BÖLÜM 3. ESNEK ÜSTYAPILARDA KULLANILAN MALZEMELER Esnek üstyapıda kullanılan malzemeleri - agregalar - bitümlü bağlayıcılar olmak üzere iki kısma ayırmak mümkündür. Bu bölümde iki ana malzeme grubunun özelliklerinden bahsedilecektir. 1
3.1 Agregalar Üstyapının farklı tabakalarında kullanılan ve oran olarak önemli bir paya sahip olan agregalar yol kaplamasının stabilitesinden sorumludur. Çünkü bağlayıcısız temel ve alttemel tabakalarının tamamı, bitümlü sıcak karışımların ağırlıkça %90-95 i, beton (rijit) kaplamaların ağırlıkça %70-80 i agrega tarafından sağlanır. Hem kaplamanın stabilitesine olan büyük katkısı hem de çok büyük miktarda gereksinim duyulmasından dolayı agrega önemli bir yol malzemesidir. 2
Yol kaplamalarında kullanılan agregalar - doğal agrega(kum, çakıl) - kırmataş - yapay agrega(cüruf, klinker ve çimento) olmak üzere üç grupta sınıflandırılabilirler. Doğal agreganın (dere malzemesi, kum-çakıl) sahip olduğu olumsuz özelliklerden dolayı (yuvarlak ve pürüzsüz yüzey) alttemel hariç yol kaplamalarında kullanılmazlar. Ancak dere malzemesini konkasörlerde kırmak suretiyle elde edilen kırma çakıl kaplama yapımında kullanılabilir. 3
Çeneli konkasör (kırıcı) 4
Konik konkasör 5
Yapay agregalar çoğunlukla yüksek fırın cüruflarından (katı yakıtların yanması sonucu eriyip artakalan, katılaşmış malzemeler) elde edilir. Cüruflar genellikle çok gevrek ve boşluklu (poroz) olmalarından dolayı yol kaplamalarında kullanılmamaktadırlar. Yol kaplamalarında kullanılacak en ideal agrega, kayaların kırılmasıyla elde edilen kırmataş agregalardır. 6
Yol inşaatı açısından agregalar boyutlarına göre üç grupta incelenebilir: -İri agrega: - 4 no lu elek (4.76 mm) üzerinde kalan agregadır. - Agrega karışımındaki iri agrega miktarı %40-50 olduğunda, iri agrega daneleri arasında girişim hali başlar. Böylece iri agrega bir iskelet oluşturur. Karışımın akmaya ve kalıcı tekerlek izi oluşmasına karşı direncinde önemli bir artış hissedilir. -%55 oranında iri agrega içeren beton asfalt kaplamalar, %25 oranında iri agrega içeren veya iri agrega az deformasyona uğrar. içermeyen karışımlara göre daha 7
- İri agreganın şekli de karışımın deformasyon direnci üzerinde etkilidir. Uzun ve yassı şekilli bazalt danelerinin kararlı bir iskelet oluşturması güçtür. Halbuki kalker daneleri daha kübik şekilli olup, sıkıştırıldıktan sonra iyi bir kenetlenme sağlarlar. Danelerin köşeli olması kaplama yüzeyinin kayma direncini artırır. 8
-İnce agrega: - 4 nolu elek ile 200 nolu elek (0.075 mm) arasında kalan agregadır. - İnce agrega, iri agreganın oluşturduğu iskeletin boşluklarını doldurarak yoğunluğun artmasını sağlar. - İnce agrega danelerinin yüzey dokusu ve şekli de etkilidir. Pürüzsüz bir çakıl kumu, kırma malzemeye nazaran daha düşük bir deformasyon direnci sağlar. Deformasyon direncinin düşük olması kaplamanın daha kolay deforme olabileceği anlamına gelmektedir. 9
10
11
-Filler: - 200 nolu elekten geçen malzemedir. - Filler olarak taş tozu, kireç tozu veya çimento kullanılır. Çimento standart granülometrik bileşimi, saflığı ve asfalt çimentosu ile herhangi bir reaksiyona girmemesi sebebiyle filler olarak kullanılmaya çok uygundur. -Fillerin öncelikli görevi iri ve ince agreganın oluşturduğu iskeletin boşluklarını doldurarak kompoziteyi(yoğunluk) artırmaktır. Kompozite artışı çok iyi bir geçirimsizlik sağlar. 12
- Asfalt filmlerinin kalınlığı filler miktarına bağlı olarak değişmektedir. Çünkü filler daneleri çok ince olduğu için büyük özgül alana sahiptir. - Beton asfalt karışımında bağlayıcı malzeme, karışımda mevcut bütün danelerin yüzeyini kaplayacağı için fillerin özgül yüzey alanının fazla oluşu asfalt filmlerinin ince olması sonucunu doğurur. Bağlayıcı filmlerinin kalınlığı azaldıkça beton asfalt karışımlarının rijitliği artar ve sıcaklığa karşı duyarlılığı azalır. 13
Sonuç olarak, yol kaplamalarının direnci ve yoğunluğu üzerine etkiyen en önemli faktör agregadır. Bu nedenle agregaların: -Sert ve dayanıklı olması, -Zararlı madde içermemesi, -Dane şekillerinin bir kenetlenme yaparak direnci artıracak şekilde olması istenir. 14
Agregalarla ilgili özelliklerden bazıları aşağıda verilmiştir: a-agrega Gradasyonu: - Gradasyon, agrega karışımını oluşturan danelerin boyutlarına göre dağılımını ifade eder. - Belirli bir karışım için maksimum dane boyutu ve belirli boyuttaki danelerin ağırlıkça miktarları şartnamelerle öngörülür. -Agrega gradasyonu karışımın stabilite ve işlenebilirliğini belirler. Genel olarak, karışımdaki maksimum boyut 1 inch den (25.4 mm) fazla ise işlenebilirlik zorlaşırken, yoğunluk ve stabilite artmaktadır. 15
b-agregaların Yüzey Yapısı: - Agregaların yüzey yapısı, danelerin pürüzlülük ve cilalılık durumunu ifade eder. - Eğer agrega danelerinin yüzey pürüzlülüğü fazla ise işlenebilirlik azalmakta fakat stabilite, kayma mukavemeti ve asfalt ile adezyon (yapışma) kuvveti artmaktadır. 16
c-porozite: - Agrega danelerinin porozitesi (su emme yeteneğine sahip boşlukların miktarı) belli miktarda olmalıdır. - Yeterli poroziteye sahip agrega daneleri bitümün emilmesine olanak sağlayacağından dolayı agrega ile bağlayıcı film tabakası arasında kuvvetli bir adezyon oluşturur. Bu da stabilitenin artmasını ve suyun etkisi ile film tabakasının daha az soyulmasını sağlar. 17
d-agrega Yüzey Alanı: - Agrega danelerinin sahip oldukları yüzey alanlarının toplamı ile agrega daneleri arasındaki boşlukların toplamı, bağlayıcısız veya bağlayıcılı (stabilize) karışımların tüm özelliklerine doğrudan etki eden önemli faktörlerdir. - Toplam yüzey alanı; gradasyon, maksimum dane çapı, dane biçimi vb. gibi özelliklere bağlıdır. Karışımı oluşturan agregaların dane çapı küçüldükçe karışımın agregalara ait toplam yüzey alanı artar. 18
1 0.5 0.5 a) 1 1 1 A= 6(1*1) =6 cm 2 A=4(1*1)+8(1*0.5) = 8 cm 2 Tek parça olan büyük küpün yüzey alanı 6 cm2 iken aynı küpün iki parça olması durumunda yani ayni hacmin iki küçük parça ile oluşturulması durumunda yüzey alanı yaklaşık %33 artarak 8 cm2 olmaktadır. 19
e-stabilite: Agregaların stabilitesi, trafik yüklerinden veya zeminin hacim değiştirmesinden dolayı oluşacak deformasyonlara karşı gösterdiği direnç olarak tanımlanır. f-durabilite: Agrega danelerinin trafik ve çevre etkilerinin aşındırmasına karşı dirençli olmaları gerekir. Agrega danelerinin durabilitesi; kırılma, aşınma ve parçalanmalara karşı gösterdiği direnç olarak tanımlanır. 20
g- Adezyon (Yapışma): Yol kaplamalarında kullanılan tüm malzemeler su ile temas halindedirler. Bu nedenle, bitümle kaplı agrega danelerinin suyun etkisi ile soyulmaması için agrega ile bağlayıcı arasındaki adezyonun (bağ kuvvetinin) yüksek olması gerekir. 21
22
23
3.1.1 Agregalara Uygulanan Deneyler Agrega malzemesi herhangi bir bitümlü kaplamanın - ağırlıkça %88-%96 sını - hacimce ise %75 den fazlasını oluşturur. Bu nedenle kullanılacak malzemelerin kalite kontrol deneyleri ile belirlenmesi çok önemlidir. 24
a- Elek Analizi Deneyi Bu deney yöntemi Türk Standartlarında nitelikleri verilmiş olan elekleri kullanarak, agreganın dane büyüklüğü dağılımının belirlenmesini kapsar. Bir agreganın granülometri bileşimi numuneyi çeşitli eleklerden elemek suretiyle yapılır. 25
- Elek analizinde doğru sonuçların elde edilmesi için numunenin doğru alınması gerekir. - Numunenin agreganın orta kısmından ve agregayı iyi temsil edecek şekilde alınmasına dikkat edilmelidir. - Sonuçlar; her elekten geçen toplam numunenin ağırlıkça yüzdesi veya birbirini izleyen iki elek arasında kalan numune ağırlığı yüzdesi olarak belirtilir. - Birincisi granülometrik gösterim şekline daha uygundur ve daha çok kullanılır. 26
27
b- Aşınma (Los Angeles) Deneyi Bu deney, agregaların aşınmaya karşı dayanıklılığının bulunması için yapılır. Aşınma deneyi ile agreganın aşınma yüzdesi saptanarak aşınma direncinin yeterli olup olmadığı araştırılır. Pratikte daha uzun sürede meydana gelecek olan aşınma, laboratuarda yapılan aşınma deneyi ile kısa zamanda belirlenebilmekte ve agrega buna göre değerlendirilmektedir. 28
Deneyin Yapılışı: - Deney aleti içi boş, iki yanı kapalı olan ve yatay ekseni etrafında dönebilen bir çelik silindirden oluşmaktadır. - Çelik silindirin içine malzeme koyabilmek için bir kapağı vardır. -Ayrıca içinde silindirin uzunluğu boyunca bir çelik siper mevcuttur. sırasında silindire aşındırıcı çelik küreler konur. Deney - 5000 gr, temiz ve etüvde 105-110 C sıcaklıkta kurutulmuş numune silindire yerleştirilir. 29
- Kapak kapatıldıktan sonra 500 devir yapılır. - Deneyden sonra malzeme 12 no lu elekten geçen ve elek üstünde kalan malzeme olarak ayrılır. - 12 nolu elek üzerindeki malzemenin ağırlığı ile deneyden önceki malzeme ağırlığı arasında aşağıdaki gibi bir orantı kurulur. Böylece aşınma yüzdesi bulunur. - Bu değer (aşınma yüzdesi), beton asfalt kaplama agregaları için maksimum %35 dir. Aşınma yüzdesi=(ilk ağırlık-son ağırlık) / (ilk ağırlık) 30
Şekil Aşınma (Los Angeles) Deneyi Aleti 31
32
c- Hava Tesirlerine Karşı Dayanıklılık Deneyi Bu deney metodu agregaların ufalanmaya karşı dayanıklılığının saptanmasını kapsar. Agregaların hava etkileriyle donarak ufalanmaya karşı olan dirençleri hakkında, laboratuarda kısa süre içinde bir karar verebilmek amacı ile uygulanan hızlandırılmış bir deneydir. Bu amaçla doygun sodyum-sülfat veya magnezyum-sülfat çözeltileri kullanılır. 33
Deneyin Yapılışı: - Belli ağırlıktaki, etüvde 110 C de kurutulmuş olan agrega numunesinden belirli miktarda alınarak tel sepetler veya elekler üzerine konur. - Agreganın üstü en az 2 cm kaplanacak şekilde doygun sodyum sülfat veya magnezyum sülfat çözeltisi içerisine daldırılır. - Oda sıcaklığında 16 saat bekletilir. - Numune çözeltiden çıkartılır, etüvde kurutulur. - Etüvden çıkartılınca oda sıcaklığına kadar soğutulur. 34
- Bu işlem çimento betonunda ve bitümlü karışımlarda kullanılan agregalar için 5 kez tekrarlanır. - Numune 5. ci devre sonunda soğutulup çözelti temizleninceye kadar su ile yıkanır. - Sonra etüvde kurutulur, tartılır. - Deneyden önceki ağırlık ile deneyden sonraki ağırlık farkı bulunur ve ilk ağırlığa bölünür. - Sonuçta ufalanmadan dolayı oluşan malzeme kaybı bulunur. - Bu kayıp maksimum %12 olmalıdır. 35
36
d- Donma-Çözülme Deneyi Bu deney de bir önceki deney gibi agregaların sağlamlık, dayanıklılık durumunu belirlemeye yarar. Sodyum-sülfat deneyine benzer şekilde yapılır. - Agrega kuru olarak tartılır. - 2 saat süre ile dondurulur, sonra yarım saat çözülmeye bırakılır. - Bu işlem en çok 50 defa tekrarlanır. - Sonuç ağırlık kaybı yüzde kayıp olarak belirtilir. 37
e- Cilalanma Deneyi Bu deneyin amacı, çeşitli yol taşlarının trafik altında sürtünme ile aşınarak ne dereceye kadar cilalanacaklarını laboratuarda kısa bir zamanda saptamaktır. Yol yüzeyinin cilalanan bir taştan yapılmış olması, yolun kaymaya karşı direncini etkileyen başlıca faktörlerden biridir. 38
Deney iki aşamadan oluşur: 1- Taş numuneler hızlandırılmış cilalanma makinesinde cilalanma işlemine tabi tutulur. Numuneler, 6 saat süre ile 20.5 cm çapta, 5 cm genişlikte lastik bir tekerleğin aşındırıcı etkisine maruz bırakılırlar. Bu arada tekerlek ile numuneler arasına ince aşındırıcı malzeme konulur. 2- Cilalanan taş numunelerin sürtünme aleti ile cilalanma değerleri bulunur. Beton asfalt kaplamalarda cilalanma katsayısının minimum 0.60 olması istenir. 39
40
41
f- Özgül Ağırlık Deneyi Özgül ağırlık belirli hacimdeki numune ağırlığının aynı hacimdeki +4 C deki suyun ağırlığına oranı olup boyutsuz bir değerdir. Bir agreganın özgül ağırlığının, kaplama bileşiminin hesaplanması için bilinmesi gereklidir. Özgül ağırlık deneyleri iri ve ince agregalar için değişik şekillerde yapılır. 42
İri agrega için; - Agrega 24 saat suda bırakılır. - Sonra yüzeyleri bezle kurutulur, tartılır (B). - Bir tel sepete konarak suya batırılır ve suda tartılır (C). - Sonra malzeme etüvde kurutulur ve havada tartılır (A). Hacim özgül ağırlık = A B C Bir agreganın özgül ağırlığı 2.2-2.7 arasında değişmektedir. 43
- Bir tel sepete konarak suya batırılır ve suda tartılır (C). 44