Superpave Hacimsel Karışım Tasarımı

Superpave tasarım metodu, dikkate alınan trafik değerine göre Seviye 1, Seviye 2 ve Seviye 3 olmak üzere üç farklı prosedürde uygulanmaktadır. En düşük kriterlere sahip olan Seviye 1 tasarım yönteminde nem hasarına karşı dayanıklılık deneyi ile hacimsel karışım tasarımı yer almaktadır. Hacimsel karışım tasarımı aynı zamanda diğer iki seviyeye göre tasarımda temel prosedür olarak tanımlanmaktadır. Karışım tasarım işlemleri, Superpave agrega gradasyon kriterlerini sağlayan farklı agrega deneme karışımlarını hazırlayarak, bu karışımları bitümlü bağlayıcı ile karıştırarak kısa dönem yaşlandırmaya tabi tutmak, yaşlanmış numuneleri sıkıştırmak ve agrega deneme karışımlarının hacimsel özelliklerini analiz ederek en iyi agrega deneme karışımını tasarım agrega gradasyonu olarak seçmek ve seçilen tasarım agrega gradasyonu için gerekli olan tasarım asfalt içeriğini belirlemek amacıyla çeşitli asfalt içeriklerinde karışım numunesi hazırlayarak sıkıştırmaktır [50]. Hacimsel tasarımda agrega ve bitümün özgül ağırlıklarının doğru bir şekilde belirlenmesi büyük öneme sahiptir.

Agrega özgül ağırlıkları; hacim (Gsb), efektif (Gse) ve zahiri özgül ağırlık (Gsa) olmak üzere üçe ayrılmaktadır. Hacim özgül ağırlık; standart bir sıcaklıkta, birim hacimdeki malzemenin (bütün boşluklar dâhil) havadaki ağırlığının, standart sıcaklıkta ve aynı hacimdeki damıtılmış suyun ağırlığına oranı olarak tarif edilir. Efektif özgül ağırlık; standart bir sıcaklıkta, birim hacimdeki malzemenin (bitümlü bağlayıcının giremediği fakat suyun nüfuz edebildiği boşluklar dâhil) havadaki ağırlığının, standart sıcaklıkta ve aynı hacimdeki damıtılmış suyun ağırlığına oranıdır. Zahiri özgül ağırlık ise standart bir sıcaklıkta, birim hacimdeki malzemenin (boşluk içermeyen) havadaki ağırlığının, standart sıcaklıkta ve aynı hacimdeki damıtılmış suyun ağırlığına oranıdır. Özgül ağırlıkların değişiminde dikkate alınan boşluklar etkili olmaktadır. Yani hacim değerleri arttıkça özgül ağırlık değerlerinin azaldığı söylenebilir. Özgül ağırlık değerleri arasında dikkate alınan hacim değerlerine bağlı olarak Gsa>Gse>Gsb şeklinde bir ilişki bulunmaktadır.

Superpave yöntemi hacimsel BSK tasarımında iki farklı bitümlü sıcak karışım özgül ağırlık değeri kullanılmaktadır. Maksimum teorik özgül ağırlık (Gmm); Standart bir sıcaklıkta, birim hacimdeki asfalt ve agregadan oluşan karışımın (boşluksuz) havadaki ağırlığının, standart sıcaklıkta ve aynı hacimdeki damıtılmış suyun ağırlığına oranıdır. Maksimum teorik özgül ağırlık AASHTO T209 ile belirlenmekte ve asfalt betonu karışımındaki hava boşluğu miktarının ve yapım süresince kaplama sıkıştırması için hedef yoğunluk değerinin

sıkışmış asfalt ve agrega karışımının (boşluklu) birim hacminin standart sıcaklıkta ve aynı hacimdeki damıtılmış suyun ağırlığına oranıdır.

Tasarım yönteminde öncelikle nominal maksimum elek boyutlarına göre gradasyon kontrol noktalarına uygun ve yasaklanmış bölgenin dışında olacak şekilde üç farklı gradasyon seçilmektedir. Seçilen numune karışımlarındaki, kaba ve ince agrega ile fillerin özgül ağırlıkları tespit edilerek, her bir numune agrega karışımının hacim (Gsb) ve zahiri (Gsa) özgül ağırlığı Formül 4.5 'ten yararlanılarak hesaplanmaktadır.

1 2 1 1 1 2 , .... .... N N N P P P Gsb Gsa P P P G G G        (4.5)

P1, P2, PN: Her bir agreganın ağırlıkça yüzdesi,

G1, G2, GN: Her bir agreganın hacim ve zahiri özgül ağırlığı.

Agrega karışımının efektif özgül ağırlığı karışımın efektif özgül ağırlığından faydalanarak belirlenebilmektedir. Fakat tasarım aşamasında öncelikle Formül 4.6 ile yakın bir değer belirlenerek kullanılmaktadır. Bu bağıntıda, su absorbsiyonuna bağlı olarak değişen katsayı değeri 0,8 olarak alınmıştır. Absorbsiyonu yüksek olan agregalarda bu katsayı 0,6 veya 0,5’e kadar azaltılabilir.

Gse = Gsb + 0,8×(Gsa–Gsb) (4.6)

Agrega tarafından absorbe edilecek bitümlü bağlayıcı hacmi (Vba) Formül 4.7 ile hesaplanmaktadır. (1 ) 1 1 Vba ( ) ( ) Ps Va Pb Ps _{Gsb Gse} Gb Gse       (4.7)

Vba: Absorbe edilen asfalt bağlayıcı hacmi (karışıma göre, cm3 /cm3), Pb: Bağlayıcı yüzdesi,

Ps: Agrega yüzdesi,

Gb: Bağlayıcının özgül ağırlığı, Va: Hava boşluğu hacmi.

Her üç deneme karışımının efektif bağlayıcı hacmi (Vbe) ise Formül 4.8 ile belirlenmektedir.

Vbe = 0,176–0,0675×Log(Sn) (4.8) Vbe: Efektif bağlayıcı hacmi (karışıma göre, cm3

/cm3),

Sn: Agrega karışımındaki nominal maksimum elek boyutu (mm).

Başlangıç deneme asfalt bağlayıcı içeriği (Pbi) aşağıdaki bağıntılar ile belirlenmektedir (Formül 4.9 , 4.10). (1 ) W ( ) Ps Va s Pb Ps Gb Gse     (4.9) ( ) 100 ( ( )) Gb Vbe Vba Pbi Gb Vbe Vba Ws        (4.10) Pbi: Karışım ağırlığına göre bağlayıcı yüzdesi,

Ws: Agreganın ağırlığı (gr).

Karışım ağırlığına göre bulunan bağlayıcı yüzdesi (Pbi) yardımıyla, toplam agrega ağırlığına göre alınacak bağlayıcı miktarı (Wb) aşağıdaki Formül 4.11 ile hesaplanmaktadır. Dönel viskozimetre deneyinden elde edilen karıştırma ve sıkıştırma sıcaklıkları bitümlü sıcak karışım numunelerinin hazırlanmasında kullanılmalıdır.

Wb 100 Ws Pbi Pbi    (4.11)

Deneme karışımlarının maksimum teorik özgül ağırlıklarının (Gmm) tespit edilmesi amacıyla her bir deneme karışımı için başlangıç deneme bitüm içeriklerinde en az iki adet olmak üzere toplam 6 adet karışım numunesi hazırlanmaktadır. Karışım, düz ve yayvan bir tepsiye metrekareye 21–22 kg düşecek kalınlıkta yerleştirilmiş ve önceden ısıtılmış 135oC’deki etüve konularak 4 saat boyunca kısa dönem yaşlandırma işlemine maruz bırakılmaktadır. Hazırlanan ve yaşlandırma işleminden sonra soğumaya bırakılan karışım numunelerinin maksimum teorik özgül ağırlıkları (Gmm) AASHTO T209 standardına göre tespit edilmektedir (Formül 4.12).

Gmm=(C-A)/((B-A)-(D-C)) (4.12) A: Piknometre ağırlığı (gr)

B: Piknometre +Su ağırlığı (gr) C: Piknometre +Numune ağırlığı (gr) D: Piknometre +Numune+Su ağırlığı (gr)

Belirlenen Gmm değerlerinden faydalanılarak hesapla agrega karışımın efektif özgül ağırlığı (Gse) değerleri bulunmaktadır (Formül 4.13). Çalışmanın geri kalan kısmında hesapla belirlenen bu Gse değerleri kullanılmaktadır.

Gse (hesap) = ) 100 ( 100 Gb Pbi Gmm Pbi   _(4.13)

Daha sonra deneme karışımlarının sıkıştırılması amacıyla her bir deneme karışımı için iki olmak üzere toplam 6 adet asfalt karışım numunesi hazırlanmaktadır. Karışım, düz ve yayvan bir tepsiye metrekareye 21–22 kg düşecek kalınlıkta yerleştirilmekte ve önceden ısıtılmış 135oC’deki etüve konularak 4 saat boyunca kısa dönem yaşlandırma işlemine tabi tutulmaktadır. Karışım numunelerinin yaşlandırma işleminden sonra sıkıştırma sıcaklığına ulaşması için numuneler 30 dakika etüvde bekletilmektedir. Bu sırada, ilk numunenin sıkıştırılmasından yaklaşık 45–60 dakika önce, sıkıştırma kalıbı, alt ve üst plakalar sıkıştırma sıcaklığına ayarlanmış bir etüve konulmalı ve yoğurmalı pres hazırlanmaktadır. Sıkıştırma enerjisinin bir fonksiyonu olan yoğurma sayısı; uygulanan yoldan geçmesi planlanan eşdeğer standart tek dingil yükü (ETDY) sayısı ve yolun sınıfına bağlı olarak AASHTO TP4 standardına göre Tablo 4.5’te görülmektedir.

Tablo 4.5. Taşıt sayısına göre sıkıştırma parametreleri [93, 94]

Tasarım Trafik (ETDY), milyon

Sıkıştırma Parametreleri

Tipik Karayolu Uygulamaları

Nini Ndes Nmaks

< 0,3 6 50 75 Çok az trafik kapasiteli yollar

0,3–3 7 75 115 Orta trafikli şehir yolları

3–30 8 100 160 Yüksek trafikli şehir yolları ile çift yönlü,

çok şeritli yollar

> 30 9 125 205 Ağır kamyon trafiğine maruz kalan çok

Superpave yönteminde sıkıştırma enerjisi, yoğurma sayısının (Ndes) bir fonksiyonu olarak alınmaktadır. Nini sayısı karışımın sıkışabilirliğini, Nmaks sayısı ise karışımın ulaşabileceği maksimum yoğunluğu tespit etmek için kullanılmaktadır. Deney için sıkıştırma sıcaklığına getirilerek hazırlanan karışımlar kalıba yerleştirilmekte ve sıkıştırma işlemine başlanmaktadır. Sıkıştırma işlemi esnasında, karışımların yoğurma sayılarındaki yükseklikleri ölçülmekte ve istenen yoğurma sayısı (Ndes) tamamlanıncaya kadar numuneler sıkıştırılmaktadır. Sıkışan numuneler zarar görmeden kalıptan çıkartılarak soğumaya bırakılmakta ve bu numunelerin hacim özgül ağırlığı (Gmb(ölçülen)), AASHTO T166 standardına göre aşağıdaki formül ile tespit edilmektedir (Formül 4.14).

Gmb(ölçülen) = A/(B-C) (4.14)

A: Numunenin kuru ağırlığı (gr) B: Doygun yüzey kuru ağırlık (gr) C: Sudaki ağırlık (gr)

Karışımların hava boşluklarının %4 olması tasarım esnasında bütün trafik düzeyleri için istenen bir durumdur. Sıkıştırılmış karışımdaki hava boşluklarının hacimce yüzdesi aşağıdaki Formül 4.15 ile belirlenmektedir.

100 Gmm Gmb

Va

Gmm



  (4.15) Va: Sıkıştırılmış bir karışımda toplam hacmin yüzdesi olarak hava boşlukları,

Gmm: Asfalt karışımın maksimum özgül ağırlığı (hesaplanmış veya deneyle bulunmuş), Gmb: Sıkıştırılmış karışımın hacim özgül ağırlığı.

Mineral agregalar arasındaki boşluklar (VMA); efektif asfalt içeriği ve hava boşlukları içeren sıkıştırılmış bir asfalt karışımında, agrega taneleri arasındaki granüler boşluklar olarak tanımlanmakta ve karışımın toplam hacminin yüzdesi olarak ifade edilmektedir. VMA, agreganın hacim özgül ağırlığına göre hesaplanarak sıkıştırılmış asfalt karışımın hacim özgül ağırlığının yüzdesi olarak ifade edilmektedir. Bu nedenle VMA, sıkıştırılmış asfalt karışımın toplam hacminden, hacim özgül ağırlığınca belirlenmiş agrega hacminin çıkartılması ile hesaplanmaktadır. VMA yüzdesi, karışım ağırlığı ve agrega ağırlığının yüzdesi olarak aşağıdaki gibi hesaplanmaktadır [15]. Toplam karışımın ağırlıkça yüzdesi olarak agrega içeriği göz önünde bulundurularak Formül 4.16 ile, toplam agreganın ağırlıkça yüzdesi olarak

asfalt içeriğinden yola çıkılarak ise Formül 4.17 ile VMA hesaplanmaktadır. Superpave yönteminde, agrega boyutuna bağlı olarak %4 tasarım hava boşluğunda tavsiye edilen minimum VMA değerleri Tablo 4.6’da verilmiştir.

100 Gmb Ps

VMA

Gsb



  (4.16)

VMA: Karışımın toplam hacminin yüzdesi olarak mineral agregadaki boşluklar, Gsb: Agrega karışımının hacim özgül ağırlığı,

Gmb: Sıkıştırılmış karışımın hacim özgül ağırlığı (AASHTO T166) [95] Ps: Toplam karışımın ağırlıkça yüzdesi olarak agrega içeriği.

100 100 100 100 Gmb VMA Gsb Pb      (4.17) Pb: Toplam agreganın ağırlıkça yüzdesi olarak asfalt içeriği.

Tablo 4.6. Superpave VMA gereksinimleri [15]

Nominal Maksimum Agrega Boyutu, mm Minimum VMA, %

9,5 15,0

12,5 14,0

19 13,0

25 12,0

37,5 11,0

Agrega tarafından absorbe edilmiş bitümün dışındaki karışımda bulunan bitüm içeriğini ifade eden bitümle dolu mineral agregadaki boşluk yüzdesi (VFA), aşağıdaki Formül 4.18 ile belirlenmektedir [15]. Superpave yönteminde, trafik düzeyine bağlı olarak %4 tasarım hava boşluğu yüzdesinde kabul edilebilir VFA değer aralığı Tablo 4.7’de verilmiştir.

100 VMA Va

VFA

VMA



  (4.18)

VFA: VMA’nın yüzdesi olarak bitüm ile dolu boşluklar,

VMA: Karışımın toplam hacminin yüzdesi olarak mineral agregadaki boşluklar, Va: Sıkıştırılmış bir karışımda toplam hacmin yüzdesi olarak hava boşlukları.

Tablo 4.7. Superpave VFA gereksinimleri [15]

Tasarım Trafiği (ETDY), milyon Tasarım VFA, %

<0,3 70–80

0,3–3 65–78

3–10 65–75

10–30 65–75

≥30 65–75