RU2523057C1

RU2523057C1 - Device for fatigue assessment of asphalt concrete under cyclic dynamic impacts

Info

Publication number: RU2523057C1
Application number: RU2013101284/28A
Authority: RU
Inventors: Александр Тевьевич Беккер; Лев Владимирович Ким; Виктор Васильевич Овсянников; Роман Геннадьевич Коваленко
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2014-07-20
Also published as: RU2013101284A

Abstract

FIELD: construction.

SUBSTANCE: device comprises a frame, lifting table, capable to change the height, positioning node of test beam, load node of test beam made with possibility to apply cyclic dynamic load and possibility to measure displacements and loading force, comprising rod and slide mechanism. Positioning nod of the test beam comprises clamping jaws mounted on the ends of the test beam parallel to the transverse symmetry axis of the frame and intermediate elastic foundation made as a container filled with model soil with the possibility of tight contact with the place of test beam facing to it. Loading element of load node of the test beam is designed with the possibility of its positioning in the middle of the test beam.

EFFECT: increase of reliability of assessment of asphalt concrete fatigue strength parameters under cyclic dynamic impacts, reduction of the structure materials consumption.

5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области дорожного строительства, а именно к оборудованию для испытаний материалов, в частности асфальтобетона, на усталость при циклических динамических воздействиях, и может быть использовано в автодорожном хозяйстве, строительстве аэродромов, строительной индустрии.The invention relates to the field of road construction, and in particular to equipment for testing materials, in particular asphalt concrete, for fatigue under cyclic dynamic effects, and can be used in the road economy, the construction of airfields, and the construction industry.

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 vehicle carrying capacity. 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-variable) 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 по способу оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях, содержащее основание, узел позиционирования образца в виде пары зажимных вилок, узел нагружения образца, выполненный с возможностью измерения перемещений и нагружающего усилия и представляющий собой две связанные консоли, приводящиеся в колебательное движение с помощью двухполюсного электромагнита (см. RU №2299417, МПК G01N 3/32, дата публикации 20.05.2007).A device is known according to the method for assessing fatigue of asphalt concrete under cyclic dynamic influences, comprising a base, a sample positioning unit in the form of a pair of clamping forks, a sample loading unit configured to measure displacements and loading forces and consisting of two connected consoles driven in oscillatory motion using a bipolar electromagnet (see RU No. 2299417, IPC G01N 3/32, publication date 05/20/2007).

Недостатком данного технического решения является недостаточная достоверность измерений при циклических динамических воздействиях за счет жесткого защемления балки-образца, создающего дополнительные внутренние усилия на концах и наличия влияния действия двухполюсного электромагнита на величину прикладываемого усилия и характеристик колебаний.The disadvantage of this technical solution is the lack of reliability of measurements during cyclic dynamic effects due to rigid pinching of the sample beam, which creates additional internal forces at the ends and the influence of the action of a bipolar electromagnet on the magnitude of the applied force and vibration characteristics.

В качестве ближайшего аналога принято устройство для определения деформаций динамической ползучести дорожно-строительных материалов, содержащее каркас, подъемный стол, выполненный с возможностью изменения высоты, узел позиционирования образца в виде подъемного стола, узел нагружения образца, содержащий шатунно-ползунный механизм и выполненный с возможностью приложения циклической динамической нагрузки и возможностью измерения перемещений и нагружающего усилия (RU №111293, МПК G01N 3/36, дата публикации 10.12.2011).As the closest analogue, a device for determining dynamic creep deformations of road-building materials is adopted, comprising a frame, a lifting table made with height adjustment, a sample positioning unit in the form of a lifting table, a sample loading unit containing a connecting rod-sliding mechanism and made with the possibility of application cyclic dynamic load and the ability to measure displacements and loading forces (RU No. 111293, IPC G01N 3/36, publication date 10.12.2011).

В качестве недостатков ближайшего аналога можно указать недостаточную достоверность измерений при циклических динамических воздействиях, а также повышенную материалоемкость конструкции.As the disadvantages of the closest analogue, one can point out the insufficient reliability of measurements under cyclic dynamic influences, as well as the increased material consumption of the structure.

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 повышении достоверности оценки параметров прочностной усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях за счет обеспечения более точного моделирования реальных условий работы асфальтобетонного покрытия в процессе испытаний (расчетная модель «подстилающий слой - асфальтобетон»), а также в снижении материалоемкости конструкции.The technical result achieved by solving the stated problem is expressed in increasing the reliability of estimating the strength fatigue parameters of asphalt concrete under cyclic dynamic impacts by providing a more accurate simulation of the actual operating conditions of the asphalt concrete coating during the testing process (calculation model “underlying layer - asphalt concrete”), as well as reducing the material consumption of the structure.

Поставленная задача решается тем, что в установке для оценки усталости асфальтобетона при циклических динамических воздействиях, содержащей каркас, подъемный стол, выполненный с возможностью изменения высоты, узел позиционирования балки-образца, узел нагружения балки-образца, выполненный с возможностью приложения циклической динамической нагрузки и возможностью измерения перемещений и нагружающего усилия, содержащий шатунно-ползунный механизм, узел позиционирования балки-образца содержит зажимные захваты, установленные по концам балки-образца параллельно поперечной оси симметрии каркаса и промежуточное упругое основание, выполненное в виде емкости, заполненной модельным грунтом с возможностью плотного контактирования с обращенной к нему плоскостью балки-образца, при этом нагружающий элемент узла нагружения балки-образца выполнен с возможностью его позиционирования в середине балки-образца, кроме того, измерения нагружающего усилия выполняют с помощью датчика усилия в виде балки равного сопротивления, измерения перемещений выполняют с помощью тензорезисторов и пружин, причем свободные концы пружин закреплены на каркасе, для изменения высоты подъемного стола используют винтовую пару и конструкция установки дополнительно снабжена счетчиком числа нагружений.The problem is solved in that in the installation for assessing fatigue of asphalt concrete under cyclic dynamic influences, comprising a frame, a lifting table made with the possibility of changing height, a node for positioning the beam sample, a node for loading the beam sample, made with the possibility of applying a cyclic dynamic load and the ability measurements of displacements and loading force, comprising a connecting rod-slider mechanism, the positioning unit of the sample beam contains clamping grips installed at the ends the sample beam parallel to the transverse axis of symmetry of the frame and an intermediate elastic base made in the form of a container filled with model soil with the possibility of tight contact with the plane of the sample beam facing it, while the loading element of the loading unit of the sample beam is made with the possibility of its positioning in the middle sample beams, in addition, the measurement of the loading force is performed using a force sensor in the form of a beam of equal resistance, the displacement measurements are performed using a strain gauge s and springs, and the free ends of the springs are fixed on the frame, to change the height of the lifting table using a screw pair and the design of the installation is additionally equipped with a counter of the number of loads.

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 «узел позиционирования балки-образца содержит зажимные захваты, установленные по концам балки-образца параллельно поперечной оси симметрии каркаса и промежуточное упругое основание, выполненное виде емкости, заполненной модельным грунтом с возможностью плотного контактирования с обращенной к нему плоскостью балки-образца» позволяет избежать возникновения дополнительных внутренних усилий за счет шарнирного крепления балки-образца и учесть совместность работы асфальтобетона и подстилающего слоя благодаря применению расчетной модели «подстилающий слой - асфальтобетон».The sign “the positioning unit of the specimen beam contains clamping grips installed at the ends of the specimen beam parallel to the transverse axis of symmetry of the frame and an intermediate elastic base made in the form of a container filled with model soil with the possibility of tight contact with the plane of the specimen beam facing it” avoids additional internal efforts due to the hinged fastening of the sample beam and take into account the compatibility of the work of asphalt concrete and the underlying layer due to the use of calculation of the current model “the underlying layer is asphalt concrete”.

Признак «нагружающий элемент узла нагружения балки-образца выполнен с возможностью его позиционирования в середине балки-образца» позволяет измерить перемещение в виде изгибных деформаций.The sign "the loading element of the loading unit of the beam-sample is made with the possibility of its positioning in the middle of the beam-sample" allows you to measure the movement in the form of bending deformations.

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 чертежах изображена испытательная установка, включающая каркас 1, подъемный стол 2, узел позиционирования балки-образца 3, содержащий зажимные захваты 4 и промежуточное упругое основание 5, узел нагружения, содержащий шатунно-ползунный механизм 6, датчик усилия 7, тензорезисторы 8 и пружины 9, винтовая пара 10, счетчик числа нагружений 11.The drawings show a test setup including a frame 1, a lifting table 2, a positioning unit for a sample beam 3 containing clamping grips 4 and an intermediate elastic base 5, a loading unit containing a connecting rod-sliding mechanism 6, a force sensor 7, strain gauges 8 and springs 9 , screw pair 10, counter of the number of loads 11.

Каркас 1 состоит из рамных конструкций, собранных преимущественно из металлического профиля в виде уголков.Frame 1 consists of frame structures assembled mainly from a metal profile in the form of corners.

Подъемный стол 2 выполнен с возможностью изменения высоты с помощью винтовой пары 10.The lifting table 2 is made with the possibility of changing the height using a screw pair 10.

Зажимные захваты 4 позволяют закрепить балку-образец 3 по концам как шарнирно, так и жестко.Clamping grips 4 allow you to fix the beam-sample 3 at the ends both articulated and rigidly.

Промежуточное упругое основание 5 выполнено виде емкости, заполненной модельным грунтом и позволяет использовать расчетную модель «подстилающий слой - асфальтобетон».The intermediate elastic base 5 is made in the form of a tank filled with model soil and allows you to use the calculation model "underlying layer - asphalt concrete".

Шатунно-ползунный механизм 6 позволяет преобразовать вращательное движение в поступательное.The connecting rod-sliding mechanism 6 allows you to convert the rotational motion into translational.

Датчик усилия 7 выполнен в виде балки равного сопротивления.The force sensor 7 is made in the form of a beam of equal resistance.

Тензорезисторы 8 обеспечивают возможность регистрации изгибных деформаций балки-образца 3 и промежуточного упругого основания 5.Strain gages 8 provide the ability to register bending deformations of the sample beam 3 and the intermediate elastic base 5.

Пружины 9, свободные концы которых закреплены на каркасе 1, обеспечивают возможность регистрации вертикального перемещения (прогиба) балки-образца 3 и промежуточного упругого основания 5.The springs 9, the free ends of which are fixed on the frame 1, provide the ability to register the vertical movement (deflection) of the sample beam 3 and the intermediate elastic base 5.

Счетчик числа нагружений 11 позволяет регистрировать количество циклов до отказа (разрушения) балки-образца 3.The counter of the number of loads 11 allows you to register the number of cycles to failure (destruction) of the beam sample 3.

Заявляемая конструкция работает следующим образом.The inventive design works as follows.

Предварительно из асфальтобетона различных видов изготавливают ряд балок-образцов 3 размером 10×10×50 см (могут быть и другие размеры). Затем балку-образец 3 укладывают на промежуточное упругое основание 5 с возможностью их плотного контактирования и закрепляют по концам (краям) на каркасе 1 с помощью зажимных захватов 4. При этом положение промежуточного упругого основания 5 регулируется подъемным столом 2 с помощью винтовой пары 10.Preliminarily, a number of beams-samples 3 of size 10 × 10 × 50 cm are made of asphalt concrete of various types (there may be other sizes). Then, the sample beam 3 is laid on the intermediate elastic base 5 with the possibility of tight contact and fixed at the ends (edges) on the frame 1 using clamping jaws 4. The position of the intermediate elastic base 5 is regulated by the lifting table 2 using a screw pair 10.

Далее происходит нагружение изгибающей нагрузкой с помощью шатунно-ползунного механизма 6, который передает колебания и усилие на балку-образец 3. Во время испытаний нагрузку прикладывают к середине балки-образца 3 до отказа при последовательном нагружений в определенных режимах, при этом контролируют температуру и сообщаемое образцу усилие с помощью датчика усилия 7. Длительность и амплитуда нагружения определяются частотным спектром воздействия транспортных средств на асфальтобетонное покрытие. Также в процессе испытания при каждом режиме нагружения регистрируют изгибные деформации балки-образца 3 и промежуточного упругого основания 5 с помощью тензорезисторов 8, количество циклов до отказа (разрушения) балки-образца 3 с помощью счетчика числа нагружений 11, вертикальное перемещение (прогиб) балки-образца 3 и промежуточного упругого основания 5 с помощью пружин 9, образование трещин и их развитие.Next, loading by a bending load occurs using a connecting rod-slide mechanism 6, which transmits vibrations and force to the sample beam 3. During testing, the load is applied to the middle of the sample beam 3 to failure during successive loading in certain modes, while controlling the temperature and the reported sample force using a force sensor 7. The duration and amplitude of the load are determined by the frequency spectrum of the effects of vehicles on asphalt pavement. Also, during the test, at each loading mode, bending deformations of the beam-sample 3 and intermediate elastic base 5 are recorded using strain gauges 8, the number of cycles to failure (failure) of the beam-sample 3 using the counter of the number of loads 11, the vertical displacement (deflection) of the beam sample 3 and the intermediate elastic base 5 using springs 9, the formation of cracks and their development.

Далее производят анализ на основе 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 напряжение - деформации, энергии диссипации в каждый конкретный цикл и на протяжении всего испытания, количеству циклов до отказа образца.Next, an analysis is made on the basis 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, the area of the hysteresis loop in the coordinates of stress - strain, energy of dissipation in each particular cycle and throughout tests, 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

1. Installation for assessing fatigue of asphalt concrete under cyclic dynamic influences, comprising a frame, a lifting table made with the possibility of changing the height, a node for positioning the beam specimen, a node for loading the beam specimen, made with the possibility of applying a cyclic dynamic load and the ability to measure displacements and loading forces comprising a connecting rod-slider mechanism, characterized in that the positioning unit of the sample beam contains clamping grips installed at the ends of the sample beam parallel to the transverse axis of symmetry of the frame and the intermediate elastic base, made in the form of a tank filled with model soil with the possibility of tight contact with the plane of the sample beam facing it, while the loading element of the loading unit of the sample beam is made with the possibility of its positioning in the middle of the sample beam .

2. Installation for assessing fatigue of asphalt concrete under cyclic dynamic effects according to claim 1, in which the measurement of the loading force is performed using a force sensor in the form of a beam of equal resistance.

3. Installation for evaluating the fatigue of asphalt concrete under cyclic dynamic influences according to claim 1, in which the displacements are measured using strain gauges and springs, the free ends of the springs fixed to the frame.

4. Installation for assessing fatigue of asphalt concrete under cyclic dynamic effects according to claim 1, in which a screw pair is used to change the height of the lifting table.

5. Installation for assessing fatigue of asphalt concrete under cyclic dynamic effects according to claim 1, which is additionally equipped with a counter of the number of loads.