Reologia mixturilor asfaltice

UNIVERSITATEA TEHNICA  FACULTATEA DE CAI FERATE

DE CONSTRUCTII BUCURESTI    DRUMURI SI PODURI

ANUL I  - Studii doctorale

REOLOGIA

MIXTURILOR ASFALTICE

DISCIPLINA ELECTIVA 2: Reologia liantilor bituminosi si a mixturilor asfaltice

CAPITOLUL I

1.1. Introducere

Mixtura asfaltica se caracterizeaza ca un material compozit, constituit din trei faze:

1. faza solida: agregatele si eventualii aditivi minerali sau fibra.
2. faza lichida sau vasco-elastica: liantul bituminos.
3. Faza gazoasa: golurile de aer.

Mixtura asfaltica se comporta ca un material liniar vascoelastic - atunci cand deformatiile sunt mici - ce poseda deopotriva comportarea elastica a unui solid si comportarea materialelor vascoelastice. Datorita componentei vascoase, comportarea materialelor vascoelastice este dependenta de timp, cu cat timpul este mai mare cu atat curgerea este mai mare.

Pentru a caracteriza materialele vascoelastice exista doua metode generale: o metoda bazata pe modele mecanice si alta bazata pe curba de compleanta la fluaj. Cele doua metode sunt apropiate, una putand fi transformata in cealalta. Avantajul de a folosi un model macanic este acela ca relatia tensiune-deformatie poate fi vizualizata fizic, pentru a dezvolta ecuatiile diferentiale. Folosirea curbei de compleanta are avantajul ca poate fi obtinuta usor cu aparatura potrivita, printr-un test in laborator.

1.2. Deformatiile mixturii asfaltice

Analiza reologica completa a unui corp presupune identificarea aspectului si masurii comportarii elastice, vascoase si plastice.

Deformatiile datorate elasticitatii sunt complet reversibile si independente in timp. Aceasta inseamna ca intr-un ciclu de incarcare/descarcare nu sunt produse deformatii permanente, fiind independente de viteza de incarcare sau descarcare.

Deformatiile datorate vascozitatii sunt ireversibile si depind de timp. Marimea lor depinde de durata incarcarii si de viteza de incarcare si descarcare.

Deformatiile datorate plasticitatii sunt permanente dar independente de timp.

Betonul asfaltic sufera deformatii la fluaj sub incarcare constanta. Deformatia la fluaj a mixturii asfaltice ξ_t consta din parti reversibile si ireversibile, unele din ele fiind dependente de timp, altele independente de timp.

Deformatia la fluaj ξ_t este:

ξ_t = ξ_e + ξ_p + ξ_ve + ξ_vp

unde:

ξ_e deformatia elastica (reversibila si independenta de timp)

ξ_p   deformatia plastica (ireversibila si independenta de timp)

ξ_ve deformatia vascoelastica (reversibila si dependenta de timp)

ξ_vp deformatia vascoplastica (ireversibila si dependenta de timp)

Cand incarcarea este aplicata, apare o deformatie instantanee continand o componenta elastica si o componenta plastica. In timpul perioadei de incarcare apar deformatiile vascoelastice si vascoplastice.

Determinarea modulului de elasticitate

al mixturilor asfaltice prin metoda "Indirect Tensile Test"

Introducere

In prezent, in Romania asistam la cresteri semnificative ale traficului rutier, indeosebi trafic greu, astfel incat se impune dezvoltarea unor structuri rutiere complexe in conditii climatice specifice tarii noastre.

Astfel, este imperios necesara proiectarea si evaluarea calitativa a sistemelor rutiere pentru a se corela proprietatile reologice ale asfaltului pentru o durata de serviciu maxima. Dintre aceste caracteristici mentionam:

Rezistenta la oboseala.

Fluaj dinamic.

Rezistenta la formarea fagaselor.

In vederea efectuarii unor astfel de studii pentru mixturile bituminoase, unitatea de cercetare dispune de un echipament pentru determinari in regim dinamic a proprietatilor mixturilor bituminoase - echipamentul COX 7500 fabricat in SUA. Echipamentul este deosebit de complex si performant, permite teste pe epruvete cilindrice de 100 si 150 mm, aplica solicitarea asupra probei cu un actuator hidraulic, 4 canale de achizitie pentru traductorii de deformatie tip LVDT, citirea fortei aplicate si controlul camerei climatice.

In cadrul temei de cercetare s-a elaborat un program de achizitie care sa permita controlul parametrilor dinamici impusi (forta, amplitudinea, forma impulsului ciclic aplicat, timpii de incarcare-relaxare), vizualizarea diagramelor efort-deformatie si calculul automat al modulului de elasticitate.

Prezentarea Echipamentului ITT COX 7500

Alegera mediului de programare LabView a fost motivata de arhitectura hardware bazata pe PC si placi de achizitie National Instruments, dar si pe biblioteca matematica deosebit de complexa inclusa in acest mediu de programare. La aceasta alegere a contribuit si usurinta construirii programului dorit prin reprezentarile grafice ale elementelor de program.

Figura 1

In Figura 1 se prezinta schema de aplicare a solicitarii si aparitia deformatiilor la care este supusa epruveta pe durata unei incercari de solicitare indirecta ("indirect tensile test").

Figura 2

In Figura 2 este prezentata pozitionarea senzorilor de deplasare LVDT care citesc deformatiile diametrale, pe verticala si orizontala (epruveta are diametrul de 150mm). Se observa actuatorul hidraulic care aplica incarcarea si celula tensiometrica ce inregistreaza forta aplicata. Controlul electrovalvelor se face prin placa NI- PCI16MIO. Proba si sistemul de incarcare se afla intr-o incinta climatica controlata tot prin PC, prin intermediul unei placi de achizitie Computer Boards CIO-DAC08/16. Incinta poate fi termostatata pe un domeniu de temperatura foarte larg, cuprins intre  -20⁰C si +60⁰C.

Echipamentul este prevazut cu o maneta de comanda pentru actionarea manuala a pistonului, in scopul aducerii pistonului in contact cu epruveta la inceputul sesiunii de testare, sau in sens invers, de ridicare a pistonului. Aceasta antreneaza un encoder rotativ ale carui impulsuri sunt numarate de unul dintre counterele placii de achizitie NI.

Standardul american AASTO TP 31-94 impune o solicitare ciclica de 1Hz, cu timpul de incarcare de 0,1 secunde urmata de o relaxare de 0,9 secunde. Forma diagramei de incarcare-descarcare este data de functia:

pe durata a 0,1 s. (Figura 3)

Figura 3

Programul aplica aceasta comanda ciclica de tensionare/deplasare la electrovalva de comanda a actuatorului prin intermediul unui regulator tip PID, avand ca tema deplasarea sau forta, functie de testul care se realizeaza (rupere sau incarcare ciclica). De asemenea este posibila ajustarea coeficientilor regulatorului PID, functie de duritatea materialului. S-au efectuat teste si incercari de implementare a unui regulator tip FUZZY LOGIC, incercarile preliminare efectuate dovedind viabilitatea modelului si independenta controlului actuatorului de duritatea materialului. Astfel, algoritmii de control FUZZY au fost implementati in limbajul C si compilati sub forma unei biblioteci dinamice de functii DLL. Apelarea acestor functii in mediul LabView s-a facut prin intermediul unui modul "Call Library Function" caruia i s-au furnizat ca parametri de intrare tema (forta/deplasare) si valoarea respectivului parametru achizitionat (LVDT/Celula de forta) si care returneaza valoarea analogica de plicat asupra electroventilului hidraulic al pistonului.

Forta aplicata in timpul testului este functie de temperatura si de rezistenta la rupere a materialului, care trebuie determinate in prealabil prin metoda indirecta -σ_r ("indirect tensile strength"). Forma semnalului pe timpul unui ciclu este data de relatia:

P_max = P_contact + P_ciclic ,

P_contact = 0,1 x P_max (Figura 3)

Pentru acest tip de incarcare, deformatia probei care este inregistrata de tarductorii de deplasare LVDT, ce masoara deformatiile diametrale pe directiile verticale si orizontale, este de forma data in Figura 4.

Figura 4

In aceasta diagrama obtinuta pe durata unui ciclu de incarcare, punctele de interes sunt punctele A, B, C si D. Zona A-B corespunde incarcarii, zona B-C corespunde revenirii elastice instantanee, zona C-D revenirea elastica intarziata.

Odata identificate aceste puncte, putem afla cu usurinta coeficientii Poisson, modulii rezilienti (elasticitate, rigiditate). Relatiile de calcul pentru configuratia de solicitare si inregistrare a deplasarii sunt urmatoarele (factor de forma pentru tip de incarcare IT-CY conform EN):

coeficientul Poisson

(MPa) modulul rezilient

∆H = H_i - H_f ; ∆V = V_i - V_f

Valorile coeficientului Poisson si ale modulului se calculeaza separat pentru domeniul "instantaneu" - deformatia intre punctele A si C si domeniul "total" - deformatia cuprinsa intre A SI D. Diferenta deplasarii intre A si D este deformatia permanenta (deformatie vascoasa).

Programul de achizitie si control

Programul este structurat pe sub-programe ce sunt accesate printr-o fereastra principala din care se apeleaza ferestrele corespunzatoare subprogramului dorit (Figura 5).

Subprogramele permit: climatozarea incintei, determinarea rezistentei la rupere prin metoda indirecta, stabilirea numarului de cicluri de preconditionare si de test, aplicarea ciclurilor de incarcare cu diverse forme si frecvente, ajustari ale coeficientilor regulatorului PID (Figura 6), analiza grafica si calculul pe fiecare ciclu.

Odata stabiliti parametrii, testul se executa automat.

Figura 5

Figura 6

Viteza de calcul in bucla este limitata de resursele de viteza si de memorie ale calculatorului. S-au efectuat citirile datelor intr-o bucla cu o frecventa de 200 Hz. La frecventa de 1Hz de aplicare a sarcinii, diagramele care le obtinem sunt compuse din 200 de puncte, suficient pentru identificarea tuturor inflexiunilor curbei.

Valorile inregistrate in timpul testului sunt sapvate intr-un fisier.txt sub forma de tabel (Figura 7). Valorile inregistrate sunt in volti, reprezentand valorile tensiunilor achizitionate de la senzori. Pentru transformarea corecta in unitati ingineresti, coeficientii pentru scalare sunt salvati intr-un fisier de configurare extern aplicatiei.

Figura 6 - Block Diagram

Urmeaza apelarea subprogramului pentru calculul coeficientilor si al modulului de elasticitate, prezentat in Figura 8. Programul este setat sa afiseze ultimele 5 cicluri dintr-un total de 120. Calculul se face pe fiecare ciclu iar valoarea finala se mediaza. Sunt afisate deformatiile pentru fiecare fata a epruvetei, inregistrate de cate 2 traductori LVDT aflati pe respectivele fete laterale. Tot in Figura 8 se observa ca pot fi vizualizate simultan toate semnalele inregistrate iar punctele de interes A, B, C si D (marcate cu cercurile rosii) sunt calculate automat din forma de unda si figurate pe diagrama.

Extragerea datelor din forma de unda se face folosind intensiv functiile matematice din biblioteca de functii ale LabView (Butterworth Filter, Peak Detector). Programul permite si afisarea capului de tabel in care sunt inregistrate datele de identificare a probei, conditiile de incercare si setarile din timpul testului.

Block Diagram

Are loc calculul automat al deformatiilor, al coeficientilor Poisson si al modulilor de elasticitate. Programul executa in mod automat transformarile valorilor de intrare din volti in mm respectiv in KN, avand introduse curbele de calibrare dupa certificatele de etalonare a fiecarui senzor. Valorile obtinute sunt vizualizate sub forma de tabele, dar pot fi si salvate intr-un fisier.txt pentru arhivare sau tiparire.

Incercarea de oboseala la incovoiere in doua puncte

Introducere

Aprecierea duratei de viata la oboseala a mixturilor asfaltice reprezinta o problema de mare importanta. Aceasta se considera in calculul unui sistem rutier care va trebui astfel dimensionat incat sa reziste la un trafic cat mai mare.

Rotile autovehiculelor ce circula pe drum exercita solicitari de incarcare-descarcare care, cumulate in timp pot conduce la aparitia degradarilor, la inceput foarte mici, chiar invizibile. Dupa un numar foarte mare de cicluri, din cauza insumarii efectelor, materialul din sistemul rutier isi pierde rezistenta, se degradeaza si astfel apare oboseala.

Eforturile de intindere ce apar la baza straturilor asfaltice in timpul solicitarii din trafic actioneaza mai ales asupra masticului bituminos si sunt cele care conduc la aparitia deformatiilor de intindere.

Din cauza repetarii incarcarilor se initiaza fisuri care se propaga in strat o data cu intensificarea traficului, ajungand in cele din urma la ruperea din oboseala a sistemului rutier. Aceste degradari ale sistemelor rutiere rezultate in urma repetarii incarcarii straturilor bituminoase sunt foarte importante fiind necesar ca materialul bituminos sa fie studiat si incercat in laborator cu scopul de a minimaliza efectele oboselii din timpul exploatarii. Pentru a realiza acest lucru, se simuleaza in laborator starea de tensiuni si deformatii ce poate aparea in realitate, in sistemul rutier atunci cand solicitarile sunt repetate.

Incercarile ciclice de oboseala sunt realizate fie sub efort constant, fie sub deformatie constanta, fie sub energie disipata constanta sau chiar sub diferite amplitudini ale solicitarii. Astfel se va stabili comportarea la oboseala a acestor straturi tinand seama de conditiile climatice si de alcatuire a mixturii asfaltice. Deoarece conditiile climatice de la noi din tara se caracterizeaza atat prin valori ridicate ale temperaturii in timpul verii si de valori scazute in timpul iernii, mixtura trebuie sa fie astfel alcatuita incat sa se comporte bine si la temperaturi scazute.

Incercarea la oboseala

Normele noastre in vigoare prevad ca pentru caracterizarea la oboseala a imbracamintilor bituminoase cilindrate executate la cald sa se efectueze incercarea de intindere indirecta care se realizeaza sub efort constant si sa se verifice rezistenta la oboseala fie prin numarul de cicluri pana la fisurare fie prin deformatia permanenta la oboseala.

Straturile asfaltice subtiri (<6cmm) sunt supuse deformatiei constante;

Straturile asfaltice groase (>15cm) sunt supuse efortului constant.

Schema de principiu a aparatului de oboseala este cea din figura1.

Figura 1.

Aparatul este asistat de un calculator, ecranul de lucru fiind cel din figura2.

Figura 2.

Acest aparat de oboseala solicita probe trapezoidale cu dimensiunile din figura 3 la deformatie constanta de tip sinusoidal continuu care se exercita la capatul liber (de sus) al probei figura 4.

Figura 3.

Figura 4. Solicitarea si raspunsul in cazul aparatului de oboseala pentru incovoiere

Probele trapeziodale de mixtura asfaltica se taie la dimensiuni din placi compactate cu "Kneading Compactor". Deformatia fiind mentinuta constanta in timpul testului, forta care rezulta si este inregistrata la capatul liber al probei, va scadea continuu cu numarul de cicluri. Incercarea se considera terminata atunci cand rezultatul solicitarii -forta- a ajuns la jumatate din valoarea sa initiala.

Pe langa faptul ca criteriul de rupere esteunul arbitrar, mai trebuie spus ca imprastierea datelor rezultate din acest tip de incercare la oboseala este mare, durata de viata la oboseala este im general lunga, efectul variabilelor mixturii este mic, efectul perioadei de odihna este mic si prezinta o viteza de propagare a fisurii mai reprezentativa in cea ce priveste conditiile in situ.

Mixturile bituminoase sunt materiale vascoelastice; comportarea lor vascoelastica este in principal determinata de prezenta liantului bituminos. Proprietatile acestor materiale depind de temperatura si de viteza de aplicare a incarcarii. Ele sunt caracterizate de marimea numita modul complex, E*. Modulul complex defineste relatia efort-deformatie pentru materialele vascoelastice liniare ce sunt supuse incarcarilor sinusoidale. Cand asupra unei probe de mixtura asfaltica actioneaza un efort sinusoidal, atunci deformatia ce rezulta astfel, apare cu o intarziere data de unghiul de faza, δ.

Daca efortul sinusoidal este: σ = σ₀sinωt (ω₀ - amplitudinea efortului, ω - viteza unghiulara) atunci deformatia rezultata este: ξ = ξ₀sin(ωt- δ) unde: ξ₀ - amplitudinea deformatiei, δ - defazaj.

Modulul complex este:

E* = E₁ + iE₂ = E* e^iδ E₁ - partea reala sau elastica, E₂ - partea imaginara sau vascoasa, i² = -1.

Din incercarea la oboseala prin incovoiere in doua puncte se poate studia comportarea reologica a mixturilor asfaltice, determinand modulul complex, modulul elastic si modulul vascos. Defazajul ce apare intre solicitarea aplicata (deformatie) si raspuns (forta) este inregistrat continuu, in functie de numarul de cicluri aplicate.

In cadrul Laboratorului de Drumuri s-au efectuat incercari de oboseala la incovoiere in doua puncte pe probe trapezoidale confectionate din diverse tipuri de mixturi asfaltice pentru strat de uzura. Materialele folosite pentru retete au fost in general cribluri 4/8 si 8/16 de Chileni, nisip de concasaj 0/4 de chileni, filer de calcar de Basarabi, bitum 60/80, 80/100 de Suplacu de Barcau, 60/80 de Arpechim, 50/70 de ESSO, fibre de celuloza de tip Viatop 80 plus, Tehnocel, PNA si de sticla. Incercarile s-au efectuat la diverse temperaturi din intervalul -10⁰C +25⁰C si la doua frecvente: 25Hz si 10Hz.

Rezultatele incercarilor de oboseala se concretizeaza in grafice de tipul celor prezentate in figurile 5, 6 si 7.

Figura 5. Variatia defazajului cu numarul de cicluri in cazul mixturilor asfaltice.

Figura 6. Diagrama COLE-COLE in cazul mixturilor asfaltice

Figura 7. Diagrama BLAK in cazul mixturilor asfaltice

1.4.3 Concluzii

Din studiile de oboseala a mixturilor asfaltice, ca rezultat al sintezei de analiza, pot fi trasate urmatoarele concluzii:

valoarea modulului complex se reduce daca temperatura creste si frecventa scade. La temperaturi scazute valoarea modulului este apropiata de valoarea modulului rezilient;

valoarea modulului complex este influentata de procentul de bitum. Daca procentul de bitum creste, efectul temperaturii devine important si valoarea modulului complex va fi mai putin afectata de frecventa;

valoarea defazajului depinde de temperatura, crescand cu aceasta si scade cu frecventa. De asemenea el creste cu grosimea filmului de bitum ce acopera agregatele;

defazajul obtinut pe mixturile asfaltice studiate este in general sub 15 grade.

comportarea mixturilor asfaltice la temperaturi negative depinde de potentialul de deformabilitate al mixturii;

la temperaturi negative (-7⁰C), mixturile au o comportare apropiata, fiind dificila diferentierea lor in functie de tipul de bitum sau de fibra; valorile grupate ale defazajului indica un pronuntat caracter elastic;

temperatura, in cazul materialelor cu o comportare reologica, asa cum sunt mixturile bituminoase, este un factor important in ceea ce priveste raspunsul in deformatii a unui strat supus la o tensiune;

la temperaturi pozitive (25⁰C) se obtin rezultate mai bune la oboseala atunci cand mixtura asfaltica contine bitum de Arpechim;

mixturile cu un procent mai mic de cribluri mari se comporta mai bine la oboseala;

durata maxima la oboseala apare pentru un procent de bitum care da rigiditatea maxima a mixturilor;

defazajul se coreleaza cu numarul de cicluri la oboseala dupa o lege de tip putere pentru un beton asfaltic BA16: y = Ax^B si o lege de tip polinom de gradul II pentru o mixtura asfaltica antifagas: y = Ax² + Bx + C (cu y - defazaj, x - numar de cicluri);

defazajul se coreleaza cu logaritmul modulului complex dupa o lege de tip polinom de gradul II: y = Ax² + By + C ( cu y - defazaj, x - log(modul complex)), dupa aceeasi lege se coreleaza si modulul vascos cu modulul elastic (cu y - modul vascos, x - modul elastic);

pentru straturile asfaltice subtiri se recomanda efectuarea incercarii de oboseala la incovoiere in doua puncte.

BIBLIOGRAFIE

Romanescu C., Racanel C. -Comportarea mixturilor asfaltice antifagas la oboseala, Buletinul Stiintific al UTCB nr.3/2003.

Romanescu C., Racanel C. -Reologia liantilor bituminosi si a mixturilor asfaltice, Ed. Matrix Rom, Bucuresti 2003.

LabView7 - Manual de utilizare.

AASHTO TP31-94  -Standard Test for Determining the Resilient Modulus of Bituminos Mixtures by Indirect Tension.