СПОСОБ ОЦЕНКИ УСТАЛОСТИ АСФАЛЬТОБЕТОНА ПРИ ЦИКЛИЧЕСКИХ ДИНАМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
METHOD TO ASSESS FATIGUE OF ASPHALT CONCRETE UNDER CYCLIC DYNAMIC LOADS

Изобретение относится к технике испытаний на усталость, а именно к способам испытаний материалов, в частности асфальтобетона, на усталость при циклических динамических воздействиях.
За последние годы на дорогах России наблюдается значительный рост интенсивности движения, скоростных режимов транспортных средств и грузоподъемности автомобилей. В современных условиях эксплуатации происходит увеличение количества приложений транспортных нагрузок в единицу времени, что обусловливает ускоренное развитие усталостных процессов в асфальтобетонном покрытии. Усталостная прочность асфальтобетона - способность материала сопротивляться действию циклических (повторно-переменных) нагрузок, является важнейшей характеристикой, определяющей долговечность асфальтобетонного покрытия и дорожной одежды в целом.
Испытания асфальтобетонов под действием циклических нагрузок (усталостной прочности) позволяют моделировать реальные условия нагружения асфальтобетона в покрытии. В результате можно определить как характеристики жесткости (деформативности), так и усталостную прочность или выносливость асфальтобетона до разрушения. Причем диапазоны амплитуд нагружения в этих методах испытаний должны быть разными.
Известно устройство для испытаний вязкоупругих и пластичных материалов, включающее корпус, закрепленный на основании, зажимные захваты, с помощью которых крепится асфальтобетонный образец, и нагружающий механизм в виде рычажной системы с грузами (RU №28250, МПК G01N 3/08, приоритет 05.08.2002).
В качестве недостатков данного устройства можно указать следующее:
- повышенная трудоемкость в силу необходимости подвешивания, снятия и циклического передвигания тарированных грузов;
- во время испытаний фиксируются только деформации образца во времени, что не позволяет достоверно оценить параметры прочностной усталости асфальтобетона.
В качестве ближайшего аналога принят способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях, включающий крепление образца, выполненного в виде балочки прямоугольного сечения, его нагружение циклической изгибающей нагрузкой до отказа образца, регистрацию параметров изгибных деформаций с определением величины энергии диссипации, по которой судят об усталостной долговечности асфальтобетона (RU №2299417, МПК G01N 3/32, приоритет 12.07.2005).
Данное техническое решение не позволяет достоверно оценить параметры прочностной усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях в силу следующих недостатков:
- геометрические размеры образцов - балочек (5×5×20 см) соизмеримы с величиной наиболее крупной фракции заполнителя, как следствие не позволяют получить достоверные результаты испытаний;
- геометрические параметры и собственная частота специальных консолей, на которых установлен двухполюсной электромагнит, влияют на величину прикладываемого усилия, амплитуду и форму колебаний испытуемого образца;
- жесткое защемление образцов создает дополнительные внутренние усилия на концах балок;
- отсутствие возможности оценки раздельного влияния частотного режима нагружения на процесс накопления повреждений асфальтобетона и уровень силового воздействия;
- реальное асфальтобетонное покрытие работает в режиме отнулевого цикла, но не в режиме симметричного цикла;
3
- энергия диссипации (W) определяется через интеграл, что на практике затрудняет оценку усталостной прочности.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение достоверности оценки параметров прочностной усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в следующем:
- обеспечение более точного моделирования реальных условий работы асфальтобетонного покрытия в процессе испытаний, касающегося размеров образца (учитывают масштабный фактор), условий его закрепления (шарнирное опирание по концам) и расчетной модели («подстилающий слой - асфальтобетон»);
- применение механического способа нагружения, позволяющего оценить раздельное влияние частотного режима нагружения на процесс накопления повреждений асфальтобетона и уровень силового воздействия;
- проведение испытаний по отнулевому циклу, соответствующему частотному диапазону 2-30 Гц и уровню нагружения 0,3-200 кгс;
- использование более простой и удобной формулы для определения энергии диссипации.
Поставленная задача решается тем, что способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях, включающий крепление образца, выполненного в виде балочки прямоугольного сечения, его нагружение циклической изгибающей нагрузкой до отказа образца, регистрацию параметров изгибных деформаций с определением величины энергии диссипации, по которой судят об усталостной долговечности асфальтобетона, отличается тем, что наименьший размер поперечного сечения балочки составляет не менее трех размеров наиболее крупной фракции заполнителя, при этом образец опирают на упругое основание, моделирующее подстилающий слой дорожного покрытия, и две опоры по концам образца, причем образец нагружают циклической нагрузкой по отнулевому циклу, соответствующему частотному диапазону 2-30 Гц и уровню нагружения 0,3-200 кгс, с раздельной фиксацией частоты нагружения и уровня силового воздействия на образец асфальтобетона, кроме того, в процессе испытаний обеспечивают постоянный контакт образца и упругого основания, одновременно измеряют прогиб образца, его изгибные, предпочтительно растягивающие деформации и деформации упругого основания, после чего определяют модуль упругости, коэффициент постели упругого основания, площадь петли гистерезиса в координатах σ-ε, плотность внутренней энергии в зависимости от числа циклов деформирования вплоть до разрушения образца.
Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками ближайшего аналога свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».
При этом признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.
Признак «наименьший размер поперечного сечения балочки составляет не менее трех размеров наиболее крупной фракции заполнителя» обеспечивает более полный учет масштабного фактора за счет больших размеров образца (таким образом, исключают формирование образца с размерами, соизмеримыми с размерами фракций асфальтобетона, что может привести к существенному искажению результатов испытаний).
Признак «образец опирают на упругое основание, моделирующее подстилающий слой дорожного покрытия, и две опоры по концам образца» позволяет избежать возникновения дополнительных внутренних усилий (с помощью шарнирного крепления) и учесть совместность работы асфальтобетона и подстилающего слоя (за счет применения расчетной модели «подстилающий слой - асфальтобетон»).
Признак «образец нагружают циклической нагрузкой по отнулевому циклу, соответствующему частотному диапазону 2-30 Гц и уровню нагружения 0,3-200 кгс, с раздельной фиксацией частоты нагружения и уровня силового воздействия на образец асфальтобетона» позволяет моделировать реальные условия работы асфальтобетонного покрытия, причем величины нагрузки подобраны с учетом масштабного фактора (из-за больших размеров образца), диапазон частот взят из стандартов.
Признак «величина энергии диссипации W… определяется по формуле
» позволяет упростить и сократить продолжительность процесса расчета и анализа полученных результатов на практике.
На фиг.1 изображен общий вид испытательной установки для нагружения циклической изгибающей нагрузкой.
На фиг.2 изображен вид сбоку установки, подготовленной для нагружения циклической изгибающей нагрузкой.
На фиг.3 изображены результаты испытаний в виде кривых усталости асфальтобетона двух видов - с резиновой крошкой и без нее.
На чертежах изображена испытательная установка, включающая рамную металлическую конструкцию 1, зажимные захваты 2, с помощью которых крепится асфальтобетонный образец 3 с шарнирными опорами (или защемленными концами), упругое основание 4 определенной толщины, положение которого регулируется подъемным столом 5 с помощью винтовой пары 6, узел механических колебаний, выполненный в виде кривошипно-шатунного-ползунного механизма 7 с эксцентриком 8 и привода, состоящего из электродвигателя 9 и ременной передачи 10, причем кривошипно-шатунный-ползунный механизм 7 содержит датчик усилия 11 в виде балки равного сопротивления, регистрирующий сообщаемое образцу усилие, датчик перемещения в виде пружины 12, датчик изгибных деформаций 13 в виде тензорезисторов и счетчик числа нагружений 14.
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Предварительно из асфальтобетона различных видов изготавливают ряд образцов-балочек размером 10×10×50 см (могут быть и другие размеры). Затем асфальтобетонный образец 3 укладывается непосредственно на поверхностный слой упругого основания 4, моделирующий основание многослойной среды, а затем по концам (краям) крепится на рамную металлическую конструкцию 1 с помощью зажимных захватов 2, причем устанавливаемый образец 3 в процессе испытания должен быть без отрыва связан с упругим основанием 4 определенной толщины, положение которого регулируется подъемным столом 5 с помощью винтовой пары 6. Далее включается электродвигатель 9, и происходит нагружение изгибающей нагрузкой с помощью кривошипно-шатунного-ползунного механизма 7, который передает колебания и усилие на асфальтобетонный образец 3. Во время испытаний нагрузка прикладывается к середине образца 3 до отказа при последовательном нагружении в определенных режимах, при этом контролируют температуру и сообщаемое образцу усилие с помощью датчика усилия 11. Длительность и амплитуда нагружения определяются частотным спектром воздействия транспортных средств на асфальтобетонное покрытие. Также в процессе испытания при каждом режиме нагружения регистрируют изгибные деформации ε образца 3 и упругого основания 4 с помощью датчика изгибных деформаций 13, сдвиг фаз φ между напряжениями σ и деформациями ε, площадь петли гистерезиса ΔW в координатах σ-ε, количество циклов N до отказа (разрушения) образца 3 с помощью счетчика числа нагружении 14, вертикальное перемещение (прогиб) у образца 3 и упругого основания 4 с помощью датчика перемещения 12, образование трещин и их развитие. По результатам испытаний строят кривые усталости материала, затем определяют модуль упругости Е образца 3 и упругого основания 4, энергию диссипации W, коэффициент постели упругого основания 4 и коэффициент интенсивности напряжений.
Величина энергии диссипации W, которая характеризует процесс накопления повреждений в дорожных покрытиях, определяется по формуле
, где
i
ΔW - площадь петли гистерезиса i-того образца в координатах σ-ε;
p
N - количество циклов до отказа (разрушения) образца.
В конце строят кривую усталости в натуральных координатах σ - N и проводят анализ асфальтобетонов различных видов по перечисленным параметрам и их энергетическим состояниям.
Таким образом, информацию о поведении асфальтобетона получают на основе анализа следующих показателей: частотных и температурных зависимостей модуля упругости, изгибных, предпочтительно растягивающих деформаций образца и деформаций упругого основания, коэффициента постели упругого основания, площади петли гистерезиса в координатах σ-ε, энергии диссипации в каждый конкретный цикл и на протяжении всего испытания, количеству циклов до отказа образца.
По результатам испытаний назначают расчетные характеристики материалов, используемые при проектировании покрытия. В итоге можно определить как характеристики жесткости (деформативности), так и усталостную прочность или выносливость асфальтобетона до разрушения.