yük bileşenleri, kaplama tabakasının performansını etkileyen ana etkenlerdir. Kaplamanın performansı etkileyen, bağlayıcı cinsi ve miktarı, ince ve iri agrega cinsi ve miktarı gibi daha birçok etken vardır. Bunlara ilave olarak, karıştırma sıcaklığı, karıştırma süresi ve karıştırma sırasındaki özen karışımın dayanıklılığını ve performansını etkiler. Bu etkenlerden herhangi biri karışım sırasında göz ardı edilirse elde edilecek ürünün kalitesi düşük olur. Bu adı geçen etkenlerden herhangi birinin bitümlü karışımın performansına ve dayanıklılığına etkisini incelemek mümkündür. Bu çalışmada değişik filler cinslerinin BSK ın Marshall Stabilitesi ve Dolaylı Çekme Modülüne etkisi incelenmiştir. Bunun için Carboniferous-Triassic kaya tozu ve Magnezit tozu karışım içerisinde filler olarak kullanılmış, elde edilen karışımın özellikleri kalker tozu kullanılarak hazırlanan karışımların özellikleri ile karşılaştırılmıştır. BSK nın hizmet ömrü karışımın iyileştirilmesi ile artırılabilir. Yani iyileştirme ile bakım süreleri uzatılabilir. Literatürde araştırmacıların karışımın iyileştirilmesinden daha çok bitümlü bağlayıcının iyileştirilmesi üzerine yoğunlaştıkları gözlenmektedir. Karışımın yorulma süresi ve plastik davranışı gibi özelliklerine filler etkisi üzerine yapılmış bazı araştırmalar vardır. Bitümlü karışım üzerine çalışanların da vurguladığı gibi karışımın özelliklerine filler etkisi ile ilgili yeni çalışmalara gereksinim vardır. 196
Giriş Filler, bitümlü sıcak karışımın yorulma süresi ve plastik davranışını etkilemektedir. Karışıma katılacak bitümlü bağlayıcı ve agreganın seçiminde ve ayrıca karışımın hazırlanıp yola serilmesi esnasında gösterilecek olan özen ve dikkat, şekil değiştirmelere karşı dayanıklı bir bitümlü kaplama elde edebilmek için oldukça önemlidir. Bitümlü bağlayıcının iyileştirilmesi üzerine birçok çalışma yapılmaktadır. BSK nın özelliklerini iyileştirmek için farklı filler kullanımı da denenmektedir. Filler etkisi üzerine yapılan araştırmalar Portland çimentosu sönmüş kireç gibi (Acar ve Tapkın, 1998), mermer tozu (Karaşahin ve Terzi, 2007), öğütülmüş yakıt külü (PFA) (Zoorob, 1995) gibi sıralanabilir. BSK nın dayanımını ve özelliklerini iyileştirmek için kum (Knight ve ark., 1979), farklı kaya tozları kullanımı da geniş olarak araştırılmıştır. Dukatz ve Anderson (1980) sekiz farklı filler kullanarak yaptığı çalışmada farklı filler cinslerinin farklı etkiler oluşturduğunu fakat Marshall Stabilitesine ve boşluk oranına çok etki etmediğini ileri sürmüştür. Buna ilave olarak, Mogawer ve Stuart (1996) fillerin karışımın performansını etkilemediğini söylemiştir. Suhaibani ve ark. (1992), Shahrour ve Saloukeh (1992) de filler etkisi üzerine çalışmışlardır. Uçucu kül (Güngör, 1996), ponza tozu (Karaşahin ve ark., 1997), lağım çamuru (Sayed ve ark., 1995) gibi farklı atık maddeler de filler olarak BSK içerisinde kullanılmış ve etkileri incelenmiştir. Bu çalışmada, bitümlü sıcak karışımlara filler olarak Carboniferous-Triassic kayaç tozları ve Magnezit kayaç tozları katılarak kalker (kireçtaşı) tozu ile yapılan karışımlarla karşılaştırılmıştır. Bunun için, 50-70 penetrasyonlu bitümlü bağlayıcı ve sürekli derecelenmiş granülometriye sahip kırılmış kireçtaşı kullanılmıştır. Farklı bağlayıcı oranlarında hazırlanan Marshall numuneleri üzerinde Selçuk Üniversitesi İnşaat Mühendisliği Bölümü Bitümlü Malzemeler Laboratuarında UMATA (Universal Multiple Material Testing Apparatus) deney aleti de kullanılarak standart testler uygulanmıştır. Malzeme Bitümlü Sıcak karışımlar agrega ve bitümlü bağlayıcının uygun karıştırma ve sıkıştırma sıcaklıklarında özel tesislerde karıştırılması ile elde edilir. Deneylerde kullanılan malzemeler ve özellikleri aşağıda verilmiştir. Agrega Bu çalışmada kullanılan agrega Konya Selçuklu Belediyesi tarafından kullanılmakta olan Karaömerler taşocağından temin edilmiştir. Kullanılan agreganın özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. 197
Tablo1. Çalışmada kullanılan agrega özellikleri Özellik Limit Bulunan İlgili Standart Aşınma kaybı yüzdesi (Los TS EN 1097 Maks %35 % 28,71 Angeles) 2 Hava tesirlerine dayanıklılık MgSO 4 ile Maks %10 % 2,26 TS 3655 Kırılmışlık (en az iki yüzü) Min %60 % 100 Yassılık İndeksi Maks%35 % 30 TS 3814 Su absorbsiyonu Maks %2,5 % 0,31 TS EN 1097 6 Soyulma mukavemeti Min % 50 % 90 Zahiri Birim Hacim Ağırlık (t/m 3 ) 2,707 Yüzey Kuru birim hacim Ağırlık (t/m 3 ) 2,693 Kuru Birim Hacim Ağırlık (t/m 3 ) 2,685 Agrega derecelenmesi (granülometri) karışımın özelliklerini etkileyen önemli etmenlerden birisidir. Bitümlü karışımların incelenmesinde, agrega biçimi, en büyük tane boyutu ve bağlayıcı oranı gibi diğer etmenlerin etkisinin de olması, agrega derecelenmesinin ayrıntılı olarak incelenmesini zorlaştırmaktadır. Bu çalışmada Karayolları Teknik Şartnamesi nde (1996) verilen aşınma tabakası Tip 2 ye uygun granülometride karışımlar hazırlanmıştır. Karışımda kullanılan agrega derecelenmesi Şekil 1 de verilmiştir. 120 100 tip 2 Tip 2 alt Tip 2 üst Geçen (%) 80 60 40 20 Bitümlü Bağlayıcı 0 0,01 0,1 1 10 100 Elek Çapı (mm) Şekil 1. Çalışmada kullanılan agrega granülometrisi. Kullanılan bitümlü bağlayıcının 25 o C deki penetrasyon değeri 50 dmm ve Yumuşama Noktası 48 o C olarak belirlenmiştir. Penetrasyon İndisi değeri -1,7 dir. 198
Filler Bu çalışmada filler olarak üç farklı tip kırma taş tozu kullanılmıştır. Kalker tozu, Magnezit tozu ve Carboniferous-Triassic kayaç tozu. Mineral filler, toplam agreganın çok küçük yüzdesini oluşturmasına karşın, karışımın özelliklerinin düzenlenmesinde önemli rol oynar. Mineral filler, 0.075 mm' lik elekten geçen agrega malzemesidir. Ancak 0.075 mm' den daha ince olan tüm malzemeler filler görevi görmezler. Filler, bitümlü karışımlarda ince agrega oranını artırmak, boşluk miktarını azaltmak ve yüksek sıcaklıklarda karışımın deformasyona karşı dayanımını artırmak için kullanılmaktadır. Boşluk doldurucu bir özelliğe sahip olduğundan stabiliteyi etkilemektedir. Mineral filler köşeli olmalı, karışım içerisindeki boşlukları doldurabilmesi için uygun derecelenmeye sahip olmalı ve aynı zamanda 0.001 mm. den ince boyutlu daneler de içermelidir. Dane şekli mineral fillerin etkisi üzerinde önemli rol oynar. Köşeli şekiller, ince, düz ve uzun parçacıklardan daha çok arzu edilir. Mineral filler içindeki istenmeyen şekilli parçacıkların oranı artarsa mineral fillerin kalitesi düşer. Toprak, kil, organik ve zararlı maddeler ihtiva etmemeli ve kolayca akacak kadar da kuru olmalıdır. Taş tozu, mermer tozu, kalker tozu, portland çimentosu ve sönmüş kireç çok sık kullanılan mineral filler malzemeleridir. Fillerin karışım içerisindeki oranı iyi ayarlanmalıdır. Genellikle bitümlü karışım içinde % 3 ile % 9 oranları arasında kullanılır. Filler kimyasal bakımdan atıl olmalı, yani bitümlü malzeme ile reaksiyona girmemelidir. Ayrıca, bitümlü karışımın yapıldığı sıcaklıkta bir değişikliğe uğramamalı, bağlayıcıya karşı iyi bir yüzey adezyonu göstermelidir (Umar ve Ağar, 1991). Mineral fillerlerin bitümlü karışımlar üzerine etkisi aşıdaki gibi özetlenmiştir: Farklı mineral filler, bitümlü bağlayıcıya eklendiğinde farklı rijitlik etkileri gösterir. Karışımdaki filler / bağlayıcı oranı 1 den az ise zaman sıcaklık değişim fonksiyonu, bağlayıcı veya mineral filler tarafından etkilenmez. Karışımlara eklenen mineral filler, Marshall stabilite ve hava boşluğunu değerlerini etkilemez. Esneklik modülü değeri (kısa-süreli elastik tepki) mineral fillerin katılaşma etkisini yansıtmaz (Dukatz ve Anderson, 1970). Birçok bölgede yaygın bulunmasından dolayı Türkiye de yol üstyapısında agrega ve filler olarak Kalker (kireçtaşı) kullanılmaktadır. Konya bölgesinde bulunan Krom ve Magnezit işleme tesislerinde tesisin depolarında oldukça büyük miktarda atık olarak bulunan Magnezit tozu bu çalışmada filer olarak kullanılmıştır. Yine Konya Sille bölgesinde çatı yalıtımında ve duvar dış yüzey yalıtımında geleneksel kerpiç binalarda kullanılmakta olan mor kil ya da Carboniferous-Triassic kayaç tozu filler olarak karışımın içerisine katılmıştır. Karışımda filler ve agrega olarak kullanılan kayaçların kimyasal analiz sonuçları Tablo 2 de verilmiştir. 199
Tablo 2 Kimyasal analiz sonucu elde edilen ana elementlerin ortalama değerleri Element Magnezit Kireçtaşı Carboniferous - Triassic kayaç Si0 2 2,50 0.83 56.70 A1 2 O 3 0,15 0.20 21.85 TiO 2 0,10 0 0.94 Fe 2 0 3 0,15 0.05 8.26 MnO 0 0 0.20 CaO 2,50 90.65 0.90 MgO 45,50 0.25 1.36 Na 2 O 0 0 1.80 K 2 O 0 0 2.91 P 2 O 5 0 0 0.05 CaCO 3 0 3.18 0 LiO 0 1.84 0 Diğer gazlar 49,10 3.00 5.03 Karışımın Hazırlanması Bitümlü sıcak karışımların özelliklerine filler etkisini incelemek için ana değişkenler olarak filler ve bitümlü bağlayıcı oranı seçilmiştir. Bitümlü bağlayıcı oranı karışım hazırlanırken karışımın durumu değerlendirilerek % 3 ile % 6 arasında değiştirilmiştir. Karıştırma sıcaklığının karışım özelikleri üzerinde etkisi önemli olduğu için karıştırma sırasında bitümlü bağlayıcının viskozitesinin 0,2 Pas olması düşüncesine dayalı olarak karıştırma sıcaklığı Bitümlü Bağlayıcı Deney Grafiği kullanılarak belirlenmiştir. Bağlayıcı viskozitesi 10 Pas olacak sıcaklık da sıkıştırma sıcaklığı olarak belirlenmiştir. (Brown, 1990). Karışımlar 160 ± 5 o C de hazırlanmış ve 145 ±5 o C de sıkıştırılmışlardır. Deney Sonuçları Bu çalışmada üç değişik filler ile hazırlanan Bitümlü Sıcak Karışımların Marshall Stabilitesi Marshall Oranı (Quotient) ve Dolaylı Çekme Modülü incelenmiştir. Şekil 2 farklı filler cinsi ile yapılan karışımların bağlayıcı oranı değişimine bağlı Marshall Stabilitesi değerlerini göstermektedir. Marshall Stabilitesi değerlerinin bağlayıcı oranına bağlı olarak değişimi 2. derece polinom ile gösterilmiştir. Bu yaklaşımla, Magnezit tozu ile yapılan karışımların Marshall Stabilite değerleri diğer iki karışımdan biraz daha yüksek bulunmuştur. En büyük stabilite değerinin de hem Carboniferous-Triassic kayaç tozu hem de Magnezit tozu ile yapılan karışımlar için kireç taşı tozu ile yapılan karışımlarla kıyaslandığında daha düşük bağlayıcı oranında elde edildiği görülmektedir. 200
Marshall Stabilitesi (kn). kontrol karışım Carboniferous-Triassic kayaç tozu 20 magnezit tozu 19 18 17 16 15 14 13 12 11 10 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 Bağlayıcı Oranı % Şekil 2 İncelenen karışımların Marshall Stabilite değerleri. Şekil 3 de bu çalışmada incelenen karışımların Marshall Oranı (Quotient) değerleri verilmiştir. Marshall Oranı Marshall Stabilitesinin Marshall akmasını oranıdır. Marshall oranı, karışımların deplasman yaparken kırılma dayanımlarını göstermektedir. Marshall oranı yüksek karışımların kırılma anında daha az deplasman yaptıkları söylenebilir. Şekilden Carboniferous-Triassic kayaç tozu ile yapılan karışımların Marshall Oranı (Quotient) değerlerinin düşük bağlayıcı oranlarında yüksek olduğu, yüksek bağlayıcı oranlarında ise Magnezit tozu ile yapılan karışımların Marshall Oranı değerlerinin daha yüksek olduğu söylenebilir. 10 kontrol karışım Carboniferous-Triassic kayaç tozu magnezit tozu Marshall Oranı (kn/mm). 9 8 7 6 5 4 3 2 2,5 3,5 4,5 5,5 6,5 Bağlayıcı Oranı % Şekil 3 İncelenen karışımların Marshall Oranı (Quotient) değerleri. 201
Şekil 4 incelenen karışımlar için bitümlü bağlayıcı oranı ile Dolaylı Çekme Modülü arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Şekil incelendiğinde değerlerin birbirine yakın olduğu görülmektedir. Magnezit tozu ile yapılan karışımlarda en büyük Dolaylı çekme değerinin daha yüksek bağlayıcı oranlarında gözlemlendiği söylenebilir. 17000 kontrol karışım Carboniferous-Triassic kaya tozu Magnezit tozu Dolaylı Çekme Modülü (MPa) 16000 15000 14000 2 3 4 5 6 7 Bağlayıcı Oranı (%) Şekil 4 İncelenen karışımların Dolaylı Çekme Modülü değerleri. Bu çalışmada aynı zamanda, üç farlı filler ile yapılan karışım için en uygun bağlayıcı oranı belirlenmiştir. En uygun bağlayıcı oranı belirlenirken; o En büyük Birim Hacim Ağırlık değerini veren bağlayıcı oranı o En büyük Marshall Stabilite değerini veren bağlayıcı oranı o % 4 boşluk oranı değerine karşılık gelen bağlayıcı oranı o 3 mm Marshall Akması değerine karşılık gelen bağlayıcı oranı o En küçük VMA değerini veren bağlayıcı oranı o % 70 Vfb değerine karşılık gelen bağlayıcı oranı o En büyük dolaylı çekme değerine karşılık gelen bağlayıcı oranı değerlerinin ortalaması alınmıştır. Tablo 3 en uygun bağlayıcı oranları için değerleri göstermektedir. 202
Tablo3. En uygun bağlayıcıyı veren değerler. Özellik Kontrol Karışım Carboniferous kayaç tozu ile yapılan karışım Magnezit tozu ile yapılan karışım Birim Hacim 5,10 5,56 5,60 Ağırlık Marshall Stabilitesi 4,55 4,14 4,20 Boşluk oranı 4,36 4,60 5,00 Marshall Akması 4,10 4,60 4,60 VMA 4,45 4,71 4,71 Vfb 4,20 4,35 4,65 Dolaylı çekme 4,78 4,22 5,16 modülü ORTALAMA 4,51 4,60 4,84 Sonuçlar ve Öneriler Bu çalışmada, filler olarak Kalker tozu Magnezit tozu ve Carboniferous-Triassic kayaç tozu kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlar şöyle özetlenebilir. 1- Magnezit tozu ve Carboniferous-Triassic kayaç tozu ile yapılan karışımlarda Marshall Stabilite, Marshall Oranı ve Dolaylı Çekme Modülü değerlerinin kontrol karışım ile karşılaştırıldığında çok değişmediği gözlemlenmiştir. Hatta biraz daha yüksek değerler elde edildiği söylenebilir. 2- Önerilen en uygun bağlayıcı oranı incelenen filler ile yapılan karışımlarda kontrol karışıma göre biraz artmıştır. 3- Magnezit tozu ve Carboniferous-Triassic kayaç tozu filler olarak bitümlü sıcak karışımlarda kullanılabilir. Kaynaklar 1. Ağar, E. ve Umar, F., (1991), Yol Üstyapısı, İstanbul Teknik Üniversitesi, İnşaat Fakültesi Matbası, İstanbul. 2. Acar, S.O. & Tapkin, S. (1998). Portland Çimentosu Kullanılarak Hazırlanan Marshall Numunelerinin Özelliklerinin İncelenmesi, 2nci Asfalt Sempozyumu, Ankara,. 3. Brown, S. (1990), The Shell Bitumen Handbook, Shell Bitumen, UK. 4. Dukatz, E.L. &Anderson, D.A. (1980). The Effect of Various Filler on the Mechanical Behavior of Asphalt and Asphaltic Concrete. Proceedings AAPT, 49, 530-549. 5. Güngör, M.M. (1996). Afşin Elbistan Uçucu Külünün Esnek Yol Kaplamalarında Filler Olarak Kullanımı Üzerine Bir Araştırma. Master Tezi, Fırat Üniversitesi Fen bilimleri Enstitüsü. Elazığ. 6. Karaşahin, M. & Terzi, S. (2007). Evaluation of Marble waste Dust in the Mixture of Asphaltic Concrete. Construction and Building Materials, 21, 3,616-620. 203
7. Karaşahin, M., Tığdemir, M., Fincanoğlu, A. & Saltan, M. (1997). Bitümlü Sıcak Karışımlarda Pomza Taşının Filler olarak Değerlendirilmesi. Isparta Pomza Symposium, Isparta, Turkey. 8. Knight, V.A., Dowdeswell, D.A. & Brien, D. (1979). Designing Rolled Asphalt Wearing Courses to Resist Deformation. In Rolled Asphalt Road Surfacing, ICE, London. 9. Mogawer, W.S. & Stuart K.D. (1996). Effect of Mineral Fillers on Properties of Stone Matrix Asphalt Mixtures, Transport Research Record, 1530, 86-94. 10. Sayed, M.H., Madany, I.M. & Buali, R.M. (1995). Use of sewage sludge ash in asphaltic paving mixtures in hot regions. Construction and Building Materials, 9(1), 19-23. 11. Shahrour. A.M. & Saloukeh. G.B. (1992). Effect of quality and quantity of locally produced filler (Passing Sieve No. 200) on asphalt mixtures in Dubai, In: Effects of aggregates and mineral fillers on asphalt mixture performance: ASTM STP 1147. Philadelphia: American Society for Testing and Materials. 12. Suhaibani. A., Mudaiheem, J. & Fozan, F. (1992). Effect of filler type and content on properties of asphalt concrete. In: Effects of aggregates and mineral fillers on asphalt mixture performance: ASTM STP1147. Philadelphia: American Society for Testing and Materials. 13. Zoorob, E.S. (1995). The Effect of Pulverised Fuel Ash on The Properties and Performance of Hot Rolled Asphalt. Ph.D. Dissertation, University of Leeds. UK. 204