Geri Dön

An Investigation on the marshall and resilient characteristics of asphalt concrete with bituminous binder modified with high density polyethylene

Yüksek yoğunluklu polietilen ile modifiye edilmiş bitüm bağlayıcılı asfalt betonun marshall ve resilient karakteristikleri üzerine bir inceleme

  1. Tez No: 75063
  2. Yazar: SİNAN HINISLIOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. EMİNE AĞAR
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 1998
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 183

Özet

ÖZET Ağır ticari trafik hacminin artması ve iklim koşullarının bozucu olumsuz etkileri, esnek üstyapı kaplamalarında ondülasyon, tekerlek izi ve yığılma gibi kalıcı deformasyonlar oluşmasına sebep olmaktadır. Bu tür sorunlara en uygun çözüm, esnek üstyapının performansının artırılmasıdır. Bu amaçla son yıllarda bitümlü bağlayıcılar değişik katkı maddeleri ile modifiye edilmekte ve elde edilen bağlayıcı ile hazırlanan asfalt betonu karışımlarının yol üstyapı performansım artırdığı görülmektedir. Modifiye edilmiş bitümlü bağlayıcılar, asfalt betonu karışımlarının rijitliğini artırarak yüksek sıcaklıklardaki kalıcı deformasyonları azaltmak ve yol üstyapısının yorulma ömrünü artırmak gibi sebeplerle kullanılmaktadır. Bu çalışmada Yüksek Yoğunluklu Polietilen (HDP) ile modifiye edilmiş bitümlü bağlayıcıların asfalt betonu karışımlarının Marshall Stabilitesi ve Elastisite Modülü üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu amaçla yapılan çalışma 7 bölüm halinde sunulmuştur. Giriş bölümü olan birinci bölümde, bir yol üstyapısının, proje ömrü boyunca üzerine gelen trafik yükünü büyük bozulmalara ve çatlamalara maruz kalmadan taşıyabilmesi ve yükü taban zemininin taşıyabileceği düzeye düşürerek tabana iletmesi gerektiği, ayrıca ağır trafik hacmi ile lastik iç basınçları ve dingil yüklerinin artışından dolayı yol üstyapı performansında azalmalar olduğundan, performansın artırılması için bitümlü bağlayıcıların çeşitli katkı maddeleri ile modifiye edilmesi gerekliliği belirtilmiştir. Aynı bölümde modifiye edilmiş malzemenin visko-elastik ve reolojik özelliklerine ait yeni laboratuar deneylerinin yapılması, asfaltın kimyasal yapısının katkı maddeleri ile uygunluğunun incelenmesi ve hizmet esnasındaki davranış değişikliğinin saptanması gerekliliği vurgulanmıştır. Son olarak bir yol üstyapısında modifiye asfalt kullanılmasını gerektiren sebeplerin, - Bitümlü karışımların rijitliğini artırarak yüksek sıcaklıklardaki kalıcı deformasyonları azaltmak, - Yol üstyapısının yorulma ömrünü artırmak, - Bağlayıcının sıcaklığa karşı duyarlılığını azaltmak, bitümlü karışımın yüksek sıcaklıklardaki viskozite kaybım düşürmek ve bağlayıcı kusmasını (bleeding) önlemek, - Düşük sıcaklıklarda (kış şartlan) oluşan termal çatlakları azaltmak, - Nem durumunda soyulmayı önlemek için bağlayıcı ve agrega arasındaki adhezyonu artırmak, - Bakım masraflarım azaltmak, -Daha iyi bir sürüş yüzeyi oluşturmak, - Tabakanın çatlamış bir üstyapı üzerine serilmesi halinde yansıma çatlaklarım önlemek XXşeklinde sıralanabileceği vurgulanmıştır. Modifiye edilmiş asfalt betonlarında kullanılan bileşenler adlı ikinci bölüm asfalt betonunu oluşturan ana bileşenler(bitümlü bulayıcı, agrega, polimerler) ve bu bileşenlerin özellikleri ile ilgilidir. Bitümlü bağlayıcının asfalt betonunundaki rolünün agrega danelerini sarıp boşlukları doldurarak agregaları biribirine bağlamak olduğu ve yol üstyapı performansına etkisinin de visko-elastik davranış şeklinde kendini gösterdiği belirtilmiştir. Bitümlü bağlayıcının özellikleri olan penetrasyon, viskozite, düktilite, yumuşama noktası, kırılma noktası ve sıcaklığa karşı duyarlılık gibi kavramlar açıklanmıştır. Yıllardır araştırmacıların ve kimyagerlerin endüstri amaçlı kullanımlar için bitüme asbest, filler, mineral filler ve kauçuk gibi maddeler karıştırarak modifiye edilmiş bitümleri denedikleri, son 20 yıldır ise bir çok araştırmacının, yol inşasında kullanılan bitümler için çok sayıda katkı malzemesi araştırdıkları yine bu bölümde belirtilmiştir. Bir katkı malzemesi etkili, pratik ve ekonomik kullanımı için aşağıdaki karakteristiklere sahip olmalıdır; - kolay elde edilebilmeli - asfalt karıştırma sıcaklıklarında gradasyonun bozulmasına (degradation) karşı dirençli olmalı - bitümle kolay karışabilmeli - yüksek sıcaklıklarda, karıştırma ve serme sıcaklıklarında bitümü aşırı derecede viskoz yapmadan, düşük sıcaklıklarda ise fazla rijit ve gevrek yapmadan akmaya karşı direnci geliştirmeli - ekonomik olmalı Penetrasyonun asfalt çimentolarının kıvam durumlarının bir ölçüsü ve sıcaklığın üssel(artan) bir fonksiyonu olduğu, viskozitenin ise bir bağlayıcının akışkanlığının bir ölçüsü olduğu ve viskozitenin de sıcaklığın üssel(azalan) bir fonksiyonu olduğu, düktilitenin, yavaş etkiyen yükler altında bağlayıcının uzama kabiliyetinin bir ölçüsü olduğu ve viskozite ile çekme direnci arasında geçiş teşkil eden bir özellik olduğu, penetrasyon artınca veya viskozite azalınca düktilitenin arttığı ifade edilmiştir. Çok sert bağlayıcılar için penetrasyonun sıfıra eşit olabileceği, bu tür bağlayıcıların kıvam durumlarının yumuşama noktası deneyi ile saptandığı belirtilmiştir. Ayrıca asfaltın sıcaklığa karşı duyarlılığının penetrasyon veya viskozitenin zamana göre türevleri(zamana göre deıiıimleri) olduğu, kırılma noktasının da asfalt çimentosunun düşük sıcaklıklardaki davranışını belirttiği ve Fraass metodu ile ölçüldüğü açıklanmıştır. Aynı bölümde polimerlerin, polimerizasyon olarak bilinen bir kimyasal işlem ile birbirine bağlanan monomerlerin tekrarlı bağlarından oluşan bir malzeme olduğu, bir çok malzemenin polimer olarak adlandırılabileceği ve bunlara doğal kauçuk, sentetik kauçuk, polipropilen, polietilen ve polivinilklorür'ün örnek olarak verilebileceği belirtilmiştir. Ayrıca polimerlerin elastomer ve plastomer olmak üzere 2'ye ayrıldığı, çalışmada kullanılan polimerin yüksek yoğunluklu polietilenin(HDP) bir plastomer olduğu açıklanmıştır. xxıYine bu bölümde HDP'nin bir katkı maddesi olarak diğer polimerlerden farklı bir davranış sergilediği, polietilen dışındaki diğer polimerlerin hepsinin asfalt çimentosu içinde homojen olarak erirken polietilenin asfalt çimentosu içinde erimediği fakat mikron boyutundaki danelerin(partiküllerin) üniform bir şekilde dağıldığı, HDP' nin asfalt çimentosu bileşenlerinden daha büyük moleküler ağırlığa sahip olduğu vurgulanmış, uzun zincirli geniş polietilen kristallerinin asfalt çimentosunun düşük moleküler kütlesinde takviye oluşturduğu ve bu yolla asfalt çimentosunun reolojik özelliklerini geliştirdiği, aynı zamanda polietilen moleküllerinin uzun ve esnek zincirlerinin mineral agreganın yüzeyine sıkı bir şekilde tutunarak, agrega ve bağlayıcı arasındaki adhezyonu artırdığı belirtilmiştir. Resilient modülün(MR) elastik modülden farklı bir kavram olduğu, yükleme hızı ve sıcaklığa bağlı olarak değiştiği, asfalt betonunun visko-elastik davranışından dolayı, asfalt betonların davranışlarının resilient modül ile karakterize edildiği 'Asfalt Betonlarının Resilient Modülleri' adlı 3.bölümde açıklanmıştır. Asfalt betonlarının resilient modüllerinin ASIM D 4123-82 de detaylı bir şekilde anlatılan indirekt Çekme Deneyi (Indirect Tensile Test) ile belirlendiği, resilient modülü hesaplanırken yükün numuneye uygulanma şekli ve yük ile numunede oluşan yatay ve düşey deformasyonların Timoshenko' nun elastik bir diskteki gerilme analizine göre yapıldığı, bu deneyin diğer modül belirleme deneylerine olan üstünlükleri açıklanmış ve Marshall numuneleri üzerine uygulanan, bu deneyde kullanılan yükleme sürelerinin düşük olduğu, deney elastik bölgede yapıldığı için numunenin deney esnasında hasara uğramadığı ve bir numune üzerinde değişik sıcaklık ve yükleme koşullarında bir kaç kez deney yapılabileceği belirtilmiştir. Bu bölümün sonunda AASHTO 86 esnek üstyapı tasarım rehberinde önerilen, resilient modül ile aşınma tabaka katsayısı ilişkisi açıklanmış ve bu ilişkiden tabaka katsayısının resilient modül' ün artması ile arttığı fakat 450.000 psi resilient modül değerinden sonraki değerlerde termal ve yorulma çatlakları oluşabileceğinin dikkate alınması gerektiği vurgulanmıştır. 'Polimer ile Modifiye Edilmiş Bitümlü Bağlayıcılı Hazırlanan Asfalt Betonları Üzerinde Yapılmış Çalışmalar' adlı dördüncü bölümde, polimer ile modifiye edilmiş bitümlü asfalt betonlar üzerinde yapılan çalışmalar verilmiştir. Bitümlü bağlayıcıya polimer bulmasının penetrasyon ve viskozite sonuçlarına bakılarak bağlayıcının sıcaklığa duyarlılığım azalttığı, latex' in bitümlü bağlayıcı ile agrega karıştırılmadan önce bitümlü bağlayıcı ile karıştırılmasının, agrega ile bitümlü bağlayıcının karıştırılması sırasında katılmasından daha fazla bir yorulma ömrü kazandırdığı belirtilmiştir. Asfalt'a neoprene katılmasının, yumuşama noktasını artırıp penetrasyonu azaltarak asfaltın sertliğini artırdığım, yaşlanma özelliklerini iyileştirdiği, polimerize edilmiş asfalt karışımın önlüklerinin polimer tipine ve asfaltın kaynağına bağlı olduğu açıklanmıştır. Yine bu bölümde, önceleri asfalt'a % 7.5 ve % 10 oranlarında polimer katılmasının önerildiği fakat daha sonra asfalt ağırlığının % 3 'ünden fazla miktarların yola uygulamada zorluklar çıkardığı ve bu nedenle % 3 oranının tercih edildiği vurgulanmıştır XXUStyrene-butadiene-styrene (SBS) polimerinin bağlayıcının sıcaklığa karşı duyarlılığını azalttığı, kohezyonu, agrega ile adhezyonu ve esnekliği artırdığı açıklanmıştır. Yine bu bölümde, USA' da ve deniz aşın ülkelerde yapılan çeşitli yol uygulamalarının, polimer ile modifiye edilmiş bağlayıcıların üstyapı hizmet ömrünü artırdığı ve maliyeti azaltıcı etkisinin görüldüğü, polimer modifikasyonunun, üstyapının tekerlek izi oluşumuna karşı direncini artırdığı belirtilmiştir. Latex' in kullanımı Greeg tararından araştırılmıştır. Latex, doğal kauçuk kullanarak SBR den yapılmış bir üründür. Greeg, bitüme polimer katılmasının, viskozite ve penetrasyon ile de belirlendiği gibi sıcaklığa karşı duyarlılığını azaltmıştır. Lewis ve Wellborn, polimerize edilmiş asfalt karışımın karakteristiklerinin polimerin tipine(yani doğal, sentetik veya volkanize olup olmamasına) ve asfaltın yapısına ve kaynağına bağlı olduğunu vurgulamışlardır. Polimerize edilmiş asfalt kaplama karışımının hazırlanmasında karşılaşılan problemlerden biri de, polimerin bitümlü bağlayıcı içinde dağılmasıdır. Bu problemi çözmek için çok sayıda farklı yaklaşımda bulunulmuştur. Bunlardan birkaçı, polimeri bitümlü bağlayıcıya toz veya sıvı halde karıştırmanın, asfalt bağlayıcı ile polimeri önceden karıştırmak veya karışım yola serilip sıkıştırıldıktan sonra, üstyapının polimerize edilmesi ile çözülebileceğini savunmuşlardır. Önceleri kauçuk olarak biline polimer başlıca bakım ve onarım işlerinde kullanılmıştır. Literatür incelendiğinde görülecektir ki; araştırmacılar, bağlayıcıya polimer ilavesinin yüksek sıcaklıklarda bağlayıcının elastik davranışını ve karışımın adhezyonunu artırdığı ve bağlayıcının sıcaklığa karşı duyarlılığını azalttığı konusunda aynı düşüncededirler. Son yıllarda, üstyapılar önemli miktarda artan kamyon trafiği, lastik basıncı ve dingil yüklerine maruz kalmıştır. Geçmişte geleneksel sıcak karışım asfalt dizaynı iyi performans gösterirken, ağır yüklere maruz kalan asfalt kaplamaların erken tekerlek izi oluşumunu azaltmak için yeni yaklaşımlara ihtiyaç vardır. Sıcak karışımlarda bağlayıcı olarak kullanılan bitümlü bağlayıcının, farklı oranlarda(% 0-2-4-6-8) Yüksek Yoğunluklu Polietilen (HDP) ile değişik karıştırma sıcaklıkları* (145-155-165°C) ve karıştırma sürelerinde (5-15-30 dakika) karıştırılarak, karıştırma sıcaklık ve süreleri ile HDP oranlarının, modifiye edilmiş başlayıcıların reolojik özellikler üzerindeki etkisi tezin amacı doğrultusunda 'Deneysel Çalışma' adlı beşinci bölümde incelenmiştir. Araştırmada hazırlanan numuneler ve bu numuneler üzerinde gerçekleştirilen deney sayılan aşağıdaki gibidir : Optimum bitümlü bağlayıcı yüzdesini bulmak için % 2.5 - 3 - 3.5 - 4 - 4.5 - 5 - 5.5 - 6 - 6.5 -7 oranlan için 3 'er numune(toplam 30 numune). Optimum bağlayıcı oranım kullanarak % 0-2-4-6-8 oranlarında Yüksek Yoğunluklu Polietilen (HDP) ile modifiye edilmiş bağlayıcılar ile Marshall deneyleri için hazırlanan numune sayısı: Bitümlü bağlayıcı ile HDP Karıştırma süresi : 3 (5-15 ve 30 dakika) xxmBitümlü bağlayıcı ile HDP Karıştırma sıcaklığı : 3 (145-1 55-1 65°C) Her bir karışım için hazırlanan numune sayısı :3 Yüksek Yoğunluklu Polietilen Oram : 4 (%2-4-6 ve 8) 3*3*3*4 = 108 numune Polietilensiz bağlayıcılı 3 adet numune Marshall deneyleri için toplam 141(30+108+3) adet Marshall numunesi hazırlanmıştır Resilient Modül için de 108 adet polietilenli 3 adet polietilensiz numune olmak üzere toplam 111 adet Marshall numunesi boyutlarında numune hazırlanmıştır. Marshall deneyleri ve Resilient Modül deneyleri için toplam 252 adet numune hazırlanmıştır. Resilient Modül için hazırlanan 111 adet numune üzerinde 4 deney sıcaklığı (5-25-40 ve 60°C) ve 3 yük çıkış süresi(30-60 ve l00ms) için her bir numunenin birbirine dik 2 noktadan Resilient Modül deneylerinin yapıldığı da göz önüne alınırsa toplam resilient modül deney sayısı, 4*3*2*1 1 1 = 2664 deney yapılmıştır. Bu bölümde ilk olarak karıştırma süresi, karıştırma sıcaklığı ve HDP oranının modifiye edilmiş bitümlü bağlayıcının reolojik özellikleri üzerindeki etkileri incelenmiş, modifiye edilmiş bağlayıcılar ile hazırlanan beton asfalt numuneler üzerinde yapılan Marshall statolite deneylerinde, karıştırma sıcaklık ve karıştırma süreleri ile HDP oranlarının Marshall stabilitesi, Marshall akması, boşluk oram, bağlayıcı ile dolu agrega boşluğu oranı ve birim ağırlık değerleri üzerindeki etkilerinin gözlendiği belirtilmiştir. Ayrıca Bitümlü Kaplamalar Fenni şartnamesinde aşınma tabakası için verilen ölçütler göz önüne alınarak, maksimum stabiliyeti veren karıştırma sıcaklığı, karıştırma süresi ve HDP oranının belirlendiği açıklanmıştır. AASHTO 86 esnek üstyapı tasarım rehberinde aşınma tabakası için son derece önemli olan resilient modülü deneyinin Marshall numuneleri üzerinde yapıldığını ve resilient modülü üzerinde, resilient modül deney sıcaklıklarının (5-25-40 ve 60°C), değişik yük çıkış sürelerinin(nise time 30-60-100 ms), HDP oranlarının (%0-2-4-6 ve 8), karıştırma sıcaklıklarının(145-155-165°C) ve karıştırma sürelerinin(5- 15-30 dakika) resilient modül üzerindeki etkilerinin araştırıldığı açıklanmıştır. 'HDP ile modifiye edilmiş asfalt betonlarının resilient modülleri için matematik model kurulması' adlı altıncı bölümde deney verilerine bağlı olarak ampirik bir matematik model kurmanın temel prensipleri açıklanmıştır. Tek değişkenin etki ettiği bir fiziksel olayın, birden fazla değişkene bağlı olarak açıklanabilen olaylara oranla daha kolay modellenebileceği, ayrıca çok değişkene bağlı olayların doğrusal olmayan bir denklem takımı ile modellenmesi durumunda izlenmesi gereken prosedür açıklanmıştır. Kurulan modellerin deney esnasında ölçülen geri dönen deformasyon miktarını tahmine yönelik olduğu, geri dönen deformasyona etki eden bağımsız değişkenler arasında öncelikli olarak bir korelasyon matrisi kurularak, bağımsız değişkenlerin birbirleri ile ilişkileri incelenmiş ve bütün değişkenlerin birbirinden bağımsız olarak ayrı ayrı geri dönen deformasyonu etkilediği görülmüştür. Yük çıkış süresi (rise time), karıştırma XXIV

Özet (Çeviri)

SUMMARY Of the principal deteriorations encountered most in the flexible pavements, the permanent deformations constitute a major problem in regard both the traffic safety and cost of repair. In order to remedy these adverse effects, it is essential mat both the mix design proportions be revised and the quality of the ingredients of the mix ( the aggregates and the bituminous binder) be increased. Although it is possible to use aggregates with lower wearing ratios, their availibility is restricted by limited geologic formations to several rock types (basalt and granit). This restriction has drawn the attention of researchers to the second element of the asphalt mix, the bituminous binder and hence the idea of modified asphalt was born. The purpose of this study is to investigate the influence of the High Density Polyethylene (HDP),as a bitumen modifier, on the Marshall and Resilient characteristics of the modified asphalt concrete. The goal of asphalt modification is to develop mix design proportions which improve the performance of the pavement by decreasing the permanent deformations. Chapter 1 diagnoses that increasing heavy traffic loads and harsh climate conditions causes serious and unexpected early deterioration in road pavements. The components of the asphalt concrete with the HDP modified binder are explained in Chapter 2. The resilient modulus of asphalt conrete is defined in Chapter 3 where it is emphasized that the resilient modulus has gained popularity as a means of evaluating the response of asphalt concrete to loads. In this study the resilient modulus has been determined by the diametrial resilient modulus test which is a nondestructive test and allows the testing of the specimen under different conditions to avoid specimen-to-specimen variations. In Chapter 4, a survey of past studies on the polymer modified asphalt concrete are given. Materials and Procedures are presented in Chapter 5 where the results of investigation on the effects of mixing temperature (145-155-165°C), mixing time (5-15-30 min.) and HDP content (0-2-4- 6-8) on the rheologic properties of the binder are presented. During the research, a plethora of Marshall and Resilient Modulus tests have been performed on the Marshall specimens and the effects of mixing time, mixing temperature and HDP content on the Marshall and Resilient characteristics have been determined. The Resilient Modulus tests have been performed at four test temperatures (5-25-40- 60°C), each repeated for three different rise time values (30-60-1 00ms). As a result, for a given mixing time and mixing temperature, while penetration and ductility decrease, viscosity and softening point increase proportionally with increasing HDP content. Marshall stability increases up to 4% HDP and decreases there on. The resilient modulus displays a similar trend. Mathematical models have been established for each resilient modulus test. Statistical evaluations has revealed good correlation between observed and predicted values. xix

Benzer Tezler

  1. Tez No

    109873

    Asfalt kaplamalarda kireçtaşı petrografisi- soyulma ilişkisi üzerine bir araştırma

    an Investigation over limestone petrography-stripping interaction in asphalt pavaments

    ATAKAN AKSOY

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2001

    İnşaat MühendisliğiKaradeniz Teknik Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. FAZIL ÇELİK

  2. Tez No

    290908

    Agregaların tozluluk derecesinin bitüm bağlayıcılar üzerindeki etkileri

    An investigation on effect of aggregates dusty degree on bitumen binders

    HASAN DOĞAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Teknik EğitimAfyon Kocatepe Üniversitesi

    Yapı Eğitimi Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HÜSEYİN AKBULUT

  3. Tez No

    804709

    Demografik farklılıkların tüketici davranışlarına etkisi ve klasik davranış modelleri kapsamında Amasya iline yönelik bir inceleme

    The effect of demographic differences on consumer behavior and an investigation on amasya within the scope of classic behavior models

    ELİF ZİYNET CANÇOBAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    SosyolojiTokat Gaziosmanpaşa Üniversitesi

    İktisat Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA NECATİ ÇOBAN

  4. Tez No

    126740

    Standart yükseklikte olmayan marshall numunelerinde sıkıştırma enerjisine bağlı olarak boşluk oranı ve gradasyon değişimlerinin incelenmesi

    An Investigation into the variation of air voids and gradation with respect to the compaction energy on the non-standard marshall samples

    MUSTAFA TANIŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2002

    İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Ulaştırma Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ABDULLAH HİLMİ LAV

  5. Tez No

    24796

    Ergani Bakır işletmeleri cürufunun bitümlü sıcak karışımda kullanımı üzerine bir araştırma

    An Investigation on the use of slag of Ergani Copper Plants as a bitumen hot-laid mixture

    MEHMET AKYİĞİT

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1992

    İnşaat MühendisliğiFırat Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. BEKİR YILDIRIM

Geri Dön