Bitümlü kaplamaların termal davranışlarının performans testleri ile incelenmesi
Investigation of thermal behaviour of asphalt mixtures with performance tests
Yazar: YÜKSEL TAŞDEMİR
Danışman: PROF. DR. EMİNE AĞAR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2003
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
BİTÜMLÜ KAPLAMALARIN TERMAL DAVRANIŞLARININ PERFORMANS TESTLERİ İLE İNCELENMESİ ÖZET Bitümlü kaplamaların performansı ile ilgili olan termal çatlaklar ve tekerlek izi oluşumu, diğer ülkelerde olduğu gibi ülkemizde de büyük bir sorundur. Her iki bozulma türünde de, sıcaklık değişimi önemli rol oynamaktadır. Üzerinde yarım yüzyılı aşkın bir süredir araştırmalar yapılan ve hala çözülemeyen bir sorun olan termal çatlaklar, iki farklı şekilde oluşmaktadır. Kaplamalarda sıcaklık değişimi tekrarlanması nedeniyle oluşan çatlaklar termal yorulma çatlakları, aşın soğuk nedeniyle aniden oluşan çatlaklar ise düşük sıcaklık çatlakları olarak adlandırılmaktadır. Bu çalışmada, düşük sıcaklık çatlakları incelenmiş olup, daha az önemli bir bozulma türü olarak değerlendirilen termal yorulma çatlakları, çalışmanın kapsamı dışında bırakılmıştır. Bitümlü kaplama, soğuk hava koşullarında büzülmeye çalışmaktadır. Bitümlü kaplama ile altodaki tabaka arasındaki ara yüzeyde oluşan sürtünme, bitümlü kaplamanın büzülmesini engellemeye çalışmakta ve bunun sonunda bitümlü kaplamada çekme gerilmeleri oluşmaktadır. Kaplama içerisinde termal nedenlerle ortaya çıkan çekme gerilmesi, bitümlü karışımın çekme dayanımına ulaştığında, kaplamada çatlaklar ortaya çıkmaktadır. Çatlamanın oluştuğu sıcaklık, bitümlü kaplamanın kırılma sıcaklığı olarak ifade edilmektedir. Bitümlü kaplamalarda, düşük sıcaklık çatlaklarını etkileyen faktörler; kaplamanın yaşlanması, malzeme, çevresel etkiler ve üstyapı faktörleri olarak sıralanabilir. Adı geçen faktörlerin etki derecelerini belirlemek üzere çeşitli testler geliştirilmiştir. Bu testler arasında yalnızca sınırlandırılmış numunede termal gerilme testi (Thermal Stress Restrained Specimen Test - TSRST) cihazı, arazideki koşullan temsil etmekte Ve düşük sıcaklık nedeniyle ortaya çıkan çekme gerilmelerini belirleyebilmektedir. TSRST cihazı, belirlenen bir soğuma hızıyla soğuma sırasında, test edilecek numunenin sabit boyda kalmasını sağlamaktadır. Soğuma nedeniyle numune büzülmeye çalışmakta, boyu sabit tutulduğu için büzülememekte, bu nedenle numune içerisinde çekme gerilmeleri oluşmaktadır. TSRST cihazında, numune içindeki gerilmelerin artmasını sağlayan, test sırasında sürekli olarak numunenin boyunu düzelten bir sistem bulunmaktadır. İşlemler, bilgisayar programı tarafından kontrol edilmektedir. TSRST testinde, termal nedenlerle oluşan gerilme, sıcaklık düştükçe, numune kırılıncaya kadar yavaş yavaş artmaktadır. Kırılma noktasında, gerilme değeri maksimuma ulaşmaktadır. Kırılmanın oluştuğu sıcaklığa kırılma sıcaklığı, gerilmeye de kırılma dayanımı denilmektedir. Bu çalışmada, düşük sıcaklık çatlaklarının yanısıra tekerlek izi oluşumu da incelenmiştir. Tekerlek izi, yol yapısında ortaya çıkan kalıcı deformasyonların birikiminden oluşmakta olup, özellikle, kavşak kesimlerinde ve otobüs duraklarında yoğunlaşmaktadır. Yüzeysel, yapısal ve akma tekerlek izleri olmak üzere üç farklı xvuşekilde ortaya çıkmaktadır. Yüzeysel tekerlek izi yoldaki aşınma, yapısal tekerlek izi ise kaplama altındaki tabakaların zayıflığı nedeniyle oluşmaktadır. Akma tekerlek izi, kaplama tabakasının yanal yer değiştirmesi şeklinde tekerlek yörüngesinde oluşmakta ve yapısal nedenlerden çok karışımın tasarımıyla ilgili olmaktadır. Bu nedenle, deneysel çalışma kapsamına yalnızca akma tekerlek izi alınmıştır. Deneysel çalışmada, nominal maksimum agrega boyutu 19 mm olan agrega kullanılan bitümlü karışımın tasarımında Marshall yöntemi kullanılmış, optimum bitümlü bağlayıcı oranının %5,0 olduğu saptanmıştır. Ayrıca, bitümlü bağlayıcı oram değişiminin etkisini ortaya koymak için, Marshall tasarımında bulunan optimum bitümlü bağlayıcı oranının yanısıra, Iowa Ulaştırma Bölümü (Iowa Department of Transportation - IDOT) tarafından hazırlanan şartnamedeki minimum ve maksimum bitümlü bağlayıcı film kalınlıkları esas alınarak, iki ayrı bitümlü bağlayıcı oram daha hesaplama yoluyla saptanmıştır. IDOT şartnamesinde yer alan minimum bitümlü bağlayıcı film kalınlığı 8 p, maksimum bitümlü bağlayıcı film kalınlığı 13 ja'dur. 8 u. ile minimum VMA koşulu sağlanamadığı için, minimum VMA koşulunu sağlayan minimum bitümlü bağlayıcı film kalınlığı 9,1 ja alınmış ve bitümlü bağlayıcı oram %4,2 olarak hesaplanmıştır. Maksimum bitümlü bağlayıcı film kalınlığı (13 u) için bitümlü bağlayıcı oram %5,6 olarak belirlenmiştir. Bitümlü bağlayıcı film kalınlıkları saptanırken minimum VMA şartı kontrol edilmiştir. VMA'nın hesaplanması sırasında hava boşluk oram %4 olarak hedeflenmiştir. Nominal maksimum agrega boyutu 9,5 mm olan agrega gradasyonu kullanılan bitümlü karışım için tasarım yapılmamış, aynı agrega gradasyonuna sahip daha önceki çalışmalardaki karışımlarda kullanılan bitümlü bağlayıcı oram (%5,8) seçilmiştir. Bitümlü karışımların, düşük sıcaklık çatlaklarına direncini ölçmek için TSRST cihazı, tekerlek izi oluşumuna direncini belirlemek için ise Fransız tekerlek izi cihazı kullanılmıştır. Bitümlü karışımın kırılma sıcaklığım etkileyen faktörleri ayrıntılı olarak inceleyebilmek amacıyla, TSRST deneyleri için dört grup test numunesi hazırlanmıştır. îlk üç grupta nominal maksimum agrega boyutu 19 mm, dördüncü grupta ise nominal maksimum agrega boyutu 9,5 mm olan agrega gradasyonu kullanılmıştır. Birinci grupta; iki farklı bitümlü bağlayıcı oram (%5,0 ve %5,6), üçü katkılı (selülozik fiberli, fabrikada modifiye edilmiş bitümlü bağlayıcılı ye sentetik fiberli) ve biri katkısız olmak üzere dört tip bitümlü karışım ve üç farklı yaşlandırma süresi (0 gün, 5 gün ve 25 gün) seçilmiştir. Hava boşluğu oram, %4 olarak hedeflenmiştir. Bu grupta, 73 TSRST numunesi hazırlanarak test edilmiştir. İkinci grupta; iki farklı bitümlü bağlayıcı oram (%5,0 ve %5,6), iki ayrı hava boşluğu oranı (%4 ve %8), biri katkılı (selülozik fiberli), diğeri katkısız olmak üzere iki tip bitümlü karışım ve üç farklı yaşlandırma süresi (0 gün, 5 gün ve 25 gün) kullanılmıştır. İkinci grupta, 71 TSRST numunesi üzerinde test yapılmıştır. Üçüncü gruptaki numuneler, trafiğin kaplamanın kırılma sıcaklığı üzerindeki etkisini incelemek amacıyla tekerlek izi testi uygulanan kirişlerden kesilerek elde edilmiştir. Bu grupta iki farklı bitümlü bağlayıcı oram (%4,2 ve %5,6), biri katkısız ve ikisi katkılı (selülozik fiberli ve fabrikada modifiye edilmiş bitümlü bağlayıcılı) olmak üzere üç tip bitümlü karışım hazırlanmıştır. Üçüncü grupta, 41 TSRST numunesi üzerinde test yapılmıştır. xvmDördüncü grup test numuneleri, Superpave yoğurmalı presi ve Kaliforniya yoğurmalı presi ile hazırlanmış ve bu suretle sıkıştırma cihazının etkisi incelenmiştir. Ayrıca Kaliforniya yoğurmalı presi ile standart boyutlarda ve farklı boyutlarda numuneler hazırlanarak, numune boyutunun kırılma sıcaklığı üzerindeki etkisi irdelenmiştir. Bu grupta, testler katkısız bitümlü karışım üzerinde yapılmıştır. Dördüncü grupta, 6 TSRST numunesi üzerinde test yapılmıştır. Bunların yanısıra, akma tekerlek izi oluşumuna, bitümlü bağlayıcı oranının ve katkı türünün etkilerini araştırmak amacıyla; iki farklı bitümlü bağlayıcı oranında (%4,2 ve %5,6), biri katkısız ve ikisi katkılı (selülozik fiberli ve fabrikada modifiye edilmiş bitümlü bağlayıcılı) bitümlü karışım hazırlanmıştır. Karışımlarda, nominal maksimum agrega boyutu 19 mm olan agrega gradasyonu kullanılmış, 12 kiriş üzerinde tekerlek izi testi yapılmıştır. Birinci ve ikinci TSRST deney gruplarının sonuçlan üzerinde, İstatistiksel Analiz Sistemi (Statistical Analysis System - SAS) paket programı yardımıyla, genel lineer model (General Linear Model - GLM) işlemleri kullanılarak kovaryans analizi yapılmıştır. Kovaryans analiziyle faktörlerin etki durumu belirlenmiş, kırılma sıcaklıkları ve kırılma dayanımları için modeller kurulmuştur. Ayrıca, çoklu karşılaştırma testlerinden Duncan çoklu aralık testi uygulanmıştır. Yaşlandırma süresinin ve katkı türünün, karışımın kırılma sıcaklığına ve kırılma dayanımına etkiyen en önemli faktörler olduğu saptanmıştır. Yaşlanma süresi arttıkça; karışımın kırılma sıcaklığı yükselmekte, kırılma dayanımı düşmektedir. Kullanılan katkı veya modifiyer türüne göre, karışımların kırılma sıcaklıklarında ve kırılma dayanımlarında değişim gözlenmiştir. Hava boşluğu oranının, büyük değişimlere sahip olduğunda (%3,35'den %7,13'e yükseltildiğinde) kırılma sıcaklığı üzerinde, etkili olduğu belirlenmiştir. Hava boşluğu oram arttıkça, kırılma sıcaklığı 1 °C ~2 °C düşmektedir. Bu değerler, TSRST deneyinin tekrarlanabilme aralığının içerisinde olduğu için ihmal edilebilir düzeydedir. Karışımın kırılma dayanımı ise, hava boşluğu oram arttıkça, azalmaktadır. Bitümlü bağlayıcı oranının, karışımın kırılma sıcaklığı ve kırılma dayanımı üzerinde etkili olmadığı tespit edilmiştir. Tekerlek izi testleri sonucunda, bitümlü bağlayıcı oranındaki artışın, tekerlek izi oluşumunu arttırdığı saptanmıştır. Bitümlü bağlayıcı oranının yüksek olması durumunda, katkı kullanılan karışımlarda bile, tekerlek izi derinliğinin arttığı gözlenmiştir. xıx

Abstract:
INVESTIGATION OF THERMAL BEHAVIOUR OF ASPHALT MIXTURES WITH PERFORMANCE TESTS SUMMARY Thermal cracking and rutting, which are related with performance of asphalt concrete (AC) pavements are'problem in our country, as other countries. Temperature variation plays an important role on both types of distresses. Thermal cracking on which research have been carried out for more than half century and hasn't solved yet is occurred with two different types. Despite of the fact that cracking which arises due to daily temperature cycles is called thermal fatigue cracking, cracking occurring due to extreme cold temperature is called low temperature cracking. The aim of this study is to investigate the importance of low temperature cracking as a significant type of distress in AC pavements. As the temperature drops, AC pavement are contracted. The friction between the pavement and the base course layer resists the contraction as a result, tensile stresses is developed in AC pavement. If the tensile stress equals the strength of the AC pavement at that temperature, low temperature cracking occurs. This temperature is called fracture temperature of AC pavement. Factors that influence low temperature cracking in AC pavements may be broadly categorized as aging of pavement, material, environmental effects and pavement structure factors. A number of test methods have been developed to evaluate the importance of the above factors. The thermal stress restrained specimen test (TSRST) is the only method among the tests that actually simulated the field condition for âsphalt mixtures. TSRST maintains the test specimen at a constant length during the chosen cooling rate. The specimen tends to shrinkage because of cooling. There is a system that causes stresses to increase and arrange the specimen length in the TSRST. This process is controlled by a computer program. The thermally induced stress gradually increases as the temperature is decreased until the specimen fractures. At the break point, the stress reaches a maximum value, which is referred to the fracture strength, with a corresponding fracture temperature. In this experimental study, rutting of AC pavements were also investigated along with low temperature cracking. Rutting is the accumulation of permanent deformation occurred in pavement layers. This type of deteriation is usually emerged at intersections and bus stops. There are three types of rutting namely, surface wear rutting, structural rutting and plastic flow. Surface wear rutting takes place because of the surface abrasion. Structural rutting, it results from insufficient structural capacity of a pavement system. Plastic flow occurs if the hot mix asphalt has insufficient stability. Plastic flow appears as longitudinal ruts in the pavement with humps of material on either side of the rut. It is related with mix design more than structural problems. Therefore only plastic flow was investigated in this study. xxMarshall method was used for design of AC mixture that had 19 mm nominal maximum aggregate size and the optimal asphalt content was found as 5,0%. To determine effect of asphalt content variation, as well as optimal asphalt content which was found from Marshall design, maximum and minimum asphalt film thickness were chosen based on the Iowa Department of Transportation (IDOT) specification so maximum and minimum asphalt contents were calculated. In the IDOT specification, the minimum asphalt film thickness is 8 u, the maximum asphalt film thickness is 13 u.. Minimum voids in mineral aggregate (VMA) was not obtained with 8 u. film thickness, therefore, 9,1 u. was chosen and minimum asphalt content was determined as 4,2%. Asphalt content was found as 5,6% for maximum film thickness (13 u,). VMA was controlled, when the film thicknesses were chosen. Target air void was taken 4% during the calculation of VMA. Mix design was not carried out for mixture that had 9,5 mm nominal maximum aggregate size, "asphalt content was chosen as 5,8% based on previous study which used same aggregate gradation. The thermal stress restrained specimen test (TSRST) and the French rutting tester were used to investigate the low temperature cracking and rutting resistance of the AC mixtures respectively. Four groups of specimens were prepared to evaluate the effect of factors on the low temperature cracking properties of AC mixtures. Where as the gradation that had 19 mm nominal maximum aggregate size Was employed in the first three groups, the gradation, which had 9,5 mm nominal maximum aggregate size was used in the fourth group. In the first group; two asphalt contents (5,0% and %5,6), four types of AC mixtures (unmodified, with cellulose fiber, with preblended modified binder and with synthetic fiber) and three aging levels (0 day, 5 day and 25 day) were assigned. The target air voids content was chosen as 4%. In this group, 73 TSRST specimens were tested. In the second group; two asphalt contents (5,0% and %5,6), two types of AC mixtures (unmodified and with synthetic fiber), three aging levels (0 day, 5 day and 25 day) and two air voids contents (4% and 8%) were considered. In this group, 71 TSRST specimens were tested. In the third group, effect of traffic on low temperature cracking was investigated. After the rutting test, two TSRST specimens, 50 mm square, 250 mm in length were sawn from each beam. In this group; two asphalt contents (4,2% and 5,6%) and three types of AC mixtures (unmodified, with cellulose fiber and with preblended modified binder) were employed. In the fourth group, Superpave gyratory compactor and California kneading compactor were used to evaluate compaction techniques. In addition, specimens that have standard and different dimensions were produced with California kneading compactor to investigate the effect of specimen dimensions on fracture. In this group, 6 specimens that were produced with unmodified asphalt were tested. In addition, in order to investigate effects of modifier and the asphalt contents on rutting, three types of AC mixtures (unmodified, with cellulose fiber and with preblended modified binder) that contain two asphalt contents (4,2% and 5,6%) were prepared. The gradation, which had 19 mm nominal maximum aggregate size was used in the mixtures. xxiThe analysis of covariance was performed using a general linear model (GLM) procedure on the first and second TSRST test group's results using Statistical Analysis System (SAS). Models were established for fracture temperature and fracture strength after covariance analysis. Furthermore, Duncan's multiple range tests which is one of the multiple comparison tests was applied. Aging levels and type of modifier were deterrnined as a most important factors that affect fracture temperature and fracture strength. Fracture temperature becomes warmer with the increase of degree of aging. It was observed that fracture temperature and fracture strength changes according to used modifier type. The sensitivity of fracture temperature to air voids content is significant if the air voids has high variation (from 3,37% to 9,33%), but to a lesser degree. Fracture temperature decreases 1 °C ~ 2 °C, if the air voids content high. This difference in fracture temperature is very marginal and probably within the range of repeatability of the " TSRST procedure, therefore it may be ignored. Fracture strength decreases, if air voids content increases. It was found that changes in asphalt content, within a reasonable range about optimum, do not have a significant effect on fracture temperature and fracture strength of the mixture. After the rutting tests, it may be concluded that asphalt content was a significant parameter on rutting. In the case of asphalt content was high, it was observed that rutting had increased even if modifier was used. xxn