SCZEPNOŚĆ WARSTW ASFALTOWYCH W WIELOWARSTWOWYCH UKŁADACH NAWIERZCHNI DROGOWYCH

Transkrypt

1 PIOTR JASKUŁA SCZEPNOŚĆ WARSTW ASFALTOWYCH W WIELOWARSTWOWYCH UKŁADACH NAWIERZCHNI DROGOWYCH 2018 W Y D AW N I C T W O ISBN POLITECHNIKA GDAŃSKA monografie 172

2 PIOTR JASKUŁA SCZEPNOŚĆ WARSTW ASFALTOWYCH W WIELOWARSTWOWYCH UKŁADACH NAWIERZCHNI DROGOWYCH GDAŃSK 2018

3 PRZEWODNICZĄCY KOMITETU REDAKCYJNEGO WYDAWNICTWA POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ Janusz T. Cieśliński REDAKTOR PUBLIKACJI NAUKOWYCH Michał Szydłowski REDAKTOR SERII Jerzy M. Sawicki RECENZENCI Piotr Mackiewicz Dariusz Sybilski REDAKCJA JĘZYKOWA Agnieszka Frankiewicz PROJEKT OKŁADKI Jolanta Cieślawska Wydano za zgodą Rektora Politechniki Gdańskiej Oferta wydawnicza Politechniki Gdańskiej jest dostępna pod adresem zamówienia prosimy kierować na adres Utwór nie może być powielany i rozpowszechniany, w jakiejkolwiek formie i w jakikolwiek sposób, bez pisemnej zgody wydawcy Copyright by Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2018 ISBN WYDAWNICTWO POLITECHNIKI GDAŃSKIEJ Wydanie I. Ark. wyd. 11,8, ark. druku 10,75, 172/1004 Druk i oprawa: Volumina.pl Daniel Krzanowski ul. Księcia Witolda 7-9, Szczecin, tel

4 SPIS TREŚCI WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ I SKRÓTÓW WSTĘP PRZEGLĄD STANU WIEDZY Wprowadzenie Mechanizm sczepności międzywarstwowej Wpływ sczepności na zachowanie się nawierzchni asfaltowej Obserwowane skutki braku sczepności międzywarstwowej Przyczyny braku sczepności międzywarstwowej Wpływ ograniczonej sczepności na zmniejszenie trwałości zmęczeniowej nawierzchni na podstawie analiz obliczeniowych Warstwy pośrednie a sczepność międzywarstwowa Zmiany sczepności międzywarstwowej w okresie eksploatacji Metody badania połączenia i jakości skropienia międzywarstwowego Metody niszczące Metody nieniszczące Czynniki wpływające na wynik badań sczepności międzywarstwowej Kryteria oceny sczepności międzywarstwowej Modelowanie sczepności międzywarstwowej Wielowarstwowa półprzestrzeń sprężysta Metoda elementów skończonych Polskie doświadczenia w badaniach i analizach sczepności międzywarstwowej Podsumowanie przeglądu stanu wiedzy MOTYWACJA, CEL I ZAKRES PRACY SCZEPNOŚĆ MIĘDZYWARSTWOWA W BADANIU ŚCINANIA BEZPOŚREDNIEGO Wprowadzenie Materiał do badań Mieszanki mineralno-asfaltowe Emulsje asfaltowe Przygotowanie próbek Zagęszczanie próbek Skropienie międzywarstwowe (warstwa sczepna) Aparat do ścinania międzywarstwowego Parametry oceny sczepności międzywarstwowej Wpływ różnorodnych czynników na sczepność międzywarstwową Rodzaj i ilość skropienia Metoda zagęszczenia Czynniki wpływające na wynik badań sczepności międzywarstwowej Uziarnienie stykających się warstw mieszanek mineralno-asfaltowych Trwałość zmęczeniowa połączenia międzywarstwowego w badaniu ścinania bezpośredniego Materiał i przygotowanie próbek Aparatura badawcza i przebieg badania Parametry oceny połączenia międzywarstwowego Wyniki badań i analiza Podsumowanie badań zmęczeniowych Podsumowanie badań sczepności międzywarstwowej w laboratorium... 60

5 4 Spis treści 5. IDENTYFIKACJA SCZEPNOŚCI MIĘDZYWARSTWOWEJ W TERENIE Wprowadzenie Kontrolowana sczepność międzywarstwowa na odcinku doświadczalnym Odcinek doświadczalny Warstwy sczepne Badania sczepności międzywarstwowej z odcinka doświadczalnego Ugięcia nawierzchni z różną sczepnością międzywarstwową Obliczone moduły sztywności warstw asfaltowych na odcinku doświadczalnym Wpływ sczepności międzywarstwowej na eksploatację nawierzchni Przypadki niskiej i zadowalającej sczepności międzywarstwowej Przypadek drogi krajowej w województwie pomorskim Przypadek drogi wojewódzkiej w województwie wielkopolskim Przypadek drogi krajowej w województwie warmińsko-mazurskim Sczepność międzywarstwowa nowo budowanych nawierzchni dróg ekspresowych i autostrad w Polsce Wprowadzenie Wyniki i analiza sczepności międzywarstwowej zestawienie ogólne Analiza sczepności międzywarstwowej z uwzględnieniem klasy drogi Analiza wpływu wybranych parametrów mieszanek mineralno-asfaltowych i temperatury otoczenia na sczepność międzywarstwową Rozkłady wyników sczepności międzywarstwowej Podsumowanie badań sczepności międzywarstwowej w terenie Analiza obowiązujących kryteriów sczepności międzywarstwowej warstw asfaltowych w świetle obliczeń teoretycznych oraz wymagań innych krajów Rozkłady naprężeń ścinających w nawierzchni Kryteria sczepności międzywarstwowej na świecie Porównanie rozkładów wyników badań sczepności międzywarstwowej z obliczonymi naprężeniami ścinającymi Ostatecznie zalecane kryteria sczepności międzywarstwowej warstw asfaltowych MODELOWANIE SCZEPNOŚCI MIĘDZYWARSTWOWEJ I OBLICZENIA TRWAŁO- ŚCI ZMĘCZENIOWEJ NAWIERZCHNI Wprowadzenie Modelowanie z wykorzystaniem teorii wielowarstwowej półprzestrzeni sprężystej Analizy obliczeniowe konstrukcji nawierzchni z uwzględnieniem wpływu sczepności międzywarstwowej przy wykorzystaniu oprogramowania BISAR Kalibracja metody obliczeń Wpływ miejsca braku powiązania międzywarstwowego na trwałość nawierzchni Wpływ związania międzywarstwowego na ugięcia nawierzchni Warstwa sczepna jako warstwa w układzie wielowarstwowym Modelowanie z wykorzystaniem metody elementów skończonych Wprowadzenie Symulacja sczepności międzywarstwowej w analizach obliczeniowych MES Modelowanie kontaktu międzywarstwowego poprzez powiązanie płaszczyzn (pełna sczepność) Modelowanie kontaktu międzywarstwowego z zastosowaniem pełnego poślizgu Modelowanie kontaktu międzywarstwowego z zastosowaniem tarcia Model zespolony połączenia międzywarstwowego (tarcie i kontakt kohezyjny) Model obliczeniowy konstrukcji nawierzchni odcinka doświadczalnego do programu ABAQUS Porównanie uzyskanych ugięć nawierzchni obliczonych w MES oraz pomierzonych w terenie na odcinku doświadczalnym

6 Spis treści 5 7. ZALECENIA PRAKTYCZNE DOTYCZĄCE WARSTW SCZEPNYCH I ZWIĘKSZE- NIA SIŁY SCZEPNOŚCI MIĘDZYWARSTWOWEJ Warstwa sczepna Warstwy mineralno-asfaltowe Warunki środowiskowe i eksploatacyjne PODSUMOWANIE BIBLIOGRAFIA Streszczenie w języku polskim Streszczenie w języku angielskim

7 WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ I SKRÓTÓW Oznaczenia A pole powierzchni ścięcia [m 2 ] a promień obciążenia [m] AK współczynnik sztywności (standard shear spring compliance) [m 3 /N] ALK zredukowany współczynnik sztywności (ang. reduced shear spring compliance) [ ] c spójność [kpa] D średnica obciążenia [m] E moduł sprężystości lub moduł sztywności [MPa] ER współczynnik energii wg Rowe [MPa] F siła ścinająca [kn] Fmax maksymalna siła ścinająca próbkę [kn] G moduł Kirchhoffa [MPa] hi grubość warstwy i-tej [m] Ibond wskaźnik połączenia warstw [ ] k, ks sztywność ścinania (moduł sztywności poziomej) [MPa/m] k1, ks wskaźniki sprężystości [ ], K1 = E1/E2, K2 = E2/E3 ki sztywność ścinania w i-tym cyklu [MPa/mm] kmax maksymalna sztywność ścinania [MPa/mm] max maksymalny przyrost naprężenia ścinającego [MPa] N50% liczba cykli do zniszczenia, kryterium klasyczne [ ] Nc liczba cykli do inicjacji zniszczenia [ ] Nf liczba cykli [ ] P poziom ufności [%] q nacisk, ciśnienie kontaktowe od obciążenia kołowego [MPa] t czas [s] tn składowa normalna wektora naprężenia ts, tt składowe styczne wektora naprężenia u, w przemieszczenia wzdłuż osi r i z [mm] Uend wartość ugięcia na końcu rejestrowanego przebiegu (po 600 ms), mierzona bezpośrednio pod obciążeniem [mm] Umax ugięcie maksymalne [mm] Umin najmniejsza wartość ugięcia, mierzona bezpośrednio pod obciążeniem [mm] Vasf objętościowa zawartość asfaltu w mieszance mineralno-asfaltowej [%] Vv zawartość wolnych przestrzeni w mieszance mineralno-asfaltowej [%] W energia zniszczenia przy ścięciu [J/m 2 ] z głębokość [m] względne przemieszczenia poziome pomiędzy warstwami [mm] poziom istotności zależny od poziomu ufności P, = 1 przy P = 68%, = 2 przy P = 95% parametr szorstkości, o zakresie przemieszczenie ścinania [mm] max maksymalne przemieszczenie przy ścinaniu [mm] a odkształcenie rozciągające na spodzie warstw asfaltowych [ ] z odkształcenie ściskające w podłożu [ ] kąt tarcia wewnętrznego [ ] odkształcenie ścinające cienkiej warstwy sczepnej [ ] µ współczynnik tarcia [ ]

8 8 Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów k współczynnik tarcia dynamicznego [ ] s współczynnik tarcia statycznego [ ] współczynnik Poissona [ ] dylatancja [ ] naprężenie normalne do płaszczyzny ścinania [MPa] r, z, t naprężenia normalne [MPa] s odchylenie standardowe wytrzymałości na ścinanie [MPa] wytrzymałość na ścinanie [MPa] = rz = zr naprężenie styczne [MPa] m średnia wytrzymałość na ścinanie [MPa] M wytrzymałość na ścinanie miarodajna [MPa] max maksymalne naprężenie ścinające lub naprężenie styczne [MPa] rz naprężenie styczne poziome [MPa] zr naprężenia styczne [MPa] Wyniki obliczeń z metody MES: LE lub E odkształcenia [ ] S naprężenia [MPa] U przemieszczenia [m] Skróty AC beton asfaltowy wg aktualnej normy europejskiej PN-EN (asphalt concrete) BA beton asfaltowy wg wycofanej normy polskiej PN-S-96025:2000 C60B3 ZM kationowa emulsja asfaltowa, szybkorozpadowa 60%, do złączenia warstw konstrukcji nawierzchni, wg normy europejskiej PN-EN CU60K drogowa emulsja asfaltowa modyfikowana, kationowa 60%, do skropień międzywarstwowych, wg przepisów niemieckich FWD ugięciomierz dynamiczny (falling weigt deflectometer) K1-65 drogowa emulsja asfaltowa niemodyfikowana, kationowa, szybkorozpadowa 65%, wg nieaktualnych Warunków Technicznych EmA-99 K1-70MP drogowa emulsja asfaltowa modyfikowana, kationowa, szybkorozpadowa 70%, wg nieaktualnych Warunków Technicznych EmA-99 MES metoda elementów skończonych SAMI warstwa pośrednia rozpraszająca naprężenia (stress absorbing membrane interlayers) SMA mastyks grysowy SMA wg aktualnej normy europejskiej PN-EN (stone mastic asphalt) U60K drogowa emulsja asfaltowa niemodyfikowana, kationowa 60% do skropień międzywarstwowych, wg przepisów niemieckich WMB wytwórnia mieszanek bitumicznych