RU2483290C2

RU2483290C2 - Method to assess fatigue of asphalt concrete under cyclic dynamic loads

Info

Publication number: RU2483290C2
Application number: RU2011135092/28A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Алексеевич Лаврушин; Елена Геннадьевна Лаврушина; Виктор Васильевич Овсянников; Михаил Иванович Звонарев; Алексей Александрович Попов; Максим Владимирович Плаксин; Валерий Иванович Семенов; Дмитрий Сергеевич Гнедюк; Александр Владимирович Проскуряков; Владимир Трофимович Гуляев; Николай Артемович Николайчук
Priority date: 2011-08-22
Filing date: 2011-08-22
Publication date: 2013-05-27
Also published as: RU2011135092A

Abstract

FIELD: test equipment.

SUBSTANCE: smallest size of a cross section of a sample made in the form of a bar makes at least three sizes of the largest fraction of the filler. The sample is rested against an elastic base that models the underlying layer of the road surface, and two supports at the ends of the sample. The sample is loaded with cyclic load by zero-to-tension stress cycle corresponding to the frequency range of 2-30 Hz and level of loading 0.3-200 kgf, with separate fixation of loading frequency and level of force action at a sample of asphalt concrete. In process of tests they ensure permanent contact of the sample and the elastic base, simultaneously, sample sagging is measured, its bending, stretching deformations and deformations of the elastic base are measured, afterwards they determine the module of elasticity, the coefficient of elastic base bed, the area of hysteresis loop in coordinates as, the density of internal energy depending on the number of deformation cycles up to sample damage.

EFFECT: increased validity of assessment of parameters of strength fatigue of asphalt concrete under cyclic dynamic actions.

3 dwg

Description

Изобретение относится к технике испытаний на усталость, а именно к способам испытаний материалов, в частности асфальтобетона, на усталость при циклических динамических воздействиях.The invention relates to techniques for testing fatigue, and in particular to methods of testing materials, in particular asphalt concrete, for fatigue under cyclic dynamic effects.

За последние годы на дорогах России наблюдается значительный рост интенсивности движения, скоростных режимов транспортных средств и грузоподъемности автомобилей. В современных условиях эксплуатации происходит увеличение количества приложений транспортных нагрузок в единицу времени, что обусловливает ускоренное развитие усталостных процессов в асфальтобетонном покрытии. Усталостная прочность асфальтобетона - способность материала сопротивляться действию циклических (повторно-переменных) нагрузок, является важнейшей характеристикой, определяющей долговечность асфальтобетонного покрытия и дорожной одежды в целом.In recent years, on the roads of Russia, there has been a significant increase in traffic intensity, high-speed modes of vehicles and the carrying capacity of cars. In modern operating conditions, there is an increase in the number of applications of transport loads per unit time, which leads to the accelerated development of fatigue processes in asphalt concrete pavement. Fatigue strength of asphalt concrete - the ability of a material to resist the action of cyclic (re-alternating) loads, is the most important characteristic that determines the durability of asphalt concrete pavement and pavement in general.

Испытания асфальтобетонов под действием циклических нагрузок (усталостной прочности) позволяют моделировать реальные условия нагружения асфальтобетона в покрытии. В результате можно определить как характеристики жесткости (деформативности), так и усталостную прочность или выносливость асфальтобетона до разрушения. Причем диапазоны амплитуд нагружения в этих методах испытаний должны быть разными.Tests of asphalt concrete under cyclic loads (fatigue strength) allow us to simulate the actual loading conditions of asphalt concrete in the coating. As a result, one can determine both the stiffness (deformability) characteristics and the fatigue strength or endurance of asphalt concrete to failure. Moreover, the ranges of loading amplitudes in these test methods should be different.

Известно устройство для испытаний вязкоупругих и пластичных материалов, включающее корпус, закрепленный на основании, зажимные захваты, с помощью которых крепится асфальтобетонный образец, и нагружающий механизм в виде рычажной системы с грузами (RU №28250, МПК G01N 3/08, приоритет 05.08.2002).A device for testing viscoelastic and plastic materials is known, including a housing fixed to the base, clamping grips with which an asphalt concrete sample is attached, and a loading mechanism in the form of a lever system with loads (RU No. 28250, IPC G01N 3/08, priority 05.08.2002 )

В качестве недостатков данного устройства можно указать следующее:The disadvantages of this device are the following:

- повышенная трудоемкость в силу необходимости подвешивания, снятия и циклического передвигания тарированных грузов;- increased complexity due to the need for suspension, removal and cyclic movement of calibrated goods;

- во время испытаний фиксируются только деформации образца во времени, что не позволяет достоверно оценить параметры прочностной усталости асфальтобетона.- during testing, only deformations of the sample are recorded in time, which does not allow to reliably evaluate the parameters of strength fatigue of asphalt concrete.

В качестве ближайшего аналога принят способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях, включающий крепление образца, выполненного в виде балочки прямоугольного сечения, его нагружение циклической изгибающей нагрузкой до отказа образца, регистрацию параметров изгибных деформаций с определением величины энергии диссипации, по которой судят об усталостной долговечности асфальтобетона (RU №2299417, МПК G01N 3/32, приоритет 12.07.2005).As the closest analogue, a method for assessing the fatigue of asphalt concrete under cyclic dynamic effects was adopted, including attaching a specimen made in the form of a beam of rectangular cross section, loading it with a cyclic bending load until the specimen fails, recording the parameters of bending deformations with determining the value of the dissipation energy, which is used to judge the fatigue life asphalt concrete (RU No. 2299417, IPC G01N 3/32, priority 12.07.2005).

Данное техническое решение не позволяет достоверно оценить параметры прочностной усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях в силу следующих недостатков:This technical solution does not allow to reliably evaluate the strength fatigue parameters of asphalt concrete under cyclic dynamic effects due to the following disadvantages:

- геометрические размеры образцов - балочек (5×5×20 см) соизмеримы с величиной наиболее крупной фракции заполнителя, как следствие не позволяют получить достоверные результаты испытаний;- the geometric dimensions of the samples - beams (5 × 5 × 20 cm) are commensurate with the size of the largest fraction of aggregate, as a result do not allow to obtain reliable test results;

- геометрические параметры и собственная частота специальных консолей, на которых установлен двухполюсной электромагнит, влияют на величину прикладываемого усилия, амплитуду и форму колебаний испытуемого образца;- the geometric parameters and natural frequency of the special consoles on which the bipolar electromagnet is mounted affect the magnitude of the applied force, the amplitude and shape of the vibrations of the test sample;

- жесткое защемление образцов создает дополнительные внутренние усилия на концах балок;- rigid jamming of the samples creates additional internal forces at the ends of the beams;

- отсутствие возможности оценки раздельного влияния частотного режима нагружения на процесс накопления повреждений асфальтобетона и уровень силового воздействия;- the inability to assess the separate effects of the frequency loading mode on the process of accumulation of damage to asphalt concrete and the level of force impact;

- реальное асфальтобетонное покрытие работает в режиме отнулевого цикла, но не в режиме симметричного цикла;- the real asphalt concrete pavement operates in a zero cycle mode, but not in a symmetric cycle mode;

- энергия диссипации (W₃) определяется через интеграл, что на практике затрудняет оценку усталостной прочности.- the energy of dissipation (W ₃ ) is determined through the integral, which in practice complicates the assessment of fatigue strength.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение достоверности оценки параметров прочностной усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях.The problem to which the invention is directed, is to increase the reliability of evaluating the parameters of strength fatigue of asphalt concrete under cyclic dynamic effects.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в следующем:The technical result achieved by solving the problem is expressed in the following:

- обеспечение более точного моделирования реальных условий работы асфальтобетонного покрытия в процессе испытаний, касающегося размеров образца (учитывают масштабный фактор), условий его закрепления (шарнирное опирание по концам) и расчетной модели («подстилающий слой - асфальтобетон»);- providing a more accurate simulation of the actual operating conditions of the asphalt concrete pavement during testing, regarding the dimensions of the sample (take into account the scale factor), the conditions for its fastening (articulated bearing at the ends) and the calculation model (“underlying layer - asphalt concrete”);

- применение механического способа нагружения, позволяющего оценить раздельное влияние частотного режима нагружения на процесс накопления повреждений асфальтобетона и уровень силового воздействия;- the use of a mechanical method of loading, allowing to evaluate the separate influence of the frequency mode of loading on the process of accumulation of damage to asphalt concrete and the level of force impact;

- проведение испытаний по отнулевому циклу, соответствующему частотному диапазону 2-30 Гц и уровню нагружения 0,3-200 кгс;- testing on a zeroing cycle, corresponding to a frequency range of 2-30 Hz and a loading level of 0.3-200 kgf;

- использование более простой и удобной формулы для определения энергии диссипации.- the use of a simpler and more convenient formula for determining the energy of dissipation.

Поставленная задача решается тем, что способ оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях, включающий крепление образца, выполненного в виде балочки прямоугольного сечения, его нагружение циклической изгибающей нагрузкой до отказа образца, регистрацию параметров изгибных деформаций с определением величины энергии диссипации, по которой судят об усталостной долговечности асфальтобетона, отличается тем, что наименьший размер поперечного сечения балочки составляет не менее трех размеров наиболее крупной фракции заполнителя, при этом образец опирают на упругое основание, моделирующее подстилающий слой дорожного покрытия, и две опоры по концам образца, причем образец нагружают циклической нагрузкой по отнулевому циклу, соответствующему частотному диапазону 2-30 Гц и уровню нагружения 0,3-200 кгс, с раздельной фиксацией частоты нагружения и уровня силового воздействия на образец асфальтобетона, кроме того, в процессе испытаний обеспечивают постоянный контакт образца и упругого основания, одновременно измеряют прогиб образца, его изгибные, предпочтительно растягивающие деформации и деформации упругого основания, после чего определяют модуль упругости, коэффициент постели упругого основания, площадь петли гистерезиса в координатах σ-ε, плотность внутренней энергии в зависимости от числа циклов деформирования вплоть до разрушения образца.The problem is solved in that a method for assessing the fatigue of asphalt concrete under cyclic dynamic stresses, including fixing a sample made in the form of a beam of rectangular cross section, loading it with a cyclic bending load until the sample fails, recording the parameters of bending deformations with determining the magnitude of the dissipation energy, which is used to judge the fatigue the durability of asphalt concrete, characterized in that the smallest cross-sectional dimension of the beam is at least three sizes of the largest fractions of the aggregate, while the sample is supported on an elastic base modeling the underlying layer of the road surface, and two supports at the ends of the sample, and the sample is loaded with a cyclic load at a zero cycle corresponding to a frequency range of 2-30 Hz and a loading level of 0.3-200 kgf, with separate fixation of the loading frequency and the level of force acting on the asphalt concrete sample, in addition, during the tests they ensure constant contact of the sample and the elastic base, at the same time measure the deflection of the sample, its bending, p edpochtitelno tensile deformation and elastic deformation of the base, after which the modulus of elasticity of the elastic foundation bed coefficient hysteresis loop area of σ-ε coordinates internal energy density depending on the number of deformation cycles until failure of the sample.

Сопоставительный анализ существенных признаков предлагаемого технического решения с существенными признаками ближайшего аналога свидетельствует о его соответствии критерию «новизна».A comparative analysis of the essential features of the proposed technical solution with the essential features of the closest analogue indicates its compliance with the criterion of "novelty."

При этом признаки отличительной части формулы изобретения обеспечивают решение следующих функциональных задач.Moreover, the features of the characterizing part of the claims provide the solution to the following functional tasks.

Признак «наименьший размер поперечного сечения балочки составляет не менее трех размеров наиболее крупной фракции заполнителя» обеспечивает более полный учет масштабного фактора за счет больших размеров образца (таким образом, исключают формирование образца с размерами, соизмеримыми с размерами фракций асфальтобетона, что может привести к существенному искажению результатов испытаний).The sign “the smallest cross-sectional dimension of the beam is not less than three sizes of the largest aggregate fraction” provides a more complete account of the scale factor due to the large dimensions of the sample (thus excluding the formation of a sample with dimensions comparable with the sizes of asphalt fractions, which can lead to significant distortion test results).

Признак «образец опирают на упругое основание, моделирующее подстилающий слой дорожного покрытия, и две опоры по концам образца» позволяет избежать возникновения дополнительных внутренних усилий (с помощью шарнирного крепления) и учесть совместность работы асфальтобетона и подстилающего слоя (за счет применения расчетной модели «подстилающий слой - асфальтобетон»).The sign “the specimen is supported on an elastic foundation modeling the underlying layer of the pavement and two supports at the ends of the specimen” avoids additional internal forces (by means of hinging) and takes into account the compatibility of the work of asphalt concrete and the underlying layer (due to the use of the calculated model “underlying - asphalt concrete ”).

Признак «образец нагружают циклической нагрузкой по отнулевому циклу, соответствующему частотному диапазону 2-30 Гц и уровню нагружения 0,3-200 кгс, с раздельной фиксацией частоты нагружения и уровня силового воздействия на образец асфальтобетона» позволяет моделировать реальные условия работы асфальтобетонного покрытия, причем величины нагрузки подобраны с учетом масштабного фактора (из-за больших размеров образца), диапазон частот взят из стандартов.The sign “the sample is loaded with a cyclic load in a zero cycle corresponding to the frequency range of 2-30 Hz and the loading level of 0.3-200 kgf, with separate fixing of the loading frequency and the level of force acting on the asphalt concrete sample” allows us to simulate the actual operating conditions of asphalt concrete pavement, and the values the loads are selected taking into account the scale factor (due to the large size of the sample), the frequency range is taken from the standards.

Признак «величина энергии диссипации W… определяется по формуле

» позволяет упростить и сократить продолжительность процесса расчета и анализа полученных результатов на практике.The sign "the value of the dissipation energy W ... is determined by the formula

»Allows you to simplify and reduce the duration of the process of calculation and analysis of the results in practice.

На фиг.1 изображен общий вид испытательной установки для нагружения циклической изгибающей нагрузкой.Figure 1 shows a General view of a test setup for loading cyclic bending load.

На фиг.2 изображен вид сбоку установки, подготовленной для нагружения циклической изгибающей нагрузкой.Figure 2 shows a side view of the installation, prepared for loading cyclic bending load.

На фиг.3 изображены результаты испытаний в виде кривых усталости асфальтобетона двух видов - с резиновой крошкой и без нее.Figure 3 shows the test results in the form of fatigue curves of asphalt concrete of two types - with rubber crumb and without it.

На чертежах изображена испытательная установка, включающая рамную металлическую конструкцию 1, зажимные захваты 2, с помощью которых крепится асфальтобетонный образец 3 с шарнирными опорами (или защемленными концами), упругое основание 4 определенной толщины, положение которого регулируется подъемным столом 5 с помощью винтовой пары 6, узел механических колебаний, выполненный в виде кривошипно-шатунного-ползунного механизма 7 с эксцентриком 8 и привода, состоящего из электродвигателя 9 и ременной передачи 10, причем кривошипно-шатунный-ползунный механизм 7 содержит датчик усилия 11 в виде балки равного сопротивления, регистрирующий сообщаемое образцу усилие, датчик перемещения в виде пружины 12, датчик изгибных деформаций 13 в виде тензорезисторов и счетчик числа нагружений 14.The drawings show a test installation, including a frame metal structure 1, clamping jaws 2, with which an asphalt concrete sample 3 with hinged supports (or pinched ends) is attached, an elastic base 4 of a certain thickness, the position of which is regulated by the lifting table 5 using a screw pair 6, node of mechanical vibrations, made in the form of a crank-connecting rod-slider mechanism 7 with an eccentric 8 and a drive consisting of an electric motor 9 and a belt drive 10, and the crank-floor unny mechanism 7 comprises a force sensor 11 in the form of beams of equal strength, the recording pattern imparted force displacement transducer in the form of a spring 12, a sensor 13 of the bending deformations in the form of strain gauges and the number of loadings counter 14.

Заявленный способ реализуется следующим образом.The claimed method is implemented as follows.

Предварительно из асфальтобетона различных видов изготавливают ряд образцов-балочек размером 10×10×50 см (могут быть и другие размеры). Затем асфальтобетонный образец 3 укладывается непосредственно на поверхностный слой упругого основания 4, моделирующий основание многослойной среды, а затем по концам (краям) крепится на рамную металлическую конструкцию 1 с помощью зажимных захватов 2, причем устанавливаемый образец 3 в процессе испытания должен быть без отрыва связан с упругим основанием 4 определенной толщины, положение которого регулируется подъемным столом 5 с помощью винтовой пары 6. Далее включается электродвигатель 9, и происходит нагружение изгибающей нагрузкой с помощью кривошипно-шатунного-ползунного механизма 7, который передает колебания и усилие на асфальтобетонный образец 3. Во время испытаний нагрузка прикладывается к середине образца 3 до отказа при последовательном нагружении в определенных режимах, при этом контролируют температуру и сообщаемое образцу усилие с помощью датчика усилия 11. Длительность и амплитуда нагружения определяются частотным спектром воздействия транспортных средств на асфальтобетонное покрытие. Также в процессе испытания при каждом режиме нагружения регистрируют изгибные деформации ε образца 3 и упругого основания 4 с помощью датчика изгибных деформаций 13, сдвиг фаз φ между напряжениями σ и деформациями ε, площадь петли гистерезиса ΔW в координатах σ-ε, количество циклов N до отказа (разрушения) образца 3 с помощью счетчика числа нагружении 14, вертикальное перемещение (прогиб) у образца 3 и упругого основания 4 с помощью датчика перемещения 12, образование трещин и их развитие. По результатам испытаний строят кривые усталости материала, затем определяют модуль упругости Е образца 3 и упругого основания 4, энергию диссипации W, коэффициент постели упругого основания 4 и коэффициент интенсивности напряжений.Previously, a number of beam samples measuring 10 × 10 × 50 cm are made of asphalt concrete of various types (there may be other sizes). Then, the asphalt concrete sample 3 is laid directly on the surface layer of the elastic base 4, modeling the base of the multilayer medium, and then at the ends (edges) it is attached to the frame metal structure 1 using clamping grips 2, and the installed sample 3 during the test must be connected without interruption to elastic base 4 of a certain thickness, the position of which is regulated by the lifting table 5 with the help of a screw pair 6. Next, the electric motor 9 is turned on, and loading with a bending load occurs with using a crank-crank-slide mechanism 7, which transmits vibrations and force to the asphalt concrete sample 3. During the tests, the load is applied to the middle of the sample 3 to failure under sequential loading in certain modes, while monitoring the temperature and the force transmitted to the sample using the force sensor 11 Duration and amplitude of loading are determined by the frequency spectrum of the impact of vehicles on asphalt pavement. Also, during the test, at each loading mode, bending strains ε of sample 3 and elastic base 4 are recorded using a bending strain gauge 13, phase shift φ between stresses σ and strains ε, hysteresis loop area ΔW in coordinates σ-ε, number of cycles N to failure (destruction) of the sample 3 using the counter of the load number 14, the vertical displacement (deflection) of the sample 3 and the elastic base 4 using the displacement sensor 12, the formation of cracks and their development. Based on the test results, fatigue curves of the material are constructed, then the elastic modulus E of the sample 3 and the elastic base 4, the dissipation energy W, the bed coefficient of the elastic base 4 and the stress intensity factor are determined.

Величина энергии диссипации W, которая характеризует процесс накопления повреждений в дорожных покрытиях, определяется по формулеThe value of the dissipation energy W, which characterizes the process of damage accumulation in road surfaces, is determined by the formula

, где

where

ΔW_i - площадь петли гистерезиса i-того образца в координатах σ-ε;ΔW _i is the area of the hysteresis loop of the i-th sample in the coordinates σ-ε;

N_p - количество циклов до отказа (разрушения) образца.N _p - the number of cycles to failure (destruction) of the sample.

В конце строят кривую усталости в натуральных координатах σ - N и проводят анализ асфальтобетонов различных видов по перечисленным параметрам и их энергетическим состояниям.At the end, a fatigue curve is constructed in the natural coordinates σ - N and an analysis of various types of asphalt concrete is carried out according to the listed parameters and their energy states.

Таким образом, информацию о поведении асфальтобетона получают на основе анализа следующих показателей: частотных и температурных зависимостей модуля упругости, изгибных, предпочтительно растягивающих деформаций образца и деформаций упругого основания, коэффициента постели упругого основания, площади петли гистерезиса в координатах σ-ε, энергии диссипации в каждый конкретный цикл и на протяжении всего испытания, количеству циклов до отказа образца.Thus, information on the behavior of asphalt concrete is obtained based on the analysis of the following indicators: frequency and temperature dependences of the elastic modulus, flexural, preferably tensile deformations of the sample and deformations of the elastic base, bed coefficient of the elastic base, area of the hysteresis loop in the coordinates σ-ε, energy of dissipation in each specific cycle and throughout the test, the number of cycles to failure of the sample.

По результатам испытаний назначают расчетные характеристики материалов, используемые при проектировании покрытия. В итоге можно определить как характеристики жесткости (деформативности), так и усталостную прочность или выносливость асфальтобетона до разрушения.Based on the test results, the design characteristics of the materials used in the design of the coating are prescribed. As a result, it is possible to determine both the stiffness (deformability) characteristics and the fatigue strength or endurance of asphalt concrete to failure.

Claims

A method for assessing fatigue of asphalt concrete under cyclic dynamic effects, including attaching a sample made in the form of a beam of rectangular cross section, loading it with a cyclic bending load to failure of the sample, recording the parameters of bending deformations with determining the magnitude of the energy of dissipation, which is used to judge the fatigue life of asphalt concrete, characterized in that the smallest cross-sectional dimension of the beam is at least three sizes of the largest aggregate fraction, while the image ECs are supported on an elastic base simulating the underlying layer of the road surface and two supports at the ends of the sample, and the sample is loaded with a cyclic load in a zero cycle corresponding to a frequency range of 2-30 Hz and a loading level of 0.3-200 kgf, with separate fixing of the loading frequency and the level of force acting on the sample of asphalt concrete, in addition, during the tests they ensure constant contact of the sample and the elastic base, at the same time measure the deflection of the sample, its bending, preferably tensile deformations ation and the elastic deformation of the base, after which the modulus of elasticity of the elastic foundation bed coefficient square hysteresis loops in σ-ε coordinates internal energy density depending on the number of deformation cycles until failure of the sample.