Bitümlü Sıcak Karışım Tasarım Yöntemleri

Bitümlü karışım tasarımının amacı, maksimum kaplama performansının en ekonomik şekilde sağlanmasıdır. Bitümlü karışım tasarım süreci, agrega türü ve tane dağılımı, bağlayıcı türü ve miktarı, katkı malzemesinin türü ve miktarının saptanmasını ve şartname özelliklerini sağlayan bitüm-agrega karışımının üretimini içermektedir (İsfalt, 2002).

Asfalt kaplama karışım tasarımının amaçları; (Önal ve Kahramangil, 2012). • Sağlam (durabil) bir üstyapı elde etmek için gerekli bitüm miktarını bulabilmek, • Traf k yükleri altında deformasyon göstermeyecek yeterlilikte karışım

stabilitesini oluşturabilmek,

• Sıkıştırılmış karışımda kusma, akma ve stabilite düşüklüğü olmaksızın trafik tarafından oluşturulacak çok az miktardaki sıkışmaya imkân verecek, ancak karışım içinde rutubet ve fazla hava barındırmayacak ölçüdeki boşluğu sağlamak,

• Segregasyona uğramaksızın uygun serimi sağlayacak bir işlenebilirliği verecek, ekonomik bir karışım ve agrega granülometrisini belirlemek; olarak özetlenebilir.

3.3.1. Marshall yöntemi

Marshall deneyinin esası, eskiden Mississippi eyaleti karayolları idaresi (Misisippi State Highway Department) bitümlü malzemeler mühendisi olan Bruce Marshall tarafından ortaya konulmuştur. 1948 yılında, Amerika Birleşik Devletleri askeri mühendislik birimi (U.S. Corps of Engineers) tarafından Marshall'ın deney yöntemine belirli özellikler eklenmiş ve sonuçta karışım tasarımı için bazı kriterler geliştirilmiştir. 1948 yılından bu yana, deneyin bazen yönteminde bazen de sonuçlarının yorumlanmasında değişiklikler yapılarak, birçok ülkede ilgili kuruluşlar ve idari birimler tarafından benimsenerek uygulanmıştır. Havaalanı kalkış pistleri ve taksi yollarında asfalt betonu karışımları son 20 yıldır Marshall deneyi kullanılarak tasarlanmıştır.

Marshall deneyinde önce standart bir kompaktör yardımıyla ve çelik bir kalıp içerisinde 102 mm çapında, 64 mm yüksekliğinde silindirik numuneler imal edilir (Şekil 3.12.). Numuneler, 60 °C sıcaklık altında, 50 mm/dk'lık sabit bir hızda yüklenerek,

Şekil 3.13'de gösterilen deney aletinde deformasyona karşı dirençleri ölçülür. Deney aletinin çene kısımları numune çevresini sarmakta fakat tamamen kapatmamaktadır. Silindirin iki yanı serbesttir. Dolayısıyla, deney sırasında numune içerisindeki gerilme dağılımı aşırı karmaşık olmaktadır. Marshall deneyinde numunenin göçmeden taşıyabileceği maksimum yük Marshall stabilitesi ve göçme anına kadar oluşan deformasyon miktarı ise Marshall akması olarak adlandırılır. Stabilitenin akmaya oranı Marshall oranı (Marshall quotient) olarak bilinmekte olup bu faktör karışımın kalıcı deformasyona karşı direncinin bir ölçüsü olan bir tür "ampirik" rijitlik değeridir (İsfalt, 2004).

Şekil 3.13. Marshall deney cihazı (İsfalt, 2004)

Ülkemizde ve diğer birçok ülkede bitümlü karışım tasarımı olarak, en yaygın olarak Marshall metodu kullanılmaktadır. Metot, sıcak karışımların laboratuvar tasarımı ve sıcak karışım asfalt kaplamalarının uygulamadaki kontrolleri için kullanılır (Önal ve Karaca, 1990).

Marshall metodu ile hazırlanan sıcak karışım tasarımı aşağıdaki işlem sırasına göre yapılmaktadır; (İsfalt, 2002).

 Agrega granülometrisinin belirlenmesi,

 Agregaların ve bitümün özgül ağırlıklarının belirlenmesi,  Agrega ve bitüm miktarının hesabı,

 Briketlerin hazırlanması, ilgili hesaplamalar ve boşluk analizleri,  Stabilite ve akma değerlerinin bulunması,

 Optimum bitüm miktarının belirlenmesi.

3.3.2. Superpave karışım tasarımı

Superpave karışım tasarım yöntemi, trafik yükü ve iklim koşulları altında meydana gelen kalıcı deformasyon, yorulma çatlağı ve düşük sıcaklık çatlaklarını kontrol ederek, tasarım çevre koşullarında kaplama performansını artırmak için

performans esaslı bağlayıcı malzemelerinin geliştirilmesini içermektedir. Superpave yöntemi; ham, geri dönüşümlü, yoğun gradasyonlu, katkılı veya katkısız sıcak karışım asfaltlar ile mevcut tabakaların üzerine inşa edilen taş mastik asfalt (SMA) gibi çeşitli özel kaplama karışımlarına da uygulanabilir. Sistem, malzeme seçimi ve karışım tasarımı yoluyla kalıcı deformasyon, yorulma ve düşük sıcaklık çatlağı gibi bozulmaları doğrudan kontrol eder ve bağlayıcının uzun ve kısa dönem yaşlanması ile karışımın nem hassasiyetini açık bir şekilde dikkate almaktadır. Superpave karışım tasarım yönteminin amacı, servis ömrü boyunca tatmin edici performans özellikleri gösteren bir kaplama tabakasını oluşturan ekonomik bağlayıcı ve agrega karışımlarını elde etmektir (Kennedy ve ark., 1994).

Superpave yönteminin en önemli özelliği, deneylerin standart deney sıcaklıklarında değil, kaplamanın hizmet vereceği bölgedeki sıcaklıklarda yapılarak asfaltın saha performansıyla doğrudan ilgili fiziksel ve reolojik özelliklerinin analitik deneylerle tespit edilmesi ve genel olarak saha performansının daha iyi ve gerçekçi olarak yansıtılmasıdır (Zaniewski ve Padula, 2003).

Superpave karışım tasarım yöntemi düzey 1, 2 ve 3 olmak üzere üç farklı tasarım seviyesi içermektedir. Bu tasarım seviyeleri, kaplamanın hizmet ömrü boyunca maruz kalacağı 80 kN’luk eşdeğer tek dingil yüklerinin toplamı esas alınarak belirlenmektedir. Bunun için önerilen trafik hacim değerleri Çizelge 3.1’de verilmiştir.

Çizelge 3.1. Karışım tasarım seviyeleri için önerilen trafik tasarım değerleri (Cominsky ve ark., 1994)

Tasarım Seviyesi Tasarım Trafiği (80 kN)

1 (düşük)  106

2 (orta)  107

3 (yüksek) > 107

Superpave karışım tasarımında kullanılan en önemli araç “Superpave Gyratory Compactor” denilen Superpave yoğurmalı sıkıştırıcısı (SGC)’dir. Superpave yoğurmalı sıkıştırıcısı, hacimsel analizler için karışım numuneleri üretmek ve ayrıca numune üretilirken sıkıştırma işlemi süresince veriler kaydederek numunenin yoğunluğunu ölçmek için kullanılmaktadır (The Asphalt Institute, 2007).

Superpave yoğurmalı sıkıştırıcı, SHRP araştırmacıları tarafından sıcak karışımların arazideki sıkışmasını en iyi temsil edecek bir laboratuvar sıkıştırma metodu olarak geliştirilmiştir. SGC temelde Texas yoğurmalı sıkıştırıcısının, bir Fransız yoğurmalı sıkıştırıcısının sıkışma prensipleri ile çalışacak şekilde modifiye edilmesi ile

oluşturulmuştur. Oluşturulan bu cihaz ile, arazi şartlarına en uygun sıkıştırma elde edilmesi, iri daneli agregaların karışımda kullanılabilmesi, sıkışabilirliğin ölçülmesi ve tesislerde kalite kontrol işlemlerinde kullanılabilecek kadar kolay taşınması gibi hedefler gerçekleştirilmiştir. Cihaz ayrıca, 150 mm (6 inç) iç çapa sahip kalıbı ile maksimum tane boyutu 50 mm (nominal maksimum 37,5mm) olan agrega içeren karışım numunelerinin hazırlanmasına imkan vermektedir (The Asphalt Institute 2007; McGennis ve ark., 1995; Alshamsi, 2006).

Superpave yoğurmalı sıkıştırıcısı şu bölümlerden oluşmaktadır; • Reaksiyon çerçevesi, dönen taban ve motor,

• Yükleme sistemi, yükleme kolu ve basınçölçer, • Yükseklik ölçme ve kaydetme sistemi,

• Kalıp ve taban plakası

SHRP tarafından geliştirilen Superpave yoğurmalı sıkıştırıcının şematik görünüşü ve kalıp konfigürasyonu Şekil 3.14’de gösterilmiştir.

Şekil 3.14. Superpave yoğurmalı sıkıştırıcı (a) ve kalıp konfigürasyonu (b) (Tunç, 2001; The Asphalt

Institute 2007; McGennis ve ark., 1995; Kennedy ve ark.,1994; Druta 2006)

Yükleme başlığı vasıtasıyla 600±18 kPa (6,12 kg/cm2)’lik sabit bir basınç numune üzerine tatbik edilirken numune kalıbı altındaki döner taban 1,25±0,02o’lik açı ile dakikada 30±0,5 dönüş yapmakta ve kontrol cihazı uygulanan yükü sabit tutarak numunenin yüksekliğini deney boyunca kaydetmektedir. Numune yüksekliğinin ölçümü SGC’nin önemli bir fonksiyonudur. Numunenin sıkıştırma sırasındaki yoğunluğunu, numune ağırlığı, kalıbın iç çapı ve numune yüksekliği bilindiğinden hesaplamak

mümkündür (Tunç, 2001; The Asphalt Institute, 2007; McGennis ve ark., 1995; Alshamsi 2006; Kennedy ve ark., 1994).

Dönüş (tur) sayısı artıkça asfalt karışımın yoğunluk değişimi Şekil 3.15’de görüldüğü gibi olmaktadır.

Şekil 3.15. Superpave yoğurmalı sıkıştırıcı karışım sıkıştırma karakteristikleri (Tunç, 2001; The Asphalt

Institute 2007; McGennis ve ark., 1995; Alshamsi 2006; Kennedy ve ark.,1994)