Zkoušení odolnosti asfaltových směsí proti tvorbě trvalých deformací v triaxiální komoře

• Foto

Evropská normalizace navíc zavádí rozdělení funkčních zkoušek na „performance related tests“ a „performance based tests“, tedy funkční zkoušky vztažené ke skutečnému chování nebo funkční zkoušky založené na skutečném chování. V oblasti zkoušení asfaltových směsí na odolnost proti tvorbě trvalých deformací se k funkčním zkouškám vztaženým ke skutečnému chování přiřazuje zkouška vyjetí kolem dle ČSN EN 12697-22 [1] a k funkčním zkouškám založeným na skutečném chování řadí cyklická zkouška v tlaku v triaxiální komoře dle ČSN EN 12697-25 [2]. Za tímto odlišením můžeme vidět snahu vyjádřit určitý kvalitativní posun u triaxiální zkoušky ve srovnání se zkouškou vyjetí kolem, kde cyklická zkouška v tlaku v triaxiálné komoře věrněji simuluje namáhání v reálné vozovce.

Tento článek by chtěl postihnout první zkušenosti se zkouškou odolnosti asfaltových směsí proti tvorbě trvalých deformací podle výše citované normy ČSN EN 12697-25.

ČSN EN 12697-25
Tato norma popisuje dvě zkušební metody (A a B) pro stanovení odolnosti asfaltových směsí proti trvalým deformacím. Zkušební metoda A popisuje postup pro stanovení charakteristik dotvarování asfaltových směsí prostřednictvím dynamické zkoušky dotvarování v jednoosém tlaku s omezením vodorovné deformace. V této zkoušce je cyklickému osovému tlaku vystaveno válcové zkušební těleso. Aby se dosáhlo jistého omezení, je průměr zatěžovací desky menší než průměr zkušebního vzorku.

Zkušební metoda B popisuje postup pro stanovení charakteristik dotvarování asfaltových směsí prostřednictvím dynamické zkoušky dotvarování v triaxiálním přístroji. V této zkoušce je válcové zkušební těleso vystaveno komorovému a cyklickému osovému tlaku. Dle principu uplatňovanému v evropských normách – jedna zkušební metoda pro jeden parametr – byla vybrána pro provádění počátečních zkoušek typu (dříve v ČR průkazních zkoušek) u asfaltových směsí typu asfaltový beton navrhovaných funkčním způsobem zkušební metoda B v triaxiálním přístroji.

Tabulka 1 – Parametry zkoušky – zatížení pulzy

Zkoušení v triaxiálním přístroji
V současné době je v Evropě pouze několik států, kde je v provozu zkušební zařízení pro cyklickou zkoušku v tlaku v triaxiální komoře. U čtyřech z nich je využíváno hydraulického zatěžovacího systému se sinusovým způsobem zatěžování. Triaxiální zatěžovací systém pracující na VUT v Brně jako jediný používá servopneumatický zatěžovací systém s aplikací cyklického zatížení pulzy s časovou prodlevou.

Zkušební těleso je během zkoušky vystaveno působení stejnoměrného stálého komorového tlaku  a jednoosému cyklickému tlaku  – pulzy s časovou prodlevou s výškou pulzu . Během zkoušky je měřena změna výšky zkušebního tělesa a trvalá deformace zkušebního tělesa je pak definována jako deformace kumulativním axiálním tlakem po stanoveném počtu zatěžovacích cyklů.

Jelikož je výše uvedené zkušební zařízení v České republice dosud ojedinělé, bylo snahou po jeho zprovoznění získat první poznatky o tomto způsobu posuzování odolnosti asfaltových směsí proti tvorbě trvalých deformací pomocí trojosé cyklické komprese, určit základní problémy při provádění a vyhodnocování zkoušky a po vyhodnocení většího objemu dat odvodit mezní hodnoty do národní přílohy normy ČSN EN 13108-1 Asfaltový beton [3] pro navrhování asfaltových směsí funkčním způsobem.

Za tímto účelem bylo provedeno experimentální měření s použitím různých kombinací velikosti axiálního tlaku a bočního komorového tlaku a byl sledován vliv velikosti těchto aplikovaných tlaků na výsledky zkoušek. Dalším důvodem pro tento výzkum bylo ověřit již nastavené úrovně tlaků uváděné v normě ČSN EN 13108-20 [4] Zkoušky typu. Použité axiální a komorové tlaky, doba zatížení a odtížení i počet cyklů jsou uvedeny v tabulce 2. Tučně jsou pak v této tabulce zvýrazněny úrovně tlaků z výše citované normy ČSN EN 13108-20.

Tabulka 2 – Matice použitých kombinací zatížení

Výběr zkoušené asfaltové směsi
Pro zkoušení byla vybrána asfaltová směs ACO 11 (dříve ABS II), navržená 2 × 50 údery Marshallova pěchu se silničním asfaltem 70/100 a obsahem pojiva 5,9 %, která byla odebrána z výroby na obalovně. Tato směs určená pro nižší dopravní zatížení byla vybrána z toho důvodu, protože se u ní předpokládá menší odolnost proti trvalým deformacím a vyhodnocované výsledky při různých zkušebních podmínkách by se tedy mohly od sebe výrazněji odlišovat. Z této směsi byla dle ČSN EN 12697-30 pomocí rázového zhutňovače připravena zkušební tělesa, která byla před zkouškou zabroušena na výšku 60 mm.

Výsledky měření
Z výsledků experimentálních měření lze zřetelně pozorovat vliv aplikovaných tlaků na výsledky zkoušek (obr. 2 a 3). Čím větší je axiální tlak, tím vyšší je hodnota trvalé deformace. Naměřené výsledky rovněž ukazují, že při normou předepsaném komorovém tlaku 150 kPa dochází k velmi malým hodnotám trvalých deformací, a to i při užití axiálního tlaku 600 kPa. Závislost deformace na axiálním tlaku je při nízkém komorovém tlaku přibližně lineární, závislost deformace na komorovém tlaku obecně má spíše exponenciální průběh.

Analýza zatížení zkouškou v triaxiální komoře
Žádná zkušební metoda, tedy ani triaxiální zkouška dle ČSN EN 12697-25, nemůže v laboratorních podmínkách postihnout celé spektrum hodnot proměnných parametrů (velikost a délka zatížení, teplota atd.) a jejich kombinací a simulovat tak přesně podmínky v reálné vozovce. Nastavení laboratorních zkoušek vystihuje nejtypičtější, případně nejnepříznivější podmínky namáhání dané vrstvy ve vozovce. Přestože je simulován tlak ze všech stran jako ve skutečné vozovce, jedná se v podstatě o zkoušku dvouaxiální . Ve skutečné vozovce je působící tlak ve směru jízdy a kolmo ke směru jízdy rozdílný . Ve skutečné vozovce též dochází k určitému fázovému posunu mezi amplitudou axiálního a bočního zatížení, který triaxiální zkouška v tomto uspořádání nezohledňuje. Požadovaný boční tlak výše citovanou normou pro obrusné vrstvy o velikosti 150 kPa se jeví jako příliš vysoký, protože rozdíly v deformacích při axiálním tlaku 300, 450 a 600 kPa jsou velmi malé (obr. 2 a 3).

Zatížení pulzy versus harmonické zatížení
ČSN EN 12697-25 umožňuje, jak již bylo výše uvedeno, stanovit metodou B odolnost vůči trvalým deformacím triaxiálním cyklickým zatěžováním dvěma různými způsoby: harmonickým axiálním zatěžováním se zatěžovací křivkou ve tvaru haversin nebo zatížením pulzy s časovou prodlevou (obr. 1). Obě metody se neliší pouze tvarem, ale i výškou pulzu axiálního zatížení, kde v ČSN EN 13108-20 Zkoušky typu jsou v odkazu D.2.2. pro obrusnou vrstvu sice stejné boční tlaky  150 kPa, avšak rozdílné axiální tlaky –  = 300 kPa pro amplitudu harmonického zatížení, tedy dvojnásobné osové zatížení o velikosti 600 kPa ve srovnání se zatížením pulzy s časovou prodlevou. Přestože se jedná o zcela rozdílné způsoby zatěžování, je nutno poukázat na další rozdíl v obou variantách triaxiální zkoušky, kterým je frekvence zatížení. Pro harmonické zatížení je frekvence zatížení 3 Hz, v tomto případě trvá 10.000 zatěžovacích cyklů 55 min. U zatížení pulzy s časovou prodlevou je frekvence stanovena 1 s zatížení /1 s odtížení. V tomto případě 10.000 zatěžovacích cyklů představuje dobu zkoušení 5 hod. 33 min.

Tabulka 3 – Navrhované změny pro ČSN EN 13108-20 Zkoušky typu

Vyjádření výsledků a vyhodnocení zkoušky
V ČSN EN 12697-25 jsou popsány parametry, které charakterizují odolnost vůči tvorbě trvalých deformací. Norma uvádí dva různé způsoby vyhodnocení, a to buď lineární  nebo exponenciální , kde fn je kumulativní přetvoření tělesa po n zatěžovacích cyklech v procentech. Lineární způsob vyhodnocení je poměrně dosti nepřesný a sklon fc závisí na zvoleném intervalu vyhodnocení (obr. 4).

Exponenciální způsob vyhodnocení je přesnější a není tak závislý na zvoleném intervalu vyhodnocení (obr. 5). Parametr  vyjadřuje trvalou deformaci v % po 1.000 zatěžovacích cyklech popř. na konci měření po 10.000 cyklech. Tato hodnota vyjadřuje trvalou deformaci po určitém počtu zatěžovacích cyklů, avšak není schopna postihnout vývoj křivky trvalé deformace. Z tohoto důvodu se též pro vyhodnocení používá parametr B, který zohledňuje vývoj trvalé deformace (obr. 5).

ZÁVĚR
Na základě výsledků zkoušek, které byly doposud provedeny, je možné uvést určitá doporučení k nastavení velikosti bočních a axiálních tlaků a upřesnění způsobu vyhodnocování triaxiální zkoušky. Jakékoliv snížení bočního omezení má za následek zvýšení trvalé deformace zkoušené směsi. Touto změnou lze dosáhnout lepšího odlišení porovnávání asfaltových směsí z hlediska odolnosti proti tvorbě trvalých deformací a dosáhnout tak lepší vypovídací schopnosti celé zkoušky. Stávající velikost bočního komorového tlaku 150 kPa se jeví jako příliš vysoká. Doporučené snížení je na 100 popř. 50 kPa. Dalším doporučením je návrh na úpravu velikosti axiálního tlaku při cyklickém zatěžování, který se jeví u zkoušení pulzy ve srovnání s amplitudou harmonického zatížení jako příliš nízký. Pro jednoznačné vyhodnocení je zapotřebí nastavit konečný počet cyklů a definovat přesně interval pro vyhodnocení parametrů požadovaných ČSN EN 12697-25. Přehled navrhovaných změn je uveden v tabulce 3.

Příspěvek byl zpracován s podporou projektu Ministerstva dopravy ČR č. 1F45B/066/120 „Zavedení evropských norem týkajících se specifikací materiálů pro zlepšení provozní způsobilosti, životnosti a bezpečnosti dopravy“.

LITERATURA:
[1] ČSN EN 12697-22 Asfaltové směsi – zkušební metody pro asfaltové směsi za horka – část 22: Zkouška pojíždění kolem, ČNI, Praha, 2007
[2] ČSN EN 12697-25 Asfaltové směsi – zkušební metody pro asfaltové směsi za horka – část 25: Cyklická zkouška v tlaku, ČNI, Praha, 2006
[3] ČSN EN 13108-1 Asfaltové směsi – Specifikace pro materiály – Část 1: Asfaltový beton, ČNI, Praha, 2008
[4] ČSN EN 13108-20 Asfaltové směsi – specifikace po materiály – část 20: Zkoušky typu
[5] Ryp, V: Vliv aplikovaných tlaků při posuzování tvorby trvalých deformací dle ČSN EN 12697-25, diplomová práce, VUT v Brně, Fakulta stavební, Brno, 2008

Dr. Ing. Michal Varaus je absolventem VUT v Brně, obor Konstrukce a dopravní stavby (1987). V profesní kariéře pracoval ve státním podniku Silniční vývoj, od roku 1992 pak působí jako vysokoškolský učitel v Ústavu pozemních komunikací Vysokého učení technického v Brně. V rámci výzkumné činnosti se zabývá návrhy a zkoušením asfaltových směsí, výzkumem v oblasti druhotných surovin použitelných do konstrukcí vozovek a zaváděním evropských norem v silničním stavitelství.

Testing of bituminous mixture resistance against creation of permanent deformations in triaxial chamber
In the area of testing bituminous mixture resistance against small deformations, the functional tests relating to real behaviour are associated with the test of wheel tracking according to ČSN EN 12697-22 [1] the functional tests relating to real behaviour are associated with the cyclic pressure test in triaxial chamber according to ČSN EN 12697-25. This differentiation is just an attempt to express certain quality advancement with triaxial test in comparison with the test of wheel tracking, where the cyclic pressure test in treiaxial chambers provides for a more accurate simulation of stress on the real road. This article deals with first experience with the test of bituminous mixture resistance against small deformations according to the above-mentioned standard ČSN EN 12697-25.

Autor

• doc. Dr. Ing. Varaus Michal