Jerzy PA W L IC K I Frantisek SC H LO SSER
WPŁYW ZMIENNYCH OBCIĄŻEŃ NA WYTRZYMAŁOŚĆ ZMĘCZENIOWĄ I ODKSZTAŁCALNOŚĆ NAWIERZCHNI ASFALTOWEJ
S tre szc ze n ie . W artykule przedstaw iono problem atykę zm ęczenia i odkształcalności m ieszanek asfaltow ych pod w pływ em w ielokrotnych okresow o zm iennych obciążeń Pomiary w ykonano w w arunkach laboratoryjnych m etodą statyczną i dynam iczną.
EFFECT OF CHANGING LOADS ON ASPHALT SURFACE FATIGUE LIMIT AND DEFORMABILITY
S u m m a ry . T he problem s connected w ith asphalt com position fatigue and deform ability under influence o f m ultiple and periodically changing loads are presented in this paper.
M easurem ents w ere m ade in laboratory environm ent w ith static and dynam ic m ethod
1. W P R O W A D Z E N IE
B adanie trw ałości i niezaw odności naw ierzchni asfaltow ych m ożna sprow adzić do dw óch typów grup [1]:
• dobór składu i struktury m ieszanki m ineralno-asfaltow ej;
• określenie w p ły w u czynników zew nętrznych na zm iany w łaściw ości eksploatacyjnych.
B adania te pow inny określać m iędzy innym i strukturę w arstw nawierzchni, przyczepność kół, w ytrzym ałość zm ęczeniow ą, odporność na pow staw anie odkształceń.
W Polsce stosuje się trzy zasadnicze sposoby utrzym yw ania jezdni drogow ych [9]:
napraw ę cząstkow ą, pow ierzchniow e utrw alenie zapobiegaw cze i odnow ę. W pierw szym przypadku napraw y w ykonuje się m asam i m ineralno-bitum icznym i o składzie zbliżonym do składu jezdni.
D robne ubytki i zm iany będące konsekw encją starzenia się lepiszcza górnej pow ierzchni w arstw y ścieralnej regeneruje się poprzez pow ierzchniow e utrw alenie.
W przypadku odnow y prow adzi się następujące rodzaje robót:
• stosuje się pojedyncze lub podw ójne pow ierzchniow e utrw alenie (ruch lekki do średniego),
• układa się cienkie dyw aniki m ineralno-bitum iczne z du żą zaw artością grysów (ruch lekko-średni do ciężkiego),
• w ykonuje się now e w arstw y ścieralne z mas bitum icznych o zaw artości kruszyw łam anych > 60%.
W ytrzym ałość zm ęczeniow a m ieszanek m ineralno-asfaltow ych stanow i w ażny czynnik decydujący o długości życia całej konstrukcji naw ierzchni. P rzez w ytrzym ałość zm ęczeniow ą rozum ie się m aksym alne naprężenie, ja k ie m oże przenieść próbka m ateriału nie ulegając zniszczeniu po założonej liczbie cykli obciążeń lub odkształceń [6],
Przy w ykonaniu prac zw iązanych z utrzym aniem i rekonstrukcją naw ierzchni potrzebne są:
• znajom ość stanu w arstw y ścieralnej, na której m asa bitum iczna jako kom ponent lepko- sprężysty będzie układana,
• dobranie składu i użytych m ateriałów m ieszanki zgodnie z w ym aganiam i jakościow ym i [2, 4, 5, 7],
• uw zględnienie m ożliw ości technologicznych i ekonom icznych w ykonaw cy i inw estora.
B adanie w pływ u obciążeń dynam icznych na w artość odkształceń w zględnych przy stałej w artości pow tarzającego się naprężenia w ykazały, że trw ałość zm ęczeniow a jest zależna od tem peratury i częstotliw ości i zm niejsza się w raz ze w zrostem tem peratury [3],
2. P R Z Y G O T O W A N IE I P R O O W A D Z E N IE E K S P E R Y M E N T U
2.1. O p is m e to d y b a d a ń
D o pom iaru i oceny odkształcalności m ieszanki asfaltow ej m ożna przeprow adzić badania statyczne i dynam iczne. M etody dynam iczne lepiej odzw ierciedlają rzeczyw iste działanie sił zew nętrznych oraz w yw ołane nierów nością jezdni drganie (w przedziale 6-20 H z) poruszającego się pojazdu.
D o pom iaru odkształcalności stosow ane są próbki w kształcie prostopadłościanu (50 x 50 x 300 m m ) lub trapezoidu (H i = 70 mm , H 2 = 30 mm , L = 300 mm), na których określa się w artości m odułów:
• statycznego - badanie ąuasi-statyczne przy obciążeniu i odciążeniu sw obodnego końca próbki w czasie 1000 sekund,
• zespolonego - badanie dynam iczne przy obciążaniu harm onicznie zm ienną siłą i odkształceniem sw obodnego końca probówki o 0,1 mm.
L
P >
- 4 ' J r
Rys. 1. Schem at pom iaru m odułu statycznego Fig. 1. Schem a o f static m odule m easurem ent
Rys. 2. Schem at pom iaru m odułu zespolonego i zm ęczenia Fig. 2. S chem a o f com pound and fatigue m odule m easurem ent
D la obliczenia statycznego m odułu odkształcania decydujące znaczenie m a w artość ugięcia w czasie 1000 sekund, natom iast w ytrzym ałość zm ęczeniow ą ustala się przez przyłożenie siły harm onicznie zm iennej przy co najm niej trzech różnych odchyłkach sw obodnego końca próbki (rys. 1 i 2).
Badania statyczne i dynam iczne prow adzono w tem peraturze 0°C, + 11°C, + 27°C oraz, w celu ustalenia w pływ u tem peratury na w artość m odułu sprężystości w ybranych m ieszanek, w tem peraturze + 40 C.
2.2. Z astosow an e rodzaje m ieszanek
D o pom iaru trw ałości zm ęczeniow ej użyto próbek w ykonanych z w yciętych z istniejącej naw ierzchni pasków o szerokości 300 mm. M ieszanka m ineralno-asfaltow a zaw ierała następujące składniki:
• m ieszankę m ineralną (kruszyw o łam ane),
• klasyczne lepiszcze AP - 80 (5,6% ) stosow ane do budow y w arstw y ścieralnej typu asfaltobeton średnioziarnisty ABS1,
• m odyfikow ane lepiszcze APOLLOB1T (6,7% ) do budow y w arstw y ścieralnej typu asfaltow y dyw anik m astyksow y średnioziarnisty AKM S,
• m odyfikow ane lepiszcze A PO L L O PL A ST , stosow ane w niższych w arstw ach jezdni.
2.3. B ad an ie w ytrzym ałości zm ęczeniow ej
Pom iary zm ęczenia były w ykonyw ane przy odkształceniach sw obodnego końca równych: 0,45 mm , 0,35 mm i 0,25 mm. O trzym ane w yniki w yrażają długość życia próbki, gdy przyłożona siła harm oniczna, zarejestrow ana na początku pom iaru, obniży sw ą w artość o połow ę w założonym czasie.
D rugim kryterium ustalenia trw ałości zm ęczeniow ej je s t zjaw isko pojaw ienia się szczeliny. B adanie m oże być rów nież prow adzone przy działaniu siły stałej, co pozw ala na określenie w ielkości deform acji. O kreśla się przyrost odkształcenia do podw ójnej w artości, ja k ą zaobserw ow ano na początku pomiaru. Z m ęczenie w yraża się zależnością:
N = f • t , (1)
gdzie:
N - liczba cykli, f - częstotliw ość [s ’ t - czas [s].
Liczba cykli na w ykresie W óhlera (rys. 3), przy której w artość przyłożonej siły obniży się o połow ę, w yraża żyw otność m ieszanki. Z ależność ta ma postać
log a o = A + B • log N i , (2)
gdzie:
a o - am plituda naprężenia [M Pa], A, B - w spółczynniki,
N ■, - liczba cykli obciążeniow ych.
Rys. 3. W ykres W óhlera Fig. 3. W ohler’s graph
Pom iary w ykonano w tem peraturze + 27°C dla trzech różnych odchyłek. Czas pom iaru odpow iada obniżeniu w artości siły o połow ę lub w ynosił 6 - 8 godzin Zm ęczenie obliczono za p om ocą regresji liniowej.
Tablica 1 W yniki pom iarów w ybranych m ieszanek
Rodzaj m ieszanki m ineralno- asfaltow ej
O dkształcenia końca próbki
y [mm]
T em peratura [°C ]
W spółczynniki L iczba cykli N i
A B
W arstw a ścieralna
ABS1 0,345 ; 0,27;
0,21
27 816,54 -105,6 7,31*10J
AKM S 0,345; 0,27;
0,21
11 0
518,6 416,3
-39,38 -22,9
3,85* 10 6 1,2* 10 9 A KM S
(„1-98”)
0,7; 0,35;
0,35
27 740,407 -50,238 2 ,3 3 9 -1 0 '
A K M S 2 („1-98” )
0,7; 0,35, 0,25
27 901,14 -75,327 9,584-10 5
D olne w arstw y jezdni A B V H - 1
(AP- 80)
0,35;
0,15
27 617,72 -77,15 1 ,01-10“
ABVH
(A PO L LO B IT )
0,45;
0,35, 0,25
27 1058,2 -75,15 1,09-10 7
Źródło: [8]
3. P O M IA R Z E S P O L O N E G O M O D U Ł U S Z T Y W N O Ś C I
W edług zaleceń SHRP (Strategie H ighw ay R esearch Program ), m oduł zespolony E*
należy w yznaczyć w badaniach dynam icznych przy sinusoidalnym obciążeniu próbek w szerokich przedziałach zm ian częstotliw ości i tem peratury [6],
W przeprow adzonym dośw iadczeniu [10] próbkę obciążono zm ienną siłą z częstotliw ością 5 H z, 8,33 Hz, 10 H z i 15 H z przy stałych am plitudach przem ieszczania y = ± 0 ,l mm oraz y=±0,25 mm w tem peraturze 11°C (rys. 2). Z espolony m oduł sztyw ności w yraża zw iązek, jak i zachodzi pom iędzy m aksym alna am plitudą naprężenia w zbudzającego oo , w yw ołanym przez to naprężenie odkształceniem £o oraz kątem przesunięcia fazow ego m iędzy tym i w ielkościam i. C zęść rzeczyw ista m odułu E* (E i) charakteryzuje sprężyste w łasności m ieszanki, część urojona - lepkość (tablica 2).
Tablica 2 W yniki pom iaru m odułu zespolonego i kąta przesunięcia fazow ego przy y = 0 ,1 mm (0,25 mm)
T em peratura [°C]
C zęstotliw ość [Hz]
Ei [MPa] E j [MPa] E* [MPa] <P[°]
11 8,33 8905,31
(5712,36)
3638,96 (2115,18)
9623,37 (6096,44)
22,2 (20,0)
11 10,0 8728,67
(6923,18)
6289,34 (2449,43)
10769,0 (7352,01)
35,74 (19,6)
11 11,66 8535,59
(7356,27)
8381,29 (3169,36)
11993,70 (8018,37)
44,68 (23,14)
11 15,0 6988,47
(7413,70)
14078,60 (7536,0)
15761,60 (10635,35)
63,49 (45,2) Źródło: [10]
4. W N IO SK I
Z przeprow adzonych pom iarów w ynika m iedzy innymi:
• S tosow anie klasycznych i m odyfikow anych asfaltów w m ieszankach ma swoje uzasadnienie. O kazało się bow iem , że przy odpow iednio dobranym składzie (kom binacja kruszyw a i lepiszcza) korzystniejsze, ze w zględu na odporność na pow staw anie trwałych deform acji, je s t stosow anie lepiszczy m odyfikow anych.
• M odyfikow ane asfalty zw iększają m rozoodporność mieszanki.
• W artości w spółczynników są inne niż to stanowi norma. N iższe w artości w yrażają lepszą w ytrzym ałość zm ęczeniow ą. Fakt ten ma duże znaczenie praktyczne - w ydłuża eksplo
atacyjną w ydajność naw ierzchni.
• Przy zw iększaniu częstotliw ości zm iennego obciążenia w zrasta w artość zespolonego m odułu sztyw ności dla obu w artości.
Literatura
1. G rabow ski W.: S truktura betonu asfaltow ego i jej zm iany w naw ierzchni drogowej.
W ydaw nictw o Politechniki Poznańskiej, ser. Rozpraw y nr 187, Poznań 1987.
2. Ćorej J.: T eoreticke otazky zlepsovania prevadzkovej sposoblivosti cestnych vozoviek.
Z averecna sprava grantovej ulohy 1/3127/96, Żilina 1999.
3. K ukułka J., Szydło A.: Projektow anie i budow a dróg. W K Ł, W arszaw a 1986.
4. Paw licki J., Schlosser F.: K ontrola jakości w drogownictw ie. Z eszyty N aukow e P olitechniki Śląskiej, ser. T ransport, z. 38, G liwice 1999.
5. Paw licki J.: K valita stavebnych prac v regióne Sliezskej spravy ciest. Sem inar s m edzinarodnou u casfo u „Kvalita, norm y a technicke predpisy v cestnom stavitel’stve” , Ż ilinska univerzita, Żilina 4-5.02.1999, s.241-250.
6. R adziszew ski P., K alabińska M ., Piłat J.: M ateriały drogow e i naw ierzchnie asfaltowe.
P olitechnika B iałostocka, P olitechnika W arszaw ska, B iałystok - W arszaw a 1995.
7. S chlosser F.: System kontroly kvality v SSC. M ateriały K onferencyjne sem inarium nt.
„K valita, norm y a technicke predpisy v cestnom stavitel’stve” , Ż ilinska univerzita, Żilina, 4-5 luty 1999, s. 78 - 88.
8. Schlosser F.: U nava krytov asfaltovych vozoviek. Sem inar „T echnologie udrżby ciest” , Ż ilinska univerzita, Żilina, 3-4 m aja 2000, s. 138-142.
9. Stypułkow ski B., red.: Z agadnienia utrzym ania i m odernizacji dróg i ulic. W KŁ, W arszaw a 1995.
10. T iefenbacher J.: H odnotenie deform aćnych vlasnosti asfaltovej zm esi pri różnej ffekvencii zatazenia. Sem inar „T echnologie udrźby ciest” , Ż ilinska univerzita, Żilina, 3-4 m aja 2000, s. 135-137.
Recenzent: Doc. dr inż Z bigniew Ginalski
A bstract
T he fatigue has decisive influence on surface persistence. It consists in gradual destruction o f top layer o f surface under influence o f vehicle w heels loads. The problem s connected w ith asphalt com position fatigue and deform ability under influence o f m ultiple and periodically changing loads are presented in this paper. M easurem ents w ere m ade in laboratory environm ent w ith static and dynam ic m ethod.
