Koncepcja stanowiska laboratoryjnego do badań zmęczeniowych połączeń warstw asfaltowych konstrukcji nawierzchni drogowej

Transkrypt

1 GÓRSZCZYK Jarosław 1 MALICKI Konrad 1 Koncepcja stanowiska laboratoryjnego do badań zmęczeniowych połączeń warstw asfaltowych konstrukcji nawierzchni drogowej WPROWADZENIE Asfaltowa nawierzchnia drogowa jest konstrukcją wielowarstwową. Liczne doświadczenia praktyczne oraz wieloletnie obserwacje i badania, przedstawione np. w [3], [5], [6], [8], [9], [11], [14], dowiodły, iż przygotowanie i stan połączenia międzywarstwowego odgrywają istotną rolę w trwałości całej konstrukcji nawierzchni. W przypadku braku właściwego związania międzywarstwowego nawierzchnia zamienia się w system pojedynczych, pracujących oddzielnie warstw, co implikuje z kolei redystrybucję sił wewnętrznych i wzrost naprężeń i odkształceń rozciągających na spodach poszczególnych warstw asfaltowych. Powoduje to ostatecznie obniżenie trwałości zmęczeniowej konstrukcji nawierzchni drogowej i znaczne pogorszenie jej stanu. Aspekt ten stanowi istotny element dla etapu transportowego całego procesu logistycznego. Nawierzchnia drogowa pracuje w warunkach obciążeń zmiennych. Natomiast typowa ocena stanu połączeń międzywarstwowych bazuje na badaniach statycznych wytrzymałości na ścinanie próbek cylindrycznych o określonych średnicach wg metody Leutnera [1], [16]. W artykule przedstawiono koncepcję nowatorskiego stanowiska laboratoryjnego do badań połączeń międzywarstwowych mieszanek mineralno-asfaltowych (MMA) w warunkach obciążeń cyklicznych. Zaprezentowane stanowisko i zastosowana na mim metoda badań nawiązują do rzeczywistych warunków pracy nawierzchni. Koncepcja metody badań zmęczeniowych połączeń międzywarstwowych MMA oraz laboratoryjne stanowisko badawcze zostały opracowane w Instytucie Inżynierii Drogowej i Kolejowej Politechniki Krakowskiej [11]. Potrzeba podjęcia tego tematu wynikała z wcześniejszych prac teoretycznych i symulacji numerycznych prowadzonych w Instytucie [5]. Zaprezentowane stanowisko i metoda są nadal w fazie rozwoju i udoskonalania. 1 ZAŁOŻENIA OGÓLNE DO BUDOWY STANOWISKA Przystępując do opracowania projektu nowatorskiego stanowiska i metody badań w pierwszym etapie określono przesłanki i założenia, na których powinny one bazować. Głównym celem było opracowanie koncepcji pozwalającej na lepsze odzwierciedlenie rzeczywistych warunków pracy nawierzchni drogowej, poprzez wprowadzenie obciążenia cyklicznego. Dodatkowym aspektem była potrzeba minimalizacji kosztów wykonania nowego stanowiska laboratoryjnego oraz procesu badawczego. W przyszłości pozwalałoby to na potencjalnie łatwiejsze wdrożenie metody do zastosowania w laboratoriach dydaktycznych oraz naukowo badawczych. Tak więc ogólne założenia dla budowy systemu można w sposób syntetyczny przedstawić następująco: rozszerzenie dotychczasowej oceny wytrzymałości statycznej połączeń w celu określenia ich charakterystyki zmęczeniowej, możliwość wykorzystania zmodyfikowanego zestawu do badania wytrzymałości połączeń międzywarstwowych tradycyjną metodą Leutnera [1], [16], adaptacja uniwersalnej aparatury do badań MMA dla wysokocyklowych badań zmęczeniowych połączeń międzywarstwowych MMA. 1 Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Lądowej; Kraków; ul. Warszawska 24. Tel: , Fax: , jgorszcz@pk.edu.pl, kmalicki@pk.edu.pl 4077

2 2 METODA BADAŃ Działanie stanowiska laboratoryjnego zostało oparte na metodzie badań zmęczeniowych bazującej na koncepcji energii rozproszonej Van Dijk a [15]. Koncepcja ta z sukcesem po raz pierwszy została zastosowana w badaniach zmęczeniowych rozciągania pośredniego na próbkach MMA przez Rowe a [13], a następnie w pracach prowadzonych pod kierownictwem Leutnera [10]. Metoda zakłada występowanie trzech faz degradacji materiału: początkowej fazy stabilizacji, powstania i rozwoju mikropęknięć oraz inicjacji i propagacji makropęknięcia, aż do całkowitego zniszczenia materiału. Przy obciążeniu sinusoidalnym energia rozproszona w cyklu, w jednostce objętości badanego materiału, może zostać zapisana równaniem (1): gdzie: W energia rozproszona w cyklu [J/m 3 ], σ, ε amplituda naprężenia i odkształcenia [MPa], [-], φ kąt przesunięcia fazowego [rad]. (1) Wykorzystując energię rozproszoną na początku badania oraz energię rozproszoną w danym cyklu obciążenia można obliczyć stosunek tych energii oznaczony symbolem ER. Dla badań prowadzonych metodą stałego naprężenia może on być wyznaczony jako iloczyn modułu sztywności MMA oraz liczby cykli obciążenia N [10], [4]. W oparciu o przebieg wykresu współczynnika ER w trakcie badania możliwe jest wyznaczenie momentu powstania mikro oraz makropęknięcia [7]. Maksimum funkcji ER(N) zostało utożsamione z wystąpieniem makropęknięcia w badanym połączeniu międzywarstwowym i przyjęte jako kryterium jego zniszczenia. 3 STANOWISKO BADAWCZE Opracowane stanowisko bazowało na innowatorskim połączeniu aparatu Leutnera z aparatem Nottingham Asphalt Tester (NAT). Najczęściej wykorzystanie aparatu NAT obejmuje badania modułu sztywności oraz badanie pełzania MMA, natomiast aparatu Leutnera statyczne badania wytrzymałości na ścinanie połączeń międzywarstwowych. Pionierskie rozwiązanie polegało zatem na połączeniu dwu elementów, które do tej pory wykorzystywane były osobno, do innych celów. Zaprojektowano i wykonano dodatkowe elementy pozwalające na współpracę obu aparatów. Na stanowisku mogą być prowadzone badania zmęczeniowe wysokocyklowe i niskocyklowe połączeń międzywarstwowych MMA zarówno na próbkach walcowych o średnicy 100 jak i 150 mm. Stanowisko badawcze oraz moduł sterująco pomiarowy urządzenia NAT pokazano na fotografii 1. a) b) Fot. 1. a) Stanowisko laboratoryjne do badań cyklicznego ścinania, b) jednostka sterująco-pomiarowa urządzenia NAT 4078

3 Zastosowano aparat NAT typu CRT-NU14 marki Cooper wyposażony w napęd pneumatyczny. Obciążenie pionowe przekazywane jest poprzez siłownik na szczękę aparatu Leutnera. Z siłownikiem zintegrowany jest czujnik przemieszczenia. Przyłożenie siły następuje z dokładnością 2 %, a pomiar przemieszczenia pionowego z dokładnością do 10 μm. Parametry badania kontrolowane są i zapisywane przy pomocy sterującego programu komputerowego. Aparatura badawcza została umieszczona w komorze termicznej pozwalającej na utrzymywanie zadanej temperatury z dokładnością ± 1 C. Zapewnienie stałej, kontrolowanej temperatury przez cały okres trwania badania stanowiło zagadnienie kluczowe, ze względu na istotny wpływ temperatury na wytrzymałość na ścinanie połączeń międzywarstwowych MMA. 4 STEROWANIE TESTEM I PRZETWARZANIE WYNIKÓW Do sterowania wykorzystano procedurę testu zmęczeniowego Indirect Tensil Fatigue Test (ITFT), która zaimplementowana jest w oprogramowaniu sterującym urządzeniem NAT. Test realizowany jest metodą rozciągania pośredniego wg normy brytyjskiej BS DD ABF [2] oraz normy PN-EN [12]. Procedura ta pozwala na uzyskanie zależności pomiędzy liczbą cykli obciążenia, a pionowym przemieszczeniem próbki, przy kontrolowanej wartości siły obciążającej. W standardowym teście ITFT realizowanym w NAT obciążenie przykładane jest na pobocznicy próbki walcowej, a parametrem sterującym jest wartość naprężenia normalnego rozciągającego z równoczesnym monitorowaniem horyzontalnych deformacji badanej próbki. Wprowadzane wartości naprężeń normalnych zamieniane są przez program sterujący na wartości obciążającej siły pionowej generowanej przez siłownik urządzenia. Dla materiałów pracujących w stanach sprężystych pomiędzy obciążeniem pionowym P a horyzontalnym naprężeniem rozciągającym σ sz występuje zależność (2) [10]: gdzie: D średnica próbki cylindrycznej, L wysokość próbki cylindrycznej. (2) Modyfikacja wprowadzona do procedury sterowania testem polegała na zastąpieniu metody rozciągania pośredniego próbki cylindrycznej obciążonej na pobocznicy, metodą bezpośredniego/technicznego ścinania w aparacie Leutnera. Widok ekranu programu sterującego podczas badania pokazano na fotografii 2. Fot. 2. Widok okna programu sterującego badaniem cyklicznego ścinania 4079

4 Współczynnik energii rozproszonej [MPa/mm] Przemieszczenie [mm] Pionowe obciążenie przekazywane jest poprzez siłownik na szczękę aparatu Leutnera powodując powstawanie w połączeniu międzywarstwowym naprężeń stycznych. Siła generowana jest w postaci impulsów z czasem odpoczynku lub w postaci funkcji haversin, a jej zakres ustalany jest w zależności od przyjętej wartości naprężenia stycznego obliczanego jako stosunek siły ścinającej do pola powierzchni ścinanego połączenia. Przykładowe wykresy przemieszczeń połączeń międzywarstwowych MMA w trakcie badania pokazano na rysunku 1. 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Liczba cykli obciążenia Rys. 1. Przykładowe zależności pomiędzy zadaną liczbą cykli obciążenia a przemieszczeniem pionowym uzyskane w badaniach ścinania połączeń międzywarstwowych Wykorzystując pomierzone przemieszczenia należy obliczyć wartość współczynnika energii rozproszonej ER. Wahania wykresu współczynnika energii wynikające ze zmienności przyrostów przemieszczenia nie pozwalają na jednoznaczne określenie maksimum funkcji energii wprost z danych otrzymanych z maszyny wytrzymałościowej. Należy wprowadzić linię trendu opisującą obszar zbliżony do punktu przegięcia wykresu energii rozproszonej. Następnie obliczając pochodną wyznaczyć liczbę cykli odpowiadającą ekstremum funkcji oraz maksymalną wartość energii rozproszonej. Przykładowy wykres współczynnika energii wraz z linią trendu obszaru maksimum funkcji pokazano na rysunku y = -1,67E-08x 3 + 1,69E-04x 2-4,29E-01x + 1,48E+03 R² = 0, Liczba cykli obciążenia N [-] Rys. 2. Przebieg współczynnika energii rozproszonej wraz z linią trendu obszaru maksimum funkcji 4080

5 Zakres naprężenia stycznego [MPa] Ustalenie liczby cykli w momencie zniszczenia badanego elementu pozwala na wyznaczenie zależności zmęczeniowej. Dla warunków kontrolowanego naprężenia najczęściej spotykana jest zależność pomiędzy liczbą cykli obciążenia N f a naprężeniem σ, przy stałych materiałowych A i d, wyglądająca następująco (3): (3) Graficznie zależność ta przedstawiana jest w układzie logarytmiczo-logarytmicznym na wykresie σ N i nazywana krzywą Wöhlera-Basquina. Przykład krzywej zmęczeniowej dla połączenia międzywarstwowego warstw MMA pokazano na rysunku 3. 1 y = 1,566x-0,186 R² = 0,80 Rys. 3. Krzywa zmęczeniowa Wöhlera- Basquina dla połączenia międzywarstwowego MMA badanego w trybie ścinania technicznego Krzywa zmęczeniowa może zostać wykorzystana w analizach teoretycznych i numerycznych dotyczących nośności nawierzchni drogowej. PODSUMOWANIE 0, Liczba cykli obciążenia do makropękcnięcia połączenia [-] Badania połączeń międzywarstwowych MMA stanowią zagadnienie istotne z punktu widzenia stanu i trwałości nawierzchni drogowych. Stan nawierzchni jest natomiast istotnym czynnikiem wpływającym na niezawodność transportowego procesu logistycznego. Przedstawiona w artykule koncepcja nowatorskiego stanowiska laboratoryjnego wraz z metodą badań połączeń międzywarstwowych MMA w warunkach obciążeń cyklicznych nawiązuje do rzeczywistych warunków pracy nawierzchni. Pozwala to na wyznaczanie zależności zmęczeniowych Wöhlera Basquina. Wyniki te mogą być wykorzystywane w analizach teoretycznych i symulacjach komputerowych dotyczących trwałości całych nawierzchni drogowych. Urządzenia podobne do aparatu NAT występują w wielu laboratoriach naukowo-badawczych i dydaktycznych zajmujących się badaniami materiałów budowlanych. Jest to szczególnie istotny aspekt, gdyż zaproponowana procedura badawcza może być łatwo wprowadzona do użycia, bez konieczności ponoszenia wysokich nakładów na budowę całkowicie nowych stanowisk badawczych. Streszczenie Badania połączeń międzywarstwowych MMA stanowią zagadnienie istotne z punktu widzenia stanu i trwałości nawierzchni drogowych, a w konsekwencji niezawodności etapu transportowego całego procesu 4081

6 logistycznego. W artykule przedstawiono koncepcję nowego stanowiska do badań połączeń warstw asfaltowych realizowanych na próbkach pobranych z nawierzchni drogowej. Stanowisko zostało oparte na urządzeniu Nottingham Asphalt Tester oraz aparacie Leutnera. Towarzysząca metoda badawcza pozwala na testowanie połączeń międzywarstwowych w warunkach obciążeń zmiennych, co jest bliższe rzeczywistym warunkom pracy nawierzchni drogowej. Ważnym aspektem opracowanej koncepcji jest możliwość stosunkowo łatwego wdrożenia metody w wielu laboratoriach dydaktycznych i naukowo-badawczych oraz wykorzystywanie otrzymanych wyników przy projektowaniu asfaltowych nawierzchni drogowych. The concept of the laboratory stand for asphalt interlayer bonding fatigue testing on samples taken from the road pavement Abstract The tests of the asphalt interlayer bonding are the issue relevant to the conditions and durability of road pavements and, consequently, the reliability of the transportation logistics process. This paper presents a conception of the new laboratory stand for interlayer bonding testing on samples taken from the pavement. In interlayer bonding fatigue tests, the Leutner s device and the Nottingham Asphalt Tester were used. The presented method allows testing of interlayer bonding under cyclic loading, which is closer to the actual conditions of their work. An important aspect of the developed concept is the ability to relatively easily implement the method in a number of different laboratories. BIBLIOGRAFIA 1. Arbeitsanleitungen zur Prüfung von Asphalt. Teil 4: Prüfung des Schichtenverbundes nach Leutner. FGSV BS DD ADF. British Standards Institution (BSI), Method for the determination of the fatigue characteristics of bituminous mixtures using indirect tensile fatigue. Draft for Development, London Collop A.C., Sutanto M.H., Airey G.D., Elliott R.C., Shear bond strength between asphalt layers for laboratory prepared samples and field cores. Construction and Building Materials 2009 nr Diakhate M., Petit Ch., Millien A., Phelipot-Mardele A., Pouteau B., Goacolou, H., Interface fatigue cracking in multilayered pavements: Experimental analysis. Proceedings of the 6th Rilem International Conference on Cracking in Pavements. Chicago, USA, June 2008, s Górszczyk J., Wpływ zbrojenia geosyntetyczną warstwą pośrednią na trwałość zmęczeniową asfaltowej nawierzchni drogowej. Dysertacja. Politechnika Krakowska, Kraków Górszczyk J., Malicki K., Trwałość zmęczeniowa połączeń warstw asfaltowych w badaniach laboratoryjnych. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej, Zeszyt 59, Hopman P., Kunst P., Pronk A., A Renewed Interpretation Model for Fatigue Measurement. Verification of Miner s Rule. 4th Eurobitume Symposium, Madryt Jaskuła P., Ocena sczepności między warstwami asfaltowymi nawierzchni. Drogownictwo 12/ Judycki J., Sczepność między warstwami asfaltowymi nawierzchni. Drogownictwo 9/ Leutner R., Lorenzl H., Schmoeckel K. und andere., Stoffmodelle zur Voraussage des Verformungswiderstandes und Ermüdungsverhaltens von Asphaltbefestigungen. Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Heft S 45, Bergisch Gladbach Malicki K., Analiza połączeń międzywarstwowych mieszanek mineralno-asfaltowych w warunkach obciążeń statycznych i zmęczeniowych. Dysertacja, Politechnika Krakowska, Kraków PN-EN : 2007 Mieszanki mineralno-asfaltowe. Metody badań mieszanek mineralnoasfaltowych na gorąco. Część 24: Odporność na zmęczenie. 13. Rowe G., Performance of Asphalt Mixtures in the trapeziodial Fatigue Test. Proceedings of the Association of Asphalt Paving Technologists 1993, 62: s

7 14. Stöckert U., Ein Beitrag zur Festlegung von Grenzwerten für den Schichtenverbund im Asphaltstraßenbau. Dissertation. Technische Universität Darmstadt, Darmstadt Van Dijk W., Practical fatigue characterization of bituminous mixes. Annual meeting of the Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 44, s , Phoenix Wymagania Techniczne. Nawierzchnie asfaltowe na drogach publicznych. WT-2 Nawierzchnie asfaltowe. Część 2: Wykonanie nawierzchni asfaltowych. Warszawa