MODYFIKACJA METODY ZGINANIA BELEK Z MIESZANEK MINERALNO- ASFALTOWYCH I OCENA ICH PARAMETRÓW REOLOGICZNYCH

Transkrypt

1 Prof. dr hab. inż. Józef JUDYCKI Mgr inż. Marek PSZCZOŁA Mgr inż. Piotr JASKUŁA Zakład Budowy Dróg Politechnika Gdańska MODYFIKACJA METODY ZGINANIA BELEK Z MIESZANEK MINERALNO- ASFALTOWYCH I OCENA ICH PARAMETRÓW REOLOGICZNYCH MODIFICATION OF BENDING METHOD OF ASPHALT MIX BEAMS AND EVALUATION OF THEIR RHEOLOGICAL PARAMETERS Streszczenie Referat przedstawia modyfikację metody zginania belek uformowanych z mieszanek mineralno-asfaltowych. Metoda ta pozwala na ocenę właściwości reologicznych mieszanek w niskich temperaturach poprzez wyznaczenie modułu sztywności sprężystej, współczynnika lepkości pełzania, wytrzymałości na rozciąganie przy zginaniu oraz odkształceń granicznych zginanej próbki. W porównaniu z dotychczasową metodą dwa elementy uległy modyfikacji (a) sposób pomiaru odkształceń oraz (b) sposób przygotowania próbek do badań. Przeprowadzono ocenę dokładności oraz powtarzalność nowej metody pomiaru odkształceń. Stwierdzono, że nowa metoda znacznie poprawia dokładność pomiaru oraz przyspiesza proces badania zginania próbek w niskich temperaturach. Dodatkowo podano sposób oceny parametrów reologicznych mieszanek mineralno-asfaltowych. Summary The paper presents modification of the method of bending beams formed with asphalt mix. The method enables evaluation of rheological properties of asphalt mixes at low temperature through determination of modulus of elastic stiffness, viscosity coefficient, bending strength and critical strain of a bent beam. As compared with the old method two elements were modified (a) procedure of measuring strains and (b) the way of preparation of asphalt beams. Accuracy and repeatability of the modified method were evaluated. It was found that the new method significantly improves accuracy of measurement and accelerates the process of bending beams at low temperature. In addition, the method of determination of rhelogical properties of asphalt mixes was presented.

2 1. Wstęp Zdecydowana większość badań właściwości mieszanek mineralno asfaltowych prowadzona jest w wyższych temperaturach, na przykład badanie Marshalla w 60 o C, badanie modułu sztywności przy pełzaniu statycznym i dynamicznym w 40 o C, badanie koleinowania w 40 o C lub w 60 o C, badania wytrzymałości i modułów sztywności sprężystej podczas oceny odporności na działanie wody i mrozu i oceny starzenia w 5 o C. Tylko nieliczne badania charakteryzujące wytrzymałość i cechy mechaniczne mieszanek mineralno asfaltowych prowadzi się w niskich temperaturach. Do badań takich zaliczyć można zginanie belek z mieszanek mineralno asfaltowych. Podczas zginania możliwe jest przykładanie różnorodnych obciążeń - statycznych i dynamicznych. W najprostszym przypadku do oceny mieszanek w niskich temperaturach wykorzystane mogą być obciążenia statyczne albo quasi statyczne. Metoda zginania umożliwia ocenę parametrów charakteryzujących mieszanki w niskich temperaturach, proces ich usztywniania i kruchości. W oparciu o tę metodę można oceniać odporność nawierzchni na spękania niskotemperaturowe i na spękania od obciążeń ruchem w warunkach zimowych. Dotychczasowa metoda zginania próbek z mieszanek mineralno-asfaltowych stosowana w Politechnice Gdańskiej, opracowana została przez Judyckiego [1,,3] w 1975 roku. Umożliwiała ona ocenę własności reologicznych mieszanek mineralnoasfaltowych. Zastosowany został model belki swobodnie podpartej obciążonej siłą skupioną umieszczoną w środku rozpiętości belki. Pomiar odkształcenia odbywał się na spodzie zginanej próbki poprzez elektrooporowy przetwornik przemieszczeń. W ramach prac [4, 5] prowadzonych w Zakładzie Budowy Dróg Politechniki Gdańskiej w 000 roku wprowadzono modyfikacje do metody zginania belek. W celu poprawienia dokładności pomiaru odkształceń zastosowano czujnik LVDT pozwalający na komputerową rejestrację wyników. Zmodyfikowano również sposób formowania i przygotowania próbek do badań. Wprowadzone zmiany pozwoliły na znaczne poprawienie dokładności metody pomiarowej.. Opis dotychczasowej metody W dotychczasowej metodzie zginania belek stosowano następujące urządzenia: prasa o nominalnej prędkości przesuwu tłoka równej 50 mm/min lub aparat dźwigniowy do obciążeń stałych w czasie, elektrooporowy przetwornik przemieszczeń umożliwiający rejestrację pomiarów odkształceń zginanych próbek z dokładnością względną równą 10-5, mostek tensometryczny, komora chłodnicza z automatyczną regulacją temperatury, umożliwiająca prowadzenie badań w warunkach izotermicznych w zakresie temperatur od +0 C do 0 C. Na rysunku 1 przedstawiono schemat pomiaru odkształceń podczas zginania belek z mieszanek mineralno-asfaltowych.

3 Rys. 1. Schemat pomiaru odkształceń próbek z betonu asfaltowego Przedstawiony na rysunku 1 układ pomiarowy składa się z mostka tensometrycznego (7), połączonego z elektrooporowym przetwornikiem przemieszczeń (5), który umieszczony jest w łożyskach trzpieni stalowych (3) i (4). Trzpienie zaś wklejone są do otworów () uformowanych podczas wykonywania próbki w kształcie belki. Trzpienie posiadają łożysko stałe (3) i ruchome (4) umożliwiające dokonywanie sprężenia przetwornika. Na rysunku a przedstawiono budowę elektrooporowego przetwornika przemieszczeń, który składa się z następujących elementów: sprężyny stalowej o grubości 0,4 mm, dwóch czujników tensometrycznych typu SM 10 o bazie mm przyklejonych obustronnie do sprężyny i połączonych w układzie samokompensującym się, dodatkowo tensometry pokryte zostały izolacją z kauczuku silikonowego w sposób zapewniający niewrażliwość na wilgoć, elementów do mocowania przetwornika w łożyskach trzpieni. Rys.. Schemat elektrooporowego przetwornika przemieszczeń Zasada działania przetwornika polega na tym, że podczas zginania belki trzpienie ulegają rozchyleniu, a ich łożyska doznają przemieszczeń. Rozchyla się również sprężyna przetwornika i w związku z tym w jej środkowym przekroju x-x powstają odkształcenia +ε x i - ε x (rys. b). Mostek tensometryczny rejestruje różnicę odkształceń równą ε x.

4 3. Modyfikacja metody pomiaru odkształceń Opracowany w latach siedemdziesiątych i stosowany z niewielkimi zmianami do tej pory sposób pomiaru odkształceń za pomocą elektrooporowego przetwornika przemieszczeń miał szereg zalet. Podstawowe to stosunkowo prosty sposób pomiaru, możliwość mierzenia odkształceń próbek niedostępnych do bezpośredniej obserwacji (np. umieszczonych w komorze termostatycznej), duża powtarzalność uzyskiwanych wyników oraz duża niezawodność pracy urządzenia. Metoda ta miała również wady do których można zaliczyć pełzanie belek wywołane siłą sprężyny przetwornika oraz zakłócenia spowodowane wprowadzeniem do badanych próbek trzpieni stalowych. W trakcie prowadzonych prac nad modyfikacją metody starano się wyeliminować wady przy jednoczesnym zachowaniu szybkości, skuteczności i niezawodności urządzenia. Pierwszą modyfikacją była zmiana sposobu formowania próbek i rezygnacja ze stosowania trzpieni stalowych oraz elektrooporowego przetwornika przemieszczeń. Zaproponowano formowanie próbek w większych formach i zagęszczanie ich przy użyciu małego walca stalowego, a następnie wycinanie ich do potrzebnych wymiarów 50x50x300 mm przy pomocy piły diamentowej. Dzięki temu otrzymano serie próbek formowanych w identyczny sposób przy zachowaniu jednakowych warunków zagęszczania. Kolejnym ulepszeniem było wprowadzenie nowego sposobu pomiaru odkształceń. W tym celu skonstruowano stalowe elementy stanowiące bazę pomiarową na spodzie belki. Zostały one pokazane na rysunkach 3 i 4. F LVDT Rys. 3. Schemat statyczny belki i sposób mocowania czujnika Stalowe elementy mocowane były do spodu belki z betonu asfaltowego za pomocą kleju epoksydowego. Podczas klejenia stosowano szablon z wyznaczoną wcześniej bazą pomiarową w celu zachowania jednakowej odległości pomiędzy uchwytami. Jeden ze stalowych elementów służył do mocowania czujnika LVDT zaś drugi był ogranicznikiem pozwalającym zmierzyć przemieszczenie. Siła mierzona była również za pomocą dwóch czujników LVDT. Wszystkie czujniki połączone były bezpośrednio z układem elektronicznym i komputerem pozwalającym na odczytanie wyników w formie cyfrowej. Cały układ pokazano na rysunku 5.

5 Rys. 4. Elementy mocowania czujnika LVDT do pomiaru odkształceń na spodzie belki Rys. 5. Zestaw do pomiaru odkształceń granicznych oraz wytrzymałości przy zginaniu belek według zmodyfikowanej metody

6 4. Ocena dokładności i powtarzalność zmodyfikowanej metody zginania belek Analiza dokładności pomiaru pozwala wyznaczyć błąd metody, który może występować nawet wtedy, gdy badane próbki są idealnie jednorodne. Oprócz błędów spowodowanych określoną dokładnością metod pomiarowych na rozrzuty wyników badań mogą wpływać następujące czynniki: różne od założonych warunki temperaturowe przechowywania i badania próbek, niejednorodność badanych próbek wynikająca z faktu wieloskładnikowej struktury mieszanek mineralno-asfaltowych (np. różnorodnego rozmieszczenia ziaren grubych i drobnych) Ocena dokładności Odkształcenia na spodzie belki obliczano ze wzoru: gdzie: ε p e c a ε = p c * (1) e c + a - średnie odkształcenie występujące na spodzie belki na odcinku bazy pomiarowej o długości e, - przemieszczenia czujnika LVDT spowodowane zginaniem belki i rozchylaniem się elementów stalowych (płytek bazowych), w mm, - długość bazy pomiarowej osiowa odległość pomiędzy płytkami bazowymi, w mm, - połowa wysokości belki, w mm, - odległość od spodu belki do osi czujnika LVDT, w mm. Błąd bezwzględny zmodyfikowanej metody pomiaru określony jest wzorem: ε ε ε ε ε = * p + * e + * c + * a () p e c a Obliczony błąd nowej metody pomiaru odkształceń podano w tablicy 1. Tablica 1. Zestawienie błędów pomiaru odkształceń według starej i zmodyfikowanej metody Wyszczególnienie Metoda stara Metoda zmodyfikowana Temperatura pomiaru +10 C -0 C +10 C -0 C Błąd bezwzględny pomiaru, , , , odkształceń (-) Błąd względny pomiaru 4,35 4,8 0,44,6 odkształceń, (%) Wartości średnie przyjęte do obliczeń odkształceń granicznych (-) 0,5

7 4.. Powtarzalność metody Wyniki badań, które charakteryzują powtarzalność zmodyfikowanej metody pomiaru odkształceń belek przedstawiono w tablicy. W tablicy tej zastosowano następujące oznaczenia: ε gr - odkształcenie graniczne, w, R - wytrzymałość na rozciąganie przy zginaniu, w MPa, E - moduł sztywności, w GPa, X sr - wartość średnia, S x - odchylenie standardowe, V x - współczynnik zmienności, przy czym V x =S x /X sr Tablica. Powtarzalność zmodyfikowanej metody pomiaru odkształceń w temperaturach: +10 C i 0 C Mieszanka wg Zeszytu 48 IBDiM, asfalt D50, T= C Mieszanka wg Zeszytu 48 IBDiM, asfalt D50, T= -0 0 C n ε gr [ ] R [MPa] E [GPa] n ε gr [ ] R [MPa] E [GPa] 1 1,338 3,7 0,99 1 0,5 9,6 0,93 13,91 3,68 0,81 0,4 7,56 19, ,96 3,65 0,73 3 0,368 7,49 0,45 4 1,483 3,7 0,71 4 0,414 7,47 0,11 5 1,965 4,01 0,85 5 0,498 7,01 15,98 X sr 13,4 3,66 0,8 X sr 0,444 7,76 19,37 S x 1,3 0,6 0,11 S x 0,06 0,87 1,98 Vx 9% 7% 14% Vx 14% 11% 10% Mieszanka wg PN-74/S-960, asfalt D50, T= C Mieszanka wg PN-74/S-960, asfalt D50, T= -0 0 C n ε gr [ ] R [MPa] E [GPa] n ε gr [ ] R [MPa] E [GPa] 1 15,6 3,1 0,44 1 0,647 10,1 17,74 11,43 3,31 0,49 0,54 10,18 18, ,483,77 0,39 3 0,486 9,4 17,4 4 10,07,76 0,38 4 0,596 9,1 16, ,564,47 0,36 5 0,604 9,74 17, 6 18,47,76 0,48 6 0,659 9,83 14,54 X sr 14,11,87 0,4 X sr 0,589 9,75 17,04 S x 3,07 0,3 0,05 S x 0,07 0,39 1,34 Vx % 10% 13% Vx 11% 4% 8% Mieszanka wg PN-74/S-960, asfalt D70, T= C Mieszanka wg PN-74/S-960, asfalt D70, T= -0 0 C n ε gr [ ] R [MPa] E [GPa] n ε gr [ ] R [MPa] S [GPa] 1 13,78 1,84 0,4 1 0,47 8,49 0,45 17,78 1,47 0,4 0,707 9,64 14, ,33 1,64 0,8 3 0,531 8,84 17, ,451 1,7 0, 4 0,54 9,9 18, ,708 1,7 0,15 5 0,58 9,69 17,5 6 0,16 1,43 0,18 X sr 0,567 9,19 17,77 X sr 17,69 1,49 0, S x 0,09 0,5,05 S x,6 0, 0,05 Vx 15% 6% 1% Vx 13% 15% 1%

8 Współczynnik zmienności wyników badań V x przyjmuje następujące wartości: dla pomiaru odkształceń: 9 %, dla pomiaru wytrzymałości: 4 15%, dla pomiaru modułu sztywności: 8 1%. Są to wartości normalnego rzędu przy badaniach mieszanek mineralno-asfaltowych. 5. Ocena parametrów reologicznych Procedurę oceny parametrów reologicznych na podstawie metody zginania przedstawił Judycki w pracach [1,,3]. Do oceny stosowane są modele reologiczne ciał Hooke a, Maxwella i Burgersa przedstawione na rys. 6. Rys. 6. Schematy strukturalne modeli reologicznych Przy zginaniu ze stałą prędkością wzrostu odkształcenia obowiązuje następująca zależność wyprowadzona dla modelu Maxwella: t () λ σ t = λe ε 1 e (3) gdzie: σ () t - naprężenie w chwili t, λ - czas relaksacji, równy λ = η E E - moduł sprężystości natychmiastowej, ε - η - prędkość przyrostu odkształcenia, współczynnik lepkości pełzania. Interpretację graficzną tej zależności przedstawiono na rys. 7.

9 Rys.7. Interpretacja graficzna rozwiązania teorii lepkosprężystości dotyczącego zginania ze stałą prędkością deformacji Przy zginaniu pod stałym obciążeniem obowiązuje następująca zależność wyprowadzona dla ciała Burgersa: 1 t 1 t () λ3 ε t = σ e E 1 η E 3 (4) gdzie: λ λ 3 = 3 E E 1, E 3, η, η czas relaksacji, - parametry reologiczne modelu Burgersa. Ilustracją graficzną zależności przy pełzaniu pod stałym obciążeniem dla ciała Maxwella i Burgersa jest rys.8. Rys.8. Interpretacja graficzna rozwiązań teorii lepkosprężystości dla modeli reologicznych Maxwella i Burgersa przy zginaniu pod stałym obciążeniem

10 Aproksymacja krzywych doświadczalnych przez podane wyżej zależności teoretyczne umożliwia ocenę parametrów reologicznych mieszanek mineralnoasfaltowych. Parametry te są z kolei przydatne do predykcji zachowania betonu asfaltowego, zwłaszcza w niskich temperaturach. 6. Uwagi końcowe 1. Zalety przyjętego sposobu pomiaru odkształceń zginanych belek pod obciążeniem statycznym są następujące: szybki i prosty sposób pomiaru odkształceń, eliminacja zakłóceń spowodowanych trzpieniami stalowymi (wyeliminowanie ingerencji w próbkę), eliminacja pełzania belek wywołanego siłą sprężyny przetwornika, pełna komputeryzacja procesu gromadzenia i przetwarzania danych, duża niezawodność pracy przyrządu oraz powtarzalność wyników.. Stwierdzono zwiększenie dokładności pomiaru odkształceń w nowej metodzie w porównaniu z metodą opracowaną wcześniej. 3. Proponowana metoda umożliwia ocenę parametrów reologicznych mieszanek mineralno-asfaltowych. Literatura [1] Judycki J. Analiza niektórych własności reologicznych drogowego betonu asfaltowego poddanego działaniu obciążeń statycznych Praca doktorska, Politechnika Gdańska, Instytut Budownictwa Lądowego, Gdańsk,1975 [] Judycki J. Metoda badań własności reologicznych drogowego betonu asfaltowego Zeszyt Naukowy Politechniki Gdańskiej, 1976 [3] Judycki J. Bending test of asphaltic mixtures under statical loading IV International RILEM Symposium, Budapest, 1990 [4] Judycki J., Cyske W., Pszczoła M., Jaskuła P., Stachowski A., Badania wytrzymałości w niskich temperaturach betonu asfaltowego według nowych zasad projektowania opracowanie na zlecenie Generalnej Dyrekcji Dróg Publicznych, Gdańsk, 000 [5] Judycki J., Cyske W., Pszczoła M., Wytrzymałość i sztywność w niskich temperaturach betonów asfaltowych o zwiększonej odporności na deformacje trwałe, VII Międzynarodowa Konferencja, Kielce 001