marshall PB100

Bituminous Mixes
Prof.Dr.Mustafa KARAŞAHİN
Hot Mix Asphalt (HMA) (Bitümlü Sıcak Karışımlar (BSK)), Both
bitumen and aggregates are heated up to certain temperature and
mixed in certain amounts inside the asphalt
HMA are used in:
- Wearing course
- Binder
- Bitümlü temel
tabakalarında kullanılır.
Bitümlü Sıcak Karışımlar (BSK)
Hot Mix Asphalt (HMA) (Bitümlü
Sıcak Karışımlar (BSK)), Both
bitumen and aggregates are
heated
up
temperature
to
and
certain
mixed
in
certain amounts inside the
asphalt plant.
• It is used in
-
Wearing course
Binder course
Bituminous base course
Production of Bituminous Mixes
Expectations from HMA
- Surface should be smooth enough for comfort, but has
enough friction for safety.
- It should stand for both traffic and enviromental
factors without loosing its strength
-
It should stand for deformations
-
It
should
have
deformations.
flexible
enough
for
elastic
- It should transmit the wheel load to lower layers
without rutting
- It has enough shear strength at curves and step
longituditional slopes.
- It should prevent the leakage of surface water
to base layer and subgrade.
- It has enough fatigue life (yorulma) of repeated
load application of heavy vehicles.
Quality of the mix depends on:
- Type of bitumen
- Rate of bitumen
- Aggregate type and amount
- Construction conditions
Stability
• Stability and strength are related to each other and
represents the mix property against deformation due to
wheel loading.
•
If the stability is low, the deformation will be higher
under traffic loading.
• If the stability is too high, the deformation will be lower,
but it wil be brittle which is also unwanted situation.
Toughness (Dayanıklılık)
The mix should stand for changes in traffic loading, water, weather and
temperature.
- Ageing
- Breakage of particles
- Stripping (sökülme) of particles from the surface
Toughness increase depends on:
-More Bitumen content in the mix (up to optimum
level)
-High viscoity bitumen (low penetration value)
-Higher adhesive properties of bitumen
-Good compaction
-Dense grading
If the above conditions are met, imperviousness increase and less air
and water enter inside the pavement, therefore better toughness.
Flexibility
Flexibility properties of bituminous mixes affects the settlements in the
base layer and subgrade in long term. If the mix flexes under the load,
there will not be plastic deformation under the surface. If the surface
has not got enough flexibility, the surface cracks.
Factors affecting flexibility:
- Rate of mineral filler and bitumen in the mix.
- State of bitumen (solid, semi solid, liquid).
- Sensitivity of bitumen against temperature.
Marshall Stability Test
It is a compression test to determine:
-Optimum bitumen content
-Void ratio
- Void ratio filled with the bitumen in the mix
Sample Preparation and Test Procedure
- Approximately 1200 gr aggregate is heated in the oven at 185 oC.
- Bitumen is heated in the oven at 120 oC. Different ratio of bitumen
content is added to heated aggregate starting from 3.5-4 % to 6-7 % with
increments of 0.5 %.
- Aggegate and bitumen are mixed and compacted using Marshall
hammer. For each face of the sample 50 or 75 weight drops are applied.
- The compacted sample dimensions: Dimater 101.6 mm, the height
approximately 64 mm. The compacted samples are kept in the room for a night.
• The sample is left in the water bath at 60 oC for an hour.
• The sample is placed on the Marshall stability test device
• The compressive load is increased until the sample
failure
• When the sample fails, the load and deformation is read
out and recorded.
• The load at the failure is called «stability» and the
deformation is called «flow»
Mix and Compaction Temperature
Viscocity: viskozite; compaction range: sıkıştırma bölgesi; mixig range:
karıştırma bölgesi; temperature: sıcaklık
Sample mould
Compacted
sample
Marshall hammer for compaction
Automatic compacter
Marshall Stabilite Deneyi Yapılışı
- Sonraki gün numuneler 60C’deki su banyosunda 1 saat süre ile ısıtılır.
- Numuneler sıra ile Marshall stabilite aletine yerleştirilir.
- Her numunenin kırılmaya başladığı andaki yük ve deformasyon (akma)
değerleri tespit edilir.
- Basınç uygulandıkça okunan değer artarak maksimuma ulaşır, daha
sonra düşmeye başlar. O anda numune kırılır.
- Okunan maksimum değer yardımıyla bitümlü karışımın stabilitesi
saptanır. Marshall stabilitesi adı verilen bu değer numunenin
kırılmasını sağlayan kg cinsinden toplam yük miktarıdır.
Su Banyosu
Akma Değeri Okuyucu (dial
gauge)
Load cell
Yük
hücresi
Akma (çökme)
Deformasyon
Sample loading jaws
Marshall Test Equipment
2.32
2.34 2.36
2.38
(Hesapla bulunan)
Density (g/cm3)
Density and Bitumen Content
Bitumen content %
(Deney sonucu)
Stability (kg)
Stability and Bitumen Content
Bitumen %
(hesapla bulunan)
Void ratio %
Void ratio and Bitumen Content
şartname
Bitumen %
Void Filled with bitumen and specification
Bağlayıcı ile dolu
agrega boşluğu %
(hesapla bulunan)
şartname
%Asfalt
Optimum bitumen ratio = A  B  C  D tür.
4
Optimum bitumen ratio OOptimum bağlayıcı oranı=
6.3  6.3  5.9  6.9
=6.35
4
The optimum bitumen content is checked with the flow value in the
(deney sonucu)
Akma (mm)
specification.
6.35
%Asfalt
Analysis of Mashall Samples
• Bituminous mixtures are designed considering the density and void
ratio.
• Void ratio
(V) is the space between aggregates surrounded with
bitumen film.
• Void ratio of the compacted sample is calculated from theoritical and
measured densities from the site.
• Maximum theoratical density (D) is the unit weight of the sample
without any void.
Component Diagram
Bulk Specific Gravity (Birim Hacim Ağırlığı)
Apparent Specific Gravity (Görünen Birim Hacim Ağırlık)
Effective Specific Gravity (Efektif Birim Hacim Ağırlık)
Comparison Specific Gravities
Mathematical Equations
Maximum Specific Gravity
D: Karışımın Boşluksuz Birim Ağırlığı
100
D
Pag
Pb

 ag
b
Pag + Pb =100 dür.
(D= Gmm)
Pag =Bitümlü karışımdaki agreganın ağırlıkça yüzdesi,
 ag =Agrega karışımının özgül ağırlığı,
Pb = Bitümlü karışımdaki bağlayıcının ağırlıkça yüzdesi,
 b =Bağlayıcının özgül ağırlığı.
 ag :
Agrega Karışımının Özgül Ağırlığı (Specific gravity of
Aggregate Mix)
100
 ag 
P1 P2 P3
 
1  2 3
P1=İri agreganın ağırlıkça yüzdesi,
P2=İnce agreganın ağırlıkça yüzdesi
P3=Mineral fillerin ağırlıkça yüzdesi
1= İri agreganın özgül ağırlığı,
2= İnce agreganın özgül ağırlığı,
3=Mineral fillerin özgül ağırlığı.
w1:İri agrega ağırlığı,
w2:İnce agrega ağırlığı,
w3:Filler ağırlığı olmak
üzere: P1=
w1
w1  w 2  w 3
V: Sıkıştırılmış Karışımın Boşluk Hacmi Yüzdesi
(Air Voids Ratio in the Compacted Mix)
Dd
V  100
D
D= Karışımın boşluksuz birim ağırlığı
d=Sıkıştırılmış bitümlü karışımın ölçülen birim ağırlığı
Şartnamelerde boşluk oranı için bir alt ve bir üst sınır belirtilmiştir(%3 - 5
gibi). Üst sınır konmasının nedeni, boşluğun artmasının stabilitenin ve birim
ağırlığın düşmesine, geçirimliliğin ise artmasına yol açmasıdır.
Sıcak aylarda bağlayıcı hacminin artması sonunda boşlukların tamamen
dolması, agreganın bağlayıcı ile yağlanmış hale gelmesi ve bağlayıcı
kusması sebebiyle boşluk oranı için bir alt sınır konmuştur.
Şartnamelerde, sıkıştırılmış bitümlü karışımlarda, mineral agrega
içindeki boşluğun (VMA) bağlayıcı ile doldurulma oranı da aranır.
Bunun için önce bitümlü karışım bileşenlerinin hacim yüzdelerinin
bulunması gerekir.
Vag=Sıkışmış bitümlü karışımdaki agreganın hacimce yüzdesi
(Agrega Volume Ratio in the Compacted Mix)
Vag 
Vag 
vag
(vag  vb  v)
100
M ag
Vag 
 ag
(vag  vb  v)
100
Pag * d
 ag
vag 
M ag

ag
Mk
(vag  vb  v) 
d
M ag
Vag 
 ag
Mk
d
100 
M ag * d
M k *  ag
Vag 
100,
Pag * d
 ag
Pag 
M ag
Mk
100
Vb=Sıkışmış bitümlü karışımdaki bağlayıcının hacimce yüzdesi
(Volume Ratio of bitumen in the compacted bituminous mix)
Pb
Vb  d
b
,
Vag+Vb+V=100
V:boşluk hacmi (air voids)% si
Vb:bağlayıcı hacmi (Bitumen volume) % si
100
Vag:agrega hacmi (aggregate volume) % si
(Air void ratio of the aggregate in the bituminous mix)
VMA = Sıkıştırılmış bitümlü karışımda agrega içindeki boşluk hacmi
yüzdesi
VMA= 100-Vag=Vb+V
V:boşluk hacmi % si
100
Vb:bağlayıcı hacmi % si Vma:Agregalar
arası
boşluk
Vag:agrega hacmi % si
Agrega içindeki boşlukların bağlayıcı ile doldurulma derecesi
Vb
Vb
Vb
x100 
x100 
x100
VMA
100  Vag
Vb  V
Design Specification of Bituminous Base
Layer(KTŞ,2013)
Mix Temperatures(KTŞ,2013)
Mix Placement Temperature (KTŞ,2013)
Asphaltic Concrete Specificarion (KTS,2013)
Example 1:
Weight of a bituminous mix sample, which is prepared in the laboratory,
in air is 114.80 gr, and in water 63.20 gr.
The mix is composed of 8% bitumen and 92% aggregates.
Specific gravity of bitumen and bulk specific gravity of aggregates
respectively are 1.02 and 2.69.
Bulk specific gravity of the sample cored the construction site is 2.10.
The specification allows maximum void ratio of 1.1 times of laboratory
mix. Check that the cored sample is within the specification limits.
Verilenler: (Given)
Wa=114.80 gr.,
b=1.02,
Ww=63.20 gr.,
ag=2.69,
Pb=%8,
dyol=2.10,
Pag=%92,
Vyol=?
Aranan: Vyol ? Vlabx1.10 ?
Dd
V  100
D
V: Sıkıştırılmış Karışımın Boşluk Hacmi Yüzdesi
D: Karışımın Boşluksuz Birim Ağırlığı
d: Sıkıştırılmış Bitümlü Karışımın Ölçülen Birim Ağırlığı
d lab
Wa
114.80


 2.22 ,
Wa  Ww 114.80  63.20
D
100
100

 2.38
Pag Pb
92
8


2.69 1.02
 ag  b
Vlab  100
Vyol  100
,
D  d lab
2.38  2.22
 100
 6.72
D
2.38
D  d yol
D
 100
2.38  2.10
 11.76 olarak bulunur.
2.38
Şartname Vyol ? Vlabx1.10 olmasını istiyor ama
Vlab=6.72x1.10=7.39
Vyol = 11.76
11.76 > 7.39 olduğundan şartnameye uygun değildir.
(Void ratio is not satisfied)
Örnek 2:
Bitumen which has a specific gravity of 1.01 is mixed to aggregate in
ratio of 6% by weight. Aggrega voids (VMA) filled with the bitumen is
75% and the bulk specific gravity of the mix (d) is 2.20. A new mix will
be prepared in situ which has an air void of 75% of laboratory sample.
Individual bulk specific gravities of coarse and fine aggregates and filler
are 2.55, 2.65 and 2.45.
The aggregate mix is composed of 65%
coarse, 30% fine and 5% filler material. The bitumen rate in the mix is
7%. Calculate the bulk specific gravity of the mix.
Verilenler:
1=2.55,
2=2.65,
P1=%65,
P2=%30,
d=2.20,
b=1.01,
Vb
 %75
VMA
3=2.45,
P3=%5,
Pb=%6,
Çözüm:
Laboratuarda hazırlanan karışımın boşluk oranı (V):
V=VMA-Vb
Pb
6
Vb 
d
x 2.20  13 , (Vb: bağlayıcının hacimce % si)
b
1.01
Vb
 %75 (agrega boşluklarının bağlayıcı ile doldurulma
VMA
oranı)
13
VMA= 0.75  17 (agregalar arasındaki boşluk hacmi % si)
V=VMA-Vb=17-13=4
Şantiyede hazırlanan 2.ci karışımın boşluk oranı:
Vx0.75=4x0.75=3 olur(Yeni karışımın istenen boşluk yüzdesi).
Şantiye de V=3 boşluk oranını sağlayacak olan karışımın yoğunluğu (d):
Dd
D
V  100
D
100
Pag

 ag
 ag 
D
Pb
b
100
P
P1
P
 2  3
1
2
V  100
Dd
D
3  100x
2.32  d

2.32
3
100
93
7

2.57 1.01
δ ag 
 2.32
100
 2.57
65
30
5


2.55 2.65 2.45
d=2.25 olarak bulunur.
Example 3
Individual bulk specific gravities of coarse and fine aggretates are 2.65
and 2.70 respectively. The aggregate mix is composed of 55% coarse
and 35% fine aggregates.
Individual bulk specific gravity of filler is
unknown.
Void ratio is obtained 20% in the aggregate mix, in other words VMA. A
bituminous sample was prepared using 7% of bitumen which has specific
gravity of 1.01.
If the bitumen fills 80% of air voids in the mix, calculate the individual
specific gravity of the mix.
Verilenler
1=2.65,
P1=%55,
b=1.01,
VMA=20,
2=2.70,
3=?,
P2=%35,
Pb=%7,
Vb/VMA=0.80
Çözüm:
 ag 
100
P1 P2 P3


1  2 3
.......................................(1)
P1+P2+P3=100  55+35+P3=100  P3=10 bulunur.
 ag 
100
55
35
10


2.65 2.70  3
,
ag=?,
Vag: agreganın hacimce %si
Vag 
Pag
δ ag
d
93
d
δag
……………………..(2)
Pag=100-Pb=100-7=93 , ag=?, Vag=?, d=?
Vag=100-VMA=100-20=80
Vb 
Pb
7
d
d
b
1.01
Vb/VMA=0.80
Vb=?, d=?....................................(3)
Vb=0.80x20=16
Vb (3) nolu formülde yerine konulursa
d=2.30,
(2) nolu formül kullanılarak;
ag=2.67
(1) nolu formül ile,
 ag 
3=2.67 olarak bulunur.
16=(7/1.01)xd 
80=(93/ag)x2.30
100
55
35 10


2.65 2.70  3

2.67 

100
55
35 10


2.65 2.70  3
