Bestämning av utmattningshållfasthet hos asfaltbetong genom pulserande pressdragprovning

notat

Nr 38-1995 Utgivningsår: 1995

Titel: Bestämning av utmattningshållfasthet hos asfalt-betong genom pulserande pressdragprovning.

Författare: Safwat F. Said

Programområde: Vägteknik (Asfaltbeläggning) Projektnummer: 60349 (tidigare 60114)

Projektnamn: Utmattning och styvhet hos bitumenbundna belägg-ningar Uppdragsgivare: Vägverket Distribution: Fri div Väg- och transport-forskningsinstitutet ä

Inledning

De analytiska tillvägagångssätten vid dimensionering av vägöverbyggnader och proportionering av asfaltmassor erfordrar kännedom om fysikaliska egenskaper hos asfaltbetong. Beläggningens respons vid upprepade belastningar av den tunga trafiken och under varierande förhållanden kan undersökas i laboratorium genom bl.a. utmattningsförsök. Livslängden hos en asfaltbetong är antalet upprepade be-lastningar till brott. Vid utmattningsprovning utsätts provet för upprepade påkän-ningar som ska vara lägre än den maximala draghållfastheten hos asfaltbetongen.

Syftet med detta arbete är att beskriva utmattningsprovningen hos massabe-läggningar genom det pulserande pressdragprovet och att beskriva tillvägagångs-sättet vid framtagning av ett utmattningskriterium hos en massabeläggning.

Utmattningsmetodik

Ett cylinderformat prov utsätts på det vertikala diameterplanet genom mantelytan för en periodisk återkommande given belastning till dess att dragbrott inträffar (konstant spänning). Deformationen på det horisontella diameterplanet mäts på mantelytan under provningen. Töjningen och/eller spänningen beräknas och an-talet belastningar till brott bestäms. Med utmattning eller livslängd hos ett prov menas här antalet upprepade belastningar till dess att en tydlig spricka syns på provets ändyta (figur 1).

VTI Notat 38-1995 Figur 1 Utmattn'mgsprovmng

AH

a

b

/\

vilotid

belastningstid

.r ww. n. w.. ._ .. 0. md .d wzw. mw. .n w.d a. .u .; .., ä. .0 .. 0. .ñ. .? .. . ... .

Horisontell deformat

JL /\

.

.

4. ... .. D a b äf b c, C W . m Q. ,\ l% _\ .. a

i

TId

0

9

6

2

:

2

5

:

A

5

9

4

A

AH

7\.

/\

/\

Tid

Den cylinderformade provkroppen kan vara framställd på laboratoriet eller

ut-tagen ur en beläggning genom borrning. Provningen kan utföras under varierande förhållanden för simulering av verkligheten. Exempelvis temperatur, belastnings-nivå, belastningspulsens varaktighet och vilotid mellan pulsema kan varieras.

Vanligen bestäms utmattningskriterium hos en massabeläggning vid +10°C,

0,1 sekund belastningstid och 0,4 sekund vilotid mellan belastningspulsema. Det

behövs ca 12-18 provkroppar per massatyp och temperatur som undersöks vid olika belastningsnivåer. I CEN-metod [1] rekommenderas 18 prov. Resultaten från utmattningsprovning presenteras vanligen i ett samband mellan initial töjning och antalet belastningar till brott i matematisk form och i ett diagram med log-log skala. Kurvanpassningen beräknas på antagandet att det är linjärt samband mellan logaritmen av initial töjning (80) eller spänning (C) och logaritmen av antal belast-ningar till brott (Nf) (figur 2).

L098 +

N, = K (1/5) "

+ + +

;3

Log Nf

Figur 2 Typiskt samband mellan töjning (8) och antal belastningar till brott (Nf).

Nf = K (1/8)n

8

= initial töjning i mikrostrain (10'6 mm/mm)

K, n = regressionens konstanter

För att beräkna den kritiska initialtöjningen vid en bestämd livslängd används, för enkelhetens skull, det omskrivna sambandet, så kallade Fatigue Law .

-a ' N 8k = K

_få-10

SK = kritisk initial töjning vid en bestämd livslängd (Nf) i mikrostrain.

Nf = livslängd (antal belastningar till brott) vid den initiala töjningen, 8k. K' = 10[(6'K)/"1 (motsvarar den kritiska töjningen vid en miljon belastningar).

a = - l/n

K och 11 = som ovan

Utrustning

VTIs materialprovningssystem (VMS) har använts i det här arbetet. Det är en

datorstyrd servohydraulisk materialprovningsmaskin (bilaga 1).

I figur 3 illustreras belastningsriggen. Den är anpassad för cylindriska prov-kroppar med 100 mm och 150 mm i diameter. Provkroppen trycks i det vertikala

diameterplanet genom två lastfördelningsbommar av härdat stål. Bommarna har

skålade ytor motsvarande provkroppens nominella diameter. Dess bredd för

prov-kroppar med ø 100 mm och ø 150 mm är 13 mm resp. 19 mm och längden är

minst 80 mm.

Kraftgivare

Asfaltprov

Defonnations-' givare

Deformations-skenor

Lastfördelningsbommar

Figur 3 . Belastningsriggenför utmattningsprov.

Belastning: Anbringande av kompressiv belastning mellan 0,5-10 kN behövs vid utmattningsprovning. VMS utrustningen kan anbringa krafter mellan 0-25 kN med en onoggrannhet av 4,5 N.

Deformationsgivare: Två stycken seriekopplade deformationsgivare är fast-limmade på provkr0ppen för mätning av deformationen på det horisontella dia-meterplanet med hjälp av deformationsskenor. Upplösningen är 1,8 um och mät-området är på 7,5 mm hos deformationsgivama.

Registrering: För registrering av kraft och deformation och insamling av mät-data vid vissa förutbestämda tider används en PC.

Klimatkammare: Belastningsriggen är placerad i en klimatkammare. Varia-tionsområdet är 0-15°C med onoggrannheten högst 1°C.

Provberedning

En serie bestående av 12-18 provkr0ppar förbereds från en massabeläggning. Laboratorietillverkade provkr0ppar eller borrprov från massabeläggningar bör ha

en höjd av minst 40 mm (idealet 60 mm) och en diameter på 100 mm vid 25 mm

max komstorlek samt en provhöjd på 76 mm och diametern 150 mm vid 38 mm max kornstorlek. Deformationsskenorna limmas fast på provkr0ppens horisontella diameterplan (90° från belastningens diameterplan). Limgigg i figur 4 är lämplig för ändamålet. Provkroppen konditioneras under minst 4 timmar vid testtempe-raturen.

Figur 4 Limgigg

Provningsprocedur

Provningen planeras så att provkroppar från samma serie undersöks vid minst 3 deformationsnivåer.

- Deformationsgivarna monteras på provkroppen.

- Provet förs in i belastningsriggen och centreras så att kraften kommer att verka i provets vertikala diameterplan.

- Provet belastas med en minimal last (ca 40 N).

- Deformationsgivama ställs in så att hela mätområdet kan användas. - Det förinställda testprogrammet startas m.h.a. PCn.

- Deformationen kontrolleras under de första pulserna (ca 20 pulser) från data-skärmen. Om deformationen är för stor eller för liten stoppas testet och kraften minskas resp. ökas i det förinställda programmet. Provet startas på nytt.

Anmärkning: Undersökningen bör ske vid töjningsnivåer mellan 100-400

mikro-strain. Vid töjningar under 100 mikrostrain kan det hända att provkroppen tål flera

miljoner belastningar. Detta är tidsödande och det har inte stor nytta i praktiken. Vid töjningar större än 400 mikrostrain kan det hända att provkroppen går sönder efter relativt få belastningar, i så fall kan utmattningsprocessen ifrågasättas. Livs-längden bör inte ligga under 1000 belastningar.

- Testet pågår till dess att en tydlig spricka syns på provets ändytor.

Beräkningar

Dragspänningen i provkroppens centrum (00) kan beräknas enligt samband (1). Den största töjningen som orsakas av dragspänningar inträffar i provkroppens

centrum. Den beräknas enligt samband (2). Härledning av sambanden beskrivs i referens 2.

ZP

=

... .. l

0

ntD

( )

AH

80 = -E . . . .

= dragspänningen i provkroppens centrum, MPa

maximal kraft, N

provkroppens tjocklek, mm provkroppens diameter, mm

dragtöjningen i provkroppens centrum, mikrostrain horisontal deformation, mm

åp

o

e

wg

I VTI Notat 38-1995

Provkroppens horisontella deformation brukar stabilisera sig (blir konstant) under de första 50 belastningspulserna. Vid beräkning av den initiala töjningen för analys av utmattningsresultat, nollställs deformationen vid 60:e belastningspulsen.

Den initiala deformationen beräknas från skillnaden mellan den största

deforma-tionen vid belastningspuls 100 och den minsta deformadeforma-tionen vid belastningspuls 60 och därefter beräknas den initiala töjningen enligt samband 2.

Vid bestämning av livslängden hos en utmattad provkropp ritas ett semi loga-ritmiskt diagram mellan horisontal deformation och antal belastningar.

Prov-kroppens livslängd, Nf, (antal belastningar till brott) bestäms enklast från

diagram-met, där deformationen ökas markant utan nämnvärd Ökning i antal belast-ningama. Se figur 5. Metodikens utveckling beskrivs i referenserna 3, 4 och 5. Efter undersökning av en hel serie (12-18 provkroppar) och bestämning av initial töjning (80) och livslängden (Nf) hos varje provkropp utförs linjär regressionsana-lys mellan logaritmen av 80 som oberoende variabel och logaritmen av Nf som beroende variabel. Resultatet presenteras i matematisk formel och i diagramform med logaritmen av Nf på X-axeln och töjningen uttrycks i mikrostrain [6].

Exem-pel på utrnattningskriterier illustreras i ñgur 6 hos några massabeläggningar.

Prov-ning har utförts vid +10°C hos borrkärnor från befintliga beläggProv-ningar.

l I ll : . ur f l lr m -nu .nu uu. Ill.: 0.... .uu uno ua.. u... ...n .... .. Ho ri so nt al defo rm at io n, m m N I

._L 4. 4_ + + Uvslängd,Nf O lll l lrlrlll] l llllllll l III F11]

1E+2 1E+3 1 E+4 1E+5

Antal belastningar

Figur5 Samband mellan 80 och Nf hos borrkärnor från beläggningar vid +10°C.

1000 \_ / ABT1 6/885

å

\

\. gl \ c: \ :g- \ .m _ _\ :E \ _ A625/B1 80 \ Chem-Crete \

AG25/B1 80 /

\

/ \ \ 100 _ Areas/Bee \ \\ \\ x - - \. lllllllT I llllrlT Tlllllll lTllllll I Illlr

1 50-2 1 E+3 1 504 1 505 1 E+6 1 E+7

Antal belastningar till brott

Figur 6 Utmattningskriterier hos några massabeläggningar vid +10°C.

Referenser

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

VTI Notat 38- 1995

; Determination of fatigue of bituminous mixtures . Förslag till CEN-metod, maj 1995.

Said, S.F.; Tensile and fatigue properties of bituminous mixtures using

the indirect tensile method , KTH Bulleting 1989:2.

Ruth, B.E. and Olson, G.K.; Creep effect on fatigue testing of asphalt concrete , Proceedings, The Association of Asphalt Paving

Techno-logists, vol 46, 1977.

Kim, Y.R., Khosla, N.P. and Kim, N., Effect of temperature and mix-ture variables on fatigue life predicted by diametral fatigue testing , Transportation Research Board, 70th Annual Meeting 1991.

Djärf, L. and Said, S.F.; Laboratory fatigue properties compared with

ñeld performance , vol 1B, 5th Eurobitume Congress, Stockholm 1993.

; Utmattningskriterier for asfaltbelegninger , NVF rapport nr 7, 1992.

Bilaga 1

VTIs materialprovningssystem VMS

D lHI :HD 'HU' UU" I nnliqrsø u n rvnonulnuuunu I [I 01,5 s

' ' 1'. AL'1_ 1-333,'. »n 414. .\:-.,>;'r::.;g'-\_.'\1 .-.'.u'*_,w «y ,h .,u,v_4.-;_-; ,.r _,_ v, . . ' ' ,' :- , . i . '. r.,

i v . -.- ' *w « .' l i. ," v . 't '4 I 7 I.

_0_ . , .J , 4, 4-*_'., _,.,. _, ._..__ . ...4- v __. \ -.,.._;_3,.,.-,^ ....JWU.. :. '0....-.inneha»4R_M.oawugw'jmh fluga-.- av--M'üzaQA'J'ÅA

--r- 4. U. 4\\ i 4 \\i , g. . I . » fw'm p... --: .ai C Q wii?? \ ) '. .U' M.. w 7 Ja 4O_ J ) n. .;. .up . ' J Q *_- L".. : J _ 'En' 4443:31 .. 'i '5 *5/13 ' L' ?ir-r' _. : 'Au' ' -h 'M10 J] _ ' 'M .5 -4. . 4' "r" r _-_, -4 .. _7A ' r' __ M - 0 l a I N - x r . / ul-.x' "« _{4. a.}x 1-_.-3,x 4 _.J ' l -_ ,. -_.. 3 A . _ . l l 0 i ' . ut . .H--v a v ts' 1-.. x. » »på . 4* . . .3 s

VMS - VTI:s

material-, provningssystem

Sysremet som helhet kan användas i många applikationer, men är fråmsr inriktat mot funktionsprovning av material till vägbyggnadslager.

Kunskap om vägbyggnadslagers mekaniska

egen-skaper är nödvändigför analytisk dimensionering

av vägå'verbyggnader och

mekanistzskproportione-ring av massabeläggningar.

VTI förfogar över ett avancerat servohydrauliskt material-provningssysrem besrående av sex belasrningsriggar och nio hydraulcylindrar.

Styrning av systemet och insamling av mätdata

sker med hjälp av tre PC med ATS* mjukvara som A75_progmmme,

arbetar i Windows-miljö. ATS-programmet är'mycket arbetar i användar.. flexibelt och är särskilt utvecklat för materialprovningar vänlig

Windows-miljö.

på väglaboratorium.

.Wafken utsätter

va'g-ronstruktz'onens olika

agerfo'r ett komplicerat

mönster av drag- och

ryckpåka'nningar.

Systemet är mycketflexibelt ockger stora måjligbeter till variation i belastningens utformning. ?Fester kan styras av kraft eller deformation.

c -»v 0 ».*vw- mr ressdragprov vi . .

v

a

n o w' o @ ' 0 m. *m 0

.v

0 en " ' 9 . 0 0 9

0

0

'

0 Dynamiskt treaxialförsök Deformationsgivare Kraftgivare Plexiglascylinder

Luft i Övertryck . . . Jordprov Gummimembran .ess

när och krackelerz'ngar är synliga tecken 'i överbelastning av vägkroppen.

FLEXlBlLlTET/STYVHET

Flexibilitet/styvhet hos bitumen-bundna beläggningar är en parameter som utnyttjas vid analytisk dimensio-nering av vägöverbyggnader och mekanisk proportionering av massa-beläggningar. Skjuvtesten och press_-dragprovet används för bestämning av skjuvmodul respektive styvhetsmodul och temperaturkänslighet hos cylind-riska provkroppar av asfaltbetong.

(Se teckningar Lv.) UTMATI'NING

Vid utmattningsförsök körs provet till brott. En cylinderformad asfaltprov-kropp utsätts på mantelytan för en periodiskt återkommande given belastning enligt pressdragprovet (se teckning t.v.). Kraft och deformation mäts kontinuerligt. Provningen sker under temperaturkontrollerade förhållanden. Normalt testas en

BUNDNA LAGER

p 0 s. Sk juvm od ul , M P a o \ _.4 0 20 40 60 103 102 -2 0 2 4 Log (aT.F) asfaltmassa vid olika belastnings-nivåer. Det erfordras ett 10-tal provkroppar för att få kunskap om utmattningshållfastheten hos en massabeläggning. Denna egenskap kan användas för uppskattning av livslängden (antal överfarter) hos en överbyggnad och vid jämförelse mellan olika massabeläggningar med avseende på utmattningsmotstånd. St yvh et sm od ul. M P a -10 0 10 20 30 Temperatur, °C AG 103 104 105 10'5 Antal belastningar STABILITET

Längsgående dubbelspår på vägytan orsakad av den tunga trafiken tyder på instabilitet/omlagringar hos ett eller flera beläggningslager. Utvärde-ring av deformationsmotstånd hos massabeläggningar kan göras med

bl.a. statisk eller dynamisk

enaxial-kryptest (se teckning t.v.), skjuv-krypning och skjuvhållfaSLhet.

?å

oj ni ng , ut : 40000 Ax1 al t 30000 20000 10000 4000 3000 Antal belastningar 0 1000 2000 3_ 6000 05 .s ;å ' 'å ._, _<0 5: 4000 _.- 60 i! 2000 ' _ ' 'il' 'pl' 4000

:.»a

0

10° 101 102 103 10'* 105 Antal belastningar

OBUNDNA LAGER / UNDERGRUND

STYVHET/STABILITET

Dynarniska treaxialförsök (Se teck-ning t.v.) är en laboratoriemetod som utsätter ett prov för statiska och dynamiska belasrningar och kan exempelvis utformas för att simulera trafikens påverkan på ett jordprov.

Provningsmetoden ger uppgifter om materialets deformationsstyvhet uttryckt som styvhetsmodul (Mr) och permanent deformation vid olika laster, uppgifter som sedan t.ex. kan utgöra underlag för analytisk

dimen-sionering av vägar.

Olika faktorer som t.ex. vatten-kvot, kornstorleksfördelning, korn-form m.m. och dess inverkan på deformationsstyvheten kan studeras.

Metoden är även lämplig att använda vid undersökning av udda materials egenskaper för bedömning av möjlig-heter att använda dessa i vägbygg-nadssammanhang. Det kan gälla exempelvis restprodukter av olika slag eller modifierade icke godkända

material.

Frågor som kan besvaras genom dynamiska treaxialförsök är t.ex.: ° Är materialet lämpligt att använda

som vägbyggnadsmaterial? ° Vilken styvhetsmodul har

mate-rialet?

0 Hur är motStåndskraften mot permanent deformation? Vid dynamiska laster? Vid statiska laster? 600 500 y = 0.15x + 260 400 St yvh et sm od ul , M P a 300 y = 200 100 _ Hyttsten 0-32 mm mv "" Krossat bärlager 0-32 mm 0 400 800 1200 1600

Summa huvudspânning, kPa E 5.' 400 - okrossat bärlager 75' - krossat bärlager U_ 300 - hyttsten å 'ä .4 200 ?6 E E 100 3 O 200 400 600 800 1000 Antal belastningar O