Incercarile mixturilor asfaltice - prelevarea probelor si prepararea epruvetelor

Pentru stabilirea calitatii mixturilor asfaltice si a imbracamintilor bituminoase este necesara efectuarea unor incercari de laborator si de teren, pe epruvete din mixtura asfaltica, preparate in laborator sau preluate din straturile bituminoase executate.

Caracteristicile cele mai importante care se determina sunt :

- continutul de apa;

- compozitia mixturii asfaltice;

- rezistenta la compresiune la 22 °C si 50 °C;

- coeficientul de termostabilitate;

- reducerea rezistentei la compresiune la. 22 °C, dupa 28 de zile de pastrare in apa;

- stabilitatea Marshall;

- indicele de curgere (fluaj);

- densitatea aparenta;

- absorbtia de apa;

- umflarea la 28 de zile de pastrare in apa;

- volumul de goluri;

- stabilitatea prin incercare la compresiune triaxiala;

- rezistenta la intindere, coeziunea si unghiul de frecare interna, determinate prin incercarea braziliana;

- rezistenta la rupere prin incovoiere;

- rezistenta la patrundere;

- stabilitatea Hubbard - Field;

- rezistenta la oboseala;

- comportarea la deformatii plastice cu ajutorul simulatorului de fagase.

In practica rutiera, pe plan mondial se efectueaza si alte incercari pentru deter­minarea caracteristicilor fizico-mecanice ale mixturilor asfaltice si imbracamintilor bitumi­noase.

1. Prelevarea probelor si prepararea epruvetelor

Epruvetele supuse incercarilor de laborator pot fi obtinute din mixtura asfaltica preparata in laborator sau prelevata fie la iesirea din instalatiile de producere a acestora, fie la descarcarea din mijlocul de transport. De asemenea, se pot prepara epruvete din carote prelevate din imbracamintea bituminoasa executata. Modul de prelevare a probelor si de preparare a epruvetelor este reglementat prin standarde specifice.

Forma epruvetelor poate fi cubica, cilindrica sau prismatica.

Epruvetele sub forma cubica se folosesc pentru urmatoarele determinari :

- densitatea aparenta;

- absorbtia de apa;

- umflarea;

- rezistenta la compresiune si coeficientul de termostabilitate.
Epruvetele sub forma cilindrica se folosesc:

- in cadrul incercarii Marshall, la determinarea stabilitatii, fluajului, densitatii aparente si absorbtiei de apa;

- pentru incercarea triaxiala, la determinarea unghiului de frecare interna si a coeziunii;

- la incercarea braziliana, pentru determinarea rezistentei la tractiune si la compresiune.

Epruvetele sub forma prismatica se folosesc Ia determinarile privind flexibilitatea si comportarea la fisurare a mixturilor asfaltice, pe baza valorilor rezistentei la rupere prin incovoiere, precum si pentru determinarea comportarii la oboseala.

Pentru determinarea caracteristicilor imbracamintilor bituminoase se preleveaza probe sub forma de placute sau cilindrice, folosind carotiera. Dupa prelevare, pentru men­tinerea umiditatii reale, probele vor fi ambalate corespunzator.

2. Metode de efectuare a incercarilor mixturilor asfaltice

Continutul de apa, W, se determina pe epruvete prelevate din imbracamintea bituminoasa executata, prin uscare sau prin metoda de distilare cu solvent. Acesta se exprima in procente si reprezinta cantitatea de apa raportata la masa initiala a probei.

Compozitia mixturii asfaltice este data de continutul de bitum si de agregate naturale, respectiv de granulozitatea acestora din urma.

Determinarea continutului de liant se face prin diverse metode, principiul general fiind extragerea bitumului din mixtura asfaltica, utilizand un solvent organic.

Se utilizeaza, in mod frecvent, urmatoarele aparate pentru extractie:

- aparate de extractie la rece, de tipul centrifugelor (fig.6.3 si 6.4);

- aparatul Soxhlet, cu ajutorul caruia se executa extractia la cald a bitumului, cu cloroform sau benzen (fig.6.5);

- aparatul Shell si varianta sa, extractorul Kummagawa (aparate de extractie la cald, care folosesc ca solventi benzen, toluen sau tricloretilena).

In cazul folosirii centrifugelor de extractie, cantitatea de bitum se calculeaza cu relatia:

[%]     (6.16)

in care:

b este continutul de bitum raportat la masa mixturii asfaltice, in %;

m_p - masa probei de mixtura asfaltica, in g;

m_a - masa agregatului total uscat dupa extractie, in g.

In cazul efectuarii extractiei cu aparatul Soxhlet, cantitatea de bitum se calculeaza cu relatia:

[%]       (6.17)

in care :

b este continutul de bitum raportat la masa mixturii asfaltice, in %;

m_b - masa capsulei cu bitum, in g;

m_c - masa capsulei goale, in g;

m_p - masa probei de mixtura asfaltica, in g.

Rezultatul obtinut se compara cu procentul de bitum prescris si se stabilesc masuri de urmat.

Determinarea granulozitatii agregatului natural se face prin cernerea acestuia, dupa uscare pana la masa constanta.

Se cantaresc fractiunile ramase pe ciururi si site cu o precizie de ± 0,1 g si se calculeaza granulozitatea in procente, raportata la masa totala a agregatului.

Se calculeaza curba de granulozitate si se reprezinta grafic.

Se verifica daca, din punct de vedere al compozitiei granulometrice, mixtura asfaltica incercata corespunde sau nu, deci daca s-a obtinut o curba care sa se inscrie in zonele de granulozitate recomandate de standardele sau normativele in vigoare.

Rezistenta la compresiune se deter­mina pe epruvete de forma cubica sau cilin­drica.

Epruvetele se incearca dupa 24 h de la preparare, la temperatura de 22 °C, res­pectiv 50 °C. Determinarea rezistentei la compresiune se efectueaza cu o presa de 50 100 kN (fig.6.6). Viteza de avans a pla­tanului presei se regleaza la 20 mm/min sub incarcare, pentru mixturi asfaltice executate la cald, si Ia 5 mm/min pentru cele executate la rece.

Rezistenta la compresiune este data de relatia:

[N/mm²]    (6.18)

in care :

R_c este rezistenta la compresiune, in N/mm²;

N - incarcarea la rupere, in N;

A - suprafata pe care se aplica incarcarea, in mm.

In general, rezistenta Ia compresiune pentru betoane asfaltice la 22 °C este de minimum 3,0 N/mm², in cazul obtinerii unor valori mult mai mari sau mai mici, se impune studiul amanuntit al cauzelor care le-au determinat. De obicei, valori mari se obtin in cazul cand bitumul a devenit mai dur (ardere, imbatranire etc.). Valorile mai mici se datoreaza unui bitum prea moale, unei mixturi asfaltice insuficient compactate, unui dozaj necorespunzator etc.

Rezistentele la compresiune la 22 °C (R_C22) si 50 °C (R_C50) servesc pentru calcu­larea coeficientului de termostabilitate al mixturii asfaltice.

Coeficientul de termostabilitate este dat de relatia:

(6.19)

Coeficientul de termostabilitate da indicatii asupra modului cum se comporta stratul bituminos respectiv in exploatare, la temperaturi ridicate, si variaza intre 1,5 si 3,0.

Reducerea rezistentei la compresiune dupa 28 de zile de pastrare in apa a epruvetelor se calculeaza cu relatia :

in care:

R_cin este rezistenta la compresiune (la 22 °C), in N/mm²;

R_c28 - rezistenta la compresiune (la 22 °C), dupa 28 de zile de pastrare in apa, in N/mm².

Se admite o scadere a rezistentei la compresiune dupa 28 de zile de pastrare in apa de maximum 30 35 %. Reducerea mare a rezistentei la compresiune dupa 28 de zile de imersare in apa indica prezenta substantelor argiloase in compozitia mixturii asfaltice sau adezivitate insuficienta a liantului la granula minerala.

Stabilitatea Marshall serveste la stabilirea compozitiei optime a mixturilor as­faltice pentru a se obtine o stabilitate corespunzatoare a stratului bituminos sub efectul traficului, la temperaturi ridicate. Aparatul Marshall este aratat schematic in figura 6.7. Pentru incercare se folosesc epruvete tip Marshall, de forma cilindrica, avand diametrul 100 mm si inaltimea de 63,5 mm. Principiul incercarii consta in determinarea rezistentei la rupere a unei epruvete cilindrice, forta fiind aplicata pe o generatoare, incercarea se efecueaza asupra epruvetei asezate in tipar, la o temperatura de 60 °C.

Stabilitatea Marshall este incarcarea, exprimata in kN, atinsa in momentul cand se produce ruperea epruvetei.

Indicele de curgere (fluaj) este deformatia atinsa de diametrul vertical al epruvetei in momentul ruperii si se exprima in mm.

Viteza de inaintare a pistonului presei este de 50 mm/min.

Stabilitatea Marshall minima, conform STAS 174-1/97, pentru mortare si betoane asfaltice cu agregat marunt, trebuie sa aiba valori intre 5,0 si 9,0 kN in functie de clasa tehnica a drumului sau categoria strazii. Pentru betonul asfaltic rugos se recomanda o stabilitate Marshall de 6,5 9,5 kN, iar pentru betoanele asfaltice deschise si betoanele asfaltice cu agregat mare, valori intre 3,5 si 7,0 kN.

Indicele de curgere (fluaj) poate varia intre 1,5 si 4,5 mm. in general, in cazul incercarii Marshall, imprastierea rezultatelor este destul de mare.

Densitatea aparenta este masa unitatii de volum a mixturii asfaltice compactate, inclusiv golurile umplute cu aer, si se exprima in g/cm³ sau kg/m³, incercarea se poate efectua pe placute sau carote taiate din imbracamintea bituminoasa, respectiv pe epruvete preparate in laborator.

Pentru cantariri se foloseste balanta hidrostatica (fig.6.8).

Densitatea aparenta, pap, se calculeaza cu relatia:

[g/cm³] (6.21)

in care:

_a este densitatea aparenta a mixturii asfaltice, in g/cm³;

m_u - masa epruvetei cantarite in aer, in stare uscata, in g;

m₁ - masa epruvetei cantarite in aer, dupa o ora de pastrare in apa, in g;

m₂ - masa epruvetei sub apa, in g;

_w - densitatea apei, in g/cm₃, care se ia practic egala cu 1.

Densitatea aparenta trebuie sa aiba cel putin valoarea de 2150 kg/m³ in cazul mortarelor executate la cald si 2250 kg/m³ in cazul betoanelor asfaltice.

Densitatea aparenta se utilizeaza la masurarea gradului de compactare. Gradul de compactare este raportul intre densitatea aparenta a probei luate din stratul de imbracaminte bituminoasa si densitatea aparenta determinata pe epruvetele cubice sau cilindrice Marshall, din aceeasi mixtura asfaltica.

Se recomanda realizarea unui grad de compactare de minimum 96 % pentru stratul de uzura si de legatura.

Absorbtia de apa reprezinta cantitatea de apa absorbita de golurile accesibile din exterior ale unei epruvete imersate in apa, timp de trei ore, la un vid de 15 20 mm coloana de mercur, apoi doua ore in aceeasi apa, la presiunea normala.

Absorbtia de apa se exprima in procente din volumul sau masa epruvetei incercate.

Aparatura necesara pentru determinarea absorbtiei de apa este aratata in figura 6.9 si consta din pompa de vid, exsicator de vid si vacuumetru cu mercur.

Absorbtia de apa, in procente volumice, se calculeaza cu relatia :

[%] (6.22)

in care:

A_v este absorbtia de apa, raportata la volumul epruvetei, in % ;

m₃ - masa epruvetei cantarite in aer, in g, dupa ce a fost mentinuta trei ore la presiunea atmosferica;

m_u - masa epruvetei uscate, cantarita initial in aer, in g;

m₁ - masa epruvetei cantarite in aer, in g, dupa ce a fost mentinuta timp de o ora in apa;

m₂ - masa epruvetei cantarite sub apa, in g, dupa ce a fost mentinuta o ora sub apa;

Valorile absorbtiei de apa trebuie sa fie de 2 5 % pentru mortare asfaltice exe­cutate la cald, 2 6 % pentru betoane asfaltice bogate in criblura, 4 7 % pentru betoane asfaltice rugoase si 3 8 % pentru betoane asfaltice deschise.

O absorbtie mare de apa indica o compactare insuficienta, o executie in conditii nefavorabile sau o lipsa de bitum, in aceste cazuri, sectoarele respective vor fi tinute sub observatie si se vor lua masuri pentru etansarea lor prin unul din procedeele consacrate. Absorbtia de apa determinata pe epruvetele Marshall trebuie sa aiba valori intre 2 5 %.

Pentru drumurile si strazile din clasele tehnice II si III se recomanda ca absorbtia de apa sa tinda spre valori maxime.

Umflarea se exprima prin cantitatea de apa absorbita de componentii agregatului natural sensibili la apa, in timpul mentinerii epruvetei din mixtura asfaltica in apa, la temperatura ambianta, timp de 28 de zile (in cazuri speciale 3 zile).

Scopul determinarii umflarii consta in stabilirea influentei nefavorabile a unor componenti din agregate, sensibili la umflare, cum ar fi de exemplu argila.

Umflarea se exprima in procente si este data de relatia :

[%] (6.23)

in care:

U este umflarea, in % ;

V₂ - volumul epruvetei dupa 28 de zile de pastrare in apa, in cm³;

V₁ - volumul initial al epruvetei dupa determinarea absorbtiei de apa in vid, in cm³;

V - volumul epruvetei dupa o ora de pastrare in apa, in cm³.

Eseu: Analiza productiei exrcitiului Eseu: Codul bunelor maniere in afacerea calivita - imaginea profesionala

Valorile maxime admise ale umflarii sunt de 2 %.

Volumul de goluri al epruvetelor cubice, cilindrice sau al placilor taiate din imbracaminte se obtine prin calcul pe baza densitatii si a densitatii aparente determinate in prealabil.

Densitatea mixturilor asfaltice se poate calcula cunoscand compozitia mixturii asfaltice, densitatea aparenta a agregatelor si densitatea bitumului, cu relatia :

[g/cm³] (6.24)

in care:

p este densitatea mixturii asfaltice, in g/cm³;

m - continutul de agregate al mixturii asfaltice, in % ;

b - continutul de bitum al mixturii asfaltice, in % ;

100 - masa mixturii asfaltice (m + b), in g ;

_a - densitatea aparenta a agregatelor, in g/cm³;

_b - densitatea bitumului, in g/cm³;

Volumul de goluri se calculeaza cu relatia :

[%] (6.25)

in care:

V_g este volumul de goluri al mixturii asfaltice compactate, in procente din volumul epruvetei;

_a - densitatea aparenta a mixturii asfaltice compactate, in g/cm³;

- densitatea mixturii asfaltice, in g/cm³;

Volumul de goluri permite clasificarea mixturilor asfaltice in compacte si deschise si reprezinta o caracteristica importanta in aprecierea calitatii imbracamintilor bituminoase, atat din punct de vedere al rezistentei la oboseala, cat si al modului de comportare la actiunea apei.

Stabilitatea Hubbard - Field reprezinta sarcina la care o epruveta cilindrica incepe sa curga printr-un orificiu calibrat cu diametrul mai mic decat al epruvetei.

in figura 6.10 se prezinta schematic aparatul Hubbard - Field.

Determinarile se executa la 18 °C si 60 °C, la o viteza de deformare de 1 mm/s.

Se folosesc doua tipuri de epruvete cilindrice, si anume:

- epruvete cu diametrul de 50,9 mm si inaltimea de 25,4 mm, pentru mixturi asfaltice cu dimensiunea maxima a granulelor sub 16 mm si un continut de granule peste 2 mm sub 35 %;

-epruvete cu diametrul de 152,4 mm si inaltimea de 75 mm, pentru mixturi asfaltice cu dimensiunea maxima a granulelor peste 16 mm si cu un continut de granule peste 2 mm mai mare de 35 %.

Pentru mortare asfaltice se recomanda urmatoarele valori ale stabilitatii Hubbard -Field:

- la 18 °C, valori intre 3 000 si 4 000 daN;

- la 60 °C, valori intre 1 000 si 1 800 daN;

Incercarea Hubbard - Field se efectueaza din ce in ce mai rar in laboratoarele noastre.

Stabilitatea prin incercarea la compresiune triaxiala este caracterizata prin unghiul de frecare interioara si coeziune. Aceste caracteristici se determina in conditii speciale, de mentinere a unei epruvete cilindrice la o presiune laterala constanta, in timp ce se aplica o incarcare verticala suplimentara pentru a produce ruperea epruvetei. Aparatura de incercare este prezentata in figura 6.11.

La incercarea probelor din mixtura asfaltica se disting doua faze :

- fluajul, care se realizeaza prin mentinerea constanta timp de 20 30 min sau
cateva ore a presiunii laterale 03, respectiv a celei verticale 01, inregistrandu-se deformatia
verticala in functie de timp;

- ruperea, care se obtine prin cresterea continua, cu viteza constanta, a presiunii
verticale, in conditiile mentinerii constante a presiunii laterale.

Atat in cazul incercarii la fluaj, cat si a celei la rupere se calculeaza :

- deformatia specifica, :

[%] (6.26)

in care :

h este inaltimea initiala a epruvetei, in mm;

- scurtarea epruvetei, in mm;

- treapta de deformatie specifica, , corespunzatoare unui anumit interval de timp (diferenta dintre deformatia specifica la timpul final, , si deformatia specifica la timpul initial, ) :

[%] (6.27)

- viteza de deformatie a epruvetei, .

[s^-1] (6.28)

- inaltimea modificata a epruvetei, h_m :

[mm] (6.29)

- aria modificata a bazei epruvetei, A_m, la un moment dat al incercarii, considerand volumul epruvetei, F, constant:

[mm²] (6.30)

- efortul unitar, :

[N/mm²] (6.31)

in care :

P este forta citita pe cadranul presei, in N;

G - greutatea pistonului si a capului de incarcare, in N;

- modulul de elasticitate secant, E_s :

[N/mm²] (6.32)

Avand in vedere valorile si , se poate construi cercul lui Mohr pentru o incercare. Este nevoie de cel putin trei sau cinci epruvete incercate in aceleasi conditii de temperatura, dar cu diferit, pentru a se putea obtine valorile unghiului de frecare interioara , respectiv ale coeziunii C pentru mixtura asfaltica supusa incercarii.

Pentru caracterizarea comportarii mixturilor asfaltice se poate folosi diagrama din figura 6.11, data de Asphalt Institute.

Zona A cuprinde mixturile asfaltice cu o frecare interioara mica, zona B defineste mixturile asfaltice la care coeziunea este insuficienta, iar in zona C se incadreaza mixturile asfaltice care sunt nesatisfacatoare atat din punct de vedere al frecarii interioare, cat si al coeziunii. Zona D cuprinde zona mixturilor asfaltice corespunzatoare, a caror coeziune este peste 1,0 daN/cm², iar unghiul de frecare interioara variaza de la 28 ° la 44 °.

Rezistenta la oboseala a imbracamintilor bituminoase caracterizeaza modul de comportare a acestora sub efectul incarcarilor alternative la care sunt supuse prin actiunea traficului. Determinarea rezistentei la oboseala se efectueaza in laborator, prin supunerea epruvetelor la o deformatie sinusoidala neintrerupta pana in momentul ruperii.

In figura 6.12 este prezentata schema incercarii.

O epruveta in forma de trunchi de piramida, S, cu baza mare incastrata, este supusa prin intermediul bazei mici la solicitari sinusoidale prin incovoiere cu ajutorul vibratorului V.

Vibratorul este alimentat de catre generatorul G prin intermediul unui programator P.

Se inregistreaza deformatia si forta aplicata asupra epruvetei. Parametrii incercarii sunt:

temperatura de incercare 10 30 °C ;

deformatia relativa 10-5 510-4;

frecventa 0,05 50 Hz

incarcarea 4 . 20 da/Ncm²

S-a constatat experimental ca, prin intercalarea pe parcursul incercarii a unor timpi de pauza (repaus), epruvetele au suportat un numar mai mare de cicluri de incarcare inainte de rupere, datorita fenomenului de autoreparare.

Rezistenta la oboseala este definita prin numarul de cicluri de solicitari, N, pe care le suporta epruveta din mixtura asfaltica inainte de a se rupe. incercarea se poate efectua la efort constant sau la deformatie constanta.

Experientele efectuate in diferite laboratoare arata ca legea care guverneaza fenomenul de oboseala a mixturilor asfaltice la solicitari sinusoidale prin incovoiere se poate scrie sub forma :

(6.33)

in care :

W este numarul de cicluri de solicitari pana la rupere;

- deformatia relativa;

n - exponent care are valoarea injur de 6 (mai mare pentru bitum dur si mai mic pentru bitum moale);

K - coeficient global care depinde de compozitia mixturii asfaltice si de conditiile de experimentare.

In scopul studierii rezistentei la deformatii permanente a imbracamintilor bitumi­noase sub efectul traficului greu, deformatii care genereaza fagase, laboratoarele de specia­litate au pus la punct o incercare mai directa, care sa fie cat mai apropiata de conditiile reale de solicitare si in acest scop a fost creat simulatorul de fagase (fagasoscopul).

Aparatul este prezentat in figura 6.13 si permite testarea in laborator a comportarii mixturilor asfaltice. Probele sunt supuse efectului trecerii pneurilor, in conditii de incarcare si presiune similare solicitarilor provocate de vehiculele grele la temperatura de 60 °C pen­tru mixtura asfaltica destinata stratului de uzura si 50 °C pentru mixtura asfaltica destinata stratului de legatura, ceea ce conduce la o deformatie permanenta, dupa cum se vede in figura 6.14.

Releveul adancimii acestei amprente, sau adancimea fagasului, in functie de numarul de treceri permite caracterizarea mixturilor asfaltice din punct de vedere al rezistentei la formarea fagaselor.

Din valorile masurate se obtine curba evolutiei fagasului in functie de numarul de cicluri, reprezentata in general printr-o relatie de forma :

(6.34)

in care :

y este adancimea fagasului la un numar N de cicluri;

N - numarul de cicluri corespunzator fagasului y;

A si B - constante care depind de compozitia mixturilor asfaltice supuse experi­mentarii.

In ceea ce priveste marimea fagaselor, masurata pe partea carosabila a drumului, specialistii considera valabile urmatoarele concluzii:

- fagasele de 5 6 mm adancime sunt resimtite numai de traficul de mare viteza;

- fagasele mai adanci de 10 mm deranjeaza circulatia;

- fagasele de 30 40 mm adancime sunt periculoase si pentru traficul lent.

In cazul in care adancimea fagaselor depaseste 20 mm se considera necesara studierea cauzelor care au determinat aparitia lor, in functie de care se vor aplica masuri de remediere specifice (refacerea imbracamintei, ranforsarea structurii rutiere).

Rezistenta la intindere, R_i a mixturilor asfaltice se determina prin incercarea braziliana, pe epruvete cilindrice, conform schemei din figura 6.15, la temperatura de 22 °C.

Aceasta se calculeaza cu relatia :

[N/mm²]

in care :

F este sarcina de rupere a epruvetelor, in N;

d - diametrul epruvetelor, in mm;

h - inaltimea epruvetelor, in mm.

Datele obtinute in cadrul incercarii braziliene permit, de asemenea, calculul coeziunii C si a unghiului de ferecare interioara.

[N/mm²]        

in care R_c este rezistenta la compresiune pe cilindri, Ia 22 °C.

Rezistenta la rupere prin incovoiere se determina pe epruvete prismatice, la temperatura de 10 °C, prin incarcarea acestora cu o forta concentrata, plasata la mijlocul deschiderii, pana la ruperea probei (fig.6.16). Viteza de incarcare este de 20 mm/min.

Rezistenta la rupere prin incovoiere, Rt, se calculeaza cu relatia:

[N/mm²] (6.38)

in care :

N este sarcina de rupere a epruvetelor, in N;

l - distanta intre reazeme, in mm;

b - latimea epruvetei, in mm;

h - inaltimea epruvetei, in mm.

Rezistenta la patrundere se deter­mina prin masurarea adancimii de patrunde­re in masa unei epruvete cubice (preparata in laborator sau taiata din imbracaminte), a unui poanson de anumite dimensiuni, in conditii determinate de sarcina, durata si temperatura. Aceasta se determina pentru mixturi asfaltice de tipul asfaltului turnat.