POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA

WYDZIAŁ BUDOWNICTWA

Katedra Technologii Procesów Budowlanych i Materiałowych

Sprawozdanie nr 4

„Budownictwo komunikacyjne”

ćwiczenia laboratoryjne

Temat: Metodyka badania próbek asfaltobetonowych.

Wykonał: Wiesław Krygier

rok III, sem. VI, KBI

rok akad. 2012/2013

Data złożenia: 27.04.2013

Ocena:

Częstochowa, kwiecień 2013 r.

Oznaczenie wolnej przestrzeni

Metoda polega na obliczeniu ilorazu gęstości objętościowej i gęstości strukturalnej mieszanki mineralno-asfaltowej oraz jej gęstości objętościowej.

W celu oznaczenia wolnej przestrzeni w próbce należy:

- w przypadku próbki wyciętej z warstwy nawierzchni oznaczyć gęstość strukturalną mieszanki mineralno-asfaltowej, a następnie oznaczyć gęstość objętościową,

- w przypadku próbki mieszanki mineralno-asfaltowej pobranej podczas jej wbudowania lub mieszanki mineralno-asfaltowej sporządzonej laboratoryjnie oznaczyć najpierw gęstość strukturalną zagęszczonej próbki, a następnie jej gęstość objętościową.

Wolną przestrzeń P oblicza się w %(V/V) z dokładnością do 0,01%(V/V) ze wzoru:

[%(V/V)] (3.4)

gdzie:

gęstość objętościowa mieszanki mineralno- asfaltowej, g/cm³

gęstość strukturalna mieszanki mineralno- asfaltowej, g/cm³

Za wynik końcowy oznaczania wolnej przestrzeni należy przyjąć średnią arytmetyczną z dwóch lub więcej wyników równoległych pomiarów i podać z dokładnością do 0,1%(V/V) [20].

Oznaczenie przestrzeni wypełnionej asfaltem

Metoda polega na obliczeniu ilorazu objętości asfaltu w zagęszczonej próbce mieszan­ki mineralno-asfaltowej
i objętości wolnej przestrzeni plus objętość wypełnioną as­faltem w zagęszczonej mieszance mineralno-asfaltowej

W celu oznaczenia przestrzeni wypełnionej asfaltem należy:

- w przypadku próbki wyciętej z nawierzchni oraz próbki mieszanki mineralno-
asfaltowej pobranej podczas jej wbudowania i zagęszczanej w laboratorium
bez jej ostudzenia oznaczyć gęstość strukturalną próbki, oraz zawartość asfaltu i jego gęstość zgodnie z PN-C-04004:1966, a także gęstość objętościową mieszanki mineralnej po wy­ekstrahowaniu lepiszcza,

- w przypadku próbki mieszanki mineralno-asfaltowej sporządzonej i zagęsz­czonej w

laboratorium oznaczyć gęstość strukturalną próbki oraz gęstość

asfaltu zgodnie z PN-C-04004:1966, a pozostałe war­tości przyjąć zgodnie z zaprojektowanym składem mieszanki mineralno-asfaltowej.

Przestrzeń wypełnioną asfaltem
oblicza się w % z dokładnością do 0,1% ze wzoru:

[%] (3.5)

w którym:

(3.6)

i oznacza zawartość objętościową asfaltu

(3.7)

i oznacza zawartość objętościową przestrzeni w zagęszczonym szkielecie mineralnym

gdzie:

- zawartość asfaltu w mieszance mineralno-asfaltowej, % (m/m),

- gęstość strukturalna zagęszczonej próbki mieszanki mineralno-asfaltowej, g/cm³

-gęstość asfaltu, g/cm³

- gęstość objętościowa mieszanki mineralnej g/cm³

Za wynik końcowy oznaczenia przestrzeni wypełnionej asfaltem należy przyjąć średnią

arytmetyczną z dwóch lub więcej wyników równoległych pomiarów i podać wynik z dokładnością do 0.1% [20].

Instrumentalne szacowanie modułu sztywności

pełzania mieszanek mineralno-asfaltowych

Jednym z ważnych parametrów asfaltobetonowych nawierzchni drogowych jest moduł sztywności pełzania. W przypadku materiałów sprężystych moduł Younga jest niezależny od czasu działania obciążenia. Jednak wiadomo asfaltobeton jest materiałem o silnych właściwościach lepkosprężystych, co sprawia, że moduł sztywności jest zależny od takich czynników jak: czas działania obciążenia, szybkość jego przyrostu, wymiary próbki. Szczególnie ważne jest więc takie określenie warunków badań instrumentalnych, aby wyniki mogły być porównywalne i określenie stosownych wymagań. Zbyt mała sztywność mieszanki może być jedną z przyczyn występowania kolein, natomiast nawierzchnie zbyt sztywna mogą być podatne na pękanie w niskich temperaturach.

Do czasu opracowania normy PN-S-04001-16 [1] procedura oznaczania modułu sztywności nie była w Polsce przedmiotem normalizacji, pomiar wykonywano według instrukcji Instytutu Badawczego Dróg i Mostów [3]. Norma [1] będzie częścią zestawu 16-tu norm określających kompleksowo procedury badań przy projektowaniu i kontroli jakości mieszanek mineralno asfaltowych.

Procedura oznaczania modułu sztywności

Norma [1] przewiduje badanie próby złożonej z czterech próbek badawczych, w kształcie walca. Badaniu mogą podlegać:

• próbki wytworzone laboratoryjnie,

• próbki formowane i zagęszczane sprzętem laboratoryjnym z mieszanki wytworzonej w warunkach przemysłowych,

• próbki wycięte z nawierzchni.

W dwóch pierwszych przypadkach zaleca się, aby próbka miała średnicę 101 ± 2 mm i wysokość 100 ± 3 mm oraz nie zawierała ziaren kruszywa większych niż 31,5 mm. W przypadku próbek wyciętych z nawierzchni próbka może składać się z jednej lub kilku warstw. Jej średnica powinna wynosić 95÷105 mm, maksymalna wysokość próbki 103 mm, natomiast minimalna wysokość:

• 30 mm, jeżeli średnica największych ziaren kruszywa nie przekracza 12,8 mm,

• 40 mm. jeżeli średnica największych ziaren kruszywa nie przekracza 20 mm,

• 60 mm, jeżeli średnica największych ziaren kruszywa nie przekracza 31,5 mm,

z tym, że w przypadku badania próbek mniejszych niż 100 mm wynikowy moduł sztywności należy pomnożyć przez określony przez normę zwiększający współczynnik korygujący.

Norma określa szczegółowo następujące procedury:

• przygotowanie mieszanki mineralno-asfaltowej w warunkach laboratoryjnych,

• formowanie i zagęszczanie próbek z mieszanki wytworzonej laboratoryjnie,

• formowanie i zagęszczanie próbek z mieszanki wytworzonej przemysłowo,

• przygotowanie próbek do badań obejmujące: warunki przechowywania, oznaczenie gęstości strukturalnej, polerowanie płaszczyzn czołowych, pomiar wymiarów oraz umieszczenie próbki w komorze termostatycznej w temperaturze 40^oC na 4÷5 godzin przed badaniem.

Właściwy pomiar polega na umieszczeniu próbki między płytami dociskowymi aparatu do badania pełzania i poddaniu jej obciążeniu siłą statyczną stałej wielkości. Schemat badania przedstawiono na rys. 1. Mierzoną wielkością jest osiadanie próbki h po danym czasie. Znormalizowana jest temperatura w komorze urządzenia (40 ± 0,7^oC), wielkość naprężenia badawczego (0,1 MPa ± 3%), wielkość naprężenia wstępnego (0,0015 MPa ± 3%) oraz czas działania naprężenia badawczego (1 h ± 5 s). Wynikiem pojedynczego pomiaru jest odkształcenie jednostkowe

[%] (1)

gdzie h - osiadanie po danym czasie obciążenia lub odciążenia,

h - wysokość pierwotna próbki.

Wynikiem pomiaru odkształcenia jednostkowego próby jest średnia arytmetyczna z czterech próbek sporządzonych z tej samej mieszanki. Jednak jeżeli jeden z wyników pojedynczego pomiaru odbiega od średniej więcej niż o 15% za wynik uznaje się średnią z trzech pozostałych próbek.

Rys. 1. Schemat oznaczania modułu sztywności pełzania pod obciążeniem statycznym

Moduł sztywności pełzania oblicza się ze wzoru

[MPa] (2)

gdzie δ₀ - naprężenie ściskające, równe 0,1 MPa,

_max - odkształcenie jednostkowe, po 1 h obciążenia próbki (ułamek dziesiętny).

Uzupełniającym wynikiem badania jest wykreślenie krzywych pełzania i relaksacji. W tym celu należy wykonać odczyty osiadania nie tylko po 1 h obciążenia próbki, ale również w wybranych odstępach czasu w czasie obciążenia i po jego zdjęciu. Instrukcja [3] zaleca odczyty po 15, 30, 90 s oraz 2, 3, 5, 10, 20, 30, 60 min oraz po takich samych czasach od zdjęcia obciążenia.

Wymagania dotyczące modułu sztywności

W tabeli 1 przedstawiono wymagania dotyczące modułu sztywności pełzania betonu asfaltowego pod obciążeniem 0,1 MPa, po 1h, w temperaturze 40°C.

Tabela 1. Wymagany moduł sztywności pełzania warstw nawierzchni z BA

Źródło	Warstwa	Kategorie ruchu
				KR1, KR2	KR3-KR6
	[2]	ścieralna	brak wymagań	≥14
		wiążąca, wyrównawcza, wzmacniająca	brak wymagań	≥16
		podbudowa	brak wymagań	≥16
	[3]	ścieralna	Uziarnienie ciągłe 0-20 lub 0-12,8 mm Ms ≥ 14 Uziarnienie nieciągłe 0-20 mm Ms ≥16
		wiążąca	≥16
		podbudowa	≥16

Zastosowanie badania pełzania

Badanie modułu sztywności pełzania stosuje się przede wszystkim:

• jako uzupełniające badanie przy projektowaniu zawartości lepiszcza w MMA metodą Marshala; badanie to zaleca się wykonać przy projektowaniu nawierzchni dróg kategorii KR3 - KR6,

• do sprawdzania cech lepkosprężystych nawierzchni istniejących i nawierzchni po wbudowaniu.

Należy zwrócić uwagę, że przy projektowaniu mieszanek metodą Marshalla podstawowym parametrem opisującym cechy lepkosprężyste MMA jest stabilność S [kN]. wielkość tę definiuje się jako siłę w momencie zniszczenia próbki lub w chwili osiągnięcia maksymalnego dopuszczalnego odkształcenia L. Stabilność i odkształcenie bada się w prasie Marshalla na próbkach walcowych, ściskanych prostopadle do osi (BN-70/8391-09). Próbki mają średnicę 100.mm i wysokość 63,5 ± 5mm.

Metoda Marshalla [4] określenia optymalnej zawartości asfaltu w MMA jest metodą doświadczalną. Optymalną zawartość asfaltu dobiera się na podstawie badań instrumentalnych pięciu wielkości kryterialnych. Ilość lepiszcza dobiera się każdorazowo do zaprojektowanej wcześniej mieszanki mineralnej. Przed wykonaniem prób należy ustalić wstępnie potrzebną ilość asfaltu jedną z metod obliczeniowych. Badaniom w metodzie Marshalla podlega 5 serii próbek o następującej zawartości asfaltu:

• 1% mniejszej od ustalonej wstępnie,

• 0,5% mniejszej od ustalonej wstępnie,

• równej ustalonej wstępnie,

• 0,5 większej od ustalonej wstępnie,

• 1% większej od ustalonej wstępnie.

Optymalną zawartość asfaltu wg Marshalla A_mopt określa się jako średnią z pięciu wartości zawartości asfaltu odpowiadających:

-maksymalnej stabilności,

-średniej, wg wartości granicznych (tab.2), wartości odkształcenia,

-maksymalnej gęstości strukturalnej,

-średniej, wg wartości granicznych, wartości wolnej przestrzeni w MMA,

-średniej, wg wartości granicznych, wartości wypełnienia wolnej przestrzeni w mieszance mineralnej.

Tak określona zawartość asfaltu A_mopt może być sprawdzona i skorygowana za pomocą badania modułu sztywności pełzania pod obciążeniem statycznym. Do badania należy przygotować cztery serie próbek o następującej zawartości asfaltu:

• 0,3% m/m większej od A_mopt

• optymalnej wg Marshalla

• 0,3% m/m większej od A_mopt

• 0,6% m/m większej od A_mopt

Na podstawie badań należy sporządzić wykres zależności modułu sztywności M_S od zawartości asfaltu A_m. Ostatecznie przyjęta, skorygowana wartość zawartości asfaltu w MMA A′_mopt musi spełniać następujące warunki:

• nie może być mniejsza od optimum wg Marshalla ( A′_mopt ≥ A_mopt)

• moduł sztywności przy A′_mopt nie może być mniejszy niż wymagania normowe,

• zwiększenie zawartości asfaltu w odniesieniu do A_mopt nie może spowodować zmniejszenia M_S więcej niż 15%,

• wartości wolnej przestrzeni w MMA i wypełnienia wolnej przestrzeni w mieszance mineralnej nie mogą wyjść poza zakres określony normowo (tab.2).

W przypadku gdy moduł sztywności pełzania, przy zawartości asfaltu optymalnej wg Marshalla A_mopt, nie spełnia warunków normowych należy powtórzyć cały proces projektowania, a w szczególności inaczej dobrać skład mieszanki mineralnej

Tabela 2. Wymaganie dotyczące parametrów MMA [2].

Parametr	Warstwa ścieralna		Warstwy wiążące wyrównawcze i wzmacniające		Podbudowa z BA
		KR1, KR2	KR3-KR6	KR1, KR2	KR3-KR6	KR1, KR2	KR3-KR6
Stabilność wg Marshalla, kN	≥ 5,5	≥ 10,0	≥8,0	≥11,0	≥8,0	≥11,0
Odkształcenie wg Marshalla, mm	2,0 ÷ 5,0	2,0 ÷ 4,5	2,0 ÷ 5,0	1,5 ÷ 4,0	1,5 ÷ 4,0	1,5 ÷ 3,5
Wolna przestrzeń w MMA, % (v/v)	1,5 ÷ 4,5	2,0 ÷ 4,0	4,5 ÷ 8,0	4,5 ÷ 8,0	4,0 ÷ 8,0	4,0 ÷ 8,0
Wypełnienie wolnej przestrzeni, %	75 ÷ 90	78 ÷ 86	65 ÷ 80	≤ 75	≤ 75	≤ 72

Badanie modułu sztywności aparatem AP-3

Do badania modułu sztywności używa się standardowego aparatu AP-3. Na rys. 2 przedstawiono fotografię aparatu z opisem podstawowych elementów jego konstrukcji. Aparat posiada elektroniczny system sterowania układu dźwigni przykładających i zdejmujących obciążenie i termostat umożliwiający utrzymanie zadanej temperatury. Wyskalowane obciążniki, stanowiące wyposażenie aparatu zakładane są ręcznie. Do odczytu przemieszczenia służą trzy mierniki umieszczone na obwodzie górnej płyty dociskowej w odległościach 120^o. Aparat jest sprzężony z programem komputerowym umożliwiającym automatyczne dokonywanie odczytów i archiwizowanie danych.

Bezpośrednie przygotowanie próbek do badań obejmuje:

• wypolerowanie górnej i dolnej płaszczyzny próbki na polerce obrotowej za pomocą tarczy diamentowej lub korundowej; czynność tę wykonuje się na mokro (chłodzenie tarczy i usuwanie startego materiału);

• pomiar wysokości próbki i równoległości płaszczyzn; pomiaru dokonuje się za pomocą przyrządu pokazanego na rys. 3, dokładna procedura pomiaru opisana jest w normie [1]; przeszlifować ponownie lub odrzucić należy próbki, których różnica między największą a najmniejszą wysokością wzdłuż tworzącej przekracza 2 % lub środkowa część płaszczyzny próbki posiada wybrzuszenie większe niż 0,2 mm,

• termostatowanie w temperaturze 40^oC, przez okres 4÷5 godz.

Wykonanie badania próbki obejmuje następujące czynności:

• zaprogramowanie w systemie komputerowym przebiegu badania i danych dotyczących próbki, w szczególności zadanie temperatury i czasów odczytu przemieszczenia,

• włączenie ogrzewania komory aparatu do czasu osiągnięcia stałej temperatury,

• wyjęcie próbki z termostatu, pokrycie jej powierzchni mieszaniną talku i wazeliny (w celu zmniejszenia tarcia z płytami aparatu), umieszczenie próbki w odpowiednim miejscu między płytami dociskowymi w komorze aparatu,

• zadanie obciążenia wstępnego przez czas potrzebny do ustabilizowania się odczytów na miernikach,

• zdjęcie obciążenia wstępnego, zadanie obciążenia badawczego (0,8 kN) i włączenie opuszczania dźwigni aparatu,

• system automatycznie odczytuje moment przyłożenia obciążenia i rozpoczyna rejestrację wskazań mierników po upływie zaprogramowanych odstępów czasu,

• po 1h zdjęcie obciążenia przez podniesienie dźwigni aparatu; system pomiarowy automatycznie rejestruje moment odciążenia i odczytuje wskazania mierników po upływie zaprogramowanych odstępów czasu po odciążeniu.

Przykładowe badanie

Zamieszczone poniżej przykładowe wyniki dotyczą badania za pomocą aparatu AP-3 próbki warstwy wiążącej wyciętej z nawierzchni.

Wysokość próbki - 65,4 mm.

Wielkość obciążenia zasadniczego- 0,8 kN, co odpowiada naprężeniu 0,1 MPa.

W tabeli 3 przedstawiono odczyty przemieszczenia na poszczególnych miernikach oraz procentowe odkształcenie. Pomiarów dokonano w czasie 1 h obciążenia i w czasie 1 h po jego zdjęciu.

Ponieważ próbka miała wysokość mniejszą niż 100 mm wynikowy moduł sztywności pełzania należy przemnożyć przez odczytany z normy [1] współczynnik korygujący WK (dla wysokości 65,4 → WK = 1,15. Ostatecznie

Na rys. 3 przedstawiono wykresy pełzania i relaksacji próbki. Z wykresów można odczytać odkształcenie natychmiastowe (sprężyste) oraz odkształcenie trwałe.

Tabela 3. Wyniki badania odkształcenia przykładowej próbki

	Czas, s	Przemieszczenie h, mm				Odkształcenie , %
				Miernik 1	Miernik 2		Miernik 3	Średnia
	Obciążenie 0,1 MPa	4	0,034	0,063	0,059	0,062	0,095
		8	0,067	0,067	0,063	0,066	0,101
		15	0,072	0,072	0,069	0,071	0,109
		30	0,079	0,078	0,079	0,079	0,121
		60	0,088	0,085	0,091	0,088	0,135
		90	0,095	0,087	0,100	0,094	0,144
		120	0,100	0,090	0,108	0,100	0,152
		180	0,109	0,094	0,119	0,108	0,164
		300	0,120	0,099	0,134	0,118	0,180
		600	0,135	0,106	0,156	0,133	0,203
		1200	0,150	0,114	0,177	0,147	0,225
		1800	0,158	0,118	0,187	0,155	0,236
		2400	0,164	0,121	0,195	0,160	0,245
		3000	0,168	0,123	0,200	0,164	0,251
		3600	0,171	0,125	0,205	0,167	0,256
	Po odciążeniu	15	0,158	0,113	0,196	0,156	0,238
		600	0,111	0,065	0,155	0,111	0,169
		1200	0,108	0,062	0,152	0,108	0,161
		1800	0,106	0,061	0,150	0,106	0,162
		2400	0,106	0,060	0,149	0,105	0,161
		3000	0,105	0,059	0,149	0,105	0,160
		3600	0,104	0,059	0,148	0,104	0,159

Literatura

1. PN-S-04001-16 Drogi samochodowe i lotniskowe. Mieszanki mineralno-asfaltowe. Badania. Oznaczanie modułu sztywności pełzania pod obciążeniem statycznym.

2. PN-S-96025:1999 Drogi samochodowe. Nawierzchnie asfaltowe. Wymagania.

3. Zasady projektowania betonu asfaltowego o zwiększonej odporności na odkształcenia trwałe. Wytyczne oznaczania odkształcenia i modułu sztywności mieszanek mineralno-bitumicznych metodą pełzania pod odkształceniem statycznym. Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Zeszyt nr 48, Warszawa 1995.

4. Kalabińska M., Piłat J., Radziszewski P.: Technologia materiałów i nawierzchni drogowych.

h

h

przegub

badana próbka

płyty dociskowe

obciążenie

Odkształcenie

sprężyste

Odkształcenie

trwałe

Pełzanie

Relaksacja

---