BADANIA CECH REOLOGICZNYCH MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH PODCZAS PEŁZANIA PRZY ZGINANIU W NISKICH TEMPERATURACH

Transkrypt

1 Mgr inż. Marek Pszczoła Prof. dr hab. inż. Józef Judycki Politechnika Gdańska Zakład Budowy Dróg BADANIA CECH REOLOGICZNYCH MIESZANEK MINERALNO-ASFALTOWYCH PODCZAS PEŁZANIA PRZY ZGINANIU W NISKICH TEMPERATURACH TESTING OF RHEOLOGICAL PROPERTIES OF ASPHALT MIXES AT CREEP UNDER BENDING AT LOW TEMPERATURES Streszczenie Referat przedstawia metodykę oraz wyniki badań cech reologicznych mieszanek mineralnoasfaltowych w zakresie temperatur od 10ºC do +20ºC. W badaniach wykorzystano metodę zginania belek obciążonych stałą siłą skupioną przyłożoną w środku rozpiętości belki. Zastosowano dwa typy mieszanek mineralno-asfaltowych: beton asfaltowy z asfaltem zwykłym i mastyks grysowy SMA z asfaltem modyfikowanym. Do wyznaczenia cech reologicznych przyjęto model teoretyczny Burgersa. Uzyskano dużą zgodność wyników doświadczeń z opisem teoretycznym modelu. Wyniki badań pokazują wyraźny wpływ temperatury na cechy reologiczne mieszanek mineralno-asfaltowych. Summary The paper presents testing method and results of rheological properties of asphalt mixes in range of temperature from 10ºC to +20ºC. The method of bending beam with constant concentrated force applied in the middle of the span was used. Two types of asphalt mixtures: asphalt concrete with normal paving grade bitumen and stone mastic asphalt SMA with modified bitumen were tested. The theoretical Burgers model was applied to evaluate rheological parameters. It was found that the theoretical model well fits experimental data. The results show clear influence of temperature on rheological properties of asphalt mixes.

2 1. Opis problemu Spękania niskotemperaturowe powstające w warstwach nawierzchni asfaltowych przyspieszają proces niszczącego oddziaływania na nawierzchnię czynników atmosferycznych i czynników związanych z ruchem pojazdów. Powodują bowiem obniżenie nośności całej konstrukcji zmniejszając tym samym jej trwałość. Spękania niskotemperaturowe wiążą się bezpośrednio ze sztywnością mieszanek mineralnoasfaltowych (zwanych dalej w skrócie mma), które wraz z obniżaniem się temperatury stają się coraz bardziej kruche i podatne na pękanie. Wzrost sztywności warstwy asfaltowej wpływa na wielkość pojawiających się naprężeń termicznych rozciągających. W momencie, gdy przekroczą one wytrzymałość na rozciąganie warstwy asfaltowej pojawia się pęknięcie. Spękanie niskotemperaturowe z reguły inicjowane jest na górze warstwy aby z czasem propagować ku dołowi. W związku z tym, jedną z dróg eliminacji lub zmniejszenia ilości spękań niskotemperaturowych warstw asfaltowych nawierzchni jest odpowiednie projektowanie składu mma oparte na dążeniu do ograniczenia jej sztywności w obniżonej temperaturze. Odpowiednie projektowanie powinno zapewniać niezbędną wytrzymałość mma na działanie termicznych naprężeń rozciągających. W trakcie dotychczasowych badaniach spękań niskotemperaturowych przeprowadzonych w Politechnice Gdańskiej na zlecenie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad w latach zmodyfikowano metodę pomiaru zginania belek ze stałą prędkością deformacji. Metoda ta pozwoliła na określanie parametrów mechanicznych mieszanek mineralnoasfaltowych w niskich temperaturach takich jak: odkształcenie graniczne, wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu oraz moduł sztywności przy zginaniu. Opracowane kryteria pozwoliły na wstępną ocenę odporności mieszanek mineralno-asfaltowych na spękania niskotemperaturowe. Jednak opracowana metoda nie różnicowała najlepiej badane mieszanki ze względu na zbyt krótki czas obciążenia. Dlatego też kolejny etap prac polegał na rozwinięciu metody uwzględniającej badania długotrwałe - pełzanie belek. Celem niniejszego artykułu jest przybliżenie badań i analiz przeprowadzonych w roku 2002, które pozwoliły na określenie cech reologicznych mieszanek mineralno-asfaltowych poddanych działaniu stałego obciążenia w czasie. Badano dwa typy mieszanek: beton asfaltowy i mastyks grysowy SMA, ponieważ są one w chwili obecnej powszechnie stosowane przy wykonawstwie warstw ścieralnych nawierzchni asfaltowych. 2. Opis metody badawczej 2.1. Aparatura badawcza Metodyka badań właściwości reologicznych mieszanek mineralno-asfaltowych została oparta o metodę Judyckiego [1] opracowaną w roku W stosunku do tamtej metody modyfikacji uległy następujące elementy: Sposób pomiaru odkształceń na spodzie belek, Sposób obciążenia próbek. Sposób pomiaru odkształceń został wcześniej zmodyfikowany i był wykorzystywany do badań zginania belek ze stałą prędkością deformacji przeprowadzonych w latach 2000 i Sposób ten został również szczegółowo opisany w publikacji [2]. Obciążanie próbek przeprowadzono w specjalnie zaadoptowanym do tego celu prototypowym urządzeniu Omega służącym standardowo do badania modułu sztywności próbek walcowych w temperaturach dodatnich. Przed przystąpieniem do badań przeprowadzono kalibrację siły w celu określenia rzeczywistych wartości obciążenia przykładanego na próbkę prostopadłościenną. Dodatkowo do badań wykorzystano komorę

3 termostatyczną umożliwiającą badania w temperaturach ujemnych. Niestety wydajność komory termostatycznej okazała się niewystarczająca do badań w temperaturach niższych od -10 C. W celu odpowiedniej rejestracji wyników został przygotowany program komputerowy, który umożliwił rejestrację krzywej pełzania ε(t) (zależność odkształcenia ε wywołanego stałym obciążeniem od czasu t), a także pozwolił na wyznaczenie parametrów reologicznych: modułów sprężystości: E 1 i E 2, współczynników lepkości: η 1, η 2, oraz czasu relaksacji naprężeń λ 2, Program wykorzystuje krzywą pełzania ε(t), aproksymując wyniki badań zależnością teoretyczną opisującą model Burgersa. Procedura badania polegała na tym, że próbki prostopadłościenne o wymiarach 50x50x300 mm zagęszczone przy użyciu małego walca ręcznego umieszczano w komorze termostatycznej w temperaturze badania na okres minimum 12 godzin (dla temperatur 10, -5 i 0 C) oraz minimum 6 godzin (dla temperatur +10 i +20 C). Próbki betonu asfaltowego badano w pięciu temperaturach: -10, -5, 0, +10 i +20ºC. Próbki mastyksu grysowego SMA badano w tych samych temperaturach oprócz temperatury +20ºC, z tego względu, że mastyks grysowy w temperaturze +20 C był nadmiernie podatny i wykazywał pełzanie większe niż zakres temperatury rejestrującej. W jednej serii badano 3 do 4 próbek jednorodnych. Schematem statycznym w badaniu była belka wolnopodparta obciążana stałą siłą skupioną w środku rozpiętości. Belkę zginano przez okres 1 godziny (3600 s), a następnie odciążano przez kolejną godzinę (3600 s). Odkształcenia na spodzie belki rejestrowano w czasie obciążenia i po odciążeniu łącznie przez 7200 sekund. Schemat statyczny badania pokazano na rysunku 1. F 50mm LVDT 50mm 300 mm Rys. 1. Schemat statyczny badania pełzania próbek przy stałym obciążeniu Wielkość siły obciążającej dobierano dla każdej temperatury badania indywidualnie. Stosowano przy tym zasadę, że wywoływane od przyłożonej siły naprężenia w próbce nie powinny być większe od połowy wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu dla danego typu mieszanki mineralno-asfaltowej. Przed przystąpieniem do właściwych badań przeprowadzono kalibrację układu obciążającego próbkę. W tym celu skorzystano z instrukcji urządzenia oraz dynamometru, który pozwolił w sposób precyzyjny ustać rzeczywistą wielkość obciążenia przekazywanego

4 na próbkę w zależności od ciężaru zakładanych obciążników. Otrzymane podczas kalibracji przeliczenia umożliwiły wyznaczanie rzeczywistych naprężeń rozciągających w badanych próbkach. Naprężenia rozciągające w dolnych włóknach przekroju środkowego belki wyznaczano według następującego wzoru: M P l σ 0 = = 1, 5 2 W b h (1) gdzie: σ 0 - naprężenie rozciągające w dolnych włóknach przekroju środkowego belki wywołane stałą siłą P, MPa, M - P l moment zginający, M =, 4 W - 2 b h wskaźnik wytrzymałości przekroju, W =, 6 P - stała siła przykładana w przekroju środkowym belki, l rozpiętość belki między podporami, l=260 mm, b - szerokość belki, [mm], wg pomiarów, średnio 50 mm, h - wysokość belki, [mm], wg pomiarów, średnio 50 mm. Ponieważ badania wykonywano na krępych belkach o wymiarach 50x50x300 mm do wzoru (1) wprowadzono współczynnik poprawkowy ξ uwzględniający wpływ wymiarów geometrycznych belek oraz wpływ koncentracji naprężeń pod siłą skupioną. Wartość współczynnika poprawkowego wyznaczano ze wzoru: h ξ = 1 0,177 (2) gdzie: ξ - h i l - l współczynnik uwzględniający wpływ wymiarów belek i działania siły skupionej na wartość naprężeń, określony wg [1], jak poprzednio. W obliczeniach parametrów reologicznych uwzględniono średnie naprężenie działające na długości bazy pomiaru odkształceń. Ostatecznie wzór na średnie naprężenia rozciągające działające na długości bazy pomiarowej miał postać: P l 2l e σ = 1,5 ξ (3) 2 b h 2l gdzie: σ - średnie naprężenia na długości bazy pomiaru odkształceń, MPa, e - długość bazy pomiarowej, mm. Przemieszczenie na spodzie belki mierzone było za pomocą czujnika indukcyjnego LVDT, zamocowanego w stalowych uchwytach stanowiących bazę pomiarową (patrz schemat powyżej). Stalowe uchwyty mocowane były do próbki za pomocą kleju epoksydowego. Wartość odkształcenia belek zginanych ze stałą siłą wyznaczano ze wzoru: p c ε = (4) e c + a

5 gdzie: ε odkształcenie występujące na spodzie belki na odcinku bazy pomiarowej o długości e w chwili t, e - jak poprzednio, c - połowa wysokości belki [mm], a - odległość od spodu belki do osi czujnika LVDT [mm] Model teoretyczny Do analizy reologicznych właściwości badanych mieszanek mineralno-asfaltowych zastosowano model liniowo-lepkosprężysty Burgersa. Konfiguracja elementów podstawowych tego modelu została pokazana na rysunku 2. Rys. 2. Schemat modelu Burgersa Naprężenie σ(t) wywołane przyłożonym stałym obciążeniem wynosi: σ dla czasu obciążenia 0 t t 0, 0 dla czasu odciążenia t>t 0. Równania charakteryzujące krzywą pełzania w modelu Burgersa są następujące: dla obciążenia 0 t t 0, przy σ = const. 1 t 1 t ε( t ) = σ exp (5) E1 η1 E2 λ2 dla odciążenia t>t 0, przy σ = 0 gdzie: ε(t) σ E 1 i E 2 η 1 i η 2 λ 2 t = 0 1 t t + 0 ε r σ exp exp 1 (6) η1 E2 λ2 λ2 - odkształcenie, - stałe średnie naprężenie wywołane przyłożonym stałym obciążeniem, MPa, - moduły sprężystości, MPa, - współczynniki lepkości, MPa*s, - czas relaksacji naprężeń.

6 Na rysunku 3 przedstawiono krzywą pełzania modelu Burgersa pod stałym obciążeniem w czasie. Rys. 3. Przebieg krzywej pełzania w modelu BURGERSA, wg. [1] Model Burgersa wykazuje sprężyste odkształcenie natychmiastowe ε 1 =σ o /E 1, opóźnienie sprężyste ε 2 =σ o /E 2 i lepkie płynięcie z prędkością σ o /η 1. Pierwsze dwa typy odkształceń są odwracalne, podczas gdy płynięcie lepkie jest nieodwracalne. Po zdjęciu obciążenia następuje natychmiastowy nawrót odkształceń, równy σ o /E 1. Odkształcenia trwałe przy długotrwałym wypoczynku materiału wynoszą ε 2 =σ o xt o /η 1. Na etapie wyboru modelu teoretycznego analizowany był również model zmodyfikowany Burgersa stosowany przez Szczęsną i Zawadzkiego [3], który dodatkowo zawierał element plastyczny. Ostatecznie jednak do dalszych analiz wybrano model zwykły Burgersa, jako bardziej odpowiedni w ujemnych temperaturach badań. 3. Rodzaje badanych mieszanek mineralno-asfaltowych Do badań cech reologicznych wytypowano dwa rodzaje mieszanek mineralno-asfaltowych przedstawionych w tablicy 1. Tablica 1. Rodzaje zastosowanych mieszanek mineralno asfaltowych LP. Rodzaj mieszanki mineralno-asfaltowej Zastosowane lepiszcze asfaltowe Przeznaczenie Beton asfaltowy 0/12.8 Mastyks grysowy 0/9.6 Asfalt zwykły Asfalt modyfikowany Warstwa ścieralna KR3 KR6 Warstwa ścieralna KR3 - KR6 Wymagania, według PN S 96025:2000 PN S 96025:2000 Ze względu na czasochłonność badań pełzania belek (długi czas pojedynczego badania, duża liczba próbek) wybór ograniczono do dwóch mieszanek charakteryzujących się tym, że są one najczęściej stosowane w budowie warstw ścieralnych nawierzchni asfaltowych. 4. Wyniki badań cech reologicznych Zależności parametrów reologicznych od temperatury badania dla poszczególnych mieszanek mineralno-asfaltowych przedstawiono na rysunkach 4 i 5.

7 Moduł sprężystości natychmiastowej E 1 [MPa] 1,E+01 E1 Moduł sprężystości opóźnionej E 2 [MPa] 1,E+01 E2 Współczynnik lepkości η1 [MPa*sec] 1,E+08 1,E+07 1,E+06 η1 Współczynnik lepkości η 2 [MPa*sec] 1,E+08 1,E+07 1,E+06 η2 Czas relaksacji naprężeń λ1 [s] λ1 Czas retardacji naprężeń λ2 [s] λ2 Rys. 4. Wyniki badań cech reologicznych betonu asfaltowego Moduł sprężystości natychmiastowej E 1 [MPa] E1 MOduł sprężystości opóźnionej E 2 [MPa] E2 Współczynnik lepkości η 1 [MPa*s] 1,E+08 1,E+06 η1 Współczynnik lepkości η2 [MPa*s] 1,E+08 1,E+06 η2 Czas relaksacji naprężeń λ1 [s] λ1 Czas retardacji naprężeń λ2 [s] λ2 Rys. 5. Wyniki badań cech reologicznych mastyksu grysowego SMA

8 5. Podsumowanie i wnioski Wyniki badań wykazały wyraźny wpływ temperatury na wszystkie analizowane cechy reologiczne zarówno betonu asfaltowego, jak i mastyksu grysowego SMA. Obniżenie temperatury badania spowodowało wzrost modułów sprężystości oraz wzrost współczynników lepkości. Świadczy to o procesie usztywniania się badanych mieszanek mineralno-asfaltowych przy obniżaniu się temperatury. Zastosowana metoda badawcza oparta o analizę pełzania belek poddanych działaniu stałego obciążenia w długim okresie czasu pozwala na właściwą ocenę cech reologicznych takich jak: sprężystość, lepkość oraz relaksację naprężeń w mieszankach mineralnoasfaltowych. Stwarza to możliwość dokładniejszej oceny zachowania się mma w warunkach niskich temperatur. Spośród wielu modeli reologicznych do analizy zastosowany został model Burgersa, który dobrze opisuje zachowanie się mieszanek mineralno-asfaltowych poddanych pełzaniu pod stałym obciążeniem. Uzyskano dużą zgodność wyników doświadczeń z opisem teoretycznym modelu w przedziale temperatur od -10 C do +20 C. Literatura: [1] Judycki J. Analiza niektórych właściwości reologicznych drogowego betonu asfaltowego poddanego działaniu obciążeń statycznych, Praca doktorska, 1975 [2] Judycki J., Pszczoła M., Jaskuła P. Modyfikacja metody zginania belek z mieszanek mineralno-asfaltowych i ocena ich parametrów reologicznych, Kielce 2001, [3] Szczęsna J, Zawadzki J. Zastosowanie zmodyfikowanego modelu Burgersa do określania cech reologicznych betonu asfaltowego, Prace IBDiM, Warszawa 1995.