İndirekt Çekme Yorulma Deneyi

Karayollarında kullanılan bitümlü malzemeler, her bir taşıt geçişinde kısa süreli bir yüke maruz kalmaktadır. Bu yükler, malzemenin rijitliğinin azalmasına neden olan mikro hasarlara yol açmaktadır ki bu mikro hasarlar da uzun dönemde yorulma çatlağı olarak adlandırılan kaplama bozulmalarına neden olmaktadır [5]. Bitümlü sıcak karışımlarda en fazla görülen ve fazla yük kaynaklı bozulma türü olan yorulma çatlakları, tekrar eden yükler sonucu çatlak oluşumunu takiben kademeli olarak artmaktadır [105]. Pratikte yorulmadan kaynaklanan bozulma belirli bir oranda kaplamanın yorulma çatlakları ile kaplanması şeklinde tanımlanmaktadır.

Bitümlü sıcak karışımların yorulma dayanımlarını tespit edebilmek amacıyla laboratuvar ortamında geliştirilmiş birçok deney bulunmaktadır. Bu deneyler, gerilme ve deformasyon kontrollü olarak yapılabilmektedir. Deney türüne göre yükleme şekli, numune geometrisi ve numunede oluşan gerilme artışı farklılık göstereceğinden yapılan bu deneylerde yorulma ömürleri de farklılık gösterebilmektedir. Yorulma ömrü üzerine yapılan çalışmalar sonucunda deformasyon kontrollü deneylerden elde edilen yorulma ömürlerinin gerilme kontrollü deneylere göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Ayrıca laboratuarda belirlenen yorulma ömrünün arazide tespit edilen yorulma ömründen çok daha kısa olduğu da tespit edilmiştir. Bu durum, yorulma ömrünün gerilme dağılımının ve kaplamanın sınır şartlarının bir fonksiyonu olduğunun kanıtıdır [107]. Buna rağmen yorulma deneyleri, farklı karışımların yorulma performanslarını karşılaştırma imkanı sağlamaktadır.

İndirekt çekme yorulma deneyi (IÇYD) ile numune kırılıncaya kadar etki eden yük tekerrür sayısı olarak tanımlanan yorulma ömrü belirlenmektedir. Her bir numune türü değişik gerilme seviyelerinde yorulma deneyine tabi tutularak farklı gerilme seviyelerindeki kırılmaya neden olan yük tekerrür sayıları bu deneyle belirlenebilmektedir (Nf). Böylece Nf ile gerilme () arasındaki klasik yorulma ilişkisi logaritmik ölçekte çizilen grafikten veya aşağıdaki Wöhler formülünden yararlanılarak belirlenmektedir (Formül 4.40).

2

)

1

(

*

k

N





Burada; Nf, yorulma ömrünü ifade eden yük tekerrür sayısını, k1 ve k2 malzeme karakteristiklerini,  uygulanan gerilmeyi (kPa) ifade etmektedir [108]. Yorulma denklemlerinden elde edilen k1 ve k2 katsayıları, karışımların yorulma karakteristikleri üzerinde katkı maddelerinin etkilerinin belirlenmesinde kullanılabilmektedir. Üssel katsayı olan k2’nin büyük olması yorulma çizgisi eğiminin daha yatık olduğunu göstermektedir. Karşılaştırılan iki karışımın k1 değerlerinin aynı olması durumunda k2 katsayısı yüksek olan karışımın yorulma ömrü daha uzun olmaktadır. Diğer taraftan k2 değerlerinin eşit olması, karışımların yorulma ömrü eğrilerinin birbirine paralel olduğunu göstermektedir ki buda daha düşük k1 değerine sahip karışımın yorulma ömrünün daha düşük olduğunu göstermektedir [109].

Asfalt karışımlarda diğer birçok malzemede olduğu gibi gerilme veya birim deformasyon azaldıkça yorulma ömrü düzenli olarak artmaktadır. Çekme deformasyonlarının azalması malzemenin tamamen elastik davranış göstermesine (çok düşük sıcaklıklarda veya çok hızlı yüklemelerde) dolayısıyla yorulma çatlaklarının oluşmamasına sebep olmaktadır. Genellikle yorulma limitinin altındaki gerilmeler sadece elastik deformasyonlara neden olurken indirekt çekme yorulma deneyinde, plastik şekil değiştirmeler yorulma deformasyonuna ve buna bağlı olarak da yorulma çatlaklarına neden olmaktadır.

Bitümlü sıcak karışımların yorulma dayanımını belirlemek amacıyla yapılan deneyler eğilme deneyleri, direkt veya indirekt çekme deneyleri şeklinde uygulanabilmektedir. Bu deneylerde değişik geometrilere sahip numunelere sinüsoidal ve haversine gibi farklı kontrollü yükleme çeşitleri uygulanabilmektedir. TS EN 12697-24 standardında yer alan ve numune geometrisi, yükleme şekli ve test aparatına göre değişen yorulma deneyleri; trapez geometrili numuneler üzerinde uygulanan iki nokta eğilme deneyi, prizmatik numuneler üzerinde uygulanan iki nokta eğilme deneyi, prizmatik numuneler üzerinde uygulanan üç nokta eğilme deneyi, prizmatik numuneler üzerinde uygulanan dört nokta eğilme deneyi ve silindirik numuneler üzerinde uygulanan indirekt çekme deneyidir [110]. Deneyler deformasyon kontrollü olarak uygulanabildiği gibi yük kontrollü olarak da yapılabilmektedir. Yük ve deformasyon kontrollü yorulma deneyleri arasındaki farklar Tablo 4.9. ’da verilmiştir [5].

Tablo 4.9. Yük ve deformasyon kontrollü yorulma deneylerinin karşılaştırılması [5]

Yük kontrollü deney Deformasyon kontrollü deney

Deney süresince değişme Deplasmanın artması Yükün azalması

Genel kırılma kriteri Numunenin kırılması Başlangıç rijitliğinin yarısının

azalması

Sonuçlarının dağılımı Düşük Yüksek

Sıcaklığın artması (> 0°C) Yorulma ömrünün azalması Yorulma ömrünün artması

Rijitlik modülünün artması Yorulma ömrünün artması Yorulma ömrünün azalması

Bekleme süresinin (resting time) etkisi

Fazla Az

Çatlak gelişiminin süresi Kısa Uzun

Deney frekansının artması Artma Azalma

Hasarın gelişimi Hızlı Orta

İndirekt çekme yorulma deneyinin basit olması ayrıca geometrisi nedeniyle numunelerin laboratuar ortamı ya da araziden rahatlıkla temin edilebilmesi bu deney yöntemini en fazla tercih edilen deneylerden biri haline getirmiştir. İndirekt çekme yorulma deneyi, gerilme veya deformasyon kontrollü olarak tekrarlı yükleme altında bitümlü karışımların yorulma dayanımını karakterize etmek amacıyla kullanılmaktadır. Silindir şeklindeki deney numunelerine düşey çapsal düzlemde haversine biçiminde tekrarlı basınç yükleri uygulanmaktadır. Bu yükleme, uygulanan yük doğrultusuna dik, yatay çapsal doğrultuda nispeten üniform çekme gerilmeleri oluşturmaktadır. Oluşan çekme gerilmeleri, düşey doğrultuda numunenin orta kısmında yarılma oluşmasına neden olmaktadır.

UMATTA deney aleti kullanılarak yapılan gerilme kontrollü indirekt çekme yorulma deney (IÇYD) düzeneği Şekil 4.21’de görülmektedir. Bu deneyin sistemi de ITSM deneyinde olduğu gibi; iklimlendirme kabini, yükleme çerçevesi, yazılım ve bilgisayardan oluşmaktadır. Standart deney sıcaklığı 25ºC olmasına rağmen iklimlendirme kabini sayesinde deney farklı sıcaklıklarda da yapılabilmektedir. Deney öncesinde numuneler, en az 3 saat deney sıcaklığında bekletilmektedir. Numune yüksekliği, çapı, uygulanacak gerilme yük periyodu ve yük artış süreleri gibi değerler önceden yazılıma girilmektedir. Numune, yükleme çerçevesine yerleştirilmekte, düşey deformasyonu okuyacak doğrusal değişken türevsel dönüştürücüler (LVDT) ayarlanarak deneye başlanmaktadır. Numuneler tam olarak kırılıncaya kadar deney devam etmektedir.

Şekil 4.21. Yorulma deney düzeneği

Gerilme kontrollü olarak yapılan yorulma deneyi sonucunda Şekil 4.22’de temsili olarak görüldüğü gibi yük tekerrür sayısı-deformasyon miktarı grafiği çizilebilmektedir. Yorulma ömrü, bazı araştırmacılar tarafından deformasyon - yük tekerrür sayısı grafiğinde eğimin önemli oranda değiştiği nokta veya II. kısım ve III. kısımlara çizilen teğetlerin kesim noktası olarak tanımlanmaktadır [111, 112].

Şekil 4.22. Temsili deformasyon - yük tekerrür sayısı ilişkisi

konusu olup yaklaşık olarak lineer değişim meydana gelmektedir. III. Bölgede ise çatlak oluşumu başlamıştır. Artık bu bölgede deformasyon değişimi artmaktadır [107]. Çatlak ilerleme oranı (rp), çatlak oluştuktan itibaren yorulma ömrünün sonuna kadar her 1 mm deformasyon oluşabilmesi için gerekli yük tekrar sayısını ifade etmektedir. Çatlak ilerleme oranı ile ilgili Formül 4.41 aşağıda verilmiştir [111].

i f p p

N

r









rp : Çatlak ilerleme oranı (darbe sayısı/mm)

Np : Çatlak ilerlemesi için gerekli yük tekrar sayısı δf : Bozulma anında toplam deformasyon ( mm )

δi : Çatlak başladığı andaki toplam deformasyonu ( mm ) ifade etmektedir.

Çatlak ilerleme oranı, çatlak ilerleme hızıyla ters orantılıdır. Çatlak ilerleme oranının büyük olması, çatlak ilerleyişinin daha yavaş olduğunu göstermektedir.

4.2.10. Kırılma Mekaniği Yaklaşımlarıyla BSK’ların Çatlak İlerleyişine Karşı