Demiryolu Hatlarında Asfalt Kullanımı

Demiryolu Hatlarnda Asfalt Kullanm
EAPA Durum Tespit Dökumanı
AVRUPA ASFALT ÜSTYAPI BİRLİĞİ
ÇEVİREN
ZELİHA TEMREN
Kimya Yüksek Mühendisi
Şubat 2016
TÜRKİYE ASFALT MÜTEAHHİTLERİ DERNEĞİ
2
©European Asphalt Pavement Association
P.O. Box 175
3620 AD Breukelen, The Netherlands
www.eapa.org
[email protected]
Haziran 2014
Bu yayın Avrupa Asfalt Üstyapı Birliği'nin izniyle tercüme edilmiştir.
3
İçindekiler
1.Giriş .................................................................................................................................................................5
2. Asfalt ..............................................................................................................................................................5
3. Demiryolu inşaatlarında asfalt uygulamaları ..................................................................................................6
3.1 Alt balast tabakası olarak asfalt kullanımı ................................................................................................6
3.2 Balastsız demiryolu hattı - Asfalt üzerine traverslerin doğrudan uygulanması ........................................8
4. Deneyimler .....................................................................................................................................................8
4.1 İtalya .........................................................................................................................................................8
4.2 Almanya - Masif demiryolu ray tabanı.....................................................................................................9
4.2.1 Genel bilgi .......................................................................................................................................10
4.2.2 Asfalt tabakaları için gerekler ..........................................................................................................10
4.2.3 Asfalt tabakası yapımı .....................................................................................................................10
4.2.4 Avantajları .......................................................................................................................................11
4.2.5 Tramvay hatlarında asfalt ................................................................................................................11
4.3 Fransa .....................................................................................................................................................13
4.4 İspanya ....................................................................................................................................................15
4.4.1 Alt-balast tabakaları .........................................................................................................................15
4.4.2 Ballastsız asfalt uygulamaları ..........................................................................................................16
4.5 Japonya ...................................................................................................................................................17
4.6 Amerika Birleşik Devletleri....................................................................................................................19
5. Kaynaklar .....................................................................................................................................................20
4
1. Giriş
Demiryolu tasarımında, karayollarında olduğu gibi trafik yükünün ve hacminin artmasının yanı sıra özellikle
son yüzyılda yüksek hızlı trenlerin kullanılmaya başlanılmasıyla yeni yaklaşımlara ihtiyaç duyulmuştur.
Ayrıca, demiryolu dizaynında çevresel açıdan sürdürülebilirlik konseptininde dikkate alınması
gerekmektedir.
Klasik demiryolu inşaatının çeşitli kısımlarında kullanılabilen asfalt karışımları teknik açıdan iyi bir
alternatiftir. Demiryolunda asfaltın özellikle üstyapıda (Klasik demiryolu üstyapısı: Raylar, traversler,
tespitleme donanımı ve balast) ve alt balast tabakasında kullanılmasıyla elde edilen deneyimlerden, bu tip
yapım tekniğinin modern demiryolu hatlarının tüm gereklerini sağladığı sonucuna varılmıştır.
Dünya çapındaki deneyimler asfaltın modern demiryolu inşaatında iyi bir alternatif olduğunu göstermektedir.
Belirli özelliklere sahip olan asfalt karışımları, demiryollarında istenilen gerekleri sağlayabilmektedir.
2. Asfalt
Sıcak ve ılık karışım olarak hazırlanan asfaltlar, mineral agrega ve bitüm
karışımlarıdır. Mineral agrega, genellikle maksimum tane boyutu 40
mm'dir ve bu boyuttan, toz boyutuna (filler) kadar değişen tanelerden
oluşmuştur. Bitüm ise, ham petrolün destilasyonu sonucu elde
edilmektedir.
Farklı tane boyutundaki agregalar ve çeşitli bileşenlerle, hedeflenen
özelliklere sahip farklı kompozisyonlarda karışımlar elde edilebilmektir.
Karışımın kompozisyonuna ve bitüm ile agreganın kalitesine bağlı olarak
asfalt karışımları, yüksek stabilite sağlayacak şekilde rijit veya çok esnek
olabilmektedir. Geçirimsiz karışımların yanı sıra geçirgen poröz asfalt
bileşimleri de mevcuttur.
Özel katkılar ve polimer modifiye bitüm kullanılarak hazırlanan asfalt
karışımları, bir inşaatın gerektirdiği özel şartlara direnç ( ağır yük, düşük
sıcaklık gibi) sağlayabilmektedir.
ATD sistemi
Asfalt karışımları sürekli veya kesikli çalışan mobil ve sabit plentlerde üretilmektedir. Üretimde mineral
agrega kurutulup, ısıtılır ve belirtilen oranlarda sıcak bitümlü bağlayıcı ile karıştırılır. Sıcak ve ılık karışım
asfaltın üretilmesinden sonra karışım yalıtılmış kamyonlarla inşaat alanına taşınır. İnşaat alanında sericilerle
serilerek ve kısmen sıkıştırılarak istenilen kalınlık ve genişlikte tabaka oluşturulur. Serilmiş tabaka üzerinde
silindir çalıştırılarak gerekli nihai sıkışma sağlanır. Silindirin son geçişinden kısa bir süre sonra normal hava
sıcaklığına kadar soğuyan tabaka kullanıma hazırdır.
Asfalt farklı kompozisyonlara sahip bir veya daha fazla tabaka halinde oluşturulabilir. Dizayna bağlı olarak
her bir tabaka inşaatta özel yapısal bir role sahiptir.
5
5
3. Demiryolu inşaatlarında asfalt uygulamaları
Ağır yüklü ve yüksek hızlı demiryolu inşaatlarında kullanılan asfalt karışımların sağladığı performans
sonucu, asfaltın demiryollarında alternatif iyi bir malzeme olduğu ispatlanmıştır.
Demiryolu inşaatında kullanılan asfalt yapının taşıma gücüne olumlu katkılar sağlamaktadır. Yapının
stabilitesini ve durabilitesini artırarak bakım ihtiyacını azaltmaktadır. Ayrıca asfalt, titreşim ve gürültünün
azalmasına da yardımcı olmaktadır [1. ve 2.].
Asfalt kullanımıyla yapının toplam yüksekliği azaltılabilmektedir. Bu durum tünel ve köprüler için önemli
bir parametredir.
Demiryolu uygulamalarında asfalt, alt balast tabakası olarak kullanılabildiği gibi, yapının tamamı da asfalt
tabakaları ile yapılabilmektedir. Bu tip yapılar "balastsız demiryolu " olarak adlandırılmaktadır.
3.1 Alt balast tabakası olarak asfalt kullanımı
Demiryolunda balast, trenin ağırlığından kaynaklanan yükü absorbe eder ve yükün raydan tabana
yayılmasını sağlayarak, rayın deformasyonunu önler. Böylece demiryolunun geometrisi bozulmaz.
Klasik balast inşaatında, özellikle balastın yorulma davranışları nedeniyle çoğunlukla dolguda oluşan
oturmalar nedeniyle, demiryolu kotunda hızlı değişiklikler ve bozulmalar meydana gelmektedir.
Balast ile dolgu arasında alt balast olarak bilinen özel yarı rijit bir bitümlü tabaka inşa edilerek, tüm yapının
stabilitesi iyileştirilmektedir. Alt balast tabakası normalde iyi sıkıştırılmış dolgu tabakası üzerine
serilmektedir.
Bitümlü alt balast
Yüksek derecede
skştrlmş
taban
Dolgu
Şekil-1 İtalya'da yüksek hızlı demiryolu en kesiti [1.]
Alt balast tabakasının fonksiyonu:
Elektrik hatları, balast ve ray döşeme gibi tesisat işlerinin kolayca gerçekleştirilmesi için bir çalışma
platformu hazırlar,
Tren geçişiyle oluşan yüklerin tabana tedrici olarak yayılmasını sağlar,
Dolguya yağmur ve suyun girişini önler ve mevsimsel aşırı ısı değişimleri nedeniyle dolgunun üst
kısmında oluşabilecek donma/çözülmelerden korur,
Tabandan ince malzemelerin balast içine sızmasını önler,
Yoğunlaşmış basıncı dağıtır ve dolgunun bozulmasını önler.
Demiryolunda bitümlü alt balast tabakası sadece basınca çalıştığından, klasik altyapıdan farklıdır ve
yorulma çatlaklarına karşı dirençlidir.
Özellikle yüksek hızlı demiryolu hatlarında profil ve kotun belirli bir düzeyde muhafazası son derece
6
6
önemlidir ve bu performans ancak yapının rijitliği artırılarak sağlanabilmektedir. Yüksek rijitliğe sahip
balast ve alt balast tabakaları üzerinde yük dağılımı daha iyi oluşmaktadır. Böylece, demiryolu geometrisinde
erken bozulmaların oluşumu önlenmektedir. Alt balast olarak kullanılan asfalt bu fonksiyonun
sağlanmasında iyi bir çözüm oluşturmaktadır.
Alt balast tabakas olarak asfalt uygulamasnn sağladğ faydalar:
- Taşma kapasitesi
Alt balast olarak asfalt tabakası (0.1m – 0.2 m kalınlıkta) kullanılması altyapının rijitliğini
artırmaktadır. Asfalt tabakasının gerilme kuvvetlerine karşı direnci yüksek olduğundan, altyapının
yapısal dayanımına pozitif katkılar sağlamaktadır.
- Geoteknik stabilite
Asfalt alt balast tabakası yüksek rijitliğe sahip olduğundan, asfalt tabakası üzerindeki malzeme daha
iyi sıkışır ve stabilitesi daha yüksektir. Alt balast olarak kullanılan asfalt tabakası demiryolunun
geometrisinin değişmemesini sağlamaktadır.
- Dikey deformasyonlara karş direnç
Yüksek rijitliğe sahip olan asfalt tabakası granüler malzemeden oluşan tabakaya göre, tren yükleri
altında daha az dikey deformasyona maruz kalmaktadır. Dikey yükleme şartları ve yükleme süresi
çok kısa olduğundan asfalt tabakasında kalıcı deformasyon oluşmamaktadır.
- Drenaj
Yoğun gradasyonlu asfalt betonu alt balast olarak kullanıldığında, altyapıda optimum seviyede
drenaj sağlanır. Asfalt alt balast tabakasının geçirimsizliği sonucu, yapıya hidrolik olarak çamur ve
ince malzeme geçişi olmaz ve yabakanın kirlenmesi önlenir.
- Durabilite
Asfalt alt balast tabakası daha rijit bir taban oluşturduğundan, tabanın elastisite modülü artar, balast
tabakası içindeki çekme ve kesme gerilmeleri azalır. Sonuç olarak, agrega taneleri daha düşük
yorulmaya, parçalanmaya ve aşınmaya maruz kalır. Asfaltın boşluk oranının düşük ve asfalt
tabakasının üzeri balastla kapatılmış olduğundan ve direkt hava şartlarına (sıcaklık değişimleri, ultra
viyole ışınlar, oksijen) maruz kalmadığından asfalt veya bitüm (yaşlanmaz) bozulmaz.
Tabanda oluşan sınırlı deformasyonlar asfalt tabakasını etkilemez, asfaltın viskoelastik davranışları
nedeniyle, asfalt bütünlüğü bozulmadan deformasyonlara karşı dayanım sağlar.
-Gürültü ve titreşim
Asfalt tabakalarının mekanik özellikleri sonucu tren geçişlerinde oluşan gürültü ve titreşim seviyeleri
daha düşüktür. Modifiye edilmiş asfalt kullanıldığında (polimer modifiye bitüm, kauçuk asfalt) alt
balast tabakası titreşimi absorbe eden bir fonksiyona sahiptir [1. ve 2.].
Asfalt alt balast tabakasının klasik granüler alt balasta göre birçok avantajları mevcuttur. Bu tekniğin
faydaları [1.] No'lu kaynakta verilenlerle sınırlı değildir:
x
x
x
x
x
Elastisite modülünün ve homojenliğinin artması nedeniyle yapısal güvenilirliği yüksektir ve güvenli
bir yapı oluşturur,
Tabanda oluşacak yorulmaları azalttığından, altyapının ömür boyu maliyetini düşürür,
Sağladığı taşıma kapasitesi ve bitümün balastı iyice sarması sonucu boyuna profilde demiryolunun
homojenliğini artırır,
Drenaj şartları iyileştiğinden balast daha az kirlenir,
Klasik granüler malzeme dizaynına göre kalınlığı daha düşüktür.
7
7
3.2 Balastsız demiryolu hattı - Asfalt üzerine traverslerin doğrudan uygulanması
Yıllardır demiryolu hatlarında rayların, traverslerin ve balastın stabilitesini artırmayı hedefleyen gelişmeler
olmuştur. Yüksek hızlı trenlerin girişiyle daha az bakım ihtiyacı gerektiren alt yapı talebi sonucu, balastsız
hatlar geliştirilmiştir. Bu inşaat tipinde, balast olarak rijit yeknesak bir malzeme kullanılarak traversler
desteklenmektedir. Amaç, taban rijitliğinden bağımsız olarak iyi bir elastikliğe sahip altyapı oluşturmaktır.
Çözümlerden birisi, asfalt tabakası üzerine rayların ve traverslerin doğrudan
yerleştirildiği sistemdir. Bu sistemde, ray seviyesi için gerekli olan çok dar
tolerans aralığını (+/-2 mm) sağlayacak şekilde, asfalt yüzeyinin kotunun ve
düzgünlüğünün ayarlanması çok önemli bir kriterdir. Çok gelişmiş ayar
sistemine sahip olan modern asfalt sericileri ile istenilen kot ve düzgünlük
sağlanabilmektedir.
Yatay rayların ankrajında enine hareketi önlemek için çeşitli ankraj
sistemleri uygulanabilmektedir.
ATD sistemi
Bu sistemin avantajı, özellikle polimer modifiye bitüm kullanılması halinde
asfalt tabakasının esnekliği ile yapım ve bakımının kolaylığıdır. Ayrıca, diğer önemli bir avantaj da, temel
tabakasını kaldırmadan ve bozmadan küçük tamiratların yapılmasına imkân sağlamasıdır.
Bu sistemde, balast kullanılmasına gerek kalmadığından küçük çaplı tünellerin yapılmasında rayın temel
kotunun alçaltılmasının mümkün olmasıdır.
Balastsız ray döşenmesinde ilk başarılı uygulama, Almanya'da 1990 yılının başlarında gerçekleştirilmiştir.
Bu tarihten sonra, Almanya’da birçok deneme kesimleri yapılmıştır.
4. Deneyimler
4.1 İtalya
İtalya'da yüksek hızlı demiryolu inşaatında asfalt karışımlarıyla ilk uygulama, 1970'li yılların başında
gerçekleştirilmiştir. Son 30 yılda toplam 100 km uzunluğunda demiryolu bu teknikle yapılmış ve başarılı
sonuçlar alınmıştır. Bu deneyimler, asfalt alt balast tabakasının ray geometrisinin stabilitesine önemli
katkılar sağladığını göstermiştir. Özellikle dinamik kuvvetlerin etkin olduğu makas noktalarında, genleşme
derzlerinde, hemzemin geçitlerde ve beton sanat yapıları (köprü) ile dolgu arasındaki kesimlerde asfalt alt
balast tabakasının altyapı stabilitesi üzerinde önemli katkıları olduğu saptanmıştır.
İtalya'da 1200 km' den fazla yüksek hızlı tren hattında asfalt alt balast tabakası kullanılmaktadır.
Ayrıca, polimer modifiye bitümle yapılan asfalt karışımları uygulanmış olan kesimlerde, ses ve titreşimde
çok önemli azalmalar olduğu da tespit edilmiştir. Bu uygulama demiryolunda seyreden yolcuların konforuna
ve çevreye pozitif katkılar sağlamıştır.
İtalya Asfalt Birliği (SITEB) ve İtalya Demiryolları İdaresi (FS) bu alanda yoğun araştırmalar
yapmaktadırlar.
İtalya'da yüksek hızlı tren hattında uygulanan en kesit profili Şekil-1' de verilmiştir. Çok tabakalı olan bu
yapı, dolgu, iyi sıkıştırılmış alttemel, asfalt alt balast, balast, traversler ve raylardan oluşmuştur. Dolgunun en
düşük taşıma kapasitesi 40 MPa'dır.
Taban üzerine uygulanan iyi sıkıştırılmış tabakanın kalınlığı 300 mm olup, en düşük modülü 80 MPa'dır.
8
8
Kum-çakıl malzemesi kullanılan bu tabakanın enine eğimi %3,5'dir.
Asfalt alt balast tabakası iyi sıkıştırılmış taban üzerine yerleştirilir. Maksimum tane boyutu 25 mm olan
agregayla hazırlanan asfalt karışımı, 120 mm kalınlığında serilmektir. Hattın tüm en kesiti boyunca
uygulanmaktadır ve genişliği 14 m civarındadır [8.]. Bu tabaka standard bir asfalt serme makinası ile
serilmektedir.
Bitümlü alt balast
Yüksek derecede
skştrlmş taban
Dolgu
Şekil-2 İtalya'da yüksek hızlı demiryolu en kesiti [1.]
Alt balast tabakası yapımında asfalt karışımlarla beton karışımlar karşılaştırıldığında, asfaltın avantajları
aşağıda belirtilmiştir:
Asfalt alt balast tabakasının kalınlığı daha düşük olduğundan daha az agrega kullanılmaktadır,
(120 mm kalınlığa karşılık, beton en az 200 mm kalınlık gerektirmektedir)
Daha az çatlak oluşmaktadır,
Tabaka yüzeyinin bitümlü membran veya emülsiyonla korunmasına gerek yoktur,
Sertleşme süresi çok daha kısadır.
Yapılan uygulamalardan, demiryolunda asfalt alt balast tabakasının tren geçişlerinde oluşan titreşimlerin
çevreye yayılımını azalttığı saptanmıştır. Asfalt alt balast tabakası, titreşimleri sönümleyen bir ortam
oluşturmaktadır.
4.2 Almanya - Demiryolu ray tabanı
4.2.1 Genel bilgi
Almanya'da demiryolu İdaresi (Deutsche Bundesbahn AG -DB AG), demiryolunda klasik yapım metodunda
rayların ve traverslerin döşendiği balast tipi temelle yapıyı iyileştirmenin çok zor olduğu sonucuna varmıştır.
Ayrıca yüksek hızlı trenler için yapılan tasarımlarda, raylar üzerindeki dinamik yükler nedeniyle taşların
hareket ettiği, daha çok aşınma, parçalanma ve kırılma meydana geldiği görülmüştür. Sonuç olarak, ray
yatağında daha sık bozulmalar oluşmakta ve daha sık bakım gerektirmektedir. Maliyetli olan bu bakım işleri
normal trafiğe engel olduğundan alternatif çözümler gerektirmiştir.
Yük taşıyan balast yerine asfalt kullanılabilmektedir. Bu yapım metodunda temel tabakasında asfalt
uygulaması Almanya'da 35 yıl önce başlamıştır. Aradan geçen zaman içinde asfalt kullanılan birçok yapım
metodu idare tarafından onaylanmıştır. Aşağıda belirtilen çeşitli metotlar uygulanmaktadır;
x
x
x
x
ATD Ray gövdesiyle asfalt temel tabakası
SATO Beton yatak veya çift temelli Y-çelik yatak
Walter Walterbau sistemi
Getrac Alman Demiryolu Asfalt Kooperatifi
9
9
Sürgü tekniğinin yanı sıra belirli bir kotta serim çok önemlidir. İstenilen kotun sağlanması için başlangıçta
belirli bir kısmının sıyrılması gerekmektedir. Çok tabakalı serim ve lazer destekli serme tekniğiyle kaplama
düzgünlüğü 4 metrelik referans mastarı ile ± 2 mm seviyesinde sağlanmıştır. Almanya'da birçok kesim [4.]
No'lu referansta detaylı belirtilen bu sistemle inşa edilmiştir.
4.2.2 Asfalt tabakaları için gerekler
Genel olarak asfaltın özellikleri yükleme tipine göre belirlenir. Sert
demiryolu ray yatağında yüklenme frekansı asfalt yollardan daha
düşük seviyededir. Ancak, aks yükleri dolayısıyla tekerlek yükü çok
yüksektir. Yollarda, yaklaşık 710 cm² yüzey alanında 0,8 MPa'lık
gerilim yaratan 11,5 ton aks yüklü kamyon için dağıtılan tekerlek yükü
5,75 ton'dur. Demiryollarında ise, ray ve yatak üzerinde önemli bir
yük dağılımı olduğundan 11,25 tonluk tekerlek yükü yatak altında
0,25 MPa' değerinde bir gerilim yaratmaktadır ve bu da yoldaki yükün
yaklaşık 1/3' ü kadardır.
Rutin bakım ve onarım işlerini azaltmak için, asfaltın mümkün
Getrac sistemi
olduğunca dayanıklı, esnek ve sıkışmış olması gerekmektedir. Masif
demiryolu ray hattının ömrü yaklaşık 60 yıl olarak tahmin edilmektedir.
Almanya'daki deneyimlerden yüksek oranda bağlayıcı içeren düşük
boşluk oranına sahip asfalt tiplerinin daha iyi sonuç verdiği sonucuna
varılmıştır.
4.2.3 Asfalt tabakası yapımı
Demiryollarında asfalt serme işlemi günümüzde kullanılan normal
finişerlerle yapılmaktadır. Ancak yine de serimde istenilen gerekleri
(kalınlık, enine/boyuna düzgünlük ) sağlamak için asfalt işlerinin dikkatli
yapılması gerekmektedir. Yol yapımında kullanılan arazi ölçümleri
demiryolu hatlarında kullanılmaz. Bu amaç için doğruluğu kanıtlanmış
ve özel olarak geliştirilmiş elektronik veri işleme programları mevcuttur.
ATD sistemi
Yol yapımında sericinin işlemlerini kontrol etmek üzere kullanılan
referans teli ve mesnetleri demiryolu inşasına doğrudan adapte
edilemez. İnce ayarlama yapmak için mesnet donatısında değişiklik
yapılması gerekmektedir. Ayrıca gerilecek telin sarkmaması için
mesnetler kısa aralıklarla (<5 m) konulmaktadır. Demiryolu hattı
yatağının yapısı özellikle tespit sistemine bağlıdır. Kural olarak asfaltta
gerekli düzgünlüğü sağlamak için en az 4- 5 tabaka halinde serilmelidir.
GETRAC sistemi
ATD sisteminde 30 cm toplam kalınlık için en az 4 tabaka halinde
serim gerekir. Serim sırasında düzenli olarak referans telinin yeri kontrol edilmelidir. Ayrıca serilen her
tabakadan sonra finişerin arkasındaki yükseklik de kontrol edilmektedir.
Serimden sonra asfalt sıkıştırılarak istenilen nihai kot ve düzgünlükte tabaka elde edilir. Tablası yüksek
derecede ön sıkıştırma yapan finişerin kullanılması zorunludur. Sıkıştırma işleminde küçük düz bandajlı
silindirlerin kullanılması yeterli olmaktadır.
Asfalt tabakası yapımında diğer bir şart, karışımın homojen olması ve karışımın taşınmasında süreklilik
sağlanarak serimin kesiksiz uygulanmasıdır. Ayrıca serim sabit hızda ve belirli bir sıcaklıkta yapılmalıdır.
10
10
Şekil-3 SATO sistemine 2 örnek, Sağdaki şekil asfalt üzerine Y- çelik traversleri göstermektedir [5.]
4.2.4 Avantajları
Almanya'da uygulanan demiryolu hattı yataklarında istenilen performansa ulaşılmıştır. Bu başarı, asfaltın bir
inşaat malzemesi olarak sahip olduğu özellikler ve güvenilir yapım tekniği ile sağlanmıştır.
x
x
x
x
x
Asfalt viskoelastik özelliği nedeniyle derz gerektirmeden serilebilmektedir. Yükün ve sıcaklığın
etkisiyle oluşan gerilmeleri azaltmaktadır.
Asfalt tabakasındaki yüksek iç sürtünme nedeniyle ayrışma olmadığından, aşırı yüksek kalınlık
gerektiren yapılarda kullanılabilmektedir.
Asfalt malzeme özellikleri nedeniyle çok düşük tolerans aralığında (± 2 mm) serilebilmektedir.
Asfalt tabakası soğuduktan hemen sonra yükleme yapılabildiğinden, inşaat süresi kısadır.
Dolgu oturması gibi bir deformasyon söz konusu olduğunda kolay ve hızlı bir şekilde asfalt
kazılmakta ve yeni asfalt tabakası serilmektedir.
Asfaltla yapılmış masif demiryolu hattı yatağı, balastla yapılmış ve diğer masif yatakların iyi bir alternatiftir.
4.2.5. Tramvay hatlarında asfalt
Tramvay hattı yapımında daha önce belirtilen "Masif demiryolu hattı yatakları" kullanılabilmektedir.
Aşağıda Almanya- Berlin'de kullanılan ATD sistemi örnek olarak verilmiştir.
Traversler doğrudan asfalt yatak tabakası üzerine yerleştirilir. Yatak iki tabakalı asfalt tabakasından
oluşmaktadır. Altta temel tabakası (toplam kalınlığı yaklaşık 160 mm) ve üste asfalt betonu (0/11) tabakası
serilmiştir. Raylar ve traversler doğrudan asfalt tabakası üzerine döşenir. Bu nedenle, asfalt betonunda enine
ve boyuna doğrultuda çok az (+/- 2 mm) bir toleransla istenilen düzgünlük sağlanmalıdır.
11
11
Şekil-4 ATD sisteminde üzerine traversler getirilecek olan temelin özel bir profile sahip tablalı serici ile
serilmesi [Referans,Voegele]
Şekil-5 Asfalt temel tabakasının üzerine traverslerin yerleştirilmesi [6.]
12
12
4.3 Fransa
2005 yılında Fransa Ulusal Demiryolu (SNCF) idaresi yüksek hızlı tren hattı olan -TGV doğu hattında (Paris
-Strasbourg) asfalt alt balast tabakası ile 3 km uzunluğunda deneme kesimi yapmıştır. Bu deneme kesiminin
amacı yüksek hızlı raylı sistem alt yapı projelerinde asfalt alt balast tabakasının bir alternatif olarak kabul
edilip edilemeyeceğini tespit etmekti [7.].
Klasik balast
Bitümlü balast
Balast 30 cm
Alt tabaka GNT 0/31,5 - 20 cm
Balast 30 cm
Bitümlü temel- 14 cm
Alt tabaka reglaj ,GNT 0/31,5 - 20 cm
Kalker granüler malz.- 50 cm
PST taban
80MPa, dere malzemesi
70 cm kazma
PST taban
85 cm dere malzemesi
Taban üzerinde: 100 cm
64 cm
Kalnlk 36 cm azlatlarak 5000 m3/km malzeme tasarruf edilmiştir.
Şekil-6 Klasik balast ve bitümlü alt balast kesiti [7.]
Şekil-6'da, TGV Doğu hattında 3 km'lik kesimde klasik uygulanan agrega balastlı üstyapı ile asfalt balastlı
üstyapı karşılaştırılmıştır.
Klasik sistemde 200 mm'lik alt balast tabakası üzerine 300 mm kalınlığında balast tabakası uygulanmıştır.
Bu tabakalar, 500 mm kalınlığında granüler kalker malzemeden oluşturulan bir tabaka üzerine inşa
edilmiştir.
Asfalt alt balast tabakası alternatifinde ise, 500 mm'lik granüler kalker tabakası yerine 200 mm kalınlığında
tesviye tabakası uygulandıktan sonra, (GNT 0/31,5) 140 mm asfalt alt balast tabakası getirilmiştir. Böylece
toplam kalınlık 360 mm daha az olduğundan, kullanılan malzeme miktarı 5,000 m3/km azaltılmıştır [7.]
200 mm'lik tesviye tabakası üzerine toplam 14,5 m genişliğinde ince agrega ve bitüm (1,5 kg bitüm/m2)
uygulayarak sathi kaplama yapılmıştır. Sathi kaplamanın uygulanmasının amacı, tesviye tabakasını inşaat
ekipmanlarının bozucu etkilerinden korumak ve yüzey drenajını artırmaktır. Asfalt tabakanın genişliği 10,7
m’dir. Asfalt tabaka üzerine 0,8 kg / m2 bitüm uygulanarak ince agregayla sathi kaplama yapılmıştır.
Asfalt deneme kesiminin yapılmasından sonra SNCF 4 yıl boyunca çeşitli deneyler yaparak bu tip yapının
bakım üzerine etkileri ve sıcaklık değişimlerine karşı davranışlarını belirlemiştir. Asfalt temel tabakasına
çeşitli sensörler yerleştirerek, sıcaklık, basınç, gerilme, deformasyon ve hız değişimi ölçülmüştür. TGV
Doğu hattı Haziran 2007'de hizmete açılmıştır.
İlk deneme ve elde edilen sonuçlarla SNCF, yüksek hızlı tren yollarında bu çözümü kullanmaya karar
vermiştir. Halen uygulanan üstyapı tipi aşağıda verilmiştir. Bu üstyapıda Şekil 7'de görüldüğü gibi tabaka
kalınlığı 21 cm azaltılmıştır. Kullanılan asfalt betonu yorulma direnci yüksek ve düşük hava boşluğu
içerecek şekilde dizayn edilmektedir. Bitümlü temelin altında tesviye tabakası üzerinde sathi kaplama
uygulanmıştır.
13
13
Balast 30 cm
Alt tabaka 20 cm
GNT 0/31,5
Kalker granüler malz 35 cm
Balast 30 cm
Bitümlü temel 14 cm
Tesviye tabakas GNT 0/31,5 20 cm
PST taban 80 MPa
PST taban
Taban üzerinde üstyap 85 cm
Kalnlkta azalma
Taban üzerinde üstyap 64 cm
Şekil-7 Klasik ve bitümlü alt balast [7.]
Demiryollarında daha sonra yeni çalışmalar da yapılmıştır ve bir deneme kesiminde özel bir asfalt betonu
dizaynıyla %20-%30 oranında kazınmış asfalt geri kazanılarak kullanılmıştır.
Yüksek hızlı tren hatlarında kullanılacak asfalt betonunun mekanik özellikleri aşağıda verilmiştir:
-
Rijitlik modülü ≥ 11,000 MPa (15° C ve 10 Hz)
Yorulma ≥ 100 μd (mikro deformasyon)
Fransa'da asfalt betonu tramvay hatlarında da kullanılmaktadır.
14
14
4.4 İspanya
4.4.1 Alt-balast tabakaları
İspanya'da Demiryolları idaresi yüksek hızlı tren hattının 4 kesiminde granüler alt balast tabakası yerine
bitümlü alt balast tabakası denemeleri yapmaya karar vermiştir [3.], [8.] ve [9.]
x Valdestillas – Río Duero (Line Madrid – Valladolid)
x Sils – Riudellots. (Line Barcelona – Figueras)
x Villodrigo – Villazopeque. (Line Valladolid – Burgos)
x Aspe – El Carrús.(Line Alicante – Murcia)
En uzun deneme kesimi 10 km olup , Villodrigo - Villazopeque arasında yapılmıştır. Ancak bu kesim halen
hizmete açılmamıştır.
Barselona-Fransa sınırında yüksek hızlı tren hattında 1 km'lik Sils ile Riudellots arasına çok sayıda
ekstensiyometre ve zemin basınç hücreleri ile zemin rutubetini ve sıcaklığı ölçen sensörler yerleştirilmiştir. 4
yıl süreyle ölçüm yapılacaktır. Demiryolundan bu sürede hızı 300 km /saat olan hızlı tren ile 120 km/saat
hızlı farklı kategorilerde trenler geçecektir. Buradan elde edilecek sonuçlarla, bu üstyapı tipinin alternatif bir
çözüm olarak bundan sonra yeni yapılacak olan 2000 km'lik yüksek hızlı tren hattında uygulanıp
uygulanamayacağı hususu netleştirecektir.
Şekil-8 Madrid-Valladolid arası yüksek hızlı tren hattında Segovia - Valdestillas arasındaki bir kesimde (sol)
ve Barselona-Fransa sınırı aralarında yüksek hızlı tren hattında Sils ile Riudellots arasındaki bir kesimde
(sağ) bitümlü alt balast uygulaması [3.].
Bitümlü alt balast
(klasik yol temel malzemesi
karşm)*
Kalnlklar ,en az
Don önleyici tabaka
Üstyap taban
QS3 toprağ (min E = 80 MPa
* İspanya yol standardlarna göre S20 karşm
Şekil-9 İspanya yüksek hızlı tren hattında bitümlü alt balastla uygulanan üstyapı dizaynı [3.]
Deneyimlerden elde edilen sonuçlara göre, İspanya Demiryolu Altyapısı İdaresi-ADIF (Spanish Rail
Infrastructure Agency) tarafından belirlenen bitümlü karışım teknik özellikleri aşağıda belirtilmiştir:
15
15
x
x
-
Bitümlü bağlayıcı : B50/70 veya B70/100.
Agregalar:
Kum eşdeğeri > 50 ( veya metilen mavisi <10 ise kum eşdeğeri >40 )
Kırılmış tane oranı >90%
Yassılık indeksi <25
Los Angeles deneyi > 25
İlave filler > 50%
Gradasyon limitleri:
Elekler
UNE-EN 933-2 ,mm
45
32
22
16
8
2
0,5
0,25
0,063
-
AC 22 S
% Geçen
100
90-100
70-88
50-66
24-38
11-21
8-16
4,5-8
AC 32 S
% Geçen
100
90-100
68-82
48-63
24-38
11-21
8-16
4,5-8
Bağlayıcı içeriği > 4,75% (asfalt karışımının kütlece %'si)
Filler/bağlayıcı oranı: 0,9-1,2
Boşluk içeriği EN 12697-8 ( Ek B EN 13108-20): 3-5%
Suya karşı hassasiyet (EN 12697-12 ITS deney metodu 15ºC) > 85%
Dinamik rijitlik modülü (EN 12697-26): 3700-7100 (20ºC)
Yorulma direnci (EN 12697-24 metot D), ε6> 120 mdef
Bir sonraki aşama olarak, ASEFMA tarafından önceki deneyimlere ilişkin bilgiler toplanmaktadır.
Monograph nº 13 (Demiryolu hattının yataklarında bitümlü karışımların kullanılması) dokümanında bitümlü
alt balast için asfalt karışımları ve malzemeleri ile ilgili gerekli kriterleri veren bir ek hazırlanmıştır.
4.4.2 Ballastsız asfalt uygulamaları
Bu tip uygulama için Las Palmas de Castellón ile Oropesa del Mar (Castellón) arasında 2003 yılında bir
deneme hattı yapılmıştır. Bu uygulama standard ve yüksek hızlı tren gereklerine uygundur. Projenin esas
amacı, düşük bakım maliyetli, güvenli, kaliteli, uygun demir yolunun yapılmasıdır. Bu deneme hattında
Edilón, Rheda Dywidag, Rheda 2000, Stedef,GETRAC ve ATD'den oluşan 6 sistem denenmiştir.
Dışarıdan yerleştirilen aletlerle (151 sensör) , çapraz kanal rölatif hareketi, defleksiyon, dinamik ray
gürültüsü ve titreşim verileri toplanmıştır. Ayrıca hattın geometrisi ve bağlantı elemanlarının torkları düzenli
olarak gözlenmiştir.
Sonraki aşamada, birçok firmanın yer aldığı Ar-Ge projesinde, asfalt karışımlara dayalı balastsız sistemler
için matematiksel bir model geliştirilmektedir [17].
16
16
4.5 Japonya
Japonya’da hem yüksek hızlı hem de normal demiryolu hatlarının yataklarında asfalt yaygın olarak
kullanılmaktadır [9.].
Asfalt yatak kullanılmasının ilk nedeni, balasta sağlam bir mesnet oluşturmak ve hattaki düzgünsüzlükleri
azaltmaktır. Ayrıca üstyapı tabanının deformasyonunu önlemek için taban üzerine gelen yükleri
azaltmaktadır.
Japonya'da "Demiryolu altyapısında dizayn standardı"nda tasarım yöntemi verilmiştir (Zemin yapıları).
Ocak 2007'de dizayn standardı revize edilerek performans esaslı dizayna geçilmiştir.
2007'den önce her bir tabakanın kalınlığı belirtilirken, performans esaslı dizaynda geçen tren sayısına göre
yorulma ömrü dikkate alınmıştır.
Performans esaslı dizayn yönteminde aşağıda belirtilen 3 farklı standard üstyapı dizaynı kullanılmaktadır
[9.]:
x Performans Sınıf I: Balastsız demiryolu için beton veya asfalt temel
x Performans Sınıf II: Balastlı demiryolu için asfalt temel
x Performans Sınıf III: Balastlı demiryolu için kırmataş temel
Performans Sınıf I de balast uygulanmamaktadır, bu yollarda tabliyeye doğrudan bağlanan betona, asfalt
veya beton tabakaları mesnet oluşturmaktadır. Bu tip dizaynda yol en yüksek kaliteye sahip olacak şekilde
dizayn edilmektedir. Yol oturmaları, donatılı beton temelindeki kırılmalar, yorulma hasarları, çatlak,
büzülme ve termal gerilmeler dizayn ve kontrol aşamalarında dikkate alınmaktadır.
Performans Sınıf I 'de asfalt temel ile oluşturulan üstyapının tipik boyutları [10.]:
x Tabliye genişliği : 2220 mm
x Beton tabliye kalınlığı : 190 mm
x Asfalt betonu temel tabakası kalınlığı: 150 mm
x İyi derecelenmiş kırmataş tabakası kalınlığı : 150 mm
Performans Sınıf II, balastlı üstyapıda 50 mm kalınlığında asfalt tabakası kullanılmaktadır.
Bu dizaynla yapılmış demiryolları, asfaltın yük dağıtma özelliğinden ve drenaj etkinliğinden dolayı 30 yıl
dayanabilmektedir. Performans esaslı dizaynda taban oturmaları ve asfalttaki yorulma hasarları öncelikli
dizayn kriterleridir.
Performans Sınıf II tipik enkesitleri, Şekil 10 ve 11'de gösterilmiştir.
x Traversler altındaki balast kalınlığı : 250-300 mm
x Asfalt betonu tabakanın kalınlığı : 50 mm
x İyi gradasyonlu kırmataş tabakası kalınlığı : 150-600 mm
Performans Sınıf III 'de kullanılan granüler tabakaların tipik dizaynı:
17
17
Ray
Traversler
Ray
Balast
Asfalt yol temeli
Şekil-10 Balastlı üstyapı [10.].
Balast
Asfalt betonu tabaka
Drenaj borusu
Drenaj tabakas
Yol temeli
İyi gradasyonlu krmataş tabaka
Üstyap taban
Şekil-11 Balastlı yol en kesiti ve asfalt yol temeli [10.]
18
18
4.6 Amerika Birleşik Devletleri
ABD'de 1980'lerden itibaren demiryollarında asfalt temel kullanımı gittikçe artmıştır [6.].Öncelikle mevcut
demiryolu hatlarında temelin performansını artırmak için asfalt bakım amaçlı kullanılmaktadır. Yeni
demiryolu inşaatlarında ise, yüksek performans sağlayan asfalt temelin ekonomik olduğu doğrulanmıştır.
ABD'de demiryolunda asfalt, alt balast tabakası olarak kullanılmaktadır (ABD'de "Asfalt altlık" olarak
bilinmektedir.-Şekil 12 ) ve ayrıca granüler alt balast tabakasının bir kısmının yerine kullanılması halinde
ise, "Asfalt kombinasyonu" olarak anılmaktadır Şekil 13.
Balast
Asfalt
Üstyap taban
Kaya taban
Şekil-12 “Asfalt altlık", granüler alt balastsız temel [9.]
Balast
Asfalt
Alt Balast
Üstyap taban
Kaya taban
Şekil-13 “Asfalt kombinasyonu” asfalt ve alt balast tabakalı üstyapı [9.]
ABD'de demiryollarında tipik olarak uygulanan asfalt alt balast tabakasının dizayn ve yapım standardları,
Asfalt Enstitüsü tarafından hazırlanmıştır. (Asphalt Institute, 1998; Asphalt Institute 2007). Tipik olarak
asfalt tabakaları yaklaşık 3.7 m genişliğinde ve 125- 150 mm kalınlığındadır. Zayıf üstyapı tabanı ve yüksek
basınca maruz alanlar için genellikle 200 mm kalınlık uygulanmaktadır. Balastın takviye edilmesinde normal
uygulama kalınlığı ise 200-300 mm arasındadır. [9.].
Maksimum agrega boyutu 25-37,5 mm olan yoğun gradasyonlu malzeme karışımları karayolu temel
tabakalarında kullanılan tipik asfalt karışımlarıdır. Tipik karayolu karışım özelliklerinin kısmen çok az
değiştirilmesiyle demiryolu için ideal karışımlar elde edilmiştir. Normalde bitüm içeriği karayolunda
uygulanan karışımın bitüm içeriğinden % 0,5daha fazla olan, düşük ve orta derecede elastisite modülüne
sahip, %1-% 3 hava boşluklu bir karışım elde edilir. Bu karışım, %5'den daha düşük hava boşluğunda
kolayca sıkıştırılır. Böylece, yeterli dayanımı sağlayan geçirimsiz bir tabaka elde edilir. Geniş alanda balast
üzerinde oluşan basınç, asfalt temel tabakası üzerinde tekerlek izi gibi kalıcı deformasyona neden olmaz.
19
19
5. Kaynaklar
1.
Teixeira, P.F. and Lopez-Pita, A. (2005) Viability of Using Bituminous Subballast Layer on High-Speed Ballasted
Tracks. Proceedings of the BCRA2005 - International Conference on Bearing Capacity of Roads, Railways and
Airfields Conference, Trondheim, Norway, 27-29 June 2005.
2.
Xiangwu (David) Zeng; Rubber-Modified Asphalt Concrete for High-Speed Railway Roadbeds; Final Report for
High-Speed Rail IDEA Project 40, 2005, Transportation Resreach Board, USA
3.
Teixeira, P.F., P. A. Ferreira, A. López Pita, C. Casas, A. Bachiller; The Use of Bituminous Subballast on Future
High-Speed Lines in Spain: Structural Design and Economical Impact. International Journal of Railway, vol. 2, no.
1, pp.1-7, 2009. ISSN 1976-9067.
4.
Georgios Michas; Slab Track Systems for High-Speed Railways; Master Degree Project; Division of Highway
and Railway Engineering, TSC-MT 12-005, Stockholm 2012
5.
Jörg Frenzel, Jürgen Frenzel, Vier Jahrzehnte Feste Fahrbahn System Sato auf Asphalttragschicht, EIEisenbahningenieur, Heft 9, September 2010, DVV Media Group GmbH, Hamburg, Germany.
6.
ATD-G and RHEDA CITY GREEN - The green tracks for urban traffic; RAIL.ONE GmbH, Neumarkt, Germany.
7.
Bitume Info (2005) Sous Les Rails, le Bitume. No 10, October, 2005, GPB, France.
8.
Teixeira, P.F., A. López Pita, C. Casas, A. Bachiller and F. Robusté (2006). Improvements in high-speed ballasted
track design: benefits of bituminous subballastlayers. Transportation Research Record: Journal of the
Transportation Research Board Nº 1943, 2006, pp.43-49, ISSN 0361-1981, ISBN 0-309-09425-9.
9.
Jerry G. Rose ; Paulo Fonseca Teixeira ; Nathan E. Ridgway; UTILIZATION OF ASPHALT/BITUMINOUS
LAYERS AND COATINGS IN RAILWAY TRACKBEDS – A COMPENDIUM OF INTERNATIONAL
APPLICATIONS; Proceedings of the 2010 Joint Rail Conference ; JCR2010 ; April 27-29, 2010, Urbana, Illinois,
USA
10. Momoya, Y. New Railway Roadbed Design. Railway Technology Avalanche, No. 20, December 26, 2007, pp.
118.
11. Beeken, G.: Eisenbahnoberbau auf Asphalt für den schnellen und schweren Verkehr der Zukunft [Railway Tracks
on Asphalt for the Rapid and Heavy Traffic of the Future]. Asphalt (1994), 3, pp. 17-24
12. Darr, E., Fiebig, W.: Stand der Entwicklung und des Einbaus der festen Fahrbahn auf Asphalttragschichten [The
State of Development and of the Paving of the Solid Railway Trackbed on Asphalt Bases]. Asphalt (1997), 7-8, pp.
18-27.
13. Schreiner, H.: Solid Railway Trackbed with Asphalt Base: The ATD System. Asphalt (1995), 5, pp. 7-15
14. L'expérience grave-bitume de la LGV Est européenne. Robinet Alain, Cuccaroni Alain. Revue Générale Des
Chemins De Fer. N°220, Octobre 2012, pp44-50.
15. Lignes à grande vitesse : Le bitume confirme sa présence. Bitume Info. N°29, Printemps-Été 2013, pp8-9.
16. Grave-bitume : les avantages du ballast et de la chaussée routière. Laval Patrick. Ville Rail & Transports. N°496,
Mai 2010, pp60-61.
17. López J.R., Felipo, J., Sánches F., Cuzic M., Martínez A., Guilló I., Ares G., Ángel B., Real J., Montalbán L.:
Nuevo sistema de vía en placabituminosa (ProyectoBituvia). VIII JornadaNacional de Asefma. 2013.
Comunicación nº 18.
20
20