Способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях

Изобретение относится к технике испытаний, а именно к способам испытаний материалов, в частности асфальтобетона и органоминеральных смесей, на усталость при циклических динамических воздействиях. Техническим результатом изобретения является повышение точности и достоверности результатов. Сущность изобретения заключается в том, что способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях включает крепление образца, нагружение циклической изгибающей синусоидально прилагаемой нагрузкой, регистрацию изгибных деформаций и анализ усталостной прочности по зависимостям модуль упругости - частота нагружения - температура. Крепление образца осуществляется защемлением по краям, нагрузка прикладывается к середине образца до отказа при последовательном нагружении в определенных режимах. Длительность и амплитуды нагружения определяются количественным вкладом определенного диапазона частот в общий частотный спектр воздействия транспортных средств на асфальтобетонное покрытие. 1 табл., 2 ил.

 

Изобретение относится к технике испытаний, а именно к способам испытаний материалов, в частности асфальтобетона и органоминеральных смесей, на усталость при циклических динамических воздействиях.

Известно, оценку усталости асфальтобетонов и других материалов при циклических динамических воздействиях производят методом вынужденных колебаний на установках для усталостных испытаний с электромагнитным возбудителем циклических нагрузок (см. Серенсен С.В., Гарф М.Э., Кузьменко В.А. Динамика машин для испытаний на усталость. М., «Машиностроение», 1967, с.460).

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ оценки усталостных свойств асфальтобетона, заключающийся в испытаниях асфальтобетонных образцов - балочек на усталостную прочность при циклических изгибающих нагрузках при помощи испытательной установки - вибростенда (см. Золотарев В.А. Долговечность дорожных асфальтобетонов. X., «Вища школа». Изд-во при Харьк. ун-те. 1977, с.52-56).

При этом информацию о поведении асфальтобетона получают на основании анализа следующих показателей: относительной критической деформации перехода к нелинейному деформированию; минимальных значений модуля упругости при заданной частоте и отрицательной температуре; коэффициента пластичности при заданных температурах. По этим показателям назначают области применения (в зависимости от интенсивности движения и климатических условий района применения) асфальтобетонов различных структурных типов. По количеству циклов до разрушения в заданном температурно-частотном диапазоне судят о сопротивлении материала усталостным разрушениям.

Испытанию синусоидальной изгибающей нагрузкой подвергается асфальтобетонный образец - балочка. Крепление асфальтобетонного образца осуществляется по консольной схеме, вертикально. Выбор консольной схемы вызван стремлением исключить влияние собственного веса балки на величину изгиба, а также требованием повышения точности испытания. Однако при реализации указанной схемы в местах крепления возникают нежелательные напряжения, ускоряющие разрушение образца. Нагружение осуществляется в частотном диапазоне 0,01-50 Гц. Максимальное усилие, развиваемое при стационарном гармоническом режиме, - 10 кгс. В процессе испытания частота нагружения остается постоянной. Соответствие частотных диапазонов уровням нагружения строго не определено, варьируется в зависимости от определяемых показателей, не соответствует реальным режимам нагружения асфальтобетона в покрытии при эксплуатации.

Исходя из вышеизложенного, ясно, что известный способ испытаний не моделирует реальные условия эксплуатации асфальтобетона в покрытии, а именно частотный спектр воздействия, амплитуды нагрузок; схема крепления образца не соответствует условиям нагружения асфальтобетона в покрытии, а следовательно, прогноз долговечности асфальтобетона в покрытии по результатам испытаний по известному способу невозможен.

Задачей настоящего изобретения является повышение в способе испытаний асфальтобетона на усталость при циклических и динамических воздействиях точности и достоверности результатов.

Сущность изобретения заключается в том, что способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях включает крепление образца, нагружение циклической изгибающей синусоидально прилагаемой нагрузкой, регистрацию изгибных деформаций, анализ усталостной прочности по зависимостям модуль упругости - частота нагружения - температура, по количеству циклов до отказа образца, при этом крепление образца осуществляется защемлением по краям, нагрузка прикладывается к середине образца до отказа, образец последовательно нагружается в определенных режимах, соответствующих частотному диапазону 0,5-250 Гц и уровню нагружения 0,03-20 кгс асфальтобетона в процессе эксплуатации в покрытии, длительность и амплитуды нагружения определяются количественным вкладом определенного диапазона частот в общий частотный спектр воздействия транспортных средств на асфальтобетонное покрытие.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - амплитудно-частотная характеристика ускорения покрытия при проезде грузового автомобиля со скоростью 80 км/ч, на фиг.2 - конструкция испытательной установки.

При движении чаши прогиба от колеса автомобиля частота нагружения асфальтобетонного покрытия при движении со скоростью 40-120 км/ч составляет 2-11 Гц. Влияние неровностей покрытия на спектр нагружения проявляется в диапазоне от 0,5 до 100 Гц. Собственная вибрация транспортных средств соответствует частотному диапазону 1-250 Гц. Таким образом, суммарный частотный спектр воздействия движущихся транспортных средств на асфальтобетонное покрытие находится в диапазоне 0,5-250 Гц. Спектр и амплитуды воздействия транспортных средств характеризуются амплитудно-частотной характеристикой ускорений, регистрируемых в асфальтобетонном покрытии при проезде транспортных средств. При этом каждому частотному диапазону соответствует определенное значение амплитуды ускорения, что отражено на фиг.1 - амплитудно-частотная характеристика ускорения покрытия при проезде грузового автомобиля со скоростью 80 км/ч. Таким образом, амплитуды нагружения определяются количественным вкладом определенного диапазона частот с соответствующим значением амплитуды нагружения в общий частотный спектр воздействия транспортных средств.

В результате режимы нагружения образцов (частотные и амплитудные характеристики) при испытании на усталость принимаются в соответствии с результатами экспериментальных исследований поведения асфальтобетона при проезде транспортных средств. Пример режимов нагружения представлен в таблице 1.

Таблица 1. Режимы нагружения
Частоты, Гц	Нагрузки, кгс	Регистрируемые перемещения, мм
0,3	25	Разрушение образца
0,5-1,0	20,0	0,35
10	4,5	0,08
60	0,75	0,0008-0,0012
100	0,25-0,30	0,0004-0,0005
250	0,03-0,06	0,00005-0,0001
300	0,01	0,000005

Длительность нагружения определяют исходя из количественного вклада определенного диапазона частот в общий частотный спектр воздействия транспортных средств на асфальтобетонное покрытие. Для этого для общего частотного спектра воздействия, характерного для определенной интенсивности движения транспортных средств, производят расчет времени, в течение которого асфальтобетон находится в нагруженном состоянии в процессе эксплуатации в покрытии в течение одного года. Подсчитанное таким образом время испытания, эквивалентное одному году нагружения асфальтобетона в покрытии (1 цикл испытаний), разделяют на равные интервалы и испытывают в течение каждого при соответствующей частоте и амплитуде нагружения, ранее фиксируемых в асфальтобетонном покрытии при существующем движении транспортных средств.

Заявляемый способ осуществляют следующим образом.

Из асфальтобетона изготавливают ряд образцов - балочек размером 5×5×20 см, каждый из которых нагружается изгибающей нагрузкой, последовательно проходя каждый из режимов нагружения с соответствующей частотой и уровнем нагружения до отказа образца. В процессе испытания регистрируют изгибные деформации, осуществляют контроль температуры, регистрируют количество циклов до отказа образца. Отказом принято считать такое состояние образца, при котором происходит превышение регистрируемых величин изгибных деформаций начальных их значений в два раза. По результатам испытаний строят кривую усталости материала (зависимость «деформация - количество циклов испытания»), определяют комплексный модуль упругости, энергию диссипации.

При реализации заявляемого способа испытания проводят на установке усталостного нагружения. Установка включает основание 1 с зажимными вилками 2, с помощью которых крепится асфальтобетонный образец 3, крепящиеся к основанию две связанные консоли 4, электромагнит 5, узел передачи механических колебаний 6, датчик усилия 7, датчик перемещения 8.

Конструкция установки усталостного нагружения поясняется чертежом на фиг.2 - конструкция испытательной установки, где к металлическому основанию 1 с помощью зажимных вилок 2 крепится асфальтобетонный образец 3 с защемлением по концам. Узлом нагружения являются две связанные консоли 4, приводящиеся в колебательное движение с помощью двухполюсного электромагнита 5. Через узел передачи 6 механические изгибные колебания передаются на асфальтобетонный образец 3. Узел передачи содержит датчик усилия 7, регистрирующий сообщаемое образцу усилие, и датчик перемещения 8, фиксирующий возникающие в образце при этом деформации. Частота колебаний связанных консолей 4 определяется их характеристиками: длиной, жесткостью, эффективной массой. Частота возбуждения электромагнита 5 подбирается в соответствии с собственной частотой колебаний связанных консолей 4, что фиксируется по амплитуде и форме колебаний, регистрируемых датчиком усилия 7.

Узел нагружения связанных консолей 4, генерирующий изгибающую нагрузку разных знаков, и принятая схема крепления образца моделируют реальные условия нагружения асфальтобетона в покрытии, когда при проезде транспортных средств возникает «нагонная волна» и асфальтобетонное покрытие испытывает максимальные растягивающие напряжения противоположных знаков. Схема крепления асфальтобетонного образца 3 (жестко закреплен по краям) и приложение усилия к середине образца также позволяют моделировать чашу прогиба от воздействия колеса транспортного средства на локализованную в покрытии область нагружения.

Нагружение производят в следующей последовательности.

Устанавливают значение частоты и амплитуды нагружения соответствующие первому режиму нагружения. Производят нагружение в течение определенного промежутка времени, далее изменяют значение частоты и амплитуды нагрузки и продолжают нагружение. Таким образом, образец 3 последовательно нагружается во всех режимах (см. таблица 1), что моделирует реальные условия эксплуатации.

Длительность и амплитуды нагружения определяются количественным вкладом определенного диапазона частот в общий частотный спектр воздействия транспортных средств на асфальтобетонное покрытие, выявленных при экспериментальных замерах на участках автомобильных дорог (см. фиг.1).

В процессе испытания при каждом температурном режиме и режиме нагружения осуществляется регистрация изгибных деформаций образца датчиком перемещения 8, строится кривая усталости материала. Кривая усталости материала образуется построением на графике зависимости «деформация - количество циклов испытания» в логарифмических координатах. Построенные таким образом кривые образуют угол с осью времени, по величине угла можно судить об усталостной долговечности асфальтобетона (Руденский А.В. Дорожные асфальтобетонные покрытия. - М.: Транспорт, 1992, с. 41-42).

В области линейного деформирования материала определяется динамический модуль упругости отношением величины нормального напряжения к величине прогиба балочки (Шульман З.П., Ковалев Я.Н., Зальцгендлер Э.А. Реофизика конгломератных материалов. Мн., «Наука и Техника», 1978, с.39-40), изменение которого характеризует изменение усталостного сопротивления асфальтобетона в процессе испытания.

Определяется величина энергии диссипации (W₃) расчетным путем по формуле:

где q(t) - нагрузка, изменяемая по закону:

q=q₀sinωt+q₀

Определяемая величина энергии диссипации (W₃) характеризует интенсивность накопления разрушенных внутриструктурных связей (Дорожный асфальтобетон. Под ред. Л.Б. Гезенцвея. М., «Транспорт», 1976, с.202), т.е. усталостную долговечность; большая величина энергии диссипации свидетельствует о низкой усталостной долговечности.

Регистрируется количество циклов до отказа образца, характеризующее длительность сопротивления асфальтобетона усталостному разрушению.

Таким образом, информацию о поведении асфальтобетона получают на основе анализа следующих показателей: частотных и температурных зависимостей комплексного модуля, модуля упругости, модуля потерь; энергии диссипации в каждый конкретный цикл и на протяжении всего испытания; наклону кривой усталости материала; количеству циклов до отказа образца.

Отличием предлагаемого способа испытаний является испытание асфальтобетонного образца до отказа в приведенных режимах нагружения, обусловленных учетом реального воздействия транспортных средств на асфальтобетонное покрытие; схема крепления защемлением по краям и приложением нагрузки к середине образца.

По результатам испытаний назначают расчетные характеристики материалов, используемые при проектировании покрытия. По количеству циклов до отказа образца, по наклону кривой усталости, энергии диссипации судят об усталостной долговечности асфальтобетона при динамических воздействиях.

Способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях, включающий крепление образца, нагружение циклической изгибающей синусоидально прилагаемой нагрузкой, регистрацию изгибных деформаций, анализ усталостной прочности по зависимостям модуль упругости - частота нагружения - температура, по количеству циклов до отказа образца, отличающийся тем, что крепление образца осуществляется защемлением по краям, нагрузка прикладывается к середине образца до отказа, при этом образец последовательно нагружается в определенных режимах, соответствующих частотному диапазону 0,5-250 Гц и уровню нагружения 0,03-20 кгс асфальтобетона в процессе эксплуатации в покрытии, длительность и амплитуды нагружения определяются количественным вкладом определенного диапазона частот в общий частотный спектр воздействия транспортных средств на асфальтобетонное покрытие.