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
Apparent Specific Gravity
Effective Specific Gravity
Comparison Specific Gravities
Mathematical Equations
Theoretical Unit Weight
D: Karışımın Boşluksuz Birim Ağırlığı
100
D
Pag
Pb

 ag
b
Pag + Pb =100 dür.
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
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
d: Sıkıştırılmış Bitümlü Karışımın Ölçülen Birim Ağırlığı
Numune düzgün ise;
Wa
d
v
Wa= Numunenin havadaki ağırlığı
v = Numunenin hacmi
Numune düzgün değilse suda yer değiştirme metodu kullanılır.
Wa
d
Wa  Ww
Ww= Numunenin sudaki ağırlığı
V: Sıkıştırılmış Karışımın Boşluk Hacmi Yüzdesi
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
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
Pb
Vb  d
b
,
Vag+Vb+V=100
V:boşluk hacmi % si
Vb:bağlayıcı hacmi % si
100
Vag:agrega hacmi % si
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)
Örnek 1:
Laboratuarda hazırlanmış olan bir numunenin havadaki ağırlığı 114.80
gr., sudaki ağırlığı 63.20 gr.’dır.
Bu karışım içinde ağırlıkça %8 asfalt ve %92 agrega vardır.
Asfalt çimentosunun özgül ağırlığı 1.02, agreganın özgül ağırlığı ise
2.69’dir.
Bu karışım yola uygulanıp sıkıştırıldıktan sonra alınan numunenin birim
ağırlığı dyol=2.10 bulunmuştur.
Şartname, yoldaki boşluk oranının laboratuardaki oranın en fazla 1.10
katı olmasını istediğine göre karışım şartnameye uygun mudur?
Verilenler:
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.
Örnek 2:
Bir agrega karışımına, ağırlıkça %6 oranında özgül ağırlığı 1.01 olan bir
bağlayıcı karıştırılarak, agrega boşluklarının (Vma) bağlayıcı ile
doldurulma oranı 0.75 ve birim ağırlığı d=2.20 olan bir karışım
hazırlanmıştır.
Şantiyede boşluk oranı laboratuardaki boşluk oranının %75 i olacak
şekilde yeni bir karışım hazırlanacaktır.
Bu amaçla, iri agrega özgül ağırlığı 2.55, miktarı %65, ince agrega
özgül ağırlığı 2.65, miktarı %30 ve filler özgül ağırlığı 2.45, miktarı %5
kullanılarak bağlayıcı oranı %7 ye çıkarılmıştır.
Buna göre hazırlanan karışımın birim ağırlığı ne olur?
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)
VMA=
13
 17
0.75
(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.
Örnek 3
İri agreganın özgül ağırlığı 2.65, ağırlıkça yüzdesi %55, ince agreganın
özgül ağırlığı 2.70, ağırlıkça yüzdesi %35 iken fillerin özgül ağırlığı
bilinmemektedir.
Bu agrega karışımında kuru agreganın boşluk oranı 20 olarak
bulunmuştur.
Bu agregaya özgül ağırlığı 1.01 olan bağlayıcıdan ağırlıkça %7 ilave
edilmiş ve numune hazırlanmıştır.
Boşlukların bağlayıcı ile doldurulma oranı %80 olduğuna göre, fillerin
özgül ağırlığı nedir?
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
