LABORATORIUM MASZYN ROBOCZYCH MECHANIKA SKRAWANIA PODŁOŻA ASFALTOWEGO Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego Do użytku wewnętrznego
1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest doświadczalne określenie zależności oporów skrawania betonu asfaltowego od temperatury próbki. Badania wykonywane są na stanowisku laboratoryjnym, przy płaskim torze skrawania, przy użyciu rzeczywistego zęba urabiającego stosowanego w bębnach frezujących maszyn do profilowania nawierzchni asfaltowych, na próbkach z betonu asfaltowego przygotowanych w laboratorium lub wyciętych z drogi. 2. Maszyny do profilowania nawierzchni asfaltowych Podczas naprawy i rekonstrukcji dróg wymagane jest często zdjęcie określonej grubości warstwy nawierzchni asfaltowej. Naprawy polegające na nakładaniu co pewien czas nowej wierzchniej warstwy nawierzchni prowadzą do wielu niekorzystnych na dłuższą metę zjawisk: konieczności przebudowy chodników i poboczy, zmniejszenia się prześwitu tuneli i przejazdów pod wiaduktami, zwiększenia się obciążeń mostów i wiaduktów, konieczności przebudowy barier, przestawiania znaków drogowych itd. Powszechne zastosowanie znalazły metody polegające na ścinaniu górnej warstwy nawierzchni na długich odcinkach dróg. Stosowane są dwie technologie tego rodzaju prac: Skrawanie na gorąco polega na zastosowaniu maszyn (por. rys. 1), które przy użyciu palników gazowych i (lub) elektrycznych promienników rozgrzewają nawierzchnię asfaltową, zmniejszając w ten sposób opory skrawania betonu asfaltowego, a następnie przy użyciu noży (zrywaków) ścinają górną warstwę nawierzchni. 2
Wadą tej metody jest stosunkowo niewielka wydajność procesu, co spowodowane jest ograniczeniem prędkości przesuwu maszyny tak, aby zapewnić czas konieczny do nagrzania warstwy nawierzchni. Ze ściętej masy asfaltowej wykonywana jest nowa warstwa wierzchnia, często po wymieszaniu jej z dodatkowo dodaną mieszanką. Rys.1. Schemat maszyny pracującej na gorąco (typu Repaver) 1-urządzenie zasypowe nowej mieszanki, 2-przenośnik taśmowy, 3-zbiornik płynnego gazu, 4-elementy podwieszone do układania nowej warstwy betonu asfaltowego (przenośnik śrubowy do rozkładania, ubijak i belka wibracyjna), 5-oś tylna skrętna, 6,10,11-bloki promienników podczerwieni, 7-płyta wyrównująca, 8-rozkładacz ślimakowy, 9-zrywak. Skrawanie na zimno polega na zastosowaniu maszyn z bębnem frezującym (oś bębna jest usytuowana poziomo i prostopadle do osi drogi), na którego obwodzie rozmieszczone są zęby (kołki) skrawające. Szybki ruch obrotowy bębna, połączony z powolnym przesuwem powoduje skrawanie nawierzchni asfaltowej. Ścięty asfalt podawany jest przenośnikiem taśmowym na środki transportowe i może być ponownie użyty jako jeden z surowców do wytwarzania nowej mieszanki. Szkic maszyny do profilowania nawierzchni na zimno, schemat działania bębna frezującego i kształt zęba pokazano na rys. 2. Ostrze zęba wykonane jest z węglika wolframu, zaś sam ząb umocowany jest w obejmie tak, aby podczas pracy mógł się obracać, co pozwala na jego równomierne zużywanie się. 3
Rys. 2. a- schemat maszyny frezującej; b- schemat działania bębna frezującego; c- kształt zęba.
Opracowanie metodyki obliczania układu bębna frezującego, porównanie wydatku energetycznego dla obu przedstawionych wcześniej technologii skrawania nawierzchni asfaltowej, jak również wybór optymalnego zakresu temperatury pracy wymaga znajomości własności betonu asfaltowego oraz wpływu temperatury na opór jego urabiania. 3. Podstawowe własności reologiczne betonu asfaltowego Beton asfaltowy jest mieszaniną niewielkiej ilości asfaltu i mieszanki mineralnej o odpowiednio dobranym składzie ziarnowym. Po zmieszaniu asfaltu z kruszywem na gorąco, mieszanka Jest rozkładana i zagęszczana. W skali makro można traktować nawierzchnię z betonu asfaltowego jako ośrodek jednorodny. Jest to, podobnie jak asfalt, ośrodek o własnościach lepkosprężystych. Wszystkie własności reologiczne ośrodka lepkosprężystego zawarte są w modelu Burgersa, złożonego z szeregowego połączenia modelu Maxwella i modelu Kelvina (rys. 3). Model Maxwella jest szeregowym połączeniem elementu Newtona uwzględniającego lepkość materiału i elementu Hooke a uwzględniającego jego sprężystość. Model Kelvina jest połączeniem równoległym elementu Newtona i elementu Hooke a. Rys.3. Model Burgersa, b-model Maxwella, c-model Kelvlna, d-element Newtona, e- element Hooke a. Można zauważyć, że z powodu występującego w modelu Burgersa elementu Newtona połączonego szeregowo, dowolnie małe obciążenie powodować będzie w odpowiednio długim czasie dowolnie duże odkształcenie. Jest to więc model opisujący ciecz lepkosprężystą. 5
Charakterystykę odkształcenia modelu pod działaniem w czasie od t 0 do t 1 stałego naprężenia σ pokazano na rysunku 4. Rys. 4. Odkształcenie ciała opisanego modelem Burgersa pod działaniem stałego obciążenia w czasie od t 0 do t 1. 4. Stanowisko badawcze Stanowisko badawcze umożliwia poziomy przesuw narzędzia urabiającego (rys.5). Źródło napędu stanowi silnik elektryczny (2) prądu stałego o mocy 0,3 kw i maks. prędkości obrotowej 1500 obr/min, zasilany poprzez układ z tyrystorową regulacją obrotów (15) TROS-I ps3a, sprzężony z fotoelektrycznym wskaźnikiem obrotów silnika (1). Napęd przekazywany jest przez przekładnię ślimakową (3) i sprzęgło elastyczne (4) na śrubę (6), osadzoną w łożyskach (5). Obrót śruby powoduje poziomy przesuw ramy (7) po prowadnicach (9). Nastawne wyłączniki krańcowe (8) powodują automatyczne odłączenie zasilania silnika w skrajnych położeniach ramy. Do belki ramy (7) umocowana jest śrubami podstawa (17) z układem czujników pomiarowych (16) tak, że istnieje możliwość ustalenia jej położenia wzdłuż belki. Czujniki współpracują z mostkiem tensometrycznym (18) i rejestratorem (19). 6
Rys. 5. Schemat stanowiska badawczego. 7
Z drugiej strony czujników pomiarowych umieszczony jest element (14), do którego umocowana jest obejma (13) z zębem skrawającym. W ćwiczeniu używa się zęba skrawającego wymontowanego z bębna frezującego maszyny firmy Caterpillar. Istnieje możliwość ustawienia obejmy (13) w różnych położeniach, tak aby kąt skrawania wynosił 30, 45, 60, 75 lub 90. Badane próbki z betonu asfaltowego umieszczone są na podstawie (11), o wysokość i regulowanej przez ustawienie nakrętek (10). Pozwala to regulować następujące parametry procesu roboczego: prędkość skrawania v, położenie zęba względem próbki patrząc w kierunku belki ramy (7), głębokość skrawania (przez regulację wysokości ustawienia próbki nakrętkami (10)), kąt skrawania (przez ustawienia obejmy (13)). Pomiar sił realizowany jest za pomocą dwóch oktaedrycznych czujników sił z tensometrami naklejonymi w układzie pełnego mostka. Czujniki pomiarowe współpracują z mostkami tensometrycznymi StR-01, a wychodzący z nich sygnał napięciowy rejestrowany jest w funkcji czasu. Przegubowy układ zamocowania elementu mocującego obejmę zęba do czujnika w punkcie 0 (rys.6) powoduje, że (pomijając efekt tarcia) dolny czujnik rejestruje siłyp i Q o kierunkach odpowiednio pionowym i poziomym, a górny czujnik rejestruje jedynie siłę poziomą R. Znając wartości sił P, Q i R oraz długość ramienia a = 133, 5 mm, można wyznaczyć wartości składowych Wx i Wy reakcji na zębie oraz położenie wektora W: 8
Rys. 6. Schemat umieszczenia czujników i sposób wyznaczania sił. Podstawowe zależności: W x = Q - R W y = P W 2 = W 2 2 x + W y tan(α) = W y /W x = P/(Q - R) 9
5. Badane próbki Przygotowano do ćwiczeń próbki o składzie wzorowanym na standardowej nawierzchni utwardzonej, wykonanej z mieszaniny kruszywa mineralnego i asfaltu. Skład typowej nawierzchni mineralnej: kamień polny 6,3 12,8 mm 26,8% kamień polny 2 8 mm 16,0% kamień polny do 8 mm 17,0% piasek do 0,4 mm 25,0% mączka wapienna 9,0% spoiwo asfaltowe D70 6,2% razem: 100,0% 6. Wykonanie ćwiczenia Podczas ćwiczenia badane będą próbki o różnych temperaturach: o temperaturze panującej w laboratorium (15 18 C) oraz próbki podgrzane (do temp. 40 60 C). Przygotować stanowisko, a w szczególności: - ustawić głębokość skrawania g = 5 8 mm, - podłączyć i wyregulować aparaturę pomiarową. Kolejność postępowania podczas wykonywania próby jest następująca: 1. Ustawić badaną próbkę na podstawie, sprawdzić nastawy pomiarowe mostków i rejestratora. 2. Włączyć rejestrator i jednocześnie włączyć zasilanie silnika, wykonać przejazd na długości roboczej 20-25 cm z jednoczesną rejestracją trzech sił. 3. Po wyłączeniu silnika i rejestratora wyjąć śrubę blokującą płytę z czujnikiem górnym i powrócić narzędziem do punktu wyjścia. 4. Wyjąć próbkę i dokonać obmiaru geometrycznego bruzdy; zarejestrować średnią głębokość skrawania, oczyścić ostrze narzędzia. 10
Czynności te należy wykonywać sprawnie, aby próbka nie zdążyła ostygnąć po wyjęciu jej z suszarki. Uwaga: Przy przenoszeniu próbki używać rękawic; jeśli próbka ma temperaturę powyżej 40 C to podkładać pod nią płaską płytę, aby nie zdeformowała się w czasie przenoszenia. 7. Opracowanie wyników 1) Z otrzymanego zestawu krzywych (3 krzywe dla każdej próby) określić średnie wartości wychylenia (np. przez splanimetrowanie pola powierzchni pod wykresami), a następnie wyznaczyć średnie wartości sił P, Q i H i wyliczyć siły W x, W y i W. Dane i wyniki zebrać w tabeli wg wzoru. T g P Q R W x W y W [ C] [mm] [N] [N] [N] [N] [N] [N] Jeśli na skutek dużych oporów i niedostatecznej sztywności narzędzia wystąpiłyby różnice pomiędzy nastawioną a rzeczywistą głębokością skrawania (zmierzoną jako głębokość bruzdy) to skorygować uzyskane wartości odnosząc je do jednej (nominalnej) głębokości skrawania. Przyjąć, że wartość oporów W x i W y jest proporcjonalna do głębokości skrawania g. Zależność taka została stwierdzona eksperymentalnie podczas wcześniejszych badań przeprowadzonych w IMRC PW. 2) Wyrysować krzywe W x = f(t) i W y = f(t). 11
3) Napisać wnioski z ćwiczenia, dotyczące w szczególności: - zaobserwowanych różnic w przebiegu procesu skrawania betonu asfaltowego w niskich i wysokich temperaturach, - zależności składowych oporu skrawania od temperatury, - wpływu budowy strukturalnej betonu asfaltowego na przebieg oporów skrawania w niskich i wysokich temperaturach. 8. Bibliografia 1. Jaworski J.: Badania oporu urabiania nawierzchni bitumicznych. Praca naukowobadawcza. IHRC PW 1993. 2. Kalabińska H., Piłat J. ; Technologia materiałów i nawierzchni drogowych. PWH Warszawa 1985. 3. Jaworski J.: Wpływ temperatury na opory skrawania betonu asfaltowego nożem bębna frezującego. VIII Konferencja Problemy Rozwoju Maszyn Roboczych. Zakopane, styczeń 1995. 12
INSTYTUT MASZYN ROBOCZYCH CIĘŻKICH LABORATORIUM MRC Nr ćwiczenia: TB2 Temat: Mechanika skrawania podłoża asfaltowego Zespół: Grupa: Data: Lista osób wykonujących ćwiczenie: 1..... 2..... 3..... 4..... 5..... 6..... 7..... 8..... 9..... 10..... 11..... 12.....