notat Nr 38-1995 Utgivningsår: 1995 Titel: Bestämning av utmattningshållfasthet hos asfaltbetong genom pulserande pressdragprovning. Författare: Safwat F. Said Programområde: Vägteknik (Asfaltbeläggning) Projektnummer: 60349 (tidigare 60114) Projektnamn: Utmattning och styvhet hos bitumenbundna beläggningar Uppdragsgivare: Vägverket Distribution: Fri div Väg- och transportä forskningsinstitutet
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 belastningar till brott. Vid utmattningsprovning utsätts provet för upprepade påkänningar som ska vara lägre än den maximala draghållfastheten hos asfaltbetongen. Syftet med detta arbete är att beskriva utmattningsprovningen hos massabeläggningar genom det pulserande pressdragprovet och att beskriva tillvägagångssättet 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 antalet 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
A 594 /\ Tid A 0962:25: /\ AH 7\. /\ JL /\ AH a b Horisontell deformat belastningstid vilotid i TId.rww.n.w..._..0.md.dwzw.mw..nw. da..u.;.., ä..0..0..ñ..?......... 4...... Dabäfb c, CW. m Q.,\l%_\..a Figur 1 Utmattn'mgsprovmng VTI Notat 38-1995
Den cylinderformade provkroppen kan vara framställd på laboratoriet eller uttagen ur en beläggning genom borrning. Provningen kan utföras under varierande förhållanden för simulering av verkligheten. Exempelvis temperatur, belastningsnivå, 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 belastningar till brott (Nf) (figur 2). L098 + N, = K (1/5) " + + + Log Nf ;3 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 VTI Notat 38-1995
' För att beräkna den kritiska initialtöjningen vid en bestämd livslängd används, för enkelhetens skull, det omskrivna sambandet, så kallade Fatigue Law. ' N 8k = K _få- 10 -a 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 provkroppar 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 provkroppar med ø 100 mm och ø 150 mm är 13 mm resp. 19 mm och längden är minst 80 mm. Kraftgivare Asfaltprov Defonnationsgivare Deformationsskenor Figur 3. Belastningsriggen för utmattningsprov. Lastfördelningsbommar VTI Notat 38-1995
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 fastlimmade på provkr0ppen för mätning av deformationen på det horisontella diameterplanet med hjälp av deformationsskenor. Upplösningen är 1,8 um och mätområdet är på 7,5 mm hos deformationsgivama. Registrering: För registrering av kraft och deformation och insamling av mätdata vid vissa förutbestämda tider används en PC. Klimatkammare: Belastningsriggen är placerad i en klimatkammare. Variationsområdet 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 testtemperaturen. Figur 4 Limgigg VTI Notat 38-1995
I 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 dataskärmen. 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 mikrostrain. 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. Livslängden 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........................................... åpoewg = dragspänningen i provkroppens centrum, MPa maximal kraft, N provkroppens tjocklek, mm provkroppens diameter, mm dragtöjningen i provkroppens centrum, mikrostrain horisontal deformation, mm VTI Notat 38-1995
I l 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 deformationen vid belastningspuls 100 och den minsta deformationen vid belastningspuls 60 och därefter beräknas den initiala töjningen enligt samband 2. Vid bestämning av livslängden hos en utmattad provkropp ritas ett semi logaritmiskt diagram mellan horisontal deformation och antal belastningar. Provkroppens livslängd, Nf, (antal belastningar till brott) bestäms enklast från diagrammet, där deformationen ökas markant utan nämnvärd Ökning i antal belastningama. 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 regressionsanalys 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]. Exempel på utrnattningskriterier illustreras i ñgur 6 hos några massabeläggningar. Provning har utförts vid +10 C hos borrkärnor från befintliga beläggningar. Horisontal deformation, mm N......urfllrmnu.nu uu. Ill.: 0....uu uno ua.. u......n Ill:._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. VTI Notat 38-1995
1000 å \ \_ / ABT1 6/885 \. 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] ; Determination of fatigue of bituminous mixtures. Förslag till CEN-metod, maj 1995. [2] [3] [4] [5] 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 Technologists, vol 46, 1977. Kim, Y.R., Khosla, N.P. and Kim, N., Effect of temperature and mixture 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. [6] 1992. ; Utmattningskriterier for asfaltbelegninger, NVF rapport nr 7, VTI Notat 38-1995
Bilaga 1 VTIs materialprovningssystem VMS VTI NOtat 38-1995
D lhi :HD 'HU' UU" I nnliqrsø u n rvnonulnuuunu I [I 01,5 s ',' :-. '. r.,...4- \...JWU.. ' *w '0...-.inneha»4R_M.oawugw'jmh i.,". ' '4 fluga-.- av--m'üzaqa'j'åa I. _0_,.J, 4, 4-*_'., _,.,. _,._.. v. -.,.._;_3,.,.-,^ :. -- ' ' 1 ' 1-333, :-.,>;'r::.;g'-.-;_-;,.r '. AL 1_ '.»n 414..\ \_.'\1.-.'.u'*_,w «y,h.,u,v_4 _,_ r- 4. 4\\ i U. 4 \\i, g.. I.» fw'm p... --:.a i C Q wii?? \ ) '..U' M.. w 7 Ja 4 O_ J ) n..;..up. Q *_- L".. ' J : J 'En' 4443:31 _.. 'i '5 *5/13 ' L'?ir-r' _. : 'Au' ' J] 'M.5-4.. "r" r _- 4' _7A, -4.. ' r' N M - 0 l a I -x ul-.x' r. / "«4. a. x 1-.-3, x 4.J ' l - _,. _.. 3 A. _. l l 0 i ' ut.h--v a 1-.. v x. ts'»på. 4*...3 s VMS - VTI:s material-, provningssystem Kunskap om vägbyggnadslagers mekaniska egenskaper är nödvändigför analytisk dimensionering av vägå'verbyggnader och mekanistzskproportionering av massabeläggningar. VTI förfogar över ett avancerat servohydrauliskt materialprovningssysrem besrående av sex belasrningsriggar och nio hydraulcylindrar. Styrning av systemet och insamling av mätdata sker med hjälp av tre PC med ATS* mjukvara som arbetar i Windows-miljö. ATS-programmet är'mycket flexibelt och är särskilt utvecklat för materialprovningar på väglaboratorium. Sysremet som helhet kan användas i många applikationer, men är fråmsr inriktat mot funktionsprovning av material till vägbyggnadslager. A75_progmmme, arbetar i användar.. vänlig Windowsmiljö. "' ATS = Automated Dsting System
v a..wafken utsätter va'gronstruktz'onens olika agerfo'r ett komplicerat mönster av drag- och ryckpåka'nningar. Systemet är mycketflexibelt ock ger stora måjligbeter till variation i belastningens utformning.?fester kan styras av kraft eller deformation. vi. now' c -»v 0».*vw- mr ressdragprov en" 0 o@ '0 m. *m 0.v '9.009 00' 0 Dynamiskt treaxialförsök Deformationsgivare när och krackelerz'ngar är synliga tecken 'i överbelastning av vägkroppen..ess Kraftgivare Plexiglascylinder Luft i Övertryck... Jordprov Gummimembran W.55 I.
BUNDNA LAGER FLEXlBlLlTET/STYVHET Flexibilitet/styvhet hos bitumenbundna beläggningar är en parameter som utnyttjas vid analytisk dimensionering av vägöverbyggnader och mekanisk proportionering av massabeläggningar. Skjuvtesten och press_- dragprovet används för bestämning av skjuvmodul respektive styvhetsmodul och temperaturkänslighet hos cylindriska provkroppar av asfaltbetong. (Se teckningar Lv.) Skjuvmodul, MPa p 0 s. 103 102 o\ _.4 0 20 40 60-2 0 2 4 Log (at.f) Styvhetsmodul. MPa -10 0 10 20 30 Temperatur, C UTMATI'NING Vid utmattningsförsök körs provet till brott. En cylinderformad asfaltprovkropp 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 asfaltmassa vid olika belastningsnivåer. 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. 103 104 105 10'5 AG Antal belastningar STABILITET Längsgående dubbelspår på vägytan orsakad av den tunga trafiken tyder på instabilitet/omlagringar hos ett eller flera beläggningslager. Utvärdering av deformationsmotstånd hos massabeläggningar kan göras med bl.a. statisk eller dynamisk enaxialkryptest (se teckning t.v.), skjuvkrypning och skjuvhållfaslhet. ojning, ut:?å Ax1alt 40000 30000 20000 10000 0 1000 2000 3000 4000 Antal belastningar 3_ 6000 05.s ;å ' 'å 5: 4000 _.- 60 i!._, <0 2000 ' _ ' :.»a 'il' 'pl' 4000 0 10 101 102 103 10'* 105 Antal belastningar OBUNDNA LAGER / UNDERGRUND STYVHET/STABILITET Dynarniska treaxialförsök (Se teckning 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 dimensionering av vägar. Olika faktorer som t.ex. vattenkvot, kornstorleksfördelning, kornform m.m. och dess inverkan på deformationsstyvheten kan studeras. Metoden är även lämplig att använda vid undersökning av udda materials egenskaper för bedömning av möjligheter att använda dessa i vägbyggnadssammanhang. 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 materialet? 0 Hur är motståndskraften mot permanent deformation? Vid dynamiska laster? Vid statiska laster? Styvhetsmodul, MPa E 600 500 400 300 200 y = 0.15x + 260 y = 100 _ Hyttsten 0-32 mm mv "" Krossat bärlager 0-32 mm 0 400 800 1200 1600 5.' 400 - okrossat bärlager 75' - krossat bärlager U_ 300 - hyttsten å 'ä.4 200?6 EE 100 3 O O Summa huvudspânning, kpa 200 400 600 800 1000 Antal belastningar