METODY BADAŃ MAS MINERALNO-ASFALTOWYCH

Historia rozwoju. Rodzaje badań zrealizowanych w latach 1960-1980[1]

RODZAJE BADAŃ MAS MINERALNO-BITUMICZNYCH:

I Badania konwencjonalne

II Bdania szczegółowe

I Badania konwencjonalne

1. Badanie wytrzymałości na ściskanie proste ( metoda Diureza)

2. Badanie Marshalla

3. Badanie Hubbard - Fidela

4. Badania penetrometrem stożkowym

5. Badanie Hveema

II Badania szczegółowe

1. Badania zmęczeniowe

2. Badania próbek poddanych działaniu obciążenia od toczącego się koła

3. Określenie stałych materiałowych:

1. moduł sprężystości,

2. moduł sztywności,

3. moduł zespolony.

Cel i zakres badań szczegółowych

• Prace badawcze prowadzone w laboratoriach drogowych miały na celu dostarczenie danych, niezbędnych dla rozwoju i weryfikacji teorii mechaniki nawierzchni oraz danych o właściwościach materiałów, umożliwiających ocenę ich zachowania w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych.

• Laboratoryjne odtworzenie warunków istniejących na drodze, stanu naprężeń i odkształceń nawierzchni stanowiło podstawowy warunek uzyskania wiarygodnych danych.

• Postęp techniczny w dziedzinie elektroniki i informatyki umożliwił dynamiczny rozwój nowych możliwości zastosowania komputerów w laboratoriach drogowych, jak również rozwój numerycznych metod modelowania pracy nawierzchni.

• Stworzyło to ogromne możliwości rozwoju nowych metod projektowania nawierzchni na podstawie dokładnej analizy pracy nawierzchni w rzeczywistych warunkach eksploatacyjnych oraz na podstawie wyników badań uzyskanych z dokładnych pomiarów i obserwacji.

Zadania badań szczegółowych :

1. Ustalenie zależności pomiędzy naprężeniami i odkształceniami w szerokim zakresie temperatur.

2. Określenie zależności trwałości zmęczeniowej od odkształcenia (lub naprężenia) rozciągającego.

3. Ustalenie wielkości liczbowych parametrów przydatnych w wymiarowaniu konstrukcji nawierzchni (moduły, trwałość zmęczeniowa odporność na powstawanie odkształceń trwałych),

4. Określenie wpływu rodzaju i zawartości składników na właściwości mechaniczne mieszanek mineralno-bitumicznych.

5. Zastosowanie w laboratoryjnych badaniach szczegółowych obciążenia siłami symulującymi obciążenie zbliżone do rzeczywistego występującego na drodze.

1. Badania zmęczeniowe [1]

Badania zmęczeniowe można podzielić na dwie grupy:

1. Badania zachowania się mas mineralno-bitumicznych przy powtarzającym się cyklicznym zginaniu (Skutkiem ich działania są pęknięcia zmęczeniowe czyli zarysowania powstające przy małych obciążeniach i w niskich temperaturach),

2. Badania zachowania się mas mineralno-bitumicznych przy powtarzającym się cyklicznym ściskaniu (Skutkiem ich są odkształcenia trwałe, powstające w wysokich temperaturach i przy długotrwałym obciążeniu).

Wyniki wieloletnich programów badawczych (zrealizowanych w różnych Ośrodkach Naukowo-Badawczych) były podstawą opracowania nowych metod projektowania mieszanek mineralno-asfaltowych oraz nowych teoretycznych metod wymiarowania nawierzchni podatnych, uwzględniających kryterium wymaganej trwałości zmęczeniowej nawierzchni w założonym okresie jej eksploatacji.

WYNIKI BADAŃ ZMĘCZENIOWYCH PRZY POWTARZAJĄCYM SIĘ CYKLICZNIE ZGINANIU WYKONANYCH W LATACH 1960-1980 [1]

Wyniki badań zmęczeniowych zrealizowanych w kilkudziesięciu ośrodkach badawczych [1] umożliwiły na:

1. Matematyczne ujęcie zjawiska zmęczenia

2. Określenie modułu zespolonego próbki poddanej zginaniu

3. Przewidywanie wytrzymałości zmęczeniowej na podstawie analizy składu mieszanki mineralno-bitumicznej oraz charakterystyk jej składników

4. Przewidywanie wartości modułu zespolonego |E^*| na podstawie analizy składu mieszanki mineralno-bitumicznej oraz charakterystyk jej składników

1. Matematyczne ujęcie zjawiska zmęczenia

• Badania zjawiska zmęczenia mas bitumicznych, prowadzone w latach 70-tych w ośrodkach wymienionych w tablicy 1 dały korzyści praktyczne, ponieważ wykazały, iż utrzymanie w zadawalającym stanie warstw nawierzchni (tzn: bez spękań i niedopuszczalnych odkształceń), zależy w znacznym stopniu od właściwości mechanicznych danej masy mineralno-bitumicznej.

• Pomimo różnorodności badanych materiałów (asfalty, betony asfaltowe, masy bitumiczne przeznaczone na warstwy podbudowy) oraz zastosowań różnych metod badawczych, uzyskano we wszystkich Ośrodkach Badawczych te same zależności matematyczne między granicznym odkształceniem jednostkowym ε i liczbą cykli obciążenia N.

Na podstawie wyników badań uzyskano następujące zależności między:

• granicznym odkształceniem jednostkowym
  oraz

• liczbą cykli obciążenia N:

(1)

(2)

w których:

a - parametr dobierany w zależności od stosowanych

mas bitumicznych o  wartości z przedziału [ 0,15÷0,27 ],

K - parametr zależny od:

- składu mieszanki mineralno-bitumicznej,

- stopnia wypełnienia wolnych przestrzeni przez lepiszcze

- właściwości lepiszcza,

- odkształcenie jednostkowe,

N - liczba cykli obciążenia.

Zależność (1)(2) określona na drodze laboratoryjnej, pozwoliła ustalić kryterium wymiarowania nawierzchni z uwzględnieniem wytrzymałości warstw bitumicznych na zmęczenie. Kryterium to, polegało na ograniczeniu w zależności od wielkości obciążenia ruchem wydłużenia jednostkowego
w tych włóknach przekroju warstwy, w których jest ono największe.

W tablicy 1 zestawiono kilka wybranych ośrodków badawczych w których w latach 1960- 1980 realizowano program badań zmęczeniowych mas mineralno-asfaltowych.

Tablica 1 Wykaz (wybranych) głównych ośrodków badawczych wykonujących badania mas mineralno- bitumicznych w latach 1960-1980 poddanych działaniu powtarzających się obciążeń zginających [1].

Laboratorium	Autorzy
University of Nottingham Department of Civil Engineering	P.S. Pell D.F. Mc Carty I. Taylor
Laboratorie Central des Ponte et Chanssees Paris	C.Huet G.Sayegh T.H.Doan J.Bonnot S.Soliman
Koninklijke Shell Laboratorium Amsterdam	R.N.H.Saal L.W.Nijboer W.Heukelom A.Klomp W.Van Dijck
Transport and Road Research Laboratory Crowthorne	K.D.Raithby A.B.Sterling

2. Określenie modułu zespolonego próbki poddanej zginaniu

Na podstawie wyników badań mieszanka mineralno-bitumiczna stanowiąca ciało lepko-sprężyste scharakteryzowana została modułem zespolonym przy zginaniu E_z oraz kątem przesunięcia fazowego φ zależnym od częstotliwości obciążenia f oraz temperatury T. Moduł zespolony został określony zależnością:

w którym:

E_z - moduł zespolony, (oznaczamy również symbolem E^*),

E₁ - część rzeczywista modułu E_z ,

E₂ - część urojona modułu E_z ,

i - liczba urojona.

Moduł oraz argument liczby zespolonej E_z wyrażono następująco:

,
,

w którym:

|E^*| - bezwzględna wartość zespolonego modułu odkształcenia nazwana

modułem sztywności mieszanki mineralno-asfaltowej,

φ - kąt przesunięcia fazowego, zależny od częstotliwości obciążenia f

i temperatury T (charakteryzuje zdolność materiału do tłumienia).

3. Przewidywanie wytrzymałości zmęczeniowej na podstawie analizy składu mieszanki mineralno-bitumicznej oraz charakterystyk jej składników

• Fakt, że badania zmęczeniowe były długotrwałe i kosztowne, skłoniło badaczy do opracowania metody szybkiego określania wytrzymałości zmęczeniowej mieszanek mineralno-bitumicznych na podstawie ich składu.

• Prace badawcze w tym zakresie dotyczyły prób zginania przy zmieniającym się sinusoidalnie obciążeniu i przy braku czasu spoczynku miedzy cyklami.

• W przypadku mieszanek mineralno-bitumicznych uczeni ukierunkowali swe badania na uwzględnienie roli jaką odgrywa stosunek objętościowej zawartości lepiszcza (V_L) w zagęszczonej mieszance do sumy objętościowej zawartości lepiszcza i wolnych przestrzeni (V_L+V).

• Stwierdzono, że wydłużenie jednostkowe
  jest proporcjonalne do stosunku (V_L)/ (V_L+V).

• Stwierdzono również istotny wpływ rodzaju lepiszcza a w szczególności: temperatury mięknienia asfaltu (określoną metodą Pierścienia i Kuli).

• Przyjęte do badań obciążenie „laboratoryjnie” było na ogół periodyczne, a ponadto sinusoidalne i nie uwzględniało czasu spoczynku między identycznymi cyklami obciążenia, podczas gdy obciążenie rzeczywiste na drodze zmienia się w sposób przypadkowy, tzn. występują przypadkowe czasy spoczynku między różnymi cyklami obciążenia.

• Wpływ czasu spoczynku był przedmiotem wielu badań, lecz uzyskane wyniki nie pozwalały w latach 70-tych na wyciągnięcie wniosków ilościowych, które można było uwzględnić w praktyce.

4. Przewidywanie wartości modułu zespolonego |E^*| na podstawie analizy składu mieszanki mineralno-bitumicznej oraz charakterystyk jej składników

Naukowcy, z różnych Ośrodków Badawczych, zajmujący się zjawiskiem zmęczenia mieszanek mineralno-bitumicznych, analizowali wpływ składników mieszanki na wartość modułu zespolonego |E^*|, który charakteryzuje każdą mieszankę mineralno-bitumiczną.

Wartości tego modułu przewidywane były najczęściej na podstawie składu mieszanki oraz wybranych charakterystyk lepiszcza.

Naukowcy podkreślali już w latach 70-tych duży wpływ następujących charakterystyk asfaltu i mieszanki mineralno-asfaltowej na wartość jej modułu sztywności:

• wskaźnik penetracji asfaltu (podział asfaltów na rodzaje),

• temperatura mięknienia asfaltu określona metodą PiK,

• zawartość asfaltenów i skład mieszanki mineralnej,

• zawartość objętościowa kruszywa w masie,

• zawartość wolnych przestrzeni,

• stosunek zawartości objętościowej kruszywa do zawartości objętościowej lepiszcza,

• moduł odkształcenia mieszanki mineralno-bitumicznej MB, zwany modułem sztywności.

METODY I WYNIKI BADAŃ ZMĘCZENIOWYCH PRZY POWTARZAJĄCYM SIĘ CYKLICZNYM ZGINANIU STOSOWANE W LATACH 1960-1980.

Metody pomiaru były zróżnicowane w poszczególnych ośrodkach badawczych. Szczegółowo zostały opisane w opracowaniu [1]. Poniżej podano nazwy kolejnych wybranych ośrodków badawczych, które oprócz wymienionych w tablicy 1 realizowały badania zmęczeniowe przy cyklicznie powtarzającym się zginaniu:

a/ Metoda opracowana przez Kalifornijski Departament Drogowy w USA

b/Metoda I opracowana w Uniwersytecie Kalifornijskim

c/Metoda II opracowana w Uniwersytecie Kalifornijskim

e/ Metoda opracowana w Centrum Badawczym Shella we Francji i Holandii

Podsumowanie badań zrealizowanych w latach 1960-1980.

Główne rezultaty badań zmęczeniowych przy powtarzającym się cyklicznym zginaniu:

• We wszystkich Ośrodkach Badawczych uzyskano te same zależności matematyczne (1) między odkształceniem jednostkowym ε i liczbą cykli obciążenia N omówione w punkcie A/ na str 2 ÷3: log ε = log a - b log N (1)

• Wykazano że stan zewnętrzny płaszczyzn próbek, różny dla próbek przygotowanych w laboratorium (w formach) w stosunku do próbek wycinanych piłą z nawierzchni istniejącej , nie miał żadnego wpływu na ich trwałość zmęczeniową,

• Wykazano że wzrost procentowej zawartości wolnych przestrzeni w mieszance ma bardzo istotny wpływ na trwałość zmęczeniową badanej masy .

• Wykazano że, istnieje zależność pomiędzy wynikami badań przy obciążeniu statycznym oraz wynikami przy obciążeniu dynamicznym.

• Wykazano, że trwałość zmęczeniowa masy mineralno-bitumicznej wzrasta wraz ze wzrostem zawartości lepiszcza.

• Wykazano że, korzystny wpływ na trwałość masy mineralno-bitumicznej wywiera czas spoczynku, tzn. przerwa między cyklami obciążenia.

• Zastosowanie asfaltów twardych zwiększa trwałość badanej masy mineralno - bitumicznej.

• Zastosowano zmianę wartości modułu sztywności |E^*| w czasie trwania badania, spowodowaną nagrzaniem się masy wewnątrz próbki.

• Opracowano nomogramy do określenia modułu |E*| na podstawie znajomości penetracji i temperatury mięknienia asfaltu wg PiK oraz zawartości wolnych przestrzeni w masie, co wykorzystano później w programach komputerowych np. BANDS.

METODY I WYNIKI BADAŃ ZMĘCZENIOWYCH PRZY POWTARZAJĄCYM SIĘ CYKLICZNYM ŚCISKANIU STOSOWANE W LATACH 1960-1980 [1]

Zakres badań zmęczeniowych przy powtarzającym się ściskaniu oraz ich ilość były zdecydowanie mniejsze w stosunku do zakresu i częstotliwość badań przy zginaniu. Skutkiem takiej sytuacji był fakt, iż prawa rządzące zachowaniem się mas mineralno-bitumicznych, poddanych działaniu powtarzającego się ściskania, były o wiele mniej znane, niż prawa rządzące ich zachowaniem się przy powtarzającym się zginaniu. Wyniki wykonanych badań w ośrodkach wymienionych w tablicy 2 pozwoliły na wysunięcie kilku ciekawych i przydatnych w praktyce wniosków.

• Zauważono, że odkształcenie trwałe mas mineralno-bitumicznych jest zależne (przy danym obciążeniu ) od modułu |E^*| badanej masy, a moduł ten zależy z kolei od temperatury i czasu trwania obciążenia.

• Można wyniki uzyskane przy zginaniu, wykorzystać bezpośrednio przy badaniu zachowania się masy mineralno- bitumicznej, przy powtarzającym się ściskaniu.

• Dla mas mineralno-bitumicznych stosowanych w budownictwie drogowym, moduł przy ściskaniu nie różnił się praktycznie od modułu przy zginaniu.

• Od dawna istniała konieczność ustalenia kryterium racjonalnego projektowania mas mineralno-bitumicznych odpornych na powstawanie pęknięć zmęczeniowych, a równocześnie odpornych na powstanie kolein, które często powstają wskutek powtarzającego się obciążenia ściskającego.

• Wyniki badań próbek przy powtarzającym się zginaniu oraz przy powtarzającym się ściskaniu umożliwiały sprecyzowanie tego kryterium.

• Stwierdzono, że lepiszcza bitumiczne o małej wrażliwości termicznej, użyte do mas mineralno-bitumicznych, powodują dobrą odporność tych mas na powstawanie kolein. Wynika stąd wniosek, że wymagania dotyczące asfaltów dla zapewnienia równoczesnej odporności masy na powstanie pęknięć oraz kolein są zgodne.

• Zalecono określić kryterium dotyczące składu objętościowego masy, a w szczególności stosunku zawartości lepiszcza do sumy objętości, tj. zawartości lepiszcza i zawartości wolnych przestrzeni w masie.

• Stosunek ten musi być jak największy przy równoczesnym dużym module |E^*|, projektowanej masy mineralno- bitumicznej w całym zakresie występujących temperatur i stosownych obciążeń.

• Warunek ten można spełnić, projektując masę o dużej zawartości objętościowej kruszywa, małej zawartości lepiszcza oraz małej zawartości wolnych przestrzeni.

Tablica 2. Wykaz głównych ośrodków badawczych wykonujących w latach 1960-1980 badania zmęczeniowe mieszanek mineralno-bitumicznych poddanych ściskaniu [1].

Nazwa laboratorium	Nazwisko autorów
Georgia Institute of Technology, Atlanta	R.D. Barksdale
Centre de Recherche Esso Standard, Mont-Saint-Aignon France	G. Champton P.J. Valayer C. Azibert B. Celard B. Caillot
Centre de Recherches Routieres, Bruxelles	L. Francken
Universite de Nottingham	M.S. Smaith S.F. Brown P.S. Pell

BADANIA PRÓBEK PODDANYCH DZIAŁANIU OBCIĄŻENIA OD TOCZĄCEGO SIĘ KOŁA [1]

• Jednym z pierwszych aparatów do badań deformacji próbek mieszanki mineralno-bitumicznej pod wpływem obciążenia od toczącego się koła był model zaprojektowany przez Badawcze Laboratorium Drogowe w Wielkiej Brytanii i LCPC w Paryżu.

• Urządzenie to wyposażone w koło obciążające o średnicy 20 cm z oponą pełną o szerokości 4,7cm i grubości 1cm oraz mechanizm napędowy miało symulować obciążenie pochodzące od obciążeń wywołanych rzeczywistym ruchem pojazdów na drodze.

• Przyjęto dwa schematy obciążenia :

• obciążenie kołem poruszającym się po linii prostej „tam i z powrotem”,

• obciążenie kołem poruszającym się ciągle po okręgu.

Zalety badań próbek poddanych działaniu toczącego się koła

• Badania uwzględniały wymagania praktyki, a przede wszystkim konieczność dokładniejszego i szybkiego oszacowania przyszłych właściwości mieszanki mineralno-bitumicznej. Takiej możliwości nie dawały stosowane powszechnie badania konwencjonalne.

• Były konkurencyjne do badań zmęczeniowych, które wymagały wprowadzenia skomplikowanych urządzeń i ponoszenie dużych nakładów finansowych.

• Miały być (i spełniły tę rolę) podstawą projektowania betonów asfaltowych odpornych na koleinowanie.

Omawiane badania można podzielić na dwie zasadnicze grupy:

• wykonywane na laboratoryjnych symulatorach ruchu,

• wykonywane na poligonach doświadczalnych.

Badania te, pomimo stosunkowo długiego czasu koniecznego na ich wykonanie, są niezwykle użyteczne i wypełniają lukę między obowiązującymi badaniami konwencjonalnymi, a badaniami zmęczeniowymi.

Badanie w symulatorze obciążeń

Symulator obciążenia, (Rys.1) opracowany w LCPC w Paryżu zwany również aparatem do wytwarzania kolein, przeznaczony był do testowania mas bitumicznych, stosowanych zarówno na warstwy nośne, jak i ścieralne nawierzchni pod działaniem obciążenia od toczącego się koła. Badanie wykonano na dwóch próbkach wytworzonych w laboratorium lub wyciętych z nawierzchni. Próbki o kształcie płyty 50 x 18 x 10 cm umieszczano w metalowych formach, które były połączone ze sztywną stałą podporą. Dwa koła obciążone poruszały się po próbach tam i z powrotem na odcinku 15cm. Oś podłużna próbki przesunięta była w stosunku do osi śladu opony. Kąt ten dowolnie był zmieniany od 0Ⴐ do 10Ⴐ. Temperatura była regulowana w zakresie od 0ႰC do 50ႰC oraz uzyskiwana przez podłączenie komory termostatu do cyrkulacji wymuszonej powietrza o ustalonej temperaturze.

Aparatura pozwalała stosować 60 cykli na minutę przy ciśnieniu w oponie 58,9ဪ10
N/m
oraz obciążeniu koła SIŁĄ DO 4905 N. Wyniki badania w postaci odkształceń trwałych (kolein) były rejestrowane na taśmie w funkcji czasu działania obciążenia.

Rys. 1. Schemat aparatu symulującego tworzenia się kolein [1].

Badanie na torze kołowym w laboratorium Shella w Amsterdamie

• Tor kołowy skonstruowany w Laboratorium Shella pozwalał obserwować i analizować zachowanie się konstrukcji nawierzchni drogowej, której grubość może dochodzić do 60cm.

• Masy mineralno-bitumiczne przeznaczone do badania wbudowane między dwa koncentrycznie usytuowane mury betonowe, tworzące pierścień. Średnica muru zewnętrznego wynosiła 325 cm, a odstęp między murami 70cm

.

• Obciążenie zmienne w przedziale od 1472 N do 1962 N było przekazywane przez dwa ogumione koła za pośrednictwem systemu hydraulicznego.

• Prędkość kół zmieniała się od 0 do 16 km/h. Odpowiedni system hydrauliczny pozwalał zmieniać promień okręgu, po którym poruszają się obciążone koła.

• Tor ten był wykorzystywany do weryfikacji założeń teorii sprężystości dotyczących układów wielowarstwowych przy przewidywaniu naprężeń i odkształceń, jak również do określenia wielkości powstającego odkształcenia trwałego dla różnych mas bitumicznych.

Literatura:

[1] Leninowski Cz., Strycharz B.: „Przegląd metod badań właściwości mechanicznych mas bitumicznych”. (Monografia s. 1÷91). Zeszyty naukowe Politechniki Śląskiej. Seria Budownictwo Nr 52/1980.

Wykład z nawierzchni 9 -10 poziom mgr dr inż. Barbara Strycharz

9

---