Seria: TRANSPORT z. 46 Nr kol. 1571
Jerzy PAWLICKI, Frantiśek SCHLOSSER
O CENA W ŁA SN O ŚC I DEFO RM ACYJNYCH M IESZANEK ASFA LTO W Y C H
Streszczenie. W artykule przedstawiono metodę pomiaru i obliczania niektórych charakterystyk deformacji mieszanek asfaltowych. Mieszanki badano metodami statycznymi i dynamicznymi. Badanie dynamiczne pozwoliło na określenie modułu zespolonego E , natomiast badanie statyczne do obliczenia statycznego modułu pełzania.
V A L U A T IO N OF A S P H A L T C O M P O SIT IO N D E F O R M A T IO N C H A R A C T E R IS T IC S
Sum m ary. In this paper way o f measurement and calculation some of characteristics of the asphalt composition deformation is presented. The complex module method has been used to composition fatigue estimation.
1. WPROWADZENIE
Mieszanki asfaltowe tworzą po technologicznej obróbce warstwy konstrukcyjne nawierzchni. Są materiałami termoplastycznymi o lepkosprężystych właściwościach. Bada się je metodami dynamicznymi i statycznymi w warunkach laboratoryjnych na próbkach o kształcie trapezoidu lub prostopadłościanu, a w niektórych przypadkach na wałeczkach przy różnych częstotliwościach i temperaturach, co pozwala na sprawdzenie ich Teologicznych i deformacyjnych właściwości. Jakość określają charakterystyki wytrzymałościowe i odkształceniowe, które w przypadku wierzchnich warstw nawierzchni podatnych ustala się za pomocą metod projektowych (właściwości deformacyjne) lub z wykorzystaniem normy technologicznej (wytrzymałość)[2,4].
2. METODYKA OCENY ZMIAN WŁAŚCIWOŚCI DEFORMACYJNYCH
Oceny mieszanek dokonano z zastosowaniem metody modułu statycznego Sj(t) i modułu zespolonego (E*) w celu sprawdzenia właściwości deformacyjnych przy różnych temperaturach badanej próbki odpowiadającej przyjętej metodyce badawczej. Sprawdzano następujące charakterystyki:
• statyczny moduł pełzania S;(t) za pomocą badania statycznego swobodnego końca siłą przyłożenia na ramieniu 25 - 100 mm w taki sposób, aby podczas pomiaru nie nastąpiło odchylenie końca od pionowej osi więcej niż 1,0 mm,
• moduł zespolony E za pomocą badań dynamicznych przy działaniu siły harmonicznej i różnej częstotliwości.
Statyczny moduł pełzania pomierzono na trapezoidach (pomiar porównawczy wykonano na próbkach prostopadłościennych), a obliczenia przeprowadzono według wzoru [1]:
_ 6 - P, - a- L2 S i(!) ~
C ‘H, - H 2 y t [M Pa], ( 1)
gdzie:
Pi - siła [N],
L - wysokość próbki [mm], a - odległość od osi próbki [mm],
yt - deformacja swobodnego końca próbki po obciążaniu 1000 s [mm], C - grubość próbki [mm],
Hi, H2 - wymiary trapezoidu [m].
Oceny modułu zespolonego dokonano z wykorzystaniem zależności [5]:
H . - Ł
C
0 2
— costp łmffl 7o
[MPa],
E 2 =K,
\
-sin ę VJ'o
[MPa], S = + E 2 [MPa],
E j co-,
io = a r c t g - Ł [ ], E,
(2)
(3)
(4) (5) gdzie:
yo - maksymalna amplituda ugięcia swobodnego końca próbki [m], Po - maksymalna amplituda siły wzbudzającej [N],
(p - kąt fazowy przesunięcia siły i ugięcia [°], co - częstotliwość kątowa drgania wymuszonego [s’1], m - masa drgającego materiału [kg].
3. WYNIKI POMIARÓW 3.1. Pomiary mieszanek
Pomiary wykonano dla mieszanek, które obecnie można uznać za „klasyczne” przy użyciu tradycyjnych materiałów budowlanych, lepiszczy i mieszanek z modyfikowanymi lepiszczami i emulsjami. Sprawdzane mieszanki typu ABS, ABVH, AKMS były pobrane z ułożonych nawierzchni i następnie przygotowane w laboratorium. Zbadano również mieszanki typu Multimac, które opracowano na potrzeby laboratoryjne z emulsji - próbki sformowano 3 tygodnie i 4 miesiące po wyprodukowaniu. Wyniki badań przedstawiono w tablicy 1.
Tablica 1 Przykład oceny mieszanek_____________ _______ _______
M ie sz a n k a T e m p e r a tu r a C z ę s to tliw o ść M o d u l z e sp o lo n y [M P a] 9 S i(t)
[ ° C ] [H z] E , E , E* (S ) [ ° ] (M P a ]
A K M Sp , A P O L L O B IT 40 8,3 344 2 5 4 4 3 0 3 6,3 2 0,5
27 8,3 1469 982 1769 3 3 ,6 32 ,4
11 8,3 4 6 8 4 2 0 9 6 5 1 3 9 24,1 88 ,4
0 8,3 5 4 3 2 1726 55 8 7 17,7 37 6 ,4
A K M Sn, A P O L L O B IT 4 0 S.3 35 7 2 8 8 45 9 38 ,7 2 5 ,9
27 8,3 1655 1030 1951 3 1 ,6 50,5
11 8,3 4 8 1 0 2 1 3 2 5261 2 3 ,9 130,2
0 8,3 6771 2 3 9 0 7 1 8 0 19,4 41 2 ,9
A K M Sn, A P O L L O B IT 0 5 6 0 8 0 2 3 1 2 6505 20 ,2 4 1 2 ,9
0 8,3 6771 2 3 9 0 7 1 8 0 19,4 4 1 2 ,9
0 10 7 2 1 7 24 1 3 7 6 1 2 18,6 4 1 2 ,9
0 15 7 5 6 2 2 4 2 0 79 4 2 17,8 41 2 ,9
M u ltim a c A (3 tV2.) 11 8,3 78 9 293 842 26,1 5,9
M u ltim a c B (3 t v e .l 11 8,3 59 0 3 5 4 688 30 ,6 10,4
M u ltim a c A (4 m ies.) 11 8,3 77 7 377 864 2 6 ,0 14,1
M u ltim a c B (4 m ies.) 11 8,3 91 2 525 1053 16,7 M s
M u ltim a c B (4 m ies.) 11 5 813 3 1 6 874 23 ,3 14,5
11 8,3 91 2 525 1053 16,7 14,5
11 10 1023 423 1106 18,6 14,5
11 15 1189 502 1293 21 ,5 14,5
Źródło: [3]
Uwaga: 3 tyg. - pom iar po 3 tygodniach od wykonania próbki; 4 mies. - pomiar po 4 miesiącach od wykonania próbki
3.2. Moduł statyczny
Moduł statyczny wykorzystano do oceny jako badanie uzupełniające. Przedstawione dla przykładu w tablicy 1 wyniki dotyczą mieszanek obciążonych ruchem (symbol „p”) i nie- obciążonych (symbol „n”). Pomiary przeprowadzono w temperaturze + 11°C, co jest zgodne z wymaganiami przygotowywanej obecnie dla modułu zespolonego normy europejskiej.
Wartość modułu nie ulega zmianie przy wpływach wywołanych podczas badań dynamicznych.
Wyraźnie niższe wartości zauważono w badaniach mieszanek Multimac, które stosuje się jako cienkie warstwy przy naprawach nawierzchni i są realizowane na bazie emulsji. Wartości zależą od temperatury i były sprawdzane przy obciążeniu wolnego końca (1000 s) i odciążaniu (1000 s). Pomierzone dane wyrażają wpływ temperatury na wynikowe parametry ocenianych mieszanek - wraz z narastającą wartością temperatury obniża się wynikowa wartość modułu statycznego.
3.3. Moduł zespolony
Pomiary były wykonane przy harmonicznie działającej sile z amplitudą odkształcenia wolnego końca ±0, 1 mm. Ocenę pomiarów w temperaturach 0°C, + 11°C, +27°C, + 40°C i różnych częstotliwościach przedstawiono w tablicy 1. Wielkości parametrów deformacji uzyskano z użyciem wzorów (2) do (5).
N a rysunku 1 przedstawiono wyniki badań zmian plastycznej części modułu zespolonego przy różnych częstotliwościach, wykonanych na próbkach obciążonych i nieobciążonych.
Rys.l. Schemat zmiany urojonej części moduiu zespolonego (Z1=Z5=5 Hz; Z2=Z6=8,3 Hz;
Z3=Z7=10 Hz; Z4=Z8=15 Hz)
Fig.l. Schema o f imaginary part of a complex modulus changing (Z1=Z5=5 Hz; Z2=Z6=8,3 Hz; Z3=Z7=10 Hz; Z4=Z8=15 Hz)
Z a le ż n o ś ć E* [M P a] od często tliw o ści z re d u k o w a n e j (T = 0 °C do 40°C )
■ 452
■3T7łl60 9
■ 333.2 f 271.7
■ 244,6
0,00001 0,0001 0,001
0tT.f |Hz|
Rys.2. Ocena mieszanek przy różnych częstotliwościach obciążenia Fig.2. Valuation o f deformation according to various load frequencies 3.4. Główne krzywe
Sposób oceny według głównych krzywych pokazano na rysunku 2. Przedstawia on zmianę wartości modułu zespolonego przy wprowadzeniu stałej gazowej. Z przeprowadzonych badań wynika między innymi:
• Właściwości deformacyjne mieszanek asfaltowych zależą od częstotliwości podczas badań dynamicznych - wartości wzrastają wraz ze wzrostem częstotliwości siły wzbudzającej (w zależności od temperatury).
• Badania modułu zespolonego E* wykonane w temperaturze +40°C pokazują, że E*
wzrasta wraz ze wzrostem częstości drgań. Podczas poprzednich pomiarów
zauważono, że w zależności od temperatury (0°C do 40°C) wartość E* zmienia się nawet 15-krotnie (przy jednakowej temperaturze i przy zmianie częstotliwości z 5 Hz do 15 Hz, na tej samej próbce, są dwukrotnie wyższe).
• Kąt fazowy pod wpływem zmiany częstotliwości nie ulega wyraźnym zmianom.
Wielkość kąta fazowego niedokładnie pomierzono ze względu na małe wartości w temperaturze +40°C.
M o d u ł zesp o lo n y E* [M Pa]
T = 0°C do 40°C
W
Rys.3. Krzywe badanych mieszanek Fig.3.Curves o f examinated compositions
Na rysunku 2 pokazano przebieg głównej krzywej mieszanki obciążonej i nieobciążonej ruchem przy różnej częstotliwości siły wzbudzającej i temperaturze +40°C. Rysunek 3 przedstawia wyniki pomiarów i oceny mieszanek przy wprowadzeniu stałej gazowej z uwzględnieniem temperatury próbki przy pomiarach, częstotliwości i liczby próbek.
12000
10000
2000
100
-2000 -A B S
-A B V H -A K M S-1.1 -A K M S-1.3/5 Hz -A B V H -M -1.3/5 Hz - AB V H -M -1.3/10 Hz -M U LT IM A C A /l 0 H z -A K M S -1.3/10 Hz -A K M S-1.4 -A B V H -1.3/8,3 Hz -A B V H -1.3/15 Hz -M U L T IM A C A/5 Hz -M U L T IM A C B/5 Hz -M U L T IM A C B /lO H z - M ULTIM AC A/5 Hz (4 mes) - M ULTIM AC AJ 10 Hz (4 mes)
M ULTIM AC B/5 Hz (4 mes) -M U L T IM A C B/10 Hz (4 mes)
-0,0
-0,0______________________________________
- a - A K M S - X — ABVH-M
AKMS-1.2 AKMS-1,3/8,3 Hz ABVH-M-1.3/8.3 Hz - 0 - A B V H - M - 1 .3 /1 5 Hz - O - M U L T I M A C A /l 5 Hz
—^ -A K M S - l,3 /1 5 H z
—¿ -A B V H - 1 .3 /5 H Z
—3K— ABVH-1.3/10 Hz
— I— ABVH-1.4
-MULTIMAC A/8,3 Hz -A B S
-MULTIMAC B/15 Hz -MULTIMAC A/8,3 Hz (4 mes) -MULTIMAC A / l 5 Hz (4 mes) -MULTIMAC B/8,3 Hz (4 mes) -MULTIMAC B/15 Hz (4 mes) - 0 , 0
- 0 , 0 __________________________________________
4. WNIOSKI
• Przebiegi głównej krzywej poszczególnych mieszanek umożliwiają porównanie wyników otrzymanych z pomiaru przy zmianie parametrów (wartość siły, prędkość działania, zmiana częstotliwości przy badaniu i inne) dla klasycznych mieszanek i dla warstw wykończeniowych.
• Przesunięcie fazowe ulega zmianie przy różnych częstotliwościach i temperaturach;
wpływ zmiany częstotliwości przy obciążaniu jest mniejszy w warunkach jednakowej temperatury badania niż przy różnych temperaturach badania próbki.
• Częstotliwość siły wzbudzającej powoduje zmianę modułu E , który jest istotnie zależny od pomiaru w określonej temperaturze.
• Przyrost sprężystego składnika modułu zespolonego (Ej) jest w badanych mieszankach wyższy niż przyrost części plastycznej (E2); powoduje to nieregularność zmiany przesunięcia fazowego.
L iteratu ra
1. Pawlicki J., Schlosser F.: Badanie dynamiczne mieszanek asfaltowych. Zeszyty Nauko
we Politechniki Śląskiej, seria Transport, z. 43, Gliwice 2001, s. 87-92.
2. Pawlicki J., Schlosser F.: Wpływ zmiennych obciążeń na wytrzymałość zmęczeniową i odkształcalność nawierzchni asfaltowej. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, seria Transport, z. 41, Gliwice 2000, s. 201-208.
3. Schlosser F.: Hodnotenie deformacnych vlasnosti asfaltovych zmesi podfa hlavnej krivky.Zbornik seminara Q-2002, ŻU, Żilina 15-16.05.2002, s. 170-176.
4. Schlosser F.: Skuśanie asfaltovych zmesi metódou E*. Zbornik Poznatky z Kongresu EURASPHALT 2000, Slovenska asociacia pre asfaltove vozovky, Stara Leśna, 2001, 1.- 2.3.2001, s.53-58.
5. Sobotka Z.: Teorie plasticity am eznich stavu stavebnich konstrukci I. Nakladatelstvi ĆSAV, Praha 1954.
Recenzent: Doc. dr inż. Zbigniew Ginalski
A bstract
Way of measurement and calculation some o f characteristics o f asphalt composition defonnation are presented in this paper. This components, which have got viscoelastic material features, have been examined with static and dynamic methods. With dynamic examination the E* complex module has been defined. The complex module method has been used to composition fatigue estimation.
