Kiriş Eğme Reometresi (BBR) Deneyi (AASHTO TP1)

Soğuk iklimli bölgelerde inşa edilen esnek kaplamalarda, yüke bağlı olmayan ancak iklim ve çevre şartlarından kaynaklanan ve termal çatlak olarak da isimlendirilen düşük sıcaklık çatlakları oluşmaktadır. Bilindiği gibi, asfalt bağlayıcılar düşük sıcaklıklarda rijit davranış gösterdiğinden kaplamanın da rijit davranmasına sebep olurlar ve bu davranış, kaplamanın termal çatlak riskini arttırmaktadır. Bu sebeple SHRP tarafından, asfaltın düşük sıcaklıklardaki davranışının gözlenmesi amacıyla kiriş eğme reometresi (BBR) deneyi geliştirilmiştir. Bu deney, belirli ısıda ve sabit bir yük altında asfalt bağlayıcının ne kadar sünme veya defleksiyon yapacağını ölçmekten ibarettir ve bu nedenle asfalt kaplamanın karşılaşabileceği en düşük sıcaklıklarda sahip olabileceği elastik davranışını belirlemeye çalışır [137,138,141]. Ayrıca RTFOT ve PAV testleri ile yaşlandırılmış bağlayıcılar üzerinde de deney yapılabildiğinden, asfalt bağlayıcının zaman içindeki değişimi de saptanabilmektedir. Bununla birlikte, asfaltın yüksek ve düşük sıcaklıklarda nasıl bir sertlik davranışı gösterdiği, DSR ve BBR deney sonuçları birlikte ele alınarak geniş bir sıcaklık aralığında değerlendirilmektedir [20].

BBR deneyi sonucunda asfalt bağlayıcının sünme sertliği (S) ve sünme oranı (m-değer) değerleri elde edilerek, bağlayıcının düşük servis sıcaklıklarında termal çatlaklara karşı gösterdiği direnç tespit edilmektedir [20,137,138,141,144].

Kiriş eğme reometresi deneyi, adını numunenin geometrisinden ve deney süresince uygulanan yükün şeklinden almıştır. BBR deney aletinin şematik görünüşü Şekil 4.12’de verilmiştir.

Şekil 4.12. Kiriş Eğme Reometresinin (BBR) Şematik Görünüşü [134,138,141,143]

BBR sistemi yükleme başlığı, sıcaklık kontrollü sıvı yatağı ile kontrol ve veri elde etme ünitelerinden oluşmaktadır. Üzerine ağırlık takılan küt uçlu bir mil ile basit destekli asfalt kirişe ortasından yük uygulanmaktadır. Yükleme sırasındaki sürtünmeyi ortadan kaldırmak için mil etrafına bir hava yatağı yerleştirilmiştir. Mil üzerindeki defleksiyon aktarıcı, oluşan hareketleri bilgisayara aktararak gözlenmesini sağlar. Pnömatik basınç ile yük uygulanırken bir regülatör

yardımıyla bu basıncın sabit tutulması sağlanmaktadır. Sıvı yatağında kullanılacak sıvı, -36 o_{C’ye varan düşük sıcaklıklarda donmayan bir sıvı olmalı ve numunenin içerisinde} yüzmesini sağlayacak şekilde özgül ağırlığı 1,05 kg/m3_{’ü aşmamalıdır. AASHTO PP1} standardında gerekli özgül ağırlığın sağlanması için soğutma sıvısı karışımında %60 glikol, %15 metanol ve %25 su kullanılması gerektiği belirtilmiştir. Sıvı, sıvı yatağında bulunan bir karıştırıcı ile sıcaklığın homojen bir şekilde dağılması sağlanmaktadır. Ayrıca, sıvının sıcaklığını sirkülasyon sırasında 0,1 o_{C duyarlılıkta kontrol eden bir termometre} bulunmaktadır [137].

BBR deneyinde, asfalt numunenin yük altındaki sertliğinin tespit edilmesinde kiriş teorisi kullanılmaktadır. Standart ölçülerdeki kiriş şeklindeki asfalt çubuğa sabit bir tekil kuvvet

100 ± 5 gr (980 ± 5 mN) uygulanır ve 240 saniyelik deney süresi boyunca çubuğun ortasında oluşan defleksiyon farklı sürelerde (8, 15, 30, 60, 120, 240 sn) sistem tarafından ölçülerek sünme sertliği (S) ve sünme oranı (m-değer) hesaplanır. Deney sırasındaki yükleme, çok düşük sıcaklıklarda kaplamanın yavaş yavaş maruz kaldığı termal gerilmeleri temsil etmektedir. Sünme sertliği (S), asfaltın sünme gerilmelerine karşı gösterdiği direnç ve sünme oranı (m-değer) ise yükleme süresince asfaltın sertliğindeki değişim olarak değerlendirilmektedir.

Asfalt bağlayıcının sünme sertliğinin belirlenmesi amacıyla, Şekil 4.13’te görüldüğü gibi standart ölçüleri 12,5x125x6,25 mm (0,50x5x0,25 inç) olan asfalt kiriş esas alınarak, klasik kiriş analiz teorisi kullanılmaktadır [137,146].

Şekil 4.13. Kiriş Eğme Reometresi (BBR) Numunesinin Şematik Görünüşü [134]

Asfalt kiriş boyutları, temel Bernoulli-Euler prizmatik kirişlerin eğilmesi teorisinin deney sonuçlarına uygulanabileceği şekilde seçilmiştir. Teoriye göre en büyük defleksiyon, üç noktalı yüklemede elastik kirişin tam orta noktasında oluşmakta ve (4.9) bağıntısı ile belirlenmektedir [137,146]. 3 48 _s PL E I δ =

(4.9) Burada; P: Uygulanan yükü (N), L: Mesnet Açıklığını (mm,) Es: Elastisite modülünü (Pa),

I: Kesitin atalet momentini (bh3_{/12, mm}4_{) göstermektedir.}

Viskoelastik bir malzeme olan asfalt numunede, zamana bağlı olarak oluşan deformasyonlar, elastik malzemelerin temel eğilme teorisinden elastisite modülü (Es) yerine sünme sertliğinin S(t) kullanılmasıyla aşağıda verilen (4.10) bağıntısı ile elde edilmektedir [134,137,146].

3 ( ) _{48 ( )} PL t _{S I} t δ =

(4.10)

Deney süresince, sistem tarafından numunenin sabit yük altındaki defleksiyonu belirlenir ve sünme sertliği hesaplanırken (4.11) bağıntısı kullanılır [134,137,141,146].

3 ( ) ₄ 3 ( ) PL S _t bh δ _t = (4.11) Burada;

S(t): t anındaki (60 saniye) sünme sertliği (MPa), P: Uygulanan sabit yük, 100 ± 5 gr (980 mN), L: Mesnetler arası uzaklık,100 mm (4 inç), b: Kiriş uzunluğu, 12,5 mm (0,50 inç), h: Kiriş kalınlığı, 6,25 mm (0,25 inç),

δ(t): t anındaki (60 saniye) defleksiyonu ifade etmektedir.

Bu deneyde, geliştirilmiş cihazın bilgisayar programı, Şekil 4.14’de görüldüğü gibi defleksiyon-zaman grafiğini vermektedir. Farklı zaman süreleri için aranan sünme sertliği değerleri bu grafik yardımıyla ve (4.11) bağıntısı kullanılarak bulunabilir [137,141].

Şekil 4.14. Defleksiyonun (δ) Grafikle Belirlenmesi [20,141]

Minimum kaplama dizayn sıcaklığındaki sünme sertliği değerine iki saatlik yükleme sonucu ulaşılmaktadır. Fakat SHRP araştırmacıları, deney sıcaklığının 10°C arttırılması sonucu aynı sünme değerinin 60 saniye sonra elde edildiğini belirlemişlerdir. Bu sayede deney sonucu daha erken bir sürede alınabilmektedir. Superpave şartnamesine göre 60 sn yükleme süresi için sünme sertliği değerinin en fazla 300 MPa olması istenmektedir [134,137,141,146]. Ancak bu değer 300–600 MPa arasında ise doğrudan çekme deneyi kopma deformasyon değeri şartnamede öngörülen şartı sağlamalıdır [20].

Deney sonucunda elde edilen ikinci parametre olan sünme oranı (m-değer), zamana bağlı olarak S(t) değerinin değişimini ifade etmektedir. Bu değer bilgisayar yazılımı tarafından otomatik olarak hesaplanır. Bu değeri elde etmek için, farklı yükleme zamanlarındaki sertlik ölçülerek elde edilen sertlik-zaman eğrisinde belirli bir andaki teğetin eğimi sünme oranı (m- değer) olarak alınmaktadır (Şekil 4.15). Superpave şartnamesine göre 60 sn yükleme süresi için sünme oranı değerinin en az 300 MPa olması istenmektedir [134,137,141,146].

Şekil 4.15. Sünme Oranı (m-değer) Değerinin Grafikle Belirlenmesi [20,134,137,141].

Deneyde kullanılacak asfalt kiriş numuneleri, Şekil 4.16’da görülen dikdörtgen kesitli alüminyum kalıplar kullanılarak hazırlanmaktadır.

Şekil 4.16. BBR Deneyinde Kullanılan Kalıplar ve Numune [134,141]

Alüminyum kalıp, alt ve yanlar olmak üzere beş parçadan oluşmaktadır. Ayrıca, asfaltın kalıba yapışmasını önlemek için kullanılan üç asetat bant ve parçaların sabitlenmesini sağlayan iki lastik kullanılmaktadır. Kalıp kurulmadan önce iki uzun kenar parçası ve alt parçanın iç yüzeyleri madeni bir yağla hafifçe yağlanır. Üç asetat bant yağlanan yüzeylere yerleştirilir. Uçlardaki küçük parçalara bitümün yapışmasını engelleyen gliserin veya talktan oluşan bir ayırıcı malzeme uygulanarak kalıp kurulur ve parçaların ayrılmaması için iki uçtan birer lastik

halka ile sıkıştırılır. Yaşlandırılmış bitümlü bağlayıcı, 163°C’yi aşmayacak şekilde ve genellikle 135–140°C arasında ısıtılarak sıvı hale getirilir ve bir uçtan diğerine doğru kalıbın içerisine kalıbın yüzeyini taşacak şekilde dökülür. Asfalt malzemenin 45–60 dakikalık bir soğutma işleminden sonra kalıptan taşan kısımları sıcak bir spatula ile temizlenir. Bu şekilde numune kalıpta oda sıcaklığında iki saati geçmeyecek şekilde bekletilir ve deney koşulları hazır olduğunda kalıptan çıkarılır. Numuneyi çıkarmak için kalıp 30–45 saniye kadar buz banyosunda veya 5–10 dakika kadar dondurucuda bekletilir. Deney aletinin sıvı yatağı, deney esnasında dalgalanmalara neden olacağından soğutma işlemi sırasında kullanılmamalıdır. Alüminyum kalıp parçaları ve asetat bantlar kaldırıldıktan sonra asfalt kiriş deney sıcaklığında koşullandırma için hazır duruma gelmektedir. Deney için son hazırlık olarak numunelerin deney sıcaklığındaki sıvı banyosunda 60 ± 5 dakika bekletilerek koşullandırılması ve daha sonra deneye başlanmasıdır [137,141,144,146]. Daha önce deney sıcaklığına ayarlanan sıvı banyosu bu sıcaklığa ulaştığında sıcaklığın dengelenmesi için en az yarım saat kadar beklenir. Koşullandırma için soğutma sıvı banyosuna yerleştirilen numuneler burada beklerken, donanım sisteminin kalibrasyonu ve uyum işlemleri gerçekleştirilmelidir. Paslanmaz çelik bir referans çubuğu kullanılarak defleksiyon aktarıcı ve ağırlık haznesinin kalibrasyonu yapılmalıdır. Kalibrasyonu yapılmış bir termometre yardımıyla sıcaklık aktarıcı kontrol edilmelidir. Bütün sistem performansının periyodik olarak kontrol edilmesi amacıyla ayrıca bir referans çubuğu bulunmaktadır. Sistem kalibrasyonunun önemli bir kısmı bilgisayar yazılımı ile monitör yardımıyla uygulanabilmektedir. Bu işlemin bir parçası olarak ince referans çubuğunun kullanılmasıyla ön yükleme ve yükleme düzeyleri ayarlanır [137,141,144,146].

Sıcaklık koşullarının oluşması için 60 dakikalık beklemeden sonra asfalt kiriş mesnetler üzerine oturtulur. Bu işlemi takiben kiriş bir seri yükleme hazırlığı adımına tabi tutulur. 30 milinewton’luk (mN) bir ön yük, kirişin mesnetler üzerinde tamamen oturmasını sağlamak için uygulanır. Daha sonra bir saniye içinde 980 mN (100 ± 5 gr) bir yerleştirme yükü yazılım tarafından otomatik olarak uygulanır. Bu yerleştirme işinden sonra yük 20 saniyede ön yükleme düzeyine kadar geri indirilir. Bu 20 saniyelik geri dönüş periyodundan sonra esas deney başlar ve toplam 240 saniye süreyle kirişe 980 ± 5 mN yük uygulanır. Şekil 4.17’de görüldüğü gibi uygulanan yük süresince kirişte oluşan defleksiyon sistem tarafından kaydedilir. Deney esnasında uygulanan 980 mN’luk yükün etkisiyle kirişte meydana gelen defleksiyon, zamana bağlı olarak bilgisayar tarafından grafik halinde çizilir. Deney süresi olan 240 saniye sonunda deney yükü otomatik olarak kalkar ve yazılım tarafından sünme sertliği ve sünme oranı hesaplanır [137,141,144,146].

Şekil 4.17. Kiriş Eğme Reometresi (BBR) Deneyi [141,146]

Belgede Siyah karbonun bitümlü sıcak karışımların özelliklerine etkisinin araştırılması / Research on the effect of carbon black on the features of hot mix asphalt (sayfa 107-113)