Badanie dynamiczne mieszanek asfaltowych

ZESZY TY N A U K O W E POLITEC H NIK I ŚLĄ SKIEJ Seria: T R A N SPO R T z. 43

2001 N r kol. 1529

Jerzy PA W LIC KI, Frantiśek SCH LOSSER

BADANIE DYNAMICZNE MIESZANEK ASFALTOWYCH

Streszczenie. W artykule przedstaw iono sposób pom iaru i obliczania niektórych charak­

terystyk deform acji m ieszanek asfaltow ych. Kom ponenty te, które posiadają cechy m ateriału lepkosprężystego (lepkoplastycznego), badano m etodam i statycznym i i dynam icznym i. B a­

danie dynam iczne pozw oliło na określenie m odułu zespolonego E*. Do oceny zm ęczenia m ieszanki zastosow ano m etodę m odułu zespolonego.

DYNAM IC EX A M IN A TIO N OF ASPHALT COM POSITIONS

Sum m ary. W ay o f m easurem ent and calculation some o f characteristics o f asphalt com ­ position deform ation are presented in this paper. The com plex m odule m ethod has been used to com position fatigue estimation.

1. W PR O W A D Z EN IE

Do podstaw ow ych charakterystyk deformacji m ożna zaliczyć: moduł sprężystości (sta­

tyczny i dynam iczny), m oduł odkształcenia, moduł sztyw ności (dynam iczny), moduł pełzania (statyczny), m oduł zespolony (dynam iczny) i stałą Poissona. W celu zbadania odkształcalno- ści m ieszanek m ineralno-bitum icznych m ożna zastosować badanie statyczne, w którym okre­

śla się statyczny m oduł pełzania Sj(t). M oduł ten stanowi materiałową, zależną od czasu i tem peratury, charakterystykę lepkosprężystego odkształcenia przy długotrw ałym obciążeniu.

W yraża on zw iązek, jaki zachodzi pom iędzy stałym naprężeniem i odkształceniem w danym czasie przy ustalonym przebiegu obciążenia ( 1 0 0 0 s) i odciążenia ( 1 0 0 0 s) - r y s .l .

M oduł zespolony je st charakterystyką lepkosprężystego odkształcenia zależną od tem pe­

ratury i czasu przy krótkotrw ałym zm iennym obciążeniu. Przedstaw ia związek, jaki zachodzi pom iędzy m aksym alnym i am plitudam i naprężenia wzbudzającego i w yw ołanym przez to naprężenie odkształceniem przy ustalonych drganiach harm onicznych z uw zględnieniem przesunięcia fazowego (czasow ego) między tym i wielkościam i [1,2]. Zm iana charakterystyk deform acji zależy szczególnie od wielkości sposobu i szybkości obciążania w funkcji czasu.

Schem at kształtu próbki użytej do ustalenia m odułu zespolonego i zm ęczenia oraz sposób obciążenia sw obodnego końca w badaniu dynam icznym E pokazano na rysunku 2.

O dkształcalność zależy również od tem peratury. Badania, zgodnie z m etodyką opraco­

w aną w KCS ŻU, są w ykonyw ane w tem peraturze 0 C, +11 C, +27 C oraz +40 C [5,6].

88 J. Pawlicki, F. Schlosser

2. C H A R A K T E R Y ST Y K I DEFORM ACJI 2.1. Statyczny m oduł pełzania Sj(t)

Do oceny m ieszanek w ykorzystano kom binowane metody sprawdzania następujących charakterystyk:

• statyczny m oduł pełzania Sj(t) za pom ocą badania statycznego sw obodnego końca siłą przyłożoną na ram ieniu 25-1 0 0 mm w taki sposób, aby podczas pom iaru nie nastąpiło od­

chylenie końca od pionowej osi więcej niż 1 , 0 mm,

• m oduł zespolony E* za pom ocą badań dynam icznych przy działaniu siły harmonicznej i różnej częstotliw ości,

• zm ęczenie m ateriału za pom ocą metody m odułu zespolonego przy różnych odchyłkach sw obodnego końca.

Statyczny m oduł pełzania pomierzono na trapezoidach (pomiar porównawczy w ykonano na próbkach prostopadłościennych), a obliczenia przeprowadzono według wzoru:

gdzie:

Pi - siła [N],

L - w ysokość próbki [mm], a - odległość od osi próbki [mm],

yt - deform acja sw obodnego końca próbki po obciążaniu lOOOs [mm], C - grubość próbki [mm],

H |, H2 - w ym iary trapezoidu [m],

2.2. M oduł zespolony E*

M oduł zespolony ustalono na próbkach w kształcie trapezoidu przy następujących wa-

• podstaw ow a (teoretyczna) odchyłka swobodnego końca w ynosiła ± 0 , 1 mm od pionowej osi trapezoidu,

• wartości odkształceń sprawdzano w tem peraturze 0 C, +11 C, +27 C, +40 C„

• podczas pom iaru zm ieniała się częstotliwość siły wzbudzającej w zakresie 5H z-25H z, natom iast rzeczyw iste wartości pom iarów ustalano na podstawie przesunięcia am plitud siły i odkształcenia. Wartości teoretyczne częstotliwości siły wzbudzającej odpow iadają na urządzeniu pom iarow ym ŻU wartościom: 5,0, 8,33, 10,0, 15,0 Hz z m ożliw ością uzupeł­

nienia pom iarów o częstotliwości 20,0 i 25,0 Hz. Oceny dokonano z w ykorzystaniem za­

leżności:

runkach:

K ( p

E, = —1 — cosę> + m<u2 [MPa],

c U o )

c U o

(

)

(3)

(5) (4)

Badanie dynam iczne m ieszanek asfaltowych 89

gdzie:

yo - m aksym alna am plituda ugięcia sw obodnego końca próbki [m], Po - m aksym alna am plituda siły wzbudzającej [N],

tp - kąt fazow y przesunięcia siły i ugięcia [°], co - częstotliw ość kątow a drgania w ym uszonego [s'1], m - m asa drgającego m ateriału [kg].

W yniki pom iarów odpow iadają schematowi pokazanem u na rysunku 1, na którym : E i - rzeczyw isty składnik m odułu zespolonego charakteryzujący w łasności sprężyste m ate­

riału lepkosprężystego [MPa],

E2- urojona część m odułu zespolonego dotycząca plastycznych własności m ateriału lepko­

sprężystego [MPa].

Przesunięcie fazowe oznacza przesunięcie am plitud siły harmonicznej przyłożonej do końca próbki i odkształcenia (rysunek 1).

M-co2

► Re

Rys. 1. Diagram impedancji Fig. 1. Diagram of impedance

Po-yo ; Po-yo

►

Rys. 2. Schemat pomiaru modułu zespolonego Fig. 2. Scheme of the complex module measurement

90 J. Paw licki, F. Schlosser

3. W Y N IK I PO M IA R Ó W

3.1. M oduł statyczny

W yniki pom iarów dokonanych na trapezoidach otrzym ane ze wzoru (1) zaprezentow ano w tablicy 1. Opis m ieszanek zaw artych w tablicy przedstawiono między innym i w [3,4],

Tablica 1 W yniki pom iarów

M ieszanka

T em pe­

ratura [°C]

Są») [MPa]

M oduł zespolony (MPa)

<P ^{» 0} [kPaJ

£o

[ i o s]

E , e2 E ( S ) [°]

40/5H z 32,5 450,3 266,2 523,2 30,6 51,9-70,8 1 1,2-1 2 , 2

A BV H -PLAST 4 0/8 ,3Hz 569,9 370,8 680,0 33,1 65,8-83,9 1 0,6-1 2 , 1

bez obciążenia* 40/lO H z 618,1 327,1 699,6 27,7 70,1-93,1 11,4-12,3

40/15Hz 714,0 435,3 836,7 31,3 85,5-109,3 1 1,6-1 2 , 1

40/5H z 54,3 265,6 173,5 317,5 32,8 A BV H -PLAST 40/8,3Hz 326,9 249,9 412,6 36,7 po obciążeniu* 40/10Hz 399,1 242,7 468,8 30,5

40/15Hz 473,0 309,6 568,2 32,2

A BV H -8097p 40/5H z 1 0 , 8 244,6 116,8 271,2 25,5 po obciążeniu 40/8,3Hz 285,8 165,1 331,8 28,1

40/10Hz 339,4 151,6 371,8 24,2

40/15Hz 405,0 203,3 454,2 26,4

27 26,6 1347 2328 2696 59,95 97,80-148,6 37,0-44,6

1 1 413,4 5907 3844 7074 33,05 223,1-294,1 27,7-44,8

0 721,4 7301 3810 8244 27,56 233,0-388,8 29,7-39,6 A KM S3n 40/5H z 14,43 229,8 143,9 271,7 31,8 30,2-37,6 11,4-12,4 bez obciążenia 4 0/8,3Hz 299,5 227,8 377,4 36,7 39,2-51,9 10,7-11,9 4 0/10Hz 324,3 220,7 394,7 33,7 43,5-53,7 1 0,8-1 2 , 8

4 0 /1 5Hz 390,8 309,2 500,3 37,98 53,6-64,9 10,8-11,5 A KM S3p 40/5H z 28,2 219,2 108,7 244,6 26,4 21,6-30,2 10,9-12,1 4 0/8,3Hz 290,7 162,6 333,2 29,2 29,7-42,4 10,8-12,3 40/1 Ohz 330,5 144,7 360,9 23,7 31,6-47,8 10,9-12,1

4 0/15Hz 410,3 149,6 452,0 24,8 - -

*próbki pobrane z odcinka badaw czego przed i po obciążeniu pojazdami Źródło: [7]

3.2. M oduł zespolony

Ocenę pom iarów w tem peraturze + 40 C i zróżnicowanej częstotliw ości pokazano w ta­

blicy 1. W artości deform acji uzyskano z obliczeń przeprow adzonych zgodnie ze wzoram i (2) do (5).

Z otrzym anych pom iarów wynika:

• odksztalcalność m ieszanek asfaltow ych zależy od częstotliw ości przy badaniu dynam icz­

nym - w artości ro sn ą w raz ze wzrostem częstotliw ości siły wzbudzającej (w zależności od tem peratury),

Badanie dynam iczne m ieszanek asfaltow ych 91

• badania m odułu zespolonego (E*) wykonane w tem peraturze + 40 C w ykazały, że E* ro­

śnie w raz ze wzrostem częstotliwości siły wzbudzającej - z poprzednich pom iarów w yni­

kało, że w zależności od zm ian tem peratury (od 0° do 40°C) wartość E* zm ienia się piętna­

stokrotnie (przy jednakow ej tem peraturze oraz przy zm ianie częstotliw ości z 5 H z do 15 Hz w artości ro sn ą zw ykle dwukrotnie),

• kąt fazowy nie zm ienia się znacząco w raz ze zm ianą częstotliw ości - nie je st w iarygodna w artość pom ierzonego kąta fazowego ze w zględu na stosunkowo niskie wartości w tem ­ peraturze +40 C, stwierdzono rów nież dysproporcje przy pom iarach dokonanych wcze­

śniej, np. przy +27 /+40 C w porównaniu z tem peraturam i 0 /+ 1 1 C,

• wartości E dla A K M S3p (po obciążeniu próbnym i przejazdam i) są w tem peraturze +40 C bardzo niskie, rosną w raz z częstotliw ością przy wzbudzaniu siłą harm onicznie zm ienną (obciążenie sw obodnego końca),

• m ieszanka A BV H - PLA ST3p (po przejazdach próbnych) m a w yższe wartości E* niż w arstw a ścieralna naw ierzchni tej samej konstrukcji, co może w ynikać z zastosow ania lepszego jakościow o szkieletu A BVH oraz m odyfikow anego lepiszcza w mieszance,

• m ieszanka A BV H - PLA STp m a w ysokie wartości m odułu statycznego.

3.3. Z m ęczenie

Badania zm ęczeniow e w ykonano, podobnie ja k pom iar m odułu zespolonego, przy zm iennej w czasie sile i stałej deformacji. Różnice w pom iarach dotyczyły:

• przedziału czasu działania siły harmonicznej na swobodny koniec próbki - czas pomiaru określało obniżenie wartości początkowej siły harmonicznej o połowę (w czasie rzeczy­

w istym ),

• odchylenia sw obodnego końca próbki, w yrażającego w ielkość deform acji o wartościach:

0,45 m m , 0,35 m m i 0,25 mm (w celu ustalenia zm ęczenia bada się co najm niej 6 próbek przy każdym odchyleniu), przy zróżnicow anych odchyleniach są osiągane różne żyw otno­

ści w yrażone zm ęczeniem materiału,

• tem peratury próbek przy pom iarach - największa degradacja m ateriałów pow staje przy w yższych tem peraturach (tem peratura próbki i pow ietrza w komorze klim atyzacyjnej w y­

nosiła +27 C).

Pom iar był dokonyw any wg m etodyki KCS ŻU przy stałej am plitudzie deform acji aż do obniżenia wartości siły o połowę, albo do czasu (od początku pomiaru), kiedy w próbce po­

jaw i się szczelina, lub próbka ulegnie złamaniu.

Z m ęczenie m ożna przedstaw ić następującym wzorem:

S = a - b l o g N (6)

O trzym ane z pom iarów zależności pozw oliły, po przyjęciu a = 1,0, na obliczenie, zgod­

nie z (6), w spółczynników zm ęczeniow ych b now ych rodzajów m ateriałów z przew agą łam a­

nych frakcji kruszyw a, nowym asfaltow ym lepiszczem (z m odyfikatoram i) i. nowym i tech­

nologiam i stosow anym i m iędzy innym i przy wzbogacaniu mieszanki.

4. W N IO SK I

Z w ykonanych pom iarów wynika:

• przesunięcie fazowe ulega zm ianie przy różnych częstotliw ościach i temperaturach;

w pływ zm iany częstotliw ości przy obciążaniu je st mniejszy w w arunkach jednakow ej tem peratury badania niż przy różnych tem peraturach badania próbki,

92 J. Paw licki, F. Schlosser

• częstotliw ość siły w zbudzającej powoduje zm ianę m odułu E*, który je st istotnie zależny od pom iaru w określonej tem peraturze,

• przyrost sprężystego składnika m odułu zespolonego (E |) je st w badanych m ieszankach w yższy niż przyrost części plastycznej (E2); powoduje to nieregulam ość zm iany przesu­

nięcia fazow ego,

• przy zm ianie częstotliw ości z 5,0 H z do 15,0 Hz i jednakow ej tem peraturze pom iaru sto­

sunek m iędzy najw yższą a najniższą w artością rzeczyw istego składnika m odułu Ei jest bliski dwa,

• charakterystyki zm ęczeniow e m ieszanek m ożna otrzym ać za pom ocą m etodyki pomiaru m odułu zespolonego; przy określaniu tych charakterystyk, które w yrażone są za pom ocą w spółczynników a i b, pow inno się uwzględniać:

- stosowanie now ych rodzajów lepiszczy także na bazie lepiszczy m odyfikow anych, - ocenę przydatności użycia lepiszcza asfaltow ego ze względu na odporność wynikowej

m ieszanki na pow staw anie trw ałych deformacji,

- stosow anie now ych rodzajów kruszyw a oraz większy udział łam anych składników kru­

szywa.

Literatura

1. Luksem burk F. a kol.: Aplikace teorie linearne viskoelasticke hm oty v silnićnim stavitel- stvi. ĆSV TS, Praha 1977.

2. VUIS - CESTY: O verenie asfaltovych technologii vystavby a oprav vozoviek diaFnićnej a cestnej siete SR na kruhovej skuśobnej drahe. Sprava Etapy 0,1, 1997-1998 ŻU v Żiline, Ż ilina 1998.

3. Pawlicki J., Schlosser F.: K ontrola jakości w drogownictwie. Zeszyty N aukow e Politech­

niki Śląskiej, seria Transport, z. 38, Gliwice 1999, s.61-72.

4. Paw licki J., Schlosser F.: W pływ zm iennych obciążeń na w ytrzym ałość zm ęczeniow ą i odkształcalność naw ierzchni asfaltowej. Zeszyty N aukow e Politechniki Śląskiej, seria Transport, z. 41, G liw ice 2000, s. 201-208.

5. Schlosser F. a kol.: Zhodnotenie reologickych vlastnosti asfaltovych uprav z kruhovej skuśobnej drahy. Sprava k zm luve ć. 93/SvF/98, ŻU v Żiline, Żilina 1999.

6. Schlosser F. a kol.: D eform aćne vlastnosti asfaltovych zmesi. Zaverećna sprava k HZ 82/SvF/2000, ŻU v Żiline, Żilina 2000.

7. Schlosser F.: D ynam icka m etoda skuśania asfaltovych zm esi - E*. Sem inar s medzina- rodnou ućasfou „A sfaltove vozovky - Q 2001” , Żilinska univerzita, Żilina 2-3.05.2001, s.

143-150.

Recenzent: Doc. dr inż. Z bigniew Ginalski

A bstract

Way o f m easurem ent and calculation some o f characteristics o f asphalt com position de­

form ation are presented in this paper. This com ponents, w hich have got viscoelastic material features, have been exam ined with static and dynam ic methods. W ith dynam ic exam ination the E* com plex m odule has been defined. The com plex m odule m ethod has been used to com position fatigue estim ation.