Silindirle sıkıştırılmış sentetik lifli beton yol karışım tasarımı ve mekanik özellikleri

Rijit ve esnek yol kaplamaları bir çok açıdan birbirinden farklıdır ve her iki kaplama türünün kullanımının da çeşitli avantaj ve dezavantajları vardır. Genel olarak, rijit kaplamalar daha yüksek dayanım ve dayanıklılığa sahipken, esnek yollar hızlı inşa edilebilmesi sebebiyle inşa maliyeti açısından daha ekonomiktir. Dolayısıyla, uygun yol kaplamasının seçimi yol uygulamaları açısından kritik bir konudur. Silindirle sıkıştırılmış beton (SSB) yol kaplamaları geleneksel beton yol kaplamaları ile aynı malzemeleri içermekte iken (agrega, çimento, su, (puzolan, katkı malzemeleri)), esnek yol kaplaması uygulamalarında kullanılan araçlar (damperli kamyon, asfalt finişeri vb.) ile inşa edilmektedir. Bu nedenle, malzeme içeriği dolayısıyla geleneksel beton yol kaplamaları gibi yüksek dayanım ve dayanıklılığa sahip olan SSB kaplamalar, inşaat yöntemi dolayısıyla esnek yol kaplamaları ile benzer sürelerde inşa edilebilmektedir. Bu sebeple, SSB yol kaplamaları inşaat ve bakım maliyeti açısından diğer kaplama türlerine göre daha avantajlı olup, yol kaplaması uygulamalarında SSB kulllanımı giderek artmaktadır. Yukarıda da bahsedilen benzer malzeme içeriği sebebi ile, SSB ve geleneksel beton yol kaplamalarının yapısal davranışı benzerlik göstermektedir ve her iki kaplama türü de rijit kaplama olarak tasarlanmaktadır. Rijit kaplamaların tasarımında temel olarak, araç lastikleri etkisiyle kaplamalarda oluşacak eğilme gerilmeleri, kaplamanın eğilme dayanımından düşük olmalı, ve tekrarlı yükler altında kaplamada oluşacak hasar (yorulma hasarı) izin verilen sınırlar içerisinde kalmalıdır. Dolayısıyla, gerekli kaplama kalınlığı malzemenin eğilme dayanımı ve yorulma direncinin artması ile azalmaktadır. Literatürde yer alan çalışmalar hem geleneksel beton hem de SSB'nin eğilme dayanımı, eğilme tokluğu ve yorulma direncinin lif kullanımı ile artırılabileceğini ve bu artış sebebi ile de aynı kaplama kalınlığı kullanılarak daha uzun ömürlü yolların inşa edilebileceğini göstermektedir. Diğer bir yönden bakacak olursak, aynı kullanım ömrü için rijit kaplama malzemesi içerisine lif katılması daha az kalınlıkta kaplama kullanımına olanak sağlamaktadır. Yol projelerinin ölçekleri de düşünüldüğünde, kaplama kalınlığının azaltılmasının ekonomik açıdan sağlayacağı faydanın boyutu açıktır. Ayrıca, rijit kaplamaların bağlayıcı malzemesi olan çimentonun çevreye olan negatif etkisi düşünüldüğünde, lif kullanımının daha sürdürülebilir yol üretimine imkan verdiği görülmektedir. Rijit kaplamalarda lif kullanımın sağlamış olduğu, yukarıda bahsedilen avantajlara karşın, SSB'de lif kullanımı ile ilgili olarak yapılmış olan çalışmaların sayısı oldukça yetersizdir. Ayrıca, literatürde bulunan sınırlı sayıda çalışmanın önemli bir kısmı çelik liflerin kullanımına odaklanmış olup, sentetik lifler kullanılarak yapılmış çalışma sayısı oldukça azdır. Dolayısıyla, bu konunun araştırılmaya devam edilmesi gerekmektedir. Bu çalışmanın temel amacı, lifsiz ve sentetik lifli SSB karışım tasarımlarının yapılarak, lif kullanımının SSB'nin mekanik özellikleri üzerindeki etkisinin belirlenmesidir. Çalışmada, amaç beton sınıfı C30 / 37 olarak belirlenmiştir. Artan çimento miktarı, geleneksel betonda olduğu gibi SSB'de de dayanımı artırmaktadır. Dolayısıyla amaçlanan beton sınıfına ulaşmak üzere farklı miktarda çimento içeren (ağırlıkça % 11 – 12 – 13) SSB karışımların tasarımı zemin sıkıştırma yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Daha sonra tasarımı yapılan karışımlar kullanılarak, 150 x 300 mm boyutlarında silindir numuneler, titreşimli matkap kullanılarak hazırlanmış, 7 ve 28 günlük basınç dayanımları belirlenmiştir. 28 günlük silindir basınç dayanımı değerleri kullanılarak amaçlanan beton sınıfına ulaşmak için ağırlıkça % 12 oranında çimento kullanımının yeterli olduğu belirlenmiştir. Sonrasında, liflerin SSB'nin mekanik özelliklerine olan etkilerini belirlemek için aynı miktarda çimento içeren (ağırlıkça % 12) 2 farklı tip sentetik lifli (54 mm ve 36 mm sentetik lif) SSB karışım tasarımı lifsiz karışımlarda olduğu gibi zemin sıkıştırma yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Bu aşamada lif miktarını belirlemek üzere literatür araştırması yapılmış ve bir çok çalışmada hacimce % 0.5 oranında lif kullanıldığı görülmüştür. Dolayısıyla çalışmada lif miktarı her iki lif için hacimce % 0.5 olarak seçilmiştir. Lifli SSB karışımların da tasarımının yapılmasının ardından, aynı miktarda çimento içeren lifli ve lifsiz karışımlar kullanılarak 150 x 300 mm silindir, 150 x 150 x 550 mm prizma ve 150 x 63.5 mm disk numuneler titreşimli matkap yöntemi kullanılarak hazırlanmış ve hazırlanan numuneler su kürüne tabi tutulmuştur. Kür periyodlarının tamamlanmasının ardından hazırlanan numunelere basınç, elastisite modülü, eğilme (3 noktalı çentik ve 4 nokta çentiksiz) ve darbe direnci testleri uygulanmıştır. Uygulanan tüm testlerin sonuçları açısından, sentetik lifli ve lifsiz SSB karışımlar birbirleri ile kıyaslanmış ve sentetik liflerin SSB'nin mekanik özelliklerine olan etkileri belirlenmiştir. Son olarak lifli ve lifsiz SSB için yapılan deneylerin sonuçları örnek bir yol için kalınlık tasarımında kullanılmış ve liflerin kalınlık ihtiyacına olan katkıları belirlenmiştir. Çalışmadan elde edilen temel sonuçlar aşağıda verilmiştir. Sıkıştırma sonrası maksimum kuru birim hacim ağırlığa ulaşabilmek için gerekli su miktarını (optimum su muhtevası) belirlemek üzere uygulanan modifiye proktor testi sonuçları lifsiz karışımlar için çimento miktarının artışıyla optimum su muhtevasının ve maksimum kuru birim hacim ağırlık değerlerinin arttığını göstermiştir. Ayrıca, lifli karışımlara uygulanan testlerim sonucunda, her iki tip sentetik lifin kullanılması ile de optimum su muhtevasının arttığı ve maksimum birim hacim ağırlığın düştüğü, bu düşüşün 54 mm lifler için daha az olduğu gözlemlenmiştir (aynı miktarda çimento içeren lifsiz karışıma kıyasla). Basınç testi sonuçları, 7 ve 28 günlük basınç dayanımı değerlerinin artan çimento miktarı ile arttığını, her iki tip lif kullanımı ile de azaldığını ve azalma miktarının 54 mm lifler için daha az olduğunu göstermiştir (aynı miktarda çimento içeren lifsiz karışıma kıyasla). Ayrıca basınç deneyi sonuçlarının modifiye proktor testi sonucu elde edilen maksimum birim ağırlık sonuçları ile yüksek derecede ilişkili olduğu gözlemlenmiştir. Elastisite modülü testi sonuçları, her iki tip sentetik lifin kullanımı ile de ortalama elastisite modülü değerlerinin düştüğünü ve düşüş miktarının 54 mm lif içeren karışımlar için daha az olduğunu göstermiştir. Ayrıca testler sonrasında bulunan basınç dayanımı elastisite modülü ilişkisi, geleneksel beton için hazırlanmış olan bazı kodların vermis olduğu ilişkiler ile kıyaslandığında, geleneksel beton için verilen ilişkilerin SSB için kullanılmasının uygun olmadığı görülmüştür. Eğilme dayanımı testi sonuçları (3 ve 4 noktalı eğilme deneyi) her iki tip sentetik lif kullanımının da eğilme dayanımında düşüşe sebep olduğunu, buna karşın artık eğilme dayanımı ve eğilme tokluğu değerlerinin her iki tip lifin kullanılması ile de arttığını göstermiştir. Darbe dayanımı test sonuçları, görünür ilk çatlağa sebep olan darbe sayısı değerinin 36 mm liflerin kullanımı ile düştüğünü, 54 mm liflerin kullanımı ile ise arttığını göstermiştir. Benzer sonuçlar nihai göçmeye sebep olan darbe sayısı değerleri için de gözlemlenmiştir. Diğer yandan, nihai göçmeye sebep olan darbe sayısının, görünür ilk çatlağa sebep olan darbe sayısına oranı (malzemenin tokluğu ile ilişkili parametre) değerinin her iki tip lifin kullanımı ile de arttığı gözlemlenmiştir. Örnek yol için lifsiz ve sentetik lifli SSB test sonuçları kullanılarak yapılan kalınlık tasarımı sonuçları, her iki tip sentetik lifin kullanımı ile de kaplama kalınlığı gereksiniminin azaltılabileceğini göstermiştir.