Bituminous Mixes Prof.Dr.Mustafa KARAŞAHİN
Hot Mix Asphalt (HMA) (Bitümlü Sıcak Karışımlar (BSK)), Both bitumen and gregates are heated up to certain temperature and mixed in certain amounts inside the asphalt HMA are used in: - Wearing course - Binder - Bitümlü temel tabakalarında kullanılır.
Bitümlü Sıcak Karışımlar (BSK) Hot Mix Asphalt (HMA) (Bitümlü Sıcak Karışımlar (BSK)), Both bitumen and gregates are heated up to certain temperature and mixed in certain amounts inside the asphalt plant. It is used in - Wearing course - Binder course - Bituminous base course
Production of Bituminous Mixes
Expectations from HMA - Surface should be smooth enough for comfort, but has enough friction for safety. - It should stand for both traffic and enviromental factors without loosing its strength - It should stand for deformations - It should have flexible enough for elastic deformations.
- It should transmit the wheel load to lower layers without rutting - It has enough shear strength at curves and step longituditional slopes. - It should prevent the leake of surface water to base layer and subgrade. - It has enough fatigue life (yorulma) of repeated load application of heavy vehicles.
Quality of the mix depends on: - Type of bitumen - Rate of bitumen - Aggregate type and amount - Construction conditions
Stability Stability and strength are related to each other and represents the mix property ainst deformation due to wheel loading. If the stability is low, the deformation will be higher under traffic loading. If the stability is too high, the deformation will be lower, but it wil be brittle which is also unwanted situation.
Toughness (Dayanıklılık) The mix should stand for changes in traffic loading, water, weather and temperature. - Ageing - Breake of particles - Stripping (sökülme) of particles from the surface
Toughness increase depends on: level) -More Bitumen content in the mix (up to optimum -High viscoity bitumen (low penetration value) -Higher adhesive properties of bitumen -Good compaction -Dense grading If the above conditions are met, imperviousness increase and less air and water enter inside the pavement, therefore better toughness.
Flexibility Flexibility properties of bituminous mixes affects the settlements in the base layer and subgrade in long term. If the mix flexes under the load, there will not be plastic deformation under the surface. If the surface has not got enough flexibility, the surface cracks. Factors affecting flexibility: - Rate of mineral filler and bitumen in the mix. - State of bitumen (solid, semi solid, liquid). - Sensitivity of bitumen ainst temperature.
Marshall Stability Test It is a compression test to determine: -Optimum bitumen content -Void ratio - Void ratio filled with the bitumen in the mix Sample Preparation and Test Procedure - Approximately 1200 gr gregate is heated in the oven at 185 oc. - Bitumen is heated in the oven at 120 oc. Different ratio of bitumen content is added to heated gregate starting from 3.5-4 % to 6-7 % with increments of 0.5 %. - Aggegate and bitumen are mixed and compacted using Marshall hammer. For each face of the sample 50 or 75 weight drops are applied. - The compacted sample dimensions: Dimater 101.6 mm, the height approximately 64 mm. The compacted samples are kept in the room for a night.
The sample is left in the water bath at 60 o C for an hour. The sample is placed on the Marshall stability test device The compressive load is increased until the sample failure When the sample fails, the load and deformation is read out and recorded. The load at the failure is called «stability» and the deformation is called «flow»
Mix and Compaction Temperature Viscocity: viskozite; compaction range: sıkıştırma bölgesi; mixig range: karıştırma bölgesi; temperature: sıcaklık
Sample mould Marshall hammer for compaction Compacted sample
Automatic compacter
Marshall Stabilite Deneyi Yapılışı - Sonraki gün numuneler 60C deki su banyosunda 1 saat süre ile ısıtılır. - Numuneler sıra ile Marshall stabilite aletine yerleştirilir. - Her numunenin kırılmaya başladığı andaki yük ve deformasyon (akma) değerleri tespit edilir. - Basınç uygulandıkça okunan değer artarak maksimuma ulaşır, daha sonra düşmeye başlar. O anda numune kırılır. - Okunan maksimum değer yardımıyla bitümlü karışımın stabilitesi saptanır. Marshall stabilitesi adı verilen bu değer numunenin kırılmasını sağlayan kg cinsinden toplam yük miktarıdır.
Su Banyosu Akma Değeri Okuyucu (dial gauge)
Load cell Yük hücresi Akma (çökme) Deformasyon Sample loading jaws Marshall Test Equipment
Density and Bitumen Content (Hesapla bulunan) Density (g/cm 3 ) 2.32 2.34 2.36 2.38 Bitumen content %
Stability and Bitumen Content (Deney sonucu) Stability (kg) Bitumen %
Void ratio % Void ratio and Bitumen Content (hesapla bulunan) şartname Bitumen %
Bağlayıcı ile dolu rega boşluğu % (hesapla bulunan) Void Filled with bitumen and specification şartname %Asfalt
Optimum bitumen ratio = A B 4 C D tür. Optimum bitumen ratio OOptimum bağlayıcı oranı= 6.3 6.3 5.9 6.9 4 =6.35
Akma (mm) (deney sonucu) The optimum bitumen content is checked with the flow value in the specification. 6.35 %Asfalt
Analysis of Mashall Samples Bituminous mixtures are designed considering the density and void ratio. Void ratio (V) is the space between gregates surrounded with bitumen film. Void ratio of the compacted sample is calculated from theoritical and measured densities from the site. Maximum theoratical density (D) is the unit weight of the sample without any void.
Component Diram
Bulk Specific Gravity (Birim Hacim Ağırlığı)
Apparent Specific Gravity (Görünen Birim Hacim Ağırlık)
Effective Specific Gravity (Efektif Birim Hacim Ağırlık)
Comparison Specific Gravities
Mathematical Equations
Maximum Specific Gravity D: Karışımın Boşluksuz Birim Ağırlığı D 100 P P P + P b =100 dür. b b P =Bitümlü karışımdaki reganın ağırlıkça yüzdesi, =Agrega karışımının özgül ağırlığı, P b = Bitümlü karışımdaki bağlayıcının ağırlıkça yüzdesi, =Bağlayıcının özgül ağırlığı. b (D= G mm )
: Agrega Karışımının Özgül Ağırlığı (Specific gravity of Aggregate Mix) P 1 1 100 P2 2 P 3 3 P 1 =İri reganın ağırlıkça yüzdesi, P 2 =İnce reganın ağırlıkça yüzdesi P 3 =Mineral fillerin ağırlıkça yüzdesi 1 = İri reganın özgül ağırlığı, 2 = İnce reganın özgül ağırlığı, 3 =Mineral fillerin özgül ağırlığı. w 1 :İri rega ağırlığı, w 2 :İnce rega ağırlığı, w 3 :Filler ağırlığı olmak üzere: P 1 = w 1 w w 1 2 w 3
V: Sıkıştırılmış Karışımın Boşluk Hacmi Yüzdesi (Air Voids Ratio in the Compacted Mix) V 100 D d D D= Karışımın boşluksuz birim ağırlığı d=sıkıştırılmış bitümlü karışımın ölçülen birim ağırlığı Şartnamelerde boşluk oranı için bir alt ve bir üst sınır belirtilmiştir(%3-5 gibi). Üst sınır konmasının nedeni, boşluğun artmasının stabilitenin ve birim ağırlığın düşmesine, geçirimliliğin ise artmasına yol açmasıdır.
Sıcak aylarda bağlayıcı hacminin artması sonunda boşlukların tamamen dolması, reganın bağlayıcı ile yağlanmış hale gelmesi ve bağlayıcı kusması sebebiyle boşluk oranı için bir alt sınır konmuştur. Şartnamelerde, sıkıştırılmış bitümlü karışımlarda, mineral rega içindeki boşluğun (VMA) bağlayıcı ile doldurulma oranı da aranır. Bunun için önce bitümlü karışım bileşenlerinin hacim yüzdelerinin bulunması gerekir.
V =Sıkışmış bitümlü karışımdaki reganın hacimce yüzdesi (Agrega Volume Ratio in the Compacted Mix) V P * d V v ( v v v) b 100 v M V M ( v v v) b 100
d M v v v k b ) ( 100 P 100, * * 100 k k k M M M d M d M M V d P V *
V b =Sıkışmış bitümlü karışımdaki bağlayıcının hacimce yüzdesi V (Volume Ratio of bitumen in the compacted bituminous mix) b P b b d, V +V b +V=100 V:boşluk hacmi (air voids)% si 100 V b :bağlayıcı hacmi (Bitumen volume) % si V :rega hacmi (gregate volume) % si
(Air void ratio of the gregate in the bituminous mix) V MA = Sıkıştırılmış bitümlü karışımda rega içindeki boşluk hacmi yüzdesi V MA = 100-V =V b +V 100 V:boşluk hacmi % si V b :bağlayıcı hacmi % si V ma :Agregalar arası boşluk V :rega hacmi % si Agrega içindeki boşlukların bağlayıcı ile doldurulma derecesi V V b MA x100 V b 100 V x100 V b V b V x100
Design Specification of Bituminous Base Layer(KTŞ,2013)
Mix Temperatures(KTŞ,2013)
Mix Placement Temperature (KTŞ,2013)
Asphaltic Concrete Specificarion (KTS,2013)
Example 1: Weight of a bituminous mix sample, which is prepared in the laboratory, in air is 114.80 gr, and in water 63.20 gr. The mix is composed of 8% bitumen and 92% gregates. Specific gravity of bitumen and bulk specific gravity of gregates respectively are 1.02 and 2.69. Bulk specific gravity of the sample cored the construction site is 2.10. The specification allows maximum void ratio of 1.1 times of laboratory mix. Check that the cored sample is within the specification limits.
Verilenler: (Given) W a =114.80 gr., b =1.02, W w =63.20 gr., =2.69, P b =%8, d yol =2.10, P =%92, V yol =?
Aranan: V yol? V lab x1.10? D d V 100 D V: Sıkıştırılmış Karışımın Boşluk Hacmi Yüzdesi D: Karışımın Boşluksuz Birim Ağırlığı d: Sıkıştırılmış Bitümlü Karışımın Ölçülen Birim Ağırlığı d lab W a W a W w 114.80 114.80 63.20 2.22,
, olarak bulunur. 2.38 1.02 8 2.69 92 100 P P 100 D b b 6.72 2.38 2.22 2.38 100 D d D 100 V lab lab 11.76 2.38 2.10 2.38 100 D d D 100 V yol yol
Şartname V yol? V lab x1.10 olmasını istiyor ama V lab =6.72x1.10=7.39 V yol = 11.76 11.76 > 7.39 olduğundan şartnameye uygun değildir. (Void ratio is not satisfied)
Örnek 2: Bitumen which has a specific gravity of 1.01 is mixed to gregate in ratio of 6% by weight. Aggrega voids (VMA) filled with the bitumen is 75% and the bulk specific gravity of the mix (d) is 2.20. A new mix will be prepared in situ which has an air void of 75% of laboratory sample. Individual bulk specific gravities of coarse and fine gregates and filler are 2.55, 2.65 and 2.45. The gregate mix is composed of 65% coarse, 30% fine and 5% filler material. The bitumen rate in the mix is 7%. Calculate the bulk specific gravity of the mix.
Verilenler: 1 =2.55, 2 =2.65, 3 =2.45, P 1 =%65, P 2 =%30, P 3 =%5, d=2.20, b =1.01, P b =%6, Vb V %75 MA
Çözüm: Laboratuarda hazırlanan karışımın boşluk oranı (V): V=V MA -V b V b V V b MA P b b d 6 1.01 x2.20 13, (V b : bağlayıcının hacimce % si) %75 (rega boşluklarının bağlayıcı ile doldurulma oranı) 13 V MA = 17 (regalar arasındaki boşluk hacmi % si) 0.75 V=V MA -V b =17-13=4
Şantiyede hazırlanan 2.ci karışımın boşluk oranı: Vx0.75=4x0.75=3 olur(yeni karışımın istenen boşluk yüzdesi).
Şantiye de V=3 boşluk oranını sağlayacak olan karışımın yoğunluğu (d): D d V 100 D D 100 P Pb b D 100 93 7 2.57 1.01 2.32 100 100 δ P1 P2 P 2.57 3 65 30 5 2.55 2.65 2.45 1 2 3 V 100 D d D 3 100x 2.32 d 2.32 d=2.25 olarak bulunur.
Example 3 Individual bulk specific gravities of coarse and fine gretates are 2.65 and 2.70 respectively. The gregate mix is composed of 55% coarse and 35% fine gregates. unknown. Individual bulk specific gravity of filler is Void ratio is obtained 20% in the gregate mix, in other words VMA. A bituminous sample was prepared using 7% of bitumen which has specific gravity of 1.01. If the bitumen fills 80% of air voids in the mix, calculate the individual specific gravity of the mix.
Verilenler 1 =2.65, 2 =2.70, 3 =?, P 1 =%55, P 2 =%35, b =1.01, P b =%7, V MA =20, V b /V MA =0.80
Çözüm: P 1 1 100 P2 2 P 3 3...(1) P 1 +P 2 +P 3 =100 55+35+P 3 =100 P 3 =10 bulunur. 100, 55 35 10 =?, 2.65 2.70 3
V : reganın hacimce %si V P 93 d d..(2) δ δ P =100-P b =100-7=93, =?, V =?, d=? V =100-V MA =100-20=80 V b Pb 7 d d V b =?, d=?...(3) 1.01 b V b /V MA =0.80 V b =0.80x20=16
V b (3) nolu formülde yerine konulursa d=2.30, 16=(7/1.01)xd (2) nolu formül kullanılarak; 80=(93/ )x2.30 =2.67 (1) nolu formül ile, 3 =2.67 olarak bulunur. 55 2.65 100 35 2.70 10 3 2.67 55 2.65 100 35 2.70 10 3