Effects of mixture design parameters and compaction methods on the properties of roller compacted concrete pavements

Abstract

Tezin amacı silindirle sıkıştırılmış beton (SSB) karışımlarının laboratuvar koşullarında doğru ekipman ve tasarımla, saha ortamındaki gerçek performansını yakalayabilmesi için uygun bir sıkıştırma metodolojinin geliştirilmesi ve daha sonra bu sıkıştırma metodolojisi kullanılarak farklı dayanım sınıflarındaki SSB'lerin mekanik ve kırılma özelliklerinin belirlenmesidir. Son olarak ise farklı dayanımlara sahip SSB'lerin uzun süreli yorulma performanslarının araştırılmasıdır.Bu amaçla üç aşamalı bir deneysel çalışma planlanmıştır. Birinci aşamada, farklı dozaj ve su oranına sahip SSB karışımları hazırlanmış ve bu karışımlardan, farklı sıkıştırma prosedürleri dolayısıyla farklı sıkıştırma dereceleri kullanılarak numuneler hazırlanmıştır. Ayrıca, saha koşullarını laboratuvar koşullarına aktaran çift tamburlu titreşimli el silindiri kullanılarak uygulanan bir sıkıştırma metodolojisi de bu bağlamda geliştirilmiş ve sonraki numune hazırlamada kullanılmıştır. İkinci aşamada, geliştirilen bu sıkıştırma metodolojisiyle SSB tasarımları yapılarak, SSB karışım parametrelerinin (bağlayıcı miktarı, agrega gradasyonu) SSB özelliklerine, özellikle de kırılma parametrelerine etkisi gözlemlenmiştir. Son olarak bir önceki aşamada elde edilen farklı performans kategorisine ait üç tane SSB karışımı için eğilmede yorulma Gerilme-Çevrim (S-N) ilişkisi belirlenmiştir. Sonuç olarak, ideal SSB karışımlarına %5-6 su oranları, 30±10 sn Vebe süreleri ile %96'dan daha yüksek sıkışma oranlarındaki karışımlar ile elde edildiği görülmüştür. Kırılma parametrelerinden kırılma tokluğu ise bağlayıcı miktarı ve maksimum agrega boyutu ile artış gösterdiği görülürken, karışımların kırılma enerjilerinde bağlayıcı miktarının ve maksimum agrega boyutunun önemli bir etkisi görülememiştir. Son olarak, SSB karışımların yorulma davranışlarına bakıldığında, karışımların ortalama yorulma dayanımları nihai statik dayanımlarının yaklaşık %62,5'i olduğu görülmüştür. Her şeyden öte, sadece sıkıştırma yöntemlerinden değil aynı zamanda karışım tasarımlarından da etkilenen sıkışma oranının, SSB özelliklerini etkileyen en önemli parametrelerden biri olduğu tespit edilmiştir.

The aim of the thesis is to develop laboratory compaction methodology suitable for simulating field compaction procedures used for creating roller compacted concrete (RCC) mixtures. Based on this methodology, mechanical performance and fracture properties of RCC mixtures of different strength classes were determined and long-term fatigue performance of RCC mixtures with different strength levels was investigated.In this context, a three-phase experimental study was designed. First, mixtures with different binder content and water amounts were prepared, and samples were made using different compaction procedures. A compaction methodology using a double drum vibratory hand roller was also implemented to represent field compaction procedures in the laboratory and was used to prepare RCC specimens in the later stages of the study. Second, the effects of RCC mixture parameters on RCC properties, especially fracture parameters, were determined for different binder contents and maximum aggregate sizes. Finally, for three RCC mixes of different performance categories, the flexural fatigue performance was determined and expressed as S-N curves. The experimental results show that ideal RCC mixtures can be achieved with water amounts of 5-6%, Vebe times in the range of 30 ±10 sec, and a compaction ratio higher than 96%. It was also observed that fracture toughness was enhanced with increasing binder dosage and maximum aggregate size, although the increase in binder dosage or maximum aggregate size did not significantly change the fracture energy. Moreover, the average fatigue strength of the RCC mixture, corresponding to 2 million load cycles, was found to be about 62.5% of the ultimate static strength. Above all, compaction ratio, which is influenced by not only compaction methodologies but also mixture designs, is found to be the most important parameters affecting RCC properties.