Superpave Yoğurmalı Sıkıştırıcısı

Superpave karışım tasarımında kullanılan en önemli araç “Superpave Gratory Compactor” denilen Superpave yoğurmalı sıkıştırıcısı (SGC)’dır. Superpave yoğurmalı sıkıştırıcısı, hacimsel analizler için karışım numuneleri üretmek ve ayrıca numune üretilirken sıkıştırma işlemi süresince veriler kaydederek numunenin yoğunluğunu ölçmek için kullanılmaktadır [22]. Bu amaçla günümüzde birçok yoğurmalı sıkıştırıcı çeşidi üretilmiştir.

Superpave yoğurmalı sıkıştırıcı, SHRP araştırmacıları tarafından sıcak karışımların arazideki sıkışmasını en iyi temsil edecek bir laboratuar 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 [10,22,31,34]. Superpave yoğurmalı sıkıştırıcısı şu bölümlerden oluşmaktadır;

• Reaksiyon çerçevesi, dönen taban ve motor, • Yükleme sistemi, yükleme kolu ve basınç ölçer, • Yükseklik ölçme ve kaydetme sistemi,

• Kalıp ve taban plakası.

SHRP tarafından geliştirilen Superpave yoğurmalı sıkıştırıcının şematik görünüşü ve kalıp konfigürasyonu Şekil 4.45’te gösterilmiştir.

Şekil 4.45. Superpave Yoğurmalı Sıkıştırıcı (a) ve Kalıp Konfigürasyonu (b) [20,22,31,134,155]

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 [20,22,31,34,134]. Dönüş (tur) sayısı arttıkça asfalt karışımın yoğunluk değişimi Şekil 4.46’da görüldüğü gibi olmaktadır.

Şekil 4.46. SGC’de Karışım Sıkıştırma Karakteristikleri [20, 22,31,34,134]

Çeşitli şekillerde imal edilen yoğurmalı sıkıştırıcılar, sabit bir basınç altında ve belirli bir açıda çalıştırıldıklarında, Şekil 4.47’de görüldüğü gibi kalıba bir jirasyon hareketi vererek numuneyi kesme gerilmeleri altında sıkıştırırlar. Şekil 4.48’de, bir yoğurmalı sıkıştırıcının

Şekil 4.47. Numunenin Dönme (a)[156,157,158,159] ve Sıkıştırma Boyunca Kesme (b) Hareketi [52,160]

Şekil 4.48. Bir Yoğurmalı Sıkıştırıcının Şematik Görünüşü [105, 159, 161]

Sıkıştırma esnasında numunede meydana gelen kesme gerilmesi (Sτ), Şekil 4.49’daki gibi oluşur ve (4.36) bağıntısı ile bulunur.

Sτ = (F×d1)/V (4.36) Burada, Sτ (kg/cm2) kesme gerilmesi, F (kg) kalıba açı vermek için gereken kuvvet, d1 (cm) bu kuvvetin eksenel kuvvete mesafesi, V (cm3_{) numunenin hacmidir. Numuneye etki eden basınç} kuvveti (Pb); eksenel kuvvetin (R), numune kesit alanına (Ao) bölümü ile elde edilir [162, 163]. Yoğurma esnasında uygulanan sabit basınç (600 kPa) altında, numunelere etki eden eksenel kuvvet (R) değeri, numune yüzey alanları dikkate alındığında, 150 mm’lik numuneler için yaklaşık 10600±320 N, 100 mm’lik numuneler için 4710±140 N olarak hesaplanmaktadır [156,164].

Brown ve Buchanan tarafından yapılan literatür araştırmaları sonucunda hazırladıkları bir raporda, Superpave yoğurmalı sıkıştırıcısı kullanılarak 100 mm ve 150 mm’lik karışım numunelerinin hazırlanabileceğini, ancak 100 mm’lik numunelerin hazırlanması durumunda nominal maksimum tane boyutu 19 mm’den küçük olan agrega kullanılması gerektiğini, buna karşılık; 150 mm’lik numunelerin 37,5 mm nominal maksimum tane boyutuna kadar olan agrega karışımlarında kullanılabildiğini belirtmişlerdir [165]. Ayrıca, Superpave yoğurmalı sıkıştırıcısı kullanılarak hazırlanan numunelerin yoğunluk tespiti için Colorado’da hazırlanan bir laboratuar deney prosedüründe, her iki numune için 600 kPa basınç uygulanması gerektiği belirtilmiştir [164]. Yıldırım ve arkadaşları, Superpave yoğurmalı sıkıştırıcısını kullanarak, 100 mm ve 150 mm’lik karışım numunelerini sıkıştırmış ve yoğunluk değerlerini karşılaştırmışlardır. Deney sonucunda, sıkıştırılan 150 mm’lik numunelerin hacim özgül ağırlık değeri 2,347; 100 mm’lik numunelerin ise 2,336 bulunmuştur. Sonuç olarak, bu küçük farkın yaklaşık %0,4 hava boşluğu ve %0,2 asfalt içeriğinde değişim gösterdiği, dolayısıyla bu farkın önemli olmadığı ve 100 mm’lik numunelerin Superpave karışım dizaynında kullanılabileceğini belirtmişlerdir [166]. Ayrıca Czor ve arkadaşları, Superpave yoğurmalı sıkıştırıcısını kullanarak 100 mm’lik numuneler hazırlamış ve sonuçlarını 150 mm’lik numunelerle karşılaştırmışlardır. Sonuç olarak, mühendislik bakımından iki numunenin sonuçları arasında önemli bir fark olmadığı ve maksimum tane boyutu 25,4 mm veya daha küçük boyutlu agrega karışımlarının hazırlanmasında 100 mm’lik kalıpların kullanılabileceği belirtilmiştir. İlave olarak, dört kat daha küçük olan 100 mm’lik numunelerin hazırlanmasının, zaman, malzeme, işçilik ve ulaşım kolaylığı sağlayacağı ve ayrıca yüzey karışımlarında genellikle 25,4 mm’den küçük boyutlu agrega kullanılması sebebiyle 150 mm’lik numunelerin hazırlanmasına gerek olmadığı belirtilmiştir [167].

Mevcut karışım dizayn yöntemlerinde olduğu gibi, Superpave sisteminde de asfalt karışımlar belirli bir sıkıştırma enerjisi ile sıkıştırılmaktadır. Superpave sisteminde bu sıkıştırma enerjisi yoğurma sayısının (Ndes) bir fonksiyonu olarak alınmaktadır. Kompaktörün dönüş veya yoğurma sayısına bağlı olarak sıkıştırma enerjisinin seviyesi Tablo 4.18’de verilmiştir. Dönüş

sayısı veya sıkıştırma enerji seviyesi, dizayn trafik yüküne ve ortalama dizayn yüksek hava sıcaklığına bağlı olarak Ndes değeri olarak alınmaktadır. Ortalama dizayn yüksek sıcaklığı olarak, kaplamanın yapılacağı bölgenin iklimini temsil eden ortalama 7 günlük en yüksek hava sıcaklığı (%50 güvenirlikteki sıcaklık) esas alınır ve Superpave yazılımı tarafından belirlenir. Trafik ise dizayn eşdeğer trafik yükleme sayısı ile temsil edilir [20,22,31].

Tablo 4.18. Superpave Yoğurmalı Sıkıştırma Enerjisi [20,22, 31,168]

Dizayn Trafik (ETDY),

milyon

Ortalama Dizayn Yüksek Hava Sıcaklığı

<39 39–40 41–42 43–44 Nini Ndes Nmaks Nini Ndes Nmaks Nini Ndes Nmaks Nini Ndes Nmaks

<0,3 7 68 104 7 74 114 7 78 121 7 82 127 0,3–1 7 76 117 7 83 129 7 83 129 8 93 146 1–3 7 86 134 8 95 150 8 95 150 8 105 167 3–10 8 96 152 8 106 169 8 106 169 9 119 192 10–30 8 109 174 9 121 195 9 121 195 9 135 220 30–100 9 126 204 9 139 228 9 139 228 10 153 253 >100 9 143 235 10 158 262 10 158 262 10 172 288

Superpave yoğurmalı sıkıştırıcı ile sıkıştırılmış karışımların analizi, üç sıkıştırma düzeyindeki (Nini, Ndes, Nmaks) teorik maksimum özgül ağırlığın (Gmm) yüzdesi esas alınarak yapılmaktadır. Bu sıkıştırma düzeyleri aşağıdaki gibi ifade edilmektedir.

• Nini; başlangıç yoğurma sayısıdır ve yapım sırasında karışımın sıkışabilirliğini ölçmek için kullanılmaktadır. Bu aşamada çok çabuk sıkışan karışımlar, yapım sırasında yumuşak ve trafik altında dengesiz olabilir. Bu sebeple karışım, başlangıç yoğurma sayısında en az % 11 hava boşluğu yüzdesine sahip olmalıdır.

• Ndes; dizayn yoğurma sayısıdır ve belirlenen trafik yüklerinin etkisiyle kaplamada oluşacağı düşünülen yoğunluğun aynısını elde etmek için numune üretiminde esas alınmaktadır. Karışım tasarımında, bu yoğurma sayısı için arzu edilen hava boşluğu yüzdesi % 4’dür.

• Nmaks; maksimum yoğurma sayısıdır ve arazide bu değeri hiç geçmeyecek bir laboratuar yoğunluğu elde etmek için kullanılmaktadır. Bu yoğurma sayısındaki hava boşluğu yüzdesi çok düşük ise kaplama karışımı trafik yükleri altında çok fazla sıkışabilir ve tekerlek izi oluşumu aşırı olarak artış gösterir. Bu sebeple maksimum yoğurma sayısındaki hava boşluğu yüzdesi en az %2 olmalıdır [10,34].

Başlangıç ve maksimum yoğurma sayıları ile dizayn yoğurma sayısı arasında aşağıdaki gibi ilişkiler mevcuttur [10,20,22,35,127].

Log Nmaks = 1,10xLog Ndes (4.37) Log Nini = 0,45xLog Ndes (4.38)

Yukarıda ifade edilen sıkıştırma düzeylerine bağlı olarak Superpave yoğunluk gereksinimleri Tablo 4.19’da verilmiştir.

Tablo 4.19. Superpave Sıkıştırma Kriterleri [10,149,151]

Dizayn Trafik (ETDY), milyon Gerekli Yoğunluk (%Gmm)

Nini Ndes Nmaks

<0,3 ≤91,5 96,0 ≤98,0 0,3–3 ≤90,5 3–10 ≤89,0 10–30 >30