CONTRIBUȚII PRIVIND ANALIZA PRIN MODELAREA STRUCTURILOR RUTIERE REABILITATE LA SOLICITĂRI ASIMILATE TRAFICULUI RUTIER [307972]

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCȚII BUCUREȘTI

ȘCOALA DE STUDII DOCTORALE

TEZA DE DOCTORAT

CONTRIBUȚII PRIVIND ANALIZA PRIN MODELAREA STRUCTURILOR RUTIERE REABILITATE LA SOLICITĂRI ASIMILATE TRAFICULUI RUTIER

Conducător Științific: Prof. Dr. Ing. Mihai Dicu

Doctorand: [anonimizat] a [anonimizat] a [anonimizat] 2011 –septembrie 2016, sub îndrumarea domnului profesor doctor inginer Mihai DICU.

MULȚUMIRI

LISTA FIGURILOR

Figura 2.1 Legea oboselii materialului 7

Figura 2.2 Evoluția fisurii în funcție de trafic 8

Figura 2.3 Agresivitatea traficului în funcție de tipul de sistem rutier 10

Figura 3.1 Coeficienți de dilatație ai betonului și ai mixturii asfaltice. 12

Figura 3.2 Transferul încărcării prin frecare 13

Figura 3.5 Legăturile dintre granulele stratului asfaltic. 15

Figura 3.6 Transferul sarcinii la fisură în prezența stratului asfaltic de protecție. 16

Figura 3.8 Variația efortului de întindere din încovoiere în funcție de aderență. 16

Figura 5.1 Fisură într-o placă cu dimensiuni infinite (Anderson, 2005) 21

Figura 5.2 Eforturile prezente lângă vârful fisurii (Anderson, 2005) 21

Figura 5.3 Comportarea elastic liniară 22

Figura 5.4 [anonimizat]. (Anderson, 2005) 23

Figura 5.5 [anonimizat] (Anderson, 2005) 23

Figura 5.6 [anonimizat] 25

Figura 5.7 Deschiderea apărută la vârful fisurii, (Anderson, 2005) 26

Figura 5.8 CTOD calculat după modelul Irwin (Anderson, 2005) 26

Figura 5.9 [anonimizat] (Anderson, 2005) 27

Figura 5.10 [anonimizat] 3 puncte (Anderson, 2005) 27

Figura 5.11 Integrala J exprimată ca variația energiei eliberate[6] 28

Figura 5.12 Contur ales arbitrar în jurul fisurii[6] 29

Figura 6.1 Schema analitică de dimensionare a stratului de protecție 30

Figura 6.2 Model de calcul tridimensional 31

Figura 6.3 Model de calcul bidimensional 31

Figura 6.4 Model solicitări din trafic 31

Figura 6.5 Model solicitări din temperatură 32

Figura 6.6 Apariția eforturilor de întindere la baza stratului asfaltic 32

Figura 6.7 [anonimizat] 33

Figura 6.8 ETAPA I: acumulare energetică în domeniul elastic (inițializare) 35

Figura 6.9 ETAPA II: acumulare energetică în domeniul plastic (propagare fisură) 36

Figura 6.10 ETAPA III: acumulare energetică la rupere 36

Figura 6.11 Moduri de dezvoltare a stării de tensiune 37

Figura 6.12 Câmpul de eforturi în vecinătatea fisurii 38

Figura 6.13 Dependența între adâncimea relativă a fisurii și factorul de intensitate al solicitării 39

Figura 6.14 Zona de plastificare din capătul fisurii 40

Figura 6.15 Modelul Irwin 41

Figura 6.16 Propagarea fisurii în stratul asfaltic 43

Figura 6.17 Influența grosimii îmbrăcăminții asfaltice asupra timpului de propagare a fisurii 46

Figura 6.18 Viteza de propagare a fisurii 48

Figura 6.19 Evoluția lungimii fisurii f, în funcție de numărul de zile, t 49

Figura 6.20 Determinarea parametrului m. 49

Figura 7.1 Stand de încercare (solicitări din trafic P și temperatură H) 51

Figura 7.2 [anonimizat] 5s 51

Figura 7.3 Confecționarea plăcii din beton de ciment 52

Figura 7.4 Schema de solicitare din încovoiere repetată 53

Figura 7.5 Simularea în laborator a comportării structurii rutiere mixte iarna 53

Figura 7.6 Modelarea în laborator a conlucrării între straturile rutiere 54

Figura 7.7 Dezvoltarea fisurii în cazul pierderii conlucrării între straturi 54

Figura 7.8 Dezvoltarea fisurii în cazul conlucrării între straturi 55

Figura 7.9 Propagarea fisurii la structuri rutiere degradate protejate de covoare asfaltice 55

Figura 7.10 Dispozitivul CAM (Crack Activity Meter) 56

Figura 7.11 Evoluția fisurii măsurate cu CAM, funcție de grosimea stratului de protecție 57

Figura 7.12 Efectul desprinderii asfaltului de betonul de ciment asupra eforturilor 58

Figura 7.13 Date experimentale: forța și deplasarea 60

Figura 7.14 Vederi ale suprafeței fisurate (sus), respectiv ale propagării fisurii (jos) 60

Figura 7.15 Stand de încercare metoda EBADE 61

Figura 7.16 Grafic eforturi și deformații funcție de numărul de cicluri, metoda EBADE. 62

Figura 7.17 Modulul de rigiditate funcție de numărul de cicluri. 62

Figura 7.18 Schema aparatului dezvoltat în Montreal, Canada 63

Figura 7.19 Modul de testare și măsurare a aparatului din Montreal, Canada 63

Figura 7.20 Evoluția forței orizontale și a factorului de intensitate a efortului în funcție de numărul de cicluri, măsurate cu aparatului conceput în Canada 64

Figura 7.21 Evoluția parametrilor folosiți în calculul factorului de intensitate a efortului 64

Figura 7.22 Rezultatele testelor efectuate pe trei mixturi asfaltice 65

Figura 7.23 Urma roților pe suprafața carosabilă 67

Figura 7.24 Schema de încărcare a unei structuri rutiere 67

Figura 7.25 Dispoziția constructivă a standului de încercări 68

Figura 7.26 Propagarea fisurii din beton prin stratul asfaltic de protecție 71

Figura 7.27 Simularea solicitării din temperatură 71

Figura 7.28 Vedere de sus a propagării fisurii la solicitări din temperatură 72

Figura 7.29 Sistem de testare vertical 73

Figura 7.30 Schema mecanică de funcționare a Fisurometrului Termostatat 74

Figura 7.31 Tipuri de încercări la fisurare. 75

Figura 7.32 Poziționarea camerelor video pentru urmărirea fenomenului de fisurare 75

Figura 7.33 Urmărirea video a fisurării, camera laterală și de sus. 76

Figura 8.1 Parametrii fisurii reflective 77

Figura 8.2 Evoluția deformatei epuvetei w, în raport cu numărul de cicluri nc 78

Figura 8.3 Măsurarea parametrilor f, d, e. 78

Figura 8.4 Contribuția sistemului antifisură la întârzierea propagării fisurii reflective 79

Figura 8.5 Inițierea fisurii în asfalt, transfer la fisura BcR 80

Figura 8.6 Deschiderea fisurii BcR, desprindere asfalt de pe BcR la interfața din zona fisurii 80

Figura 8.7 Deschiderea fisurii (crăpătură) la BcR, desprinderea la interfața asfalt beton de ciment, propagare 80%, fisură în covorul asfaltic 80

Figura 8.8 Ruperea în stratul de protecție asfaltic (covorul asfaltic) deci, propagarea fisurii la suprafata stratului asfaltic de protectie. 80

Figura 8.9 Trepte de încărcare 80

Figura 8.10 Regresie neliniară între deformația verticală, w, și numărul de cicluri 81

Figura 8.11 Regresie neliniară între deschiderea fisurii în asfalt, d, și numărul de cicluri 81

Figura 8.12 Regresie neliniară între lungimea fisurii în asfalt, f, și numărul de cicluri 82

Figura 8.13 Regresie neliniară între deschiderea fisurii în asfalt, d, și lungimea fisurii f 82

Figura 8.14. Creșterea deformației verticale în funcție de numărul de cicluri pentru 4b 84

Figura 8.15 Parametrii inițiali ai studiului fisurării 86

Figura 8.16 Parametrii fisurii în asfalt, deschiderea d și lungimea f 87

Figura 8.17 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 4b 89

Figura 8.18 Variația deschiderii betonului db în funcție de nc, epruveta 4b 89

Figura 8.19 Reprezentare tridimensională d, f, n, epruveta 4b. 90

Figura 8.20 Reprezentare tridimensională d, f, db, epruveta 4b. 90

Figura 8.21 Graficul celor 4 parametri în plan, epruveta 4b. 90

Figura 8.22 Viteza de variație a deschiderii fisurii d, epruveta 4b 91

Figura 8.23 Viteza de variație a lungimii fisurii f, epruveta 4b 91

Figura 8.24 Viteza de variație a deschiderii betonului db, epruveta 4b 91

Figura 8.25 Dala cu conlucrare la fisura (db=3mm), fisură în dală 92

Figura 8.26 Dală fără conlucrare la fisura (db=7mm), crăpătură în dală 92

Figura 8.27 Deformația verticală funcție de nr. de cicluri 93

Figura 8.28 Deschiderea fisurii în mixtură funcție de numarul de cicluri. 93

Figura 8.29 Lungimea fisurii în mixtură funcție de numărul de cicluri. 94

Figura 8.30 Sistem combinat video-GPS, de achiziție date. 96

Figura 8.31 Măsurarea fisurii (crăpăturii) 97

Figura 8.32 Modul de măsurare a dimensiunilor unei gropi. 98

Figura 8.33 Mixtură asfaltică degradată, DNCB (Centura București) 99

Figura 8.34 Extragerea de carote de pe DNCB 100

Figura 8.35 Prelevarea epruvetelor din zona autostrăzii Arad-Nădlag 100

Figura 8.36 Decupare strat asfaltic autostrada Arad- Nădlag 101

Figura 8.37 Măsurarea dimensiunilor stratului asfaltic decupat de pe autostradă 101

Figura 8.38 Tăierea plăcii 102

Figura 8.39 Lipirea plăcii de mixtură de betonul fisurat 102

Figura 8.40 Deschiderea (d), propagarea (f) și desprinderea (e).Vedere camera de achizitii date video pozitionata lateral 103

Figura 8.41 Vedere camera de achizitii date video pozitionata lateral 103

Figura 8.42 Vedere camera de achizitii date video pozitionata la baza stratului din beton de ciment 104

Figura 8.43 Încercare epruveta CB1 (proba 14) 104

Figura 8.44 Încercare epruveta CB2 (proba 13) 105

Figura 8.45 Achiziție video A1 (proba 20) 106

Figura 9.1 Variația deformației verticale w, în funcție de numărul de cicluri nc 110

Figura 9.2 Variația parametrilor fisurării în funcție de numărul de cicluri 111

Figura A.1 Creșterea deformației verticale în funcție de numărul de cicluri pentru epruvetele 5a și 5b 119

Figura A.2 Suprafața de amorsare/lipire cu bitum, epruvetele 5a și 5b 120

Figura A.3 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 6a 122

Figura A.4 Variația deschiderii betonului db în funcție de n, epruveta 5b 123

Figura A.5 Reprezentare tridimensională d, f, n, epruveta 5b. 123

Figura A.6 Reprezentare tridimensională d, f, db, epruveta 5b. 123

Figura A.7 Graficul celor 4 parametri în plan, epruveta 5b. 124

Figura A.8 Viteza de variație a deschiderii fisurii d, epruveta 5b 124

Figura A.9 Viteza de variație a lungimii fisurii f, epruveta 5b 124

Figura A.10 Viteza de variație a deschiderii betonului db, epruveta 5b 124

Figura A.11 Creșterea deformației verticale în funcție de numărul de cicluri pentru epruveta 6a 125

Figura A.12 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 6a. 127

Figura A.13 Variația deschiderii betonului db în funcție de n, epruveta 6a 127

Figura A.14 Reprezentare tridimensională d, f, n, epruveta 6a. 128

Figura A.15 Reprezentare tridimensională d, f, db, epruveta 6a. 128

Figura A.16 Graficul celor 4 parametri în plan, epruveta 6a. 128

Figura A.17 Viteza de variație a deschiderii fisurii d, epruveta 6a 129

Figura A.18 Viteza de variație a lungimii fisurii f, epruveta 6a 129

Figura A.19 Viteza de variație a deschiderii betonului db, epruveta 6a 129

Figura A.20 Creșterea deformației verticale în funcție de numărul de cicluri, 7a și 7b 130

Figura A.21 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 7a. 132

Figura A.22 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 7b. 132

Figura A.23 Variația deschiderii betonului db în funcție de n, epruveta 7a 133

Figura A.24 Variația deschiderii betonului db în funcție de n, epruveta 7b 133

Figura A.25 Reprezentare tridimensională d, f, n, epruveta 7a. 134

Figura A.26 Reprezentare tridimensională d, f, n, epruveta 7b. 134

Figura A.27 Reprezentare tridimensională d, f, db, epruveta 7a. 134

Figura A.28 Reprezentare tridimensională d, f, db, epruveta 7b. 134

Figura A.29 Graficul celor 4 parametri în plan, epruveta 7a. 135

Figura A.30 Graficul celor 4 parametri în plan, epruveta 7b. 135

Figura A.31 Viteza de variație a deschiderii fisurii d, epruveta 7a 135

Figura A.32 Viteza de variație a deschiderii fisurii d, epruveta 7b 135

Figura A.33 Viteza de variație a lungimii fisurii f, epruveta 7a 135

Figura A.34 Viteza de variație a lungimii fisurii f, epruveta 7b 135

Figura A.35 Viteza de variație a deschiderii betonului db, epruveta 7a 136

Figura A.36 Viteza de variație a deschiderii betonului db, epruveta 7b 136

Figura A.37 Creșterea deformației verticale în funcție de numărul de cicluri, 8a și 8b 136

Figura A.38 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 8a. 138

Figura A.39 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 8b. 139

Figura A.40 Variația deschiderii betonului db în funcție de n, epruveta 8a 139

Figura A.41 Variația deschiderii betonului db în funcție de n, epruveta 8b 140

Figura A.42 Reprezentare tridimensională d, f, n, epruveta 8a. 140

Figura A.43 Reprezentare tridimensională d, f, n, epruveta 8b. 140

Figura A.44 Reprezentare tridimensională d, f, db, epruveta 8a. 141

Figura A.45 Reprezentare tridimensională d, f, db, epruveta 8b. 141

Figura A.46 Graficul celor 4 parametri în plan, epruveta 8a. 141

Figura A.47 Graficul celor 4 parametri în plan, epruveta 8b. 141

Figura A.48 Viteza de variație a deschiderii fisurii d, epruveta 8a 142

Figura A.49 Viteza de variație a deschiderii fisurii d, epruveta 8b 142

Figura A.50 Viteza de variație a lungimii fisurii f, epruveta 8a 142

Figura A.51 Viteza de variație a lungimii fisurii f, epruveta 8b 142

Figura A.52 Viteza de variație a deschiderii betonului db, epruveta 8a 142

Figura A.53 Viteza de variație a deschiderii betonului db, epruveta 8b 142

Figura A.54 Creșterea deformației verticale în funcție de numărul de cicluri, 9a și 9b 143

Figura A.55 Bitumul turnat între plăcile de beton de ciment, epruveta 9b. 144

Figura A.56 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 9a. 146

Figura A.57 Variația deschiderii betonului db în funcție de n, epruveta 9a 146

Figura A.58 Reprezentare tridimensională d, f, n, epruveta 9a. 147

Figura A.59 Reprezentare tridimensională d, f, db, epruveta 9a. 147

Figura A.60 Graficul celor 4 parametri în plan, epruveta 9a. 147

Figura A.61 Viteza de variație a deschiderii fisurii d, epruveta 9a 148

Figura A.62 Viteza de variație a lungimii fisurii f, epruveta 9a 148

Figura A.63 Viteza de variație a deschiderii betonului db, epruveta 9a 148

LISTA TABELELOR

Tabel 2.1 Dispoziții constructive ale osiilor 8

Tabel 3.1 Proprietățile Betonului și Asfaltului 11

Tabel 5.1 Relații de calcul pentru KI, materiale liniar elastice[6] 24

Tabel 6.1 Tipuri de propagare a fisurii în îmbrăcămintea asfaltică 42

Tabel 7.1 Condiții de încercare folosind aparatului dezvoltat în Canada 65

Tabel 7.2 Reducerea la scară a solicitării și a agregatelor minerale 69

Tabel 7.3 Caracteristicile epruvetei de beton la scară redusă 69

Tabel 7.4 Caracteristicile epruvetei din mixtură asfaltică la scară redusă 70

Tabel 8.1 Numărul de cicluri și deformația verticală la fisurare/rupere/cedare, epruveta 4b 86

Tabel 8.2 Indicele de fisurare a mixturii, epruveta 4b 86

Tabel 8.3 Valorile deschiderii inițiale dbi și ale desprinderii inițiale (amorsajul de bitum) ei 87

Tabel 8.4 Etapele fisurării reflective în cazul așternerii stratului asfaltic de protecție peste o îmbrăcăminte din beton de ciment prefisurată 87

Tabel 8.5 Numărul de cicluri și deformația verticală la fisurare/rupere, 9a și 9b 102

Tabel 8.6 Indicele de fisurare a mixturii, 9a și 9b 103

Tabel 8.7 Datele încercării prelucrate CB1 (proba 14) 105

Tabel 8.8 Rezultatele încercării pe epruveta CB 2 (proba 13) 106

Tabel 8.9 Rezultatele încercării pe epruveta A 1 (Proba 20) 107

Tabel 8.10 Rezultatele încercării pe epruveta A2 . 108

Tabel 9.1 Datele încercării prelucrate 112

Tabel 9.2 Parametrii fisurării dbi, ei, ef și numărul de cicluri la rupere și fisurare 113

Tabel 9.3 Durata de viață la fisurare/rupere a epruvetelor. 114

Tabel A.1 Numărul de cicluri și deformația verticală la fisurare/rupere, 5a și 5b 119

Tabel A.2 Indice de fisurare a mixturii, epruvetele 5a și 5b 120

Tabel A.3 Valorile deschiderii inițiale dbi, desprinderii inițiale (amorsajul de bitum) ei și ale excentricității fisurii în asfalt ef, epruveta 6a 121

Tabel A.4 Numărul de cicluri și deformația verticală la fisurare/rupere, epruveta 6a 125

Tabel A.5 Indice de fisurare a mixturii, epruveta 6a 126

Tabel A.6 Valorile deschiderii inițiale dbi, desprinderii inițiale (amorsajul de bitum) ei și ale excentricității fisurii în asfalt ef, epruveta 6a 126

Tabel A.7 Numărul de cicluri și deformația verticală la fisurare/rupere, 7a și 7b 130

Tabel A.8 Indicele de fisurare a mixturii, 7a și 7b 130

Tabel A.9 Valorile deschiderii inițiale dbi, desprinderii inițiale (amorsajul de bitum) ei și ale excentricității fisurii în asfalt ef 7a și 7b 131

Tabel A.10 Numărul de cicluri și deformația verticală la fisurare/rupere, 8a și 8b 137

Tabel A.11. Indicele de fisurare a mixturii, 8a și 8b 137

Tabel A.12 Valorile deschiderii inițiale dbi, desprinderii inițiale (amorsajul de bitum) ei și ale excentricității fisurii în asfalt ef 8a și 8b 137

Tabel A.13 Numărul de cicluri și deformația verticală la fisurare/rupere, 9a și 9b 143

Tabel A.14 Indicele de fisurare a mixturii, 9a și 9b 143

Tabel A.15 Valorile deschiderii inițiale dbi, desprinderii inițiale (amorsajul de bitum) ei și ale excentricității fisurii în asfalt ef. 9a și 9b 145

LISTA NOTAȚIILOR ȘI ABREVIERILOR

INTRODUCERE

În ultimii 20 de ani, strategia administrației naționale a infrastructurii rutiere s-a axat pe lucrări de modernizare și reabilitare a rețelei de drumuri, activități ce presupuneau ameliorarea condițiilor de circulație rutieră pe o rețea de drumuri veche, prin îmbunătățirea inclusiv a condițiilor de suprafațare a părții carosabile. Această opțiune a condus la adoptarea unor soluții de reactualizare a calității a nivelul structurii rutiere, pentru a corespunde cerințelor creșterii traficului.

Dezvoltarea unor metode eficiente de proiectare/execuție, ce garantează o durată de serviciu mare a structurii rutiere, fără consum inutil de resurse sau distrugerea mediului înconjurător, reprezintă o condiție obligatorie în vremurile noastre.

Scopul tezei de doctorat

Prin tema abordată, teza de doctorat intitulată Contribuții privind Analiza prin Modelarea Structurilor Rutiere Reabilitate la Solicitări Asimilate Traficului Rutier, studiază prin modelare experimentală a structurii rutiere, solicitări echivalente unui trafic rutier asimilat la scara modelului. Prin aceste încercări atipice testelor de laborator reglementate, se dorește a se obține informații noi, utilizate pentru protecția îmbrăcăminților vechi fisurate (structuri rutiere mixte prefisurate, strat de protecție din asfalt așternut peste beton de ciment fisurat), în diverse ipoteze de solicitare.

Obiectivul principal al tezei este acela de a reduce costurile de cercetare destinate anticipării comportării materialelor rutiere asfaltice, utilizate ca straturi de protecție în activitatea de reabilitare la structuri rutiere fisurate. Astfel, prin încercări accelerate de simulare a traficului rutier, se urmărește obținerea performanței soluțiilor de rețetă optimă la fel ca și încercările tradiționale.

Rezultatele proiectului se pot concretiza prin obținerea un nou mod, altul decât încercările clasice, mai rapid și mai ieftin, de a anticipa durata normată de funcționare a stratului asfaltic de protecție, așezat peste o îmbrăcăminte rutieră veche, de a anticipa apariția și propagarea fisurii la suprafață.

Prelucrarea rezultatelor prin identificarea parametrilor care influențează fisurarea straturilor asfatice așezate peste un beton de ciment prefisurat este o altă etapă necesară a tezei de doctorat, precum și stabilirea unor relații de calcul între acești parametrii, ținând cont și de aplicabilitatea cercetărilor anterioare din literatura de specialitate.

Programul de cercetare al tezei de doctorat

Cele trei rapoarte de cercetare aferente lucrării de doctorat au avut ca scop final stabilirea unei metodologii de încercare a epruvetelor cu ajutorul Fisurometrului Termostatat, prin simularea efectelor traficului asupra acestora.

Modelare structurală în laborator a efectelor traficului asupra sistemelor rutiere reabilitate

realizarea unor epruvete în laborator, cu diferite rețete de mixtură pentru stratul de protecție

încercarea acestora la solicitări echivalente din trafic, folosind Fisurometrul Termostatat

Analiza prin interpretare statistică a soluțiilor obținute în regim accelerat în laborator la solicitări echivalente traficului rutier

modul de preparare a epruvetelor în laborator,

rezultatele încercărilor experimentale, folosind aparatul prototip Fisurometrul Termostatat,

prelucrări matematice

Identificarea parametrilor de influență a propagării fisurării prin straturi asfaltice de protecție la îmbrăcăminți rutiere degradate

interpretarea modului în care parametrii influențează propagarea fisurării

se va încerca utilizarea, adaptarea unor funcții cunoscute în literatura de specialitate (exp. Legea lui Paris) la rezultatele obținute

găsirea unei modalități de apreciere a comportării îmbrăcăminții asfaltice de protecție și a sistemului rutier degradat în timp.

Structura tezei de doctorat

Lucrarea de doctorat este structurată pe 9 capitole, bibliografie și anexe.

În Capitolul I –INTRODUCERE sunt descrise scopul și programul de cercetare a tezei de doctorat pentru a arăta actualitatea și necesitatea subiectului dezvoltat în cadrul lucrării, dar și etapele inițiale propuse în vederea concluzionării finale. De asemenea, în cadrul acetui capitol s-a prezentat structura tezei prin descrierea succintă a fiecărui capitol în parte.

În Capitolul II –EFECTELE TRAFICULUI RUTIER ASUPRA STRUCTURILOR RUTIERE, sunt descrise două moduri de abordare în vederea stabilirii efectelor solicitărilor din traficul rutier asupra structurilor rutiere și mai precis studiul AASHTO și Agresivitate. Studiul AASTHO, exprimă aceste efecte utilizând factori de echivalare a traficului (load equivalency factors, LEF), folosiți pentru a cuantifica efectele diverselor configurații și încărcări ale osiilor, printr-un număr echivalent de treceri a unei configurații și încărcări particulare ale osiei. Cea de-a doua abordare, Agresivitatea permite să se compare deteriorarea șoselei la trecerea unui vehicul greu față de deteriorarea pe care o suferă șoseaua la trecerea unui vehicul greu de referință, fiind necesar să se determine agresivitatea diferitelor grupe de sarcini pentru mai multe tipuri de structuri rutiere reprezentative pentru rețeaua noastră rutieră.

Capitolul III -STRUCTURI RUTIERE MIXTE (COMPOZITE -ASFALT PE BETON DE CIMENT), prezintă succint caracteristicile structurilor rutiere mixte, diferența de comportare între materialele din care sunt alcătuite (betonul de ciment și mixturile asfaltice). Principala problemă a acetui tip de structură îl constituie transmitere fisurii din placa de beton în stratul de acoperire, în mixtură. Pentru aceasta am explicat modul în care se face transferul încărcării la stratul din beton și anume transferul la interfața beton-asfalt și influența îmbrăcăminții asfaltice asupra transferului. Un element important în transmiterea fisurii îl constituie conlucrarea dintre covorul asfaltic și betonul de ciment fisurat, după cum o sa vedem și în partea de interpretare a rezultatelor experimentelor efectuate în cadrul prezentei teze.

Capitolul IV -TENDINTA DE FISURARE A IMBRACAMINTILOR ASFALTICE PE STRAT SUPORT DIN BETON DE CIMENT, abordează fisurarea din punctul de vedere al cauzelor din care aceasta apare și anume forfecarea asfaltului dată de clămpănirea dalelor de beton, variațiile termice sezoniere ce reprezintă un element important ținând cont de diferența de rigiditate a celor 2 straturi. În ultima parte a capitolului s-a analizat și fenomenul de oboseală a straturilor asfaltice datorate solicitărilor din trafic.

Capitolul V –MECANICA FISURĂRII LA STRATURILE ASFALTICE, se face o trecere în revistă a teoriilor care au stat la baza studiilor fisurării mixturilor asfaltice, abordare ce implică introducerea unui factor de intensitate a efortului (legea lui Paris) care exprimă viteza de propagare a fisurii. Pe măsură ce materialele studiate trec din domeniul elastic în cel neliniar, cum este cazul îmbrăcăminților asfaltice, sunt necesari alți parametri care să caracterizeze fisura, determinarea acestora făcându-se cu elementul finit.

Capitolul VI –MODELAREA TEORETICĂ A FISURĂRII STRUCTURILOR RUTIERE COMPOZITE, prezintă schema de calcul a structurii compozite solicitate de încărcări din trafic și temperatură. În acest capitol se exemplifică cum se pot aplica teoriile mecanicii fisurării în cazul unor structuri rutiere mixte, dar și modul în care grosimea stratului de protecție influențează fisurarea.

Capitolul VII –MODELAREA EXPERIMENTALĂ A FISURĂRII STRUCTURILOR RUTIERE COMPOZITE, începe cu o prezintare a câtorva metode experimentale de încercare în laborator a structurilor rutiere, nu neapărat cele compozite. Principiile de bază de la acestea se pot aplica și la cele mixte, în anumite condiții, aparatura având nevoie de câteva modificări în acest sens. Unul dintre aceste echipamente îl reprezintă Fisurometrul Termostatat descris din punct de vedere a schemei de funcționare, atât mecanic, cât și achiziție date.

Capitolul VIII – CONTRIBUȚII ȘI INTERPRETĂRI ALE PARAMETRILOR FISURĂRII REFLECTIVE PRIN OBSERVAȚII ȘI PRELUCRĂRI ALE REZULTATELOR ÎN MODELARE EXPERIMENTALĂ, introduce nou în studiile experimentale, parametrii necesari a fi determinați pentru a caracteriza fisura reflectivă în cazul structurilor compozite, prelucrarea acestora prin modele de regresie, urmând ca apoi să se facă câteva observații legate atât de acești parametri. Capacitatea de transfer a fisurii din beton în asfalt este dezvolotată într-un subcapitol. Un alt element de noutate al tezei îl reprezintă interpretarea multicriterială, prin indici parametrici. Ultimul subcapitol este rezervat paralelismului între măsurătorile efectuate în cale și cele în laborator.

Capitolul IX – CONCLUZII FINALE, CONTRIBUȚII PERSONALE ȘI DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE, face un rezumat al concluziilor și observațiilor experimentale, punctând elementele importante, noi în studiul fisurării, se pun în evidență contribuțiile personale oferite prin teza de doctorat, dar în același timp și pașii care trebuiesc urmați după finalizarea acesteia ca direcții viitoare de cercetare.

ANEXELE prezintă rezultatele încercărilor experimentale efectuate în cadrul tezei, precum și prelucrarea acestora.

EFECTELE TRAFICULUI RUTIER ASUPRA STRUCTURILOR RUTIERE

Cunoașterea efectelor produse de încărcările din trafic asupra structurilor rutiere este foarte importantă din mai multe puncte de vedere:

tehnic (proiectarea structurilor rutiere, a rețetelor materialelor componente ale fiecărui strat din alcătuirea structurii rutiere),

administrativ (limitarea încărcării pe osie și a încărcării totale a vehiculelor),

economic (transport eficient, economic și stabilirea taxelor pentru utilizarea căilor de comunicație).

Încărcarea din trafic se transmite în structura rutieră prin intermediul roților. Acestea pot fi simple sau duble, presiunea din roți precum și mărimea acestora variind. Osiile pot fi simple, în tandem sau tridem, distribuția încărcării pe acestea nu este întotdeauna cea optimă. Încărcarea pe osie nu este mereu cea nominală ci ea poate fi mult mai mică, dar și mai mare.

Încărcarea verticală nu este egală cu greutatea osiei datorită neregularităților căii de rulare, (încărcarea dinamică variază). Vehiculele nu induc în structura rutieră doar încărcări verticale, ci de asemenea și orizontale rezultate din acțiunile de accelerare-frânare ale autovehicolelor.

Studiul AASTHO (LEF, ESALs)

Un prim studiu asupra efectelor încărcărilor din trafic în structurile rutiere a fost prezentat de programul experimental AASHTO (American Association of State Highway Officials Road Test) din anii 1950. Analizând datele testelor s-au dezvoltat expresii empirice reprezentând relații între încărcarea din trafic, performanța sistemelor rutiere, și variabilele proiectării acestora. Aceste expresii au fost utilizate pentru a introduce așa numiții factori de echivalare a traficului (load equivalency factors), LEF (), folosiți pentru a cuantifica efectele diverselor configurații și încărcări ale osiilor, printr-un număr echivalent de treceri a unei configurații și încărcări particulare ale osiei.

În determinarea LEF există 3 metode generale:

Empirică: se bazează pe observații referitoare la performanța sau oboseala structurii rutiere (ținând cont de tipul și capacitatea portantă a structurii), la solicitările acesteia (mărimea lor, configurația și numărul de repetiții) lucruri ce produc vătămări ale sistemului rutier. Această metodă se pretează cel mai bine la condiții de încărcare controlate și cu o structură rutieră predeterminată. LEF calculat prin metoda empirică are marele avantaj al obținerii unui prim set de date cu care se poate verifica o structură rutieră la dimensionarea structurală. În schimb, această metodă este limitată în momentul în care se extrapolează dincolo de acest set de date, la structuri rutiere diferite.

Teoretică: utilizează un model structural pentru a calcula răspunsul unei structuri rutiere (eforturi, deformații) la încărcări având mărimi și configurații diferite. Aceste deformații, eforturi se folosesc mai apoi la modelarea vătămărilor din oboseală, pentru a se obține nivelul relativ de vătămare datorată osiilor, având diferite configurații și încărcări. Avantajul pe care îl are această metodă teoretică este că aplică principiile mecanicii și, astfel este valabilă în cazul mai multor date de intrare față de metoda empirică. Dezavantajul acesteia îl reprezintă o calibrare necorespunzătoare a condițiilor din teren, rezultatele obținute având o plajă mare de valori, fie subestimând, fie supraevaluând vătămările produse în realitate.

Mecanică (sau mecanic-empirică): este similară cu modelul teoretic (răspunsul structurii rutiere se calculează utilizând un model structural). După aceasta, performanța sistemului rutier se estimează vătămarea sau performanța structurii rutiere aflată în exploatare, folosind relații empirice între răspunsul structurii și măsurătorile efectuate în teren. Avantajul metodei față de celelalte două este aplicabilitatea acesteia asupra unei game mai largi de condiții și ușurința cu care se corelează cu condițiile de pe teren dacă se modelează cu atenție răspunsul structurii rutiere.

În general, dintre aceste metode s-a folosit metoda empirică de determinare a LEF.

LEF a fost creat pentru a cuantifica vătămarea relativă provocată de o anumită osie într-o secțiune a drumului.AASHTO folosește ecuații de performanță care leagă numărul de solicitări de nivelul actual de serviciu a structurii. S-a ales ca osie de referință sau osie standard, osia simplă de 80kN.

unde:

-numărul de osii simple (80kN) necesare atingerii unui anumit nivel de serviciu (PSI)

-numărul de osii x, simple sau tandem, necesare atingerii aceluași nivel de serviciu (PSI)

O altă formulă pentru LEF, derivată din ecuația de mai sus, o reprezintă raportul dintre încărcările pe osii, ridicat la puterea a 4-a (legea puterii a 4-a):

unde:

-sarcina pe osia standard (de referință) (80kN pentru osia simplă, 130kN pentru osia tandem)

-sarcina pe osia x

Analizând în detaliu datele testelor AASHTO, s-a dezvoltat un nou concept, ESALs (equivalent single-axle load). Acesta a fost creat pentru a transforma diferitele încărcări și configurații întâlnite în trafic, într-un număr echivalent de osii simple de 80kN. Acest concept s-a bazat pe două ipoteze:

efectul distructiv a unui număr de solicitări a unui grup de axe (definite prin mărimea și configurația încărcării) se poate exprima printr-un număr diferit de solicitări a unei încărcări standard.

vătămarea structurii sau schimbarea nivelului de serviciu are o evoluție liniară.

Datorită schimbărilor de configurație și încărcare a vehiculelor din momentul efectuării studiilor AASHTO, ecuațiile pe baza cărora se proiectau structurile rutiere în trecut sunt limitate din punct de vedere al aplicabilității și acurateții.

Câteva din elementele ce nu au fost luate în considerare sunt: efectul mediului înconjurător, caracteristicile vehiculelor (distanța dintre osii, dintre roți, suspensii, tipul roții și presiunea în acestea), distribuția transversală a traficului, osiile tridem, și altele.

Din această cauză trebuiesc dezvoltate modele noi de calcul ce pot fi aplicate condițiilor de încărcare actuale, dar și materialelor ce intră în componența straturilor structurii rutiere.

În această direcție a fost gândită și direcția de dezvoltare a tezei de doctorat, respectiv o modelare experimentală, care să pună în valoare efectele cumulate asimilate din solicitări de trafic și variații ale temperaturii sezoniere ca factor al variației condițiilor de mediu înconjurător.

Dar pentru acest obiectiv, analiza complexă a fenomenului de fisurare reflectivă la covoare asfaltice utilizate la lucrările de întreținere periodice ale drumurilor degradate prin fisurare în perioada de exploatare, trebuie să conțină mai întâi o parte de cercetare fundamentală a fenomenului de fisurare reflectivă la covoare asfaltice folosite la întreținerea drumurilor, prin analiza publicațiilor de specialitate existente în literatura de specialitate. În acest fel se poate spune că se pornește de la baza de studiu, care va fi folosită în justificarea experimentală a modelului de laborator propus.

Agresivitatea traficului

Traficul prin compozitia sa actioneaza in mod diferit la nivelul structurii rutiere. Astfel, la drumuri extraurbane traficul rutier este caracterizat de prezenta vehiculelor grele de marfa si de viteza de circulatie, pe cand in localitati traficul rutier este format in principal de autovehicule usoare (autoturisme si autoutilitare de transport marfa) la care viteza de circulatie este redusa, iar frecventa pornirilor-opririlor este mai mare decat la drumurile extraurbane, datorita prezentei intersectiilor in principal.

In aceasta situatie, la drumurile extraurbane se ia in calcul influenta efectelor repetarii incarcarilor din vehicule grele asupra capacitatii portante a structurii rutiere, pe cand in cazul drumurilor urbane se analizeaza efectele contactului pneu-carosabil, mai mult ca influienta asupra solicitarilor tangentiale de uzura.

Aceste efecte cu repercursini la apariția defectelor carosabilului sub formă de fisuri și crăpături, sunt cercetate în analiza parametrilor de influență, care permit colectarea și interpretarea datelor din teren atât de necesare pentru previzionarea măsurilor de intervenții în cale.

Justificarea aparitiei si propagarii fisurarii prin imbracaminti rutiere este caracterizata in general de efectul ciclurilor de incarcare-descarcare date de vehiculele grele.

Se calculează numărul încărcărilor la rupere (Nt și Nz) și respectiv vătămările, definite prin:

Legea oboselii materialului (Figura 2.1) are expresia generală:

sau

unde:

N – este traficul efectiv;

N0- este traficul de calcul;

σ – este efortul de întindere sub traficul efectiv;

σ0 – este efortul de intindere din beton sub traficul de calcul;

Rezerva de oboseală este , iar cota consumată la momentul constatării (traficul efectiv) este . În acest fel, nivelul deteriorării la momentul respectiv se stabilește cu relația:

sau

unde coeficientul b are urmatoarele valori:

pentru terenul suport ;

pentru mixturi asfaltice si pentru beton .

Figura 2.1 Legea oboselii materialului

După rezultatele încercărilor la oboseală, în Figura 2.2, fisurarea șoselelor de beton în funcție de trafic se dezvoltă diferit la sarcinile ușoare de cele grele.

Vehiculele grele au o influență predominantă asupra eforturilor care apar, astfel încât capabilitatea structurii rutiere de a prelua traficul N descrește foarte repede când încărcarea crește. În schimb, încărcările ușoare au o influență însemnată asupra oboselii îmbrăcăminții rutiere. Din acest motiv, caracteristicile tehnice ale vehiculelor admise să circule pe drumurile publice sunt reglementate foarte strict in fiecare țară. În cele mai multe din țările europene, încărcarea maximă pe osie este limitată la 10 tone sau la 13 tone. Repetarea încărcărilor, în special a vehiculelor grele, produce o acumulare a deformațiilor remanente și oboseala materialelor folosite la alcătuirea sistemului rutier.

Figura 2.2 Evoluția fisurii în funcție de trafic

Când trebuie să se compare o osie cu altă osie, în literatura de specialitate se recurge la noțiunea de vătămare relativă. Pentru aceasta se alege o osie de referință a cărei agresivitate este egală cu 1. Acestei osii de referință i se asociază valorile dt și dz ale vătămarilor. În acest fel, o osie oarecare (Tabel 2.1) se caracterizează prin cele două valori Dt si Dz; se introduc rapoartele:

Cele două mărimi yz și yt sunt reprezentative pentru vatămările relative pe care le suferă suportul șoselei și stratul de beton și traduc agresivitatea unei osii sau a unui grup de osii. Pentru a se putea face comparații între sarcini, este comod ca acestea să fie reduse la un singur parametru y=F(yz, yt).

Tabel 2.1 Dispoziții constructive ale osiilor

Din motive de simplificare și întrucât dependența dintre cei doi parametri nu este clar definita și variază cu starea tehnica a structurii rutiere, se alege o funcție liniară . Coeficienții a și b sunt specifici fiecărui tip de structură rutiera. De exemplu yt este relevant când vătămările suferite de suport sunt foarte reduse (a=0 și b=1). În cazul unei șosele suple, definitoriu este criteriul yz (a>b).

Agresivitatea unui vehicul greu se determină însumând agresivitățile yi ale diferitelor osii sau grupe de osii Σyi și împarțind rezultatul obținut la suma agresivităților osiilor vehiculului de referință (y1 + y2).

Această agresivitate A permite deci să se compare deteriorarea șoselei la trecerea unui vehicul greu față de deteriorarea pe care o suferă șoseaua la trecerea unui vehicul greu de referință. Aici nu este vorba de o valoare intrinsecă legată de agresivitatea unui vehicul, deoarece valoarea A depinde foarte mult de tipul șoselei. Din acest motiv, este necesar să se determine agresivitatea diferitelor grupe de sarcini pentru mai multe tipuri de structuri rutiere reprezentative pentru rețeaua noastră rutieră.

Legea agresivității este exprimată de relația:

unde:

k, α = parametrii agresivității traficului;

Pi = încărcarea pe osie, alta decât încărcarea de calcul de 13t.

Agresivitatea asupra unui tip de structură rutieră cu relația:

unde: n1 = numarul de osii simple recenzate;

n4 = numarul de osii tandem recenzate;

n5,6 = numarul de osii tridem recenzate;

A = agresivitatea traficului.

Pornind de la aceasta relatie s-a pus în evidență comportarea structurii rutiere mixte din punct de vedere a agresivității unui trafic constant în raport cu alte tipuri de structuri.

O structură suplă tradițională nu poate suporta un trafic intens, exceptând cazul când terenul este excelent și asfaltul foarte deformabil, dar atunci vor apare văluriri.

Structurile rutiere rigide, cu îmbrăcăminte sau strat de bază din beton, sub acțiunea sarcinilor exterioare și a variațiilor de temperatură, lucrează la încovoiere și se prezintă sub forma unor dale, fiind fragmentate prin rosturi dispuse transversal și longitudinal.

Analizând tipurile de sistem rutier, în funcție de agresivitatea traficului asupra acesteia, se observă o comportare mai defavorabilă a structurii rutiere semirigide (Figura 2.3).

Din figură se observă ca sistemul rutier mixt, din punct de vedere al agresivității, se găsește ca și valori între sistemul suplu și cel rigid.

Figura 2.3 Agresivitatea traficului în funcție de tipul de sistem rutier

Se poate concluziona că înlocuirea stratului semirigid cu un strat de baza din beton de ciment rutier în cadrul structurilor mixte (compozite), prezintă o serie de avantaje din punct de vedere al preluării încărcărilor din trafic, lucru ce se observă din încadrarea agresivității între valorile aferente sistemelor rutiere tradiționale, respectiv cel flexibil si cel rigid.

STRUCTURI RUTIERE MIXTE (COMPOZITE -Asfalt pe Beton de Ciment)

Structurile rutiere mixte

Studiul fisurării reflective este sugestiv de cercetat în cazul structurilor rutiere mixte, alcătuite prin asocierea straturilor rigide cu cele suple în cadrul aceluiași sistem rutier, în pofida deosebirilor radicale de comportare sub acțiunea traficului și a agenților naturali, permit o soluționare mai economică a problemelor ce se pun în construcțiile de drumuri, prin aceea că proprietățile betonului și ale asfaltului se completează reciproc (Tabel 3.1)

Tabel 3.1 Proprietățile Betonului și Asfaltului

Privind aceste deosebiri între beton și asfalt, putem trage concluzia că la structurile rutiere moderne, în cazul solicitărilor din traficul intens și greu, stratul de bază sau stratul superior de fundație să fie executat din beton, în timp ce stratul aflat în partea superioară a structurii rutiere (îmbrăcămintea) să fie din asfalt, întrucât acesta este mai ușor de întreținut și de reparat.

Prin efectele favorabile legate de repartizarea încărcărilor utile și protecția termică, îmbrăcămintea asfaltică contribuie la reducerea solicitărilor din fundație, permițând diminuarea caracteristicilor betonului de fundație în comparație cu cele impuse betonului de îmbrăcăminte. La rândul său, prin efectul de placă, fundația de beton reduce valoarea deformațiilor specifice și atenuează fenomenul de oboseală din încovoiere repetată, ceea ce are repercursiuni favorabile asupra duratei de serviciu a îmbrăcăminții din asfalt.

Pe lângă cele prezentate mai sus, structurile rutiere mixte (compozite) mai prezintă o serie de avantaje cum ar fi: reducerea zgomotului la rulare, eliminarea lucrărilor de întreținere a rosturilor, strat de uzură drenant, antiderapant.

Principala problemă a acestui tip de alcătuire în cazul asfaltului pe o îmbrăcăminte veche din beton fisurat în perioada de exploatare, o reprezintă transmiterea rosturilor și fisurilor din beton în îmbrăcămintea bituminoasă (fisurare reflectivă din beton în asfalt).

Apariția fisurilor în îmbrăcămintea rutieră asfaltică, este favorizată de doi factori: variațiile de temperatură și încărcarile date de trafic.

În ceea ce privește variațiile de temperatură, imbracamintea asfaltica (așezată peste stratul de beton de ciment) ar trebui analizata in doua ipostaze:

vara, cand se pune problema stabilitatii asfaltului pe suport rigid;

iarna, cand in urma contractiei betonului aflat in fundatie, exista posibilitatea transmiterii fisurii in imbracamintea asfaltica, datorita și faptului că asfaltul devine mai rigid la temperaturi scazute.

Comportarea celor 2 straturi este influențată de coeficienții de dilatație diferiți (Figura 3.1). În timp ce betonul are un coeficient de dilatație aproximativ constant, îmbrăcămintea asfaltică prezintă coeficienți cu variații mari datorită temperaturii sezoniere variabile ale mediului înconjurător. Conform figurii se poate observa că asfaltul, la temperaturi negative, are un coeficient de dilatație aproape de cel al betonului (la -10°C), în timp ce în vecinătatea temperaturii de +5°C, cel puțin în cazul asfatului turnat, coeficientul de dilatație crește de aproximativ 4 ori .

Figura 3.1 Coeficienți de dilatație ai betonului și ai mixturii asfaltice.

Transferul încarcarii la stratul din beton de ciment fisurat

Transferul la interfață prin fricțiune, la stratul din beton de ciment

Pentru ca straturile din beton de ciment sa se comporte corespunzător la acțiunea încărcărilor date de trafic, deschiderea fisurii trebuie menținută sub o anumită limită astfel încât încărcarea să se transmită de la o dală la cealaltă, în dreptul rostului, respectiv în zona fisurii în cazul structurii rutiere reabilitate (fisurate), numai prin aportul frecării.

Pentru ilustrarea mecanismului de transfer al incarcarii la fisura aparuta intr-un strat de beton ce lucreaza intr-o prima etapa ca imbracaminte rutiera, se considera agregatul mineral redus la o granula de diametru (d); in acest fel poate fi pusa in evidenta deplasarea verticala () a capatului unui fragment actionat de incarcarea (P) data de roata, in raport cu capatul fragmentului de dala alaturat.

Transferul incarcarii este asigurat de contactul celor doua fete ale fragmentelor de dala prin intermediul punctelor A si B.

Componenta (P1) a incarcarii este transmisa ca actiune asupra granulei si este orientata catre centrul acesteia, iar componenta (P2 ) este forta de frecare care actioneaza in planul tangent la punctul B in momentul realizarii cuntactului intre punctele A si B (Teza de doctorat Racanel Ion).

În Figura 3.2, s-a notat cu -deschiderea fisurii și cu -deplasarea pe verticală.

Concluzia la care s-a ajuns a fost că, pentru a contribui la transferul încărcării, granula de agregat din betonul de ciment trebuie să respecte condiția:

Daca piatra de ciment si granula de diametru (d) sunt perfect rezistente la uzura, atunci incarcarea (P) este transferata in intregime de la un fragment fisurat la celalalt. Între cele doua fragmente de dala se exercita actiuni tangentiale repetate sub actiunea ciclica a incarcarii ceea duce la macinarea pietrei de ciment, care vine in contact cu granula.

Figura 3.2 Transferul încărcării prin frecare

Suprafata de repartitie a incarcarii se realizeaza in timp pe masura ce uzura pietrei de ciment avanseaza. Incarcarea distribuita pe aceasta suprafata are intensitatea minima in punctul H si maxima in punctul B' (Teza de doctorat Racanel Ion).

Efortul tangential este deci o functie de raportul intre componenta (P2) a incarcarii si proiectia pe orizontala a latimii fasiei pe care se repartizeaza aceasta incarcare (figura 2b).

Unde: -unghiul de frecare dintre piatra de ciment și granulă

f = tg -funcție de rezistență la uzură a pietrei de ciment.

In realitate, mecanismul transferului incarcarii nu are loc doar prin intermediul unei granule de diametru (d), ci exista un numar de granule care asigura transferul incarcarii.

Formula de calcul pentru stabilirea acestuia este (Teza de doctorat Racanel Ion):

=procentul de granule cu diametrul (d);

dmin =diametrul minim al granulelor care asigura efectuarea transferului in [mm]

(conditia );

dmax =diametrul maxim al granulelor in [mm];

h =grosimea dalei in [cm];

l =lungimea fisurii in sens transversal caii (latimea unei benzi de circulatie cand fisura este completă);

=greutatea specifica a betonului, respectiv a agregatului;

=aria proiectiei unei granule de diametru (d) pe plan vertical ce contine fisura.

In concluzie, transferul incarcarii la fisura din stratul din beton de ciment poate fi determinat pe baza curbei granulometrice a agregatului si pe baza deschiderii maxime a fisurii determinate teoretic pentru straturile noi sau prin masurarea straturilor din beton ce au folosit periodic ca imbracaminte.

Masurarea deschiderii fisurii la imbracaminti din beton fisurate si care urmeaza a fi protejate cu un nou strat asfaltic, se face pentru a determina capacitatea portanta reziduala a stratului din beton de ciment, în funcție de:

numarul granulelor care asigura transferul incarcarii la fisura descreste rapid cu cresterea fisurii;

in cazul curbelor granulometrice situate in zona buna a fusului granulometric, catre limita inferioara a acesteia, numarul de granule care contribuie la transferul incarcarii este mai mare;

uzura agregatelor si a pietrei de ciment avanseaza in timp pe masura cresterii deschiderii fisurii si de aceea, se considera riscanta luarea in considerare a aportului frecarii la transferul incarcarii;

agregatele bogate in parte fina nu asigura un transfer suficient al incarcarii.

Pe masura deschiderii fisurii coeficientul de frecare creste si el. Spre deosebire de numărul de granule care contribuie la transferul încărcării, valoarea coeficientului de frecare este corespunzator unei curbe granulometrice a agregatului din beton plasata catre limita superioara a fusului granulometric.

Influența îmbrăcăminții asfaltice asupra transferului

După cum am văzut în subcapitolul anterior, încărcarea dată de trafic P se transferă la fisură, prin frecarea granulelor din cele 2 fragmente de dală. Prezența stratului asfaltic de protecție, peste betonul de ciment fisurat, modifică transferul sarcinii, micșorând încărcarea utilă de la nivelul stratului de bază din beton, la o valoare (figura 5).

Consecinta este ca solicitarea la fisura reprezentata de incarcarile P1 si P2 se diminueaza foarte mult la nivelul granulei ce preia transferul in betonul de ciment. Mai mult, prezenta stratului asfaltic, cu legaturile dintre granulele sale (prezentate in secventele A, B, C, din Figura 3.3), conduce la diminuarea considerabila a solicitarilor P1 si P2. Aceasta ar conduce la concluzia ca apare o reducere a uzurii agregat – piatra de ciment la contactul de fisura fisura

Cele prezentate precizeaza ca in situatia consolidarii cu un strat asfaltic a unei imbracaminti vechi din beton de ciment care a fisurat, se ajunge la o imbunatatire a transferului la fisura si deci, la o indepartare a momentului fragmentarii dalei.

Problema este ca mai devreme sau mai tarziu fisura se propaga prin stratul asfaltic, datorita fenomenului de oboseala din repetarea incarcarilor din trafic. De aceea, este important de cunoscut parametrii ce constituie factori atenuanti a acestui proces de fisurare si care ajuta la intarzierea aparitiei acestuia la suprafata carosabilului. Acest lucru este posibil printr-o cunoastere adecvata a fenomenului, a tipurilor de solicitari aparute si a modului de reactie a sistemului rutier.

In cazul transferului la fisura in betonul de ciment din fundatie, protejat de o imbracaminte asfaltica, componentele P1 si P2 la nivelul granulei din fisura din beton prezentate în subcapitolul anterior sunt diminuate datorita amortizarii transferului de catre structura asfaltica.

Astfel avem:

unde: = o functie a structurii asfaltice ce reprezinta amortizarea componentei normale la nivelul granulei din fisura din betonul de ciment;

= o functie a structurii asfaltice ce reprezinta amortizarea componentei radiale la nivelul granulei din fisura din betonul de ciment;

Aceasta presupune ca, intr-o prima faza de comportare in stadiul elastic a structurii asfaltice, deplasarile la nivelul granulei din fisura betonului de ciment sunt mici, deci, masura uzurii este mica.

Figura 3.3 Legăturile dintre granulele stratului asfaltic.

Pe masura avansarii procesului de oboseala a structurii asfaltului, deci a comportarii lui in stadiul plastic, valoarea uzurii la nivelul fisurii din beton creste, moment in care incepe procesul de propagare a fisurii prin asfalt (Figura 3.4).

Figura 3.4 Transferul sarcinii la fisură în prezența stratului asfaltic de protecție.

Conlucrarea între covorul asfaltic de protecție și îmbrăcămintea din beton fisurată

Diagrama de repartiție a efortului de întindere din încovoiere, variază în stratul asfaltic și în cel din fundația de beton, în funcție de aderența dintre ele (Figura 3.5).

Figura 3.5 Variația efortului de întindere din încovoiere în funcție de aderență.

În cazul în care cele două straturi lucrează separat (fără aderență la interfață), diagrama eforturilor de întindere din încovoiere se dezvoltă separat în fiecare dintre ele (Figura 3.5a). Cedarea apare în stratul unde se depășește rezistența admisibilă la întindere din încovoiere. În cazul aderenței asfalt-beton de ciment (Figura 3.5b), apare o diagramă de solicitare la întindere din încovoiere de sens contrar pe grosimea stratului de acroșare ce se creează în îmbrăcămintea asfaltică, în zona de aderență. Aderența dintre cele două straturi, conduce la apariția unei diagrame rezultante, marcată pe figura 8b cu linie punctată. Această diagramă arată că efortul este practic nul, iar mărimea efortului de întindere de la baza stratului din beton de ciment este diminuat.

Momentele încovoietoare din sarcina mobilă (trafic) se suprapun peste eforturile rezultate în urma variației de temperatură. Pentru o mai bună înțelegere a comportării celor 2 straturi (asfalt și beton de ciment), trebuie să tinem seama de coeficienții de dilatație diferiți a celor 2 materiale. Atunci când nu există conlucrare între straturi, acestea se vor dilata diferit. În cazul conlucrării între îmbrăcăminte și stratul suport din betonul de ciment, dilatarea independentă a asfaltului este împiedicată, ea urmând comportarea stratului suport, rezultând o compresiune longitudinală deasupra rostului (sau a fisurii) stratului din beton de ciment. Dilatarea nu prezintă efecte negative asupra îmbrăcăminții, aceasta mărindu-și grosimea în dreptul rostului, egalându-se astfel tensiunile din asfalt.

La temperaturi negative, datorită contracției betonului de ciment, se măresc deschiderile rosturilor, respectiv ale fisurilor, tendința acestora fiind de a se transmite în stratul de protecție. Fisurarea îmbrăcăminții asfaltice apare atunci când se depășește capacitatea limită de alungire a asfaltului.

TENDINTA DE FISURARE A ÎMBRĂCĂMINȚILOR ASFALTICE PE STRAT SUPORT DIN BETON DE CIMENT

Fisurarea la structuri rutiere mixte

Cel mai mare neajuns al așezării unei îmbrăcăminti asfaltice pe o fundație de beton este faptul că, mai devreme sau mai târziu, rosturile din stratul de bază se transmit în îmbrăcăminte.

Apariția fisurilor în asfalt, în dreptul rosturilor din beton, este cauzată de forțele tăietoare care apar în rosturi, de dilatația termică diferențială și de oboseala materialului.

Forfecarea asfaltului data de efectul de clampanire a dalelor

Rezemarea incompletă, mai ales la colțuri, ca urmare a fenomenului de pompare a părții fine din mediul suport provocat de șocurile transmise de sarcinile mobile, poate duce cu timpul la clămpănirea dalelor. Deplasările verticale independente ale marginii dalelor generează în rosturi forțe tăietoare care apar instantaneu. Îmbrăcămintea bituminoasă are o rezistență redusă la solicitări de forfecare și se fisurează.

Când stratul din anrobate este subțire (3–8cm), acesta nu constituie o protecție termică eficientă pentru fundația din beton. Dacă însă îmbrăcămintea asfaltică este groasă (10–15cm), devine costisitoare, fără a permite realizarea unor economii sensibile la grosimea și dozajul fundației de beton întrucât se reduc prea mult eforturile din dală (Stan Jercan–-).

Variatiile termice sezoniere in structurile rutiere mixte

Pe lângă forțele tăietoare din rosturi, formarea fisurilor în îmbrăcămintea asfaltică depinde de variația longitudinală a fundației de beton și de alungirea specifică a asfaltului la temperaturi negative.

La variațiile sezoniere de temperatură, dalele de beton au variații însemnate de volum. În lucrările de drumuri, prezintă interes în mod evident variațiile de lungime. Conlucrarea dintre beton și mixtura asfaltică la variațiile de temperatură este dificilă din cauza naturii liantului și a coeficienților de dilatație diferiți. CoeficientuI de dilatație al asfaltului este mult mai mare fată de beton și nu este constant, având o variație pronunțată cu temperatura.

În ipoteza unei mișcări libere, stratul suport din beton și îmbrăcămintea asfaltică se vor dilata în mod diferit. Cum îmbrăcămintea asfaltică se execută fară rosturi, aderența sa de suprafața betonului, suferă o compresiune longitudinală deasupra rostului. Aceasta nu are urmări nefavorabile deoarece deformarea plastică a asfaltului duce la sporirea grosimii îmbrăcămintei și la egalizarea stării de eforturi din masa asfaltului (Stan Jercan–-).

La scurtarea dalei de beton pe seama contracției se produc însă eforturi de întindere care duc la formarea de fisuri în asfalt de îndată ce eforturile depășesc rezistența la întindere proprie.

Dilatarea și contracția dalei de beton conduc la o îngustare sau o mărire a deschiderii rostului. Îmbrăcămintea asfaltică trebuie să preia aceste solicitări numai pe lungimea corespunzătoare deschiderii rostului, pe care se poate mișca liber.

Fenomenul de oboseala la straturi asfaltice datorita efectului de izbire repetata sub trafic pe suportul rigid

Drept rezultat al așezării unui strat nerigid deasupra unui strat rigid apare un caz particular de manifestare a efectului de oboseală cu cât stratul de rulare este mai subțire și se datorează șocurilor și vibrațiilor puternice produse de vehiculele grele care se deplasează cu viteze mari. Izbirile îmbrăcăminții se produc ori de câte ori pneurile, aflate în plină viteză, întâlnesc brusc denivelările căii sau vehiculul nu este condus sau nu funcționează lin (Stan Jercan–-).

Fenomenul de oboseală prin izbire repetată este diferit de acela produs prin încovoierea repetată și nu trebuie confundat nici cu rezultatul procesului de atriție, care apare în timpul exploatării, dacă acesta se desfășoară în limite normale, deoarece, în acest ultim caz, prin anrobarea în situ a agregatelor măcinate, se amelioreză compactitatea, coeziunea și impermeabilitatea mixturii asfaltice.

Oboseala materialului, cauzată de izbiri repetate, se produce după un timp îndelungat, prin stricarea echilibrului care există între intensitatea acțiunilor provenite din exterior și capacitatea masticului de a anroba agregatele minerale. Compactarea și anrobarea în situ nu pot absorbi întreaga energie transmisă de vehiculele în mișcare. Surplusul de energie trebuie să fie transmis stratului suport al îmbrăcăminții asfaltice. Dacă acest suport este însă rigid, surplusul de energie, sub forma unor unde de șoc și vibrații, este reflectat de un plan dur care se găsește în imediata apropiere a suprafeței îmbrăcămintei. Cu alte cuvinte, efectul de oboseală prin izbire repetată se explică nu atât prin zdrobirea agregatelor, cât mai ales prin dislocarea progresivă a structurii asfaltului și se accentuează odată cu procesul de îmbătrânire a liantului, precum și dacă dozajul de liant este redus sau dacă bitumul are o penetrație prea mică.

Oboseala materialului prin izbire repetată poate afecta în mod grav straturile de rulare, alcătuite din mixturi asfaltice, așezate pe un suport rigid, dacă acestea au o grosime prea mică. Când se folosește un asfalt plastic care poate urmări deplasările axiale ale dalelor fără să fisureze, există pericolul ca să apară fenomenul de fluaj (cu bitum dur și agregate de concasaj) însă prin scăderea plasticității pot apare fisuri deasupra rosturilor din dalele de beton. De cele mai multe ori, degradările premature pot fi evitate prin prevederea unei grosimi mai mari a stratului de rulare și prin intercalarea între stratul de uzură și suportul rigid, un binder în grosime de 4–8cm, care lucrează ca un element amortizant și permite deplasări relative la interfață (Stan Jercan–-).

MECANICA FISURARII LA STRATURI ASFALTICE

Fisurarea este considerată fi una din principalele cauze a deteriorării structurilor rutiere, ceea ce implică alocarea de resurse financiare mari pentru repararea și menținerea acestora în parametri optimi de funcționare.

”Fisurarea reflectivă este procesul de transmitere la suprafața părții carosabile a fisurilor de contracție hidraulică sau  termică din straturile alcătuite din agregate naturale stabilizate cu lianți hidraulici sau puzzolanici. În cazul ranforsărilor drumurilor existente, acest proces se poate referi la trasmiterea la suprafața noii îmbrăcăminți bituminoase a fisurilor și/sau a crăpăturilor existente în vechea îmbrăcăminte rutieră.”

Concluzionând, fisurarea reflectivă apare datorită solicitărilor date de încărcării din trafic, dar și a variațiilor din temperatură ce induc în structură eforturi de contracție și întindere.

Putem considera că există 2 etape ale procesului de fisurare, fără a lua în considerare ultima etapă de cedare, în care viteza de propagare a fisurii crește rapid:

Inițierea fisurii, caracterizată prin microfisuri care se transformă în macrofisuri și poate fi definită ca numărul de cicluri în care se aplică solicitarea la care este vizibilă fisura în stratul de protecție.

Propagarea fisurii, reprezintă etapa în care fisura se propagă până la suprafața stratului, pe întreaga grosime a acestuia. Propagarea fisurii în cazul îmbrăcăminții flexibile poate fi exprimată prin legea lui Paris și Erdogan (relația 1).111

Pentru a determina parametrii A și n (constante de material) se pot folosi următoarele relații empirice :

Unde m –panta curbei de compleanță pentru un timp de încărcare dat (t)

c1 și c2 –coeficienți ce depind de rigiditatea mixturii, respectiv de procentul de goluri din mixtură

Constanta de material A se determină în funcție de mai mulți factori, cum ar fi modulul complex (E*), rezistența la întindere a mixturii (), energia de rupere a mixturii (), dar și de panta curbei de compleanță (m).

O altă relație utilizată pentru determinarea constantei de material este cea descrisa de ecuația 5 .

Unde AV -volumul de goluri%

AC -conținutul de bitum %

E -modulul rezilient al mixturii. (denumit și modul de elasticitate dinamic dacă determinarea se face în domeniul elastic).

Totuși, pentru a afla cât mai precis aceste constante, este necesar efectuarea de teste pe grinzi realizate din mixtura respectivă, grinzi supuse unor încărcări repetate.

În cadrul experimentelor realizate , s-a utilizat elementul finit prin care se determină factorul K indirect utilizând integrala independentă de contur J.

”Integrala J reprezintă variația energiei eliberate de un sistem elastic neliniar.”.

Pentru a putea înțelege mai bine rezultatele cercetătorilor în problematica fisurării straturilor asfaltice de protecție, voi trece în revistă abordările fisurării în general: criteriul energetic (G) și factorul de intensitate al efortului (K).

Criteriul energetic

Cel care a inițiat teoria a fost Griffith, preluată și dezvoltată mai departe de Irwin. Ipoteza de la care se pleacă este aceea că fisura se propagă atunci când energia acumulată în zona afectată este mai mare decât rezistența materialului la solicitarea respectivă.

Variația energiei G se definește ca fiind variația energiei potențiale odată cu suprafața fisurată a unui material liniar elastic.

Relația 6 este valabilă în cazul unei plăci de dimensiuni infinite (lățimea plăcii B este mult mai mare decât 2a) supusă unui efort de întindere, având lungimea fisurii egală cu 2a (Figura 5.1).

Figura 5.1 Fisură într-o placă cu dimensiuni infinite

Factorul de intensitate a efortului K

Factorul de intensitate al efortului caracterizează starea de eforturi și deformații la vârful fisurii (Figura 5.2) și are ca ecuație:

Figura 5.2 Eforturile prezente lângă vârful fisurii

Relația dintre variația energiei și factorul de intensitate al efortului se obține din ecuațiile 6 și 7:

Propagarea fisurii in timp datorita fenomenului de oboseala

Pentru a determina modul în care o fisură se propagă prin materialul respectiv, se poate utiliza legea lui Paris (ecuația Error! Reference source not found.) care exprimă viteza de propagare a fisurii , de factorul de intensitate al efortului K. Putem astfel afla în orice moment care este lungimea fisurii, deci, în cazul straturilor de protecție din asfalt, care este momentul optim la care trebuie intervenit de către autoritățile responsabile, cu costuri minime.

Materialele cărora se poate aplica această abordare se pot împărți în liniar-elastice și elasto-plastice (acestea nu sunt influențate de timpul de încărcare), dar și materiale vâsco-elastice și vâsco-plastice, care depind de timpul de încărcare.

Cercetările în domeniul fisurării au folosit teoriile existente și le-au adaptat în funcție de materialul observat, calculul lui K complicându-se pe măsură ce comportarea acestuia trece de la liniar la neliniar (inclusiv variația în timp). Dacă la materialele liniar elastice, s-au putut găsi relații empirice care să determine cât mai corect valoarea acestuia, la cele elasto-plastice, dar și la cele cu componentă vâscoasă a fost necesară utilizarea elementului finit.

Fisurarea materialelor cu comportare elastic

Un material are o comportarea elastic liniară atunci când relația dintre eforturi și deformații este liniară, iar deformația revine la 0 atunci când încărcarea aplicată este îndepărtată (Figura 5.3). Legea care guvernează aceste materiale este legea lui Hooke.

Figura 5.3 Comportarea elastic liniară

În cazul acestor materiale, factorul de intensitate al efortului s-a determinat ținându-se cont de mărimea zonei plasticizate r, ce apare în vârful fisurii.

În cazul modelului Irwin, această zonă are forma unui cerc de rază r.

Figura 5.4 Zona plasticizată, modelul Irwin.

Eforturile din planul fisurării (axa r, Figura 5.4) din imediata vecinătate a vârfului fisurii, în modul I de solicitare, se obțin considerând (Figura 5.2):

Plecând de la ecuația 7, valabilă în cazul unui element cu dimensiuni infinite, s-a determinat relația (10) și în cazul unui element cu dimensiuni finite, introducându-se o constantă adimensională Y, care depinde de geometria probei și de modul de solicitare.

Relația pentru care s-au găsit valorile lui din Tabel 5.1 este dată de ecuația 11:

Modelul Dugdale-Barenblatt este o altă abordare pentru aflarea zonei plasticizate, care nu mai este sub forma unui cerc, ci are forma din Figura 5.5.

a . Forma zonei plasticizate b. eforturi de compresiune

Figura 5.5 Modelul Dugdale-Barenblatt

Tabel 5.1 Relații de calcul pentru KI, materiale liniar elastice[6]

S-a putut determina mărimea zonei plasticizate, , în funcție de factorul de intensitate al efortului K și efortul de compresiune , efort care are valori în jurul rezistenței la curgere a materialului.

Cele 2 modele, Irwin și Dugdale, dau aproximativ aceleași valori ale zonei plasticizate.

Factorul de solicitare al efortului, folosind modelul Dugdale-Barenblatt, a fost determinat de către Burdekin și Stone, având valori mult mai apropiate de adevăr decât cel obținut de Dugdale și Barenblatt.

În tot acest studiu, s-a considerat că lungimea reală a fisurii este egală cu lungimea vizibilă a fisurii plus mărimea zonei plasticizate. Aceste corecții de plasticitate pot extinde concluziile din domeniul liniar elastic și dincolo de acesta, dar în momentul în care comportarea materialului devine neliniară, cum este cazul mixturii asfaltice, factorul de intensitate al efortului nu mai caracterizează fisura (calculat cu relațiile din mecanica fisurii în stadiul liniar elastic). De aceea s-au introdus alte două modalități de calcul a comportării acesteia la vârful fisurii, CTOD (crack tip opening displacement) –deplasarea deschiderii din vârful fisurii și integrala pe contur J.[6]

Fisurarea materialelor cu comportare elasto-plastica

La un material cu comportare elasto-plastică relația dintre eforturi și deformații un mai este liniară, iar deformația un revine la 0 atunci când încărcarea aplicată este îndepărtată (Figura 5.6).

Figura 5.6 Comportare elasto-plastică

La începutul încărcării materialul se comporta elastic, relația dintre efort și deformații fiind liniară, iar după ce efortul trece de o anumită valoare, materialul devine plastic, relația devenind neliniară, descărcarea făcându-se liniar cu o pantă egală cu modulul de elasticitate (paralelă cu zona elastică).

După cum am amintit mai sus, pentru a se putea modela fisura în cazul materialelor cu comportarea neliniară, s-au introdus cei doi parametri CTOD și integrala J.

CTOD

Necesitatea parametrului CTOD a apărut când Wells a observat că inaintea ca fisura să se propage (eforturile din zona plasticizată ajung și depășesc rezistența la fisurare a materialului), vărful fisurii nu mai are o formă ascuțită, ci prezintă o tocire. Se poate spune ca vârful fisurii are o anumită deschidere notată cu (Figura 5.7, [6]).

Figura 5.7 Deschiderea apărută la vârful fisurii,

S-a determinat parametrul CTOD (Figura 5.8, [6]), plecând de la modelul Irwin, cu zona plasticizată de rază (relația Error! Reference source not found.), considerându-se deschiderea . este deplasarea pe direcția y a fisurii determinată în ipoteza comportării liniar elastice. Relația 14 este valabilă atunci când zona de curgere a materialului este foarte mică.

Figura 5.8 CTOD calculat după modelul Irwin

O altă modalitate de calcul o constituie cea bazată pe modelul Dugdale-Barenblatt (Figura 5.9). Ipotezele acestui model sunt stare plană de eforturi și material care își păstrează elasticitatea (nu rigidizează).

Figura 5.9 CTOD calculat după modelul Dugdale-Barenblatt

În ceea ce privește încercarea în 3 puncte (Figura 5.10), CTOD se determină prin măsurarea deschiderii fisurii la partea superioară (V), presupunând că cele două jumătăți sunt rigide și se rotesc în jurul unui punct (articulație) ce se află la intersecția celor 2 fețe ale fisurii.

Figura 5.10 CTOD determinat experimental, încercarea în 3 puncte

r (factor de rotație) este o constantă adimensională cu valori cuprinse între 0 și 1.

Acest model “articulat” nu este foarte corect atunci când avem deformații în principal elastice. De aceea se introduce în calculul CTOD atât componenta elastică prin factorul de intensitate al efortului, cât și componenta plastică de forma ecuației de mai jos.

m este o constantă adimensională pentru efort constant

pentru deformație constantă

Integrala pe contur J

Integrala J a fost introdusă de Rice[8] în 1968 și reprezintă energia disponibilă pe unitatea de suprafață a fisurii (ținând cont și de zona plasticizată)[9]. Aplicabilitatea acesteia la materialele neliniar-elastice și cele elasto-plastice are câteva restricții, cea mai importantă fiind că descărcarea nu trebuie să aibă loc. Cu alte cuvinte nu este valabilă în cazul încărcărilor ciclice (acestea implică încărcare-descărcare).

Integrala J a fost redată sub mai multe forme, aceasta caracterizând fisura atât din punct de vedere al energiei, dar și al eforturilor din vârful acesteia pentru un material neliniar elastic (ce poate fi asemănat cu un material elasto-plastic).

Variația energiei eliberate (Figura 5.11) în timpul încărcării (raportul dintre variația energiei potențiale și suprafața considerată)

sau pentru încărcare cu forță constantă (cum este cazul încercărilor pe Fisurometrul Termostatat ce fac obiectul prezentei teze de doctorat), relația devine:

sau

Figura 5.11 Integrala J exprimată ca variația energiei eliberate[6]

Integrala J ca o linie independentă de contur (Figura 5.12). Acest contur trebuie ales cât mai departe de zona plasticizată de la vârful fisurii.

w –energia specifică de deformație

Ti –vector trancțiune într-un punct al conturului

ui –vectorul deplasărilor

ds –creșterea lungimii pe conturul considerat

Figura 5.12 Contur ales arbitrar în jurul fisurii[6]

J ca un parametru al intensității efortului

k1 – constantă de proporționalitate

Trebuie remarcat că pentru n=1, relația este asemănătoare cu cea a factorului de intensitate al efortului K din mecanica liniar elastică.

MODELAREA TEORETICA A FISURARII STRUCTURILOR RUTIERE COMPOZITE

Schema de calcul a unei structuri rutiere la solicitări combinate din trafic și variații de temperatură ale materialului.

Metodele analitice de dimensionare a unei structuri rutiere au la bază o schemă analitică (Figura 6.1). Pentru a compara modul de comportare la fisurare a două structuri asfaltice, utilizate ca strat de protecție, se introduce relația:

unde:

– raportul de comparatie fata de fisurare a doua structuri asfaltice pentru imbracamintea rutiera (coeficient de performanta la fisurare);

NT1 – numar total de cicluri pentru propagarea fisurii in structura asfaltica 1;

NT2 – numar total de cicluri pentru propagarea fisurii in structura asfaltica 2.

Figura 6.1 Schema analitică de dimensionare a stratului de protecție

Pe baza acestei scheme analitice de calcul se modelează fenomenologic structura rutieră pentru determinarea parametrilor de calcul.

Solicitarea dată de trafic reprezentată de osii de 13 tone este modelată printr-un efort vertical amplasat pe o bandă transversală situată la distanța x față de poziția fisurii din fundația din beton de ciment. În Figura 6.2 se prezintă schema de încarcare pe un model tridimensional ce reprezintă o bandă de circulație.

Figura 6.2 Model de calcul tridimensional

Figura 6.3 Model de calcul bidimensional

În ceea ce privește modelul bidimensional de calcul (Figura 6.3), acesta are următoarele caracteristici:

Stratul de rulare (uzură) de grosime are modulul lui Young,

Fundația sistemului rutier este alcătuită dintr-un singur strat de grosime și modul ,

Patul drumului este reprezentat printr-un mediu WESTERGAARD,

Stratul superior este fisurat pe o adâncime .

În Figura 6.4 și Figura 6.5 se prezintă schemele generale de modelare a solicitării din trafic (Figura 6.4) și a solicitării din variații de temperatură (Figura 6.5).

Figura 6.4 Model solicitări din trafic

Figura 6.5 Model solicitări din temperatură

Modelarea structurii constă, după tehnica franceză, într-o carotă plană perpendiculară pe planul fisurii, schema statică corespunzând unui model bidimensional. Calculul este făcut în element finit luând în considerație un element special ce ține cont de comportarea elastică în capul fisurii. O modificare a structurii materialului permite obținerea reprezentării pentru fiecare adâncime a fisurii.

Comportarea mecanică a materialului este reprezentată prin modulul de elasticitate (E) și coeficientul Poisson (m). Pentru mixtura asfaltică se rețin acești parametri în condiții de viteză de solicitare și de temperatură cunoscute. Ca valori orientative, se reține din cercetările franceze un modul de elasticitate sub trafic în jur de 6000 MPa, iar modulul la efort termic are valoare sub 100 MPa ținând cont de viteza de solicitare redusă.

În ceea ce privește aplicarea modelului, trebuie reținut că o structură parțial fisurată încărcată din trafic conduce la două situații:

încărcare centrică (pe fisură) când apare o închidere a fisurii la partea superioară;

încărcare excentrică când apare o aceeași tendință cu posibilitatea însă a pierderii aderenței între asfalt și beton în dreptul fisurii. Acest lucru poate conduce la fisurarea ramificată a îmbrăcăminții asfaltice;

Încovoierea îmbrăcăminții asfaltice cumulată cu pierderea aderenței cu stratul de bază din beton de ciment conduce la apariția eforturilor de întindere la baza stratului asfaltic (Figura 6.6)

a) cu conlucrare b) fără conlucrare

= efort compresiune la interfată, = efort întindere la interfață

Figura 6.6 Apariția eforturilor de întindere la baza stratului asfaltic

Existența conlucrării la începutul perioadei de serviciu conduce la preluarea efortului din încovoiere pe întreaga secțiune. În stratul de beton aceasta presupune închiderea fisurii la partea superioară și deschiderea ei la partea inferioară. Fenomenul de oboseală ca urmare a încărcărilor repetate duce la slăbirea aderenței asfalt-beton, îmbrăcămintea preluând efortul de întindere din încovoiere. În această situație propagarea fisurii la suprafața îmbrăcăminții se produce rapid. Dacă totuși aderența asfalt-beton rămâne viabilă, propagarea fisurii se face deasupra celei din beton datorită forfecării asfaltului. În cazul pierderii conlucrării fisurarea se face anarhic în vecinătatea fisurii din stratul de fundație din beton și în principal datorită depășirii rezistenței la întindere la baza îmbrăcăminții asfaltice.

În diagramele următoare se prezintă concluziile în ceea ce privește influența pierderii conlucrării asfalt-beton.

a) decolajul la interfață b) propagare verticală

Figura 6.7 Influența conlucrării Asfalt –Beton

În Figura 6.7 s-au făcut următoarele notații:

F =forța de extensie orizontală pentru îmbrăcăminte asfaltică în grosime de 10cm;

Fmix / Fmix I0 = susceptibilitatea la decolaj la interfață;

hmix = grosimea stratului asfaltic, alta decât 10cm;

f = propagare fisură în îmbrăcămintea asfaltică;

f / f0 = tendința de propagare verticală.

În Figura 6.7a se pune în evidență influența stratului superior asupra efortului de decolaj la interfață și anume s-a constatat că atunci când îmbrăcămintea este mai subțire fenomenul de decolaj este mai pregnant.

Figura 6.7b ilustrează comportarea unei structuri parțial fisurate sub efectul solicitărilor termice. Astfel, în cazul solicitărilor orizontale fisura tinde să se propage la suprafață. Această tendință este mult diminuată cu creșterea grosimii stratului asfaltic și influențată major de suprafața fără aderență ce apare deasupra fisurii din stratul de bază.

Direcția de propagare a fisurii la suprafață din solicitare termică depinde, pe lângă efortul orizontal indus în stratul de asfalt de rezistență la întindere opusă, de structura mixturii asfaltice.

S-a notat cu j coeficientul de proporționalitate între agresivitatea celor două tipuri de solicitare:

j = 0 pentru solicitare numai din trafic;

j = pentru solicitare numai din temperatură;

Aceste curbe au rezultat din combinația celor două solicitări prezentate în Figura 6.4 și Figura 6.5, unde se lua în considerație efectul lor separat.

Rezultatele obținute pot fi exprimate analitic prin expresia timpului de propagare (t) în funcție de parametrii (h), (N13), (j), prin folosirea unei regresii multiliniare asupra valorilor calculate.

În ceea ce privește solicitarea termică, se ia în considerație relația deja determinată:

Aceasta conduce la analiza raportului ( t/t0 ), respectiv la determinarea timpului ( t ) de propagare a fisurii din efectul combinat al celor două solicitări.

Cercetările efectuate în Franța, au permis obținerea expresiei raportului (t/t0) prin studiul separat al fiecărui parametru, obținându-se o relație de tipul:

unde

este un coeficient ce depinde de influența variației temperaturii mediului.

Fenomenul de oboseală a materialelor rutiere la cicluri de solicitări

În cadrul “Mechanistic approach to the solution of cracking in pavements“, autorii K. Majidzadeh și D.V.Ramsamooj din S.U.A. au arătat că termenul de oboseală structurală este asociat cu deranjarea sau deteriorarea la cicluri de încărcare repetată a legăturilor dintre componentele stratului rutier. Acest fenomen demarează prin apariția microfisurării, care prin acumularea ciclurilor de încărcare se dezvoltă sub formă de fisuri deschise sau crăpături în stratul rutier. Implicațiile efectului de oboseală structurală, se manifestă prin reducerea rezistenței materialului respectiv și prin reducerea capacității portante a stratului rutier.

Oboseala unui material rutier, în sensul celor prezentate, este recunoscută ca un fenomen complex, care nu se poate explicita ușor din punct de vedere teoretic. De aceea, testele experimentale de evaluare a oboselii structurale ale unui material vin în a cuantifica parametrii teoretici luați în analiza fenomenologică.

Statistica abordărilor mecanice ale fenomenului de oboseală consideră explicitarea efectelor, prin analiza problemei pe baza conceptelor cinetice ale mecanismului ruperii, ceea ce înseamnă că apariția fisurii presupune o rearanjare structurală a componentelor materiale din stratul rutier datorită solicitărilor ciclice ale traficului și variațiilor de temperatură. Acumularea prin concentrare de eforturi la nivelul fisurii conduce la ruperea materialului prin pierderea stabilității structurale. Această teorie conduce la aprecierea cantitativă a rezultatelor, dar îi lipsesc considerentele mecanicii microstructurale, geometrice și efectele de contur.

Fenomenul de oboseală este asociat conceptului ruperii și instabilității structurale. Oboseala ca fenomen are două etape și anume inițierea fisurii și dezvoltarea ei până la rupere. Aceste etape se dezvoltă în timp pe parcursul derulării ciclurilor de încărcare-descărcare.

Procesul de inițiere a fisurării și de finalizare prin apariția ruperii, diferă de la material la material. Dezvoltarea fisurii pe grosimea stratului este asociată apariției discontinuităților structurale și variațiilor energetice în această zonă.

Discontinuitatea structurală este echivalentă cu plasticizarea materialului din capul fisurii care, prin depășirea unei anumite limite, permite dezvoltarea ei pe grosimea stratului rutier.

Din acest punct de vedere teoriile existente acceptă următoarele etape de evoluție a fisurii:

Acumulare energetică în domeniul elastic (Figura 6.8)

Acumulare energetică în domeniul plastic (Figura 6.9)

Acumulare energetică la rupere (Figura 6.10)

Figura 6.8 ETAPA I: acumulare energetică în domeniul elastic (inițializare)

Figura 6.9 ETAPA II: acumulare energetică în domeniul plastic (propagare fisură)

Figura 6.10 ETAPA III: acumulare energetică la rupere

Explicitarea mecanică a fisurării la cicluri de solicitare a fost dezvoltată de teoria Griffith. Ulterior Irwin și Kies propun modificarea teoriei Griffith prin analiza stării de tensiune din stratul rutier, prin identificarea componentelor plastice care conduc la dezvoltarea fisurii.

Mecanica fisurării a fost demonstrată de Irwin prin introducerea unui factor ce exprimă intensitatea solicitării. Astfel, el a observat că se pot distinge trei etape ale stării de tensiune în deschiderea fisurii ca măsură a propagării acestui fenomen (Figura 6.11).

Modul I (Tensiuni normale)

Modul II (Tensiuni de forfecare normale)

Modul III (Tensiuni de forfecare paralele)

Figura 6.11 Moduri de dezvoltare a stării de tensiune

Cele trei moduri de dezvoltare a stării de tensiune sunt suficient explicitate în stadiul elastic. Fiecare mișcare din fisură este asociată unui câmp de efort (Figura 6.12) din imediata vecinătate a acesteia de următoarea formă:

Figura 6.12 Câmpul de eforturi în vecinătatea fisurii

Se poate asimila acest câmp de efort prin parametrii KI, KII, KIII, denumiți factori de intensitate a efortului, ce depind de mărimea stării de efort local din vecinătatea fisurii.

Factorul de intensitate al tensiunii poate fi echivalat cu rata de relaxare energetică a tensiunii după Griffth (G) cu următoarea relație:

unde: k = factor de intensitate al tensiunii după Irwin

G = rata de relaxare energetică a tensiunii după Griffith

E = modulul materialului din stratul rutier

= coeficient Poisson pentru același material.

Pentru starea plană de tensiune:

Factorul de intensitate al tensiunii poate fi determinat pe cale experimentală pentru orice tip de solicitare și de fisură, printr-o procedură relativ simplă. Aceasta constă în măsurarea modificării deflexiunii verticale pe măsură ce fisura se propagă către suprafața stratului rutier cu relația:

unde:

P = încărcarea

E = modulul de elasticitate

L = compleanță, parametru rezultat din panta tangentei la curba de variație încărcare – deformație ( deflexiune )

C = lungimea fisurii

Măsuratori efectuate de Winne, Wundt, Gross si Srawley pe grinzi geometric definite pentru evaluarea factorului de intensitate al solicitării, au condus la următoarele rezultate exprimate grafic în Figura 6.13:

c = lungimea fisurii;

d = înălțimea grinzii;

G = factorul de intensitate al solicitării (rata de relaxare energetică).

Figura 6.13 Dependența între adâncimea relativă a fisurii și factorul de intensitate al solicitării

Caracterizarea experimentală a fisurării structurilor rutiere

În lucrări de cercetare efectuate la Universitatea Tehnică din Ohio, S.U.A., aplicabilitatea teoriei fisurării prin straturi asfaltice a fost examinată prin două concepte ca ipoteze de calcul:

materialul trebuie considerat omogen, izotropic și cu comportare elasto – plastică;

fisurarea în zona plastică trebuie să fie mică prin raportarea deschiderii fisurii de bază.

Dacă se acceptă prima ipoteză, cea de-a doua permite calcularea zonei de plastificare (Figura 6.14) din capătul fisurii cu ajutorul relației:

k este factorul de intensitate al tensiunii,

-efortul pe direcția y

ry este raza zonei plastifiate.

Figura 6.14 Zona de plastificare din capătul fisurii

Mecanismul fisurării în stadiul elasto – plastic

Concentrarea efortului în vârful fisurii, conduce la plastifierea zonei din jurul acesteia. Întrucât zona plastifiată este limitată în jurul vârfului fisurii, comportamentul global al structurii stratului este liniar elastic.

Conceptul de curgere plastică limitată, se poate evalua calitativ prin compararea raportului dintre mărimea zonei plastificate din vârful fisurii și celelalte dimensiuni ale structurii legate de adâncimea ei (f) și ecartul acesteia (d) (Figura 6.15a). Cantitativ acest raport a fost stabilit de norme A.S.T.M. (American Society for Testing and Materials) la 1/50.

Irwin a calculat mărimea zonei plastificate pentru o fisură solicitată în modul I (Figura 6.15b) la distanța () de vârful fisurii, unde efortul normal la planul de fisurare este egal cu limita de elasticitate ( ):

Creșterea amplitudinii eforturilor prin plastifierea secțiunii, nu conduce la echilibrul eforturilor din solicitare. Acest echilibru, se restabilește prin deplasarea punctului de concentrare a efortului din vârful fisurii cu cantitatea (). Procedeul presupune creșterea lungimii fisurii () cu cantitatea () astfel că lungimea efectivă devine:

Aceasta valoare a zonei plastifiate este utilizată în domeniul solicitării plane, deci corespunde situației în care fisura transversală din contracție la nivelul fundației din beton se propagă în îmbrăcămintea asfaltică, în cazul păstrării aderenței între cele două straturi. În acest fel direcția de propagare este cunoscută, iar geometria de propagare permite analiza plană a problemei.

a b

Figura 6.15 Modelul Irwin

Propagarea procesului de fisurare din fundație în îmbrăcăminte

Există mai multe variante de propagare a fisurii în îmbrăcămintea asfaltică (

Tabel 6.1).

Tabel 6.1 Tipuri de propagare a fisurii în îmbrăcămintea asfaltică

Rezultă două situații semnificative și anume:

una prin care se păstrează aderența între straturi, propagarea fisurii făcându-se vertical prin amplificarea intensității stării de tensiune la nivelul îmbrăcăminții;

cealaltă situație se referă la pierderea aderenței între beton și asfalt în momentul fisurării betonului datorită fenomenului de oboseală.

În cel de-al doilea caz apariția fisurii în îmbrăcăminte nu se face chiar în dreptul fisurii din fundația de beton, și poate să apară și în vecinătatea ei într-o secțiune unde se depășește rezistența la întindere a asfaltului.

Aceste scheme de propagare, conduc în timp la dezvoltarea fisurii în cele mai variabile forme. Pierderea conlucrării între straturi amplifică fenomenul de fisurare ce se propagă la suprafața îmbrăcăminții. Aceasta constă în ramificarea fisurilor pe direcții dezordonate care în ultima fază conduce la faianțarea suprafeței carosabile în dreptul fisurii din fundație.

Propagarea fisurii se face sub efectul a două solicitări distincte:

solicitări termice

solicitări din trafic

Calculul factorului de intensitate a efortului din temperatură

La solicitări lente rezultate din cicluri ale variațiilor zilnice de temperatură, îmbrăcămintea asfaltică suferă o scădere de rigiditate. Astfel raportul între modulul îmbrăcăminții asfaltice și a celui de bază din betonul de ciment este de 1:200. În consecință deformațiile stratului de bază fisurat sunt puțin influențate de modificarea de rigiditate a îmbrăcăminții asfaltice.

Calculul factorului de intensitate a efortului din temperatură se face în ipoteza că propagarea fisurii în stratul asfaltic are loc în timp ce ecartul ei la baza stratului rămâne constant (figura 5).

În Figura 6.16 s-au făcut următoarele notații:

d = ecartul fisurii considerat constant;

f = înălțimea fisurii;

r = raza polară;

u = deschiderea fisurii la distanța ( r ) de vârf;

Figura 6.16 Propagarea fisurii în stratul asfaltic

Ecartul fisurii la baza stratului are următoarea relație:

unde:

m = coeficientul Poisson;

E = modul mixtură asfaltică;

= intensitatea efortului din temperatură.

Rezultă expresia intensității efortului din temperatură:

Dacă deschiderea fisurii (d) este independentă de înălțimea fisurii (f), ea este totuși proporțională cu variația temperaturii din stratul de bază. Stratul de bază din beton este dependent de temperatura de la suprafața îmbrăcăminții prin relația:

cu

unde:

h = grosimea îmbrăcăminții asfaltice;

w= variația de temperatură din timpul zilei;

D = difuzivitatea termică;

B = coeficient de proporționalitate funcție de caracteristicile structurii stratului altele decât îmbrăcămintea (h);

= temperatura de la suprafața îmbrăcăminții asfaltice.

Factorul de intensitate a efortului din temperatură devine:

Se poate obține variația intensității efortului de temperatură (DkT), înlocuind temperatura de la suprafața îmbrăcăminții () cu variația acestei temperaturi din timpul unei zile ():

Aceste relații arată:

(kT ) descrește cu grosimea îmbrăcăminții asfaltice după legea exponențială (). Deci trebuie să se țină seama de protecția termică a stratului de bază de către îmbrăcămintea asfaltică;

pentru un ( f ) mic, (kT ) este mare. Aceasta presupune că după un demaraj rapid al propagării fisurii, acest fenomen se reduce pe măsură ce ( f ) crește și (kT ) scade.

Pornind de la aceste considerente se prezintă în continuare o metodă de apreciere a fenomenului de propagare a fisurii într-o îmbrăcăminte asfaltică.

Folosind modelul IRWIN se poate calcula deschiderea fisurii:

De unde:

În cazul aderenței asfalt – beton:

Lungimea fisurii:

Cunoscând caracteristicile fizico – mecanice ale asfaltului și ale betonului de ciment din fundația rutieră se poate aprecia lungimea fisurii (propagarea) în fiecare an de serviciu a structurii rutiere mixte.

Integrarea legii lui Paris

Dacă se introduce expresia factorului de intensitate a efortului din temperatura kT în legea lui Paris se obține:

Pentru simplificarea calculelor se grupează termenii constanți (A, B, Ds ) în constanta (C1) păstrându-se variabilele h și f:

Rezultă:

unde:

f = înălțimea fisurii;

m = coeficientul Poisson;

E = modulul asfaltului;

B = coeficient de proporționalitate ce depinde de caracteristicile structurii;

Ds = gradient de temperatură jurnalier

unde:

ω = variația de temperatură din timpul unei zile [rad/s];

D = difuzivitatea termică.

Prin integrare se obține:

Numărul de zile la care fisura apare la suprafața carosabilului:

Influența grosimii stratului de protecție asfaltic (h)

Timpul de propagare a fisurii este proporțional cu doi termeni ce depind de grosimea (h) a îmbrăcăminții asfaltice:

un termen exponential care reprezintă influența protecției termice a stratului din beton de ciment;

un monom , care arată că la o solicitare identică, o creștere a grosimii îmbrăcăminții asfaltice cu 20% – 30% dublează timpul de propagare a fisurii la suprafața carosabilului. Aceasta corespunde unei valori a parametrului m=3.

În graficul din Figura 6.17 se prezintă influența grosimii ( h ) a îmbrăcăminții asfaltice asupra timpului de propagare a fisurii pentru două valori ale parametrului m în funcție de lungimea inițială a fisurii (f0 ) a fisurii inițiale.

Figura 6.17 Influența grosimii îmbrăcăminții asfaltice asupra timpului de propagare a fisurii

Dacă îmbrăcămintea este prefisurată cu fisura inițială (f0 ), atunci integrala Paris devine:

Numărul de zile la care apare fisura la suprafața carosabilului este:

Timpul de propagare a fisurii sub acțiunea solicitărilor termice este definit de cei doi parametrii:

m, ce reprezintă legea de variație Paris;

1/(1+m/2)C1, ce este o constantă multiplicativă.

Reamintim că (C1), reprezintă relația de constante:

Această concepție pur analitică va fi utilizată în justificarea parametrilor propagării fisurii în structuri rutiere compozite (asfalt pe beton de ciment).

Teoria complexă care însoțește fenomenul de fisurare în straturi rutiere, poate fi supusă unor ipoteze simplificatoare prin acceptarea unor observații experimentale obținute prin testarea pe diferite aparate în laborator.

Astfel, la un număr (n0) de cicluri la care fisura constatată prin carotare este (f0), aferentă unei deschideri a fisurii (d0), se poate analiza propagarea pe cale experimentală pe cea de-a două epruvetă executată în aceleași condiții de laborator prin evaluarea creșterii deschiderii fisurii (di) la care se obține prin proporționalitate (fi).

Durata de viață la oboseală

Determinarea curbei factorului de intensitate a solicitărilor din trafic kN, se poate face printr-un calcul de element finit. Integrarea legii Paris, a condus la obținerea unei curbe de formă diferită față de cea corespunzatoare solicitării din temperatură.

Luându-se în considerare separat numărul de cicluri de solicitare raportat la numărul total de cicluri, când s-a propagat fisura la suprafața carosabilului, s-au putut face următoarele observații: viteza de propagare a fisurii este mai lentă la solicitarea din trafic fața de cea din temperatură în faza inițială iar în faza finală această situație se inversează.

În Figura 6.18 apar următoarele notații:

N = apar cicluri solicitare ( termice sau trafic );

Ntot = număr total cicluri când fisura apare la suprafața carosabilului.

Figura 6.18 Viteza de propagare a fisurii

Dacă solicitarea termică poate exista fără solicitare din trafic într-o structură rutieră, inversa acestei situații este puțin probabilă.

Pentru studiul efectelor separate ale fenomenului de propagare a fisurii numai din temperatură sau numai din trafic, este necesar a determina fie numărul de cicluri de variație de temperatură diurne, fie numărul de osii.

Integrarea legii de variație Paris, se realizează introducând pe rând factorul de intensitate din temperatură (kT), respectiv din trafic (kN).

Rezultatele se pot prezenta sub forma unor curbe de tipul:

pentru m=3,

f = lungimea fisurii;

h = grosimea îmbrăcăminții asfaltice;

t = timpul de propagare a fisurii la efort combinat temperatură – trafic (zile);

t0 = timpul de propagare a fisurii în absența traficului.

Aceste curbe sunt prezentate ca rezultate ale unor experimentări în Figura 6.19.

Figura 6.19 Evoluția lungimii fisurii f, în funcție de numărul de zile, t

Compararea rezultatelor experimentale cu curbele teoretice, permite determinarea parametrului m. De reținut este faptul că în încercarea de laborator se utilizează material standard pentru inițierea fisurii, care are aceeași natură ca anrobatul în care se propagă fisura, lucru ce permite asigurarea unei bune aderențe între stratul de bază și îmbrăcăminte. Se permite în acest mod determinarea procesului de fisurare fără intervenția decolajului la interfața dintre straturi, lucru ce ar complica studiul.

Figura 6.20 permite deci determinarea parametrului (m), corespunzător legii de variație Paris, prin metoda suprapunerii rezultatelor experimentale peste curbele determinate teoretic.

Figura 6.20 Determinarea parametrului m.

Parametrii urmăriți în cursul încercării sunt:

numărul de cicluri aplicate;

intensitatea efortului;

deschiderea fisurii;

poziția frontului fisurii.

Rezultatele obținute, permit evaluarea a trei etape de fisurare:

inițierea fisurii;

apariția fisurii la suprafața îmbrăcăminții, care poate folosi la testarea diverselor soluții antifisurare;

viteza de propagare în stratul asfaltic.

MODELAREA EXPERIMENTALĂ A FISURĂRII STRUCTURILOR RUTIERE COMPOZITE

Modelare empirică a fisurării reflective în laboratorul CFDP-UTCB

In cadrul tezei de doctorat a domnului profesor doctor inginer Mihai DICU, s-au folosit de o serie de dispozitive, pentru a pune in evidenta in mod separat o serie de parametrii aferenti conlucrarii asfalt-beton de ciment din cadrul unui model de structura rutiera mixta (compozita). Principiile de functionare ale dispozitivelor si rezultatele obtinute, sunt prezentate in cele ce urmeaza.

Caracteristicile standului de incercari in laborator

Elementul de structura rutiera modelata in laborator, supusa incercarilor de investigare prin simularea solicitarilor din realitate, este alcatuit din trei straturi si anume: o placa de beton cu dimensiuni ale suprafetei de 51×14 cm si grosimea de 10cm, care reazema pe un pat de nisip de 14 cm grosime. Peste beton se aplica o mixtura bituminoasa cu grosimea de 3 cm (Figura 7.1).

Figura 7.1 Stand de încercare (solicitări din trafic P și temperatură H)

Placa este fixata la un capat de suportul A, iar de celalat capat se trage cu o forta orizontala H. O forta ciclica verticala simuleaza incarcarea din trafic (Figura 7.2), care solicita dala la incovoiere repetata. Incarcarea se aplica la suprafata sistemului, avand presiunea egala cu 5daN/cm2 si diametrul urmei circulare de 5 cm. Ciclul de incarcare este de 5 s.

Figura 7.2 Forța ciclică , cicluri de 5s

Acest stand de incarcare simuleaza concomitent pe de o parte, solicitarea de incovoiere data de trafic si pe de alta parte, contractia termica a fundatiei de beton. Se masoara intensitatea efortului, numarul de cicluri ale incarcarii si aparitia fisurii in imbracaminte.

Încercari la incovoiere repetata pe placi din beton

Aceasta determinare efectuata in laborator dupa o schema ce se prezinta in Figura 7.3, permite analiza separata a comportarii stratului din beton compactat la cicluri alternante ale unei solicitari verticale. Realizarea solicitarii de incovoiere repetata la nivelul placii de beton s-a realizat prin suprapunerea efectului incarcarii verticale ciclice cu o tensiune H = 200 daN.

Placa din beton de ciment a fost cofrata intr-un tipar special cu o forma geometrica prestabilita, astfel incat sa permita atasarea unui dispozitiv de actionare la intindere a epruvetei (Figura 7.3).

Figura 7.3 Confecționarea plăcii din beton de ciment

Au fost confectionate doua epruvete incercate in doua moduri diferite pentru a pune in valoare influenta suportului dalei.

Prima epruveta a fost supusa la solicitarea mentionata in conditiile rezemarii capetelor acesteia pe peretii metalici ai tiparului suport (cu nisip). Aceasta nu rezema direct pe patul din nisip ci actiona ca o placa simplu rezemata la capete. Nivelul solicitarii a fost caracterizat de urmatorii parametrii:

timp ciclu = 5sec

Epruveta a cedat dupa 30.000 cicluri.

Cea de-a doua epruveta a rezemat continuu pe patul de nisip rezistand Ia 50.000 cicluri pentru si 50.000 cicluri pentru si

Se poate spune ca efectul de oboseala al betonului compactat nu apare la 100.000 cicluri de solicitare pentru aceeasi epruveta, in cazul in care ea reazema continuu pe un mediu elastic. Pentru a fi sigur ca solicitarea de incovoiere repetata nu se transforma intr-o solicitare de compactare repetata este necesara rezemarea capetelor placii in tiparul metalic dupa o schema prezentata in Figura 7.4.

Figura 7.4 Schema de solicitare din încovoiere repetată

Se considera ca aceasta din urma schema de solicitare pune mai bine in valoare solicitarea de incovoiere repetata a epruvetei din beton.

Încercari de intindere ale asfaltului la contractia dalei

Se analizeaza comportarea modelului de structura rutiera mixta la temperaturi negative. Aceste conditii simuleaza comportarea structurii rutiere mixte in timpul iernii (Figura 7.5), cand apare contractia betonului din fundatie la temperatura negativa simulata prin cresterea fortei orizontale H, care conduce la reducerea capacitatii de alungire a asfaltului in aceste conditii.

Figura 7.5 Simularea în laborator a comportării structurii rutiere mixte iarna

Măsurători prin modelare experimentală în laborator

Simularea propagării fisurilor prin structurile rutiere

Pentru a dezvolta o teorie pertinentă a fenomenului de fisurare în straturi rutiere, se începe cu analiza acestei fenomenologii pe grinzi.

Astfel echipamentul TTI de testare a straturilor de ranforsare, permite analiza pe materiale rutiere prin modelarea la scară redusă a fisurilor pe grinzi. Echipamentul are posibilitatea măsurării fisurilor la un anumit număr de cicluri de încărcare, pentru care se pot determina următorii parametrii:

viteza de dezvoltare a fisurii (df/dN) în funcție de pseudo-integrantul J (de deschiderea fisurii funcție de numărul de cicluri dN);

viteza de dezvoltare a fisurii (df/dN) în funcție de factorul de ranforsare;

încărcarea măsurată în funcție de deplasarea de referință, utilizată la calculul pseudo-energiei.

Studii experimentale prezentate în literatura de specialitate, au pus în evidență faptul că demararea fisurii în structurile rutiere depinde într-o mare parte de conlucrarea dintre acestea. Astfel, dacă la solicitări externe (factori de trafic sau de temperatură) apare o deplasare la interfața dintre straturi sau pe grosimea stratului asfaltic, demararea procesului de propagare a fisurii începe de la această ”frontieră”.

Pentru a pune în evidență acest proces, s-au făcut modelări la scară redusă în laborator, pentru a face studii de performanță la nivelul conlucrării între straturile rutiere (Figura 7.6).

Figura 7.6 Modelarea în laborator a conlucrării între straturile rutiere

În urma testului se obțin informații privind conlucrarea între straturi.

Epruvetă care în urma solicitării apare pierderea de conlucrare între straturile rutiere. În acest caz fisura se va dezvolta decalat în plan vertical (Figura 7.7).

Figura 7.7 Dezvoltarea fisurii în cazul pierderii conlucrării între straturi

Epruveta la care se păstrează conlucrarea și în acest caz propagarea fisurii se va face în același plan vertical (Figura 7.8).

Figura 7.8 Dezvoltarea fisurii în cazul conlucrării între straturi

Metode de simulare în laborator la scară redusă a propagării fisurii prin structuri rutiere

Pentru a simula un fenomen, mai întai este necesară o descrie a acestuia în realitate.

Oboseala structurii rutiere asociată fisurării când forfecarea și momentele de încovoiere date de traficul greu, creeaza o stare de tensiune locală ce conduce la propagarea fisurii în stratul asfaltic de protecție. De obicei acest fenomen se dezvoltă la structuri rutiere cu îmbrăcăminți degradate prin fisurare și care au fost protejate prin așternere de covoare asfaltice (Figura 7.9).

Figura 7.9 Propagarea fisurii la structuri rutiere degradate protejate de covoare asfaltice

Variațiile de temperatură sezonieră conduc la deplasări orizontale la nivelul stratului vechi degradat prin fisurare (mai ales la straturi legate cu lianți hidraulici).

Acest efect are un caracter mai agresiv iarna la deschiderea fisurii, prin contracția stratului legat cu liant hidraulic.

Conceptia fisurarii reflective publicată în literatura de specialitate

Fisurarea reflectivă este procesul de transmitere la suprafața părții carosabile a fisurilor de contracție termică din straturile alcătuite din agregate naturale stabilizate cu lianți hidraulici sau puzzolanici, sau din solicitarile dinamice generate generate de un trafic rutier intens si greu . În cazul ranforsărilor drumurilor existente, acest proces se poate referi la transmiterea la suprafața noii îmbrăcăminți bituminoase a fisurilor și/sau a crăpăturilor existente în vechea îmbrăcăminte rutieră. (15) Deci, Fisurarea reflectivă apare datorită încărcărilor din trafic, dar și a variațiilor din temperatură ce induc în structură eforturi de contracție și întindere.

Într-una dintre lucrările legate de procesul de fisurare, Jorge C. Pais și Paulo A.A. Pereira [13] ajung la următoarele concluzii:

Potențialul fisurării reflective este generat de o funcție caracteristică a proprietăților materialelor, în principal grosimea stratului de acoperire și rigiditatea acestuia.

Fisurarea reflectivă este rezultatul mișcărilor diferențiale verticale și orizontale deasupra fisurii din structura existentă. Aceste mișcări, denumite și activitatea fisurii, sunt cauzate de eforturile din temperatură, încărcări din trafic, sau o combinație a celor două.

Activitatea fisurii din structurile existente fisurate poate fi determinată folosind un dispozitiv denumit CAM (Figura 7.10) care măsoară mișcarea relativă a marginilor fisurii.

Figura 7.10 Dispozitivul CAM (Crack Activity Meter)

Testul efectuat de către Jorge C. Pais și Paulo A.A. Pereira [13] s-a bazat pe găsirea unei funcții care să prezică evoluția fisurii după așternerea stratului de protecție, folosindu-se de evoluția fisurii înainte de așternere, a structurii existente, ținându-se cont de caracteristicile materialelor componente ale stratului așternut.

Figura 7.11 Evoluția fisurii măsurate cu CAM, funcție de grosimea stratului de protecție

Folosind metoda elementului finit aceștia au ajuns la 2 concluzii:

După așternere, componenta orizontală a fisurii are o importanță mică în comparație cu cea verticală. În toate simulările efectuate, componenta orizontală nu poate atinge un nivel mai mare decât 50% din cea verticală

După așternere, componenta verticală este mult redusă și urmărește o funcție logaritmică ce depinde de grosimea stratului.

Pentru a tine cont de efectele temperaturii care influențează componenta orizontală, aceasta trebuie să ajungă cel puțin la 50% din cea verticală de după așternere. Din moment ce valoarea maximă orizontală este 50% din cea verticală, efectele temperaturii sunt neglijabile în fisurarea reflectivă.

În ceea ce privește etapele în care se produce fisurarea reflectivă, F. Zhou și L. Sun [14] consideră că acestea sunt în număr de 3 după cum urmează:

Etapa 1: Desprinderea stratului de asfalt de structura existentă se produce datorită forței tangențiale mari prezentă la interfața dintre cele 2, dată de încărcare din trafic.

Etapa 2: Odată cu creșterea numărului de cicluri de încărcare, se mărește această zonă de desprindere. Studiile reflectă faptul că o parte din această desprindere este benefică pentru prevenirea procesului de fisurare reflectivă, dar până la o lățime de 10cm. Cu alte cuvinte există o dimensiune optimă a acestei desprinderi. Efortul s1 se găsește la o distanță de 5-10cm de rost (fisură) pentru o desprindere de 5-32cm. Acesta este etapa a 2a, când fisura se produce la o distanță de 4-6cm de rost, și nu în dreptul rostului.

Etapa 3: Componenta sy predomină în s1 (Figura 7.12), în special după ce lățimea desprinderii este mai mare de 5cm. Deci propagarea fisurii se datorează în principal lui sy. Cea de-a 3-a etapă o reprezintă dezvoltarea pe verticală a fisurii înspre fața superioară a stratului de protecție.

Figura 7.12 Efectul desprinderii asfaltului de betonul de ciment asupra eforturilor

Un alt punct de vedere asupra etapelor procesului de fisurare îl putem găsi la Mostafa M. Elseifi și Imad L. Al-Qadi [11], aceștia considerând că există 2 etape ale procesului de fisurare[11], fără a lua în considerare ultima etapă de cedare, în care viteza de propagare a fisurii crește rapid:

Inițierea fisurii, caracterizată prin microfisuri care se transformă în macrofisuri și poate fi definită ca numărul de cicluri în care se aplică solicitarea la care este vizibilă fisura în stratul de protecție.

Propagarea fisurii, reprezintă etapa în care fisura se propagă până la suprafața stratului, pe întreaga grosime a acestuia. Propagarea fisurii în cazul îmbrăcăminții flexibile poate fi exprimată prin legea lui Paris și Erdogan (relația Error! Reference source not found.).

Pentru a determina parametrii A și n (constante de material) se pot folosi următoarele relații empirice [12]:

Unde m –panta curbei de compleanță pentru un timp de încărcare dat (t)

c1 și c2 –coeficienți ce depind de rigiditatea mixturii, respectiv de procentul de goluri din mixtură

Constanta de material A se determină în funcție de mai mulți factori, cum ar fi modulul complex (E*), rezistența la întindere a mixturii (), energia de rupere a mixturii (), dar și de panta curbei de comleanță (m).[12]

O altă relația utilizată de către Mostafa M. Elseifi și Imad L. Al-Qadi [11], are forma

Unde AV -volumul de goluri%

AC -conținutul de bitum %

E -modulul rezilient al mixturii. (denumit și modul de elasticitate dinamic dacă determinarea se face în domeniul elastic).

Totuși, pentru a afla cât mai precis aceste constante, este necesar efectuarea de teste pe grinzi realizate din mixtura respectivă, grinzi supuse unor încărcări repetate.

În cadrul experimentelor realizate de către Mostafa M. Elseifi și Imad L. Al-Qadi, s-a utilizat un program de element finit care determină factorul K indirect utilizând integrala independentă de contur J.

Pentru a pune în aplicare cele amintite mai sus în cadrul testelor experimentale în laborator, trebuiesc enumerate metodele experimentale existente care simulează inițierea și propagarea fisurii și anume:

încovoierea în 3 sau 4 puncte pentru o grindă dreptunghiulară cu crestătură marginală, tip SENB (single edge notched beam specimen)

încovoierea în 3 puncte pentru o grindă semicirculară cu crestătură marginală tip SCB (semicircular bending test)

încercarea la tracțiune compactă pe o epruvetă sub formă de disc tip DC(T) (disked-shaped compact tension test)

În cele ce urmează voi prezenta 2 metode de testare, chiar dacă acestea nu sunt specifice fisurării reflective, elaborate în cadrul Laboratorului de cercetare rutieră din cadrul Universității Tehnice din Catalunia pentru proiectarea mixturilor asfaltice dar și evaluarea fisurării din oboseală: Fenix și EBADE, de către F. Perez jimenez, R. Miro, A. Martinez, R. Botella și G. Valdes [15].

Metoda Fenix

Metoda combină încercările de încovoiere pe grinda semicirculară tip SCB și cea de tracțiune. Epruveta este o grindă semicirculară cu crestătură (6mm adâncime) aflată la mijlocul feței plate, încercată la tracțiune, solicitare realizată prin aplicarea unei deplasări (viteza de 1mm/min) asupra plăcuțelor metalice lipite de o parte și de cealaltă a crestăturii.

Scopul acestei încercări de laborator este de a evalua rezistența la fisurare a mixturilor bituminoase, prin determinarea energiei disipate în timpul testului (o combinație între energia disipată la fluaj și energia de fisurare).

Testul Fenix Grafic al deplasării plăcuțelor funcție de valoarea încărcării

Figura 7.13 Date experimentale: forța și deplasarea

Figura 7.14 Vederi ale suprafeței fisurate (sus), respectiv ale propagării fisurii (jos)

Energia disipată:

GD –energia disipată (J/m2)

WD –lucrul mecanic disipat =aria formată sub curba Forță-deplasare (kN.mm)

h –grosimea epruvetei (m)

l –raza grinzii circulare minus crestătura

Indicele de rigiditate la întindere IRT.

Concluzia: Rezistența la fisurare prin oboseală se poate exprima ca o funcție a energiei disipate GD și IRT prin definirea unei zone cu mixturi care au o comportare mai bună la oboseală. La același IRT se comportă mai bine mixturile cu o valoarea mai mare a energiei disipate GD.

Metoda EBADE (Strain Sweep Fatigue Test)

Spre deosebire de metoda Fenix, aceasta presupune aplicarea unor trepte de deplasări (se păstrează deplasarea constantă un anumit număr de cicluri, după care se crește treptat). Este o încercare de oboseală care presupune un timp mai scăzut și mai putin costisitoare față de cele clasice (încercarea la oboseală pe probe trapezoidale, încercarea în 4 puncte pe epruvete prismatice).

Metoda presupune aplicarea unei deplasări constante (pozitive și negative) prin intermediului unui piston, asupra unui capăt alepruvetei prismatce, celălalt fiind fix. Se simulează astfel încărcări de compresiune și întindere (solicitare sinusoidală).

Figura 7.15 Stand de încercare metoda EBADE

Figura 7.16 Grafic eforturi și deformații funcție de numărul de cicluri, metoda EBADE.

Figura 7.17 Modulul de rigiditate funcție de numărul de cicluri.

O metodă nouă de încercare în laborator a fost dezvoltată la Școala de Tehnologii Superioare în Montreal (QC, Canada) pentru a studia și evalua îmbrăcămințile folosite pentru a preveni propagarea fisurii. Testele pot fi efectuate pe epruvete realizate în laborator sau pe carote luate de pe teren din sistemul rutier. Testul simulează propagarea fisurii într-o structură supusă la întindere ciclică pe orizontală (modul 1), combinată cu încărcări ciclice pe verticală (modul 2), păstrată la o temperatură constantă cu ajutorul camerei termostatate.

Figura 7.18 Schema aparatului dezvoltat în Montreal, Canada

Proba este lipită de două plăcute mobile, dintre care una poate fi mișcată în plan orizontal (Figura 7.18 – placa A) și cealaltă, este liberă în plan vertical (Figura 7.18– placa B). Plăcuțele mobile (A și B) sunt așezate pe reazeme liniare, puse pe șine paralele. Mișcarea pe orizontală a plăcii B este restricționată de cele două traductoare poziționate de o parte și de cealaltă a plăcii. Acestea încarcă stratul superior chiar deasupra stratului inferior tăiat. Evoluția pe orizontală a încărcării se leagă în mod direct de degradarea structurii rutiere. Deplasarea pe orizontală o realizează un sistem mecanic, iar cea pe verticală, unul hidraulic.

Extensiometrii sunt folosiți pentru a măsura deplasarea pe verticală și orizontală a epruvetei. Un set este prins de suprafața structurii rutiere (Figura 7.19), iar altul lângă epruvetă, lipit la 50 mm de suprafața structurii, deasupra tăieturii.

Figura 7.19 Modul de testare și măsurare a aparatului din Montreal, Canada

Degradarea structurii rutiere este evaluată sub un proces ciclic prin monitorizarea evoluției forței orizontale și prin calcularea factorului de intensitate a efortului din structură(), după cum sunt prezentate în Figura 7.20.

Figura 7.20 Evoluția forței orizontale și a factorului de intensitate a efortului în funcție de numărul de cicluri, măsurate cu aparatului conceput în Canada

Cum încercarea nu este omogenă, rezistența la forfecare nu se poate determina în mod direct. Presupunând că rezistența structurii are o valoare medie, valoarea factorului poate fi calculată conform următoarelor relații (Figura 7.21):

Figura 7.21 Evoluția parametrilor folosiți în calculul factorului de intensitate a efortului

Încercarea se face la temperaturi constante, la diferite solicitări: modul 1, modul 2, și cele două moduri simultan, pentru trei tipuri de mixtura asfaltică, conform Tabel 7.1.

Tabel 7.1 Condiții de încercare folosind aparatului dezvoltat în Canada

Figura 7.22 prezintă evoluția atât a forței orizontale cât și valorile pentru cele trei structuri rutiere testate.

Figura 7.22 Rezultatele testelor efectuate pe trei mixturi asfaltice

Acest dispozitiv de încercare este folositor în sublinierea diferențelor între capacitatea structurilor rutiere în a întarzia propagarea fisurii.

Din prelucrarea acestor informatii extrase din literatura de specialitate, se pot extrage urmatoarele concluzii definitorii pentru fisurarea reflectiva si caracterizarea parametrilor de generare, dupa cum urmeaza:

Potențialul fisurării reflective este generat de o funcție caracteristica a proprietăților materialelor, în principal grosimea stratului de acoperire și rigiditatea acestuia

Fisurarea reflectivă este rezultatul mișcărilor diferențiale verticale și orizontale deasupra fisurii din structura existentă. Aceste mișcări, denumite și activitatea fisurii, sunt cauzate de eforturile din temperatură, încărcări din trafic, sau o combinație a celor două.

Pentru a tine cont de efectele temperaturii care influențează componenta orizontală, aceasta trebuie să ajungă cel puțin la 50% din cea verticală de după așternere. Din moment ce valoarea maximă orizontală este 50% din cea verticală, efectele temperaturii sunt neglijabile în fisurarea reflectivă.

In acest efect suprapus din solicitari ale traficului rutier cu variatiile sezoniere ale temperaturii din structura rutiera compozita (asfalt pe beton de ciment), apar solicitari de forfecare a stratului de asfalt deasupra fisurii/crapaturii existente in stratul suport din beton de ciment, care prin dezvoltarea fenomenului de oboseala locala, conduce la initiera si dezvoltarea in timpul exploatarii drumului a fisurarii si transmiterea acesteia prin stratul asfaltic

Apare notiunea de forfecare echivalenta in zona fisurii/crapaturii existente in stratul suport celui asfaltic, care poate fi definita de durata de viata la oboseala

Fisurarea reflectivă se produce în 3 etape:

-Desprinderea stratului de asfalt de structura existentă, se produce datorită forței tangențiale mari prezentă la interfața dintre cele 2, dată de încărcare din trafic.

-Odată cu creșterea numărului de cicluri de încărcare, se mărește această zonă de desprindere. Studiile reflectă faptul că o parte din această desprindere este benefică pentru prevenirea procesului de fisurare reflectivă, dar până la o lățime de 10cm. Cu alte cuvinte există o dimensiune optimă a acestei desprinderi. Efortul s1 se găsește la o distanță de 5-10cm de rost (fisură) pentru o desprindere de 5-32cm. Acesta este etapa a 2a, când fisura se produce la o distanță de 4-6cm de rost, și nu în dreptul rostului.

-sy predomină în s1, în special după ce lățimea desprinderii este mai mare de 5cm. Deci propagarea fisurii se datorează în principal lui sy. Cea de-a 3a etapă o reprezintă dezvoltarea pe verticală a fisurii înspre fața superioară a stratului de protecție.

În cadrul experimentelor realizate de către Mostafa M. Elseifi și Imad L. Al-Qadi, s-a utilizat un program care determină factorul K indirect utilizând integrala independentă de contur J. Aceasta se definește ca fiind schimbarea energiei mecanice în unitatea de aria a suprafeței noi fisurate.

Procedura de reducere la scara încercării de laborator a solicitării date de vehiculul greu asupra unei structuri rutiere

Modelarea unui obiect (Figura 7.23) presupune aplicarea unei reduceri a dimensiunilor geometrice.

Simularea încărcării autovehicului din realitate la scara modelului din laborator, presupune reducerea dimensiunilor constructive la scara modelului, prin analiza elementele constructive de contact între vehicul și cale.

Figura 7.23 Urma roților pe suprafața carosabilă

Caracteristicile de încărcare (Figura 7.24) sunt date de presiunea (P) de contact din pneu și diametrul cercului echivalent al urmei roții pe suprafața de contact (D).

Din schema de încărcare, valorile de calcul utilizate la dimensionarea structurilor rutiere sunt:

încărcarea pe roată P = 57.5 kN(os 115 kN)

presiunea de contact (din pneu) p = 0.625 N

diametrul cercului de contact D = 34.1 cm

Figura 7.24 Schema de încărcare a unei structuri rutiere

Pornind de la cele relatate pentru descrierea fenomenului de degradare din oboseală în perioada de exploatare a unui drum, și de la necesitatea stabilirii unor procedee de investigare în laborator a perfomanțelor straturilor rutiere încă din faza de proiectare și elaborare a rețetelor optime de materiale rutiere, se pot stabili parametrii de simulare fenomenologică prin asimilarea factorilor din realitate.

Astfel, o primă etapă o constituie stabilirea elementelor geometrice ale plăcii la nivelul de scară redusă a modelului de simulare, prin care se poate stabili intervalul forței de solicitare. Pornind de la dimensiunile reale ale unei dale din beton de ciment utilizată în îmbrăcămintea rutieră care este de 3.5m (4.0m) x 6.0m (4.0m), deci cu o suprafață cuprinsă între 24.0m până la 16.0m și acceptarea dimensiunii plăcii de modelare la scară redusă, dedusă inițial (la începutul cercetării) ca fiind 0.5×0.15m (dimensiuni placă), deci cu o suprafață de circa 0.075m2, se poate aprecia domeniul de încărcare. Pentru o încărcare reală pe osia de calcul de 115KN, care la nivelul roților se repartizează la 57.5KN, se poate aprecia că domeniul forței de solicitare a modelului la scară redusă poate fi între 18-27daN. Ținând cont că presiunea de calcul în roata de calcul (OS 115KN) este de 6.25daN/cm2 (0.625 N/mm2), ar rezulta un diametru de contact de 2.35cm. Pentru a elimina eventualul proces de poansonare datorită diametrului mic, este necesar să alegem un diametru de 5cm care, cu o presiune de 6.25daN/cm conduce la o forță necesară de 123daN.

În aceste condiții s-a fixat nivelul maxim al forței de solicitare a dispozitivului de fisurare la P=200daN. Ținând cont ca solicitarea este în regim dinamic, coeficientul dinamic fiind =1.2, s-a acceptat ca nivelul maxim de încărcare Pdin=150daN.

Schemă principală a standului de încercări, din punct de vedere al dispoziției constructive este prezentată în Figura 7.25.

Figura 7.25 Dispoziția constructivă a standului de încercări

Placa supusă testării este rezemată pe două reazeme articulate cu posibilitate de închidere a distanței dintre ele funcție de necesitatea încercării de laborator.

Pentru simularea osiei de calcul, încărcarea cu forța P se va face prin intermediul unui jug cu ampriză variabilă funcție de necesitățile încărcării.

Solicitarea se va face la o frecvență controlată impusă de valorile recomandate de literatura de specialitate, respectiv 4Hz.

Standul va funcționa cu camera termostatată și va prezenta informații legate de propagarea fisurii prin straturi de protectie asfaltice dupa cum urmează:

temperatura de încărcare T [°C]

timpul de propagare t[sec]

evoluția deschiderii fisurii d [10-2mm]

numărul de cicluri aferent propagarii fisurii .

Procedura de evaluare la scară redusă a materialelor din straturile rutiere

Ipotezele de reducere la scară și tipurile de încercări de similitudine comportamentală conform standardelor în vigoare în domeniul infrastructurii transportului rutier.

Considerând că reducerea la scară este de 5 ori, se poate trece la procedura de reducere la scară a structurii rutiere. Mai corect, trebuie gândită o metodă de reducere la scară a scheletului mineral din structura materială a stratului rutier și a cantității de liant necesare.

Pentru început, coeficientul de reducere se poate identifica prin raportarea dimensiunilor geometrice a diametrelor echivalente, utilizate la solicitarea dispozitivului de modelare față de diametrul echivalent al vehiculului de calcul. Această corelare poate fi asimilată scheletului mineral din structura materială unui strat rutier, care este acela de preluare a solicitării pe cercul echivalent de la fațeta superioară și de a o distribui fațetei inferioare (Tabel 7.2).

Tabel 7.2 Reducerea la scară a solicitării și a agregatelor minerale

Funcție de această grilă de reducere la scară a scheletului mineral se calculează dozajul de liant, care depinde de suprafața specifică a agregatului rezultat. Coeficientul de reducere la scară este .

Coeficientul de reducere la scară corespunde unui diametru al cercului echivalent de contact de 7cm.(D2=7cm).

S-a ales această variantă de solicitare pentru a reduce posibilitatea strivirii locale datorită rigidității pe conturul urmei de contact.

În ipoteza menționată, se va trece la etapa de încercări de laborator pentru identificarea similitudinii comportamentale între rețetele standardizate de beton de ciment și mixturi asfaltice, și rețete de confecționare epruvete pentru modelul la scară redusă ().

Tabel 7.3 Caracteristicile epruvetei de beton la scară redusă

Funcție de posibilitățile existente în laboratorul de specialitate, reducerea la scară va fi corelată cu tiparele din dotare.

Analog principiului aplicat betonului de ciment (Tabel 7.3) se va proceda și cu epruvetele din mixtură asfaltică (Tabel 7.4).

Tabel 7.4 Caracteristicile epruvetei din mixtură asfaltică la scară redusă

Etapele dezvoltării unui echipament experimental în laborator capabil a simula solicitările din temperatură și trafic

În stratul asfaltic de protecție apar tensiuni de întindere la temperaturi negative, atunci când, practic, crește și rigiditatea materialului rutier bituminos.

Această fază de solicitare a stratului asfaltic, conduce la favorizarea propagării fisurii la variația factorilor de temperatură (Figura 7.26).

Figura 7.26 Propagarea fisurii din beton prin stratul asfaltic de protecție

Simularea acestor tipuri de solicitări (din trafic și variații de temperatură) se poate obține printr-un dispozitiv mecanic capabil de a induce un efect combinat din tracțiune și încovoiere. Prin efectul combinat, se obține întinderea din încovoiere, la care este supusă structura rutieră din realitate la încărcările date de traficul rutier.

Dacă se dorește obținerea de informații legate de propagarea fisurii din temperatură, se folosește numai solicitarea orizontală a dispozitivului (Figura 7.27).

Figura 7.27 Simularea solicitării din temperatură

În urma testării la echipamentul de simulare a propagării fisurii prin straturi rutiere, se poate analiza evoluția acesteia în timp.

În literatura de specialitate, acest gen de teste este prezentat în curs de analiza în faza experimentală, enunțându-se în general faze principale.

Astfel, “testul Cleveland (2001)” permite înregistrarea formei de dezvoltare a fisurii la acțiunea de tracțiune orizontală (solicitare din variații de temperatură) prin măsurarea lungimii fisurii în raport cu ciclurile de solicitare.

Epruveta executată din materialul rutier ce se analizează la fisurare este fixată pe două placi, una fixă și cealaltă mobilă în plan orizontal. Creșterea distanței între cele două plăci ale dispozitivului reprezintă creșterea fisurii la nivelul stratului vechi fisurat.

Fisura rezultată în urma procesului de propagare a fisurii de la nivelul celor două platane ale dispozitivului de solicitare, se masoară atât pe marginile epruvetei cât și pe fațeta orizontală (Figura 7.28).

Figura 7.28 Vedere de sus a propagării fisurii la solicitări din temperatură

Echipamentul este însoțit de un sistem de achiziții date care permite înregistrarea automată a dimensiunilor fisurii funcție de ciclurile de încărcare.

Pentru a ușura modul de urmărire a propagării fisurii în timpul testării, se propune vopsirea suprafeței epruvetei cu o culoare care să pună în evidența diferența fața de culoarea naturală a materialului rutier.

Această procedură permite asimilarea condițiilor de fundație rutieră granulară din realitate și deci o apropiere de comportarea betonului asfaltic la fisurare în condițiile solicitării traficului rutier.

O altă metodă de încercare în laborator pentru obținerea fenomenului de propagare la cicluri de încercări dinamice, îl reprezintă sistemul de testare vertical (Figura 7.29), capabil de a înregistra deschiderea fisurii cu captatori de deplasare.

Figura 7.29 Sistem de testare vertical

În acest mod, sistemul de achiziție date devine eficient, captatori de deplasare având posibilitatea de a măsura deschiderea fisurii în timp și de a înregistra automat acest parametru funcție de ciclurile de încărcare.

În concluzie, realizarea unui echipament presupune:

identificarea principalilor parametri comportamentali ai fenomenului de propagare a fisurii.

elaborarea unei scheme analitice de simulare a fenomenului, care să definească parametrii fisurării

concepția unui model la scară redusă care să poată simula fenomenul fisurării din realitate pe diverse materiale rutiere.

obținerea unui echipament asistat de un sistem de achiziție performant, care să permită evaluarea comportării unui material rutier față de fenomenul de propagare a fisurii la cicluri dinamice ale încercării și variații de temperatură.

elaborarea unei proceduri de interpretare a datelor obținute și a unei metode de evaluare a performanțelor materialului rutier în raport cu fenomenul de fisurare.

Fisurometrul Termostatat

Echipamentul pentru studierea fenomenului de fisurare a structurilor rutiere compozite este un sistem complex ce simulează solicitarea traficului și a factorilor climatici asupra unor epruvete sub forma de placă. Epruveta va fi o structura compozită, fiind o structura rutieră reală redusă la scară, astfel încât să poată fi studiat amănunțit fenomenul de oboseală corelat în timp util cu diminuarea modulului de rigiditate și observarea propagării fisurării în punctele de solicitare maximă.

Schema mecanică de funcționare a Fisurometrului Termostatat

Schema de funcționare a epruvetei se aseamănă încercării la întindere din încovoiere pe grinzi, reglementată în normele de testare în laborator. Diferența o constituie modul de încercare „inversat” (Figura 7.30), pentru a permite amplasarea camerelor video, în vederea achiziției de date privind inițierea și propagarea fisurii prin epruvetă.

Figura 7.30 Schema mecanică de funcționare a Fisurometrului Termostatat

Schema de încărcare a epruvetelor

Pentru a grăbi apariția fenomenului de fisurare și propagarea fisurii sub încărcări ciclice, se poate recurge la trepte de încărcare, urmărindu-se evoluția deformației epruvetei în condiții extreme de solicitare. Utilizând cicluri constante de încărcare și trepte echivalente de solicitare, se poate determina prin raportare comportamentală, rețeta optimă din punct de vedere al evoluției fenomenului de fisurare.

Figura 7.31 Tipuri de încercări la fisurare.

În Figura 7.31 se prezintă metodologia de încercare raportabilă la metode consacrate cum ar fi încercarea statică la rupere și încercarea de rupere la oboseală.

Tensiunea de rupere în regim accelerat (după propagarea fisurii pe grosimea stratului eșantionului de mixtură asfaltice), se obține în timp mai scurt față de încercarea la oboseală și reprezintă o caracteristică echivalentă încercării în regim dinamic.

După cum am menționat în cele scrise mai înainte, modul de încercare este unul inversat, astfel aplicarea încărcării se face de jos în sus (Figura 7.32). Acest lucru permite amplasarea celor 2 camere video (la partea superioară a plăcii de beton și în laterala epruvetei), cu ajutorul cărora se poate observa și chiar măsura propagarea fisurii prin stratul asfaltic (Figura 7.33).

Figura 7.32 Poziționarea camerelor video pentru urmărirea fenomenului de fisurare

Figura 7.33 Urmărirea video a fisurării, camera laterală și de sus.

Se poate constata că timpul necesar obținerii fenomenului de fisurare din oboseală, precum și analiza propagării fisurii pe grosimea eșantionului de mixtură asfaltică, permite identificarea rapidă a caracteristicilor materialului testat.

CONTRIBUTII SI INTERPRETARI ALE PARAMETRILOR FISURARII REFLECTIVE PRIN OBSERVAȚII ȘI PRELUCRĂRI ALE REZULTATELOR IN MODELARE EXPERIMENTALA

Măsurători experimentale pe structuri compozite utilizând Fisurometrul Termostatat

Cu ajutorul acestui aparat, se pot măsura prin sistemul de achiziție video următorii parametri (Figura 8.1):

săgeata (deformata) epruvetei asfalt-beton,

deschiderea fisurii existente în betonul de ciment prefisurat (strat vechi),

desprinderea la interfața asfalt-beton în zona fisurii,

lungimea fisurii în stratul asfaltic de acoperire (covor asfaltic),

deschiderea fisurii în stratul asfaltic de acoperire.

Figura 8.1 Parametrii fisurii reflective

Utilizand acesta schema de testare a fisurarii reflective din suportul prefisurat din beton de ciment in covorul asfaltic de protective, se pot obtine diverse interpretari comportamentale ale structurii rutiere composite asphalt-beton de ciment.

Parametrii masurabili si in cale, la aparitia fenomenului de oboseala, prin propagarea fisurarii la suprafata carosabila, sunt deformatiile inregistrate (w) (Figura 8.2), dupa un anumit numar de cicluri de solicitare posibil a fi cuantificabile (nc), db, d, e, f ce se pot achiziționa imagistic (camere video cu soft de prelucrare date) în înregistrările din cursul testării la fisurare pe FISUROMETRUL TERMOSTATAT (Figura 8.3).

Figura 8.2 Evoluția deformatei epuvetei w, în raport cu numărul de cicluri nc

Figura 8.3 Măsurarea parametrilor f, d, e.

Deformata epruvetei asfalt-beton (w)

Studiile inițiale de performanță efectuate prin analize comparative pe FISUROMETRUL TERMOSTAT, au pus în evidență aportul adus de un sistem antifisură de tip geomembrană, la întârzierea propagării fisurilor reflective prin stratul asfaltic de protecție (Figura 8.4). Aceste studii de performanță s-au făcut utilizând variația deformației verticale w în timp (număr de cicluri, nc).

Figura 8.4 Contribuția sistemului antifisură la întârzierea propagării fisurii reflective

În Figura 8.4 s-au făcut următoarele notații:

Cpdv=coeficient de performanță la deformații verticale (w),

CpNc=coeficient de performanță raportat la numărul de cicluri suportat la propagarea fisurii pe grosimea stratului asfaltic de protecție.

S-au pus în evidență coeficienți de performanță ale soluției antifisură cu geocompozit prin raportarea elementelor omoloage măsurate pe FISUROMETRUL TERMOSTAT.

cu coeficientul de performanță la deformații verticale Cpdv=0.19, se poate aprecia o reducere de 19% a deformației aferente propagării fisurii reflective din stratul din beton de ciment degradat, datorită preluării tensiunilor din întindere din încovoiere de către geocompozit;

cu coeficientul de performanță la numărul de cicluri de încărcare CpNc=0.36, se poate aprecia un spor al duratei de viață asimilate la soluția cu geotextil antifisura de 36%.

Valorile mai mari obținute la apariția deformațiilor maxime la rupere (fisurare pe întreaga grosime) și la numărul de cicluri aferent, depinde în mare măsură de consumarea transferului la fisura betonului de ciment, precum și de faptul că în cazul soluției antifisură, o parte din tensiunile de întindere de la baza stratului asfaltic de protecție în proces de fisurare sunt preluate de geocompozit.

În Figura 8.5, Figura 8.6, Figura 8.7 și Figura 8.8 se pune în evidență (prin achiziție date imagine video) inițierea fisurii în covor asfaltic (prin apariția lui f), deschiderea fisurii din betonul de ciment (db) și desprinderea asfaltului de la interfața cu betonul în zona fisurii (e), lungimea fisurii propagate în asfalt (f) și ruperea (propagarea fisurii pe întreaga grosime a stratului asfaltic-covorul asfaltic).

Epuvetele încercate au fost solicitate în trepte, pornind de la o forță de 40daN și o amplitudine de 40daN. Fiecare treaptă de încărcare se modifică la 1200 de cicluri, însemnând la fiecare 5 minute (Figura 8.9).

Relații de regresie între parametrii fisurării reflective

Cu ajutorul regresie neliniare, s-au obținut relații între acești parametri luați doi câte doi (deformata probei w, lungimea f și deschiderea d a fisurii, în funcție de numărul de cicluri de încărcare-descărcare, nc).

între deformația verticală și numărul de cicluri (Figura 8.10)

unde deschiderea fisurii în asfalt

numărul de cicluri

Figura 8.10 Regresie neliniară între deformația verticală, w, și numărul de cicluri

între deschiderea fisurii în asfalt și numărul de cicluri (Figura 8.11)

unde deschiderea fisurii în asfalt

numărul de cicluri

Figura 8.11 Regresie neliniară între deschiderea fisurii în asfalt, d, și numărul de cicluri

între lungimea fisurii în asfalt și numărul de cicluri (Figura 8.12)

unde lungimea fisurii în asfalt

numărul de cicluri

Figura 8.12 Regresie neliniară între lungimea fisurii în asfalt, f, și numărul de cicluri

între deschiderea fisurii în asfalt și lungimea acesteia (Figura 8.13)

unde deschiderea fisurii în asfalt

lungimea fisurii în asfalt

Figura 8.13 Regresie neliniară între deschiderea fisurii în asfalt, d, și lungimea fisurii f

Observații asupra experimentelor realizate

În continuare se vor prezenta cateva observații asupra experimentelor efectuate pe un număr de 10 epruvete (4b, 5a, 5b, 6a, 7a, 7b, 8a, 8b, 9a, 9b).

Menționez că modelul experimental a avut aceeași placă de beton de ciment prefisurat, dar și aceeași mixtură asfaltică ca strat de protecție MASF16, după cum am prezentat în raportul de cercetare numărul 2, Analiza prin interpretare statistică a soluțiilor obținute în regim accelerat în laborator la solicitări echivalente traficului rutier.

Notația epruvetelor cu a și b s-au făcut pentru plăci de mixtură (15x30cm) tăiate din aceeași placă 30x30cm, asa cum s-a detaliat la prezentarea echipamentului de incercare la fisurare reflective, FISUROMETRUL TERMOSTAT. Exemplu: s-a confecționat o placă denumită 5 având dimensiunea 30cm lățime, 30cm lungime; din aceasta, prin tăiere în jumătate, au rezultat 2 plăci 5a și 5b, care corespund unui model de dala la scara redusa, in functie de care s-a stabilit si nivelul solicitarii asimilate unui trafic rutier rutier pentru echipamentul de testare in laborator Fisurometrul Termostatat.

Aceste placi din asfalt, care pastreaza grosimea unui covor asfaltic, s-au lipit pe suportul din beton prefisurat printr-un amorsaj de bitum și apoi încercate pe rând. In acest scenariu, incercarea succesiva conduce la modificarea transferului la fisura predeterminata a suportului din beton de ciment.

Subliniez că solicitarea la incarcari ciclice asimilate unui trafic rutier, se aplica la fisurometrul termostat in trepte ascendente de incarcare (forta este variabila in functie de rigiditatea mixturii asfaltice), pentru a testa epruveta in regim accelerat. aplicarea regimului accelerat se face pentru protectia prototipului Fisurometrul Termostatat.

Observatiile experimentale sunt legate de conditiile diferite de amorsare a placii asfaltice pe suportul din beton de ciment prefisurat, de deschiderea initiala a fisurii existente in suportul din beton de ciment si bineinteles de conditiile structurale obtinute la confectionarea placilor asfaltice.

Interpretarile observatiilor experimentale pe fiecare epruveta testata, sunt conform detaliului prezentat pe rezultatul testului la fisurare reflectiva, aferenta epruvetei 4b.

Observații și interpretări ale rezultatelor epruvetei de calibrare a încercării 4b

Forța la care s-a transmis fisura din betonul prefisurat în stratul de protecție și s-a produs cedarea epruvetelor este de 80daN, numărul de cicluri la care s-a produs fisurarea este nci4b=1000 (initierea fisurii in stratul asfaltic), respectiv cedarea ncCR4b=1553 (adica propagarea fisurii pe intreaga grosime a stratului asfaltic). Timpul total de încercare este de 388 secunde, in conditiile in care frecventa solicitarilor la fisurometrul termostat este constanta.

În Figura 8.14 se prezintă evoluția deformației verticale (determinata prin prelucrare imagistica si inregistrata de softul echipamentului Fisurometrul Termostatat), în funcție de numărul de cicluri. S-a notat cu Cedare 4b numărul de cicluri la care s-a oprit experimentul, iar cu Rupere 4b momentul în care fisura s-a propagat prin întreaga grosime a mixturii asfaltice de protecție. Astfel, putem considera capacitatea de rezistenta la fisurare reflectiva pentru 4b un număr de cicluri de 1259 si ca durata de viață (315 secunde). Calibrarea acestor date obtinute prin modelare experimentala se poate realiza prin analiza comparativa cu un sector experimental, cand se cunoaste situatia defectelor prin fisurare a unei imbracaminti rutiere rigide, inaintea aplicarii unui covor asfaltic de protectie. analiza ar fi de durata, intrucat va trebui urmarit sectorul experimental in timpul exploatarii si de detrminat traficul efctiv transformat in trafic de calcul in momentul in care fisurile reflective apar la suprafata covorului asfaltic de protectie. Acesta varianta de cercetare care necesita o finantare corespunzatoare, constituie o directie viitoare de analiza a programului experimental propus prin proiectul cercetarii aferent tezei de doctorat.

Deocamdata, analiza prin modelare experimentala in laborator se va face doar până în acest punct de cercetare, respectiv pana cand fisura reflectiva apare la suprafata stratului asfaltic si este "vizibila" peste 80% din grosimea acestui strat.

Figura 8.14. Creșterea deformației verticale în funcție de numărul de cicluri pentru 4b

Pentru a dispune de o periada suficienta la capabilitatea dispozitivului de inregistrare progresiva a fisurarii reflective prin stratul asfaltic al epruvetei, temperatura de incercare este fixata la 15oc, corespunzator unei rigiditati controlate a stratului asfaltic.

Epruveta 4b a fost utilizată pentru calibrarea programului experimental, în sensul identificării parametrilor încercării la fisurare reflectivă pentru simularea stratului de protecție asfaltic la îmbrăcăminți din beton de ciment degradate prin fisurare.

Astfel, în Figura 8.14 se pun în evidență principalii termeni ai fisurării la încercarea în regim accelerat prin modelarea experimentală în laborator. Luând în considerație variația deformației verticale în funcție de creșterea numărului de cicluri de întindere din încovoiere repetată a epruvetei din beton prefisurat peste care s-a așternut un strat asfaltic de protecție (4cm MASF16), asimilata aplicării soluției de întreținere-reparație la structura rutieră rigidă la nivelul modelului experimental.

Așadar, se pot identifica următorii parametri de analiză:

Durata de funcționare la fisurare în regim accelerat (Tf)

Deschidere fisură în strat asfaltic (d)

Desprindere asfalt de pe beton în zona fisurii (e)

Număr de cicluri la inițierea și propagarea fisurii nci, la deschiderea și propagarea fisurii pe grosimea stratului asfaltic ncf și la cedarea prin rupere ncR=nctot.

Deformația verticală (deflexiunea) la inițierea și propagarea fisurii wi, la deschiderea și propagarea fisurii pe grosimea stratului asfaltic wf, la cedarea prin rupere wfR și la apariția crăpăturii în stratul asfaltic wR.

deschiderea fisurii din stratul suport din beton de ciment (db)

In cazul structurilor rutiere flexibile sau semirigide, deformația verticală (deflexiunea) la inițierea fisurii wi poate pune în evidență deflexiunea maximă din teren (dadm), iar când apare fisura la suprafața stratului asfaltic de protecție în teren (d>dadm). In cazul structurilor rutiere rigide, la care stratul de uzura este asfaltic (cazul dezvoltat in teza de doctorat), deformatia vertical (w), se datoreaza reducerii transferului la fisura existent pe toata grosimea stratului suport din beton de ciment

Pe sector experimental, prin intermediul măsurătorilor deflectometrice se pot determina Nci corespunzător atingerii deflexiunii admisibile (dadm) și Ncf corespunzător tasării aferente apariției fisurii la suprafața stratului asfaltic. In cazul structurii rutiere rigide cu strat de uzura din mixture asfaltica, interpretarea fisurarii reflective este indirecta, respective, atunci cand apare fisura la suprafata carosabila, adica in stratul asfaltic, deci procesul de propagare a fisurarii s-a incheiat, se pot anticipa parametrii aferenti procesului prin utilizarea procedurii descrisa in prezenta teza. Interpretarea este indirecta, deoarece in afara de investigatiile din teren trebuie sa se apeleze si la incercari clasice de determinare a caracteristicilor reziduale ale materialelor din imbracamintea rutiera. Se poate evalua astfel capacitatea de preluare a fisurarii reflective la momentul analizei, precum si evolutia parametrilor aferenti prin studiul pe modelul experimental ce se poate cerceta pe o epruveta extrasa din cale. In acest mod se poate anticipa rezerva din durata de functionare a imbracamintii rutiere rigide , printr-un coefficient de performanta rezultat din comportarea la fisurare reflective a epruvetei extrase din cale raportabil la rezultatul la acelasi process realizat pe o epruveta similara , dar confectionata in laborator.

Pentru materialul asfaltic utilizat se determină experimental timpul (ti) si numarul de cicluri la care si initiaza fisurarea la interfata asphalt-beton de ciment ( nci ), precumși timpul final (tf) si numarul de cicluri inregistrat cand fisura apare la suprafata stratului asfaltic (ncf). Astfel, pentru alte lucrări cu aceeași rețetă, se pot anticipa timpi aferenți duratei normate de funcționare, respective Dt=tf-ti.

În Tabel 8.1 se prezintă numărul de cicluri și deformația verticală la care s-au produs fisurarea, ruperea, respectiv cedarea epruvetei 4b.

Tabel 8.1 Numărul de cicluri și deformația verticală la fisurare/rupere/cedare, epruveta 4b

Un simplu calcul indică faptul că aproximativ 80% din durata de viață a mixturii se consumă până în momentul apariției fisurii și 20% din timp îl reprezintă propagarea fisurii prin placa de asfalt (Tabel 8.2). Numărul de cicluri corespunzător propagării fisurii este de 259.

Aceasta observatie este in concordanta cu realitatea, prin care se stie ca rolul de rezistenta la fisurarea din oboseala, in cazul unei structuri rutiere compozite, de tip strat de uzura asfaltic pe support din beton de ciment, il are acest ultim strat, respective stratul rutier de baza.

Tabel 8.2 Indicele de fisurare a mixturii, epruveta 4b

Doi dintre parametrii măsurați în cadrul experimentului, care influențează indirect propagarea fisurii prin stratul asfaltic de protecție, sunt: deschiderea inițială a fisurii betonului de ciment (dbi, conlucrare prin frecare între agregate și/sau între piatra de ciment, între pereții fisurii), și desprinderea inițială a stratului de asfalt de placa de beton (ei, amorsajul de bitum, la interfața dintre beton și mixtură).

Aceștia sunt evidentiati pe modelul experimental afferent echipamentului de laborator FISUROMETRUL TERMOSTATAT în Figura 8.15, iar valorile pentru proba 4b, utilizată în studiul de calibrare a programului experimental, sunt prezentate prin prelucrarea imagistica generate de soft-ul echipamentului în Tabel 8.3.

Figura 8.15 Parametrii inițiali ai studiului fisurării

Tabel 8.3 Valorile deschiderii inițiale dbi și ale desprinderii inițiale (amorsajul de bitum) ei

Tabel 8.4 Etapele fisurării reflective în cazul așternerii stratului asfaltic de protecție peste o îmbrăcăminte din beton de ciment prefisurată

În cea de-a doua parte a încercării, atunci când fisura s-a transmis la placa de asfalt, s-au măsurat și alți parametri cum ar fi deschiderea d și lungimea f a fisurii în asfalt (Figura 8.16).

Figura 8.16 Parametrii fisurii în asfalt, deschiderea d și lungimea f

Pentru calibrarea modelului matematic cu rezultatele obtinute prin modelarea experimentala pe FISUROMETRUL TERMOSTAT, se utilizeaza, in continuarea cercetarii fisurarii reflective din stratul suport prefisurat din beton de ciment in stratul superior asfaltic cu rol de uzura si de protectie in acelasi timp a imbracamintii din beton de ciment fisurate in exploatare, următoarele notații:

-pentru

d exp –deschiderea fisurii în asfalt măsurată pe model experimental

d calc –deschiderea fisurii în asfalt determinată pe model matematic

f exp –lungimea fisurii în asfalt măsurată pe model experimental

f calc –lungimea fisurii în asfalt determinată pe model matematic

db exp –deschiderea betonului măsurată pe model experimental

db calc –deschiderea betonului determinată pe model matematic

Rezultatele cercetarii in aceasta directive, au pus in evidenta urmatoarele principii de evaluare ai parametrilor fisurarii reflective, dupa cum urmeaza:

Măsurătorile și prelucrarile acestor parametri, lungimea și deschiderea fisurii, pentru epruveta 4b indică:

Variația deschiderii fisurii d, dar și a lungimii f în stratul asfaltic, în raport cu creșterea numprului de cicluri n, este neliniară (Figura 8.17). Modelul de regresie care descrie cel mai bine această relație este de forma:

Pentru

, , ,

Abaterea standard S=0.4708, iar coeficientul de corelare r=0.998.

Pentru

, , ,

Abaterea standard S=0.7936, iar coeficientul de corelare r=0.9993.

Putem astfel determina la ce număr de cicluri ajunge propagarea fisurii la jumătate din grosimea plăcii de asfalt de protecție (h=50mm): cicluri (, sau putem spune că lungimea fisurii a ajuns la h/2, la 30% din durata totală a propagării acesteia). Aceasta constatare este extrem de importanta prin raportarea cu alte modele experimentale utilizate in evaluarea fenomenului de oboseala din straturile asfaltice, care stabilesc ca rezistenta stratului este consumata in cazul in care s-a consumat jumatate din deformatia acumulata la ciclurile de solicitare.

In Figura 8.17, se poate observa faptul ca rezistenta initiala la fisurare a stratului asfaltic este mai mare, prin cresterea accentuate a valorii deschiderii fisurii (d) si evolutia mai lenta a propagarii fisurii (f). De asemenea se remarca faptul ca diagram evolutiei fenomenologice experimentale este redata cu acuratete de legea matematica aferenta.

Figura 8.17 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 4b

Modelul de regresie găsit pentru evoluția deschiderii betonului db în raport cu n este modelul MMF (Morgan-Morgan-Finney), Figura 8.18:

, , ,

Abaterea standard S=30.961, iar coeficientul de corelare r=0.9988.

Pentru a afla cât este deschiderea reală a betonului de ciment într-un punct, la valoarea rezultată din modelul MMF se va adăuga valoarea deschiderii inițiale (Tabel 8.3)

Figura 8.18 Variația deschiderii betonului db în funcție de nc, epruveta 4b

Ținând cont de modelele de regresie găsite între acești 4 parametri (2 câte 2), se poate observa evoluția lor într-o reprezentare:

tridimensională

deschidere d, lungime f și nc, in stratul asfaltic (Figura 8.19),

deschidere d și lungime f fisură în asfalt și deschiderea betonului db (Figura 8.20)

în același plan a tuturor celor 4 parametri (Figura 8.21). Pentru a fi mai sugestiv desenul (Figura 8.21), s-a raportat valoarea parametrului într-un punct la valoarea totală (exemplu: , unde –lungimea fisurii în punctul considerat, -lungimea din momentul propagarii fisurii pe grosimea stratului asfaltic)

Figura 8.21 Graficul celor 4 parametri în plan, epruveta 4b.

Aceasta diagrama de analiza multicriteriala (Figura 8.21), permite identificarea parametrilor mai putin vizibil la prelucrarea imagistica a datelor obtinute cu soft-ul aferent dispozitivului fisurometru termostat

Vitezele de variație a deschiderii fisurii (Figura 8.22), a propagării (lungimii) fisurii (Figura 8.23) prin asfalt, respectiv a deschiderii betonului de ciment (Figura 8.24), se calculează prin derivarea funcției ().

Se poate constata functie de curbura diagramelor legatura dintre parametrii fisurarii reflective. astfel, daca viteza de variatie la deschiderea fisurii in asfalt este mai redusa, urmand ca in finalul testului la propagarea reflectiva sa creasca accentuat, viteza de variatie a lungimii fisurii este mai accentuata la inceputul testului, estompandu-se catre sfarsitul testului. Aceasta comportare diferita intre viteza de deschidere a fisurii si lungimea ei prin propagare pe grosimea stratului asfaltic, se explica prin comportarea reologica a acestui material rutier si prin trecerea de la comportarea elastica la cea plastica in timpul dezvoltarii starii de deformatie locala in "capul fisurii", conform teoriei irwin.

In Figura 8.24, unde se prezinta viteza de variatie a deschiderii fisurii existente in stratul suport din beton de ciment, se pune in evidenta fenomenul creiat de efectul de transfer la fisura prin frecarea initiala a pertilor acestui strat suport, atenuat de amortizarea procesului de transfer prin prezenta stratului asfaltic la fibra superoara a stratului din beton de ciment, care lucreaza impreuna cu acesta prin aplicarea operatiei tehnologice de amorsaj. Astfel, initial, cand lucreaza transferul din fisura stratului din beton de ciment impreuna cu amortizarea strtului asfaltic prezent la suprafata acestuia, capacitatea de preluare a deformatiei verticale (deflexiunea sub sarcina) este mai mare si deci viteza de deschidere a fisurii existente din betonul de ciment este mai mica.

In etapa intermediara, cand transferul la fisura stratului suport din beton de ciment se consuma si se mobilizeaza capacitatea de preluare a transmiterii fisurii prin stratul asfaltic se schimba curbura diagramei, in asa fel incat in faza finala de propagare reflectiva viteza de deschidere a fisurii din stratul din beton sa creasca la o deflexiune mai redusa.

Toate aceste constatari experimentale, transpuse pentru explicitare fenomenologica in modelare matematica, isi pot gasi utilitatea practica prin utilizarea procedurii de lucru propuse in cadrul tezei de doctorat, in cazul aplicarii unui program de cercetare extins, pe mai multe tipuri de materiale rutiere asfaltice folosite ca variante de executie la stratul asfaltic de protectie a unei imbracaminti din beton de ciment degradate in perioada de exploatare.

Capacitatea de transfer a fisurii de la beton la stratul de protecție

Fisura reflectivă apărută la suprafata carosabila, fara a fi insotita si de aparitia de tasari locale, presupune ca fenomenul propagarii sa apara fara deschiderea la nivel de pierdere de transfer la nivelul stratului din beton de ciment si atunci, parametrul desprinderii la interfata asphalt-beton este practic zero, pe cand atunci cand apar si tasari se presupune ca s-a consumat transferul la fisura din stratul suport din beton si apar si desprinderi de interfata, respectiv apare cu valori si parametrul (e).

Pentru a putea interpreta modul de propagare a fisurii printr-un strat asfaltic de protecție a unei îmbrăcăminți din beton de ciment degradat prin fisurare, fisuri care pot fi de diverse grade de severitate în funcție de deschiderea acestora, s-a programat un studiu experimental pe 8 epruvete de laborator, care diferă între ele prin deschiderea predeterminată a fisurii din betonul de ciment.

Timpul de propagare al fisurii prin stratul asfaltic de protecție se determină indirect prin numărul de cicluri aferent procesului de fisurare și prin deformarea verticală rezultată (săgeata w).

Pentru suportul din beton de ciment prefisurat cu deschiderea predeterminată de 3mm (Figura 8.25), se observă că inițial exista capacitate de transfer în suportul din beton de ciment, săgeata aferentă fisurării din stratul asfaltic de protecție este de 4mm (proba 3a), iar pentru următoarele epruvete asfaltice lipite pe același suport deja încercat la proba 3a, săgeata crește la 13mm (Figura 8.27) datorită reducerii transferului la fisură din suportul din beton de ciment.

Figura 8.27 Deformația verticală funcție de nr. de cicluri

Proba 3a (db= 3 mm) w=4mm nc= 12700;

Proba 4a (db= 3mm) w= 13mm nc = 12700+12400=25100

Proba 2a (db= 3mm) w= 13mm nc = 25100+9000 =34100

La proba 2a se constată că la o săgeată de 13mm, numărul de cicluri aferent propagării fisurii prin stratul asfaltic coboară la 9000, ceea ce semnifică că stratul suport are o capacitate mai redusă de preluare a solicitării de întindere din încovoiere prin transferul la fisura, aceasta fiind preluată de stratul asfaltic.

Proba 4b (db= 7mm) w= 24mm nc = 3600

Proba 3b (db= 7mm) w= 20mm nc = 3600+1500=5100

Proba 2b (db= 7mm) w= 20mm nc = 5100+300=5400

Pentru epruvetele asfaltice lipite pe suportul din beton prefisurat cu deschiderea de 7mm, constatarea facută este evidentă prin faptul că numărul de cicluri la care se propagă fisura prin acestea este mult redus (proba 2b se fisurează la 300 cicluri față de proba 2a la 9000 de cicluri).

În Figura 8.28 se poate observa același mecanism de propagare a fisurii prin stratul de protecție asfaltic și în cazul analizei acestui proces în funcție de deschiderea fisurii din epruveta asfaltică.

Figura 8.28 Deschiderea fisurii în mixtură funcție de numarul de cicluri.

Proba 3a (db=3mm) nc =12800––––––––––-d= 5mm

Proba 4a (db=3mm) nc =12800+12100=24900––––d=15mm

Proba 2a (db=3mm) nc =24900+ 9600=34500––––-d=18mm

Proba 3b (db=7mm) nc =3600–––––––––––d=15mm

Proba 4b (db=7mm) nc =3600+1600=5200––––––d=22mm

Proba 2b s-a rupt casant de la primele cicluri de solicitare, deoarece nu mai exista transfer la fisura în stratul din beton de ciment.

În ceea ce privește analiza procesului de propagare reflectivă a fisurii din stratul prefisurat din beton de ciment în stratul de protecție asfaltic, rezultatele obținute în laborator pun în evidență același mecanism de dezvoltare prezentat la analizele anterioare, respectiv un timp mai scurt de propagare atunci când deschiderea fisurii din suportul din beton este mai mare (Figura 8.29). Exprimarea în timp mai scurt de propagare este indirecta, prin intermediul numărului de cicluri de solicitare, care este mai redus în cazul existenței de crăpături în stratul din beton de ciment (exemplu db=7mm).

Figura 8.29 Lungimea fisurii în mixtură funcție de numărul de cicluri.

Proba 3a (db=3mm) nc =12900 cicluri, f=30mm

Proba 4a (db=3mm) nc =12000 cicluri, f=45mm;

Proba 2a (db=3mm) nc = 9600 cicluri, f=40mm.

Proba 3b (db=7mm) nc = 3600 cicluri, f=50mm;

Proba 4b (db=7mm) nc = 1250 cicluri, f=45mm.

Se observă faptul că lungimea fisurii propagate în epruveta din asfalt se propagă pe grosimea stratului (5cm) la un număr de 12900 cicluri atunci când există și transfer la fisura existent în suportul din beton de ciment (db=3mm), dar se propagă practic la grosimea stratului asfaltic de 5cm la numai 3600 cicluri atunci când nu mai există conlucrare de transfer în stratul suport din beton de ciment (crăpătură, db=7mm).

Pentru epruvetele asfaltice lipite pe suportul din beton prefisurat cu deschiderea de 7mm, constatarea facută este evidentă prin faptul că numărul de cicluri la care se propagă fisura prin acestea este mult redus (proba 2b se fisurează la 300 cicluri față de proba 2a la 9000 de cicluri).

S-a constat un timp mai scurt de propagare atunci când deschiderea fisurii din suportul din beton este mai mare. Exprimarea în timp mai scurt de propagare este indirecta, prin intermediul numărului de cicluri de solicitare, care este mai redus în cazul existenței de crăpături în stratul din beton de ciment (exemplu db=7mm).

S-a observă faptul că lungimea fisurii propagate în epruveta din asfalt se propagă pe grosimea stratului (5cm) la un număr de 12900 cicluri atunci când există și transfer la fisura existent în suportul din beton de ciment (db=3mm), dar se propagă practic la grosimea stratului asfaltic de 5cm la numai 3600 cicluri atunci când nu mai există conlucrare de transfer în stratul suport din beton de ciment (crăpătură, db=7mm).

Interpretare multicriterială a procesului de fisurare reflectivă

Interpretarea multicriterială a procesului de fisurare reflectivă la structuri rutiere rigide reabilitate prin așternerea unui covor asfaltic de protecție, presupune o analiză combinată între factorii de influență a procesului de transmitere și propagare a fisurii din îmbrăcămintea din beton de ciment fisurat, în stratul asfaltic de protecție.

Acești factori de influență sunt descriși sub formă de indici parametrici:

indicele parametrului cicluri de solicitări ciclice Inc,

indicele parametrului de variație a deschiderii în timp a fisurii existente din suportul din beton de ciment Idb,

indicele de deschidere a fisurii reflective în stratul asfaltic Id,

indicele de propagare a fisurii prin stratul asfaltic If.

Diagramele de interpretare multicriterială a procesului de propagare reflectivă a fisurii prin stratul asfaltic al modelului experimental, sunt prezentate în continuare, pentru fiecare epruvetă în parte.

Epruveta 4b reprezintă proba pentru calibrarea încercării, întrucât și din prelucrarea imagistică a rezultat că toți cei parametri de analiză (nc, db, d, f) au evoluat prin interdependență, iar variația lor este una proporțională.

Deschiderea inițială a fisurii din suportul din beton de ciment (dbi) a fost la nivelul unui indice Idb=1.5. Pe măsură ce indicele de solicitare ciclică a epruvetei Inc a început să crească valoric, au început să varieze în sens crescător ca ceilalți indici.

Se poate observa o creștere asimtotică la prima bisectoare atât în cadrul variației deschiderii fisurii betonului (Idb) cu indicele de deschidere al fisurii din stratul asfaltic al modelului experimental.

O explicitare a acestei comportări la fisurare reflectivă a stratului asfaltic, o are efectul de transfer redus în fisura din betonul de ciment, la care deschiderea inițială dbi=4.3mm, iar cea finală dbR=14.9mm.

Comparând această comportare la fisurare a modelului experimental de structură rutieră asfalt-beton de ciment, cu modelul 7a, se poate constata o evoluție diferită în cadranul Inc/If, datorită transferului la fisură din stratul prefisurat din beton de ciment unde dbi=4.4, iar dbR=7.2.

Creșterea transferului la fisură din stratul din beton de 2 ori la proba 7a față de 4b, conduce la o dezvoltare prin propagarea fisurii la epruveta 7a în cadranul Inc/If pe direcția primei bisectoare, ceea ce înseamnă că acest fenomen reprezintă capacitatea portantă la fisurare prin oboseală a stratului asfaltic.

În cazul probei 4b, datorită transferului redus în stratul din beton de ciment prefisurat, solicitarea principală care stă la baza evoluției fisurii reflective din stratul asfaltic, este cea din întindere din încovoiere, iar curba de evoluție în cadranul Inc/If, se găsește sub prima bisectoare.

Măsurători în teren pentru calibrarea incercarilor de laborator

Unul din cele mai corecte moduri de a preciza momentul optim în care administratorul drumului trebuie să intervină asupra sistemului rutier, îl reprezintă măsurătorile efectuate direct pe teren.

Pentru a urmări evoluția în timp a degradărilor structurii rutiere, avem nevoie de informații legate de tipul și grosimea straturilor din componența structurii, degradările ce apar de-a lungul timpului la nivelul căii de rulare (partea vizibilă a sistemului rutier), dimensiunile acestora, dar și informații legate de traficul de pe sectorul respectiv de drum (categorii de vehicule, numărul acestora, distribuția greutății pe tipuri de osii) și diferențele de temperatură zilnică și sezonieră.

Odată cunoscute, se pot lua decizii asupra modului și momentului în care se intervine asupra părții carosabile (fie prin tratamente de suprafață, fie prin înlocuirea straturilor superioare de protecție, fie prin refacerea integrală a sistemului rutier, e.t.c.).

Una din metodele cele mai eficiente la ora actuală, pentru a centraliza informațiile culese din teren, o reprezintă sisteme informatice geografice GIS (Geographical Information System). Acestea permit o mai bună organizare a datelor, stochează, prelucrează și vizualizează informațiile introduse.

Pentru colectarea și întreținerea la zi a informațiilor interesante din punct de vedere al infrastructurii drumului, s-a conceput un sistem combinat video/GPS (poate fi format dintr-un laptop la care se conectează un receptor GPS și camere video) (Figura 8.30).

Acest sistem se montează pe o mașină care rulează pe drumul respectiv și măsoară degradările apărute la suprafața sistemului rutier, poziționându-le ca și amplasare pe partea carosabilă cu ajutorul receptorilor GPS.

Figura 8.30 Sistem combinat video-GPS, de achiziție date.

După măsurătorile efectuate pe teren cu ajutorul acestui vehicul, se trece la prelucrarea datelor, folosind anumite facilități oferite de către programele construite special pentru acest tip de organizare a informației (exemplu: ArcGIS):

Punctul -pentru elemente ce sunt definite de poziție (pentru exemplificare alegem o groapă de dimensiuni mici, căruia programul de prelucrare a datelor îi poate determina poziția reală). Câmpurile bazei de date vor conține datele textuale iar poziția spațială va fi dată de coordonata punctului de inserție

Linia -pentru degradări sau defecțiuni liniare. Un exemplu ar fi o fisură (Figura 8.31). Acest element va fi sesizat de către programul de achiziție a datelor ca o succesiune de coordonate. Acestea vor fi unite printr-un element de tip linie (ce va fi de fapt informația spațiala) ce va conține și informația de tip textual în câmpurile bazei de date. În urma prelucrării imaginilor preluate din teren, se pot diferenția fisurile de crăpături. Astfel, dacă prin măsurare, valoarea lui D este mai mică de 5 mm, se poate încadra ca fiind degradare de tip LINIE, subcodul fisură. Dacă valoarea lui D este mai mare de 5 mm, degradarea va fi de tip crăpatură.

Figura 8.31 Măsurarea fisurii (crăpăturii)

Polygon – folosit la reprezentarea tuturor degradărilor ce sunt definite de suprafață, cum ar fi de exemplu suprafetele poroase, gropile (Figura 8.32), rupturile de margine etc. Softul va determina o serie de puncte ce vor forma un contur închis. Acel contur închis va avea o arie, ceea ce va fi foarte util în partea de analiză. Acea arie este calculată automat de către ArcGis, și este o componentă a bazei de date, alături de celelalte câmpuri definite de utilizator.

Figura 8.32 Modul de măsurare a dimensiunilor unei gropi.

In cazul fisurarii reflective la analiza fenomenului de oboseala pentru structuri rutiere compozite (imbracaminte asfalt pe suport din beton de ciment), din suprafata scanata se alege cea fisurata longitudinal. Acest tip de fisurare este consacrata fenomenului de oboseala structurala, rezultat ca fisurare reflectiva din cedarea straturilor rutiere inferioare. La suprafata carosabila apar fisurile longitudinale din oboseala, care in general sunt insotite si de deformatii permanente alocate fagasuirii sau tasarilor locale, deci deformatiilor verticale (w), studiate in cazul modelarii experimentale cu Fisurometrul Termostat.

Se poate vizualiza conlucrarea de interfata asfalt-beton, prin teste cu Georadarul, pentru a constata modificarile de aderenta, respectiv, aparitia parametrului de desprindere si prin masuratori in cale.

Daca se dispune si de recensaminte de trafic, care presupune cunoasterea numarului de cicluri de incarcare aferente volumului de trafic Nc, inseamna ca se dispune de un al doilea parametru de cercetare echivalent (nc). Cu cei doi parametrii evaluati pe un sector experimental din realitate se poate utiliza procedura de analiza stabilita prin programul experimental al prezentei teze de doctorat, consacrata determinarii performantei structurii rutiere compozite, prin raportarea la comportarea modelului la scara redusa testat in laborator pe Fisurometrul Termostatat.

Dacă părțile interesate (administrator, proiectantul drumului) reușesc să culeagă informații în mod constant despre degradările ce apar în timp, ale sistemului rutier, dar și informațiile referitoare la variațiile de temperatură, precum și despre traficul de vehicule și nu numai (să asigure continuitate în utilizarea sistemului), se pot stabili strategii de întreținere și reparații.

Administratorul are informații legate de timpul la care trebuie intervenit și a modului în care se face, iar proiectantul asupra comportării diferitelor soluții adoptate, în vederea îmbunătățirii acesteia.

Ceea ce acest mod de achiziție și prelucrare a datelor nu ne oferă, cel puțin în ceea ce privește fisurarea structurilor rutiere, este ceea ce se întâmplă până când fisura apare la suprafață, mai precis timpul în care aceasta se propagă din fundație, prin straturile superioare. De asemenea, un alt inconvenient îl reprezintă timpul mare de urmărire necesar evaluării comportării soluțiile adoptate.

Pentru a începărta aceste inconveniente, se realizează modelări experimentale care simulează cât mai exact, evoluția degradărilor în urma acțiunii traficului și a variațiilor de temperatură la etapa de proiectare a retetei mixturii asfaltice in laborator, anticipandu-se prin procedura de cercetare propusa prin teza de doctorat, un factor extrem de important pentru elaborarea strategiilor de interventie in cale si anume, durata normata de functionare a structurii rutiere proiectate.

Figura 8.33 Mixtură asfaltică degradată, DNCB (Centura București)

De asemenea, prin extragerea de epruvete din cale la dimensiunile modelului experimental la scara redusa, ce poate fi evaluat pe Fisurometrul Termostat, se poate verifica calitatea executiei prin raportare la durata normata de functionare proiectata.

Astfel, s-au extras epruvete din carosabil de pe cu ocazia desfasurarii unei expertize tehnice de calitate, epruvete care au fost prelucrate ulterior pentru obtinerea dimensiunilor prevazute pentru incercare prin modelare experimentala in laborator cu FISUROMETRUL TERMOSTAT.

Pentru aceasta parte a Programului Experimental al Tezei de Doctorat, am utilizat doua locatii dupa cum urmeaza:

-Din prima locatie, amplasata pe DNCB (Centura Bucuresti), s-au prelevat esantioane din imbracamintea rutiera cu strat de uzura din MAS 16 (Figura 8.34), cu o durata de exploatare de 7 ani, prin care s-a urmarit determinarea caracteristicilor de fisurare reflectiva in cazul unei mixturi asfaltice cu un grad de severitate ridicat (Figura 8.33).

Figura 8.34 Extragerea de carote de pe DNCB

Din cea de-a doua locatie, s-au mai prelevat epruvete din cale (Figura 8.35), cu ocazia desfasurarii unei alte expertize de drumuri in zona Autostrazii Arad-Nadlag, aflata in perioada de constructie in anul 2014.

Figura 8.35 Prelevarea epruvetelor din zona autostrăzii Arad-Nădlag

Figura 8.36 Decupare strat asfaltic autostrada Arad- Nădlag

Dupa cum se observa din fotografiile din teren (Figura 8.36), stratul asfaltic a fost decupat din suprafata carosabila, ori impreuna cu suportul din beton de ciment, ori prin desprinderea efectiva a stratului de uzura asfaltic la nivelul amorsajului cu stratul de baza din beton de ciment.

Figura 8.37 Măsurarea dimensiunilor stratului asfaltic decupat de pe autostradă

S-au facut masuratorile de grosime ale stratului asfaltic decupat din cale in teren (Figura 8.37), iar pregatirea la dimensiunile geometrice ale modelului experimental pentru testarea pe FISUROMETRUL TERMOSTAT, s-a facut la laborator.

Esantioanele prelevate din cale (Strat MAS 16 cu grosimea H=5cm) si pregatite la scara modelului experimental, au fost pozate pe acelasi suport prefisurat din beton de ciment, prin amorsarea de interfata, asa cum s-a procedat si in cazul programului experimental efectuat pe epruvete asfaltice confectionate in laborator.

Figura 8.38 Tăierea plăcii

Se lipește placa de mixtură de placa de beton fisurată (Figura 8.39) cu ajutorul bitumului și se lasă la presat.

Figura 8.39 Lipirea plăcii de mixtură de betonul fisurat

Proba de mixtură lipita de betonul fisurat se lasă la temperat în camera termostatată a fisurometrului timp de 4 ore, la o temperatură de 15oC.

Se mentioneaza faptul ca transferul la fisura din suportul din beton de ciment era partial consumata, datorita testelor din primul program experimental. In acest caz, diminuarea transferului in fisura din suportul din beton de ciment se ia in consideratie prin raportarea rezultatelor fata de ultima proba incercata in primul program experimental, respectiv:

Tabel 8.5 Numărul de cicluri și deformația verticală la fisurare/rupere, 9a și 9b

Calculul procentual arată că 95.5% (9a), respectiv 80% (9b) din durata de viață a mixturii se consumă până în momentul apariției fisurii și 4.5% (9a), respectiv 20% (9b) din timp îl reprezintă propagarea fisurii prin placa de asfalt (Tabel 8.6). Se observă o creștere considerabilă a comportării statului de protecție după apariția fisurii în acesta la epruveta 9b.

Tabel 8.6 Indicele de fisurare a mixturii, 9a și 9b

Figura 8.40 Deschiderea (d), propagarea (f) și desprinderea (e).Vedere camera de achizitii date video pozitionata lateral

Figura 8.41 Vedere camera de achizitii date video pozitionata lateral

Figura 8.42 Vedere camera de achizitii date video pozitionata la baza stratului din beton de ciment

Rezultatele incercarilor de laborator efectuate pe acest set de epruvete extrase din teren au fost urmatoarele:

Pe epruvetele extrase la DNCB, cand deschiderea fisurii initiale la suportul din beton de ciment este db=5mm (considerata crapatura)

Figura 8.43 Încercare epruveta CB1 (proba 14)

Tabel 8.7 Datele încercării prelucrate CB1 (proba 14)

Se poate observa ca procesul de initiere a fisurii se declanseaza la numai nc=2149 cicluri cu w=5,16mm, fata de epruveta 9a unde w= 3,85mm, iar fisurarea reflectiva pe grosimea stratului asfaltic apare la nc=6342 fata de proba reper 9a, unde fisura reflectiva pe grosimea stratului asfaltic apare dupa 11 972 cicluri de solicitare. De aici se poate trage concluzia, ca in cazul deschiderii mari din suportul din beton de ciment , deci in cazul lipsei transferului la fisura cand se mobilizeaza numai rezistenta la intindere din incovoiere din stratul asfaltic, care are si o cota consumata din rezistenta la oboseala structurala in perioada de exploatare deja derulata pana la momentul prelevarii epruvetei din cale, rezerva de capacitae de preluare a fisurarii reflective este de 6342/11972=0,53, respectiv de 53%

Figura 8.44 Încercare epruveta CB2 (proba 13)

Tabel 8.8 Rezultatele încercării pe epruveta CB 2 (proba 13)

Se poate constata faptul ca urmand efectuarea testului de fisurare reflective dupa incheierea primului program experimental, respective dupa incercarea probei 9b, pentru deschiderea fisurii initiale considerate db=3mm, epruveta asfaltica fisureaza initial la fibra inferioara la 2864 cicluri cu w=3,98mm,iar pe intreaga grosime la un numar de cicluri de nc=9838 cicluri cu w=14,15mm. In acest caz se poate constata ca rezerva de fisurare reflactiva este de 9838/11972=0,82 in situatia existentei transferului la fisura betonului de ciment suport, adica de 82%.

Pe epruvetele extrase de pe tronsonul de autostrada aflat in constructie la momentul preluarii epruvetelor din imbracamintea asfaltica, si unde s-au abservat aparitia unui proces de fisurare cu grad de severitae redus in suportul din beton de ciment, la confectionarea modelului de fisurare reflectiva pentru a fi testat pe FISUROMETRUL TERMOSTAT, s-a luat in consideratie db=0mm, deci s-a urmarit o inchidere perfecta a fisurii din suportul din beton de ciment

Figura 8.45 Achiziție video A1 (proba 20)

Tabel 8.9 Rezultatele încercării pe epruveta A 1 (Proba 20)

Tabel 8.10 Rezultatele încercării pe epruveta A2 .

Se poate constata din tabelele de mai sus (

Tabel 8.7,

Tabel 8.8, Tabel 8.9 și

Tabel 8.10) ca numarul de cicluri obtinute pe modelul experimental care foloseste epruveta prelucrata din teren aferenta unui strat asfaltic imediat dupa asternerea in cale si deci inca necirculat, corespunde valorilor obtinute pe epruveta la care stratul asfaltic a fost confectionata in laborator. Acest fapt, demonstreaza ca cercetarea performantelor initiale ale comportarii la fisurare reflective a unei mixture asfaltice propuse la executie pe teren, se poate analiza inca din faza de proiectare a retetei mixturii asfaltice in laborator, atunci cand se analizeaza reteta optima pentru asternerea in imbracamintea partii carosabile.

CONCLUZII FINALE, CONTRIBUȚII PERSONALE ȘI DIRECȚII VIITOARE DE CERCETARE

Concluzii finale

Teza de doctorat intitulata “CONTRIBUȚII PRIVIND ANALIZA PRIN MODELAREA STRUCTURILOR RUTIERE REABILITATE LA SOLICITĂRI ASIMILATE TRAFICULUI RUTIER”, a avut drept principal scop identificarea unei proceduri de analiza parametrica a rezultatelor testelor de fisurare reflectiva obtinute in laborator pe echipamentul prototip aflat in stadiul de cercetare la Laboratorul CFDP-UTCB. Pentru realizarea acestui obiectiv am organizat continutul tezei de doctorat in doua parti distincte, respectiv PARTEA 1-a SINTEZA DOCUMENTARA, cu principalele studii si cercetari analizate din literatura de specialitate, prin care s-au publicat rezultatele obtinute in testarea mixturilor asfaltice la fisurarea reflectiva si PARTEA 2-a CONTRIBUTII PERSONALE LA STUDIUL FISURARII REFLECTIVE utilizand echipamentul FISUROMETRUL TERMOSTAT

In PARTEA 1-a am sintetizat o serie de teorii si publicatii din literatura de specialitate, care au pus in valoare caracteristicile principale ale dezvoltarii fisurarii reflective din straturi rutiere uzate in exploatare in straturi asfaltice noi, cu rol de protectie si de uzura la astfel de structuri rutiere.

In PARTEA a 2-a am identificat si interpretat prin testele efectuate pe Fisurometrul Termostat, urmatorii parametii ai fisurarii reflective prin covorul asfaltic de protectie a unei imbracaminti rutiere rigide degradate prin fisurare:

Durata de funcționare la fisurare în regim accelerat (Tf)

Deschidere fisură în strat asfaltic (d)

Desprindere asfalt de pe beton în zona fisurii (e)

Număr de cicluri la inițierea și propagarea fisurii nci, la deschiderea și propagarea fisurii pe grosimea stratului asfaltic ncf și la cedarea prin rupere ncR=nctot.

Deformația verticală (deflexiunea) la inițierea și propagarea fisurii wi, la deschiderea și propagarea fisurii pe grosimea stratului asfaltic wf, la cedarea prin rupere wfR și la apariția crăpăturii în stratul asfaltic wR.

Deschiderea fisurii din stratul suport din beton de ciment (db)

Figura 9.1 Variația deformației verticale w, în funcție de numărul de cicluri nc

Figura 9.1, rezultata ca reprezentare grafica obtinuta in timpul incercarii efectuate cu FISUROMETRUL TERMOSTAT, arata variatia inregistrata a deformatiei verticale (w) a epruvetei in raport de cresterea numarului de solicitari (nc). Se poate determina cresterea deformatiei elasto-plastice a stratului asfaltic pe suportul prefisurat din beton de ciment pana in momentul aparitiei fisurii reflective la fibra inferioara supusa ciclurilor de solicitare din intindere din incovoiere (cand se poate determina nci- numarul de cicluri la initierea fisurarii reflective), urmata de faza 2, propagarea fisurii pe grosimea stratului asfaltic, cand se determina ncf, si ultima faza (faza 3), cand fisura de la suprafata se transforma in crapatuira peste 0.5mm si apare ruperea epruvetei. Aceste etape se gasesc si in realitate, cand se face evaluarea prin investigare vizuala a evolutiei fisurarii pe un sector experimental de drum si prin consecinta, se poate interpreta fisurarea reflectiva la momentul aparitiei la suprafata carosabila in functie de deschiderea ei, functie de grosimea stratului asfaltic (hasf) si evaluarile de trafic (Nc-traficul real, transformat in trafic de calcul, comparabil cu numarul de cicluri determinat pe epruveta extrasa din cale-nc).

De asemenea, daca exista si masuratori efectuate cu georadarul pe sectorul experimental, se poate determina prin masuratori nedistructive si excentricitatea fisurii reflective, functie de parametrul desprinderii la interfata asfalt-beton de ciment (e). Bineinteles ca un parametru important posibil a fi masurat pe teren este tasarea (w) din dreptul fisurii analizate.

Teste efectuate pe epruvete extrase din cale pe o zona nefisurata, pregatite la scara modelului de incercare pe FISUROMETRUL TERMOSTAT, pot stabili parametrii fisurarii reflective la momentul analizei structurii rutiere pe sectorul experimental, considerati ca valori efective pe teren. Prin raportare la valori obtinute pe epruvete similare, dar confectionate in conditii de laborator, se pot determina coeficienti adimensionali de performanta, sub forma de indici de fisurare, care pot prezenta calitativ informatii despre rezerva de rezistenta la fisurarea reflectiva a imbracamintii asfaltice existente.

Prin aceasta analiza, se poate stabili pana la momentul programat pe acesta cale de cercetare calitativa, perioada de perspectiva a interventiei de refacere a covorului asfaltic, respectiv frezarea celui existent si refacerea lui cu un nou strat asfaltic, a carui durata normata de functionare poate fi anticipata prin testare cu FISUROMETRUL TERMOSTAT.

Rezultatele obtinute in cadrul Programului Experimental si in etapa de Interpretare a rezultatelor obtinute prin Modelare Matemetica, pot fi sintetizate dupa cum urmeaza:

ETAPA 1 de cercetare „Măsurători experimentale pe structuri compozite utilizând Fisurometrul Termostatat”

La momentul stabilirii Programului Experimental al tezei de doctorat, Echipamentul FISUROMETRUL TERMOSTAT se afla in faza de prototip de aparat destinat studiului fisurarii reflective prin epruvete asfaltice tip placi dreptunghiulare, utilizate pentru modelarea experimentala

In aceasta etapa de sudiu, am parcurs o etapa de calibrare a modelului experimental, in vederea posibilitatii de inregistrare a parametrilor prin achizitie imagistica, in perioada testarii la propagarea fisurii prin stratul asfaltic, in cazul incercarii modelului experimental la cicluri in regim accelerat (in trepte successive si predeterminate de crestere a fortei de incarcare) ale solicitarii echivalente traficului rutier.

Utilizand acesta schema de testare a fisurarii reflective din suportul prefisurat din beton de ciment in covorul asfaltic de protective, se pot obtine diverse interpretari comportamentale ale structurii rutiere compozite asfalt-beton de ciment.

ETAPA 2-a “Analiza parametrilor definitorii fenomenului de propagare a fisurii din îmbrăcăminți din beton degradat în stratul asfaltic de protecție”

În cazul evoluției propagării fisurii la epruvete asfalt pe beton se pot analiza parametrii prezentați în etapa 1 (Figura 9.2).

Figura 9.2 Variația parametrilor fisurării în funcție de numărul de cicluri

După cum se observă din reprezentarea grafică a evoluției parametrilor menționați, apariția fiecărui parametru se produce etapizat, așa cum se vede și din prelucrarea imagistică (Figura 8.25 și Figura 8.26), respectiv mai întâi se produce deschiderea fisurii din beton (db), datorită reducerii capacității de preluare a solicitărilor din întindere din încovoiere repetate, apoi se amorsează fisura la baza stratului asfaltic de protecție (d), în timp ce, practic, desprinderea la interfața asfalt-beton (e) se dezvoltă în timpul propagării fisurii pe grosimea stratului asfaltic de protecție (crește lungimea fisurii pe grosimea stratului asfaltic).

În Tabel 9.1, se prezinta valoric evoluția parametrilor analizați și reprezentați grafic în Figura 9.2.

Tabel 9.1 Datele încercării prelucrate

ETAPA a 3-a “Interpretarea rezultatelor obținute în laborator”

Cercetarea din laborator pe FISUROMETRUL TERMOSTAT, pune în evidență două tipuri de analize la procedura de evaluare a performanței în exploatare a soluției de protecție a îmbrăcăminților din beton de ciment degradate prin apariția fisurilor și crăpăturilor în timpul perioadei de exploatare și anume:

performanța straturilor de protecție asfaltice prevăzute cu sistem antifisură de tipul geocompozitelor;

performanța la propagarea fisurii din stratul din beton degradat în stratul de protecție asfaltic, funcție de gradul de severitate la fisurare (fisura cu db=3mm, crăpătura cu db=7mm).

S-a putut constata faptul că în cazul unei fisuri cu deschiderea mică (db=3mm) în stratul suport din beton de ciment, atunci când există transfer de tensiuni din întindere din încovoiere la solicitările ciclice asimilate traficului rutier, numărul de cicluri (nc) este mai mare (exemplu Proba 3a, db= 3mm, w=4mm, nc= 12700), iar atunci când degradarea apărută este o crăpătură în suportul din beton de ciment (db=7mm), deci nu există o conlucrare perfectă între pereții fisurii, numărul de cicluri Nc aferent propagării fisurii prin stratul asfaltic este mult mai mic (exemplu Proba 4b, db= 7mm, w= 24mm, nc= 3600).

De asemenea trebuie luat în considerare faptul că epruvetele asfaltice au fost lipite prin amorsare de același suport din beton de ciment prefisurat, ceea ce înseamnă că pe măsura creșterii numărului de cicluri aplicat, se consumă din aderența de conlucrare la fisura din placa din beton de ciment, deci scăzând capacitatea de transfer la fisura stratului suport, viteza de propagare a acesteia prin stratul asfaltic de protectie crește.

ETAPA a 4-a “Interpretarea rezultatelor obtinute prin modelarea experimentala, utilizand modelarea matematica”

In urma testelor de laborator obtinute prin modelare experimentala destinata cercetarii prin simulare fenomenológica a fisurarii reflective din suportul din beton de ciment prefisurat in stratul asfaltic de acoperire cu rol de covor asfaltic de protectie in cazul imbracamintilor din beton de ciment degradate printr-un proces de fisurare in perioada de exploatare, se trece la etapa de modelare matemática a acestor rezultate, pentru evaluarea unor legi de evolutie a fisurarii reflective.

ETAPA a 5-a “ Interpretarea parametrica a procesului de fisurare reflectiva”

In continuare se vor prezenta cateva observații asupra experimentelor efectuate pe un număr de 10 epruvete (4b, 5a, 5b, 6a, 7a, 7b, 8a, 8b, 9a, 9b), din punct de vedere al variatiei consecutive a parametrilor fisurarii reflective, obtinute cu FISUROMETRUL TERMOSTAT

Aceste placi din asfalt, care pastreaza grosimea unui covor asfaltic, s-au lipit pe suportul din beton prefisurat printr-un amorsaj de bitum și apoi încercate pe rând. In acest scenariu, incercarea succesiva, conduce la modificarea transferului la fisura predeterminata a suportului din beton de ciment.

Observatiile experimentale sunt legate de conditiile diferite de amorsare ale placii asfaltice pe suportul din beton de ciment prefisurat, de deschiderea initiala a fisurii existente in suportul din beton de ciment si bineinteles de conditiile structurale obtinute la confectionarea placilor asfaltice.

Pentru a dispune de o perioada suficienta la capabilitatea dispozitivului de inregistrare progresiva a fisurarii reflective prin stratul asfaltic al epruvetei, temperatura de incercare este fixata la 15oc, corespunzator unei rigiditati controlate a stratului asfaltic

In tabelul centralizator care urmeaza, se prezinta o astfel de analiza a parametrilor fisurarii reflective

Tabel 9.2 Parametrii fisurării dbi, ei, ef și numărul de cicluri la rupere și fisurare

Doi dintre parametrii măsurați în cadrul experimentului, care influențează indirect propagarea fisurii prin stratul asfaltic de protecție, sunt: deschiderea inițială a fisurii betonului de ciment (dbi, conlucrare prin frecare între agregate și/sau între piatra de ciment, intre peretii fisurii), și desprinderea inițială a stratului de asfalt de placa de beton (ei, amorsajul de bitum, la interfata dintre beton și mixtură).

Se identifica printr-un indice de fisurare (Tabel 9.3), determinat prin raportarea numarului de cicluri determinat la finalizarea fisurarii reflective fata de numarul de cicluri determinat la initierea fisurii la fibra inferioara a stratului asfaltic, durata de viata, respectiv o durata de functionare a covorului asfaltic la procesul de propagare a fisurii din stratul inferior degradat in peroada de exploatare:

Tabel 9.3 Durata de viață la fisurare/rupere a epruvetelor.

In Tabel 9.3, se poate observa, ca in cazul in care raportul intre numarul de cicluri la fisurarea initiala si numarul de cicluri de la fisurarea finala, are o valoare mai mare, deci fisura se propaga intr-un timp mai mare, indicele de fisurare este mai mic, respectiv durata normata de functionare raportata la perioada de propagare a fisurii este mai mare ( exemplu, la proba 9b, la un indice de fisurare de 79.8%, durata normata de functionare pote creste cu 20,2%).

Rezultatele modelării experimentale pe FISUROMETRUL TERMOSTAT pot fi exprimate utilizând un model matematic, mai precis funcții de regresie ce descriu variațiile parametrilor fisurării, în funcție de ce se dorește.

Lungimea fisurii în funcție de numărul de cicluri –putem determina după cât timp fisuria se propagă pe jumătate din grosimea stratului de protecție. Aceasta constatare este extrem de importanta prin raportarea cu alte modele experimentale utilizate in evaluarea fenomenului de oboseala din straturile asfaltice, care stabilesc ca rezistenta stratului este consumata in cazul in care s-a consumat jumatate din deformatia acumulata la ciclurile de solicitare.

Calculând viteza de variatie a deschiderii fisurii existente in stratul suport din beton de ciment, se pune in evidenta fenomenul creat de efectul de transfer la fisura prin frecarea initiala a peretilor acestui strat suport, atenuat de amortizarea procesului de transfer prin prezenta stratului asfaltic la fibra superioara a stratului din beton de ciment, care lucreaza impreuna cu acesta prin aplicarea operatiei tehnologice de amorsaj. Astfel, initial, cand lucreaza transferul din fisura stratului din beton de ciment impreuna cu amortizarea stratului asfaltic prezent la suprafata acestuia, capacitatea de preluare a deformatiei verticale (deflexiunea sub sarcina) este mai mare si deci viteza de deschidere a fisurii existente din betonul de ciment este mai mica.

In etapa intermediara, cand transferul la fisura stratului suport din beton de ciment se consuma si se mobilizeaza capacitatea de preluare a transmiterii fisurii prin stratul asfaltic, se schimba curbura diagramei, in asa fel incat in faza finala de propagare reflectiva viteza de deschidere a fisurii din stratul din beton sa creasca la o deflexiune mai redusa.

ETAPA a 6-a „Interpretare multicriterială a procesului de fisurare reflectivă”

Interpretarea multicriterială a procesului de fisurare reflectivă la structuri rutiere rigide reabilitate prin așternerea unui covor asfaltic de protecție, presupune o analiză combinată între factorii de influență a procesului de transmitere și propagare a fisurii din îmbrăcămintea din beton de ciment fisurat, în stratul asfaltic de protecție.

Acești factori de influență sunt descriși sub formă de indici parametrici:

indicele parametrului cicluri de solicitări ciclice Inc,

indicele parametrului de variație a deschiderii în timp a fisurii existente din suportul din beton de ciment Idb,

indicele de deschidere a fisurii reflective în stratul asfaltic Id,

indicele de propagare a fisurii prin stratul asfaltic If.

Creșterea transferului la fisură din stratul din beton de 2 ori la proba 7a față de 4b, conduce la o dezvoltare prin propagarea fisurii la epruveta 7a în cadranul Inc/If pe direcția primei bisectoare, ceea ce înseamnă că acest fenomen reprezintă capacitatea portantă la fisurare prin oboseală a stratului asfaltic.

În cazul probei 4b, datorită transferului redus în stratul din beton de ciment prefisurat, solicitarea principală care stă la baza evoluției fisurii reflective din stratul asfaltic, este cea din întindere din încovoiere, iar curba de evoluție în cadranul Inc/If, se găsește sub prima bisectoare.

Aproximativ 95% din durata de viață a mixturii se consumă până în momentul apariției fisurii și 5% din timp îl reprezintă propagarea fisurii prin placa de asphalt

ETAPA a 7-a Măsurători în teren pentru calibrarea incercarilor de laborator

S-au extras epruvete din carosabil de pe cu ocazia desfasurarii unei expertize tehnice de calitate, epruvete care au fost prelucrate ulterior pentru obtinerea dimensiunilor prevazute pentru incercare prin modelare experimentala in laborator cu FISUROMETRUL TERMOSTAT.

Se poate trage concluzia, ca in cazul deschiderii mari din suportul din beton de ciment, deci in cazul lipsei transferului la fisura cand se mobilizeaza numai rezistenta la intindere din incovoiere din stratul asfaltic, care are si o cota consumata din rezistenta la oboseala structurala in perioada de exploatare deja derulata pana la momentul prelevarii epruvetei din cale, rezerva de capacitate de preluare a fisurarii reflective este de 53%. In cazul în care există transferul la fisura betonului de ciment suport se poate constata ca rezerva de fisurare reflactiva este de 82%. Aceste concluzii sunt valabile în cazul probelor prelevate de pe Centura Bucureștiului.

Pe epruvetele extrase de pe tronsonul de autostrada aflat in constructie la momentul preluarii epruvetelor din imbracamintea asfaltica, si unde s-au observat aparitia unui proces de fisurare cu grad de severitate redus in suportul din beton de ciment, la confectionarea modelului de fisurare reflectiva pentru a fi testat pe FISUROMETRUL TERMOSTAT, s-a luat in consideratie db=0mm, deci s-a urmarit o inchidere perfecta a fisurii din suportul din beton de ciment.

S-a putut constata ca numarul de cicluri obtinute pe modelul experimental care foloseste epruveta prelucrata din teren aferenta unui strat asfaltic imediat dupa asternerea in cale si deci inca necirculat, corespunde valorilor obtinute pe epruveta la care stratul asfaltic a fost confectionata in laborator. Acest fapt, demonstreaza ca cercetarea performantelor initiale ale comportarii la fisurare reflective a unei mixturi asfaltice propuse la executie pe teren, se poate analiza inca din faza de proiectare a retetei mixturii asfaltice in laborator, atunci cand se analizeaza reteta optima pentru asternerea in imbracamintea partii carosabile.

Subliniez la acest moment ca testarea in laborator pe echipamentul FISUROMETRUL TERMOSTAT, se face in regim accelerat, utilizand caracteristicile conceptuale ale acestuia, pe cand fisurarea reflective din realitate, determinate pe epruveta din cale, se produce in timpul exploatarii sub efectele traficului efectiv derulat in perioada analizata.

Aceasta situatie presupune o cercetare aprofundata, care sa aibe drept finalitate obtinerea unor coeficienti de echivalare a traficului asimilat solicitarilor obtinute prin testarea in regim accelerat cu FISUROMETRUL TERMOSTAT (numarul de cicluri la care apare fisurarea reflectivă nc.f) cu traficul real (Ncef), obtinut prin prelucrarea datelor aferente sectorului experimental, din care se extrage epruveta pentru testare pe modelul din laborator.

In acest scenariu de cercetare al fisurarii reflective, coeficientul de performanta legat de traficul suportabil este

Cpnc.f=nc.f/Ncef,

care este un coeficient calitativ si cu caracter informativ. Acesta, impreuna cu ceilalti parametrii ai fisurarii reflective obtinuti in laborator, pot facilita o interpretare a caracteristicilor stratului asfaltic testat privind comportarea la propagarea fisurii din stratul support, care era fisurat la momentul aplicarii interventiei lucrarii de intretinere cu covorul asfaltic de protectie.

In cel de-al doilea scenariu prezentat in cazul etapei de constructie exemplificat prin extragerea epruvetei de pe tronsonul de autostrada, coeficientul de performanta la fisurarea reflectiva, aferent traficului de perspectiva, se determina prin raportarea numarului de cicluri (nc1), testat pe epruveta de strat asfaltic proiectat si confectionat in laborator, fata de numarul de cicluri (nc2), obtinut tot prin incercarea pe Fisurometrul Termostatat, dar cu strat asfaltic modelat experimental din epruveta extrasa din cale.

Rezulta Cpnc.f=nc1/nc2

care este un coeficient calitativ si cu caracter informativ. Acesta, impreuna cu ceilalti parametrii ai fisurarii reflective obtinuti in laborator, pot facilita o interpretare a caracteristicilor stratului asfaltic testat privind comportarea la propagarea fisurii din stratul suport, imediat dupa finalizare executiei in teren a unei structure rutiere compozite, de tipul strat din beton de ciment prevazut cu strat de uzura asfaltic.

Contribuții personale

Principala contribuție a acestei teze de doctorat o reprezintă crearea unei metodologii de lucru cu aparatul prototip, si anume Fisurometrul Termostatat.

Acest aparat a fost gândit și creat în cadrul unui proiect CEEX cu titlul ” Metoda de testare complexă a structurilor rutiere compozite și a materialelor componente în vederea evaluării și certificării conform normelor europene”, sub îndrumarea domnului profesor doctor inginer Mihai DICU. Din echipa care a participat la acest proiect, m-am ocupat de partea experimentală.

În cadrul tezei am detaliat modul în care se face încercarea, plecând de la pregătirea epruvetelor de beton de ciment fisurat peste care s-a lipit stratul de protecție (fie cu mixtură preparată în laborator, fie plăci luate din teren). Trebuie acordată o atenție deosebită modului ăn care se face lipirea: cantitatea de bitum, modul de turnare a acestuia, dar și deschiderii inițiale ale fisurii betonul de ciment (să fie cât mai aproape de 0) pentru a putea observa și transferul la fisură, mai precis aportul frecării celor două părți ale betonului fisurat.

Pasul următor este încercarea propriu-zisă. Aceasta se face la solicitări echivalente traficului rutier, în regim accelerat. Am stabilit treptele de încărcare în timpul experimentelor efectuate pentru teza de față, plecând de la concluziile trase în urma încercărilor făcute anterior începerii programului de cercetare. Ideea de bază este în a scurta timpul necesar încercării, atât datorită construcției aparatului, dar și în urmărirea propagării fisurii, transmise din beton, prin stratul de protecție. Consider că treptele de forță și amplitudinea alese în acest moment sunt optime pentru încercările pe Fisurometrul Termostatat.

Pentru a putea descrie cât mai bine fisurarea reflectivă, am introdus o serie de parametri, măsurați cu ajutorul sistemului video și înregistrați de cel de achiziție date, cum ar fi deschiderea fisurii în beton db, deformata epruvetei w, lungimea f și deschiderea d a fisurii stratului de protecție, dar și desprinderea betonului de mixtură e, dar și numărul de cicluri până la care apare cederea epruvetei nc.

Am constatat că folosirea softului existent al sistemului de achiziție video automată poate duce la erori considerabile de măsurare, având în vedere calitatea și zoom-ul imaginii pe care se determină MANUAL parametrii și a faptului că valorile acestora sunt de ordinul milimetrilor cu patru zecimale. În același timp, măsurarea se face în timp real, existând posibilitatea propagării rapide a fisurii, datele inregistrate până în acel moment să fie insuficiente unei prelucrări statistice de calitate. Pentru aceasta după inițierea fisurii, am micșorat timpul de salvare a imaginilor din timpul încercării, în funcție de viteza de propagare a acesteia, chiar până la 5 secunde diferență, urmând ca ulterior să se facă corespondența între măsurătorile efectuate cu softul aparatului și prelucrarea imagistică după terminarea încercării, mărind astfel setul de date avute la dispoziție.

O a treia etapă o constituie prelucrarea datelor experimentale printr-o modelare matematică, utilizând funcții de regresie neliniară. Se poate observa că am putut găsi anumite funcții care descriu relațiile între parametrii urmăriți.

Un ultim pas îl constituie interpretarea datelor oferite de echipament. Pentru aceasta am introdus în cadrul tezei coeficienții de performanță (notați cu Cp), necesari atât pentru compararea a două dau mai multe rețete de mixtură preparată în laborator, fie între plăcile extrase din cale și cele preparate în laborator, dar și între epruvete din cale, în felul acesta putându-se aprecia modul în care afectează distribuția traficului pe sectoare diferite de drum.

Un alt element care ne ajută la interpretare îl constituie determinarea indicilor parametrici cum ar fi:

indicele parametrului cicluri de solicitări ciclice Inc,

indicele parametrului de variație a deschiderii în timp a fisurii existente din suportul din beton de ciment Idb,

indicele de deschidere a fisurii reflective în stratul asfaltic Id,

indicele de propagare a fisurii prin stratul asfaltic If

Prelucrarea acestora ne oferă o imagine tridimensională a fisurării reflective, legând astfel parametrii amintiți mai sus (db, f, d, w, nc). După calibrarea modelului matematic se poate afla oricare parametru dacă se cunosc alți doi.

Subsidiar acestui element de noutate îl constituie sinteza bibliografică din literatura de specialitate, preocupările în cadrul fisurării reflective fiind de actualitate și în continuă schimbare. Folosirea elementului finit devine astfel obligatorie în a simula efectele solicitărilor din trafic asupra structurii rutiere, în același timp calibrând rezultatele modelării matematice a rezultatelor experimentale, dar și a situației reale din teren.

Direcții viitoare de cercetare

Din conținutul tezei de doctorat și din parcurgerea Programului Experimental, care au condus la redactarea CONCLUZIILOR FINALE și ale CONTRIBUȚIILOR PERSONALE, rezultă necesitatea continuării cercetării, pentru rezolvarea următoarelor teme de viitor:

Aplicarea procedurii de cercetare a fenomenului de fisurare reflectivă din straturi prefisurate, asimilate îmbrăcăminților rutiere degradate, în straturi asfaltice de protecție, prin extinderea paletei de materiale rutiere utilizate ca straturi de uzură. În acest fel se vor obține coeficienți de performanță la fisurarea reflectivă pe diverse materiale utilizate la execuția îmbrăcăminților rutiere.

Realizarea echivalării traficului rutier de pe sectoare experimentale predeterminate, cu numărul de cicluri aferent solicitării în regim dinamic pe FISUROMETRUL TERMOSTAT. În acest fel se face o corelare și între sistemul de rezemare a straturilor rutiere din realitate cu cel oferit de echipamentul FISUROMETRUL TERMOSTAT, care se bazează pe schema de solicitare a grinzilor la întindere din încovoiere.

Upgradarea echipamentului prototip FISUROMETRUL TERMOSTAT cu un dispozitiv capabil să inducă solicitări orizontale, pentru a putea pune în evidență cumulul de solicitări echivalente din trafic și cu cele din temperatură, specifice straturilor rutiere aglomerate cu lianți hidraulici, folosiți atât la structuri rutiere semirigide, cât și la cele rigide.

ANEXE

Epruvetele 5a și 5b

Forța la care s-a transmis fisura din betonul prefisurat în stratul de protecție și s-a produs cedarea epruvetelor este de 440daN, numărul de cicluri fiind aproximativ egal: fisurarea la nci5a=12.200 comparativ cu nci5b=12.116, iar ruperea la ncR5a=12.556 comparativ cu ncR5b=12.429 (Tabel A.1). Timpul total de încercare este de aproximativ 3140 secunde la 5a, respectiv 3108 secunde la 5b.

Din punct de vedere a evoluției deformației verticale în funcție de numărul de cicluri (Figura A.1), până în momentul apariției fisurii în mixtura asfaltică, se constată că proba 5a are o creștere mai rapidă față de 5b. În schimb, fisura apare la un număr mai mic cu 84 de cicluri (21 de secunde), iar ruperea cu 127 de cicluri (32 de secunde) la 5b față de 5a.

Figura A.1 Creșterea deformației verticale în funcție de numărul de cicluri pentru epruvetele 5a și 5b

Tabel A.1 Numărul de cicluri și deformația verticală la fisurare/rupere, 5a și 5b

Un simplu calcul indică faptul că aproximativ 97% din durata de viață a mixturii se consumă până în momentul apariției fisurii și doar 3% din timp îl reprezintă propagarea fisurii prin placa de asfalt (Tabel A.2).

Tabel A.2 Indice de fisurare a mixturii, epruvetele 5a și 5b

Analizând din punct de vedere al deschiderii inițiale a fisurii betonului de ciment (dbi), se observă (Tabel A.3) că dbi5a>dbi5b, fapt ce ar indica o mai bună conlucrare prin frecare între agregate și/sau între piatra de ciment(TRANSFER LA FISURA EXISTENTA IN STRATUL DIN BETON DE CIMENT). Acest lucru s-ar traduce printr-o durată de serviciu mai mare, invers față de rezultatele experimentale.

Trecând la analiza celuilalt parametru măsurat, desprinderea inițială a mixturii asfaltice față de beton, se constată în Tabel A.3 că ei5b>ei5a. Acest lucru îl putem interpreta printr-o diferență între peliculele de bitum cu care s-au făcut lipirea (AMORSAREA LA INTERFATA) plăcilor de asfalt de beton la cele 2 epruvete. Observăm (Figura A.2) că bitumul nu este prezent pe întreaga suprafață a plăcii de asfalt (implicit pe cea de beton de ciment prefisurat, CEEACE POATE INSEMNA NEUNIFORMITATEA CONDITIILOR DE LUCRU).

Figura A.2 Suprafața de amorsare/lipire cu bitum, epruvetele 5a și 5b

În cazul epruvetei 5a, bitumul acoperă aproximativ 95%, comparativ cu 5b, unde este de 80%. La ambele, suprafața neacoperită de bitum (unde nu există conlucrare între beton și asfalt) se găsește la extremitățile plăcii.

Tabel A.3 Valorile deschiderii inițiale dbi, desprinderii inițiale (amorsajul de bitum) ei și ale excentricității fisurii în asfalt ef, epruveta 6a

În concluzie, trebuie avut în vedere nu numai grosimea stratului de bitum aplicat, ci și modul în care este distribuit pe suprafața plăcii de asfalt și implicit de beton. Aceasta este una din explicațiile comportării asemănătoare în timp a celor 2 epruvete, solicitate la încărcări echivalente traficului rutier, chiar dacă deschiderea inițială a fisurii betonului de ciment ar fi indicat o durată de serviciu mai mare pentru 5a.

Un alt aspect este poziția fisurii apărute în asfalt comparativ cu cea din beton. Excentricitatea fisurilor, una față de alta, se poate datora suprafeței neacoperite de bitum, după ce placa de asfalt s-a lipit de cea de beton. În Figura A.2 se poate observa că există o parte unde bitumul lipsește (marcată cu alb), chiar în dreptul fisurii. Cu alte cuvinte, la prepararea epruvetelor trebuie ca turnarea bitumului să se facă în lungul plăcii, liniar și uniform. De asemenea trebuie controlată pe viitor cantitatea și tipul de bitum utilizat la amorsare.

Măsurătorile și prelucrarile acestor parametri, lungimea și deschiderea fisurii, pentru epruveta 5b indică:

Variația deschiderii fisurii d, dar și a lungimii f în raport cu n, este neliniară (Figura A.3). Modelul de regresie este același ca la epruveta 4b:

Pentru

, , ,

Abaterea standard S=0.655, iar coeficientul de corelare r=0.9996.

Pentru

, , ,

Abaterea standard S=1.636, iar coeficientul de corelare r=0.9973.

Putem astfel determina la ce număr de cicluri ajunge propagarea fisurii la jumătate din grosimea plăcii de asfalt de protecție (h=50mm): cicluri (, sau putem spune că lungimea fisurii a ajuns la h/2, la 80% din durata totală a propagării acesteia).

Figura A.3 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 6a

Modelul de regresie găsit pentru evoluția deschiderii betonului db în raport cu n este modelul Bleasdale,Figura A.4:

, ,

Abaterea standard S=0.3413, iar coeficientul de corelare r=0.998.

Pentru a afla cât este deschiderea reală a betonului de ciment într-un punct, la valoarea rezultată din modelul Bleasdale se va adăuga valoarea deschiderii inițiale (Tabel A.3)

Figura A.4 Variația deschiderii betonului db în funcție de n, epruveta 5b

Ținând cont de modelele de regresie găsite între acești 4 parametri (2 câte 2), se poate observa evoluția lor într-o reprezentare:

● tridimensională

deschidere d, lungime f și n (Figura A.5),

deschidere d și lungime f fisură în asfalt și deschiderea fisurii initiale a betonului db (Figura A.6)

în același plan a tuturor celor 4 parametri (Figura A.7).

Figura A.7 Graficul celor 4 parametri în plan, epruveta 5b.

Vitezele de variație a deschiderii fisurii (Figura A.8), a propagării (lungimii) fisurii (Figura A.9) prin asfalt prezinta o diagrama de variatie parabolica, care se explica prn faptul ca initierea fisurii prin asfalt sectiunea are capacitate de a rezista efectului de propagare reflectiva. acest proces corespunde unei viteze de variatie a deschiderii fisurii mai reduse. urmeaza un palier al variatiei vitezei de deschidere a fisurii la initierea fisurarii reflective in perioada de plasticizare a materialului din "capul fisurii", conform legii irwin, dupa care viteza creste semnificativ cand fisura se propaga peste jumatate din grosimea stratului.

Cele doua diagrame au variatia similara, atat variatia deschiderii fisurii la baza stratului asfaltic, cat si valiatia lungimii fisurii in timpul incercarii de laborator. variatia deschiderii stratului suport dinbeton de ciment prefisurat (Figura A.10), are o variatie corespunzatoare transferului in fisura existenta. In momentul in care nu mai exista frecare de contact in fisura din stratul din beton de ciment (pierdere de transfer in fisura), viteza de deschidere a acesteia creste semnificativ.

Epruveta 6a

Forța la care s-a transmis fisura din betonul prefisurat în stratul de protecție și s-a produs ruperea este de 360daN, numărul de cicluri fiind: fisurarea la nci6a=9974, iar ruperea la ncR6a=10520 (Tabel A.4). Timpul total de încercare este de 2630 secunde.

Din punct de vedere a evoluției deformației verticale în funcție de numărul de cicluri (Figura A.11), aceasta este asemănătoare cu a celorlalte epruvete de mai sus.

Figura A.11 Creșterea deformației verticale în funcție de numărul de cicluri pentru epruveta 6a

Tabel A.4 Numărul de cicluri și deformația verticală la fisurare/rupere, epruveta 6a

Aproximativ 95% din durata de viață a mixturii se consumă până în momentul apariției fisurii și 5% din timp îl reprezintă propagarea fisurii prin placa de asfalt (Tabel A.5).

Tabel A.5 Indice de fisurare a mixturii, epruveta 6a

În Tabel A.6 sunt dați cei doi parametrii inițiali ai epruvetei 6a: deschiderea inițială a fisurii betonului de ciment dbi și desprinderea inițială a stratului de asfalt de placa de beton ei.

Tabel A.6 Valorile deschiderii inițiale dbi, desprinderii inițiale (amorsajul de bitum) ei și ale excentricității fisurii în asfalt ef, epruveta 6a

Măsurătorile și prelucrările parametrilor fisurării, lungimea și deschiderea fisurii în asfalt, deschiderea betonului de ciment, pentru epruveta 6a indică:

Variația deschiderii fisurii d, dar și a lungimii f în raport cu n, este neliniară (Figura A.12). Modelul de regresie este același ca la epruveta 4b:

Pentru

, , ,

Abaterea standard S=0.986, iar coeficientul de corelare r=0.9955.

Pentru

, , ,

Abaterea standard S=1.434, iar coeficientul de corelare r=0.997.

Putem astfel determina la ce număr de cicluri ajunge propagarea fisurii la jumătate din grosimea plăcii de asfalt de protecție (h=50mm): cicluri (, sau putem spune că lungimea fisurii a ajuns la h/2, la 60% din durata totală a propagării acesteia).

Figura A.12 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 6a.

Modelul de regresie găsit pentru evoluția deschiderii betonului db în raport cu n este modelul Bleasdale, Figura A.13:

, ,

Abaterea standard S=0.228, iar coeficientul de corelare r=0.997.

Pentru a afla cât este deschiderea reală a betonului de ciment într-un punct, la valoarea rezultată din modelul Bleasdale se va adăuga valoarea deschiderii inițiale (Tabel A.6)

Figura A.13 Variația deschiderii betonului db în funcție de n, epruveta 6a

Ținând cont de modelele de regresie găsite între acești 4 parametri (2 câte 2), se poate observa evoluția lor într-o reprezentare:

tridimensională

deschidere d, lungime f și n (Figura A.14),

deschidere d și lungime f fisură în asfalt și deschiderea betonului db (Figura A.15)

în același plan a tuturor celor 4 parametri (Figura A.16).

Figura A.16 Graficul celor 4 parametri în plan, epruveta 6a.

Vitezele de variație a deschiderii fisurii (Figura A.17), a propagării (lungimii) fisurii (Figura A.18) prin asfalt, respectiv a deschiderii betonului de ciment (Figura A.19).

Epruvetele 7a și 7b

Forța la care s-a transmis fisura din betonul prefisurat în stratul de protecție și s-a produs cedarea epruvetelor este de 160daN pentru 7b și 280daN pentru 7a, numărul de cicluri fiind: fisurarea la nci7a=7.496 comparativ cu nci7b=4178, iar ruperea la ncR7a=7790 comparativ cu ncR7b=4283 (Tabel A.7). Timpul total de încercare este de 1948 secunde la 7a, respectiv 1071 secunde la 7b.

Din punct de vedere a evoluției deformației verticale în funcție de numărul de cicluri (Figura A.20), până în momentul apariției fisurii în mixtura asfaltică, se constată că proba 7b are o creștere mai rapidă față de 7a. Fisura apare la un număr de cicluri mai mic cu 3318 (830 secunde), iar ruperea cu 3507 de cicluri (877 de secunde) la 7b față de 7a.

Figura A.20 Creșterea deformației verticale în funcție de numărul de cicluri, 7a și 7b

Tabel A.7 Numărul de cicluri și deformația verticală la fisurare/rupere, 7a și 7b

Un simplu calcul indică faptul că aproximativ 96-97% din durata de viață a mixturii se consumă până în momentul apariției fisurii și 3-4% din timp îl reprezintă propagarea fisurii prin placa de asfalt (Tabel A.8).

Tabel A.8 Indicele de fisurare a mixturii, 7a și 7b

Atât deschiderea inițială a fisurii betonului de ciment dbi, cât și desprinderea inițială a stratului de asfalt de placa de beton ei, sunt mai mici în cazul epruvetei 7a față de epruveta 7b (Tabel A.9). Măsurătorile acestor 2 parametri reprezintă o confirmare a comportării mai bune a probei 7a.

Tabel A.9 Valorile deschiderii inițiale dbi, desprinderii inițiale (amorsajul de bitum) ei și ale excentricității fisurii în asfalt ef 7a și 7b

Măsurătorile și prelucrările parametrilor fisurării, lungimea și deschiderea fisurii în asfalt, deschiderea betonului de ciment, pentru epruvetele 7a și 7b indică:

Variația deschiderii fisurii d, dar și a lungimii f în raport cu n, este neliniară (Figura A.21, Figura A.22). Modelul de regresie este același ca la epruveta 4b:

Pentru

7a , , ,

Abaterea standard S=0.4336, iar coeficientul de corelare r=0.9965.

7b , , ,

Abaterea standard S=0, iar coeficientul de corelare r=1.

Pentru

7a , , ,

Abaterea standard S=1.434, iar coeficientul de corelare r=0.997.

7b , , ,

Abaterea standard S=0, iar coeficientul de corelare r=1.

Putem astfel determina la ce număr de cicluri ajunge propagarea fisurii la jumătate din grosimea plăcii de asfalt de protecție (h=50mm):

7a – cicluri (, sau putem spune că lungimea fisurii a ajuns la h/2, la 62% din durata totală a propagării acesteia).

7b – cicluri (, sau putem spune că lungimea fisurii a ajuns la h/2, la 69% din durata totală a propagării acesteia).

Figura A.21 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 7a.

Figura A.22 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 7b.

Modelul de regresie găsit pentru evoluția deschiderii betonului db în raport cu n este modelul MMF pentru 7a și Bleasdale pentru 7b,Figura A.23 și Figura A.24:

7a , , ,

Abaterea standard S=1.34, iar coeficientul de corelare r=0.998.

7b , ,

Abaterea standard S=0.062, iar coeficientul de corelare r=0.999.

Pentru a afla cât este deschiderea reală a betonului de ciment într-un punct, la valoarea rezultată din cele 2 modeluri se va adăuga valoarea deschiderii inițiale (Tabel A.9)

Figura A.23 Variația deschiderii betonului db în funcție de n, epruveta 7a

Figura A.24 Variația deschiderii betonului db în funcție de n, epruveta 7b

Ținând cont de modelele de regresie găsite între acești 4 parametri (2 câte 2), se poate observa evoluția lor într-o reprezentare:

tridimensională

deschidere d, lungime f și n (Figura A.25 și Figura A.26),

deschidere d și lungime f fisură în asfalt și deschiderea betonului db (Figura A.27 și Figura A.28)

în același plan a tuturor celor 4 parametri (Figura A.29 și Figura A.30).

Vitezele de variație a deschiderii fisurii (Figura A.31, Figura A.32), a propagării (lungimii) fisurii (Figura A.33, Figura A.34) prin asfalt, respectiv a deschiderii betonului de ciment (Figura A.35, Figura A.36).

Epruvetele 8a și 8b

Forța la care s-a transmis fisura din betonul prefisurat în stratul de protecție și s-a produs cedarea epruvetelor este de 400daN pentru 8a și 440daN pentru 8b, numărul de cicluri fiind: fisurarea la nci8a=10.982 comparativ cu nci8b=11.550, iar ruperea la ncR8a=11338 comparativ cu ncR8b=12081 (Tabel A.10). Timpul total de încercare este de 2835 secunde la 8a, respectiv 3119 secunde la 8b.

Din punct de vedere a evoluției deformației verticale în funcție de numărul de cicluri (Figura A.37), până în momentul apariției fisurii în mixtura asfaltică, se constată că proba 8a are o creștere mai rapidă față de 8b. Fisura apare la un număr comparabil de cicluri, la o diferență de 568 (142 secunde), iar ruperea la 743 de cicluri (186 de secunde) la 8a față de 8b.

Figura A.37 Creșterea deformației verticale în funcție de numărul de cicluri, 8a și 8b

Tabel A.10 Numărul de cicluri și deformația verticală la fisurare/rupere, 8a și 8b

Un simplu calcul indică faptul că aproximativ 95-97% din durata de viață a mixturii se consumă până în momentul apariției fisurii și 3-5% din timp îl reprezintă propagarea fisurii prin placa de asfalt (Tabel A.11. Indicele de fisurare a mixturii).

Tabel A.11. Indicele de fisurare a mixturii, 8a și 8b

Deschiderea inițială a fisurii betonului de ciment dbi și desprinderea inițială a stratului de asfalt de placa de beton ei sunt aproximativ egale (Tabel A.12). De aici rezultă și diferența relativ mică între cele 2 probe.

Tabel A.12 Valorile deschiderii inițiale dbi, desprinderii inițiale (amorsajul de bitum) ei și ale excentricității fisurii în asfalt ef 8a și 8b

Măsurătorile și prelucrările parametrilor fisurării, lungimea și deschiderea fisurii în asfalt, deschiderea betonului de ciment, pentru epruvetele 8a și 8b indică:

Variația deschiderii fisurii d, dar și a lungimii f în raport cu n, este neliniară (Figura A.38 și Figura A.39). Modelul de regresie este același ca la epruveta 4b:

Pentru

8a , , ,

Abaterea standard S=0.0616, iar coeficientul de corelare r=0.996.

8b , , ,

Abaterea standard S=1116, iar coeficientul de corelare r=0.993.

Pentru

8a , , ,

Abaterea standard S=1.4606, iar coeficientul de corelare r=0.9986.

8b , , ,

Abaterea standard S=1.5353, iar coeficientul de corelare r=0.995.

Putem astfel determina la ce număr de cicluri ajunge propagarea fisurii la jumătate din grosimea plăcii de asfalt de protecție (h=50mm):

8a – cicluri (, sau putem spune că lungimea fisurii a ajuns la h/2, la 57% din durata totală a propagării acesteia).

8b – cicluri (, sau putem spune că lungimea fisurii a ajuns la h/2, la 54% din durata totală a propagării acesteia).

Figura A.38 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 8a.

Figura A.39 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 8b.

Modelul de regresie găsit pentru evoluția deschiderii betonului db în raport cu n este modelul MMF pentru 8a și Bleasdale pentru 8b,Figura A.40 șiFigura A.41:

8a , , ,

Abaterea standard S=0.127, iar coeficientul de corelare r=0.9998.

7b , ,

Abaterea standard S=0.062, iar coeficientul de corelare r=0.999.

Pentru a afla cât este deschiderea reală a betonului de ciment într-un punct, la valoarea rezultată din cele 2 modeluri se va adăuga valoarea deschiderii inițiale (Tabel A.12)

Figura A.40 Variația deschiderii betonului db în funcție de n, epruveta 8a

Figura A.41 Variația deschiderii betonului db în funcție de n, epruveta 8b

Ținând cont de modelele de regresie găsite între acești 4 parametri (2 câte 2), se poate observa evoluția lor într-o reprezentare:

tridimensională

deschidere d, lungime f și n (Figura A.42 și Figura A.43),

deschidere d și lungime f fisură în asfalt și deschiderea FISURII INITIALE A betonului db (Figura A.44 și Figura A.45)

în același plan a tuturor celor 4 parametri (Figura A.46 și Figura A.30).

Vitezele de variație a deschiderii fisurii (Figura A.17 Figura A.49), a propagării (lungimii) fisurii (Figura A.50, Figura A.51) prin asfalt, respectiv a deschiderii betonului de ciment (Figura A.52, Figura A.53).

Epruvetele 9a și 9b

Forța la care s-a transmis fisura din betonul prefisurat în stratul de protecție și s-a produs cedarea epruvetelor este de 400-440daN pentru 9a și 400-480daN pentru 9b, numărul de cicluri fiind: fisurarea la nci9a=11.972 comparativ cu nci9b=11.612, iar ruperea la ncR9a=12.536 comparativ cu ncR9b=14.552 (Tabel A.13). Timpul total de încercare este de 3134 secunde la 9a, respectiv 3638 secunde la 9b.

Din punct de vedere a evoluției deformației verticale în funcție de numărul de cicluri (Figura A.54), până în momentul apariției fisurii în mixtura asfaltică, se constată că probele 9a și 9b au o creștere asemănătoare. Fisura apare la un număr comparabil de cicluri, la o diferență de 360 (90 secunde) 9a>9b, iar ruperea la 2016 de cicluri (504 de secunde) 9a<9b.

Figura A.54 Creșterea deformației verticale în funcție de numărul de cicluri, 9a și 9b

Tabel A.13 Numărul de cicluri și deformația verticală la fisurare/rupere, 9a și 9b

Calculul procentual arată că 95.5% (9a), respectiv 80% (9b) din durata de viață a mixturii se consumă până în momentul apariției fisurii și 4.5% (9a), respectiv 20% (9b) din timp îl reprezintă propagarea fisurii prin placa de asfalt (Tabel A.14). Se observă o creștere considerabilă a comportării statului de protecție după apariția fisurii în acesta la epruveta 9b.

Tabel A.14 Indicele de fisurare a mixturii, 9a și 9b

Dacă pentru 9a și 5a, 5b, 7a, 7b, 8a, 8b, indicele de fisurare If este de minim 95%, în cazul epruvetei 9b se remarcă o creștere semnificativă a numărului de cicluri de la fisurarea mixturii și până la ruperea acesteia (20% din durata totală a încercării). Acest lucru se datorează unei modificări a modului de preparare a epruvetei.

În momentul în care cele 2 părți ale betonului prefisurat s-au alăturat, între acestea s-a turnat, pe o suprafață de aproximativ 3cm pe 5cm, același bitum cu care s-a făcut lipirea PENTRU AMORSAREA mixturii de beton (Figura A.55). Aceasta situatie se intampla si in realitate in cazul unei crapaturi in beton (fisura cu deschiderea initiala mai mare de 5mm), cand bitumul lichid patrunde si in aceasta crapatura, modificand practic efectul de transfer.

Vedere de sus Vedere laterală

Figura A.55 Bitumul turnat între plăcile de beton de ciment, epruveta 9b.

Deschiderea inițială a fisurii betonului de ciment dbi este mai mică pentru 9a, iar desprinderea inițială a stratului de asfalt de placa de beton ei este mai mică la 9b (Tabel A.15). În acest caz, parametrul dbi este un bun indicator al numărului de cicluri mai mare pentru 9a, până la PROPAGAREA fisurarII mixturii.

Tabel A.15 Valorile deschiderii inițiale dbi, desprinderii inițiale (amorsajul de bitum) ei și ale excentricității fisurii în asfalt ef. 9a și 9b

Măsurătorile și prelucrările parametrilor fisurării, lungimea și deschiderea fisurii în asfalt, deschiderea betonului de ciment, pentru epruveta 9a indică:

Variația deschiderii fisurii d, dar și a lungimii f în raport cu n, este neliniară (Figura A.56). Modelul de regresie este același ca la epruveta 4b:

Pentru

, , ,

Abaterea standard S=0.277, iar coeficientul de corelare r=0.9885.

Pentru

, , ,

Abaterea standard S=1.098, iar coeficientul de corelare r=0.9976.

Putem astfel determina la ce număr de cicluri ajunge propagarea fisurii la jumătate din grosimea plăcii de asfalt de protecție (h=50mm): cicluri (, sau putem spune că lungimea fisurii a ajuns la h/2, la 74% din durata totală a propagării acesteia).

Figura A.56 Variația deschiderii d și lungimii fisurii f în funcție de n, epruveta 9a.

Modelul de regresie găsit pentru evoluția deschiderii betonului db în raport cu n este modelul Bleasdale,Figura A.57:

, ,

Abaterea standard S=0.876, iar coeficientul de corelare r=0.984.

Pentru a afla cât este deschiderea reală a betonului de ciment într-un punct, la valoarea rezultată din modelul Bleasdale se va adăuga valoarea deschiderii inițiale (Tabel A.15)

Figura A.57 Variația deschiderii betonului db în funcție de n, epruveta 9a

Ținând cont de modelele de regresie găsite între acești 4 parametri (2 câte 2), se poate observa evoluția lor într-o reprezentare:

tridimensională

deschidere d, lungime f și n (Figura A.58),

deschidere d și lungime f fisură în asfalt și deschiderea betonului db (Figura A.59)

în același plan a tuturor celor 4 parametri (Figura A.60).

Figura A.60 Graficul celor 4 parametri în plan, epruveta 9a.

Vitezele de variație a deschiderii fisurii (Figura A.61), a propagării (lungimii) fisurii (Figura A.62) prin asfalt, respectiv a deschiderii betonului de ciment (Figura A.63).

BIBLIOGRAFIE