Asfalt film kalınlığının bitümlü karışımların yaşlanmasına ve suya duyarlılığına etkisi
The effect of asphalt film thickness aging and moisture susceptibility of hot mix asphalt
Yazar: BURAK ŞENGÖZ
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:
Ekonomik kalkınma ile birlikte yaşam standartlarının yükselmesi, toplumların daha konforlu ve güvenli sürüş kalitesi talebini doğurmuştur. Bu durum da, yol üstyapılarının bozulmalara karşı daha dirençli ve yüksek performanslı olarak tasarlanmasını zorunlu hale getirmektedir. Ancak yol üstyapılarında görülen tekerlek izi oluşumu, yorulma ve düşük sıcaklık çatlakları gibi bozulmalar, yollardan beklenen performansı ve hizmet ömrünü düşürmektedir. Bu çalışmada, yaşlanma ve suya bağlı bozulmalar üzerinde asfalt filmi kalınlığının etkisi incelenmiş ve optimum asfalt film kalınlığının saptanması amaç edinilmiştir. Çalışmanın birinci bölümünde, bitümlü bağlayıcıların ekonomik değerine kısaca değinildikten sonra, yüksek maliyetler gerektiren üstyapılarda bozulmaları hazırlayan nedenlerin başında gelen yaşlanma olayı ve suya karşı duyarlılığın kısaca tanımlan yapılmış, çalışmada izlenecek yöntem belirtilmiştir. İkinci bölümde bitümlü kaplamalarda, artan ağır taşıt trafiği, dingil yükü, çevre ve iklim koşullan, yapım ve tasarım hatalan ile malzeme hatalarına bağlı olarak meydana gelen bozulmaların sınıflandınhnası yapılmıştır. Bozulmalar, kalıcı deformasyon, çatlaklar ve suya bağlı bozulmalar olarak üç bölümde incelenmiş ve bozulmalan etkileyen faktörler üzerinde durulmuştur. Üçüncü bölümde, bitümlü bağlayıcılara yüksek, orta ve düşük sıcaklıklardaki davramşlan ve film kalınlıklarına bağlı olarak bağlayicılann gösterdikleri davranış modelleri grafikler yardımı ile açıklanmıştır. Yaşlanma konusunun ayrıntılı olarak ele alındığı dördüncü bölümde, yaşlanmayı etkileyen faktörler ile yaşlanmanın kimyasal analizi anlatılmış ve kaplama yapımının değişik aşamalarında bitümlü bağlayıcının yaşlanma davranışı ele alınmıştır. Bölümde aynca, bağlayıcılar ve bitümlü sıcak kanşımlar üzerine yaşlanmanın etkilerine ilişkin olarak araştırmacılar tarafından uygulanan deneyler ve kullanılan aletler üzerinde durulmuştur. Kısa ve uzun dönem olmak üzere- iki bölümde incelenen bitümlü sıcak kanşımlann yaşlanmasında etkili olan kanşım parametreleri de ayrıntılı olarak ele alınmıştır. Bu parametrelerden asfalt film kalınlığının, bitümlü sıcak kanşımlann yaşlanma özellikleri üzerindeki etkilerine ilişkin günümüze kadar yapılan çalışmalar aynntılı olarak açıklanmıştır. Çalışmanın beşinci bölümünde, suya bağlı bozulmalar tanımlanmıştır. Aynca bitümlü sıcak kanşımlann suya karşı duyarlılıklanm etkileyen faktörlerden olan agrega, bağlayıcı, karışım bileşimi ve yapım etkisi, çevresel faktörler ve trafik incelenmiştir. Ayrıca kanşımlann suya karsı duyarlılıklarına ilişkin deney yöntemleri ana hatları ile anlatılmış. ve günümüzdeki uygulama alanları belirtilmiştir. Altıncı bölümde, laboratuarda yapılan deneysel çalışmalarda kullanılan aletler ve deney yöntemleri ayrıntılı olarak anlatılmıştır. Uygulamalarda kullanılan agrega ve bağlayıcıların özellikleri Superpave Şartnamesinde belirtilen deneyler ile saptandıktan sonra asfalt film kalınlıklarına bağlı olarak bitümlü bağlayıcı yüzdeleri hesaplanmıştır. Yedinci bölüm deneysel çalışmalara ayrılmıştır. Bu bölümde ilk olarak, Superpave Yoğurmalı Presi (Superpave Gyratory Compactor) kullanılarak hazırlanan kısa ve uzun dönem yaşlandırılmış, düşük ve yüksek hava boşluğu oranına sahip numunelere, yaşlanmanın etkilerini incelemek üzere esneklik modülü ve indirekt çekme gerilmesi deneyleri uygulanmıştır. Yaşlandırılmış numunelerin esneklik modülü ve indirekt çekme gerilmeleri arasında film kalınlığına bağlı regresyon analizleri yapılmış ve quadratik fonksiyonlar elde edilmiştir. Deneysel uygulamaların ikinci bölümünde, kanşımlann suya karşı duyarlılıkları film kalınlıklarına bağlı olarak incelenmiştir. Bu amaçla koşullandınlmış ve kuru numuneler üzerine indirekt çekme gerilmesi deneyleri uygulanmış, sonuçlar oranlanarak model eğriler çizilmiştir. Sekizinci ve son bölümde, yaşlanma ve suya karşı duyarlılık deneylerinden elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Esneklik modülü ve indirekt çekme gerilmeleri model eğrileri film kalınlığına bağlı olarak incelendiğinde yaşlanmaya ilişkin optimum asfalt film kalınlığının 9- 10u. aralığında değiştiği, koşullandınlmış ve kuru numunelerin indirekt çekme gerilmeleri model eğrileri film kalınlığına bağlı olarak incelendiğinde ise suya bağlı bozulmalara ilişkin optimum asfalt film kalınlığının 9.5-1 0.5u. aralığında değiştiği görülmüştür. Bu sonuçlara, ileride yapılacak çalışmalara esas olması düşünülen öneriler de eklenmiştir.

Abstract:
The increase in the level of living conditions and social and economic development increased the demand of road users for safe and comfortable pavements with a higher driving quality. It is obvious that this demand can only be satisfied with pavement design procedures aiming pavements resistant to deformations with longer service life and satisfactory surface characteristics. Nevertheless, the commonly encountered distresses such as rutting, fatigue and low temperature cracking decrease the expected performance and service life of roads. This study was undertaken to quantify the relationship between the various asphalt film thicknesses and aging and moisture susceptibility of asphalt paving mixtures so that an optimum film thickness desirable for satisfactory mix durability could be achieved. In Chapter I, the use of asphalt binder in pavements is evaluated from economic point of view. In addition, aging phenomenon that contributes to the other type of failures and water damage are shortly described. In Chapter II, types of failures occurring in pavements due to increase in axle loads, heavy traffic, environmental conditions and construction and design errors are classified. Permanent deformations, cracking and failures relating to water damage are also investigated in this chapter. In Chapter EL high, intermediate and low temperature behaviour of asphalt cement is summarized and the behaviour relating to film thickness is explained in detail. Aging phenomenon and factors affecting the aging of hot mix asphalt are explained in details in Chapter IV. Aging of asphalt binder during storage, mixture with aggregate, transportation to jobsite, compaction and service life of the pavement is also explained. Recent studies about the aging of asphalt binder as well as the hot mix asphalt are outlined. Parameters, which have an influence on short and long-term aging of asphalt paving mixtures, are also investigated including literature review.. In Chapter V, moisture related failures in pavements are described in detail. Factors like type of aggregate; asphalt, environment and traffic, which influence the degree of moisture damage, are defined. in this chapter. In addition, mechanical tests used to evaluate the susceptibility of a compacted mixture to moisture damage are explained in detail. The equipments and the method related to the experiments are presented in Chapter VI. After the specifications related to asphalt and aggregate are given, asphalt contents required to achieve asphalt film thickness are calculated. Experiments conducted are presented, in Chapter VII. In the first part of this chapter, resilient modulus and indirect tensile strength test are conducted on low and high air voids compacted specimens, aged for short and long term, which are prepared by using Superpave Gyratory Compactor. Regression analysis and quadratic functions are obtained between the asphalt film thicknesses and resilient and indirect tensile strength characteristics of the aged samples. In the second part of Chapter VH, moisture susceptibility characteristics of the samples compacted with different asphalt film thicknesses are evaluated. Indirect tensile strength test is conducted on dry and conditioned samples. Relationship between the asphalt film thickness and the ratio of indirect tensile of the conditioned to unconditioned samples is determined. Results obtained from the experiments conducted in the above section are presented in the last chapter. An optimum asphalt film thickness of 9-10 microns is indicated in the plotted asphalt film thickness versus resilient modulus and indirect tensile strength figures of short and long term aged samples. And also from the asphalt film thickness versus indirect tensile strength of conditioned and dry samples figure, 9.5- 10.5 micron optimum asphalt film thickness is achieved. Conclusions are drawn and suggestions for future works are also presented in this chapter.