Wspomagane komputerowo stanowisko laboratoryjne do statycznych i zmęczeniowych badań mieszanek mineralno-asfaltowych

Transkrypt

1 GÓRSZCZYK Jarosław 1 MALICKI Konrad 1 Wspomagane komputerowo stanowisko laboratoryjne do statycznych i zmęczeniowych badań mieszanek mineralno-asfaltowych WPROWADZENIE Stan nawierzchni drogowych jest czynnikiem wpływającym na niezawodność etapu transportowego całego procesu logistycznego. Poprawa trwałości zmęczeniowej nawierzchni drogowych staje się w Polsce obecnie potrzebą priorytetową w sytuacji znacznego zwiększenia udziału pojazdów ciężkich w ruchu drogowym w ostatnich latach. Sprostanie temu wyzwaniu oznacza konieczność rozwiązania szeregu problemów zarówno w sferze doboru rodzaju warstw konstrukcyjnych, lepszego poznania mechanizmów pracy nawierzchni, jak i stosowania odpowiednich materiałów budowlanych. Dlatego potrzebne są właściwie przygotowane stanowiska laboratoryjne pozwalające na pełną ocenę własności mechanicznych i termicznych mieszanek mineralnoasfaltowych (MMA), podstawowego materiału stosowanego do budowy podatnych nawierzchni drogowych. Jednym z głównych parametrów charakteryzujących mieszanki mineralno-asfaltowe jest moduł sztywności. MMA jest materiałem lepko sprężysto plastycznym, którego parametry mechaniczne silnie zależą od temperatury i czasu/historii obciążenia. Jest to szczególnie ważne w klimacie umiarkowanym, gdyż występują tu zarówno niskie temperatury zimą jak i wysokie latem. Mieszanka o wysokim module sztywności pod wpływem niskich temperatur może powodować pękania górnych warstw konstrukcji. Z kolei mieszanka charakteryzująca się niskim modułem sztywności będzie prawidłowo zachowywać się w niskich temperaturach, natomiast w wysokich, w sezonie letnim, będzie miała tendencję do deformacji trwałych odkształceń lepko plastycznych [1], [2], [5]. W artykule przedstawiono nowoczesne stanowisko laboratoryjne do przeprowadzania badań statycznych i zmęczeniowych MMA w różnym zakresie temperatur. Zwrócono tutaj szczególną uwagę na badania realizowane metodą rozciągania pośredniego, w których można określić wytrzymałość na rozciąganie i moduł sztywności efektywnej MMA. Z uwagi na prostotę tej metody, jest ona wykorzystywana często przez studentów w pracach dyplomowych realizowanych w Instytucie Inżynierii Drogowej i Kolejowej Politechniki Krakowskiej. 1 BADANIA WYTRZYMAŁOŚCIOWE MMA Właściwości mechaniczne mieszanek mineralno-asfaltowych można określać w badaniach realizowanych wg następujących schematów obciążeń statycznych i cyklicznych [3], [4], [6]: rozciągania, w tym wyróżnia się: metodę rozciągania bezpośredniego, metodę rozciągania pośredniego, metodę trójosiowego rozciągania, zginania: metodą belki 4-punktowo podpartej, metodą belki 3-punktowo podpartej, metodą belki 2-punktowo podpartej, na próbkach pryzmatycznych, na próbkach trapezoidalnych, ścinania, 1 Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Lądowej; Kraków; ul. Warszawska 24. Tel: , Fax: , jgorszcz@pk.edu.pl, kmalicki@pk.edu.pl 4084

2 skręcania, ściskania. W badaniach tych określa się charakterystykę wytrzymałościową statyczną i zmęczeniową MMA, można wyznaczyć efektywne i zespolone moduły sztywności oraz współczynniki Poissona. Wymienione powyżej schematy badań wykorzystywane są także do określania parametrów reologicznych i termomechanicznych mieszanek mineralno asfaltowych. Wszystkie wymienione powyżej rodzaje badań mogą być zrealizowane na przedstawionym w tym artykule stanowisku badawczym, które posiada możliwość wymiany i bezkonfliktowej konfiguracji różnego rodzaju oprzyrządowania oraz czujników pomiarowych. Opisując stanowisko badawcze w niniejszym artykule posłużono się przykładowo procedurami i wynikami pomiarów, które zostały zrealizowane w badaniu wytrzymałości na rozciąganie i modułu sztywności MMA w próbie rozciągania pośredniego. Wytrzymałość statyczna na rozciąganie w próbie rozciągania pośredniego (ITS Indirect Tensile Strength) [7] jest to maksymalne naprężenie rozciągające jakie może przenieść materiał próbki obciążonej średnicowo do pojawiania się wertykalnego pęknięcia. Jest ona określana w warunkach kontrolowanej prędkości przykładania obciążenia. Badanie wykonuje się na próbkach walcowych 100mm lub 150mm wykonanych w laboratorium lub wyciętych z nawierzchni. Próbka umieszczana jest w specjalnych szczękach aparatu i obciążana na linii pobocznicy walca. Wytrzymałość na rozciąganie obliczana jest przy uwzględnieniu największej siły jaka została przyłożona do próbki i spowodowała jej zniszczenie. Wytrzymałości na rozciąganie w próbie rozciągania pośredniego ITS wyznaczana jest wg wzoru (1) [7]: gdzie: P siła niszcząca, D średnica próbki cylindrycznej, L wysokość próbki cylindrycznej. (1) Metodą rozciągania pośredniego wyznaczany jest również modułu sztywności MMA. W czasie badania mierzone są przemieszczenia na kierunkach średnicy horyzontalnej i wertykalnej próbki cylindrycznej oraz wartość przyłożonej siły. Na podstawie zarejestrowanych przemieszczeń zostaje obliczony moduł sztywności statycznej oraz współczynnik Poissona. Wartość modułu sztywności dla wartości siły niszczącej można wyznaczyć wg wzoru (2) [7]: gdzie: P siła niszcząca, μ współczynnik Poissona, h wysokość próbki cylindrycznej, u przemieszczenie poziome. Procedurę badawczą rozciągania pośredniego z zależnościami przedstawionymi powyżej można łatwo zaimplementować do programu TestWorks sterującego badaniami i współpracującego z maszyną wytrzymałościową. 2 LABORATORYJNE STANOWISKO BADAWCZE Stanowisko laboratoryjne do badań właściwość mechanicznych mieszanek mineralno asfaltowych bazuje na serwohydraulicznej ramie obciążającej MTS Landmark oraz dodatkowo składa się z następujących elementów: (2) 4085

3 komputer z oprogramowaniem sterującym, kontroler cyfrowy FlexTest 40, pompa hydrauliczna, przenośny panel sterowania LUCP, komora termiczna, wyłączniki bezpieczeństwa, akcesoria szczęki mocujące, czujniki pomiarowe lub bezkontaktowe systemy pomiarowe (Digital Image Correlation, wideoekstensometry) Schematycznie stanowisko badawcze pokazano poniżej, na rysunku 1. Rys. 1. Schemat stanowiska badawczego: komputer z oprogramowaniem, kontroler, rama obciążająca [8] Przedstawiona po prawej stronie maszyna wytrzymałościowa o maksymalnym obciążeniu statycznym 100 kn umożliwia przeprowadzanie testów statycznych i zmęczeniowych niskocyklowych i wysokocyklowych o różnych współczynnikach asymetrii cyklu i częstotliwościach. Rama obciążeniowa o sztywnych i lekkich trawersach z wysokimi częstotliwościami drgań własnych i precyzyjnie wykonanymi kolumnami gwarantuje dokładne osiowanie. Przystosowane do pracy zmęczeniowej siłowniki wykorzystują niskotarciowe łożyska ślizgowe i montowane współosiowo czujniki przemieszczenia [8]. Rozdzielacze hydrauliczne z płynną regulacją ciśnienia wyposażone są w pięcioportowe serwozawory z proporcjonalną kontrolą ciśnienia hydraulicznego, sprzężonymi akumulatorami i trójpozycyjnym sterowaniem ciśnieniem. Zastosowanie tych rozwiązań pozwala na uzyskanie bardzo dobrych parametrów dla badań dynamicznych. Zależność pomiędzy wymuszonym przemieszczeniem, zastosowaną siłą i częstotliwością obciążenia pokazano na rysunku 2. Na fotografii 1 pokazano stanowisko badawcze oraz ramę wraz z wysuniętą komorą termiczną. 4086

4 Rys. 2. Wykres zależności pomiędzy przemieszczeniem, siłą i częstotliwością obciążenia [8] Fot. 1. a) Stanowisko do badań wytrzymałościowych, b) rama obciążeniowa MTS Opisane stanowisko pozwala ponadto na wielokierunkową rozbudowę oraz wykorzystywanie w sposób niekonwencjonalny na fotografii 1a pokazano stanowisko z zamontowanymi czujnikami do pomiarów dynamicznych (czujniki rożnego rodzaju: laserowe, wiroprądowe, magnetyczne, indukcyjne). Czujniki były testowane porównawczo przy różnych częstotliwościach, amplitudach wymuszenia i będą następnie wykorzystywane do pomiarów terenowych w nawierzchniach kolejowych. W celu odwzorowania obciążenia od kół pociągu do programu sterującego maszyną wytrzymałościową zaimplementowano cykl obciążenia pochodzący z pomiarów polowych ugięcia szyny, rysunek 3 (prace badawcze realizowane są w Instytucie Inżynierii Drogowej i Kolejowej Politechniki Krakowskiej pod kierunkiem dr hab. inż. Juliusza Sołkowskiego). 4087

5 Rys. 3. Wykresy ugięcia szyny [mm] od obciążenia kołami pociągu. Seria1 1 oś, Seria2 2 osie. W badaniach dynamicznych przedstawione wykresy traktowane są jako 1 cykl obciążenia wyznaczony dla prędkości 60 km/h i 120 km/h. Zasilanie hydrauliczne maszyny wytrzymałościowej realizowane jest poprzez pompę hydrauliczną SilentFlo o niskim poziomie hałasu pracy. Ponadto stanowisko wyposażone jest w komorę klimatyczną pozwalającą na realizację badań w temperaturach od 40 C do +60 C. Widok pompy hydraulicznej oraz komory klimatycznej pokazano na fotografii 2. Fot. 2. Dodatkowe elementy wyposażenia stanowiska a) pompa hydrauliczna, b) komora klimatyczna W celu realizacji badań próbek MMA metodą rozciągania pośredniego do siłowników urządzenia mocuje się szczęki przystosowane do próbek walcowych o średnicy 100 mm lub 150 mm. Dolna szczęka przytwierdzona jest do podstawy ramy w sposób sztywny przy pomocy śruby mocującej. Górna szczęka oprócz odpowiedniej płytki kontaktowej o określonej krzywiźnie i szerokości wyposażona jest w przegub kulisty eliminujący powstanie ewentualnego momentu zginającego. Osprzęt wykorzystywany do badań rozciągania pośredniego pokazano na fotografii

6 Fot. 3. a) Mocowanie górnej szczęki w badaniu rozciągania pośredniego, b) mocowanie dolnej szczęki Po umieszczeniu próbki na dolnej szczęce opuszcza się siłownik z górną szczęką tak, aby płytka obciążającą przylegała do górnej powierzchni próbki nie powodując jej wytężenia. Widok próbek MMA przygotowanych do badania metodą rozciągania pośredniego pokazano na fotografii 4. Fot. 4. Próbka MMA przygotowana do badania rozciągania pośredniego a) próbka specjalnie nakropiona dla bezkontaktowego systemu pomiarowego DIC 2D, b) próbka z zamocowanymi czujnikami pomiarowymi [8] Po stabilnym zamocowaniu próbki miedzy szczękami aparatu przystępuje się do wykonania badania. W badaniu monitoruje się siłę obciążającą, temperaturę oraz przemieszczenie horyzontalne i wertykalne na kierunkach średnic próbki. 3 STEROWANIE BADANIEM I PRZETWARZANIE WYNIKÓW Stanowisko wyposażone jest w uniwersalny kontroler cyfrowy FlexTest 40 zapewniający sprawność potrzebną, aby zaspokoić pełne spektrum potrzeb badawczych. Skalowalny kontroler 4089

7 zapewnia szybkie sterowanie w pętli sprzężenia zwrotnego, gromadzenie danych, programowanie przebiegów obciążenia oraz komunikację z przetwornikami niezbędne do niezawodnej pracy przy wielokanałowych badaniach materiałowych [8]. Jest w pełni kompatybilny z zewnętrznymi systemami pomiarowymi, np. DIC 2D (Digital Image Correlation). System MTS Landmark wykorzystuje oprogramowanie TestWorks, MultiPurpose TestWare oraz MTS Fatigue & Fracture, które zapewnia łatwe tworzenie własnych historii obciążania, ich przeprowadzanie oraz generowanie raportów badawczych. Widoki interfejsu obsługującego maszynę wytrzymałościową pokazano na fotografii 5. Fot. 5. Widok interfejsu obsługującego maszynę wytrzymałościową MTS, a) sterowanie badaniem dynamicznym, b) sterowanie badaniem statycznym Realizacja badań rozciągania pośredniego na opisanym stanowisku pozwala na uzyskanie zależności pomiędzy zadawaną siłą a przemieszeniami występującymi w próbce. Przykładową ścieżkę równowagi siła pionowa przemieszczenie pionowe pokazano na rysunku 4, natomiast ścieżkę równowagi siła pionowa przemieszczenie poziome pokazano na rysunku 5. Rys. 4. Przykładowa zależność pomiędzy siłą pionową a przemieszczeniem pionowym uzyskane w badaniu metodą rozciągania pośredniego próbki MMA o średnicy 150 mm 4090

8 Rys. 5. Przykładowa zależność pomiędzy siłą pionową a przemieszczeniem poziomym uzyskane w badaniu metodą rozciągania pośredniego próbki MMA o średnicy 150 mm Uzyskane wyniki pozwalają na wyznaczenie wytrzymałości na rozciąganie oraz modułu sztywności i współczynnika Poissona mieszanek mineralno afaltowych. Parametry te mogą być wykorzystywane w analizach teoretycznych i numerycznych podczas projektowania nawierzchni drogowych. PODSUMOWANIE Badania mieszanek mineralno-asfaltowych stanowią zagadnienie istotne z punktu widzenia stanu i trwałości asfaltowych nawierzchni drogowych. Stan nawierzchni drogowych jest z kolei istotnym czynnikiem wpływającym na sprawność etapu transportowego procesu logistycznego. Przedstawione w artykule laboratoryjne stanowisko do statycznych i zmęczeniowych badań mieszanek mineralno-asfaltowych umożliwia realizację szerokiego spektrum badań zarówno w obszarze prac naukowo-badawczych jak i działalności dydaktycznej. Otwarta i modułowa konstrukcja stanowiska pozwala na jego rozbudowę i adaptację zapewniającą przeprowadzanie badań MMA w stanie jednoosiowym, dwuosiowym i trójosiowym pod wymuszeniem mechanicznym i termicznym. Dodatkowo zagwarantowana jest pełna kompatybilność z najnowszymi bezkontaktowymi opto elektronicznymi technikami pomiarowymi (Digital Image Correlation). Parametry MMA wyznaczane w oparciu o dane pozyskane w badaniach na opisanym stanowisku laboratoryjnym mogą stanowić element wykorzystywany w obliczeniach teoretycznych i numerycznych podczas projektowania i analiz nawierzchni drogowych. Streszczenie Badania mieszanek mineralno-asfaltowych (MMA) stanowią zagadnienie istotne z punktu widzenia stanu i trwałości asfaltowych nawierzchni drogowych. Stan nawierzchni drogowych jest z kolei istotnym czynnikiem wpływającym na sprawność etapu transportowego procesu logistycznego. W artykule przedstawiono nowoczesne stanowisko do badań statycznych i zmęczeniowych mieszanek mineralno-asfaltowych. Jego uniwersalność pozwala na realizację szerokiego spektrum badań zarówno w obszarze prac naukowych jak i dydaktyki Parametry MMA wyznaczane na opisanym stanowisku laboratoryjnym mogą być wykorzystywane w analizach teoretycznych i numerycznych podczas projektowania nawierzchni drogowych. 4091

9 Computer aided laboratory stand for the static and fatigue asphalt mixture testing Abstract Asphalt mixture testing is the issue relevant to the condition of road pavements, and hence the reliability of the transportation logistics process. The article presents a modern laboratory stand for asphalt mixture static and fatigue strength tests. Testing stand versatility allows the realization of a broad spectrum of research in both the teaching and research work. The asphalt parameters determined in the described laboratory stand are used in mechanistic pavement design methods. BIBLIOGRAFIA 1. Błażejowski K., Sybilski D., Nawierzchnie bitumiczne w polskim klimacie. Drogownictwo, 1:11 15, Górszczyk J., Wpływ zbrojenia geosyntetyczną warstwą pośrednią na trwałość zmęczeniową asfaltowej nawierzchni drogowej. Dysertacja. Politechnika Krakowska, Kraków Judycki J., Fatigue of asphalt mixes. University of Oulu, Publications of Road and Transport Laboratory, Malicki K., Analiza połączeń międzywarstwowych mieszanek mineralno-asfaltowych w warunkach obciążeń statycznych i zmęczeniowych. Dysertacja, Politechnika Krakowska, Kraków 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 PN-EN : 2012 Mieszanki mineralno-asfaltowe. Metody badań mieszanek mineralnoasfaltowych na gorąco. Część 24: Odporność na zmęczenie. 7. PN-EN Mieszanki mineralno-asfaltowe. Metody badań mieszanek mineralnoasfaltowy na gorąco. Oznaczenie wytrzymałości na rozciąganie mieszanki mineralno-asfaltowej metodą pośrednią