Uzun Ömürlü Esnek Üstyapıların Tasarımı Perviz Ahmedzade, Mehmet Yılmaz Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, İnşaat Mühendisliği Bölümü, ELAZIĞ Tel: (424) 2370000/**** pahmedzade@firat.edu.tr Öz Kaplama tabakasında kullanılan bağlayıcı cinsine göre yol üstyapıları; esnek ve rijit olmak üzere iki ana sınıfa ayrılmaktadır. Bağlayıcı olarak bitümlü malzemelerin kullanıldığı üstyapı çeşidine esnek yol üstyapısı denilmektedir. Üstyapı tabakalarının en uygun şekilde tasarımı; güvenlik, konfor ve ekonomi bakımından büyük önem arz etmektedir. Üstyapı kaplama tabakalarının servis ömrü, trafiğe açılışından rehabilitasyon veya yeniden yapım gerekinceye kadar geçen periyot olarak tanımlanmaktadır. Üstyapının ömrü; yapısal tasarım şartlarına, malzeme karakteristiklerine, tabaka kalınlıklarına, bakım aktivitelerine veya kabul edilen bozulma kriterlerine göre değişiklik göstermektedir. Üstyapının dayanımını arttırmak için tabaka kalınlıklarının arttırılması veya kullanılacak malzemelerin özelliklerinin iyileştirilmesi gerekmektedir. Her iki alternatifte ilk yapım maliyetinin arttırmasına rağmen bakım ve yenileme ayrıca taşıtların gecikmesinden kaynaklanan maliyetin azalmasını sağlamaktadır. Bu nedenle özellikle trafik hacmi yüksek olan yolların uzun servis ömrüne göre projelendirilmeleri büyük önem arz etmektedir. Belirtilen faktörler göz önünde bulundurularak Uzun Ömürlü Üstyapı Tasarım Yöntemi geliştirilmiştir. Uzun Ömürlü Üstyapı, 50 yıldan daha uzun bir süre büyük yapısal rehabilitasyonlara ve yeniden yapımlara gereksinim duymayan, sadece çeşitli nedenlerden dolayı oluşan gerilmelerden kaynaklanan bozulmaları gidermek amacıyla periyodik yüzey yenilemesi yapılan, uygun şekilde dizayn ve inşaa edilmiş asfalt üstyapılarını ifade etmektedir. Uzun Ömürlü Üstyapılarda onarım veya yenilemenin yüzeydeki ince bir tabakada sınırlandırılması amaçlanmaktadır. Bu çalışma, Uzun Ömürlü Üstyapıların tasarımı hakkında bilgiler içermektedir. Üstyapıyı oluşturan tabakaların kalınlıkları ve görevleri genişçe açıklanmaktadır. Uzun Ömürlü Üstyapı tabakalarının kullanılmasıyla, yüzey yenileme ve rehabilitasyon masrafları en alt seviyelere indirilmekte ve bunun yanında trafik akışı da en az oranda engellenmektedir. Anahtar Kelimeler:Uzun ömürlü üstyapı, yorulma, termal çatlak, kalıcı deformasyon. Giriş Uzun Ömürlü Üstyapı, 50 yıldan daha uzun bir süre büyük yapısal rehabilitasyonlara ve yeniden yapımlara ihtiyaç duymayan, sadece çeşitli nedenlerden dolayı oluşan 354
gerilmelerden kaynaklanan bozulmaları gidermek amacıyla periyodik yüzey yenilemesi yapılan, uygun şekilde dizayn ve inşaa edilmiş esnek üstyapı tabakalarını ifade etmektedir. Uzun süre dayanıklı esnek üstyapı terimi yeni olmayıp "tam derinlik" ve "derin dayanım" esnek üstyapılar 1960 lardan beri yapılmaktadır. Tam derinlik üstyapılar, doğrudan doğruya taşıma gücü arttırılmış veya doğal taban zemini üzerine inşaa edilmiş kalın kaplama tabakalarını, derin dayanım kaplamalar ise nispeten kalın (4-6 inç) granüler temel tabakası üzerine uygulanmış kaplama tabakalarını ifade etmektedir. Derin dayanım üstyapıların başlıca faydalarından biri altta kullanılan granüler temel tabakası sayesinde kaplama kalınlığının daha ince yapılmasıdır. Tam derinlik ve derin dayanım üstyapılar, kaplama tabakası altında oluşan çekme gerilmelerini en az seviyeye indirerek, yorulma çatlağı oluşma ihtimalini önemli oranda azaltması gibi eklenen avantajlara sahiptir (APA, 2002). Üstyapı ömrünü uzatmak amacıyla tabaka kalınlıklarını arttırmanın yanı sıra malzeme özelliklerini dikkate alarak fizik prensiplerine göre dizayn yapılması gerekmektedir. Amerika nın Illinois, Kentucky, Minnesota ve Washington gibi eyaletlerinde ayrıca İngiltere de 1980 lerden itibaren mekanik tekniklere dayalı üstyapı tasarımları yapılmaya başlanmıştır. Uzun ömürlü üstyapıların tasarımında kullanılan mekanikampirik dizayn yönteminde fizik prensipleri kullanılarak üstyapının iklim şartlarına ve yüklemeye karşı tepkisi belirlenmektedir. Mekanik-ampirik tasarım yönteminde mekanik yöntemlerle belirlenen malzeme özellikleri kabul edilen formüllerde kullanılarak uygunluk kontrolü yapılmaktadır. Üstyapı tasarımıyla ilgili kritik noktalardan biri, malzeme veya tabaka kalınlıklarının doğru seçerek bozulma veya hasar şekillerine kesinlikle izin vermeyecek şekilde dizayn yapabilmektir. Üstyapının servis yeteneğini azaltarak zamanla rehabilitasyona neden olan başlıca bozulmalar; kalıcı deformasyon (tekerlek izi), termal ve yorulma çatlaklarıdır. Bu tasarım yönteminin kullanılması ile üstyapı yüzey tabakalarında tekerlek izi oluşmasına engel olacak yeterli sertlik, yeterli toplam üstyapı kalınlığı ve kaplama yapısı altında oluşan yorulma çatlamalarından kaçınmak için alt tabakalarda yeterli esneklik sağlanabilmektedir (Newcomb, 2001). Bu yaklaşımın kullanılması ve uygun şekilde yapılmasıyla yeniden yapım ve rehabilitasyon masrafları en alt seviyelere indirilmekte ve bunun yanında trafik akışı da en az miktarda engellenmektedir. Bu düşünceler, özellikle yüksek trafik hacimli yollarda ve büyük havaalanlarında yolculuk edenlerin seyahatlerinin gecikmesinden doğan maddi kaybın engellenmesi açısından büyük öneme sahiptir. Uzun ömürlü üstyapılarda, düşük hacimli yollarda ve sivil havacılık havaalanlarında gerekli bakım yatırımının gecikmesi nedeniyle rehabilitasyonun ertelenmesi gibi bir sorun bulunmaması da yöntemin tercih sebepleri arasında gösterilebilir. Uzun Ömürlü Üstyapıların Kısımları Uzun üstyapı ömrünü sağlayan ana unsur, üstyapıda oluşan bozulmalara ve bu bozulmalar sonucunda gereken pahalı yeniden yapımlara engel olacak, stabil temel üzerine oturtulmuş uygun kalınlıkta üstyapı tabakalarıdır. Yapısal olarak üstyapı, temel malzemelerinde veya taban zemininde deformasyonlara izin vermeyecek yeterli kalınlık ve sertliğe sahip olmalıdır. Üstyapıdaki her bir tabakanın kendine özgü performansına göre tasarımının yapılabilmesi için, bu tabakaların ayrı ayrı analizine izin veren yapısal dizayn metodunun kullanılması gerekmektedir. Günümüzde kullanılmakta olan kaplama 355
dizayn yöntemlerinin pek çoğunda asfalt üstyapı tabakaları ayrı ayrı göz önüne alınmamaktadır. Bunun yerine, asfalt tabakaların hepsi 1993 AASHTO Kaplama Dizayn Yönetmeliği ndeki tabaka katsayısı gibi kaplama tertibinde kullanılan faktörlerle dikkate alınmaktadır. Bu tabaka katsayıları, AASHTO Yol Test ten elde edilmekte ve servis yeteneği bakımından bütün kaplamanın performansa ilişkin malzeme davranışlarını ifade etmektedir. Bu katsayılar sıcaklık çatlamaları, tekerlek izi oluşumu ve yorulma deformasyonları ile kaplamanın yük taşıma karakteristiklerinin açıklanmasında yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle, üstyapı dizaynında yeni yaklaşım olan mekanistik-ampirik yaklaşıma ihtiyaç duyulmaktadır (Newcomb, 2001). Uzun ömürlü kaplamalarla ilgili malzeme seçimi, karışım dizaynı, performans testleri ve üstyapı dizaynındaki yaklaşımlar bir metodoloji ile sunulmuştur. Bu metodoloji, düzenli olarak (yaklaşık her 20 yılda bir) yüzey tabakası yenilenen esnek üstyapı tabakalarının uzun süreli (50 yıldan fazla) dayanım performansını belirlemekte kullanılmaktadır. Uzun ömürlü üstyapı tasarımı Nunn ve ekibi (1997) tarafından İngiltere Ulaşım Araştırma Laboratuarında tasarlanmış, son hali ise yapılan çalışmalar sonucu Von Qintus (2000) tarafından sunulmuştur. Durabilitenin uzun süre sağlanması amacıyla inşa edilen üstyapı bünyesinde bulunan; tekerlek izi ve aşınma dayanımı sağlayan yüzey tabakası (bitümlü sıcak karışım (HMA), taş mastik asfalt (SMA) veya açık gradasyonlu sürtünme tabakası (AGST)), tekerlek izi oluşumuna dayanıklı orta tabaka ve yorulma çatlaklarına karşı dayanımı sağlayan temel tabakası Şekil 1 de verilmiştir (APA, 2002). Şekil 1 Uzun Ömürlü Üstyapı Tabakaları (APA, 2002). Üstyapının beklenen projelendirme ömrünü sağlayabilmesi için tabaka kalınlıklarının ve kullanılan malzemelerin uygun olması gerekmektedir. Uzun Ömürlü Üstyapılar; uygun üstyapı tabanı, bitümlü sıcak karışım temel, orta ve yüzey tabakalarından oluşmaktadır. Üstyapı Tabanı Üstyapı tabanı, uzun ömürlü üstyapıların yapımı ve performansı açısından çok 356
önemlidir. Taban, yapım süresince kullanılan iş makinelerinin çalışacağı düzgün bir yüzey oluşturan, kullanılacak malzemeleri taşıyan, bunun yanında üst HMA tabakalarının yeterli oranda sıkışmasını sağlayan silindirlerin etkilerine karşı deformasyon direnci sağlayan kısımdır. Taban, performans periyodu boyunca trafik yüklerine karşı dayanım sağlama ile mevsimsel donma çözülme ve nem oranındaki değişikliklerden kaynaklanan dayanımdaki değişikliklerin azaltılması açısından önemlidir. Tabanın uygun şekilde dizayn ve yapımıyla, killi zeminlerde ıslanma kuruma dönemlerinde, dona karşı hassas zeminlerde donma çözülme dönemlerinde meydana gelen hacim değişikliklerini önlemek mümkündür. Üstyapı tabanı; sıkıştırılmış taban zemininden, kimyasal maddelerle stabilizasyon yapılmış taban zemini veya granüler malzemeden, kırma taş veya çakıl gibi doğal granüler malzemelerden oluşabilmektedir. Kullanılan malzeme çeşidi ne olursa olsun, kaplama ömrü boyunca olduğu gibi yapım sırasında da taban yeterli sertliğe sahip olmalıdır. Bölge şartlarına ve üstyapı tasarımına bağlı olan bu durum, taban zemini veya temel malzemelerinde kimyasal veya mekanik stabilizasyon yapılarak giderilebilmektedir. İllinois Eyaleti Ulaştırma Departmanı (IDOT), yapım sırasında kaplama tabanında herhangi bir problem meydana gelmemesi için minimum Kaliforniya Taşıma Oranı (CBR) değerinin 6 olması gerektiğini belirtmiştir (IDOT,1982). Taban zemininin CBR değerinin 6 dan az olması durumunda çeşitli işlemlerle dayanımın arttırılması sağlanmaktadır. Bu sayede yapım işlemleri boyunca gerekli çalışma platformu sağlanmakta, taban yüzeyinin altındaki malzeme aşırı gerilmelerden korunmakta ayrıca yapım trafiği nedeniyle yüzeyde tekerlek izi miktarının minimum seviyede tutulması sağlanmaktadır. İllinois te taban zeminini güçlendirmek amacıyla en sık kullanılan yöntem zeminin kireçle modifiye edilmesidir. Zemini kazıma ve boşalan alanı granüler malzeme ile doldurma sıklıkla kullanılan diğer bir yöntemdir. Doğal zeminin CBR değerine göre gerekli granüler tabaka kalınlığı Şekil 2 kullanılarak belirlenebilmektedir. Şekil 2 CBR Değerine Göre Uygulanacak Granüler Tabaka Kalınlıkları (IDOT, 1982). 357
Zemin kireçle modifiye edilmesine rağmen yinede CBR değeri 10 dan küçük ise modifiye zemin üzerine granüler malzeme uygulanması zorunlu hale gelmektedir. Kireç modifiyeli zemin ve granüler malzeme kalınlıklarının toplamı 200 mm.den az olmaması gerekmektedir. Modifiye zeminin CBR değerine bağlı olarak gerekli granüler malzeme kalınlığı Şekil 2 kullanılarak belirlenebilmektedir. Granüler tabaka, yapım trafiğine karşı yeterli sertlik ve dayanıma sahip olmalıdır. Yumuşak ince daneli malzeme taban malzemesi olarak kullanılmamalıdır. İngiltere de uzun ömürlü üstyapı olarak derin dayanım üstyapılar kullanılmıştır. Taban zeminin dayanımına göre doğal zemin üzerine örtme tabakası ve alttemel tabakası uygulanmıştır. Tabanın CBR değerine göre, örtme ve alttemel tabakalarının kalınlıkları belirlenmektedir. CBR değeri 15 den küçük olan taban zeminlerinde en az 150 mm. alttemele ihtiyaç duyulmaktadır. Kullanılan örtme tabakası malzemeleri düşük kaliteli temel malzemeleriyle aynı özelliklere sahip olmalı fakat alttemelde yüksek kaliteli temel özelliklerini taşıyan malzemeler kullanılmalıdır. İngiltere Ulaşım Araştırma Laboratuarı (TRL) hem yapım sırasında hem de yapımdan sonra kaplama tabanı için gerekli şartları belirlemişlerdir. 40 kn Düşen Ağırlık Deflektometresi (FWD) ile yapılan deneylerde tabanın üst kısmında 40 Mpa ve alttemelin üzerinde 65 Mpa sertliğe ihtiyaç duyulduğu belirlenmiştir (APA, 2002). Uzun ömürlü üstyapılar için güçlü, stabil ve uygun bir tabanın dizayn edilmesi ve yapılması çok önemlidir. Üstyapı tabanı yapım aşamasındaki trafiğe karşı yeterli dayanıma ve sıkıştırmadan dolayı taban düzgünlüğünün bozulmasına engel olacak yeterli sertliğe sahip olmalıdır. Uzun dönemde ise trafik yüklerini taşıyabilmesi ve hacim değişikliklerini en az seviyede tutması performans bakımından çok önemlidir. Bitümlü Sıcak Karışım (HMA) Temel Tabakası Bitümlü sıcak karışım (HMA) üstyapı temel tabakasının, trafik yükleri altında eğilmeden kaynaklanan yorulma çatlaklarına karşı dayanımı yüksek olmalıdır. Yorulma çatlaklarına karşı korunmaya yardım eden karışımın esas karakteristiği yüksek asfalt içerikleridir (Şekil 3.a). Bitüm, boşluk miktarını azaltmak amacıyla kullanılmaktadır. Bu sayede durabiliteyi ve esnekliği sağlayan doğal agrega boşluklarındaki (VMA) bağlayıcının yüksek oranda bulunması sağlanmaktadır. Daha ince taneli agrega gradasyonu kullanılması da yorulma dayanımının artmasını sağlayabilmektedir. Bu karakteristiklerin uygun üstyapı kalınlığıyla birleştirilmesiyle, tabaka altından kaynaklanan yorulma çatlaklarının oluşumu engellenebilmektedir (Şekil 3.b). Bu tabakanın durabilitesi öncelikli olarak yüksek bitüm içeriği sayesinde sağlanmaktadır (APA, 2002). Bu tabakaların karışım dizaynında Superpave sistemi dahilinde bulunan alt kaplama tabakaları tasarım şartları kullanılmaktadır. Temel tabakalarında kullanılan bitümün performans seviyesi, kaplama bünyesinde bulunan bu tabakalarda tekerlek izi oluşumuna karşı korunmaya yetecek seviyede olmalıdır. Bitüm cinsi, kaplama altı için belirlenmiş olan yüksek sıcaklık değerlerine uygun olmalıdır. Düşük sıcaklık karakteristikleri ise orta tabakayla aynı olmalıdır. Eğer bu tabaka yapımı süresince trafik devam edecekse, yapım boyunca minimum performansı sağlamak amacıyla malzemeler tekerlek izi deneyine tabi tutulmalıdır. Yorulma performansını belirlemek amacıyla karışım numuneleri Tayebali ve ekibi tarafından (1994) geliştirilen ve AASHTO TP 8-94 te belirtilen dört nokta kiriş eğme deneyine tabi tutulmalıdır. Bu 358
deney kaplamanın altındaki eğilme gerilmelerinin malzemelerin yorulma sınırından az olacak şekilde kaplamanın dizayn edilmesi açısından çok önemlidir. Yorulma limiti, malzemede yorulmadan kaynaklanan bozulma meydana getirmeyecek maksimum gerilmeyi ifade etmektedir. Bu tabaka tabandan ötürü suyla temas edeceğinden kaplamanın dizaynında su tesiri de göz önünde bulundurulmalıdır. Yüksek bitüm içeriğiyle nemin etkisi azaltılsa da karışım numunesi AASHTO T 283 deneyine uygun olarak nem hasarına karşı denenmelidir. Şekil 3 Bozulmaya Dayanıklı HMA Temel : (a) Yüksek bitüm içerikleri ile yorulma direncinin arttırılması; (b) Kaplama kalınlığının artmasıyla çekme gerilmelerinin azaltılması (e : Şekil değiştirme değerlerinin logaritması ; Log N : Bozulmaya yol açan tekerlek yükü tekerrür sayısı logaritması). Yorulma ömrünü arttırmak için diğer bir yaklaşım, asfalt tabakaların altında oluşan çekme gerilmelerinin etkisini azaltmak amacıyla sert bir yapı sağlayacak şekilde kalınlık dizaynı yapmaktır. Bu kalınlık dizaynı, temel veya orta tabakaların tek bir karışıma göre dizayn edilmesi ve uygulanması ile sağlanabilmektedir. Orta (Binder)Tabaka Orta veya binder tabaka, yüksek stabilite ve durabiliteye sahip olmalıdır. Bu tabakadaki stabilite, yüksek sıcaklık seviyelerine dayanıklı bağlayıcı kullanılmasıyla ve agregalar arasındaki temasının sağlanmasıyla elde edilebilmektedir. Agrega tarafından sağlanan iç sürtünme, kırma taş veya çakıl kullanılmasıyla elde edilebilmektedir. İç sürtünmeyi sağlamak için diğer seçeneklerden biri büyük nominal maksimum boyutta agrega (37,5 mm) kullanılmasıyken aynı etki küçük agrega boyutlarıyla daneler arasındaki temasın sürdürülmesiyle oluşturulabilmektedir. Bu tabakada kullanılacak bitümün yüksek sıcaklık performans seviyesi yüzey tabakasında kullanılan ve tekerlek izi oluşumuna izin vermeyen bağlayıcı performans seviyesine eşit olmalıdır. Ancak, kaplamadaki sıcaklık seviyesi değişim çizgisi nispeten dik olduğundan ve orta tabakadaki düşük sıcaklık değerleri, yüzey tabakasındaki kadar düşük olmadığından bu tabakada kullanılana bağlayıcının düşük sıcaklık performans seviyesi yüzeydeki bağlayıcı seviyesinden bir derece yüksek olabilir (Şekil 4). Örnek vermek gerekirse yüzey tabakasında kullanılacak bağlayıcı performans seviyesi PG 70-28 olarak belirlendiğinde orta tabakada kullanılacak bağlayıcı performans seviyesi PG 70-22 olarak alınabilir. 359
Karışım dizaynı standart Superpave yaklaşımına uygun olarak yapılmalı ayrıca dizayn bitüm içeriği optimum seviyede olmalıdır. Binder tabakası için yapılması gereken performans deneyleri, tekerlek izi ve nem hassasiyeti deneylerini içermelidir. Tekerlek izi dayanımını belirlemek amacıyla kullanılacak deney üzerine Amerikan Ulaşım Araştırma Programı Ulusal Birliği (NCHRP) tarafından çalışmalar devam ettiğinden mevcut tekerlek izine dayanım deneylerinden birinin kalıcı deformasyon dayanımını belirlemek amacıyla kullanılabileceği belirtilmiştir (APA, 2002). Uygulanabilecek diğer bir deney AASHTO TP 7-01 standardında belirtilen Superpave Kesme Deneyi dir (AASHTO,2001). Nem hasarına karşı dayanımı belirlemek amacıyla da AASHTO T 283 standardında belirtilen deney uygulanmalıdır. Şekil 4 Üstyapı Derinliğine Göre Sıcaklık Gradyanının Değişimi (APA, 2002). Aşınma Tabakası Aşınma tabakasının kalınlığı; trafik şartlarına, çevre şartlarına, uygulanacak bölgeye ait deneyimlere ve ekonomik şartlara bağlı olarak değişmektedir. Aşınma tabakası, tekerlek izi oluşumuna ve yüzey çatlaklarına dayanımı, güvenli sürtünmeyi, gürültünün en alt seviyelere indirilmesini sağlayacak şekilde dizayn edilip uygulanmalıdır. Bu şartlar, taş mastik asfalt (SMA), Superpave yaklaşımına uygun iyi derecelenmiş karışımlar ve açık gradasyonlu sürtünme tabakaları kullanılarak sağlanabilmektedir. Tekerlek izi dayanımı, durabilite, su geçirimsizliği ve su tesirlerine karşı dayanıklılığın zorunlu olduğu durumlarda SMA kullanılması zorunlu hale gelmektedir. SMA nın kullanılması, özellikle kamyon trafik hacmi yüksek yollarda ve şehir içi yollarda gerekmektedir. Uygun şekilde dizayn etme ve uygulamada SMA özellikle yük taşıma kapasitesi için sert yapı iskeletini sağlamaktadır. Mastik ise (bağlayıcı ve filler karışımı) karışımın sertlik ve su geçirmezliliğinin artmasına yardımcı olmaktadır. SMA için karışım dizayn yöntemi NCHRP Rapor No: 425 te belirtilmiştir (Brown ve Cooley, 1999). 360
Trafik hacmi düşük veya kamyon trafiği az olan yollarda durabilite, uygun Superpave karışımlarının kullanılmasıyla sağlanabilmektedir. Tekerlek izi, geçirgenlik, hava tesiriyle bozulma ve aşınmaya karşı daha uygun dizayn yapılabilmesi için Superpave sistemine göre hazırlanan karışımlarda SMA kullanılabilmektedir. Karışımlar Superpave tarafından belirtilen hacimsel özelliklere uygun olmalıdır. SMA, Superpave veya yoğun derecelenmiş asfalt karışımların dizayn aşamasında bazı tip performans deneylerine tabi tutulması, en azından tekerlek izi deneyinin yapılmasını tavsiye edilmektedir (Brown ve diğ., 2001). Superpave Kesme Deneyi nin uygulanması ile malzemelerin performansı hakkında daha fazla bilgi elde edilebileceği bu nedenle kesme deneyinin de uygulanması gerektiği Sousa ve ekibi tarafından (1994) belirtilmiştir. Ayrıca yine karışımdaki toplam boşluğun en aza indirilmesiyle karışımın geçirimsizliliği sağlanmaktadır. Aşınma dayanımı ise düşük cilalanma değerine sahip yüksek dayanımlı agrega kullanılmasıyla sağlanmaktadır. Bu tabakanın sertliği, yüzeyde 20 yıl tekerlek izi oluşmadan servis yeteneğine devam ettirmesi açısından önemlidir. İklime bağlı olan teker izi oluşumundan kaçınmak ve gerekli performansı sağlamak için bağlayıcının yüksek sıcaklık performans derecesi, araziye uygun yüksek sıcaklık performans seviyesinden bir derece fazla olacak şekilde seçilmelidir (Brown ve Cooley, 1999). Düşük sıcaklık seviyesi ise genellikle arazideki termal çatlaklara karşı dayanımı yaklaşık olarak % 95-99 oranında sağlayacak sıcaklık derecesi olmalıdır. Açık gradasyonlu sürtünme tabakası (AGST), yol yüzeyindeki suyun tahliye edilmesine izin verecek boşluklara sahip şekilde dizayn edilmelidir. AGST fazla yağış alan bölgelerde ıslak zeminde sürtünmeyi arttırmak amacıyla kullanılmaktadır. Genellikle bu karışımlar % 15 hava boşluğuna göre dizayn edilmesine rağmen % 18 22 hava boşluğuna sahip karışımların uzun süreli performans değerlerinin daha yüksek olduğu belirlenmiştir (huber, 2000). Açık gradasyonlu sürtünme tabakaları için karışım dizaynı Kandhall ve Mallick tarafından 1999 yılında açıklanmıştır. Uzun Ömürlü Üstyapılarda Tabaka Kalınlık Tasarımı Uzun ömürlü üstyapılarda bulunan aşınma tabakasında termal çatlak ve tekerlek izi, orta tabakada kalıcı deformasyon, temel tabakasında yorulma çatlağı ve nem hasarı, üstyapı tabanında kalıcı deformasyon ve nem hasarı dikkate alınarak tasarım yapılmaktadır. Kaplama yüzeyinde 0,5-1,0 inç (1,27-2,54 cm) düşey deformasyon meydana gelmesi veya trafik yüklerinin etkisi altında bulunan alanın % 10 unda çatlak oluşması durumunda yüzey yenilenmesi yapılması gerektiği belirtilmiştir (Von Quintus, 2000). Amerikan Askeri Mühendisler Topluluğu, üst üste bulunan bağlayıcı kullanılmamış kaplama tabanı ve alttemel tabakalarının rijitlik modülleri arasında bir oran bulunması gerektiği belirtmişlerdir (Barker, 1975). Bağlayıcısız tabakalardan alınan numuneler üzerinde uygulanan üç eksenli basınç deneylerinden elde edilen sonuçlar kullanılarak yüzeyde 0,5 inç kalıcı deformasyon meydana getirecek yük tekerrür sayısı belirlenmektedir. Bu değerler dizayn yük tekerrür sayısıyla karşılaştırılarak malzemelerin uygunluğu belirlenmektedir. HMA temel tabakası yorulma çatlaklarına karşı dayanımı sağlayacak şekilde dizayn edilmelidir. Bu tabakada kullanılacak malzemelere uygun karışım numuneleri hazırlanarak kiriş eğme yorulma deneylerine tabi tutulmaktadır. Bu deneylerden 361
yorulma çatlaklarıyla ilgili parametreler elde edilmektedir. Bu parametreler kullanılarak yorulma çatlaklarının sınır değere ulaşması için gerekli yük tekerrür sayısı belirlenmektedir. Bu değer dizayn yük tekerrür sayısıyla karşılaştırılarak ihtiyaç halinde karışım dizaynı değiştirilmekte veya tabaka kalınlığı arttırılmaktadır. Binder veya aşınma tabakasında kullanılacak karışımlar tekerlek izi ve termal çatlaklara karşı dayanımı sağlamalıdır. Superpave bağlayıcı dizaynına göre bölge için uygun performans seviyesi değerinden bir büyük sıcaklık değeri aşınma tabakası için seçilmelidir. Yüzeyde oluşacak bozulmaları engellemek için Superpave karışım dizayn yöntemi ve SMA birlikte kullanılmalı, güvenlik açısından yeterli sürtünme katsayısını elde edebilmek için AGST kullanılmalıdır. Tekerlek izi bakımından erken bozulmaların meydana gelmemesi için her iki tabakada da kullanılacak karışım numuneleri tekerlek izi deneylerine tabi tutulmalıdır. Sınır seviyede kalıcı deformasyon meydana geldiği yük tekerrür sayısı dizayn yük tekerrür sayısıyla karşılaştırılarak karışım numunelerinin uygunluğu tespit edilmelidir. Sonuç Uzun ömürlü üstyapı; yorulma çatlağı, tekerlek izi oluşumu, termal çatlakları engelleyerek üstyapının servis ömrü boyunca yüksek seviyede hizmet verebilmesi amacıyla tasarlanmış ve uygulanmıştır. Uzun ömürlü üstyapılar; kalıcı deformasyona karşı yeterli rijitliğe sahip üstyapı tabanından, yorulma dayanımını sağlayan HMA temel tabakasından, kalıcı deformasyona ve termal çatlaklara karşı dayanıklı orta ve aşınma tabakalarından oluşturulmuştur. Üstyapı tabanının CBR değeri belirlenmiş, gerekli görülmesi durumunda kireç modifikasyonu veya granüler tabaka tavsiye edilmiştir. Ayrıca kullanılan bağlayıcısız malzemeler üç eksenli basınç deneyine tabi tutularak malzemelerin kullanılabilirlikleri belirlenmiştir. HMA temel tabakasında bitüm muhtevası optimum değerden fazla tutulmuş böylece yorulmaya karşı dayanımın artması uygun kalınlıkta dizayn ile birlikte sağlanmıştır. Orta tabaka aşınma tabakasında kalıcı deformasyon oluşumunu engellemek amacıyla uygulanmıştır. Bu tabakada kullanılan karışımın rijitliğinin yüzeyde kullanılan karışımın rijitliğine benzer olması amaçlanmıştır. Aşınma tabakasında kullanılacak malzemelerin kalıcı deformasyona ve termal çatlaklara karşı dayanıklı olması istenmiştir. Tekerlek izine dayanım açısından bu tabakada kullanılacak bitümlü bağlayıcının performans seviyesi yüksek sıcaklık değerinin bölge şartlarının gerektirdiği değerden yüksek tutulması istenmiştir. Ülkemizde AASHTO yöntemi kullanılarak üstyapı tasarımı yapılmaktadır. Bu yöntemde bölge ve malzeme karakteristikleri direkt göz önüne alınmadan tabaka katsayılarıyla değerlendirilmektedir. Ayrıca termal ve yorulma çatlağı, kalıcı deformasyon gibi üstyapılarda en çok rastlanan sorunlarda dikkate alınmamaktadır. Tabakaların mekanik-ampirik dizaynında çeşitli deneylerle her tabakanın yüklemeye karşı tepkisi belirlenmekte ve dizayn kriterleriyle karşılaştırılarak tasarım işlemi tamamlanmaktadır. Belirli kabullerden yola çıkarak üstyapı tasarımı yapmak yerine malzeme karakteristiklerini direkt dikkate almak ayrıca başlıca bozulmalara dayanıklı üstyapı tabakaları dizayn etmenin daha uygun ve mantıklı olduğu söylenebilmektedir. 362
Kaynaklar Asphalt Pavement Alliance (2002), Perpetual Pavements a Synthesis, p. 27. Barker, W. R. and Brabston, W. N. (1975) Development of a Structural Design Procedure for Flexible Airport Pavements, Report No. FAA-RD-74-199. U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station, FAA. Brown, E. R., Kandhal P S., and Zhang J. (2001), Performance Testing for Hot Mix Asphalt, Report No. 2001-05, National Center for Asphalt Technology, Auburn University, Alabama. Brown, E.R. and Cooley, Jr. L.A. (1999), Designing Stone Matrix Asphalt Mixtures for Rut-Resistant Pavements, Report No. 425, National Cooperative Highway Research Program, Transportation Research Board, Washington, DC. Huber, G. (2000), Performance Survey on Open-Graded Friction Course Mixes, NCHRP Synthesis 284, Transportation Research Board, Washington, DC. Illinois Department of Transportation (IDOT) (1982), Subgrade Stability Manual, Policy MAT 10, Springfield. Kandhal, P.S. and Mallick R.B. (1999), Design of New-Generation Open-Graded Friction Courses, Report No. 99-3, National Center for Asphalt Technology, Auburn University, Alabama. Newcomb, D. E., Buncher, M., Huddleston, I. J. (2001), Transportation Research Circular 503: Perpetual Bituminous Pavements, Transport. Research Board, pp. 4-11. Nunn, M. E., Brown A., Weston D., and Nicholls J. C. (1997), Design of Long Life Flexible Pavements for Heavy Traffic, Rapor No. 250, Transportation Research Laboratory, Berkshire, U.K. Sousa, J.B., Deacon J.A., Weissman S., Harvey J.T., Monismith C.L., Leahy R.B., Paulson G. and Complantz J.S. (1994), Permanent Deformation Response of Asphalt- Aggregate Mixes, Report No. SHRP-A-415, Strategic Highway Research Program, Transportation Research Board, Washington, DC. Tayebali, A.J., Deacon J., Coplantz J., Finn F., and Monismith C. (1994), Fatigue Response of Asphalt-Aggregate Mixes, Report No. SHRP-A-404, Strategic Highway Research Program, Transportation Research Board, Washington, DC. Von Quintus, H. L. (2000), Pavement Structural Design Study : A Simplified Catalog of Solutions. Rapor No. 3065, Fugro BRE, Inc., Austin, Texas. 363