Modelare experimentala pentru analiza prin incercari dinamice a performantelor mixturilor asfaltice solicitate la temperaturi ridicate [306396]

Modelare experimentala pentru analiza prin incercari dinamice a performantelor mixturilor asfaltice solicitate la temperaturi ridicate

~ Raportul de cercetare 3 ~

Conducator stiintific:

Prof. Univ. Dr. Ing. Mihai DICU

Doctorand: [anonimizat]

1. DESCRIEREA PROIECTULUI DE CERCETARE DOCTORALA …………5

2. CARACTERISTICI REOLOGICE SI PROPRIETATILE MIXTURILOR ASFALTICE ………………………………………………………………………………..9

2.1. Generalitati .9

2.1.1. Comportament liniar elastic ……………………………………………………… 10

2.1.2. [anonimizat] ……………………………………………………10

2.1.3. Comportament vascos ………………………………………………………………11

2.1.4. Comportament combinat ……………………………………………………………12

2.2. Caracterizarea proprietatilor mixturilor asfaltice 14

3. COMPORTAREA MIXTURILOR ASFALTICE IN RAPORT CU CRESTERI ALE TEMPERATURII MEDIULUI DE EXPLOATARE …………………18

3.1. Introducere 18

3.2. Efectele temperaturii ambientale ridicate asupra caracteristicilor stratului asfaltic de uzura 19

3.3. Efectul temperaturilor ridicate asupra durabilitatii structurilor rutiere 20

3.4. Efectul temperaturilor ridicate asupra sigurantei rutiere 20

3.5. Parametrii de influienta ai comportarii stratului asfaltic de uzura la temperaturi ridicate 21

3.5.1. Rigiditatea mixturilor asfaltice ……………………………………………………..21

3.5.1.1. Efectele temperaturii asupra rigiditatii mixturilor asfaltice ……………………26

3.5.1.2. Efectele constituientilor mixturii asfaltice asupra rigiditatii …………………..27

3.5.1.3. Efectele incarcarii aplicate si a timpului de incarcare asupra rigiditatii mixturilor asfaltice …………………………………………………………………………………33

3.5.1.4. Efectul coeficientului lui Poisson asupra rigiditatii mixturii asfaltice …………34

3.5.1.5. Tipuri de incercari complexe de laborator pentru determinare modulului de rigiditate …………………………………………………………………………………………34

3.5.2. Deformatii permanente ale mixturilor asfaltice ……………………………………37

3.5.2.1. Deformatii permanente in structure rutiere flexibile ………………………….37

3.5.2.2. Sinteza documetara ……………………………………………………………37

3.5.2.3. Cauzele aparitiei fagasuirilor in structurile rutiere flexibile …………………..41

3.5.2.4. Efectul temperaturii ridicate asupra deformatiilor permanente ……………….45

3.5.2.5. Tipuri de mecanisme ale deformatiilor permanente …………………………..47

3.5.2.6. Tipuri de incercari pentru caracterizarea deformatiilor permanente din fluaj …………………………………………………………………………………………48

3.5.3. Rezistenta la oboseala ………………………………………………………………56

3.5.3.1. Sinteza documentara …………………………………………………………..56

3.5.3.2. Factorii care afecteaza performantele rezistentei la oboseala: ………………..57

3.5.3.3. Tipuri de incercari …………………………………………………………….61

4. PROGRAMAREA STUDIILOR DE LABORATOR PRIVIND COMPORTAREA MIXTURILOR ASFALTICE LA CRESTERI DE TEMPERATURA ASIMILATA SEZONULUI CALD ……………………………………………………….63

4.1. [anonimizat] 63

4.1.1. Parametrul scheletul mineral ………………………………………………………..64

4.1.2. Parametrul filer ……………………………………………………………………..66

4.1.3. Parametrul bitum ……………………………………………………………………67

4.1.4. Parametrul aditiv ……………………………………………………………………68

4.2. Teste complexe de laborator pentru evaluarea performantelor mixturilor asfaltice la deformatii permanente 69

5. STUDIUL EXPERIMENTAL ………………………………………………..72

5.1. [anonimizat], prin raportarea la cresteri de temperatura: 73

5.1.1. Influienta agregatului mineral asupra comportarii mixturii asfaltice la cresteri de temperatura ………………………………………………………………………………………73

5.1.2. Influienta filerului asupra comportarii mixturii asfaltice la cresteri de temperatura ………………………………………………………………………………………78

5.1.3. Influienta tipului de bitum asupra comportarii mixturii asfaltice la cresteri de temperatura ………………………………………………………………………………………80

5.1.4. Influienta utilizarii fibrelor asupra comportarii mixturii asfaltice la cresteri de temperatura 82

5.2. Studii de performanta in laborator prin teste complexe de evaluare a rezistentei la deformatii permanente a imbracamintilor rutiere asfaltice 88

6. CONCLUZII …………………………………………………………………103

7. DIRECTII VIITOARE DE CERCETARE PENTRU FINALIZAREA TEZEI DE DOCTORAT …………………………………………………………………………106

8. BIBLIOGRAFIE …………………………………………………………….108

LISTA TABELE

Tabel 1 Programarea activitatilor de cercetare din cadrul tezei de doctorat 5

Tabel 2 Cauze si facori de atenuare a fenomenului de oboseala in mixturile asfaltice flexibile 59

Tabel 3 Zona granulometrica a mixturilor asfaltice pentru BA 12,5 si Tipul III (stratul de uzura). Analizata prin similitudine intre prevederile tehnice din Romania si cele din Siria, sunt inregistrate in tabelul urmator: 73

Tabel 4 Reteta mixtura BA 12,5 74

Tabel 5 Reteta mixtura BA 16 75

Tabel 6 Reteta mixturii asfaltice BAD 25 75

Tabel 7 Caracteristici fizico-mecanice BA 12,5, BA 16 si BAD 25 76

Tabel 8 Caracteristici fizice BA 16 cu filer calcar si filer creta 78

Tabel 9 Caracteristici bitumuri D 20/30 respectiv D 50/70 80

Tabel 10 Caracteristici fizice BA 12,5 80

Tabel 11 Reteta MASF 16 82

Tabel 12 Rezultate obtinute pentru BA 16 si MASF 16 83

Tabel 13 Evolutia stabilitatii si indicelui de curgere pentru mixtura BAD 25 la diferite temperaturi 85

Tabel 14 Evolutia stabilitatii si indicelui de curgere pentru mixtura BA 16 la diferite temperaturi 85

Tabel 15 Evolutia stabilitatii si indicelui de curgere pentru mixtura BA 12.5 la diferite temperaturi 86

Tabel 16 Evolutia stabilitatii si indicelui de curgere pentru mixtura BA 12.5 la diferite temperaturi 86

Tabel 17 Evolutia stabilitatii si indicelui de curgere pentru mixtura BA 16 la diferite temperaturi 87

Tabel 18 Evolutia stabilitatii si indicelui de curgere pentru mixtura MASF 16 la diferite temperaturi 87

Tabel 19 Curba granulometrica pentru mixtura asfaltica MASF 16 90

Tabel 20 Rezultatele incercari fizico-mecanice efectuate pe mai multe variante de reteta 91

Tabel 21 Rețeta nr. 1: bitumul conține 0,3 % aditiv INTERLENE IN 400-S 92

Tabel 22 Metoda I de calcul a parametrilor la fluaj 99

Tabel 23 Metoda II de calcul a parametrilor la fluaj 100

Tabel 24 Variatia deformatiei permanente functie de temperatura pentru MASF16 – B 50/70 100

Tabel 25 Variatia deformatiei permanente functie de temperatura pentru MASF16 – B 20/30 101

DESCRIEREA PROIECTULUI DE CERCETARE DOCTORALA

Proiectul de cercetare aferent temei tezei de doctorat, reprezinta un nivel stiintific si de cunoastere ridicat fata de nivelul actual existent in Siria. Menirea tezei este aceia de a reactualiza cercetarile de specialitate in domeniul drumurilor si in Siria, pentru viabilizarea retelei de drumuri. Cercetarea de anticipare parametrica a comportarii straturilor rutiere asfaltice in conditiila de exploatare si clima din Siria, constituie o metoda de eficientizare a costurilor de proiectare a retetelor materiale in laboratorul de specialitate si de anticipare a perioadelor de functionare ce trebuiesc normate in anumite conditii de exploatare in timp.

Pentru aceasta trebuiesc achizitionate si cunoscute pentru aplicare echipamente complexe performante de care Laboratorul de Drumuri din CFDP-UTCB dispune, iar eu ca doctorand am misiunea de a invata si a aplica aceste proceduri si in tara mea. Aceste echipamente sunt dotate cu soft-uri specializate de ultima generatie a cercetarii in domeniu, care ridica nivelul cercetarii personale la rang de Teza de Doctorat.

Tabel 1 Programarea activitatilor de cercetare din cadrul tezei de doctorat

Scopul tezei de doctorat

Prin tema de cercetare aleasa pentru teza de doctorat, urmaresc implementarea studiilor de laborator complexe prin modelare experimentala pentru determinarea performantelor mixturilor asfaltice in Siria, utilizand experienta acumulata in sectorul de cercetare dezvoltat in Romania.

Prin continut, tema tezei de doctorat are drept scop principal imbunatatirea cunostintelor stiintifice in domeniul utilizarii mixturilor asfaltice la drumuri in conditiile climatice din Siria. Cercetarile de laborator prin incercari complexe si prin simularea fenomenologica a comportarii mixturilor asfaltice in straturi rutiere aflate in exploatare in conditii echivalente de solicitare si variatie a conditiilor de mediu, realizate comparativ intre zona climatica din Romania si cea din Siria, folosind si experienta din domeniu cercetarii obtinuta de tari cu experienta mai bogata in acesta directie, reprezinta principala orientare a continutului tezei de doctorat.

Modelare experimentala pentru analiza prin incercari dinamice a performantelor mixturilor asfaltice solicitate la temperaturi ridicate, este reprezentata prin modificarea conditiilor de solicitare aferente incercarilor complexe de laborator, in vederea obtinerii cresterii temperaturii de testare cu 5-100C. Aceasta optiune se poate realiza prin incercarea probei asfaltice la deformatii permanente si verificari ale conditiilor de oboseala impuse la cicluri alternante de temperature, astefel incat sa se obtina reteta optima prin proiectare in laborator a unui strat asfaltic de uzura, care sa corespunda temei abordate, utilizand conceptul unanim recunoscut, care este redat in diagrama care urmeaza (figura 1).

Figura Stabilitatea si durabilitatea mixturii asfaltice in functie de dozajul de bitum

Astfel, pentru realizarea modelului experimental, fiecare incercare de laborator incadrata la teste complexe reglementate tehnic, incercare care este prevazuta cu incinta termostata destinata controlului temperaturii din timpul incercarii, va fi modificata pentru scopul temei lucrarii de doctorat, prin atasarea unui dispozitiv de crestere a temperaturii din incinta si a unui termometru de control suplimentar.

Probele vor suporta cicluri de temperatura alternanta de la temperaturi ridicate (afarenta temperaturii maxime din timpul zilei), cu temperaturi reduse (care corespund temperaturii din timpul noptii), pentru a verifica caracteristicile de durabilitate in timp a retetei optime stabilite prin incercari clasice de laborator (Stabilitatea Marshall).

Studiul si cercetarea in domeniul de proiectare in laboratorul de specialitate a retetei mixturilor asfaltice, are traditie si s-a dezvoltat in timp, pe masura dezvoltarii retelelor de transport auto la nivel national si international. S-a trecut de la etapa de studiu clasica in laboratorul de specialitate a performantelor retetelor mixturilor asfaltice din punctual de vedere al identificarii caracteristicilor fizico-mecanice , la o etapa mai avansata de cercetare prin modelare experimentala a comportarii straturilor rutiere executate prin aplicarea retetei optime, modelare aplicata in laborator la scara redusa , cu aplicarea de sarcini echivalente din traficul rutier si variatii ale conditiilor de mediu.

Aceste noi metode de cercetare, incadrate la incercari de laborator atipice deoarece utilizeaza in general echipamente prototip de simulare fenomenologica, sunt insotite de incercari complexe de noua generatie dar standardizate, incercari insotite de soft-uri specializate, care sunt capabile sa receptioneze si sa interpreteze in mod automat date ce pot fi interpretate ulterior intr-un program de cercetare.

Analizarea acestor directii de cercetare, doresc sa le implementez prin teza de doctorat si in Siria, ca nivel de cunostinte care trebuie sa ridice nivelul de abordare a reglementarilor tehnice aplicate utilizarii mixturilor asfaltice la constructia de drumuri din Siria. Si cum totul trece mai intai in evaluarea performantelor in laborator in vederea stabilirii solutiilor optime, pentru materialele propuse la executie, orientarile si directiile de aplicare le voi concretiza prin studii de laborator efectuate in cadrul programului experimental al tezei de doctorat, tinand cont de stadiul actual al cunoasterii in domeniu printr-o sinteza documentara adecvata si parcurgerea unui program experimental desfasurat in Laboratorul CFDP-UTCB.

Preconizez un studiu de performanta pe mixturi asfaltice comparativ intre procedurile aplicate in laboratorul CFDP-UTCB din Romania si metodele existente in Siria, mai ales in directia comportarii acestor mixturi folosite la imbracaminti rutiere in conditiile climatice din Siria (figura 2).

Figura Influenta temperaturilor ridicate asupra structurilor rutiere

Comportarea mixturilor asfaltice utilizate in straturi rutiere de uzura, prin raportare la cresteri de temperatura fata de cele considerate normale, prezinta interes in randul factorilor decidenti, responsabili in domeniul infrastructurii de transport rutier in ceea ce priveste durata normata de functionare a retelei de drumuri.

In acest sens, lucrarea de doctorat are drept principala tinta de cercetare, obtinerea de informatii experimentale privind comportarea mixturilor asfaltice in cazul cresterii temperaturii mediului ambient, prin modelare fenomenologica in laborator, capabila sa simuleze si influienta traficului rutier in acest context.

Directii de cercetare aferente raportului de cercetare 3

Cel de-al treilea Raport de Cercetare este destinat in principal analizei comporarii stratului asfaltic de uzura prin modelare experimentala in laborator realizata prin studii complexe testate pe echipamente de ultima generatie, capabile de a solicita mixture asfaltica in conditii predeterminate.

Referitor la tema Tezei de Doctorat, aceste teste complexe sunt dirijate spre cercetarea comportarii stratului asfaltic de uzura in regim de temperatura ridicat, ceea ce in acceptiunea programului de cercetare, presupune sporirea temperaturilor specifice de testare in laborator cu 10OC.

Daca in Raportul de Cercetare 1 s-a analizat in principal identificarea unor solutii publicate in literatura de specialitate, privind identificarea unor retete commune applicate in zone geografice mai calde prin echivalenta cu retete de mixture asfaltice applicate in Romania, in cel de-al 2-lea Raport de Cercetare, s-au analizat parametrii structurali ai mixturii asfaltice prin raportare la comportrea optima a stabilitatii la temperature ridicate.

In aceste conditii, Raportul de Cercetare 3, este destinat stabilirii performantei unei mixture asfaltice, considerate optima din punct de vedere al comportarii la cresteri de temperaturi a mediului inconjurator, prin simulari fenomenologice pe echipamente de testare complexa de laborator si interpretari comparative destinate stabilirii unor conditii de performanta la comportare in timp.

In principal, aceste teste complexe de laborator se bazeaza pe incercari de epruvete la deformatii permanente si fluaj in cazul cresterilor de temperature a mediului, dar si de obosela structurala dupa expunere la cicluri de temperaturi zi-noapte.

Acesta ultim obiectiv, presupune stabilirea unui indice de performanta la solicitari efectuate pe echipamentele complexe de laborator, indice obtinut prin raportarea rezultatelor obtinute pe aceiasi reteta de mixture asfaltica ,dar, la temperaturile extreme de testare (rezultatul la temperatura cea mai mare raportat la rezultatul temperaturii celei mai mici).

CARACTERISTICI REOLOGICE SI PROPRIETATILE MIXTURILOR ASFALTICE

Generalitati

Mixtura asfaltica este un material compozit, caracteristicile fiecarui component in parte influentand comportarea amestecului sub incarcare (solicitare). Mixturile asfaltice au mai multe proprietati elastice, vascoase si plastice. Comportarea mixturilor este complexa din cauza existentei fenomenelor plastice si depinde foarte mult de viteza de deformare astfel cu cat viteza de deformare este mai mare, cu atat comportarea eleastica devine mai importanta decat cea vascoasa, si invers. Pe de alta parte, din cauza proprietatilor generale ale liantilor, proprietatile mixturilor asfaltice vor depinde foarte mult de temperatura, adica la temperaturi joase caracterul elastic este mai pronuntat decat cel vascos si invers.

Pentru studiul comportarii mixturii asfaltice se aplica teoria vascoelasticitatii. Astfel, in practica problema vascoelastica se transforma intr-o problema elastica prin inlocuirea variabilei de timp cu o variabila transformata, aplicand transformata Laplace.

Deformatiile mixturilor asfaltice sunt determinate de:

Elasticitate, cand sunt complet reversibile si independente de timp;

plasticitate, cand sunt permanente dar independente de timp;

fluaj, cand sunt reversibile si ireversibile unele dependente altele independente de timp;

vascozitate, cand sunt ireversibile si independente de timp.

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

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

Din cauza repetarii incarcarilor din trafic se initiaza fisuri care se propaga in strat o data cu intensificarea traficului, ajungand in cele din urma la ruperea din oboseala a structurii rutiere.

Comportamentul reologic al bitumului este reflectat in structurile cu mixturi bituminoase, din moment ce acelea care se deformeaza si curg excesiv pot fi susceptibile la fagasuire in timp ce acelea care sunt prea rigide pot fi susceptibile la oboseala din cedare termica (figura 3).

Figura Relatia schematica dintre modelul coloidal al bitumului si efectele imbatranirii si ale temperaturii in structurile rutiere: saturatele sunt reprezentate cu galben, ceara cu albastru, aromaticele in rosu, rasinile in roz si asfaltenele in mov (punctele cu negru simbolizeaza starea oxidata)

Comportament liniar elastic

Daca o incarcare este amplasata pe o grinda metalica, grinda se va indoi/alungi. Cand incarcarea va fi indepartata, grinda va reveni la pozitia initiala. Daca incarcarea este dublata, grinda se va indoi de doua ori mai mult, presupunand ca incarcarea nu este suficient de mare cat sa provoace ruperea, iar grinda va reveni la forma originala dupa retragerea incarcarii aplicate.

Reactia materialului la incarcare este controlata de proprietati ingineresti. Metalul, de exemplu, poate fi descries utilizand proprietatile liniar elastice. Daca modulul metalului este cunoscut, pot fi calculate eforturile aplicate precum si deformatia obtinuta in stuctura metalica. La temperaturi reduse sau sub aplicari rapide de incarcare cand mixtura asfaltica este foarte rigida, aceasta va avea un comportament linear elastic. La temperaturi mai ridicate sau la incarcari mai mici, comportamentul nu poate fi descris de un simplu comportament liniar elastic. Conform cu cercetatorii SHRP, mixturile asfaltice trebuiesc descrise utilizand comportament elastic non-liniar si vasco-elastic.

Comportament elastic non-liniar

Mixturile asfaltice au un raspuns elastic non-liniar ca un component al comportarii acestora. Daca incarcarea este amplasata pe un strat de mixtura asfaltica, acesta va indoi/va ceda. Structura asfaltica este in totalitate un material non-liniar elastic deoarece mixtura revine la forma originala dupa indepartarea incarcarii. Daca incarcarea este dublata, atat timp cat aceasta nu este suficient de mare cat sa provoace ruperea, mixtura asfaltica se va alungi mai mult dar alungirea nu va fi dubla. Sub incarcare, scheletul mineral este foarte comprimat. Particule suplimentare isi intra in rol si asa mixtura devine mai puternica. Cand o incarcare suplimentara este aplicata deformarii aditionale va fi mai putin decat deformarea de la incarcarea normala datorita faptului ca mixtura asfaltica este acum mai rigida, din nou tinand cont ca nu s-a aplicat o forta atat de mare incat sa provoace ruperea.

Comportament vascos

Comportamentul vascos in mixturile asfaltice provine de la liantul bituminos. La o temperatura constanta, rigiditatea va depinde de rata de incarcare. Cu cat o incarcare este mai rapid aplicata, cu atat mixtura asfaltica va reactiona mai rigida. Cu cat este aplicata mai incet incarcarea,cu atat mixtura va avea un comportament mai ductil/maleabil/moale.

Materialele vascoase isi schimba rigiditatea depinzand de cat de repede este aplicata incarcarea. Cu toate ca, in mod normal, considerand un lichid (de exemplu apa dintr-o piscina) aceasta va avea o rigiditate foarte scazuta, si se va da din calea unui inotator. Daca acelasi inotator sare de la 10m inaltime de pe o platforma si aterizeaza in apa pe burta, apa va avea o reactie foarte rigida.

Astfel materialele vascoase isi schimba rigiditatea cu o schimbare in modul de incarcare. Mai mult, exista o intarziere de la timpul de incarcare pana cand deformatia apare. Aceasta inarziere se numeste unghi de faza.

Cu scopul de a prezenta diferenta dintre cmportamentul elastic si cel vascos, se poate observa in figura 4, care prezinta o incarcare ciclica aplicata si deformatia obtinuta. Intr-un material pur elastic, incarcarea si deformatia sunt in faza (in aceeasi etapa), aceasta este, maxima deformatie care poate aparea in acelasi timp ca incarcare maxima. Unghiul de faza dintre incarcare si deformatie este zero.

Figura Deformatia si incarcare unui material liniar elastic

Intr-un material pur vascos, incarcarea maxima apare cand deformatia se schimba cat mai repede. Daca o incarcare sinusoidala este aplicata, asa cum este prezentat in figura 5, deformatia se schimba rapid cand deplasarea este zero. Incarcarea este maxima cand deformatia este zero. Unghiul de faza dintre incarcare si deformatie este de 90 de grade.

Figura Deformatia si incarcarea unui material vasco elastic

Liantul bituminos este un material vasco elastic, nu este nici in totalitate vascos, dar nici complet elastic. Comportamentul acestuia este o parte vascoasa si o parte elastica.

Sageata cea mai lunga in figura 6 reprezinta rigiditatea la forfecare a liantului bituminos, G*, cunoscut de asemenea ca si modulul complex. Sageata orizontala reprezinta componenta elastica a rigiditatii, iar sageata verticala reprezinta componenta vascoasa. Unghiul dintre rigiditatea elastica si modulul complex este cunoscuta ca si unghi de faza.

Figura Rigiditatea complexa a liantului bituminos si a unghiului de faza

La temperaturi ridicate (aproximativ 150șC) liantul bituminos va fi aproape complet vascos cu foarte putin comportament elastic. La temperaturi scazute (de aproximativ -40 șC) liantul bituminos va fi un solid fragil, sfaramicios, aproape in intregime elastic. La temperaturi normale liantul bituminos este partial vascos si partial elastic.

Figura Modificarea rigiditatii liantului bituminos cu schimbarea temperaturii

La temperaturi scazute, rigiditatea liantului bituminos este mai mare si unghiul de faza este mai mic, asa cum este prezentat in sagetile solide din figura 7. La temperaturi ridicate, rigiditatea este mica si unghiul de faza este mare, asa cum este reprezentat prin sagetile punctate.

Comportament combinat

Mixturile asfaltice au comportament non-liniar elastic, liniar elastic si vascos. Depinzand de temperatura mixturii si de tipul de incarcare, proportia relativa a fiecarui comportament se va schimba. Conceptual, pentru o autostrada normala, tranzitia proprietatilor cu temperatura este prezentata in figura 8. La temperaturi scazute comportamentul mixturii este elastic si in mare parte liniar elastic. O data cu cresterea temperaturii, comportamentul liniar elastic devine mai putin pronuntat si cel elastic non-liniar se mareste. Cu cat temperatura creste mai mult, comportamentul elastic continua sa descreasca si comportamentul vascos incepe sa apara.

Figura Schimbarea in comportamentul mixturii asfaltice cu modificarea temperaturii

Iarna cand temperaturile sunt scazute, nu apare fenomenul de fagasuire datorita faptului ca mixtura este elastica, toata energia intra in structura rutiera prin trafic si se reintoarce ca legatura elastica. Cedarea din oboseala nu este o problema la temperaturi reduse. La temperaturi medii, adica temperaturi normale primavara sau toamna, mixtura ramane mai mult cu comportament elastic. Comportamentul vascos apare dar rigiditatea ramane destul de mare pana la limita fagasuirii. Sub aceste conditii, cedarea prin oboseala poate sa apara.

La temperaturi mari, vara, rigiditatea mixturii descreste si eforturile sunt impuse prin cresterea traficului. O portiune de incarcare in componenta vascoasa nu este recuperata si apar deformatiile permanente. De obicei, magnitudinea incarcarilor nerecuparate este destul de mica incat fagasuirea nu este o problema. Daca incarcarile sunt excesiv de mari, deformatiile permanente pot fi excesive.

Trecerea de la un comportament la altul pentru un anumit tip de mixtura asfaltica este determinata de compozitia acesteia. Temperatura de tranzitie poate fi modificata de proiectarea mixturii si de tehnologia utilizata la punerea in opera. Ideal, la temperaturi ridicate, comportamentul elastic ar trebui sa fie suficient sa previna fagasuirea.

Scheletul mineral contribuie la comportamentul elastic. Forma agregatelor si textura acestora va influenta proprietatile elastice. Modul de compactare in timpul constructiei influenteaza comportamentul elastic. Daca scheletul mineral este foarte bine compactat, proprietatile elastice vor fi sporite. Daca compactarea nu este suficient efectuata, proprietatile elastice nu vor fi la fel de bine dezvoltate. Componenta elastica a rigiditatii liantului bituminos contribuie de asemnea la comportamentul elastic. Agregatele zdrobite putin cu fete netede rotunde va descreste comportamentul elastic si produce o structura care se va deforma sub incarcari si nu va reveni la forma originala.

Liantul bituminos influenteaza proprietatile vascoase ale mixturii asfaltice. Cantitati crescute ale liantului bituminos in mixtura va spori comportamentul vascos.

Calitatea liantului bituminos influenteaza comportamentul elastic. Un liant bituminos mai rigid comparativ cu unul normal are un comportament mai elastic la o anumita temperatura data. La un continut de goluri de peste 3%, proprietatile elastice ale scheletului de agregate sunt mentinute. La un continut redus de goluri, proprietatile vascoase ale liantului bituminos sunt mai predominante, asa cum comportamentul elastic al scheletului mineral descreste.

Caracterizarea proprietatilor mixturilor asfaltice

Datorita varietatilor de liant bituminos, filere si agregate, proprietatile mixturii variaza pe scara larga. Este dificil sa se determine valori normale ale acestor proprietati. Una dintre cele mai importante directii o reprezinta intelegerea comportarii mixturilor asfaltice care sa prezica proprietatile mixturilor din proprietatile constituientilor lor. Astfel, in continuare vor fi prezentate doar metodele de caracterizare ale proprietatilor mixturilor asfaltice.

Incercarea de stabilitate Marshall

Incercarea de stabilitate Marshall a fost dezvoltata de inginerii din anii 1940 si este utilizata pentru a masura rezistenta unei probe de mixtura asfaltica compactata la un efort de compactare stabilit in laborator. Stabilitatea reprezinta sarcina maxima la care proba poate rezista sau sarcina care trebuie sa fie aplicata pentru a determina proba sa cedeze. In acesta metoda de incercare, o solicitare de compresiune este aplicata pe o proba cu un diametru de 101,6 mm si o grosime de 63,5 mm prin capetele de testare semicirculare. Deplasarea este aplicata la o rata de 5 mm/min dupa ce proba este adusa la temperatura de 60°C.

Incercarea cu stabilometrul Hveem

Testul Hveem sau testul cu stabilometrul este o masura empirica a frecarii interne in cadrul unei mixturi asfaltice utilizate in mod obisnuit in Statele Unite. In aceasta incercare, o sarcina axiala verticala este aplicata unei probe de mixtura asfaltica cu un diametru de circa 101,6 mm si inaltime de 63,5 mm si astfel se masora deplasarea. Temperatura probei trebuie sa fie de 60°C la momentul incercarii cu scopul de a simula starea cea mai critica din teren a mixturii. Valorile stabilitatii pot varia intre 0 (pentru un lichid) si 100 (solid incompresibil). Pentru cazul mixturilor asfaltice , valoarea stabilitatii poate varia intre 30 si 40.

Incercarea de modul rezilient MR

Modulul rezilient este parametrul cel mai frecvent de masurare a rigiditatii pentru probele de mixtura asfaltica care sunt prelevate din teren sau preparate in laborator. Incercarea modulului rezilient este o metoda de incarcare indirecta repetata. Proba utilizata pentru incercarea modulului rezilient trebuie sa fie de 62,5 mm inaltime si 101,6 mm diametru. Forta aplicata este calculata in acelasi mod ca si rezistenta la tractiune, dar proba nu este incarcata pentru a ceda. Pentru aceasta incercare, proba este incarcata la un nivel intre 5-20% din rezistenta la tractiune indirecta. Sarcina este de obicei aplicata pentru 0,1 s impreuna cu o perioada de odihna de 0,9s. Aceasta secventa de incarcare se repeta de 100 de ori si incarcarea rezilienta axiala este masurata de un traductor de deplasare liniar variabil (LVDT – Linear Variable Displacement Transducers). Urmatoarea ecuatie este utilizata pentru a calcula modulul rezilient:

unde: P – incarcarea aplicata, Ht – deformatia orizontala, t – grosimea probei si – coeficientul lui Poisson.

Incercarea modulului dinamic complex

Modulul dinamic (complex) este determinat prin aplicarea incarcarii verticale sinusoidale pe probe cilindrice in timp ce se masoara deformatia.

Raportul inaltime-diametru al probelor trebuie sa fie de cel putin 2 la 1 pentru a minimza efectul de frecare la partea superioara si inferiaoara a probeleor. De asemenea, diametrul probei trebuie sa fie de cel putin doua ori dimensiunea maxima toatala a agregatului cel mai mare. Dimensiunile cele mai utilizate pentru probe sunt 101.6, 203.2 mm si 152.4, 304.8 mm. Incarcarile aplicate sunt de aproximativ 35 psi (241,5 kPa) si este de obicei definit ca un procent din rezistenta mixturii asfaltice. Probele sunt incercate la 5 diferite temperaturi – 10, 5, 21, 38 si 55°C si la 5 frecvente de aplicare a incarcarii – 25, 10, 5, 1, 05, si 0,1 Hz. Modulul dinamic este calculat cu urmatoarea formula:

unde: – amplitudinea incarcarii sinusoidale aplicate si – amplitudinea deformatiei sinusoidal rezultat.

De asemenea, un unghi de faza, care este o masura a proprietatilor vascoase ale materialului, este calculat folosind urmatoarea formula:

unde: – decalajul (s) si – perioada incarcarii sinusoidale (s)

Incercarea de fluaj static

In incercarea de fluaj static, o incarcare axiala rapida (0,05s) este aplicata pe o proba pana cand un efort axial, de obicei intre 69 si 207 kPa, este obtinut (Asphalt institut, 2007).

Acest efort axial este apoi mentinut pana cand deformatia axiala totala atinge aproximativ 2% ( 20 000 micro deformatii) sau apare curgerea (creste deformatia) apare in proba incercata. In prima zona deformatia descreste in timp ce in zona secundara deformatia ramane constanta. Timpul de curgere este momentul cand deformarea din forfecare apare sub volum constant. De obicei, valori mari ale timpului de curgere (Ft) sunt asociate cu o rezistenta mai buna la fagasuire ale HMA.

Incercarea de fluaj dinamic

Incercarea de fluaj dinamic este realizata utilizand cicluri repetate de incarcare axiala ( de obicei 10 000 de cicluri la 63 -207 kPa) si deformatia axiala rezultat (deformatia permanenta cumulata) este masurat (Asphalt Institute, 2007). Incercarea dureaza aproximativ 3 ore sau pana cand deformarea excesiva se observa in proba. Efortul axial este aplicat probelor cilindrice cu diamentru de 101,6 mm si inaltime de 150mm, conform U.S.A., iar in Romania se utilizeaza probe cilindrice cu diametrul 102mm si inaltime de 63,5mm, pentru 0,1s (timp de aplicare a incarcarii) urmata de o perioada de repaus de 0,9 s. Punctul de inceput, sau numarul ciclu, la care fluxul tertar apare este mentionat ca numar de curgere (Fn ).

Incercarea de fagasuire

Deformatiile permanente se produc din cauza incarcarilor repetate din trafic suprapuse cu temperatura ridicata. Adancimea fagasului este cauzata de treceri repretate cu o roata incarcata in laborator. Ciclul de incarcare este reprezentat de doua treceri (inainte si inapoi) ale rotii incarcate.

Susceptibilitatea mixturilor asfaltice care sunt supuse deformarii este evaluata prin masurarea fagasului format prin treceri ale unei roti incarcate, la o temperatura fixata.

Probele incercate pot fi atat confectionate in laborator cat si prelevate din teren si pot varia ca si dimensiune (grosime) a stratului de mixtura incercata.

Se pune masina in miscare. Se opreste masina si se masoara adancimea fagasului in 15 amplasamente predeterminate, dupa ce epruveta de incercat a suportat numarul de cicluri de incarcare specificat, 1000, 3000, 10 000, 30 000 cicluri de incarcare, excluzand ciclurile de conditionare. Se mentine temperatura epruvetei la valoarea specificata ±2°C in tot timpul incercarii. O incercare a epruvetei se considera completa dupa numarul cerut de cicluri de incercare sau daca adancimea medie a fagasului depaseste 18 mm.

Incercarea de incovoiere din oboseala

Incercarea la incovoiere din oboseala se efectueaza pentru a evalua durata vietii la oboseala a unei probe mici de tip grinda din HMA cu dimendiunile de 400mm lungime x 30.5 mm grosime x 50 mm latime in Romania (380 mm lungime x 50 mm grosime x 63 mm latime, conform U.S.A.) prin supunerea aceasteia la incovoiala repetata datorata indoirii pana la esec. Grinda poate fi fie din teren sau pregatita in laborator. Incercarea se desfasoara ca incarcare haversine repetata (0,1 secunde de incarcare si 0,4 secunde de repaus) si sunt aplicate in trei puncte pe proba grinda. Deformarea este masurata la centrul grinzii. Incercarea de incovoiere din oboseala poate fi realizata sub efort sau sub deformatie constanta. Rigiditatea la incovoiere (S) poate fi calculata cu formula urmatoare:

unde: – tensiunea maxima de tractiune (Pa) si – deformatia maxima de tractiune.

Incercarea modulului de forfecare

Incercarea de forfecare, este utilizata pentru a descrie comportamentul vascoelastic a unei mixturi asfaltice. In aceasta incercare, deformatia de forfecare sinusoidala de 0,01% (varf la varf) este aplicat asupra unei probe compactate cu metoda Superpave la 10 frecvente ( de la 0,031 pana la 10 Hz). Probele utilizate au de obicei diametrul de 150 mm si inaltimea de 50 mm. Raportul diametru/inaltime de 3:1 sau mai mare ar trebui sa fie utilizat pentru toate probele. Tensiunea si efortul de forfecare obtinute sunt apoi utilizate pentru a calcula modulul complex de forfecare (G*) al mixturii asfaltice. Aceasta incercare poate fi folosita pentru a determina efectul frecventei de incarcare (viteza de circulatie) precum si efectul temperaturii asupra mixturilor asfaltice. Rezultatele incercarii sunt utilizate ca punct de plecare in ghidul de proiectare mecanic-empiric pentru a determina grosimea adecvata a stratului rutier.

Incercarea de intindere indirecta (IDT)

Procedura incercarii de intindere indirecta masoara conformitatea fluajului si rezistentei mixturilor asfaltice utilizand tehnici de incarcare indirecta de la temperaturi intermediare la temperaturi joase (<20°C). Aceasta analizeaza mixturile pentru fenomenul de rupere la temperaturi scazute. In aceasta incercare, o sarcina de compresiune este aplicata perpendicular pe axele diametrale ale unei probe cilindrice.

Datorita partii mecanice a incercarii, o stare aprope uniforma de efort de tractiune este plasat pe planul diametral. Echipamentul de incercare consta intr-o bucla inchisa servo-hidraulica, sau un sistem cu surub mecanic capabil sa aplice sarcini statice cat mai apropiate de valaoarea de 5 N. O analiza completa a rezultatelor incercarii impune respectarea normelor privind fenomenul de fluaj si rezistenta la tractiune si se va masura la temperaturi variind de la –10°C la 20°C.

Echipamentul de incercare giratorie (GTM)

Acest echipament a fost descoperit de Corpul de Ingineri ca un instrument eficient in evaluarea calitatii mixturii asfaltice (Roberts si colab, 1996). Acesta poate fi de asemenea utilizat si pentru proiectarea mixturilor asfaltice si pentru masurarea rezistentei la forfecare in timpul compactarii mixturilor. Acest echipament poate compacta mixturi asfaltice folosind un proces de framantare care simulaza actiunea de role in tipul compactarii din teren. Parametrii cum ar fi presiunea verticala, unghiul de giratie si numarul de rotatii pot fi ajustate pentru a simula conditiile de compactare din teren si conditiile date de trafic.

Presiunea verticala aplicata este de 600 KPa In Romania (828 KPa – U.S.A.), care este similar cu presiunile anvelopelor din trafic. Pentru masurarea intensitatii, presiunea necesara pentru producerea unghiului de giratie dorit este determinata si apoi converitita la rezistenta de forfecare. De obicei, un grad este utilizat pentru unghiul de giratie si 300 rotatii pentru compactare.

De asemenea, indicele de rotatie la forfecare (GSI – Gyratory Shear Index), care se determina prin impartirea unghiului de giratie intermediar la unghiul initial, este o masura a stabilitatii mixturii deoarece este legata de deformatiile permanente. Valorile GSI in jur de 1 indica o mixtura asfaltica stabila, in timp ce valori de peste 1,1 indica mixturi instabile.

COMPORTAREA MIXTURILOR ASFALTICE IN RAPORT CU CRESTERI ALE TEMPERATURII MEDIULUI DE EXPLOATARE

Introducere

Proprietatile mecanice ale mixturilor asfaltice bituminoase sunt dependente de temperatura. Distributia temperaturii in mixturile asfaltice flexibile depinde de conductivitatea termica a mixturii asfaltice, de timp si de temperatura de la suprafata. Temperatura suprafetei unei mixturi asfaltice este dependenta de parametrii climatici precum temperatura aerului si energia solara.

Energia solara variaza sezonier si tinand cont de conditiile atmosferice astfel incat acea energie primita de mixtura este o functie a radiatiilor solare si a caracteristicilor de suprafata ale mixturii asfaltice precum culoare, textura, etc.

Nu exista o evidenta disponibila a cantitatii lunare a radiatiilor solare. In acest studiu temperatura aerului este considerata a fi factorul principal care afecteaza temperatura de suprafata a unei mixturi.

Relatii obisnuite intre temperaturi maxime si adancime pentru materialele componente ale mixturilor asfaltice, pentru diferite temperaturi ale aerului, au fost publicate de Morman si Metcalif si sunt prezentate in figura urmatoare:

Figura Relatia dintre temperatura suprafetei mixturii asfaltice cu adancimea sub suprafata

(adaptata dupa Dormon si Metcalf)

Se poate afirma ca schimbarile climatice ne obliga la acordarea unei atentii sporite atunci cand proiectam o structura rutiera. Calculul structurii rutiere se realizeaza cu valori ale rigiditatii determinate pentru o temperatura de referinta de 15°C (temperatura mixturii asfaltice), ceea ce echivaleaza cu o temperatura in aer de aproximativ 11°C, dar in practica se ating valori mult diferite ale temperaturii.

O temperatura de doar 30°C (foarte frecventa la lunile de sfarsit de primavara, vara si inceput de toamna) in aer conduce la o temperatura in mijlocul stratului asfaltic cu grosimea de 15 cm de 45°C.

Din cauza modificarilor climatice din ultimii ani (tendinta de incalzire pronuntata mai ales in perioada calduroasa a anului, suprapusa peste iernile reci din Romania) in calculele de dimensionare trebuie sa se tina cont de susceptibilitatea la temperatura a mixturilor asfaltice, prin luarea in considerare a valorilor modulilor de rigiditate diferit, in functie de temperaturile intalnite in drum.

In calculele de dimensionare ale structurilor rutiere flexibile trebuie sa se tina seama de clasa tehnica a drumului, prin considerarea potrivita a frecventei de incercare pentru obtinerea modulului de rigiditate, aceasta fiind in stransa legatura cu viteza vehiculului: o frecventa de 10 Hz corespunde unei viteze de 72 km/h.

Se stie ca modulul de rigiditate creste cu cresterea frecventei de incercare, la o temperatura data.

Efectele temperaturii ambientale ridicate asupra caracteristicilor stratului asfaltic de uzura

Temperaturile structurilor rutiere cauzate de radiatia solara si a emisiilor de evacuare auto sunt nocive asupra mediului ambiant, deci si asupra oamenilor.. S-a demonstrat faptul ca temperatura structurii rutiere in perioadele calduroase ale anului este mult mai mare decat cea a aerului ambiant si uneori, poate ajunge la 70°C sau mai mult in functie de conditile climatice. Mixtura asfaltica este un material care absoarbe caldura cu o rata de absorbtie de 0,80-0,95, dar in acelasi timp, mixtura asfaltica este un material izolant, respectiv protejeaza la cresteri de temperatura straturile inferioare ale structurii rutiere. Acest lucru presupune faptul ca stratul asfaltic de uzura, absoarbe usor caldura insa se raceste lent. Pe baza studiilor declarate in studii de specialitate, temperatura la suprafata mixturii asfaltice este de aproximativ 24°C mai mare comparativ cu temperatura aerului. In ultimii ani, cu incalzirea globala, temperatura aerului este in general in crestere, si in aceste conditii agresivitatea factorului gradient de temperatura modifica in timp caracteristicile fizico mecanice ale stratului asfaltic de uzura preconizate intial la proiectarea retetei in laborator. Studii de specialitate efectuate in China unde s-a experimentat perioade sezoniere, au pus in evidenta variatia gradientului de temperatura pe mai multi ani cu impact major asupra durabilitatii stratului asfaltic de uzura, deci asupra scaderii duratei normate de functionare (figura 10).

Figura Variatia temperaturii in timp (China)

Efectul temperaturilor ridicate asupra durabilitatii structurilor rutiere

Temperatura este un factor important care influenteaza performantele mixturilor asfaltice. Figura 11 prezinta efectul temperaturii asupa modulului complex al mixturii asfaltice. Se poate observa in figura 2 ca modulul complex al mixturilor asfaltice descreste cu cresterea temperaturii.

Figura Influenta temperaturii asupra modulului complex al mixturii asfaltice

Apare in acest fel o reducere semnificativa a stabilitatii si rezistentei mixturii asfaltice cu cresterea temperaturii. Cu cat temperatura este mai mare, cu atat modulul de rigiditate are valori mai mici si rezistenta la fagasuire a mixturilor asfaltice scade.

Mixturile asfaltice din stratul de uzura supus cresterilor de temperatura ambientala, sunt supuse unor modificarilor structurale, datorita reducerii punctului de inmuiere si imbatranirea mixturii sub efectul continuu al temperaturilor ridicate.

Fagasuirea la temperaturi ridicate este mult mai importanta la mixturile asfaltice, care in principal se produce in timpul verii, in special in timpul zilelor cele mai calduroase. Pe baza cercetarilor efectuate, in literatura de specialitate se precizeaza faptul ca atunci cand temperatura aerului este mai mica de 30°C si cand temperatura la suprafata structurii rutiere din mixtura asfaltica este mai mica de 55°C, fagasuirea nu va aparea sau poate fi limitata la doar cativa milimetrii. Cu toate acestea, ea va creste rapid atunci cand temperatura aerului este mai mare de 38°C. Fagasuiri importante in mixtura vor aparea in cateva zile in cazul in care temperatura aerului este continuu mai mare de 40°C.

Efectul temperaturilor ridicate asupra sigurantei rutiere

Fagasuirea, cauzata de temperaturile ridicate la suprafata structurilor rutiere, afecteaza serios performantele structurilor si durata de viata a acestora. Datorita acestui lucru scade si uniformitatea drumului, precum si reducerea substantiala a confortului de conducere. Deformatiile permanente sub forma fagaselor longitudinale, pot atrage miscari necontrolate ale vehicului pe carosabil, atunci cand face o depasire sau cand schimba banda de mers. In acesta situatie, se afecteaza stabilitatea si manevrabilitatea autovehiculului. Apa si gheata in fagase va reduce performanta contactului pneu-carosabil, care afecteza siguranta rutiera si in acest fel poate sa induca la accidente in trafic.

Mai mult, se spune ca temperaturile ridicate asupra structurilor rutiere cu mixturi asfaltice reprezinta unul din motivele care cauzeaza explozia anvelopelor si autoaprinderea vehiculelor, mai ales atunci cand temperatura ajunge la 40°C.

In plus, temperaturile mari ale mixturilor asfaltice afecteaza starea fizica, mentala si spirituala a conducatorilor auto, si creste numarul accidentelor rutiere din cauza iluziei date de caldura asupra situatiei drumului. De exemplu, expuse la lumina foarte puternica a soarelul, mixturile asfaltice devin foarte lucioase si par sa dea o „lumina falsa”, datorita oxidarii si fenomenelor de exudatii ale liantului folosit in compozitia mixturii.

Prin urmare, serviciul meteorologic si departamentul de control al traficului, au ca sarcina suplimentara de a monitoriza si prognoza temperatura de la suprafata structurilor rutiere din mixturi asfaltice, in vederea mentinerii conditiilor de siguranta a circulatiei si pe timp de vara la sporuri de temperatura ambientale.

Parametrii de influienta ai comportarii stratului asfaltic de uzura la temperaturi ridicate

Rigiditatea mixturilor asfaltice

Rigiditatea si rezistenta mixturilor asfaltice sunt doi parametrii la fel de importanti si sunt definiti dupa cum urmeaza: rigiditatea reprezinta raportul intre incarcarea aplicata si deformatia rezultata, iar rezistenta reprezinta capacitatea unui material de a rezista unei incarcari.

Termenul de modul de rigiditate este folosit de Shell si este legat de modulul dinamic. Notiunea de rigiditate a fost introdusa de Van der Poel, din cauza efectelor pronuntate ale timpului de incarcare si temperatura, asupra raspunsului reologic al bitumului si pentru a distinge acest parametru de modulul elastic.

Modul de rigiditate al mixturilor asfaltice: pentru încercari de întindere/ compresiune modulul complex se noteaza cu E*; în schimb, în cazul forfecarii (oscilatii armonice) modulul complex se noteaza cu G* (modul complex de forfecare). Pentru materiale liniare si omogene relatia între G* si E* este:

E* = G*(1+µ*)

cu µ* – coeficientul lui Poisson complex.

Valoarea modulului complex scade considerabil daca temperatura creste si frecventa scade. La temperaturi scazute valoarea acestui modul este apropiata de cea a modulului rezilient.

Valoarea modulului complex este influentata de procentul de bitum. Daca procentul de bitum creste, efectul temperaturii devine semnificativ si valoarea modulului complex devine din ce în ce mai putin influentata de frecventa. Unghiul de faza creste cu cresterea temperaturii si descreste cu frecventa.

Modulul complex este definit ca raportul efort/deformatie:

Modulul complex se determina plecand de la o incarcare dinamica (figura 12) obtinandu-se raportul dintre tensiunea impusa si deformatia rezultanta care, din cauza caracterului vascoelastic al materialului, apare cu o intarziere fata de actiunea tensiunii, intarziere denumita defazaj si exprimata de unghiul de defazaj.

Figura Efortul si deformatia in cazul incarcarii dinamice

Daca efortul sinusoidal este:

=

Unde:

amplitudinea efortului

viteza unghiulara

atunci deformatia rezultata este:

unde: amplitudinea deformatiei, defazaj

Modulul complex se poate determina cu urmatoarea formula (reprezentare in figura 13):

= + i =

( partea reala sau elastica, partea imaginara sau vascoasa, = -1)

= =

Figura Reprezentare modul complex

Din incercarea la oboseala prin incovoiere in 2 puncte se poate studia comportarea reologica a mixturilor asfaltice,determinand modulul complex,modulul elastic si modulul vascos. Defazajul ce apare intre solicitarea aplicata (deformatie) si raspuns (forta) este inregistrat continuu. in functie de numarul de cicluri aplicate.

Relatiile de calcul ale componentelor modulului complex precum si a normei modulului complex sunt urmatoarele:

( = + )

( = ( )

=

Unde: -amplitudinea fortei rezultate;

– amplitudinea deformatiei aplicate

-defazajul intre efort si deformatie;

-masa epruvetei;

– pulsatia

– 0,1206 , factor de masa.

– 166,52 coeficient ce depinde de dimensiunile probei

Momentul complex este caracterizat de o pereche de doua componente. Aceasta pereche poate fi exprimata in doua moduri: componenta reala E1 si componenta imaginara E2:

Valoarea absoluta a modulului complex si unghiul de faza

Componentele modulului complex variaza functie de temperatura si de frecventa solicitarii. Aceasta idee este prezentata in literatura sub mai multe forme de reprezentari grafice si anume:

cube izoterme – acestea sunt obtinute trasand norma modulului complex in functie de frecventa pentru diverse temperaturi, in coordonate bilogaritmice (figura 14).

Figura Curbe izoterme ale mixturii asfaltice

Aceste curbe permit aprecierea proprietatilor mecanice ale mixturilor asfaltice. De asemenea, panta unei izoterme permite estimarea modulului complex functie de durata solicitarii.

curbe directoare – ideea construirii acestui tip de curba provine din multiplele studii facute de Francken. Stiind ca raspunsul unui material cu proprietati vascoelastice este influentat de frecventa si temperatura, este necesara aceasta reprezentare (figura 15):

Figura Curba directoare a mixturii asfaltice

Este posibil ca plecand de la rezultatele obtinute la diferite frecvente si temperaturi sa construim o curba unica (lg /E*/, lg f) corespunzatoare unei temperaturi TS (temperatura de referinta) aleasa arbitrar.

Aceasta curba unica careia i se mai spune curba dominanta (directoare) se construieste operand intr-o scara logaritmica de translatii paralele la axa frecventelor, unde amplitudinile depind de temperatura caracteristica fiecarui punct experimental.

S-a demonstrat ca translatiile sunt pentru a multiplica fiecare frecventa cu un factor aT , care poate fi calculat plecand de la o ecuatie de tip Arrhenius:

unde: T – temperatura in °K, TS – temperatura de referinta in °K, R – constanta universala a gazelor perfecte, H – energia aparenta.

O alta formula spusa de WLF( Willian, Landel si Ferry) este urmatoarea:

unde: c1 si c2 sunt constante ce depind de material si de temperatura de referinta.

Mai sus sunt prezentate toate curbele dominante la temperatura de referinta de 15°C (TS = 288°K), in timp ce energia aparenta intensificatoare H a fost stabilita la 50 kcal/mol. Pentru o frecventa f si o temperatura data, putem sa definim o frecventa de referinta dupa cum urmeaza:

curbe izocrone – acest tip de reprezentare este asemanator curbelor izoterme doar ca in abscisa este reprezentata temperatura pentru diverse frecvente ale solicitarii (figura 16).

Figura Curbe izocrone ale mixturii asfaltice

Aceasta reprezentare permite estimarea susceptibilitatii termice a mixturilor bituminoase (variatia modulului complex functie de temperatura), pentru o frecventa data.

diagrame Cole-Cole – in acest tip de grafic este reprezentata partea imaginara E2 a modulului complex, pe ordonata si partea reala E1 a modulului complex, pe abscisa (figura 17).

Figura Diagrame Cole-Cole ale mixturii asfaltice

Huet a fost cel care a observat ca aceasta reprezentare are alura unui arc de cerc indiferent de frecventa sau temperatura.

diagrame Black – reprezentarea ungiului de faza in functie de norma modulului complex

Figura Diagrame Black ale mixturii asfaltice

Aceasta reprezentare are ca scop vizualizarea zonei cu modul scazut, precum si diminuarea unghiului de faza odata cu cresterea temperaturii (figura 18).

Efectele temperaturii asupra rigiditatii mixturilor asfaltice

Figura 19 prezinta rigiditatea elastica a mixturilor asfaltice la variatie de temperatura. Rigiditatea descreste o data cu cresterea temperaturii de incercare. In intervalul temperaturilor studiate, un increment de 10°C rezultat in marimea rigiditatii a fost egal cu marimea rigiditatii masurate la temperatura standard multiplicat cu un factor de transfer de 0,40.

In figura 19 se poate constata, din masuratori experimentale publicate in literatura de specialitate, faptul ca, la o mixtura asfaltica cu rigiditate initiala mare, aceasta scade de la 20GPa la 5GPa la o crestere a temperaturii de la 15la 350C. pe cand la o mixtura asfaltica cu o structura materiala mai elastica scaderea este mai redusa, respectiv de la 7GPa la 2GPa, la acelasi interval de temperature

Figura Efectul temperaturii asupra rigiditatii mixturii

Miroslav Simun si ceilatii au studiat modulul de rigiditate al mixturilor asfaltice si au afirmat ca, in Croatia, temperatura medie la care se ajunge vara este de 40°C (si aici modulul de rigiditate descreste semnificant si exista o mare posibilitate sa apara fenomenul deformatiilor permanente), iar in timpul iernii teperaturile scad pana la -10°C si combinatia temperaturilor scazute si a schimbarilor ciclice cu modul de rigiditate foarte mare poate cauza ruperea mixturilor asfaltice.

In acest studiu a fost analizata comportarea pentru mai multe tipuri de mixtura asfaltica la diferite temperaturi de incercare, asa cum este prezentat in figura 20:

Figura Reprezentarea grafica a modulului de rigiditate (MPa) pentru diferite tipuri de mixtura asfaltica la mai multe temperaturi de incercare

Efectele constituientilor mixturii asfaltice asupra rigiditatii

Baxter si Graham (2000) au prezentat o abordare pentru analiza microstructurii materialelor compozite unde proprietatile efective ale materialelor sunt evidentiate utilizand Generalized Method of Cells propusa de Paley si Aboudi (1992). Aici, s-a urmarit o abordare similara, oricum, proprietatile materialului sunt calculate utilizand o solutie micromecanizata care captureaza influenta concentratiei agregatelor in interiorul ferestrei de miscare asupra proprietatilor efective ale materialelor. Aceasta abordare este motivata de cercetari din trecut care indica ca utilizarea proprietatilor asupra constituientilor in analiza microstructurii mixturii asfaltice la cald subestimeaza proprietatile macroscopice datorita limitarii experimentale de capturare a tuturor dimensiunilor de particule fine prezentate in microstructura. (Masad si Somadevan 2002; Papagiannakis si ceilalti, 2002).

Figura Tipuri de mixturi asfaltice in functie de granulozitati

Se poate consta ca analiza unei comportarii mecanice a unei mixturi asfaltice trebuie abordata din punct de vedere al proprietatilor materialelor constituiente. Aportul scheletului mineral la definirea acestor proprietati ale retetei mixturii asfaltice proiectate in laborator, este extrem de important mai ales la comportarea reologica a acesteia.

Din studiu se remarca cele patru scenarii analizate (figura 21), respective un schelet mineral cu o curba granulometrica etalata ponderal din punct de vedere al dimensiunilor granulelor componente (mixtura agregatului varianta A), fata de celelalte trei variante, care difera prin ponderea agregatului grosier mai mare (varianta B), ponderea mai mare a agregatului mare (varianta C) si ponderea mai mare a agregatului fin (varianta D).

In ceea ce priveste comportarea mixturilor asfaltice la deformatii permanenete (figura 22), mai ales in cazul cresterilor de temperaturi ale mediului ambient cumulate cu existent unui trafic intens si greu, cand apare in general si fenomenul de fagasuire, scheletul mineral are un rol preponderent, asa cum se prezinta in studiul mai sus mentionat.

Figura Prezenta fenomenului de fagasuire

Sub incarcarile date de vehiculele grele in conditiile mentionate, conduc la efecte dinamice la o reasezare a granulelor din scheletul mineral (figura 23), mai ales a celor cu dimensiuni mari, asa cum se prezinta in studiul mentionat.

Figura Schita efortului vertical pentru microstructura utilizand proprietati individuale pentru proprietatile materialelor eficiente si constitutive

Fenomenul de fagasuire se dezvolta prin aparitia de refulari ale stratului asfaltic din imbracamintea rutiera la margine urmei rotilor autovehicolelor, mai ales atunci cand exista trafic canalizat la circulatia in coloana.

Figura Fenomenul de fagasuire

Conform figura 24, sub rotile autovehicolelor se observa ca apare un efect de supracompactare al stratului asfaltic, formandu-se acea “pana rigida”, care duce la aparitia curbelor de cedare la refularea laterala a materialului bituminos. Teoria existenta in acest domeniu, arata faptul ca se formeaza un plan rezultant curbiliniu de cedare la intindere din incovoiere in stratul asfaltic, care in momentul in care se depaseste rezistenta la intindere prin material, apare efectul de cedare la fagasuire.

Un rol important in contracararea acestui efect il are compozitia scheletului mineral, lucru dezvoltat in studiul enuntat si concluzionat in rezultatele experimentale redate in figura care urmeaza

Metodologia pentru analiza microstructurala a mixturii asfaltice la cald este bazata pe utilizarea proprietatilor materialului care captureaza influenta procentului de particule asupra raspunsului local microscopic. Elasticitatea gradientului de putere este implicata in analiza microstructurala cu scopul de a captura influenta scara lungimii materialului utilizand tehnica ferestrei care se misca (the moving window) si ACF. Rezultatele obtinute au descoperit ca metodologia dezvoltata este de succes in depasirea limitelor prin utilizarea proprietatilor individuale ale constituientilor in analiza microstructurala a mixturii asfaltice la cald.

Figura Efectele variabilelor experimentale asupra rigiditatii mixturii asfaltice in functie de cresterea dimensiunii granulelor din scheletul mineral

Experimentele au demonstrat ca optimizarea variabilelor au permis rigiditatii mixturii sa fie imbunatatita. Pentru un continut de bitum de 4%, figura 25 arata o crestere a vascozitatii bitumului. Dimensiunea agregatelor precum si dimensiunea maxima a agregatelor folosite sporesc modulul de rigiditate al probelor incercate. In aceasta figura Grad 1 reprezinta agregatele cu dimensiunea maxima de pana la 25 mm, grad 2 reprezinta agregatele cu dimensiune intre diametrul 25mm si 37,5 mm, iar grad 3 reprezinta agregatele cu dimensiuni mai mici de 37,5 mm.

Ori se stie ca la cresteri de temperatura vascozitatea bitumului scade, deci indirect se poate anticipa o reducere a rigiditatii mixturii asfaltice, chiar si in cazul unei granulatii mai grosiere.

Probele care au in compozitie bitum cu calitate superioara prezinta relativ mici deformatii sub aplicarea unui efort repetat in incercarea de rigiditate. Acest lucru a indicat o crestere a marimii rigiditatii mixturii asfaltice.

Un fenomen similar apare si in cazul dimensiunilor agregatelor. Forta de frecare interna foarte mare, provocata de conlucrarea agregatelor din stratul de baza conduce la o valoare mare a rigiditatii mixturii comparativ cu cea existenta pentru o mixtura care continea agregate cu dimensiunea mai mici.

Tinand cont de aspectele specificate mai sus reies interactiunile dintre tipul bitumului si gradul adecvat de performanta corespunzatoare in ceea ce priveste rigiditatea mixturii asfaltice. In continuare vor fi studiate efectele care influenteaza acest proces, si anume:

Efectul dimensiunilor agregatelor asupra rigiditatii mixturii asfaltice

Figura Efectele dimensiunii agregatelor asupra rigiditatii mixturii asfaltice

Modulul de rigiditate pentru mixtura asfaltica cu dimensiunea maxima de 25 mm cat si pentru agregate de grad II sunt cu 21-23% mai reduse decat modulul de rigiditate pentru dimensiunea maxima a agregatelor grosiere. O crestere a dimensiunii maxime a agregatelor grosiere cauzeaza o crestere moderata a valorilor rigiditatii a ambelor tipuri de dimensiuni II si III ale agregatelor.

Optimizarea variabilelor mixturii pot imbunatatii proprietatile mecanice ale mixturilor asfaltice ce contin agregate mari. Mai mult de atat, a fost bine cunoscut ca materialele granulare sunt mai putin sensibile la schimbari de temperatura. Din acest motiv, modificari ale rigiditatii probelor din mixtura asfaltica cu o variatie a temperaturilor de incercare au fost considerate a fi afectate predominant de caracteristicile tipului de liant.

Ca si concluzie se poate afirma ca rigiditatea mixturilor asfaltice cu agregate mari a scazut cu cresterea temperaturii. De asemenea, compozitia mixurii asfaltice ce contine agregate mari si un continut de bitum de 4% a indicat ca obtine performantele cele mai reusite ale proprietatilor mecanice, care include si rigiditatea si rezistenta mixturilor la acumularea de incarcari permanente. O crestere in dimensiunea maxima a agregatelor grosiere pana la 37,5 mm a determinat o crestere moderata in rigiditatea mixturii.

Efectele continutului de bitum asupra rigiditatii mixturii asfaltice

Atat rigiditatea mixturii, S (in GPa) cat si continutul de bitum Bc (in %), au demonstrat a avea o relatie liniara.

Literatura de specialitate a aratat ca o relatie intre rigiditate si continutul de bitum poate fi descrisa printr-o curba de distributie normala (Lytton, 1994).

Prin urmare, teoretic, atunci cand s-a ajuns la un continut optim de bitum, nici o scadere si nici o crestere a continutului de bitum nu ar creste modulul de rigiditate al unei mixturi asfaltice. Cu toate acestea, in intervalul cuprins de continut de bitum in acest studiu, de exemplu de la 3,5% pana la 5,5% un continut optim de bitum nu a putut fi stabilit. In plus, s-a observat ca rigiditatea mixturii a avut tendinta sa descreasca odata cu cresterea continutului de bitum pana la 5,5% din totalul greutatii mixturii asfaltice, asa cum este prezentat in figura 27.

Figura Efectul continutului de bitum asupra rigiditatii mixturii asfaltice (dimensiunea agregatelor tip III, multigrad, 15°C)

Concluzia pe care o putem sustine in acest subcapitol este ca tendinta rigiditatii mixturii asfaltice S este sa descreasca cu cresterea continutului de bitum. Continutul de bitum dezvolta o relatie liniara cu rigiditatea mixturii. In asociatie cu variatiile de temperatura, efectele dimensiunilor agregatelor asupra rigiditatii mixturii asfaltice au fost umbrite de influenta bitumului.

Efectul tipului de bitum asupra rigiditatii mixturii asfaltice

Modulul de rigiditate al mixturilor asfaltice este dependent de caracteristicile bitumului (de exemplu de vascozitatea bitumului) precum si de temperatura de incercare. Marimea rigiditatii mixturii asfaltice este extrema la temperaturi scazute in comparatie cu valorile rigiditatii la temperaturi ridicate.

Pe baza temperaturii standard de 25°C si utilizand agregate cu granulozitatea I, modificari ale calitatii bitumului au determinat imbunatatirea rigiditatatii cu 5% si respectiv 52% la valoarea initiala de 4.1 GPa.

Cand agregatele cu granulatia de tip III au fost utilizate, s-a descoperit de asemenea ca maresc rigiditatea mixturii asfaltice cu aproximativ 32% si respectiv 66% si s-a demonstrat ca a plecat de la o marime initiala de 6.1 GPa, asa cum este prezentat in figura 28.

Figura Efectul tipului de bitum asupra rigiditatii mixturii asfaltice

Figura de mai sus arata ca prin optimizarea gradatiei agregatelor (de exemplu agregatele cu dimensiunea de tip III) performanta rigiditatii a unei mixturi asfaltice cu clasificare I pe baza vasozitatii bitumului a fost imbunatatita cu 67% la temperatura de 35°C, cu 62% la 25°C si cu 28% la 15°C. In plus, o relatie liniara parea sa se dezvolte intre rigiditatea S si vascozitatea bitumului Vvisc, care ar putea fi empiric legata cu urmatoarea relatie:

S = I + m.Vvisc

unde: I – este intercepta;

m – este panta regresiei rigiditatii.

Efectele tipului de bitum au avut tendinta sa descreasca la temperaturi mai ridicate de incercare. Acest lucru a fost demonstrat in mod clar de scaderi ale valorilor pantei m cu cresterea temperaturilor.

Cresterea temperaturilor de la 15°C la 25°C si 35°C a dus la scaderea pantei m cu factorii 0.42 si 0.57 pentru agregate cu granulozitatea tip I si respectiv cu factorii 0.57 si 0.62 pentru agregate cu granulozitatea tip III.

O scadere a pantei m a indicat ca reorientarea particulelor agregatelor a provocat eforturi permanente acumulate care a avut loc sub aplicari ale incarcarilor repetate. Urmatoarea aparitie a fost fie ca curbele rigiditatii devin plate din cauza ca nu a mai avut loc reorientarea particulelor de agregate (a fost obtinut un nou tip de echilibru), sau curbele s-au mutat mai jos si pana la incercarea probelor acestea au cedat. Ambele tipuri de probleme au indicat ca nu au existat efecte datorate calitatii bitumului asupra rigiditatii cand temperatura a fost ridicata.

In concluzie se poate aprecia ca modulul de rigiditate al mixturilor asfaltice creste odata cu cresterea vascozitatii bitumului. Similar continutului de bitum, o relatie liniara se dezvolta intre rigiditate si vascozitatea bitumului. Se poate aprecia ca efectul contiutului de bitum tinde sa descreasca la temperaturi ridicate. S-a demonstrat ca cresterea temperaturilor de incercare descreste panta regresiei rigiditatii.

Efectele incarcarii aplicate si a timpului de incarcare asupra rigiditatii mixturilor asfaltice

Incarcarea aplicata

Marimile incarcarii aplicate au aratat influente usoare asupra rigiditatii mixturilor asfaltice. Curba care conecteaza varfurile valorilor rigiditatii au tendinta sa scada cu cresterea temperaturii de incercare.

O abatere mare a valorilor rigiditatii a aparut la temperaturi joase, in timp ce la temperaturi ridicate aceasta deviatie a valorilor a disparut. In general, o curba plata conecteaza varfurile valorilor rigiditatii datorita valorilor aplicate ale incarcarii asupra rigiditatii mixturii asfaltice.

Datorita duratei scurte si numarului mic de incarcari de tip haversine, probele au raspuns instantaneu cu valoarea deformatiei reziduale care este foarte mica comparativ cu deformatia recuperabila. Nu a aparut deformatie plastica sub o incarcare singura si deformatia nu a mai aparut cand incarcarea aplicata nu a fost in ciclu.

Deoarece marimea rigiditatii a fost relativ constanta, se poate afirma ca cresterea deformatiei este proportional cu cresterea incarcarii aplicate. S-a demonstrat ca rigiditatea a variat cu schimbarile de temperatura.

Ca si concluzie se poate preciza ca eforturile aplicate au dovedit o influenta mica, care tind sa scada cu cresterea temperaturii.

Figura Efectele incarcarilor aplicate asupra rigiditatii mixturilor asfaltice

(granulozitate tip III=37.5mm max, multigrad, 4%)

Timpul de incarcare

O rigiditate initiala a mixturii asfaltice de 9 GPa a fost masurata utilizand un timp de incarcare de 100 microsecunde. Reducerile de aproximativ 22% si 39% din care a fost obtinuta rigiditatea ca rezultat al cresterii timpului de incarcare pana la 150 ms si 180 ms a fost bazat pe temperatura standard de incercare la 25 o C.

Asa cum s-a mentionat si anterior, bitumul este un material dependent de temperatura, in timp ce materialul granular este independent de temperatura. Desi mixturile asfaltice contin doar o mica parte de bitum, experimental s-a demonstrat ca caracteristicile bitumului au dominat in principal proprietatile mixturilor asfaltice, in particular la temperaturi joase pana la moderate. In aceste conditii de temperatura, bitumul actioneaza ca un material solid, care leaga ferm fractiunile de agregate si confera un raspuns puternic al mixturii asfaltice la aplicarea eforturilor externe. Figura 29 prezinta un exemplu al acestui fenomen in care marimea rigiditatii a fost relativ mare la 15°C si 25°C si la timpul standard de incarcare de 100ms (microsecunde).

Dimpotriva, la temperaturi ridicate (≥35°C), efectele bitumului au parut sa se diminueze. Astfel, raspunsul mixturilor pentru orice factor perturbator extern (de exemplu incarcari date de trafic) au fost pur si simplu dependente de frecarea interna intre particulele agregatelor. In acest caz, atat o proiectare buna cat si o tehnica de compactare adecvata i-a permis mixturii asfaltice sa detina o structura rutiera rezistenta care, in timp, a avut performante bune sub incarcari externe, indiferent de influenta bitumului.

Figura 29 arata ca la temperatura de 35°C, rigiditatea mixturii parea sa fie relativ constanta la 3,8 GPa, in ciuda faptului ca in momentul incarcarii a fost crescuta. Acest lucru indica faptul ca un nou echilibru a fost atins, si nu va mai aparea o noua reorientare a particulelor agregatelor. Bitumul a actionat ca un material lichid si a inceput sa curga la aplicarea efortului extern. Aceste conditii au cauzat ca deformatiile rezultate sa nu fie proportionale cu incarcarile aplicate. Din acest punct, cu expunere la incarcari comerciale foarte grele, structura rutiera a intampinat problema deformatiei plastice. Pe termen lung, aceasta acumulare a deformatiei plastice ar fi declansat fenomenul deformatiilor permanente (fagasuire).

Se poate concluziona ca o crestere a duratei de incarcare a fost gasita pentru reducerea rigiditatii mixturii asfaltice.

Efectul coeficientului lui Poisson asupra rigiditatii mixturii asfaltice

Din cauza modului arbitrar de efectuare a incercarii modulului de rigiditate al unei mixturi asfaltice, presupunerea actuala in ceea ce priveste coeficientul lui Poisson, ca este egal cu 0,40 poate induce in eroare de interpretare a rezultatelor optime ale rigiditatii mixturii asfaltice.

In comparatie cu incercarea triaxiala conventionala, s-a demonstrat ca incercarea diametrala de determinare a rigiditatii ofera valori mai mari ale modulului de rigiditate ca cele masurate cu incercarea triaxiala. Valori excesive ale rigiditatii intre 60% la temperaturi joase si 30% la temperaturi ridicate au fost observate in acest studiu.

Concluzia finala poate aprecia ca o abatere mare a rigiditatii a fost obtinuta la temperaturi ridicate de incercare. Rigiditatea mixturilor obtinuta prin incercarea diametrala are tendinta sa prezinte valori mai mare ale rigiditatii mixturii asfaltice comparativ cu valorile obtinute in urma incercarii triaxiale, astfel incat o presupunere a raportului Poisson ar trebui evidentiata datorita interpretarii incorecte a rigiditatii mixturilor.

Tipuri de incercari complexe de laborator pentru determinare modulului de rigiditate

Determiarea modulului de rigiditate al mixturilor asfaltice implica o mare varietate de incercari, echipamente, moduri de incarcare, conditii de testare (precum frecventa incarcarii, temperatura utilizata, etc.).

Incercarile utilizate pentru a determina rigiditatea sunt urmatoarele:

1. Incercarea la intindere indirecta pe probe cilindrice;

2. Incercarea la incovoiere in doua puncte pe probe trapezoidale;

3. Incercarea la incovoiere in trei puncte pe probe prismatice;

4. Incercarea la incovoiere in patru puncte pe probe prismatice.

Determinarea modulului de rigiditate prin incercarea la incovoiere in patru puncte pe probe prismatice se face conform SR EN 12697-22, dupa cum urmeaza:

Figura Forma incarcarii applicate si al raspunsului

Epruveta de forma prismatica este supusa deformarii in domeniul liniar sub incarcari repetate. Se masoara amplitudinile efortului si deformatiei precum si defazajul intre efort si deformatie.

Incovoierea se realizeaza prin miscarea centrului punctelor de aplicare in directia verticala, perpendicular pe axa longitudinala a epruvetei. Pozitiile verticale a celor doua puncte de ca[at raman fixe. Deplasarea periodica aplicata este simetrica fata de zero si sinusoidala. Amplitudinea deplasarii trebuie sa fie constanta, ca o functie de timp.

In timpul incercarii se masoara forta necesara pentru deformarea epruvetei in functie de timp si defazajul intre semnalul fortei si semnalul deplasarii. Se calculeaza intre cel de-al 45-lea ciclu si cel de-al 100-lea ciclu de incarcare modulul de rigiditate al materialului incercat. Amplitudinea deformatiei este max (50 ± 3) micro-deformatii si este constanta.

Modul de incercare: grinda cu cele doua bride exterioare si cele doua bride interioare trebuie montata in cadrul de incarcare (figura 31). Apoi, grinda se misca sinusoidal la frecventa aleasa, la deplasarea impusa initial. Forta necesara se aplica prin cadrul de incarcare la cele doua bride interioare. Modul de incarcare ales (de exemplu deflexiune constanta sau forta constanta) se asigura printr-o reactiune a fortei sau deplasarii masurate. Forta, deplasarea si defazajul intre forta si deplasare se inregistreaza dupa 100 cidcluri si apoi, in mod regulat.

Figura Principii de baza pentru incovoierea in 4 puncte

Modulul de rigiditate al mixturii asfaltice trebuie determinat ca medie aritmetica a valorilor obtinute de la ce putin 2 epruvete.

Figura Schema de incercare la incovoiere a probelor prismatice

Unde latimea B si inaltimea H trebuie sa fie de cel putin trei ori marimea maxima a granulei D in materialul incercat. De asemenea lungimea L trebuie sa fie de minim 6B sau 6H, iar L trebuie sa fie maxim 10% Lt.

Epruvetele de forma adecvata sunt supuse deformarii in domeniul liniar, sunt incarcari repetate sau la viteze de deformare controlate. Amplitudinile efortului si deformatiei sunt masurate, impreuna cu defazajul dintre efort si deformatie.

Calculul rezultatelor se face cu ajutorul relatiei:

unde:

E – modulul de rigiditate masurat, exprimat in MPa;

F – valoarea maxima a incarcarii verticale aplicate, exprimate in N;

z – amplitudinea deformatiei orizontale obtinuta in timpul ciclului de incarcare, exprimata in mm;

– coeficientul lui Poisson;

h – grosimea medie a epruvetei, exprimata in mm.

Daca coeficientul lui Poisson nu este determinat, se ia valoarea de 0.35 pentru toate temperaturile. Modulul de rigiditate masurat trebuie adaptat la factorul de suprafata al incarcarii cu 0.60, folosind urmatoarea ecuatie:

unde:

E’- modulul de rigiditate masurat, exprimat in MPa, adaptat la factorul de suprafata a incarcarii cu 0.60;

k – factorul de suprafata al incarcarii masurat;

E – modulul de rigiditate masurat, exprimat in MPa.

Deformatii permanente ale mixturilor asfaltice

Deformatii permanente in structure rutiere flexibile

Deformatiile permanente in structurile rutiere cu mixturi asfaltice flexibile, denumite in mod obisnuit fagasuiri sunt de obicei formate din depresiuni longitudinale pe directia de mers a pneurilor autovehiculeor, si reprezinta o acumulare de cantitati mici de deformare irecuperabile cauzate de fiecare aplicare a sarcinii. (Asphalt Institute, 1996) Daca o mixtura asfaltica cedeaza si formeaza santuri ale fagaselor se datoreaza in mod normal datorita faptului ca mixtura asfaltica are o rezistenta la forfecare insuficienta pentru a sustine solicitarile la care este supusa. (Sousa si colab., 1991)

Exista trei mecanisme care ar putea fi implicate in dezvoltarea unui sant de fagas, care este, miscare plastica, deformatie mecanica si consolidare. Miscarea plastica poate sa apara fie in stratul de fundatie pe care este plasata structura rutiera, sau chiar in structura mixturii asfaltice. Miscarea plastica este identificata in mod normal, printr-o depresiune in apropierea centrului sarcinii aplicate cu forme „de umar” pe fiecare parte a sarcinii. Distanta de la „umar” la centrul santului fagasului va fi un indiciu a adancimii la care miscarea plastica are loc.

Deformatia mecanica poate aparea atunci cand un element de sub suprafata structurii rutiere isi pierde integritatea pentru un motiv sau altul si este deplasata sub sarcina. Un fagas care rezulta din acest tip de actiune va fi, in general, insotita de o fisurare substantiala asigurata de efort este permis sa progreseze suficient.

Un sant cauzat din consolidare va fi identificat in mod normal de o depresiune in directia aplicarii incarcarii fara a fi insotit de un „umar”pe fiecare parte a depresiunii. Acesta apare deoarece in stratul in care se identifica consolidarea nu s-a compactat suficient in timpul constructiei si primeste densificare in continuare din incarcarile repatate din trafic. Poate avea loc fie in stratul de fundatie, in stratul de baza sau in structura rutiera in sine. Impingerea este definita ca o deplasare orizontala a unei mixturi asfaltice.

Exista doua mecanisme principale prin care aceasta poate aparea. Primul se datoreaza instabilitatii mixturii asfaltice ceea ce duce la curgerea plastica a mixturii sub impingere orizontala. Instabilitatea si rezultatul impingerii sub incarcare, este cel mai frecvent cauza unei cantitati in exces de liant bituminos (volum de goluri de aer redus) care actioneaza ca un lubrifiant in mixtura mai degraba decat ca un liant. Al doilea mecanism care poate provoca impingerea este alinearea in mixtura sub impingere orizontala. In acest caz, adeziunea intre doua straturi de mixtura este insuficienta pentru asigurarea rezistentei adecvate la forfecare de-a lungul planului intre cele doua straturi.

Locatii la care are loc impingerea orizontala severa sunt reprezentate de zonele de franare (traficul care vine la semnul „stop”) si benzile ascendente pe autostrazi, in special cele cu volum mare de trafic de camioane. Principalul factor care contribuie la instabilitatea mixturilor asfaltice este constituit de excesul de liant bituminos. Cea mai frecventa cauza a unei mixturi cu rezistenta la forfecare insuficienta este o mixtura care contine prea multa parte fina, cu continut de filer insuficient si cu o slaba vascozitate a liantului bituminos. Structurile rutiere din mixturi asfaltice au o rezistenta mai mare la incarcari aplicate rapid comparativ cu incarcarile aplicate incet.

Sinteza documetara

Fenomenul de fagasuire in structura rutiera se dezvolta gradual cu cresterea numarului de aplicari ale incarcarii, de obicei apare ca depresiuni longitudinale pe caile rotilor insotite de mici ridicari ale straturilor in laterale. Acest lucru este cauzat de combinatia de densificare (descresterea volumului si, prin urmare, cresterea in densitate) si deformarea din forfecare si poate aparea in unul sau mai multe straturi rutiere, la fel de bine ca si in stratul de fundatie. Studiile efectuate la AASHTO Road Test (HighWay Research Board, 1962) si studiile efectuate pe pista de incercare reportate de Hofstra si Klomp (1972) au indicat ca deformatia din forfecare mai degraba decat densificarea a fost primul mecanism de fagasuire. Importanta plasarii materialelor la denistati ridicate cu scopul de a minimiza deformatia de forfecare au fost evidentiate.

Studii recente ale cercetatorilor Eisenmann si Hilmer au concluzionat de asemenea ca fagasuirea a fost in principal cauzata de deformatia de curgere fara schimbarea de volum. Figura 33, reprodusa din lucrarea Eisenmann si Hilmer, ilustreaaza efectul numarului de treceri ale rotilor autovehiculelor pe profilul de suprafata, asupra unui test de fagasuire efectuat cu echipamentul de laborator. Aceste date permit masuratorilor asupra adancimii medie a fagaselor la fel ca si volumul de material dislocat de sub roti si zonele in care straturile au fost ridicate. Din aceste informatii au fost trase doua concluzii importate, precum:

in stadiul initial de trafic, sporirea deformatiei ireversibile sub roti este distinct mai mare comparativ cu cresterea zonelor in care au fost ridicate straturile rutiere;

dupa stadiul initial, diminuarea valorii masurate a volumului de sub roti este aproximativ egala cu incrementul volumului in zonele in care sunt ridicate straturile adiacente. Aceasta este o indicatie ca compactarea sub trafic este completa pentru cea mai mare parte si ca, mai departe, fagasuirea este cauzata esential de deplasare cu volum constant. Aceasta faza este considerata a fi reprezentativa a comportarii deformatiei pentru partile majore ale duratei de viata ale unei structuri rutiere.

Figura Efectul numarului de treceri asupra profilului tranversal al suprafetei

(Figura dupa Eisenmann si Hilmer, 1987)

Deformatiile permanente sub forma fagasuirilor reprezinta una dintre cele mai importante mecanisme de cedare a structurilor de mixturi asfaltice. Odata cu cresterea presiunilor anvelopelor autovehiculelor rutiere in ultimii ani, fenomenul de fagasuire a devenit modul dominant de cedare a structurilor flexibile. Fagasuirea structurilor rutiere, care rezulta intr-o suprafata distorsionata, este cauzata in principal de acumularea de deformari permanente in toate sau doar o parte a straturilor rutiere ce alcatuiesc o structura rutiera. Fagasuirea poate fi cauzata si datorita uzurii suprafetei rutiere rezultata din utilizarea anvelopelor cu nituri (nu este cazul tarilor studiate, aceasta situatie se intalneste doar in tarile nordice).

Apa poate fi prinsa in santuri ceea ce va conduce la o reducere a rezistentei la derapaj, potential crescut de hidroplanare si imprastierea apei care reduce vizibilitatea. Progresul fenomenului de fagasuire poate duce la crapare si in cele din urma la dezintegrare completa sau cedare. Fagasuirea se ia in evidenta pentru o intretinere semnificativa si costuri conexe in ambele tipuri de drumuri precum autostrazile sau drumurile secundare. (Rabbiva Garba, 2002)

Aparitia timpurie a fagasuirii sub forma de flux de forfecare in mixtura asfaltica, are ca si consecnte, afectarea directa a duratei de viata a strcturii rutiere, calitatea si respectiv costul ciclurilor de viata. La temperaturi ridicate, de exemplu 40°C si mai mult, susceptibilitatea fagasuirilor mixturilor asfaltice trebuie sa fie studiata in laborator, inainte de a implementa straturile rutiere in santier. Este nevoie de o ancheta cuprinzatoare de laborator pentru a studia influenta proprietatilor fizice si mecanice ale agregatelor privind rezistenta sau comportamentul de deformare permanenta a mixturilor asfaltice. (Imran Hafeez, 2009)

Economia transporturilor cu camioane a provocat cresterea presiunilor astfel incat majoritatea camioanelor functioneaza aproape de limita legala de tonaj pe osie. In tarile in care punenrea in aplicare a limitelor legale a tonajului existent pe transportul rutier este redusa sau inexistenta (in curs de dezvoltare), camioanele care transporta marfuri grele depasesc cu mult limita sarcinii pe osie legala. Cum sarcinile pe osie au crescut, utilizarea de anvelope mai mari cu presiuni mai ridicate a devenit populara in industria transportului de marfuri cu camioane. Presiunile mai mari in anvelope reduce zona de contact dintre pneu si structura rutiera, care rezulta intr-un mare efort care contribuie la deformatii mai mari in structurile rutiere flexibile, manifestandu-se la fel de sever ca si santurile de fagase facute de anvelopele incarcate ale camioanelor. Ca si consecinta a crescut presiunea incarcarii pe osie, stratul de imbracaminte rutiera este supus unor solicitari crescute, ceea ce duce la deformari permanente (nerecuperabile). (Rabbiva Garba, 2002)

Daca o mixtura asfaltica cedeaza si formeaza santuri ale fagaselor se datoreaza in mod normal datorita faptului ca mixtura asfaltica are o rezistenta la forfecare insuficienta pentru a sustine solicitarile la care este supusa. (Sousa si colab., 1991)

Fagasuirea este prezentata sub forma unor neregularitati in profil longitudinal, dar si in profil transversal.

Odeon in anul 1995 a studiat acest fenomen si au ajuns la concluzia ca in cazul mixturilor asfaltice deformatiile permanente apar in principal datorita fluajului bitumului din alcatuire.

O rezistenta slaba la deformatii permanente se obtine pentru o mixtura asfaltica cu un volum de goluri mic si un continut de liant mare, dar are o rezistenta buna la oboseala. O mixtura asfaltica cu un continut de agregate bogat, un volum de goluri mare si un continut de liant mic are o buna rezistenta la fagasuire, dar o rezistenta slaba la oboseala.

Fenomenul de fagasuire al mixturilor asfaltice (figura 34) se produce atat datorita bitumului, deoarece asa cum se stie deja acesta este influentat de temperatura ridicata (are un comportament de fluid vascos si curge) cat si tinand cont de incarcarile de lunga durata.

Figura Efectul comportamenului vascoelastic al mixturilor asfaltice

Este foarte importanta determinarea rezistentei mixturilor asfaltice la deformatii permanente deoarece cauzeaza limita domeniului elastic si ajuta la realizarea unor mixturi bituminoase de calitate.

Eisemann si Hilmar au studiat fenomenul deformatiilor permanente ale mixturilor asfaltice utilizand un echipament de fagasuire si masurare a adancimii medie a santului precum si a volumului de materiale stramutate de sub pneuri in zonele adiacente acestora.

Acestia au ajuns la concluzia ca:

In stadiile initiale ale traficului cresterea deformatiilor ireversibile sub pneuri este distinct mai mare comparativ cu zonele in care materialul adiacent este rasturnat. Prin urmare, in faza initiala, compactarea prin trafic sau densificarea este mecanismul principal al dezvoltarii fagaselor.

Dupa etapa initiala, scaderea volumului sub penuri este aproximativ egala cu cresterea volumului in zonele adiacente rasturnate. Acest lucru indica faptul ca cel mai mult in compactarea din trafic este completata de fagasuire si este cauzata in principal de deformarea din forfecare, de exemplu, distorsiuni fara schimb de volum. Astfel, deformarea data din forfecare este considerata a fi mecanismul primar al fenomenului de fagasuire pentru cea mai mare parte a duratei de viata a structurilor rutiere.

Cercetari in literatura de specialitate au aratat ca fagasuirea in straturile HMA va avea loc, in geneneal, in primii 7 pana la 13 cm. Daca se utilizeaza o mixtura HMA cu calitate slaba, cresterea grosimii a acestui strat nu va descreste fagasuirea al stratul de mixtura. De fapt, imbunatatirea proprietatilor materialelor si a caracteristicilor mixturii vor fi semnificative in reducerea adancimii santului format de fagasuire.

Pentru valori normale ale pantei transversale, o adancime a santului de 1,25 mm este, de obicei, acceptata ca adancimea maxima admisibila a santului format. (Huang, 1993 si Kennedy si colab, 1996).

Fenomenul de fagasuire (deformatii permanente) este un alt fenomen important in cazul mixturilor asfaltice. Deformatiile permanente apar datorita incarcarilor repetate din trafic suprapuse cu temperatura ridicata, conform figurii 35.

Figura Stadii de solicitare si deformatii intr-o structura rutiera flexibila

(Olard si Di Benedetto, 2005)

Cauzele aparitiei fagasuirilor in structurile rutiere flexibile

In general exista trei cauze de aparitie a fenomenului de fagasuire in mixturile asfaltice: acumularea de deformatii permanente in imbracamintea rutiera,deformatii permantete in fundatia structurii rutiere si uzura mixturii asfaltice cauzata de pneurile cu nituri. In trecut, deformatiile provenite din stratul de fundatie erau considerate a fi cele mai periculoase pentru aparitia fenomenului de fagsuire si numeroase metode de proiectare aplicau un criteriu care limita incarcarea verticala la nivelul fundatiei. Cu toate acestea cercetari recente au indicat ca de cele mai multe ori fagasele apar in partea superioara a structurilor rutiere in stratul de imbracaminte. Aceste trei cauze pot fi suma care cauzeaza deformatiile permanente in toate straturile rutiere combinata cu uzura data de pneurile cu nituri.

Fagasuirea cauzata de o mixtura asfaltica slab calitativa

Fagasuirea aparuta din acumularea deformatiilor permanente in mixtura asfaltica este nou considerata a fi principalul component in aparitia fagasuirii in structurile rutiere flexibile. Acest lucru este din cauza cresterii incarcarilor date de sarcina pe osie a vehiculelor grele care pun asupra mixturilor asfaltice presiuni foarte mari.

Brown si Cross au efectuat un studiu extins la nivel national asupra fagasuirilor in mixturile asfaltice la cald in America. Studiul a fost initiat in anul 1987 pentru a evalua structurile rutiere din toate zonele ale statelor americane care cuprinde diverse regiuni climatice, care contine agregate de diferite origini si forme, care contin diferite moduri de proiectare si punere in practica si au fost luate numeroase probe pentru a realiza studiul la nivel national. Studiul a presupus colectarea probelor de mixtura asfaltica cu scopul de a caracteriza compozitia acestora, de a masura adancimea santului format de fagasuire, precum si grosimea stratului de mixtura asfaltica si de a investiga pentru a determina locatia de unde a pornit fenomenul de fagasuire. Concluzia acestui studiu privind locatia in care apare fagasuirea a fost ca majoritatea au avut loc la suprafata, in primii 75-100 mm ai stratului structurii rutere. Au aflat ca fagasuirea in stratul de fundatie este in general foarte mica. In Europa, a fost realizat un sondaj, in cadrul programului COST 333, pentru a determina cele mai frecvente tipuri de deteriorari. In consecinta, tarile care au fost rugate sa evalueze cele mai comune forme de deteriorare observate pe drumurile lor folosind o scara pe care creste importanta de la 0 la 5 unde 0 indica faptul ca nu s-a observat nimic si 5 este un factor major care indica performanta mixturii. Figura 36 indica rezultatele sondajului. Aceasta figura prezinta clar ca cel mai comun fagasuirea isi are originile in straturile bituminoase si aceasta este situatia cea mai intalnita pe drumurile Europene.

Figura Evaluarea deteriorarilor observate

Astfel este foarte clar ca fagasuirea cauzata de acumularea deformatiilor permanente in straturile mixturilor asfaltice este principala deteriorare a structurilor rutiere flexibile. Cu scopul de a reduce acest tip de deteriorare este necesar sa se acorde mai multa atentie la alegerea materialelor componente si la proiectarea retetei mixturilor asfaltice. Pentru a fi capabili sa proiectam retete de mixturi asfaltice care sa aiba o rezistenta adecvata la fagasuire, efectul compozitiei volumetrice ale mixturilor si proprietatile materialelor componente asupra raspunsului la deformatii permanente trebuie sa fie clar inteles. Mai mult, ar trebui sa existe o simpla masura a rezistentei la fagasuire a mixturilor care poate fi utilizata la etapa de proiectare a acestora pentru a permite evaluarea si selectia rezistentei la fagasuire amixturilor. Aceste probleme sunt principalele arii de focalizare ale acestei lucrari. Fagasuirea in straturile de mixtura asfaltica este cauzata de o mixtura asfaltica care are o rezistenta la forfecare si rezistenta la incarcari repetate din trafic foarte slabe. Fagasuirea mixturilor asfaltice data de mixturi asfaltice slab calitative este un fenomen cu temperaturi ridicate (de exemplu: cel mai des apare in perioada de vara cand temperaturile ridicate sunt evidente).

Figura Fagasuiri cauzate de mixturi asfaltice slab calitative

Asa cum am mentionat mai sus, deformatiile permanente in mixturile asfaltice reprezinta densificare si deformare din forfecare. Deformarea din forfecare are loc fara schimbarea volumului, adica este distorsionata. Mixtura asfaltica sub sarcina, se poate de asemenea dilata sau creste in volum. Deformarea care implica dilatanta se mai numeste si curgere (deformare) din forfecare sau curgere(deformare) plastica, in literatura de specialitate. O astfel de deformare poate duce la desprinderea dintre agregate si bitum si deteriorarea mixturii asfaltice. Figura 37 prezinta mecanismul fagasuirii in straturile de mixturi asfaltice. Astfel, in evaluarea mixturilor asfaltice la rezistenta la fagasuire este necesar sa se acorde mai multa atentie pentru comportarea la forfecare si la dilatare. In mod normal, evaluarea rezistentei la fagasuire a mixturilor asfaltice este bazata pe deformatii permanente axiale. Aceasta abordare nu obtine raspunsul materialului la forfecare, care se poate manifesta sub forma de deformare relativ mare laterala.

Fagasuirea cauzata de fundatie slaba

Fagasuirea (figura 38) poate fi cauzata de prea multe incarcari repetate la nivelul fundatiei, stratului de baza si stratului inferior mixturii asfaltice. In multe cazuri, acest lucru poate fi datorat adancimii insuficiente de acoperire a fundatiei rezulat de la selectia stratului de asfalt prea subtire de a reduce efortul din incarcarile aplicate la un nivel tolerabil. Acest tip de fagasuire este considerat a fi mai mult o problema structurala decat o problema de materiale si este adesea mentionata ca fagasuire structurala. Intruziunea de umiditate poate fi, de asemenea, cauza pentru degradarea stratului de fundatie. In acest tip de fagasuire, deformatiile permanente acumulate apar in fundatie. Figura 39 arata fagasuirea data de stratul de fundatie foarte slab.

Figura Ilustrarea mecanismului de fagasuire

Figura Fagasuirea data de un strat de fundatie slab

Fagasuirea cauzata de uzura

Pneurile cu nituri, utilizate in tarile nordice, duc la uzura semnificativa a structurii rutiere, care are ca rezultat depresiuni longitudinale formate pe directia de mers a vehiculelor. Uzura datorata anvelopelor cu nituri este estimat sa coste Administratia Drumurilor Norvegiene aproximativ 500 de milioane NOK in fiecare an. Din cauza acestui fapt, rezistenta mixturilor asfaltice la uzura, care sunt de obicei cu un continut ridicat de liant si un nivel scazut de goluri sunt specifice pentru drumuri cu un volum mare de vehicule. Din aceasta cauza fagasuirea (figura 40) observata in teren poate fi cel mai probabil efectul combinat al deformatiilor permanente si de uzura.

Figura Fagasuirea cauzata de uzura penurilor masurata pe un drum Norvegian

Caracteristicile mixturilor asfaltice si conditiile din teren sau din laborator care afecteaza fenomenul de fagasuire al mixturii asfaltice sunt prezentate in tabelul urmator:

Tabel 2 Factori care afecteaza fagasuirea mixturilor asfaltice

Urmatoarele consideratii in proiectarea mixturilor asfaltice ar putea minimiza in general deformatiile permanente:

Continut mai mic de liant: un continut mai mare de bitum este necesar pentru a imbunatati durata de viata la oboseala si durabilitatea mixturilor asfaltice, dar tinde sa sporeasca problemele deformatiilor permanente. Mixtura trebuie sa fie maximizata pentru oboseala si deformatii permanente printr-un compromis.

Agregate brute: agregatele de dimeniuni mai fine sau mixturi cu exces de nisip sunt mult mai susceptibile la deformatii permanente;

Agregate cu textura unghiulara si dura: aceasta se aplica in special fractiei de agregate fine. S-a demonstrat de Kalcheff, Tunicliff , Brown si Cross ca mixturile care utilizeaza la preparare nisip unghiular sunt mai rezistente la deformatii permanente decat mixturile care au in compozitie nisip natural rotunjit sau sub rotunjit. (Prithvi S. Kandhal, 1998).

Cresterea continutului volumului de goluri: mixturi cu continut redus de goluri in agregatele minerale (VMA) si continut mai mare de liant au tendinta de a avea un continut foarte scazut de volum de goluri de aer dupa compactarea din trafic. Astfel de mixturi isi pierd stabilitatea dupa ce ating un nivel de compactare critic si incep sa faca santuri si sa se deformeze.

Vascozitate imbunatatita a liantului bituminos: un liant bituminos cu o vascozitate ridicata la 60°C va fi mult mai rezistent la impingere orizontala in ceea ce priveste fluxul plastic in mixturile asfaltice comparativ cu un liant cu o vascozitate scazuta.

Continut mare de parte fina: cresterea in fractiunea -75 microni in mixtura tinde sa se intareasca (creste vascozitatea) in liant.

Agregate cu dimeniuni mari: la un continut adecvat de agregate mari in mixtura (precum 19,5 mm), mixtura in stratul de uzura tinde sa fie mai rezistenta la deformatii permanente.

Reducerea grosimii stratului de acoperire: daca structura rutiera existenta este solida structural (de exemplu cu beton de ciment Portland), straturi subtiri de imbracaminte de mixtura asfaltica nu sunt necesare in zone critice precum intersectiile. Suprapuneri mai subtiri (de exemplu stratul de legatura poate fi eliminat) in aceste zone si va minimiza problema.

O legatura imbunatatita intre straturile structurii rutiere: o lipsa de legatura buna intre straturile rutiere (in special in primii 150 mm de mixtura) poate cauza alunecare datorita impingerilor orizontale.

Efectul temperaturii ridicate asupra deformatiilor permanente

Figura Aparitia fenomenului de fagasuire in structurile rutiere

Linden si Van der Heide (1987) au raportat o crestere semnificativa a fagasuirilor in Europa in timpul verilor calde din 1975 si 1976. Cercetatorii au recunoscut necesitatea de a efectua incercari de laborator la temperaturi in intervalul de temperaturi ridicate ca cele intalnite in teren.

Bonnot a selectat o temperatura de incercare de 60°C pentru stratul de imbracaminte din mixtura asfaltica si o temepratura de 50°C pentru stratul de baza. Aceste temperaturi au fost alese pentru a reproduce cele mai aspre conditii de mediu din Franta.

Similar, Mahboub si Little au selectat conservator cele mai tari profile de structuri rutiere pe care sa reprezinte conditiile critice (asa cum demonstreaza Jorge B. Sousa, 1991). Alte ipoteze cu privire la acumularea de deformatii permanente in structurile rutiere in Texas includ urmatoarele:

Deformatii permante se produc zilnic in intervalul de timp de la 7:30 la 17:30;

Deformatiile permanente apar doar in perioada aprilie pana in octombrie inclusiv;

Deformatiile permanente pot fi ignorate la temperaturi mai mici de 50° C.

In acelasi timp, trebuie subliniat ca conditiile de incarcare si deformatii date din incarcarile din trafic reprezinta o influenta semnificativa in fenomenul de fagasuire al mixturilor asfaltice.

Cercetatorul Di Benedetto, in anul 2005 au facut o clasificare din punct de vedere al comportarii mixturilor asfaltice tinand cont de amplitudinea deformatiei si de numarul de cicluri, asa cum este prezentat in figura 42.

Figura Comportamentul mixturilor asfaltice

In aceasta figura se poate observa ca fenomenul de fagasuire apare pentru un numar mare de cicluri, acesta fiind insa mai mic decat in cazul fenomenului de oboseala, iar deformatia poate fi mult mai mare decat in cazul fenomenului de oboseala.

Temperatura s-a dovedit a fi un factor semnificativ ce modifica comportarea la fenomenul de fagasuire. Hofstra si Klomp (1972) au determinat din incercarile de laborator la fagasuire ca aceasta se mareste cu un factor de 250 pana la 350 cu o temperatura crescuta de la 20°C la 60°C.

Bouldin, Rowe, Sousa si Sharrock au efectuat un studiu in care au precizat ca reologia mixturilor asfaltice reprezinta o unealta esentiala in prezicerea performantelor la temperaturi ridicate ale mixturilor asfaltice HMA si concluzioneaza ca fenomenul de fagasuire reprezinta o problema care poate fi previzibila si o solutie adecvata pentru a stabiliza aceasta problema este indicata de o examinare atenta a istoriei respectivei mixturi asfaltice. Se precizeaza ca un efort mai mare de compactare este necesar in special pentru mixturile asfaltice care au in compozitie agregate de dimensiuni mai mari.

Atat fenomenul de oboseala cat si cel de fagasuire al mixturilor asfaltice sunt foarte bine cunoscute a fi cele mai populare activitati nocive ce apar in structurilr rutiere. Aceste fenomene se intalnesc in special datorita cresterii in numar foarte mare al numarului de vehicule (in particular al vehiculelor grele), datorita schimbarilor variate ale conditiilor climatice, datorita permanentei actiuni in mediul inconjurator cat si datorita erorilor de proiectare si/sau executie.

Cercetatorii au recunoscut nevoia de a conduce incercarile de laborator la un nivel de temperaturi mult mai ridicate decat cele intalnite in teren. Bonnot (1986) a utilizat o temperatura de incercare de 60°C pentru un strat de uzura din mixtura asfaltica si o temperatura de 50°C pentru un strat de baza. Aceste temperaturi au fost alese relativ mari pentru a reproduce cele mai nefavorabile conditii asteptate in Franta.

Tipuri de mecanisme ale deformatiilor permanente

Mecanismele ce duc la degradarea structurii rutiere se analizeaza tinand cont de conditiile climatice, de conditiile de trafic si de intreractiunea dintre straturile componente structurii rutiere. Astfel, se disting trei tipuri de mecanisme ale deformatiilor permanente:

Deformatiile permanente de structura (cu profil "V") se datoreaza de obicei:

materialelor folosite;

drenari insuficiente;

subdimensionari ale structurii rutiere la conditiile de trafic;

subdimensionari din punct de vedere al inghet-dezghetului.

Deformatiile permanente din fluaj se datoreaza:

deformatii individuale ale straturilor bituminoase – deformatii permanente din fluaj (profil "W").

Deformatiile permanente de uzura se datoreaza:

uzurii imbracamintii din cauza pneurilor cu crampoane sau cu lanturi, pe perioada de iarna.

Fenomenul de fluaj poate fi atat static, cat si fluaj ciclic. Sousa si Weissman, in anul 1994, au observat ca fluajul static are tendinta de a genera blocaje intergranulare in scheletul mixturii asfaltice fata de fluajul ciclic care nu permite aparitia acestor tipuri de blocaje.

Actiunea traficului are un caracter ciclic, este foarte important comportamentul mixturilor asfaltice sub incarcari ciclice. In urma unei treceri unei incarcari, deformatia verticala ar trebui sa fie recuperata, dar ramane o mica deformatie permanenta. Cresterea numarului de incarcari va produce o crestere a deformatiei permanente si se vor dezvolta fagase.

Mitchell in anul 1976 a prezentat fluajul in mai multe stadii, acestea sunt prezentate in figura 43:

Figura Stadiile fluajului

I – fluaj nestabilizat – viteza de deformatie creste rapid;

II – fluajul stabilizat – viteza de deformatie este constanta;

– dureaza cel mai mult;

– poate lipsi pentru incarcari si temperaturi ridicare;

III – cedarea – viteza de deformatie creste rapid si apare ruperea.

Tipuri de incercari pentru caracterizarea deformatiilor permanente din fluaj

Fenomenul de fagasuire

Presupune determinarea adâncimii fagasului format prin treceri repetate ale unei roti incarcate, la o anumita temperatură.

Dispozitivele cu ajutorul carora se realizeaza aceasta incercare pot fi:

dispozitive mici

Procedeul A

Panta făgașului (TR) – în microni pe ciclu de incarcare (m/ciclu)

pentru cel putin 8 masuratori:

de la 5 la 7 masuratori:

de la 1 la 2 masuratori:

unde: n – este numarul total de masuratori facute la un interval de la 100 cicluri de incarcare pana la 1000 cicluri de incarcare, excluzand masurarea initiala;

ri – schimbarea in deplasarea verticala raportata la valoarea initiala r0, pentru masurarea i corespunzatoare, in mm;

n15 – numarul de cicluri de incarcare pana cand adancimea fagasului ajunge la 15 mm.

Panta medie a fagasului (WTR) – in microni pe ciclu de incarcare

unde: WTR – este panta de ornieraj, in microni pe ciclu de incarcare;

TRm – valoarea medie a determinarilor TR, in microni pe ciclu de incarcare;

w – latimea pneului pe care se aplica incarcarea, in mm;

L – incarcarea aplicata, in Newtoni.

dispozitive mari

Adancimea fagasului – se masoara in procente pentru fiecare ansamblu de masurari i, plecand de la 15 valori ale deformatiei locale mij si de la grosimea epruvetei h, conform relatiei urmatoare:

unde: Pi – este adancimea masurata a fagasului, in procente;

mij – deformatia locala, in mm;

m0j – masurarea initiala in amplasamentul j;

h – grosimea epruvetei, in mm.

dispozitive foarte mari

Adancimea fagasului – se masoara in fiecare sectiune transversala ca valoare medie a adancimii fagasului masurat in cel putin 30 puncte, care sunt situate in cadrul a 60 mm fata de centrul zonei incarcate.

unde: Pi – este adancimea masurata a fagasului, in procente;

mn – adancimea fagasului masurata intr-o sectiune transversala, in mm;

n –numarul de sectiuni transversale;

h – grosimea epruvetei, in mm.

Adancimea medie a fagasului

– daca adancimea deformatiei urmei rotii este mai mica de 15 mm dupa 1000 cicluri de incarcare, adancimea fagasului corespunde variatiei deplasarii verticale de la valoarea initiala r0 la cea de-a zecea masurare r10.

– daca adancimea fagasului atinge 15 mm inainte de 1000 cicluri de incarcare, adancimea fagasului este egala cu:

unde: n15 – este numarul de cicluri de incarcare pentru ca adancimea fagasului sa atinga 15 mm

Procedeul B in apa

Panta de fagasuire in apa (WTSW) – in milimetrii pe 103 cicluri de incarcare

unde: WTSW – este panta de fagasuire, in milimetrii pe 103 cicluri de incarcare;

d5000, d10000 – adancimea fagasului dupa 5000 cicluri de incarcare si 10000 de cicluri de incarcare, in milimetrii.

Adancimea medie procentuala a fagasului, PRDW, in apa – este adancimea medie a fagasului pentru doua (sau mai multe) epruvete.

Modulul de fluaj este definit ca raportul intre incarcarea aplicata si deformatia permanenta la n cicluri.

unde: S – modulul dinamic de fluaj calculat la n cicluri, MPa;

– incarcarea aplicata;

n – deformatia permanenta la n cicluri.

Avand in vedere aceste teste putem spune ca este important un studiu de reteta si verificarea acesteia in laborator pentru imbunatatirea rezistentei la deformatii permanente a mixturilor bituminoase.

In ceea ce priveste deformatiile permanente putem spune ca reprezinta o deficienta a capacitatii structurale, o instabilitate a straturilor rutiere, o uzura a structurii rutiere.

Aceste tipuri de incercari ajuta la confirmarea concluziilor rezultate din observatiile facute pe teren.

Procedeul B in aer

Panta de fagasuire in aer (WTSAIR) – in milimetrii pe 103 cicluri de incarcare

unde: WTSAIR – este panta de fagasuire, in milimetrii pe 103 cicluri de încarcare;

d5000, d10000 – adancimea fagasului dupa 5000 cicluri de incarcare si 10000 de cicluri de incarcare, in milimetrii.

Adancimea medie procentuală a fagasului, PRDAIR, in aer – este media proportionala a fagasului pentru doua (sau mai multe) epruvete.

Fluajul static

Acest tip de incercare determina o proprietate intrinseca a materialului si anume modulul de deformatie si are o incarcare unica.

Fluaj static uniaxial

O proba de mixtura bituminoasa cu fete paralele si plane este asezata intre 2 platane de otel (unul fix si unul mobil). Apoi se aplica o incarcare constanta pe platanul mobil si astfel rezulta deformatia in functie de timp. Temperatura se pastraza constanta pe toata durata incercarii.

Deformatiile permanente sunt independente de forma probei si de raportul intre inaltime si diametru.

Aceasta este o metoda simpla, cu ajutorul careia se poate calcula compleanta la fluaj, compleanta la revenire, modulul si viteza de fluaj, cu ajutorul urmatoarelor ecuatii:

unde:

J0 – compleanta la fluaj

Jm – compleanta maxima la fluaj

a – constanta de regresie

t – timpul

m – factor de panta.

unde:

R0 – compleanta la revenire

Rm – compleanta la revenire maxima

b – constanta de regresie

t – timpul

p –raport de panta.

Fluaj static triaxial (figura 44) – tensiunile sunt

Diferenta intre tensiunea maxima si minima reprezinta deviatorul eforturilor.

Figura 44 Fluaj static triaxial

In anul 1986, cercetatorul Kinder a ajuns la concluzia ca incarcarile statice sunt mai distrugatoare pentru mixtura bituminoasa decat incarcarile dinamice.

O prima diferenta intre fluajul static si cel dinamic este datorata deformatiei plastice ce apare in contactul uscat particula-particula.

Intre cele doua tipuri de fluaj exista o diferenta majora si este data de faptul ca testul de fluaj uniaxial este puternic dependent de coeziunea liantului si de mastic.

Fluaj dinamic

Se poate determina modulul de deformatie reversibil si modulul de deformatie permanenta; incarcarea este repetata.

Fluajul dinamic

Incercarea la compresiune ciclica monoaxiala cu o anumita presiune laterala

In acest caz epruveta este supusa unui efort axial ciclic. Deformatia permanenta reprezinta deformatia axiala acumulata n dupa n aplicari ale incarcarii si se calculeaza cu relatia:

unde:

n – deformatia cumulata a epruvetei de incercat dupa n aplicari ale incarcarii, in %;

h0 – valoarea medie a inaltimii masurata de cei doi traductori de deplasare dupa preincarcarea epruvetei, in mm;

hn – valoarea medie a inaltimii masurata de cei doi traductori de deplasare dupa n aplicari ale incarcarii, in mm.

Viteza de fluaj si modulul de fluaj se calculeaza astfel:

unde:

fc – viteza de fluaj, in microdeformatie/pulsatii de incarcare

– deformatia axiala cumulata a epruvetei dupa n1 respectiv n2 aplicari ale incarcarii.

Modulul de fluaj se calculeaza dupa cum urmeaza:

unde:

En – modulul de fluaj dupa n aplicari ale incarcarii, in MPa;

– efortul aplicat, in KPa;

– deformatia axiala cumulata a probei dupa n aplicari ale incarcarii, in %;

Incercarea la compresiune ciclica triaxiala

Epruveta este supusa unui efort axial ciclic si la un efort limitat (reprezentare in figura 45). Presiunea ciclica axiala poate fi:

presiune sinusoidala initiala , cu amplitudinea , presiunea axiala toata rezultanta are relatia:

unde:

– presiunea laterala, in KPa;

– presiunea ciclica axiala functie de timp, in KPa;

– amplitudinea presiunii sinusoidale initiale, in KPa;

f – frecventa;

t – timpul.

Figura Incercarea la compresiune ciclica triaxiala cu presiune sinusoidala

presiune alternativa cu inaltimea B, presiunea totala avand relatia:

unde:

– presiunea laterala, KPa;

= in timpul perioadei T1 a incarcarii alternative;

= in timpul perioadei de repaus T0;

– inaltimea incarcarii alternative.

Figura Incercarea la compresiune ciclica triaxiala cu presiune alternativa

Presiunea laterala poate fi realizata cu ajutorul a trei sisteme de incercare triaxiale:

sistem de incercare la compresiune ciclica triaxiala cu celula de presiune;

sistem de incercare la compresiune ciclica triaxiala cu inel de presiune;

sistem de incercare la compresiune ciclica triaxiala folosind vacuum partial ca presiune laterala.

Deformatia permanenta

Reprezinta deformatia axiala cumulata n dupa n aplicari ale incarcarii si se calculeaza cu relatia:

unde:

– deformatia acumulata a epruvetei de incercat dupa n aplicari ale incarcarii, in %;

h0 – valoarea medie a inaltimii masurata d ecei doi traductori de deplasare dupa preincarcarea epruvetei, in mm;

hn – valoarea medie a inaltimii, masurata de cei doi traductori de deplasare dupa n aplicari ale incarcarii, in mm.

Viteza de fluaj

Aceasta se poate calcula prin doua metode, astfel:

Metoda 1 – se determina panta B1 plecand de la ajustarea lineara prin metoda celor mai mici patrate a partii cvasiliniare a diagramei de fluaj

unde este deformatia axiala cumulata a pruvetei dupa n aplicari ale incarcarii, in %.

Metoda 2 – se determina prin metoda celor mai mici patrate ajustarea polinomiala a partii cvasiliniare a diagramei de fluaj

sau

unde: deformatia axiala cumulata a epruvetei dupa n aplicari ale incarcarii, in %; si B este puteea ajustarii polinomiale prin metoda celor mai mici patrate sau panta ajustarii liniare prin metoda celui mai mic patrat al valorilor log n in functie de log n.

Deformatia permanenta calculata dupa 1000 cicluri

Aceasta deformatie se calculeaza cu relatia:

Prelucrarea rezultatelor la fluaj tinand cot de cele doua metode folosite, se poate afirma ca prima metoda este mai simpla, dar are dezavantajul unei slabe reprezentari ale curbei de fluaj, deoarece nu exista nici o portiune de curba cu pantta constanta. A doua metoda are avantaj datorita reprezentarii in care se poate observa o portiune liniara a curbei.

Testul Marshall

Prin utilizarea acestei incercari putem determina fluajul si stabilitatea mixturii bituminoase; acesta este un test empiric cu incarcare unica.

Aceasta incercare consta in supunerea unei probe cilindrice, cu anumite dimensiuni, la forfecare. Probele se tempereaza intr-o baie de apa la temperatura de 60°C, timp de 30 de minute. Acestea sunt partial fretate, prin comprimare diametrala.

Dimensiunile probelor trebuie sa fie de : diametrul de 101,6 mm si inaltimea de 63,5 mm. Viteza de aplicare a sarcinii (avansul pistonului presei) este de 50mm ± 3 mm pe minut.

Valoarea maxima a sarcinii la care se produce ruperea epruvetei reprezinta stabilitatea Marshall, iar deformatia corespunzatoare reprezinta indicele de curgere sau fluaj Marshall. Incercarea da indicatii in special asupra influentei coeziunii.

Rezistenta la oboseala

Sinteza documentara

Rezistenta la oboseala a mixturilor asfaltice poate fi datorata incarcarilor cu vehicule si este definita ca fiind abilitatea de a rezista la rupere datorita incarcarii de incovoiere si se numeste fisurare din oboseala, insa ruperea poate fi cauzata si de variatiile de temperatura denumita fisurare termica.

Initial, fisurarea din oboseala se manifesta prin fisuri longitudinale la marginea partii carosabile sau prin mici crapaturi pe urmele rotilor, perpendiculare pe directia de mers. Aceste tipuri de propagare a fisurarii depind de compozitia structurilor rutiere. Fisurile continua sa se dezvolte formand o intreaga retea de fisuri.

Atat durata de viata la oboseala cat si fenomenul de fagasuire au influenta mare asupra comporamentului mixturilor asfaltice, o diferenta intre cele doua fenomene descrise mai sus putem sa observam in figura 47, in care:

T: reprezinta tensiunea;

C: reprezinta compresiunea:

Figura Diferenta dintre rezistenta la oboseala si deformatiile permanente (fagasuiri), Di Benedetto, C. de la Roche, 2004

Determinarea rezistentei la oboseala se efectueaza in laborator prin supunearea epruvetelor la o deformatie sinusoidala controlata sau efort sinusoidal controlat (figura 48), in anumite conditii de temperatura. Incercarea sub deformatie constanta consta in a mentine deformatia constanta iar tensiunea descreste cu numarul de aplicari ale incarcarii, in aceasta situatie se foloseste un criteriu arbitrar de rupere (incercarea se termina in momentul in care rigiditatea scade cu 50% din valoarea ei initiala). Metoda de incercare sub efor constant presupune ca tensiunea sa ramana constanta, iar deformatia sa creasca cu numarul de aplicari ale incarcarii. Finalul acestei metode este definit de ruperea probei, aceasta apare repede si poate fi usor definita.

Figura Mod de incarcare sub efort constant si deformatie constanta

Ruperea este definita ca numarul de cicluri la care rigiditatea la incovoiere scade la jumatate din valoarea initiala a acesteia inregistrata la 100 de cicluri de deplasare in ambele sensuri.

Factorii care afecteaza comportamentul la oboseala al mixturilor asfaltice se refera atat la caractereisticile care afecteaza rigiditatea la incovoiere (volum de goluri, tip de liant, grosimea si proprietatile reologice ale terenului, tipul de agregate si dimensiunile acestora), precum si metoda de incercare, modul de incarcare si conditiile acestora (magnitudinea si frecventa de incarcare sau solicitarea parametrilor in timpul testului, perioada de repaus dintre incarcari succesive, temperatura, etc.)

Pe plan international pentru a caracteriza performantele la oboseala ale mixturilor asfaltice se folosesc metode de incercare in laborator diferite de la o tara la alta, insa acestea se pot grupa in trei mari categori: incercari la incovoiere (in 2, 3 sau 4 puncte), incercari la intindere (compresiune: directa sau indirecta) si incercari de forfecare.

Factorii care afecteaza performantele rezistentei la oboseala:

Modul de compactare: compactare statica, prin impact, prin framantare, giratorie sau cu compactorul cu rulou;

Variabile de amestec: agregate, filer, bitum, volum de goluri, rigiditatea;

Variabile ale mediului inconjurator: temperatura, umiditatea;

Conditii de incercare: efort constant, deformatie constanta.

Durata de viata la oboseala poate fi definita ca durata de serviciu (numarul total de cicluri de incarcare necesare descresterii modulului initial cu 50%) si durata de rupere (numarul total de repetari ale incarcarii ce cauzeaza o rupere completa a probei). Durata de viata la oboseala (figura 49) poate fi impartita in doua stadii: durata de viata pana la initierea fisurii si durata de viata de la initierea fisurii si pana la ruperea completa datorata fisurarii din oboseala.

Figura Durata de viata la oboseala

In general, criteriul de oboseala pentru straturile rutiere asfaltice este bazat pe deformatia admisa, functie de numarul de repetari ale incarcarii si de modulul mixturii asfaltice. Valoarea maxima a tensiunii ciclice la care ruperea probei nu se mai produce in timpul unui anumit numar de cicluri luate ca baza se numeste rezistenta la oboseala. Aceasta se determina experimental, prin construirea curbelor de oboseala, conform figurii 50.

Figura Curba de oboseala

Avantajul reprezentarii log-log sau semi-log este ca permite construirea curbei pe o lungime mult mai mica a diagramei.

Cedarea din oboseala poate fi de mai multe tipuri, in functie de cauzele care au determinat acest fenomen sa apara, dupa cum urmeaza in tabelul 3:

Tabel 3 Cauze si facori de atenuare a fenomenului de oboseala in mixturile asfaltice flexibile

Fenomenul de oboseala este influentat atat de temperaturile scazute cat si de temperaturile ridicate, iar in acest raport o sa demonstrez si influenta temperaturilor ridicate asupra acestui fenomen.

Influenta temperaturii asupra duratei de viata la oboseala a mixturilor asfaltice ne demonstreaza ca durata de viata la oboseala scade odata cu cresterea temperaturilor, precum si ca durata de viata la oboseala creste daca temperatura scade.

Un studiu realizat de Ghazi G. Al-Khateeb si Khalid A. Ghuzlan pentru a determina efectul combinat al frecventei de incarcare, temperatura si nivelul incarcarii asupra duratei de viata la oboseala a mixturilor asfaltice folosind incercarea IDT.

Acesti cercetatori au afirmat ca rigiditatea mixturilor asfaltice de obicei creste odata cu cresterea frecventelor de incarcare. Rezultatele obtinute sunt dependente in mare masura de temperatura utilizata in timpul incercarii. Durata de viata la oboseala a mixturilor asfaltice prezinta diferente intre diferitele frecvente de incarcare care s-au dovedit a fi mai importante pentru un nivel de incarcare mai redus decat fata de un nivel de incarcare ridicat.

Incarcarile au fost efectuate pentru o temperatura de incercare de 20°C si o frecventa de incarcare care a crescut de la 3 la 10 Hz. Apoi studiul a continuat prin incercarea la o temperatura de 30°C, rezultatele obtinute fiind reprezentate intr- un grafic al incarcarii aplicate versus numarul de cicluri de aplicare a incarcarii pana la ruperea probei, ladiferite frecvente de incarcare (10 Hz, 8 Hz, 5Hz, respectiv 3Hz). O crestere a duratei de viata la oboseala a mixturilor asfaltice a fost obtinuta cand frecventa de incarcare a crescut de la 3 la 10 Hz, asa cum se poate observa in figura 51.

Pentru a compara rezultatele incercarii la oboseala la doua temperaturi diferite (20°C si 30°C) s-a realizat un grafic (figura 51), in care se reprezinta numarul de aplicari ale incarcarii pana la ruperea probei versus nivelul incarcarii aplicate pentru ambele incercari, la ambele temperaturi in acelasti grafic. Acest grafic ne prezinta clar ca durata de viata la oboseala a mixturilor asfaltice descreste odata cu cresterea temperaturii de la 20°C la 30°C.

Figura Comparatie drepte de oboseala la temperaturi diferite (20°C, respectiv 30°C)

In Portugalia s-a studiat performanta duratei de viata la oboseala a mixturilor asfaltice la diferite temperaturi (figura 52). Incercarile au fost facute conform AASHTO TP 8-94, toate incercarile efectuate au fost la 10 Hz si patru temperaturi diferite, precum -5°C, 5°C, 15°C respectiv 25°C.

Figura Durata de viata la oboseala a unei mixture conventionale

Aceasta lucrare prezinta raspunsul la fenomenul de oboseala al mixturii asfaltice, la temperaturi diferite, a unei mixturi asfaltice conventionale, intens utilizata in Portugalia. Aceste evaluari au demonstrat ca pana la o valoare sigura, durata de viata la oboseala descreste cand temperatura scade si dupa acea valoare, durata de viata la oboseala creste cand temperatura de incercare descreste.

In programul SHRP si metoda de proiectare Shell, cateva concluzii au indicat un fenomen identic. Pentru a explica acest fenomen, aceasta lucrare prezinta incercarile preliminare care sunt efectuate pentru a masura temperatura in proba in timpul efectuarii incercari cu scopul de a verifica consistenta incercarii. Cu aceste incercari, s-a concluzionat ca exista discrepante concrete intre temperatura din interiorul echipamentului de incercare si temperatura probei. Aceasta evidentiaza cateva aspecte care necesita sa mai fie investigate, cum ar fi masura in care variatia de temperaturii observate in proba poate afecta rezultatele duratei de viata la oboseala si caracterizarea evolutiei starii termice ale probelor in timpul incercarilor.

Tipuri de incercari

Fenomenul de oboseala este foarte complex, acesta presupune o varietate larga de tipuri de incercari, echipamente de lucru diferite, conditii de testare (variatie de temperatura, variatia frecventei de incarcare, etc.), modurile de incarcare.

Metodele care se folosesc pentru incercarea la oboseal sunt sub deformatie constanta si sub efort constant, conform standardului european SR EN 12697-24:2006 metodele de incercare (figura 53) pentru determinarea rezistentei la oboseala a mixturilor asfaltice sunt urmatoarele:

Incercarea la incovoiere in doua puncte pe epruvete trapezoidale;

Incercarea la incovoiere in doua puncte pe epruvete prismatice;

Incercarea la incovoiere in trei puncte pe epruvete prismatice;

Incercarea la incovoiere in patru puncte pe epruvete prismatice;

Incercarea la intindere indirecta pe epruvete cilindrice;

Incercarea la intindere directa pe epruvete cilindrice.

Figura Incercari diverse la oboseala pentru mixturile asfaltice

Figura Tipuri de incercari

Unde:

γ – factor de forma, functie de dimensiunile si forma epruvetei;

µ – factor de masa, functie de masa epruvetei (M) si masa partilor mobile (m) care influenteaza forta rezultanta prin efectele lor de inertiale.

PROGRAMAREA STUDIILOR DE LABORATOR PRIVIND COMPORTAREA MIXTURILOR ASFALTICE LA CRESTERI DE TEMPERATURA ASIMILATA SEZONULUI CALD

Principalele etape ale cercetarii au fost programate astfel:

ETAPA 1: Analiza influentei caracteristicilor fizico-mecanice, prin incercari statice, ale constituientilor materiali aferenti stratului asfaltic de uzura, prin raportare la cresteri de temperatura;

ETAPA 2: Studii de performanta in laborator prin teste complexe de evaluare a rezistentei la deformatii permanente a imbracamintilor rutiere asfaltice.

Studiul parametrilor ce influenteaza caracteristicile fizico-mecanice ale mixturilor asfaltice

Mixturile asfaltice se compun din urmatoarele elemente structurale:

– agregate;

-filer;

-bitum, eventual modificatori sau aditivi in bitum;

-adaosuri (fibre, pudreta de cauciuc etc).

Aceasta comportare a mixturii asfaltice in raport cu cresterea temperaturii, face obiectul unei cercetari de laborator, care se detaliaza in cadrul acestei lucrari, dupa cum urmeaza:

Analiza compozitiei granulometrice ca si schelet mineral, asupra comportarii unei mixturi asfaltice la temperaturi ridicate (700C)

In acesta etapa de studiu, s-a cercetat influienta compozitiei scheletului mineral si in aceasta situatie s-au luat spre analiza comparativa o mixtura asfaltica tip BA 12,5, deci cu o granulatie mai fina si implicit un volum de goluri mai redus, o mixtura asfaltica tip BA 16 cu o granulatie mare si volum de goluri mare si o mixtura BAD 25 cu o granulatie mai mare si cu volum de goluri mai mare, care temporar poat fi utilizate ca imbracaminte la drumuri cu trafic redus pentru a pune in evidenta scheletul mineral in compozitia mixturii asfaltice.

Comportarea unei mixturi asfaltice la cresteri de temperatura in functie de caracteristicile liantului bituminos

Cercetarile efectuate in cadrul acestui raport de cercetare stiintifica au condus la determinari efectuate pe acelasi tip de mixtura asfaltica (BA 12,5) dar cu doua tipuri diferite de bitum: bitum de consistenta plastica D 50/70 respectiv bitum dur D20/30, inglobate separat in componenta mixturii asfaltice.

Comportarea mixturii asfaltice la temperaturi ridicate in functie de tipul de filer

Studiul experimental privind acest parametru a fost efectuat asupra aceleiasi retete de mixtura asfaltica tip BA 16 cu doua tipuri diferite de filer (filer de calcar, respectiv filer de creta) insa cu acelasi procent utilizat in compozitia mixturii asfaltice.

Comportarea mixturi asfaltice la temperaturi ridicate in functie de adaosul de fibre

Comparatia dintre mixturile asfaltice BA 16 si MASF 16 s-a realizat datorita faptului ca amandoua au dimensiunea maxima a agregatului de 16 mm si astfel s-a putut determina influenta fibrelor in comportarea mixturilor asfaltice la temperaturi ridicate, urmarind posibilitatea imbunatatirii performantei mixturii asfaltice la cresteri de temperatura, in cazul utilizarii de adaosuri de tip fibre.

Parametrul scheletul mineral

Pornind de la unele constatari publicate in litertura de specialitate, comportarea mixturilor asfaltice la cresteri de temperature este influientata si de constituientii structurali, repectiv de alcatuirea scheletului mineral.

Astfel, asa cum s-a prezentat in prima parte alocata studiului documentar, experimentele au demonstrat ca dimensiunea agregatelor precum si dimensiunea maxima a agregatelor folosite sporesc modulul de rigiditate al probelor incercate.

Figura Efectele dimensiunilor agregatelor asupra rigiditatii mixturilor asflatice

Frecarea interna, care a fost provocata de conlucrarea agregatelor din stratul de baza care continea agregate cu dimensiunea de pana la 37,5mm, a condus la cresteri ale rigiditatii mixturii decat cea existenta pentru o mixtura care continea agregate cu dimensiunea maxima mai mica decat 25mm (figura 55).

In acest experiment, in plus, investigatiile au aratat ca o crestere a dimensiunii maxime a agregatelor grosiere cauzeaza o crestere moderata a valorilor rigiditatii a ambelor tipuri de dimensiuni II si III ale agregatelor.

Astfel, pe baza rigiditatii mixturii cu dimensiunea granulelor de tip III se poate concluziona ca optimizarea variabilelor mixturii pot imbunatatii proprietatile mecanice ale mixturilor asfaltice ce contin agregate mari. Mai mult de atat, a fost bine cunoscut ca materialele granulare sunt mai putin sensibile la schimbari de temperatura. Din acest motiv, modificari ale rigiditatii probelor din mixtura asfaltica cu o variatie a temperaturilor de incercare, au fost considerate a fi afectate predominant de caracteristicile tipului de liant.

Rolul agregatelor a fost studiat cu atentie atat pe plan national cat si international si s-a ajuns la urmatoarele concuzii generale.

Stabilitatea mixturilor asfaltice depinde in mare masura de unghiul de frecare al agregatelor precum si de coeziune. Aceste doua proprietati sunt strans legate de caracteristicile agregatelor cum ar fi forma si textura suprafetelor acestora. Un grad adecvat al unghiului de frecare precum si al coeziunii in mixtura asfaltica previne miscarea agregatelor la fiecare trecere a incarcarilor din trafic.

Durabilitatea mixturilor asfaltice reprezinta abilitatea mixturilor de a rezista la schimbari in comportarea bitumului dar si dezintegrarea agregatelor. Acesti factori pot fi rezultatul schimbarilor climatice, traficului sau a combinatiei dintre cele doua.

Impermeabilitatea este rezistenta mixturilor asfaltice la trecerea de goluri de aer si apa in/prin mixtura. Aceasta proprietate este corelata cu volumul de goluri din mixtura, cu metoda si gradul de compactare al acesteia. De cele mai multe ori aceasta apare datorita continutului scazut de bitum, datorita unei compactari inadecvate sau datorita unui volum mare de goluri in continutul mixturii asfaltice.

Lucrabilitatea descrie usurinta cu care o mixtura asfaltica poate fi asternuta si compactata. Aceasta poate fi afectata daca in continutul mixturii exista un dozaj nepotrivit de continut fin de agregate (se obtine o mixtura asfaltica prea moale sau prea tare si in ambele cazuri compactarea nu se face in mod normal) sau de agregate mari (devine o suprafata rugoasa, dificil de asternut), precum si de o temperatura prea joasa (agregate neacoperite, nu este durabila, suprafata dura, dificil de compactat), sau daca avem un procent prea mare de agregate cu granulometrie medie (mixtura asfaltica se va imprastia sub cilindru compactor, devenind un amestec prea moale). /9/

Dimensiune si sortare. Dimensiunea maxima a unui agregat desemneaza dimensiunea sitei celei mai mici prin care va trece materialul in procent de 100%. Sortarea agregatelor se face printr-o analiza de trece a granulelor prin site.

Rezistenta (duritate). Agregatele sunt supuse la uzura si concasare suplimentare in timpul prelucrarii, asternerii si compactarii mixturilor asfaltice. Agregatele sunt de asemenea supuse la abraziune sub incarcari din trafic. Incercarea Los Angeles masoara rezistenta la abraziune a agregatelor.

Parametrul filer

Filerul este definit ca fiind o pulbere minerala, cu granule sub 0,63 mm si minim 80% granule sub 0,09 mm, obtinut prin macinarea fina a rocilor calcaroase. Adaugat in mixtura scade volumul de goluri, creste rigiditatea mixturii si influenteaza procentul optim de bitum al mixturii.

Principalele calitati pe care trebuie sa le indeplineasca filerul utilizat la prepararea mixturilor asfaltice sunt urmatoarele:

Sa nu reactioneze chimic cu liantii;

Sa asigure o buna adezivitate a liantului pe granulele de filer;

Granulele sale sa fie poroase (pentru a nu mari consumul de liant prin adsorbtie);

Sa nu absoarba in mod selectiv anumiti componenti ai bitumului, care sa conduca la modificarea in mod necorespunzator a caracteristicilor liantului;

Filerul trebuie sa fie uscat si sa aiba finetea necesara (fractiunea sub 0,09 mm, minim 80%).

Rolul filerului in compozitia mixturilor asfaltice:

Filerul mareste domeniul de plasticitate al bitumului si favorizeaza adezivitatea la agregatul natural;

Mareste frecarea interioara din bitum si coeziunea bitumului si prin aceasta imbunatateste comportarea mixturii asfaltice la solicitari statice si la rupere;

Impiedica imbatranirea bitumului actionand astfel incat bitumul sa isi pastreze timp indelungat proprietatile lui de liant;

Dozat judicios in raport cu ceilalti componenti mareste compactitatea si suprafata specifica a agregatului natural, asigurand astfel, impreuna cu bitumul rezistente mecanice si stabilitatea la temperaturi ridicate a mixturilor asfaltice;

Excesul de filer este daunator deoarece rezistentele mecanice si stabilitatea la temperaturi ridicate scad, iar in mixtura aasfaltica se formeaza bulgari reducandui-se lucrabilitatea; pentru a obtine o rezistenta maxima a mixturii asfaltice este necesar ca toate granulele agregatului natural sa fie invelite cu o pelicula de bitum cat mai subtire;

Parametrul bitum

Liantul asfaltic in cadrul structurii materiale a unui anrobal bituminous, confera comportament vascoelastic si termoplastic stratului rutier (figura 56). Astfel, caracteristica principala, este reprezentata de proprietatile elastice cat si vascoase ce depind de temperatura si de viteza de aplicare a incarcarii exterioare.

Figura Comportamentul bitumului in functie de variatia de temperatura si de incarcarea aplicata

Figura Influenta procentului de bitum asupra durabilitatii si stabilitatii mixturilor asflatice

Rolul bitumului in compozitia mixturilor asfaltice:

Bitumul are un rol preponderent in mixturile asfaltice, asigrand coeziunea acestora si impermeabilitatea imbracaintilor bituminoase pe tot parcursul exploatarii lor.

Bitumul realizeaza anrobarea granulelor agregatului cu o pelicula fina.

Bitumul ofera o buna adezivitate pe granulele agregatului si mentinerea acestei adezivitati in prezenta acelor factori care tind sa se substituie bitumului la suprafata agregatelor.

Bitumul trebuie sa reziste la actiunea continua a apei asupra sistemului agregat-bitum

Astfel bitumul are un rol esential in evaluarea performantelor mixturilor asfaltice. Calitatea bitumului trebuie selectata astfel incat sa se asigure ca mixtura asfaltica nu va experimenta nivele semnificative de incarcare o data cu schimbarea conditiilor climatice.

Bitumurile rutiere sunt materiale vascoelastice a caror rezistenta la deformatii sub incarcare este sensibila la timpul de incarcare si la temperatura.

Mixturile asfaltice cu mai putin bitum creeaza o mixtura asfaltica mai flexibila si din aceasta cauza mai predispusa la deformatii irecuperabile (de exemplu fagasuirea). Pe de alta parte, daca mixtura asfaltica este prea rigida, se va rupe la temperaturi joase ducand in final la fisurare sub incarcari.

Parametrul aditiv

In vederea atingerii performantelor mixturilor asfaltice la nivelul cerintelor se pot utiliza aditivi, cu caracteristici declarate, evaluati in conformitate cu legislatia in viguare. Acesti aditivi pot fi adaugati direct in bitum, cum sunt agentii de adezivitate sau aditivii de marire a lucrabilitatii, fie in mixtura asfaltica cum sunt fibrele minerale sau organice, polimerii, etc.

In functie de domeniul de utilizare, aditivi pot fi produse care se introduc in mixtura asfaltica (in scopul imbunatatirii unor caracteristici fizico-mecanice ale acesteia), aditivi tensio-activi (care se incorporează in bitumul pur, pentru cresterea adezivitatii acestuia la agregate naturale) sau aditivi folositi pentru marirea timpului de rupere a emulsiei bituminoase cationice destinată executarii straturilor bituminoase foarte subtiri la rece.

Conform SR EN 13108 – 1 aditivul este “un material component care poate fi adaugat in cantitati mici in mixtura asfaltica, de exemplu fibre minerale sau organice, sau de asemenea polimeri, pentru a modifica caracteristicile mecanice, lucrabilitatea sau culoarea mixturii asfaltice”. In acest normativ au fost considerati aditivi si agentii de adezivitate care se adauga direct in bitum pentru imbunatatirea adezivitatii acestuia la agregate.

In conditii normale, agregatele au o afinitate mai mare catre apa, comparativ cu atractia catre bitum. Aditivi pot avea doua tipuri de efecte:

1. Efect activ: cu ajutorul acestora se mareste unghiul de contact dintre bitum si agregate, agregatele sunt astfel incaluite de bitum, chiar si in prezenta apei;

2. Efect pasiv: apa poate desprinde in timp bitumul de pe agregate si poate aparea fenomenul de dezgradinare; aditivii intaresc insa legatura dintre liant si agregate si impiedica acest fenomen.

Rolul aditivilor in componenta mixturilor asfaltice romanesti:

Au efect benefic impotriva fenomenului de dezgradinare;

Rigidizeaza mixturile asfaltice si previn aparitia fagaselor;

Lucreaza impotriva imbatranirii bitumului si impotriva aparitiei fenomenului de fisurare din imbatranire a mixturilor asfaltice;

Confera rezistenta suplimentara la fenomenul de fisurare din temperaturi negative.

Teste complexe de laborator pentru evaluarea performantelor mixturilor asfaltice la deformatii permanente

In aceasta etapa s-a evaluat studiul experimental efectuat in prima etapa si conform Raportului de Cercetare 2, s-a descoperit ca in urma proiectarii mai multor tipuri de mixtura asfaltica, solutia optima care indeplineste toate conditiile de comportare la temepraturi ridicate (din punct de vedere al scheletului mineral, al tipului de bitum precum si al caracteristicilor si proprietatilor obtinute in urma incercarilor de laborator) a fost o mixtura de tipul MASF 16 cu bitum dur.

Cu scopul de a determina o reteta de mixtura asfaltica optima, in aceasta etapa s-au proiectat 5 retete diferite pentru tipul de mixtura MASF 16 cu bitum uzual, apoi, in functie de rezultatele obtinute in urma incercarilor fizico-mecanice efectuate in laborator asupra acestora, s-a obtinut reteta care indeplineste toate conditiile din normativele in viguare.

In urma acestor evaluari, s-a urmarit evauarea performantelor si rezistentei la deformatii permanente prin incercarea la fenomenul de fluaj pentru mixtura MASF 16 in functie de variatia consistentei bitumului urmarindu-se aici doua tipuri de bitum (Bitum 50/70 respectiv 20/30).

Aceste incercari s-au efectuat la temperaturi diferite, pentru fluajul dinamic, plecand de la 40°C, 50°C, 60°C si ajungand la 70°C (figura 58). Aceleasi conditii au fost urmarite si pentru evaluarea modulului de fluaj, apoi s-au determinat parametrii la fluaj si astfel s-a stabilit variatia deformatiei permanente in functie de temperatura.

Figura Inregistrarea deformatiei axiale in functie de numarul de pulsatii

Incercarea de fluaj (figurile 59, 60) s-a realizat conform normelor romanesti in viguare (SR 12697-25/2008) pentru determinarea caracteristicilor fizico-mecanice ale mixturilor asfaltice.

Figura Echipament de incercare fluaj dinamic

Figura Schema aparatului pentru determinarea fluajului dinamic

1. Piston de incarare, 2. Proba asfaltica, 3. Inel de cauciuc, 4. Membrana, 5. Pompa de vid

STUDIUL EXPERIMENTAL

In aceasta directie de actiune, la proiectul cercetarii admis la Scoala Doctorala din UTCB, a fost declarat urmatorul program de pregatire doctorala:

►Caracteristicile fizico-mecanice ale mixturilor asfaltice solicitate in Romania fata de cele solicitate in Siria – propuneri de armonizare.

►Teste complexe de laborator pentru evaluarea performantelor mixturilor asfaltice :

●”Cercetari de laborator care pun in valoare influienta constituienti lor mixturilor asfaltice proiectate pentru exploatare la temperaturi ridicate”

Raportul de cercetare 1 contine prezentarea metodelor si echipamentelor de laborator, cu ajutorul carora se determina caracteristici fizico-mecanice ale mixturi asfaltice folosite la constructia drumurilor.

●“Analiza parametrilor de influienta a caracteristicilor fizico-mecanice a mixturilor asfaltice in conditii de solicitare la temperaturi ridicate”

In acest raport de cercetare s-a analizat comportarea mixturilor asfaltice precum si influenta constituientilor mixturilor la temperaturi ridicate, asimilate conditiilor climatice din Siria.

●”Modelare experimentala pentru analiza prin incercari dinamice a performantelor mixturilor asfaltice solicitate la temperaturi ridicate”

Pentru a putea simula in laborator comportarea fenomenologica in exploatare a unui strat rutier asfaltic, am analizat parametrii reologici in cadrul deformatiilor permanente, cat si aparitia si dezvoltarea fenomenului de oboseala la incarcari date de trafic si variatii ale conditiilor de mediu, prin cercetare pe echipamente de laborator destinate studiilor complexe de anticipare a performantelor mixturilor asfaltice din stratul de uzura.

ETAPA 1

Analiza influentei caracteristicilor fizico-mecanice ale constituientilor materialelor aferente stratului asfaltic de uzura, prin raportarea la cresteri de temperatura:

Influienta agregatului mineral asupra comportarii mixturii asfaltice la cresteri de temperatura

Pornind de la considerentele declarate in tema tezei de doctorat, am inceput programul experimental prin a cerceta similitudini de reteta a scheletului mineral, existent in reglementri tehnice din Romania fata de cele existente in Siria.

Pentru realizarea acestui raport de cercetare s-au utilizat urmatoarele materiale cu scopul confectionarii mixturilor asfaltice studiate in studiul experimental: criblura si nisip de concasaj de la cariera Revarsarea, nisip natural de la cariera Revarsarea si filer de calcar de la Holcim, iar bitumul este bitum D50/70 NIS Serbia. Astfel, s-a stabilit curba de granulozitate in functie de granulozitatea agregatelor, a nisipului natural si a filerului, tinand cont de prevederile din SR 174/1:2009 privind reteta mixturii asfaltice BA 12.5.

Tabel 4 Zona granulometrica a mixturilor asfaltice pentru BA 12,5 si Tipul III ( stratul de uzura ). Analizata prin similitudine intre prevederile tehnice din Romania si cele din Siria, sunt inregistrate in tabelul urmator:

Figura Proiectarea curbei granulometrica pentru mixtura asfaltica BA12,5(Romania) in care se potreveste cu limte Tipul III (Siria).

Pentru zona granulometrica aferenta scheletului mineral, s-a luat in considerare o curba mai apropiata de limita inferioara, tocmai pentru a pune in valoare un procent de 60% agregat mai grosier in cadrul unei curbe etalate.

Tabel 5 Reteta mixtura BA 12,5

Pentru aceiasi pondere a agregatului grosier , considerat cu dimensiunea granule de peste 2mm (sub 2mm este nisip), s-a analizat si cazul unui beton asfaltic la care dimensiunea maxima a granule este de 16 mm.

Tabel 6 Reteta mixtura BA 16

Figura Curba granulometrica mixtura asfaltica BA16

Pentru a avea o imagine asupra influientei scheletului mineral cu granulatie grosiera, s-a analizat in cadrul programului experimental al tezei de doctorat si un BAD25

Tabel 7 Reteta mixturii asfaltice BAD 25

Figura Curba granulometrica BAD 25

In acesta curba granulometrica (figura 63) aleasa pentru analiza, se poate constata un procent de aggregate grosiere cu limita superioara de 25mm, in continut de 70% .

In urma acestor determinari s-au realizat probe Marshall care s-au evaluat din punct de vedere al caracteristicilor fizico-mecanice asa cum este prezentat in tabelul 8

Tabel 8 Caracteristici fizico-mecanice BA 12,5, BA 16 si BAD 25

S-au facut incercari Marshall la temperatura de 40, 60, respectiv 70.

S-a urmarit evolutia stabilitatii in functie de temperatura de incercare a probelor a fiecarui tip de mixtura asfaltica studiat, iar reprezentarea grafica se poate observa in figura 64.

Figura Stabilitatea in functie de temperatura

Mai mult, dupa ce am evaluat stabilitatea mixturilor asfaltice, s-a studiat si comportarea indicelui de curgere, iar reprezentarea grafica a acestuia in functie de temperatura si de tipul de mixtura utilizat se poate observa in figura 65.

Figura Indicele de curgere in functie de temperatura

Influienta filerului asupra comportarii mixturii asfaltice la cresteri de temperatura

S-au efectuat incercari ce constau in determinarea densitatii, a absorbtiei de apa, a indicelui de curgere si a stabilitatii mixturii asfaltice BA 16 tinand cont de tipul de filer respectiv de calcar si de creta, iar rezultatele obtinute se pot observa in tabelul 9.

Tabel 9 Caracteristici fizice BA 16 cu filer calcar si filer creta

Dupa aceasta etapa, mixtura asfaltica BA 16 cu filer de calcat si cu filer de creta a fost supusa incercarii Marshall la 40, 60 si 70.

In functie de aceste determinari s-a putut evalua evolutia stabilitatii si a indicelui de curgere in functie de temperatura la care s-a efectuat incercarea si in functie de tipul de filer, iar reprezentarea grafica a acestor rezultate se poate observa in figurile 66, respectiv 67.

Figura Evolutia stabilitatii in functie de temperatura si tipul de filer

Figura Evolutia indicelui de curgere in functie de temperatura si tipul de filer

Influienta tipului de bitum asupra comportarii mixturii asfaltice la cresteri de temperatura

Proiectarea retetelor mixturilor asfaltice, precum si incercarile efectuate asupra acestora s-au impartit in doua parti si anume: pentru bitumul 50/70 au fost efectualte in cadrul Laboratorului de Drumuri CFDP al Universitatii Tehnice de Constructii din Bucuresti, iar pentru bitumul 20/30 au fost efectuate in cadrul laboratorului CESTRIN (Centrul de Studii Tehnice Rutiere si Informatica) al Companiei Nationale de Autostrazi si Drumuri Nationale din Romania.

Bitumurile utilizate in acest studiu sunt cele prezentate in tabelul 10, dupa cum urmeaza:

Tabel 10 Caracteristici bitumuri D 20/30 respectiv D 50/70

Pe probele confectionate s-au facut determinari pentru evaluarea caracteristicilor fizice ale mixturii asfaltice si s-au obtinut urmatoarele rezultate, prezentate in tabelul 11 de mai jos:

Tabel 11 Caracteristici fizice BA 12,5

Dupa aceste evaluari s-au studiat caracteristicile mecanice ale acelorasi retete de mixtura asfaltica la variatie de temperatura (incepand cu temperatura de 40°C, continuand cu 60°C si cu 70°C ) rezultatele obtinute sunt reprezentate in figurile 68 si 49.

Figura Evolutia stabilitaii BA 12,5 in functie de temperatura si tip bitum

Figura Evolutia indicelui de curgere in functie de temperatura si tip de bitum

Influienta utilizarii fibrelor asupra comportarii mixturii asfaltice la cresteri de temperatura

Pentru a studia influenta fibrelor in comportarea mixturilor asfaltice s-au studiat doua tipuri de mixtura asfaltica MASF 16 precum si BA 16.

Reteta MASF 16 precum si curba granulometrica aferenta pot fi observate in tabelul 12 si diagrama 70, dupa cum urmeaza:

Tabel 12 Reteta MASF 16

Figura Curba granulometrica MASF 16

Dupa determinarea retetei s-au efectuat incercari ce constau in determinarea densitatii, a absorbtiei de apa, a indicelui de curgere si a stabilitatii mixturii asfaltice pentru BA 16 si MASF 16 tinand cont de compozitia fibrelor in mixtura asfaltica, iar rezultatele obtinute se pot observa in tabelul 13.

Tabel 13 Rezultate obtinute pentru BA 16 si MASF 16

Figura Evolutia stabilitatii Marshall in functie de temperatura si tip mixtura

Figura Evolutia indicelui de curgere in functie de temperatura si tip mixtura

Analizand rezultatele obtinute prin studii de stabilitate structurala prin Metoda Marshall, in faza de analiza a retetei optime in laborator, se pot face interpretari de performanta in functie de parametrii luati in cercetarea experimentala, respectiv:

– Influienta granulatiei scheletului mineral;

– Influienta tipului de filer;

– Influienta utilizarii fibrelor;

– Influienta tipului de bitum din punct de vedere al consistentei, dupa cum urmeaza:

Tabel 14 Evolutia stabilitatii si indicelui de curgere pentru mixtura BAD 25 la diferite temperaturi

In cazul unui schelet mineral grosier se vede ca la o scadere a temperaturii de la 60°C la 40°C, creste stabilitatea Marshall cu un coeficient = 81% datorita practic rigidificarii bitumului. Diferente semnificative apar la variatia indicelui de fluaj ca si imagine a deformabiltatii mixturii asfaltice, care prin cresterea temperaturii de la 60°C la 70°C, indicele de fluaj creste practic cu un coeficient = [7.75-5.85]/5.85=0.32 cu circa 32%, dar pentru stabilitatea structurala scade cu = 12%. Fenomenul se poate explicita prin faptul ca pe masura ce creste temperatura in structura asfaltica, apar alunecari la interfata granulelor mari, producandu-se cresteri de deformatii permanente.

Tabel 15 Evolutia stabilitatii si indicelui de curgere pentru mixtura BA 16 la diferite temperaturi

*Filer de calcar

Pentru un schelet mineral cu granulatia sub 16mm, cu filer tot de calcar, apar diferente nesemnificative fata de BAD 25. Diferente apar la variatia indicelui de fluaj ca si imagine a deformabiltatii mixturii asfaltice, care prin cresterea temperaturii de la 60 °C la 70 °C, indicele de fluaj creste practic cu un coeficient = [3.9-2.9]/2.9 = 0.34 cu circa 34%, care pentru stabilitatea structurala scade cu = 8%.

In cazul unui schelet mineral mai fin, cu granula max.12.5mm, se vede ca la o scadere a temperaturii de la 60 °C la 40 °C, creste stabilitatea Marshall cu = 96% datorita practic rigidificarii bitumului, conform table 16.

Tabel 16 Evolutia stabilitatii si indicelui de curgere pentru mixtura BA 12.5 la diferite temperaturi

Din tabelul de mai sus, se poate observa faptul ca performanta comportamentala a imbracamintii asfaltice la 70 °C, determinata prin Testul Marshall, scade la parametrul stabilitate cu = 6%, iar la indicele de fluaj apare o scadere de = 16%, fata de temperatura de incercare standard de 60 °C.

Se poate concluziona ca scheletul mineral influenteaza foarte mult performantele mixturilor asfaltie studiate in functie de temperatura, atat din punct de vedere al stabilitatii obtinandu-se rezultatele optime pentru mixtura BA 12,5 deoarece aceasta mixtura a prezentat un schelet mineral mai rezistent datorita volumului de goluri mai mic, cat si din punct de vedere al indicelui de curgere obtinandu-se rezultate optime pentru mixtura asfaltica BA 16 deoarece a prezentat cel mai rezistent schelet mineral la deformare si acest lucru se explica prin faptul ca scheletul mineral a avut un volum de goluri potrivit.

In cazul in care se trece si la modificarea consistentei bitumului de la un bitum tip 50/70 la unul de tip 20/30, apar rezultatele din tabelul 17:

Tabel 17 Evolutia stabilitatii si indicelui de curgere pentru mixtura BA 12.5 la diferite temperaturi

*Bitum dur 20/30

Din tabelul de mai sus, in cazul BA12.5 cu bitum 20/30, se poate observa ca la o scadere a temperaturii de la 60 °C la 40 C°, creste stabilitatea Marshall cu un coeficient = 71% datorita practic rigidificarii bitumului. Dar la cresterea temperaturii de la 60 °C la 70 °C, indicele de fluaj creste practic cu un coeficient = 20%, care pentru stabilitatea structurala scade cu = 11%.

In urma rezultatelor obtinute s-a demonstrat ca mixtura BA 12.5 cu bitum dur are o comportare mai buna atat la stabilitate ( la temperatura de 70°C este imbunatatita cu 18%) cat si la indicele de curgere (la temperatura de 70°C este imbunatatita cu 10%) si se poate explica prin faptul ca bitumul dur are o susceptibilitate scazuta la temperaturi ridicate cu scopul de a nu se inmuia (tabel 18).

Tabel 18 Evolutia stabilitatii si indicelui de curgere pentru mixtura BA 16 la diferite temperaturi

**Filer de creta

Pentru un schelet mineral cu granulatia sub 16mm (tabel 18), cu filer de creta, performanta stabilitatii la temperatura 70 °C scade cu un coeficient = 6%, iar performanta indicelui de fluaj scade cu un coeficient = 38%.

Ca si comparatie in functie de tipul de filer utilizat se poate observa ca mixtura BA 16 cu filer de calcar are o comportare mai buna atat la stabilitate ( la temperatura de 70°C este imbunatatita cu 15,7%) cat si la indicele de curgere (la temperatura de 70°C este imbunatatita cu 9.3%) si se poate explica prin faptul ca suprafata specifica a filerului de calcar este mai mare comparativ cu suprafata specifica a filerului de creta datorita faptului ca liantul bituminos cu filer de calcar are rigiditate mai buna comparativ cu liantul bituminos cu filer de creta.

In situatia in care se utilizeaza mixtura asfaltica cu fibre, se obtin rezultatele din tabelul care urmeaza, inregistrate pentru MAS 16.

Din tabelul 19, se poate observa faptul ca performanta comportamentala a imbracamintii asfaltice la 700C, determinata prin Testul Marshall, scade la parametrul stabilitate cu= 7%, iar la indicele de fluaj apare o scadere de = 30%, fata de temperatura de incercare standard de 600C.

Tabel 19 Evolutia stabilitatii si indicelui de curgere pentru mixtura MASF 16 la diferite temperaturi

ETAPA 2

Studii de performanta in laborator prin teste complexe de evaluare a rezistentei la deformatii permanente a imbracamintilor rutiere asfaltice

Tinand cont de prima etapa in care s-a demonstrat ca o mixtura MASF 16 cu bitum dur reprezinta cea mai buna solutie la temperaturi ridicate si incarcari din trafic, in aceasta etapa s-a studiat proiectarea a 5 retete de mixtura asfaltica MASF 16 cu bitum uzual.

In aceasta etapa s-au proiectat 5 retete diferite de mixture MASF 16 cu bitum usual, rolul acestora fiind de a conduce la un rezultat cat mai precis al mixturii afaltice alese in continuarea studiului. Astfel, in urma incercarilor fizico-mecanice de laborator s-au determinat rezultatele obtinute si s-a urmarit tipul de mixtura care indeplineste toate conditiile prevazute de normative.

Dupa aceasta etapa s-a urmarit evaluarea performantelor si rezistentei la deformatii permanente prin incercarea la fenomenul de fluaj pentru mixture de tip MASF 16 cu bitum usual, apoi s-a studiat si mixtura MASF 16 cu bitum dur, cu scopul de a compara rezultatele obtinute.

Materialele componente in compozitia acestor mixturi asfaltice sunt dupa cum urmeaza: criblura sort 8-16 provine din cariera Taul Rosu, din Baia Mare, filerul de calcar utilizat este un filer Holcim, de la fabrica Alsed, bitumul utilizat este un bitum rutier de tip D50/70 Italia, un aditiv pentru sporirea adizivitatii INTERLENE IN 400-S, precum si fibra Viatop 66 de la Ichi Impex SRL.

Retetele au fost proiectate atat cu echipamentul Marshall (cu scopul de a determina reteta optima) cat si cu metoda giratorie (pentru toate incercarile dinamice efectuate), echipamente prezentate in figura 73, iar in urma evaluarilor efectuate asupra acestora s-a luat in considerare doar reteta cu cele mai bune calitati.

Figura Echipament Marshall si Girocompactor

Reteta amestecului de agregate este prezentata in figura de incadrare a curbei amestecului de agregate in domeniul granulometric (figura 74).

Figura Incadrarea curbei amestecului de agregate in domeniul granumometric

Curba granulometrica a mixturii asfaltice MASF 16 este prezentata si sub forma tabelara, asa cum se poate observa in tabelul 20.

Tabel 20 Curba granulometrica pentru mixtura asfaltica MASF 16

Asa cum s-a precizat si mai sus, in urma studiului de elaborare a unei retete optime a mixturii asfaltice MASF 16 s-a urmarit comportarea a 5 retete individuale ale mixturii, diferind procentul de bitum si astfel modificandu-se toate proprietatiel studiate ale mixturilor asfaltice, dupa cum urmeaza sa fie prezentat in tabelul 21:

Tabel 21 Rezultatele incercari fizico-mecanice efectuate pe mai multe variante de reteta

Dupa cum se poate observa, reteta optima descoperita o reprezinta reteta numarul 1 datorita faptului ca intruneste toate conditiile impuse de normativele in viguare si astfel dobandeste un comportarea cea mai buna precum si proprietatile cele mai adecvate.

Rețeta optima de MAS 16 este prezentata in tabelul numarul 22, dupa cum urmeaza:

Tabel 22 Rețeta nr. 1: bitumul conține 0,3 % aditiv INTERLENE IN 400-S

Variatia fenomenului de fluaj dinamic asupra mixturii de tip MASF 16

Determinarea variatiei fenomenului de fluaj dinamic s-a facut tinand cont de urmatoarele conditii:

temperatura de incercare: 40°C, 50°C, 60°C, 70°C;

tensiunea verticala aplicata: 300 kPa;

numarul de pulsuri apicate: 10 000;

presiunea de fretare: 0.8 barr

perioada de conditionare: 120 sec;

frecventa incarcarii aplicate: 1 sec. incarcare, 1 sec. descarcare.

Determinarea rezistentei la deformatii permanente (fluaj dinamic) in functie de variatia consistentei bitumului, pentru cele doua tipuri de bitum studiate respectiv D 20/30 si D 50/70 s-a efectuat tinand cont de conditiile enumerate mai sus, iar raspunsurile obtinute aferente diferitelor temperaturi studiate sunt reprezentat in figura 75, 76 , 77 si 78.

Figura 75 Curba de fluaj pentru mixtura bituminoasa

Figura 76 Curba de fluaj pentru mixtura bituminoasa

Figura 77 Curba de fluaj pentru mixtura bituminoasa

Figura 78 Curba de fluaj pentru mixtura bituminoasa

Urmarind figurile de mai sus se pot compara performantele mixturii asfaltice MAS 16 cu bitum 20/30 la temperaturi diferite 40/ 50/ 60 /70°C cu mixtura asfaltica MAS 16 cu bitum 50/70 se poate observa o reducere a deformatiilor permanente obtinute pentru utilizarea mixturii asfaltice cu bitum dur de = 80/ 41/ 16/ 27%.

Prezentarea tuturor acestor rezultate obtinute pentru toate temperaturile la care s-au facut incercarile si bitum dur sunt prezentate in figura 79.

Figura 79 Curba de fluaj pentru MASF 16, bitum 50/70, la diferite temperaturi

Prezentarea rezultatelor obtinute in urma determinarile efectuate pentru evaluarea fluajului dinamic la temperaturi diferite pentru bitum B 20/30 se poate observa in figura 80.

Figura Curba de fluaj pentru MASF 16, bitum 20/30 la diferite temperaturi

Din acest studiu comparativ mai putem observa faptul ca aceasta reducere a performantei la fluaj dinamic, reprezinta de fapt o influientei de rigiditate datorata consistentei bitumului, respectiv, atunci cand acesta dispune de o rigiditate mai ridicata. Insa nu trebuie uitat ca aceasta performanta trebuie judecata si prin raportare la comportarea la oboseala a mixturii asfaltice, pentru a nu decide reteta in favoarea cresterii de performanta la fluaj in defavoarea comportarii la oboseala a mixturii asfaltice proiectae in laborator.

Modulul de fluaj pentru mixtura asfaltica MASF 16 determinat la temperaturile de incercare mentionate si in functie de tipul de bitum utilizat in compozitia mixturii este prezentat in figurile 81, 82, 83, 84.

Figura Modulul de fluaj pentru mixtura MASF 16 la 40°C

Analizand comparativ comportarea MAS 16 la temperatura de 40 °C cu bitum 20/30, raportabil cu MAS 16 cu bitum 50/70 se poate constata un coeficient de performanta la modul de fluaj =1579 /878 = 1.8, deci o crestere a rezistentei la deformatii permanente = 80%.

Figura Modulul de fluaj pentru mixtura MASF 16 la 50°C

Figura Modulul de fluaj pentru mixtura MASF 16 la 60°C

Figura Modulul de fluaj pentru mixtura MASF 16 la 70°C

Reprezentarea modulului de fluaj al mixturii asfaltice MASF 16 cu bitum 50/70 la toate temperaturile de incercare efectuate este prezentata in figura 85:

Figura Modulul de fluaj pentru mixtura MASF 16 la diferite temperaturi

Figura Modulul de fluaj pentru mixtura MASF 16, bitum 20/30 la diferite temperaturi

Rezultatele la fluaj utilizand o primă metoda de calul si calcul modulilor de fluaj sunt prezentate in tabelul 23.

Tabel 23 Metoda I de calcul a parametrilor la fluaj

Se poate obseva ca viteza de fluaj creste cu cresterea temperaturii atat pentru MASF 16 cu bitum uzual si pentru MASF 16 cu bitum dur si a avut pentru MASF 16 cu bitum dur la temperatura 70 °C o valoare mai redusa cu 63%.

Rezultatele la fluaj utilizand o a doua metoda de calul sunt prezentate in tabelul 24.

Tabel 24 Metoda II de calcul a parametrilor la fluaj

Se poate observa ca la temperatura 70°C deformatiile permanente calculate la 1000 de cicluri pentru MASF 16 cu bitum dur fata de MASF 16 cu bitum uzual au fost mai reduse cu 18%, iar la 10000 de cicluri au fost mai reduse cu 27%.

Pe baza rezultatelor obtinute privind modulul de fluaj si deformatia permanenta functie de temperatura de incercare s-au intocmit tabelele 25 si s-au reprezentat valorile aferente acestora in figurile 87.

Tabel 25 Variatia deformatiei permanente functie de temperatura pentru MASF16 – B 50/70

Figura Variatia deformatiei permanente in functie de temperatura

Modulul de fluaj se coreleaza cu temperatura dupa o ecuatie de urmatoarea forma:

y = 0.0024 x + 33.86 R2 = 0.9462

Unde: y este temperatura;

x este deformatia permanenta

Tabel 26 Variatia deformatiei permanente functie de temperatura pentru MASF16 – B 20/30

Figura Variatia deformatiilor permanente in functie de temperatura

Modulul de fluaj se coreleaza cu temperatura dupa o ecuatie de urmatoarea forma:

Y = 0.0029 x + 35.689 R2 =0.9867

Unde: y- este temperatura;

x -este deformatia permanenta

CONCLUZII

Studiile din literatura de specialitate, au precizat urmatoarele concluzii privind performanta mixturilor asfaltice prin raportarea la cresteri de temperatura:

Rigiditatea mixturilor asfaltice cu agregate mari a scazut cu cresterea temperaturii;

Prin optimizarea variabilelor mixturii asfaltice s-a determinat ca se imbunatateste rigiditatea mixturilor asfaltice cu agregate mari, care include si rigiditatea si rezistenta mixturilor la acumularea de incarcari permanente;

O crestere in dimensiunea maxima a agregatelor grosiere pana la 37,5 mm a determinat o crestere moderata in rigiditatea mixturii;

In asociere cu variatiile de temperatura in cadrul incercarilor, efectele dimensiunilor agregatelor asupra rigiditatii mixturii au fost diminuate de influenta bitumului;

Din seria continutului de bitum studiat, a fost obtinut un maxim al continutului de bitum, deoarece tendinta ridigitatii mixturii este sa descreasca cu cresterea continutului de bitum;

Continutul de bitum parea sa dezvolte o relatie liniara cu rigiditatea mixturii;

Modulul de rigiditate al mixturii asfaltice a crescut odata cu cresterea vascozitatii bitumului;

Efectul continutului de bitum tinde sa descreasca la temperaturi ridicate;

Eforturile aplicate au dovedit ca au o influenta mica, care tind sa scada cu cresterea temperaturii;

Modulul de rigiditate Sb(t,T) este definit ca raportul dintre efortul aplicat si deformatia rezultata pentru timpul de incarcare (t) si temperatura (T). Echivalenta timp-temperatura caracterizeaza un anumit comportament pentru care proprietatile reologice masurate la diferite temperaturi si frecvente sau timpi de incarcare pot fi scalate, adica multiplicate. Temperatura si timpul de incarcare au efecte echivalente asupra proprietatilor reologice ale materialelor vascoelastice liniare. Temperaturile ridicate corespund frecventelor joase (timpi lungi de incarcare) si invers;

Fenomenul de fagasuire al mixturilor asfaltice se produce atat datorita bitumului, deoarece asa cum se stie deja acesta este influentat de temperatura ridicata (are un comportament de fluid vascos si curge) cat si tinand cont de incarcarile de lunga durata;

Liantul isi pierde rigiditatea si vascozitatea la temperaturi ridicate, diminuand rezistenta la deformatii permanente ale mixturilor asfaltice. Deformatiile permanente se produc,in mod normal, in zilele cu temperaturile cele mai ridicate din an;

O rezistenta slaba la deformatii permanente se obtine pentru o mixtura asfaltica cu un volum de goluri mic si un continut de liant mare, dar are o rezistenta buna la oboseala;

O mixtura asfaltica cu un continut de agregate bogat, un volum de goluri mare si un continut de liant mic are o buna rezistenta la fagasuire, dar o rezistenta slaba la oboseala;

Fenomenul de oboseala este influentat atat de temperaturile scazute cat si de temperaturile ridicate; durata de viata la oboseala a mixturilor asfaltice descreste odata cu cresterea temperaturii de la 20°C la 30°C;

Proprietatile mixturilor asfaltice vor depinde foarte mult de temperatura (la temperaturi joase caracterul elastic este mai putin pronuntat decat cel vascos, iar la temperaturi ridicate este mai pronuntata comportarea elastica fata de cea rigida).

Dupa cum s-a prezentat stadiul problematicii din literatura de specialitate asupra comportarii mixturilor asfaltice la cresteri de temperatura a mediului ambiant, fenomenologia efectelor structurale este complexa si necesita abordarea unor studii complexe de laborator, pentru a obtine informatii pertinente in ceea ce priveste alegerea solutiei optime de reteta la proiectarea experimentala.

Concluziile care reies in urma studiilor efectuate din incercarile statice:

In urma studiilor efctuate s-a demonstrat ca scheletul mineral influenteaza comportarea mixturilor asfaltice studiate (BA 12,5, BA 16 si BAD 25), atat din punct de vedere al stabilitatii obtinandu-se rezultatele optime pentru mixtura BA 12,5 deoarece aceasta mixtura a prezentat un schelet mineral mai rezistent datorita volumului de goluri mai mic, cat si din punct de vedere al indicelui de curgere obtinandu-se rezultate optime pentru mixtura asfaltica BA 16 deoarece a prezentat cel mai rezistent schelet mineral la deformare si acest lucru se explica prin faptul ca scheletul mineral a avut un volum de goluri potrivit.

In cazul studiului asupra liantului bitumios s-a studiat o mixtura asfaltica de tipul BA 12,5 cu 2 tipuri de bitum (bitum 20/30, respective 50/70) s-a putut observa ca acesta are o influenta foarte mare la incercarile realizate la temperaturi ridicate, precum si ca rezultatele cele mai bune au fost obtinute de mixture asfaltica BA 12,5 cu bitum dur.

Pentru a determina influenta filerului din compozitia unei mixture asfaltice s-a studiat o mixture asfaltica de tipul BA 16 cu doua tipuri diferite de filer (filer de calcar si filer de creta) si s-a demonstrate ca mixtura care are in compzitie filer de calcar are comportarea cea mai buna atat la stabilitate cat si la indicele de curgere.

De asemenea, s-a studiat si influenta fibrelor in compozitia mixturilor asfaltice, studiindu-se aici doua tipuri de mixtura si anume BA 16 si MASF 16 in cadrul careia s-a obtinut ca fibra utilizata a imbunatatit proprietatile fizico-mecanice la temperaturi ridicate ale mixturii MASF 16.

Tinand cont de toate aceste etape s-a ajuns la concluzia ca cea mai buna solutie pentru temperaturi ridicate si incarcari repetate din trafic ar fi o mixtura de tipul MASF 16 cu filer de calcar si bitum dur.

Concluziile obtinute in urma studiilor efectuate din incercari dinamice:

Studiile efectuate pentru a determina rezistenta la deformatii permanente prin incercarea de fluaj dinamic asupra mixturii asfaltice de tip MASF 16 au fost evaluate la mai multe temperaturi (40șC, 50șC, 60șC si 70șC), si la doua tipuri diferite de bitum (20/30 respectiv 50/70).

Daca ne referim la rezistenta la deformatii permanente din acest raport de cercetare asupra mixturi asfaltice studiate sunt luate in considerare urmatoarele: interpretarea rezultatelor curbei de fluaj, viteza de fluaj, modului de fluaj, deformatia permanenta calculate dupa 1000 si 10 000 de pulsuri.

Rezultatele obtinute pentru incercarea la deformatii permanente dupa 10000 de pulsuri, la temperatura de 40șC sunt 80% mai mici in cazul utilizarii bitumului dur in mixtura, la aceeasi incercate pentru temepratura de 50șC sunt mai mici cu 41%, temperatura de 60șC reda o scadere de 16%, iar temperatura de 70șC prezinta o scadere de 27% pentru bitum dur.

Viteza de fluj creste cu crestera temperaturi atat pentru MASF 16 cu bitum uzual cat si pentru MASF 16 cu bitum dur si s epoate observa ca la temperatura de 40șC a scazut cu 25% pentru MASF 16 cu bitum dur comparativ cu bitumul uzual, iar la temperatura 50șC a scazut cu 52%, la temperatura 60șC a scazut cu 67%, iar la 70șC a scazut cu 63%.

Valoarea modulului de fluaj creste odata cu rigiditatea lianului bituminous si descreste cu numarul de aplicari ale incarcarii. Rezultatele obtinute pentru aceasta incercare ne precizeaza ca valoarea modulului de fluaj creste pentru bitum dur comparativ cu bitumul uzual cu 80% pentru temperatura de 40șC, cu 41% pentru 50șC, cu 16% pentru 60șC si cu 27% pentru 70șC.

In urma acestor numeroase studii efectuate se poate concluziona ca tipul liantului bituminus utilizat in compozitia mixturilor asfaltice influenteaza semnificativ comportamentul la deformatii permanente, in special la temperaturi ridicate.

DIRECTII VIITOARE DE CERCETARE PENTRU FINALIZAREA TEZEI DE DOCTORAT

Fenomenul de fagasuire

In vederea finalizarii tezei de doctorat urmaresc sa studiez in deaproape fenomenul de fagasuire al mixturilor asfaltice tinand cont de variatia temperaturilor, prin incercarea de ornieraj (figura 89), ce va fi efectuata in laborator conform SR EN 12697-22 +A: 2007.

Figura Echipament pentru incercarea de fagasuire a mixturii asfaltice

Rigiditatea mixturilor asfaltice

In continuarea studiului de cercetare pentru incheierea tezei de doctorat voi face evaluari ale modulului de rigiditate al mixturilor asfaltice (figura 90) urmarind comportamentul acestora la temperaturi ridicate, prin studiu in laborator conform SR EN 12697-26:2012.

Figura Echipament pentru determinarea rigiditatii mixturii asfaltice pe probe cilindrice

Rezistenta la oboseala a mixturilor asflatice

Cu scopul ca lucrarea de doctorat sa fie cat mai completa si complexa, urmaresc sa studiez si fenomenul de oboseala al mixturilor asfaltice (figura 91) cu influenta temperaturilor ridicate, conform normativului SR EN 12697-24:2005.

Figura Aparate pentru determinare rezistentei la oboseala

In final se urmareste trasarea unor reguli tehnice si tehnologice care sa fie utile in situatia aplicarii in Siria, a concluziilor cercetarii de laborator efectuate in Romania, in cadrul programului de pregatire doctorala.