Bitümlü sıcak karışımların deformasyon direncinin üç eksenli kayma mukavemeti deneyi ile incelenmesi
Investigation of deformation resistance of hot-mixed asphalt mixtures by triaxial shear strength test
Yazar: ALTAN ÇETİN
Danışman: PROF. DR. EMİNE AĞAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Kalıcı deformasyon = Permanent deformation ; Kohezyon = Cohesion

Özet:
Analitik tasarımda, yapının analizi için gerekli olan gerilme-şekil değiştirme davranışının belirlenmesinde kaplama tabakalarında kullanılan malzemelerin gerçek mekanik özelliklerine gereksinim duyulmaktadır. Fakat halen yaygın olarak kullanılan Marshall gibi ampirik tasarım yöntemleri gerçek malzeme özelliklerini yansıtmamaktadır. Bunun yanında, Strategic Highway Research Programının (SHRP) son aşaması olan Superior Performing Asphalt Pavements (Superpave) yöntemi karmaşık ve pahalı deney cihazları gerektirmektedir. Dolayısıyla günümüzde ekonomik ve daha basit temel deney yöntemleri araştırılmaktadır.Üç eksenli kayma mukavemeti (ÜKM) deneyi, özellikle zemin mekaniğinde kohezyonlu ve granüler malzemelerin eksenel yükleme altındaki kayma direnci ve gerilme-şekil değiştirme özelliklerinin belirlenmesinde halen yaygın şekilde kullanılmaktadır. 1950'li yılların başlarında, ÜKM deneyinin asfalt kaplama tasarımında kullanımı araştırılmış ve kohezyon-içsel sürtünme açısı(c- ) kavramlarını içeren yöntemler önerilmiştir. Fakat ampirik deneylere göre karmaşık olan ÜKM deneyinin uzun zaman gerektirmesi ve deney sonuçlarının arazideki kaplama karışım davranışı ile ilişkilendirilmesindeki zorluklara bağlı olarak bu alandaki çalışmalar sürdürülmemiştir.Kalıcı deformasyon, bitümün viskoz hale geçmesi sebebi ile agrega tanelerinin birbiri üzerinden yavaşça kayması ile oluşmaktadır. Bu olayın kavramsal açıklaması basit görünmesine karşın niceliksel analizi oldukça zordur. Asfalt kaplamalarda temel bir bozulma tipi olan kalıcı deformasyonların tahminine yönelik farklı deney yöntemleri kullanılmaktadır. Kalıcı deformasyonun niceliksel analizinde ÜKM deneyinin, agrega ve bitümlü bağlayıcının deformasyon direncine etkilerini gerçekçi olarak yansıtacağı düşünülmüştür. Bitümlü Sıcak Karışımların (BSK) deformasyona karşı gösterdiği direncin bir ölçütü olarak kayma gerilmesi parametresinin kullanılması amaçlanmıştır.Bu amaç doğrultusunda gerçekleştirilen çalışma yedi bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde çalışmanın kapsamı ve amacı vurgulanırken, ikinci bölümde BSK tasarım yöntemleri sunulmuştur. BSK deformasyon davranışı ve deformasyon direncini etkileyen faktörler üçüncü bölümde ayrıntılı olarak tarif edilmektedir. Dördüncü bölümde ise, ÜKM deneyinin BSK tasarımında kullanımı araştırılmıştır. Beşinci, altıncı ve yedinci bölümlerde verilen deneysel çalışmalar ve sonuçlar aşağıda özetlenmiştir.Bu çalışmada, bitümlü sıcak karışımların deformasyon direnci üç eksenli kayma mukavemeti deneyi ile incelenmiştir. Agrega tane dağılımı, bitüm yüzdesi, bitümlü bağlayıcı kıvamı ve sıcaklığın deformasyon direncine etkileri araştırılmıştır. Bu amaçla, üç farklı karışım tipi ve üç farklı bitümlü bağlayıcı ve bir adet modifiye bitüm kullanılmıştır. Seçilen karışım tipleri için Marshall tasarımları yapılmıştır. Çift taraflı statik sıkıştırma yöntemi kullanılarak hazırlanan numuneler üzerinde ÜKM ve tek eksenli tekrarlı sünme deneyleri gerçekleştirilmiştir. Marshall tasarımı, üç eksenli kayma mukavemeti deneyi ve tek eksenli tekrarlı sünme deneyleri için sırasıyla 132, 236 ve 135 adet numune test edilmiştir. İlk olarak ASTM D 1074'de tanımlanan çift taraflı statik sıkıştırma düzeneği kullanılarak, Aşınma Tip?1 ve Taş Mastik Asfalt-TMA (Stone Mastic Asphalt-SMA) karışımlar için sıkıştırma enerjisinin belirlenmesi amacıyla bir ön çalışma gerçekleştirilmiştir. Marshall tokmağı ve statik sıkıştırma yöntemleri ile hazırlanan karışımların Marshall yöntemi kullanılarak optimum bitüm yüzdeleri belirlenmiştir.Deneysel çalışma iki bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, agrega tane dağılımı ve bitümlü bağlayıcı yüzdesinin kalıcı deformasyon direnci üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Bu amaçla bitümlü karışımlar (Aşınma Tip?1, TMA Tip?1 ve TMA Tip?2) için en az üç farklı bitüm yüzdesinde İzmit B 50?70 bitümlü bağlayıcı kullanılmıştır. Üç eksenli kayma mukavemeti ve tek eksenli tekrarlı sünme deneyleri 40 oC, 50 oC ve 60 oC'de yürütülmüştür. İkinci bölümde ise, bitümlü bağlayıcının yumuşama noktası ve penetrasyon indeksi gibi başlıca reolojik özelliklerinin karışımın kalıcı deformasyon direncine etkileri belirlenmiştir. Bu bölümdeki numunelerin hazırlanmasında üç farklı bitümlü bağlayıcı (İzmit B 50?70, Kırıkkale B 50-70 ve Aliağa B 70-100) ve tek tip polimer modifiye bitüm kullanılmıştır. Optimum bitüm yüzdesinde hazırlanan numuneler üzerine 40 oC, 50 oC ve 60 oC'de üç eksenli kayma mukavemeti ve tek eksenli tekrarlı sünme deneyleri uygulanmıştır.Deney sonuçlarına göre, Aşınma Tip?1 ve TMA karışımlar için 40 oC'de test edilen numunelerin deviatör gerilme değerleri karşılaştırıldığında aradaki fark 50 ve 60 oC'lerde test edilen numunelere göre oldukça yüksektir. Ayrıca, 50 oC ve 60 oC'de Aşınma Tip?1'in gerilme-şekil değiştirme eğrilerinin TMA karışımların gerilme-şekil değiştirme eğrilerinin altına düştüğü kaydedilmiştir. Bu sonuçlar, kesikli tane dağılımına sahip karışımların (TMA) yüksek sıcaklıklardaki deformasyon direncinin sürekli tane dağılımına sahip karışımlardan daha iyi olduğunu ortaya koymaktadır. Üç eksenli kayma mukavemeti deney sonuçları, bitümlü bağlayıcıların yumuşama noktası ve penetrasyon indeks değerleri büyüdükçe deformasyon direncinin de arttırdığını göstermiştir. Ancak kullanılan bitümlü bağlayıcının, yumuşama noktası değerinin aşıldığı deney sıcaklıklarında, deformasyon direncine katkısının oldukça azaldığı belirlenmiştir. TMA karışımların deformasyon direncinin bitümlü bağlayıcının davranışından daha az etkilendiği görülmektedir. 50 oC ve 60 oC'deki tek eksenli tekrarlı sünme deneyi sonuçları, TMA karışımların Aşınma Tip?1 karışımlara göre daha daha büyük şekil değiştirmelere uğradığını göstermiştir. Bu sonuçlar ÜKM deney sonuçları ile uyum göstermemektedir. Numuneye yanal basınç uygulanamayan tek eksenli tekrarlı sünme deneyinde agrega tane dağılımının kalıcı deformasyon direnci olan olumlu etkisi gözlenememiştir.Yukarıda bahsedilen parametrelerin kalıcı deformasyon direncine etkilerini gösteren gerilme-şekil değiştirme eğrilerinden daha gerçekçi sonuçlar elde edilmiştir. Çalışmada, Mohr-Coulomb kırılma teorisi kullanılarak karışımların kohezyon ve içsel sürtünme açıları (c- ) belirlenmiş ve oktahedral kayma gerilmeleri ( okt) hesaplanmıştır. Oktahedral kayma gerilmesi ve toplam kalıcı şekil deformasyon değerleri arasında iyi derecede bir korelasyonun varlığı belirlenmiştir. Sonuç olarak, oktehedral kayma gerilmesi, yükleme tekrar sayısı ve sıcaklığı içeren kalıcı deformasyon tahmin modelleri geliştirilmiştir.

Abstract:
In the analytical design, the fundamental properties of materials of pavement layers are required to determine stress-strain behavior of the structure. However, well known emprical design methods such as Marshall and Hveem do not reflect the material properties. On the other hand, Superior Performing Asphalt Pavements (Superpave) which is the cutting edge method in Strategic Highway Research Program (SHRP) requires complicated and expensive equipment. Therefore, economical and less complicated methods are investigated.Triaxial shear strength test is widely used in soil mechanics in order to determine the shear resistance and stress deformation behavior of cohesive and granular materials under axial loading. During 1950?s the use of triaxial shear strength test on asphalt pavement designs was investigated and methods based on cohesion-internal friction angle was proposed. However, research in this direction subsequently was discontinued due probably to the complexity of the triaxial shear strength test which are time consuming and the difficulties in relating the test results to field behavior of paving mixtures.Permanent deformation, a basic damage type in asphalt pavements, occurs due to the slipping of aggregate particles on each other as a result of viscous state of bitumen. Although the conceptual explanation is simple, analysis in terms of property is highly difficult. Various experimental methods have been conducted in the prediction of permanent deformations. Hence, it is concerned that triaxial shear strength tests reasonably reveals the effects of aggregate and bitumen on deformation resistance in the property analysis of permanent deformation. Consequently, it is aimed to use the shear stress parameter as a measure of deformation resistance of hot- mix asphalt.The study was performed by considering of the purpose is consist of seven parts. In the fist chapter, aim and scope of the study was emphasized. Hot-mixed asphalt mixtures design methods presented in the second chapter. In the third chapter, deformation behavior hot-mixed asphalt mixtures and affecting factors on deformation resistance were described in detail. The use of triaxial shear strength test on hot-mixed asphalt design were investigated, in the forth chapter. Experimental study and results in chapter 5, 6 and 7 was summarized as follow.In this study the deformation resistances of hot-mixed asphalt mixtures were investigated by the means of triaxial shear strength test. Effects of grading, bitumen content, consistency of bitumen and the temperature on the deformation resistance were examined. For this purpose, three different mixtures and three type of bitumen and one type of modified bitumen were selected. Marshall Mix Design was carried out on tree different mixtures. Triaxial shear strength and uniaxial repeated load tests (creep test) were conducted on the specimens prepared by double-plunger static compression method. In total, 132, 236 and 135 specimens were tested for Marshall Mix Design, triaxial shear strength test and uniaxial repeated load test, respectively. Firstly, a preliminary study carried out the compaction energy for Wearing Course Type?I and Stone Mastic Asphalt (SMA) by using double-plunger compaction equipment as detailed in ASTM D 1074. Later, optimum bitumen contents of mixes prepared utilizing both static and Marshall Compactor were determined by Marshall Mix Design method.The experimental study had two parts. The effect of mixture gradation and the bitumen content on the permanent deformation resistance were examined in the first part. For this purpose, İzmir B 50?70 bitumen were used in three different contents for bituminous mixtures (Course Type?I and SMA Type?I and SMA Type?II). Triaxial shear strength test and uniaxial repeated load tests were conducted at the three different temperatures (40oC, 50oC, 60oC). The effects of some rheological properties of mixtures namely softening point and penetration index on the permanent deformation resistance were determined in the second part. To investigation permanent resistance deformation three different bitumen (İzmit B 50?70, Kırıkkale B 50?70, İzmir B 70?100) and one type of polymer modified bitumen were used to prepare specimens. Triaxial shear strength test and uniaxial repeated load tests were performed on the specimens prepared by optimum bitumen content at the temperatures of 40, 50, 60 oC.According to the results, compared to deviator stress values between Wearing Course Type?I and SMA mixtures for specimens tested at 40oC, the discrepancy were relating high than the specimens tested at 50oC and 60oC. Moreover, the deformation resistance of Wearing Course Type?I was reduced more than that of SMA mixtures at 50 and 60oC. It should also be noted that the stress-strain curves related to Wearing Course Type?I were located under those related SMA mixtures. The results revealed that gap grading (SMA) is superior to continuous grading in terms of deformation resistant. Results of the triaxial shear strength tests have showed that deformation resistance increases also by the penetration index and the softening point of bitumen. However, it has been determined that the effect of the softening point of bitumen is extremely small in exceeding testing temperatures and the deformation resistance of SMA mixtures is slightly affected by the behavior of bitumen. Uniaxial repeated load test results showed that TMA mixtures deformed more than Wearing Course Type?I mixtures at 50oC and 60oC. The result was not in accord with triaxial shear strength test results. Therefore, positive effect of gradation on permanent deformation resistance was not observed in uniaxial repeated load test which has not confinement pressure.More realistic results were obtained from stress-deformation curves showing the effects of above parameters on the deformation resistance. In the study, the cohesion and internal friction angels of mixtures were determined by Mohr-Coulomb failure theory and the octahedral shear stresses were calculated. A significant correlation was found between the octahedral shear stresses and total permanent deformation values. In conclusion, statistical models including octahedral shear stress, number of repetition and temperature were developed to estimated permanent deformations.