Long-term mechanical and physical behavior of rural concrete roads: A case study from Trabzon

Year 2025, Volume: 15 Issue: 3, 866 - 882, 15.09.2025

Mehmet Tevfik Seferoğlu , Fatma Lermioğlu

https://doi.org/10.17714/gumusfenbil.1717038

Abstract

This study evaluates the long-term mechanical and physical performance of rural concrete pavements-defined as two-lane, unreinforced jointed plain concrete pavements constructed with a C25 mix design, an average slab thickness of 18–20 cm, serving low-to-moderate traffic volumes (<500 vehicles/day, <10% heavy vehicles), and built directly over compacted granular subgrade-using cylindrical core samples extracted from five neighborhoods in Trabzon, Türkiye: Çal, Gökçeler, Derecik, Çiğdemli, and Yolgören. Laboratory tests included compressive strength, splitting tensile strength, elastic modulus, capillary water absorption, and abrasion resistance. Yolgören exhibited the most severe deterioration, with a 34.84% loss in compressive strength, the lowest tensile strength, and the highest abrasion loss (0.088%), primarily attributed to poor drainage and heavy traffic. Derecik showed 22.18% strength loss and the lowest elastic modulus (14.9×103 MPa), likely due to weak subgrade and freeze-thaw cycles. Çal displayed moderate strength but had the highest capillarity coefficient and significant stiffness reduction (elastic modulus: 15.7×103 MPa), indicating high porosity and freeze-thaw damage. Çiğdemli performed best in surface durability, with the lowest abrasion loss (0.026%) and satisfactory elastic modulus. Gökçeler presented a rare case of strength gain (+0.85%) and retained acceptable stiffness, though minor surface wear (abrasion loss: 0.038%) was observed. These findings demonstrate that mix design alone does not guarantee long-term durability in rural pavements. Site-specific factors-such as curing effectiveness, drainage planning, subgrade preparation, and climate-must be considered in pavement design. A context-sensitive, performance-based approach is recommended for the sustainable development of rural road infrastructure.

Keywords

Abrasion resistance , Compressive strength , Concrete pavement , Elastic modulus , Rural roads , Splitting tensile strength

Kırsal beton yolların uzun vadeli mekanik ve fiziksel davranışı: Trabzon’dan bir vaka çalışması

Abstract

Bu çalışma, kırsal beton kaplamaların uzun dönemli mekanik ve fiziksel performansını değerlendirmektedir. Bu çalışmada “kırsal beton kaplama”, C25 karışım tasarımıyla inşa edilmiş, ortalama 18–20 cm plak kalınlığına sahip, iki şeritli, donatısız ve derzli düz beton kaplamalar; düşük ila orta trafik hacmine (<500 araç/gün, %10’dan az ağır taşıt) hizmet veren, doğrudan sıkıştırılmış granüler zemin üzerine inşa edilen yollar olarak tanımlanmaktadır. Çalışmada Trabzon, Türkiye’nin Çal, Gökçeler, Derecik, Çiğdemli ve Yolgören mahallelerinden alınan silindirik karot numuneleri kullanılmıştır. Laboratuvar testleri kapsamında basınç dayanımı, yarmada çekme dayanımı, elastisite modülü, kapiler su emme kapasitesi ve aşınma direnci ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Yolgören, %34,84’lük basınç dayanımı kaybı, en düşük çekme dayanımı ve en yüksek aşınma kaybı (%0,088) ile en ciddi bozulmayı sergilemiştir; bu durumun temel nedeni yetersiz drenaj ve yoğun trafik yüküdür. Derecik %22,18 oranında dayanım kaybı ve en düşük elastisite modülü (14,9×10³ MPa) ile zayıf zemin ve donma-çözülme döngülerinden olumsuz etkilenmiştir. Çal bölgesi orta düzeyde bir dayanım göstermiştir; ancak en yüksek kapilarite katsayısı ve belirgin bir rijitlik azalması (elastisite modülü: 15,7×10³ MPa) ile yüksek poroziteye ve donma-çözülme kaynaklı hasarlara işaret etmektedir. Çiğdemli, en düşük aşınma kaybı (%0,026) ve tatmin edici elastisite modülü ile yüzey dayanımı açısından en iyi performansı göstermiştir. Gökçeler ise nadir rastlanan bir dayanım artışı (+%0,85) sergilemiş ve kabul edilebilir düzeyde rijitlik değerini korumuştur; ancak yüzeyde hafif aşınma belirtileri (%0,038) gözlemlenmiştir. Bu bulgular, yalnızca karışım tasarımının kırsal beton kaplamalarda uzun vadeli dayanıklılığı garanti edemeyeceğini ortaya koymaktadır. Kür koşulları, drenaj planlaması, zemin hazırlığı ve iklim gibi saha-özgül faktörlerin tasarım sürecinde mutlaka dikkate alınması gerekmektedir. Kırsal yol altyapısının sürdürülebilir gelişimi için bağlama duyarlı, performans odaklı bir yaklaşım önerilmektedir.

Keywords

Aşınma direnci , Basınç dayanımı , Beton kaplama , Elastisite modülü , Kırsal yollar , Yarmada çekme dayanımı

References

• ASTM International. (2019). ASTM C944/C944M: Standard test method for abrasion resistance of concrete or mortar surfaces by the rotating-cutter method. West Conshohocken, PA: ASTM International.
• British Standards Institution. (2001). BS EN 12390-3: Testing hardened concrete-Part 3: Compressive strength of test specimens. London: BSI.
• Çelik, M., Seferoğlu, M. T., Akpınar, M. V., & Seferoğlu, A. G. (2020). Beton yol uygulamalarında derz türlerine göre düşey deplasman oluşumlarının incelenmesi ve maliyet analizi: Trabzon-Rize örneği. El-Cezerî Journal of Science and Engineering, 7(2), 474–486. https://doi.org/10.31202/ecjse.656138
• Çelik, M., Seferoğlu, M. T., Akpınar, M. V., Nasery, M. M., & Seferoğlu, A. G. (2021). Evaluation of load-transfer efficiency of steel mesh reinforced contraction joints in concrete pavement: Accelerated pavement test and FE analysis. Turkish J. of Civil Engineering, 32(6), 11337–11359. https://doi.org/10.18400/tekderg.643027
• Erdoğan, T. Y. (2010). Beton (3rd ed.). Middle East Technical University Press.
• Gürsesli, Y. S. (2019). Farklı fiberlerin betonun kuruma büzülmesi davranışına ve betonda plastik rötre sonucu oluşan çatlaklara etkisi [Master’s thesis, İstanbul Technical University].
• Hassan, M. S., Al-Azawi, Z. M., & Taher, M. J. (2016). Complementary effect of heat treatment and steel fibers on mechanical and microstructural properties of high-performance concrete. Arab. J. Sci. and Eng., 41(10). https://doi.org/10.1007/s13369-016-2056-z
• Jaber, A., Gorgis, I., & Hassan, M. (2018). Relationship between splitting tensile and compressive strengths for self-compacting concrete containing nano- and micro silica. MATEC Web of Conferences (pp. 1-8), 02013. https://doi.org/10.1051/matecconf/201816202013
• Liu, H., Luo, G., Wang, L., & Gong, Y. (2019). Strength time-varying and freeze-thaw durability of sustainable pervious concrete pavement material containing waste fly ash. Sustainability, 11(1), 176. https://doi.org/10.3390/su11010176
• Luo, S., Bai, T., Guo, M., Wei, Y., & Ma, W. (2022). Impact of freeze–thaw cycles on the long-term performance of concrete pavement and related improvement measures: A review. Materials, 15(13), 4568. https://doi.org/10.3390/ma15134568
• Mehta, P. K., & Monteiro, P. J. M. (2014). Concrete: Microstructure, properties, and materials (4th ed.). McGraw-Hill Education, New York. https://www.accessengineeringlibrary.com/content/book/9780071797870
• Neville, A. M. (1996). Properties of concrete (4th ed.). New York: John Wiley and Sons.
• Seferoğlu, M. T., Seferoğlu, A. G., Çelik, M., & Akpınar, M. V. (2022). Investigating the influence of joint reinforcements of Portland cement concrete slabs under asphalt concrete overlays on vertical deflections using accelerated pavement testing. Transportation Research Record, 2676(11), 296–305. https://doi.org/10.1177/03611981221092380
• Şengün, E. (2024). Mekanistik-ampirik tasarım yaklaşımıyla silindirle sıkıştırılmış beton yol performans değerlendirmesi: Ankara Temelli Yolu örneği. Black Sea Journal of Engineering and Science, 7(6), 1155-1162. https://doi.org/10.34248/bsengineering.1538930
• Şimşek, O. (2009). Beton ve beton teknolojisi (3rd ed.). Seçkin Press.
• Taylor, P. C., Kosmatka, S. H., Voigt, G. F., Ayers, M. E., Davis, A., Fick, G. J., Gajda, J., Grove, J., Harrington, D., Kerkhoff, B., Özyıldırım, C., Shilstone, J. M., Smith, K., Tarr, S. M., Tennis, P. D., Van Dam, T. J., & Waalkes, S. (2007). Integrated materials and construction practices for concrete pavement (Publication No. FHWA-HIF-07-004). https://rosap.ntl.bts.gov/view/dot/42865
• Turkish Standards Institution. (2000). TS 500: Betonarme yapıların tasarım ve yapım kuralları. Ankara: TSE.
• Turkish Standards Institution. (2002). TS EN 12390-6: Betonun sertleşmiş halinin deneyleri – Part 6: Çekme dayanımının tayini (Ayrılma yöntemi). Ankara: TSE.
• Turkish Standards Institution. (2002). TS EN 12504-1: Betonun sertleşmiş halinin deneyleri – Part 1: Betonun karot numuneleriyle basınç dayanımının tayini. Ankara: TSE.
• Ünsal, A., & Şen, H. (2008). Beton ve beton malzemeleri laboratuvar deneyleri. General Directorate of Highways Press.
• Zhao, R., Shi, C., Zhang, R., Wang, W., Zhu, H., & Luo, J. (2024). Study on the freeze-thaw resistance of concrete pavements in seasonally frozen regions. Materials, 17(8), 1902. https://doi.org/10.3390/ma17081902