CZ306155B6 - Zařízení pro měření smykových vlastností asfaltových směsí - Google Patents

Abstract

Technické řešení se týká zařízení pro měření smykových vlastností asfaltových směsí obsahujícího zkušební stroj pevnosti materiálu, zejména pro zkoušky v tahu, tlaku, ohybu a smyku, opatřený pracovním rámem, upínacími prvky a hnacím mechanismem. Zařízení obsahuje objímku (9) opatřenou u svého dna a/nebo u svého horního okraje vnitřní hranou (1) pro uložení zkušebního tělesa (4), které je opatřeno středovým otvorem a dále obsahuje vložku (2) umístitelnou do průchozího otvoru zkušebního tělesa (4), opatřenou na svém konci u horního okraje objímky (9) a/nebo na svém konci u dna objímky (9) lemem (7), přičemž vůle mezi vnitřní hranou (1) a lemem (7) je volitelná od 5 do 60 mm a vložka (2) je opatřena prvky pro uchycení k upínacím prvkům (3) zkušebního stroje a dále jsou k vložce (2) připojeny měřicí sondy (5).

Description

Zařízení pro měření smykových vlastností asfaltových směsí

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro měření smykových vlastností asfaltových směsí, obsahujícího zkušební stroj pevnosti materiálu, zejména pro zkoušky v tahu, tlaku, ohybu a smyku, který je opatřen pracovním rámem, upínacími prvky a hnacím mechanismem. Zařízení je vhodné zejména pro zjišťování odolnosti asfaltových směsí ve vozovkách proti vzniku trvalých deformací ve formě vyjetých kolejí.

Dosavadní stav techniky

Nezbytnou součástí návrhu vozovky je stanovení odolnosti vůči provozem způsobeným trvalým deformacím např. vyjetých kolejí. Povrchové zvlnění snižuje kvalitu přepravy a zabraňuje odtékání vody, což snižuje adhezi kola vozidla a povrchu vozovky. To v důsledku zmenšuje plochu podílející se na brzdném efektu a zvyšuje riziko aquaplaningu. Inženýrskou úlohou je tedy co nejvíce snížit riziko výskytu trvalých defromací vozovky tím, že co nejpřesněji predikuje a monitoruje jeho možný výskyt, což mu umožní správně navrhnout, nebo včas zasáhnout a rekonstruovat vozovku.

Trvalé deformace asfaltových hutněných vrstev vozovky způsobené dopravním zatížením jsou přisuzovány smykovému napětí ve vozovce a doprovázejícímu smykovému toku. Podrobněji je tato skutečnost popsána například v SymplecticEngineeringCorporation 1999; Deacon et al. 2002; Monismith et al. 1994. Pro měření smykových vlastností materiálu jako je asfaltová směs jsou známá dvě zařízení. Prvním je Superpave Shear Tester /SST/ vyvinutý na University of California, Berkeley v devadesátých letech. Druhým přístrojem je Double Shear Tester /DST/, který byl vyvinut na Universitě de Limonges v roce 2006.

Testy, které v současné době odhadují náchylnost směsi k předčasnému selhání, buď nejsou velmi přesné, nebo vyžadují zakoupení nákladného testovacího zařízení (SST).

Současná praxe s výjimkou USA a Kanady běžně využívá k predikci trvalé deformace informaci o změně objemu měřeného materiálu (pomocí tzv. Hamburg-Wheel Tracking Device). Bylo ale dokázáno, že v případě dobře zhutněné směsi, má smykové napětí výrazně větší vliv na tvorbu trvalých deformací, než změna objemu. Měření smykového napětí je ale v současné době, v dostatečné přesnosti, možné pouze s nákladným zařízením tzv. SST, které není pro mnoho laboratoří tudíž dostupné.

Současně používané zkoušky se velice liší v jejich obsáhlosti, jejich schopnosti předvídat výkonnost s dostatečnou přesností a v použitých vstupních datech. Většina těchto testů je empirická, a tudíž byla vyvinuta s předpokladem určitých dopravních a klimatických podmínek na základě zkušenosti. Jedním z nedostatků těchto metod je, že je nelze použít pro výpočet výkonu konstrukce vozovek.

Z nedávno provedeného průzkumu na stav techniky vyplývá, že většina nalezených částečně relevantních patentů je čínského původu (CN203745314 (U), CN203350137 (U), CN103245571 (A), CN 103267686 (A), CN 103245571 (A)). Nicméně nebylo nalezeno žádné chráněné řešení, které by bylo shodné. Tématu měření vlastností asfaltových hutněných směsí se věnuje taktéž užitný vzor 2011-24012 zapsaný na ÚPV ČR. Toto zařízení je však určené k měření tření mezi asfaltovou směsí a ocelí, jako charakteristiky vstupující do numerických výpočtů popisující především laboratorní zkoušky. Zařízení neumožňuje měření smykových vlastností asfaltové směsi.

- 1 CZ 306155 B6

Za stávající řešení, používané k měření smykových vlastností v USA, lze považovat zařízení SuperPave Shear Tester (SST). Nevýhody tohoto stávajícího řešení lze shrnout do těchto bodů. Především je nutné lepit vzorek na dvě ocelové podstavy, které slouží k uchycení vzorku ve zkušebním zařízení. Kvalita lepeného spoje je značně variabilní, záleží na druhu použitého lepidla 5 a zkušenosti a pečlivosti technika, který lepení provádí. Tedy nejen, že toto lepení prodražuje a prodlužuje provádění zkoušky, díky variabilitě kvality lepeného spoje vnáší tento proces další proměnnou do měřených laboratorních výsledků, tedy zvětšuje směrodatnou odchylku měření.

Nevýhody stávajících řešení lze shrnout do těchto bodů. V řadě zařízení je nutné lepit část zkulo šebního zařízení nebo vzorku. Použitím lepidla se zkušební postup prodlužuje a prodražuje.

Stejně tak je hodnota měření ovlivněna kvalitou provedení lepení.

Smykové napětí není u stávajících řešení aplikováno ve stejném směru, v jakém jsou vzorky vyráběny, nebo hutněny na vozovce, tedy zatížení neodpovídá co do směru působení reálným pod15 mínkám ve vozovkách. Tato skutečnost je klíčová pro určení parametrů, jež jsou dále používány ve výpočtu odolnosti asfaltových vozovek.

Nevýhodou je nemožnost využití standardního UTM zařízení k provedení zkoušek a složitá příprava zkušebních těles.

Stávající řešení neumožňují aplikovat příčné napětí, nebo aplikování příčného napětí v neodpovídajících hodnotách. Rovněž neumožňují měřit příčné napětí během zkoušky. Stávající řešení neumožňují zkoušení vzorků odebraných standardní vrtací technikou z vozovek.

Naměřené hodnoty jsou pro některá zařízení ovlivněna upínacími nebo kontaktními tlaky.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody jsou do značné míry odstraněny zařízením pro měření smykových vlast' ností asfaltových směsí obsahující zkušební stroj pevnosti materiálu, zejména pro zkoušky v tahu, tlaku, ohybu a smyku, opatřený pracovním rámem, upínacími prvky a hnacím mechanismem, podle tohoto vynálezu. Jeho podstatou je to, že obsahuje objímku opatřenou u svého dna a/nebo u svého horního okraje vnitřní hranou pro uložení zkušebního tělesa, které je opatřeno středo35 vým otvorem a dále obsahuje ocelovou vložku umístitelnou do průchozího otvoru zkušebního tělesa, opatřenou na svém konci u horního okraje objímky a/nebo na svém konci u dna objímky lemem. Vůle mezi vnitřní hranou a lemem je volitelná od 5 do 60 mm a ocelová vložka je opatřena prvky pro uchycení k upínacím prvkům zkušebního stroje. Dále jsou k ocelové vložce připojeny měřicí sondy.

Pod lemem ocelové vložky je s výhodou vložen pružný materiál. Ocelová objímka je ve výhodném provedení tvořena alespoň ze dvou částí, mezi kterými je umístěn tenzometr pro měření tlaku materiálu na ocelovou objímku. Zařízení je možné umístit v teplotně regulované komoře.

Velikost kontaktní plochy mezi zkušebním tělesem s vnitřní hranou s výhodou odpovídá velikosti kontaktní plochy mezi zkušebním tělesem a ocelovou vložkou opatřenou lemem.

Zkušební zařízení je v podstatě sestavou, která je navržena k použití ve zkušebních zařízeních typu UTM (Universal Testing Machine) taktéž známé pod označením NAT (Notthingham 50 Asphalt Tester). Tato univerzální zkušební zařízení jsou běžně používána laboratořemi v oboru zkušebnictví silničních materiálů. Jedná se tedy o sestavu, která je vložena do UTM přístroje, a je použito tohoto celku k provedení testu. Zařízení obsahuje řídící a vyhodnocovací jednotky, měřicích sond, pístu poháněného hydraulickou nebo pneumatickou jednotkou a teplotně regulované komory. UST zařízení se tím do určité míry stává příslušenstvím UTM.

-2CZ 306155 B6

Výhodami tohoto zařízení je extrémně nižší výrobní cena zařízení, výrazně nižší provozní náklady a zhruba poloviční čas potřebný k výrobě těles bez nutnosti dalšího laboratorního vybavení, tj. není potřeba dvojbřité pily ani lepení vzorku na speciální podstavy, přičemž lze zkoušet jak vývrty z vozovky, tak vzorky vyrobené v laboratoři. Další výhodou je jednoduchost provedení testu - bez vlivu kontaktních, nebo upínacích tlaků. Asfaltová hutněná směs je zkoušena ve stejném směru, ve kterém je hutněna a zatěžována ve vozovce. Zkoušení smykových vlastností s použitím UST zařízení má menší variabilitu některých naměřených parametrů. Během zkoušení je materiál vystaven bočnímu napětí, které je dáno mechanickými vlastnostmi samotného zkoušeného materiálu. Podstatnou výhodou je i bezpečnost - v případě lomu materiálu pod tlakem zatížení dojde kjeho propadnutí dovnitř zkušební sestavy.

Výhodou řešení vložky s dvěma lemy je možnost aplikovat zatížení v obou směrech, tedy shora dolu a zespoda nahoru. V některých vrstvách netuhých konstrukcí vozovky se při přejezdu kola vozidla mění napětí tlaková na napětí tahové. Dochází tedy také k změně směru smykového napětí. Upnutí vzorku z obou stran umožňuje tento efekt simulovat v laboratoři. Uze předpokládat, že s pomocí tohoto upnutím bude také možno provádět zkoušky odolnosti materiálu proti únavě.

Předběžná analýza trhu ukázala, že řešení dle vynálezu má široký potenciál pro uplatnění v praxi, především díky vyšší přesnosti při určování odolnosti vůči trvalým deformacím a také díky velmi dobré cenové dostupnosti. Přesnější údaje o testované směsi pomohou předejít předčasným vadám vozovek a díky nim budou správci silničních dopravních síti lépe informování o jejich aktuálním stavu a funkčnosti, což jim pomůže při návrhu konstrukcí, volbou vhodných materiálů a plánování oprav. Zařízení je možné využívat pro měření i bez existence norem. Vzhledem k tomu, že zařízení dle vynálezu využívá již standardního vybavení laboratoří, není kjeho pořízení nutno nalézt extra prostor.

V případě použití zařízení podle tohoto vynálezu je možné vznik trvalých deformací pro dané zatížení omezit, nebo vhodným návrhem vyloučit. Toto umožňuje výrazné úspory pro zřizovatele a správce dopravních staveb.

Většina laboratoří zabývajících se testováním asfaltu dnes disponují tzv. UTM (Universal Testing Machine, také známá pod názvem Nottingham Asphalt Tester (NAT)). Této skutečnosti využívá koncept řešení dle vynálezu. V případě použití tohoto řešení uživatel laboratorním měřením obdrží jednoznačné výsledky - funkční parametry. Díky znalosti těchto parametrů lze optimalizovat složení směsi podle potřeb.

Objasnění výkresů

Zařízení pro měření smykových vlastností asfaltových směsí podle tohoto vynálezu bude podrobněji popsáno na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů, kde je na Obr. 1 znázorněno příkladné zařízení v řezu. Na Obr. 2 je znázorněno v řezu další možné provedení zařízení. Na Obr. 3 je znázorněn pohled na řez jednoho z možných provedení zařízení.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příkladné zařízení pro měření smykových vlastností asfaltových směsí obsahuje ocelovou objímku 9 opatřenou u svého dna vnitřní hranou 1 pro uložení zkušebního tělesa 4 se středovým otvorem a ocelovou vložku 2 umístitelnou do průchozího otvoru zkušebního tělesa 4. Ocelová vložka 2 je opatřena lemem 7 a úchytem 3 pro uložení do zkušebního stroje. Vůle mezi vnitřní hranou 1 a lemem 7 je volitelná od 5 do 60 mm. K ocelové vložce 2 jsou připojeny měřicí sondy 5. Pod lemem 7 ocelové vložky 2 je vložen pružný materiál. Zařízení je umístěno v teplotně regulované komoře.

-3 CZ 306155 B6

V dalším provedení je ocelová objímka 9 tvořena ze dvou částí, mezi kterými je umístěn tenzometr pro měření tlaku materiálu na ocelovou objímku 9.

Asfaltové zkušební těleso 4 ve tvaru válce s vnitřním otvorem je vloženo do ocelové objímky 9 na její vnitřní hranu 1. Dovnitř zkušebního tělesa 4 je zasunuta ocelová vložka 2, na kterou je umístěna roznášecí kulička úchytu 3 zkušebního stroje. Na ocelovou vložku 2 jsou přiloženy měřicí sondy 5. Zkušební postup spočívá v aplikaci řízeného zatížení, nebo posunutí ve směru šipky 6 na ocelovou vložku 2.

Další alternativní zařízení pro měření smykových vlastností asfaltových směsí obsahuje ocelovou objímku 9 opatřenou u svého dna a horního kraje vnitřní hranou 1 pro upevnění zkušebního tělesa 4 se středovým otvorem a ocelovou vložku 2 umístitelnou do průchozího otvoru zkušebního tělesa 4. Ocelová vložka 2 je ze dvou stran opatřena lemem 7 a prostorem pro uchycení zatěžovali čího prostředku. Vůle mezi vnitřní hranou 1 a lemem 7 je volitelná od 5 do 60 mm. K ocelové vložce 2 jsou připojeny měřicí sondy 5. Zařízení je umístěno v teplotně regulované komoře.

Asfaltové zkušební těleso 4 ve tvaru válce s vnitřním otvorem je vloženo do ocelové objímky 9 na její vnitřní hranu L Dovnitř zkušebního tělesa 4 je zasunuta ocelová vložka 2. Ocelová vložka 20 2 je připevněna ke zkušebnímu tělesu 4 taktéž z opačné strany, než byla vložena. Zkušební těleso je dále upevněno v ocelové objímce 9 ze strany vložení ocelové vložky 2. Dále je k ocelové vložce 2 uchycen zatěžovací prostředek. Na ocelovou vložku 2 jsou přiloženy měřicí sondy 5. Zkušební postup spočívá v aplikaci řízeného zatížení, nebo posunutí ve směru šipky 6 na ocelovou vložku 2.

25Uchycení zkušebního tělesa 4 je v případě alternativního řešení se zkušebním tělesem 4 upnutým z horní i spodní plochy dvojí. Zkušební těleso 4 je nejprve upnuto do ocelové objímky 9. - Na spodní straně je zkušební těleso 4 umístěno na vnitřní ocelovou hranu 1, která může být vyrobena jako jeden monolitický celek s ocelovou objímkou 9, nebo připevněna k ocelové objímce 9 Ϊ0 svarem. Na horní straně je zkušební těleso 4 uchyceno horní ocelovou hranou U Tato horní hrana 1 je k ocelové objímce 9 připevněna například šrouby nebo jiným systémem upevnění tak, aby byla umožněna rektifikace s ohledem na výšku zkušebního tělesa 4.

Dále je do vnitřního otvoru zkušebního tělesa 4 upnuta ocelová vložka 2. Vložka 2 se skládá ze 35 tří částí. První, horní část, je tvořená dříkem opatřeným v části závitem a hlavou. Tato část je společně s horní podložkou umístěna do vnitřního otvoru zkušebního tělesa 4. Spodní část je pak tvořena podložkou a matkou. Na dřík se zespoda umístí podložka a ta se utáhne ke zkušebnímu tělesu 4. V podstatě se jedná v tomto ohledu o upnutí zkušebního tělesa 4 šroubem se dvěma podložkami. V hlavě vložky (šroubu) je otvor se šroubením pro uchycení zatěžovací tyče zařízení.

Funkcí alternativního řešení se zkušebním tělesem 4 upnutým z horní i spodní plochy je aplikace zatížení v obou směrech. Tedy aplikaci řízeného zatížení ve vertikálním směru jak dolu, tak ve směru nahoru. Aplikované zatížení ve formě napětí nebo přetvoření vyvozuje smykové napětí ve zkušebním tělesu 4 ve střídavě se měnícím směru. Tento efekt je podobný smykovým napětím 45 vznikajícím ve vozovce při přejezdu kola vozidla. Tedy zatěžování zkušebního tělesa 4 v obou směrech umožňuje simulovat zatížení konstrukce vozovky. Současně je možné aplikovat smykové zkoušky únavy bez vlivu akumulace permanentní deformace způsobené aplikací zatížení v jednom směru.

S výhodou lze v případě této varianty zkušebního zařízení aplikovat sinusové, nebo jiné harmonické zatížení v obou směrech. Postup zatěžování a měření výsledků je stejný jako u předchozích variant.

Obvyklé rozměry zkušebního tělesa 4 jsou: průměr 150 až 100 mm, výška vzorku 40 až 100 mm, 55 často pak odpovídající tloušťce vrstvy ve vozovce. Ocelové části zařízení jsou vyrobeny z oceli

-4CZ 306155 B6 o tloušťce stěny 10 až 15 mm. Aplikace zatížení spočívá v aplikaci cyklů zatížení s odtížením, tzv. cyklická zkouška v dotvarování s odtížením, nebo aplikaci zpravidla sinusových vln zatížení na zkušební těleso 4 při volbě rozsahu frekvencí 0,1 až 50 Hz. Při tomto zatížení je měřena odezva materiálu. Jestliže se jedná o zatížení přetvořením, je měřeno napětí. Jestliže se jedná o zatížení napětím, je měřeno přetvoření. K vyhodnocení výsledků je pak možno použít principy elasticity, viskoelasticity, případně viskoelastoplasticity. Mezi naměřené výsledky patří: smykový modul pružnosti, vratná a nevratná funkce poddajnosti ve smyku, počet cyklů k dosažení určité úrovně trvalého přetvoření, parametry Teologických modelů a parametry modelů pro použití ve výpočetních programech.

Na zařízení bylo otestováno měření asfaltových hutněných směsí. Směsí s obsahem konvenčních, oxidovaných a polymerem modifikovaných asfaltových pojiv. Byly vyzkoušeny asfaltové hutněné směsi vyráběné v Kalifornii, USA a Evropě, ČR. Součástí výzkumného projektu byly také asfaltové hutněné směsi s obsahem gumy vyrobené v Kalifornii, USA. Bylo potvrzeno, že zařízení umožňuje rozlišovat kvalitu na základě laboratorního měření mezi těmito druhy materiálů.

Příkladným postupem měření je odebrání zkušebního vzorku z vozovky v podobě vývrtu z vozovky, nebo výroba zkušebního tělesa 4 na gyrátoru v laboratoři. Do tohoto zkušebního tělesa 4 se dále v laboratoři vyvrtá středový otvor. Toto zkušební těleso 4 se vloží do ocelové objímky 9 a do otvoru zkušebního tělesa 4 je vložena ocelová vložka 2. Sestava je umístěna do UTM zařízení, kde jsou na vložku 2 umístěny měřicí sondy a připevněna tyč zatěžovacího zařízení. Celá sestava se temperuje do ustálení požadované teploty zkušebního tělesa 4. Následně je provedeno zkoušení, tedy aplikace zatížení na zkušební těleso 4 a vyhodnocení jeho odezvy v podobě fyzikálně mechanických charakteristik zkoušeného materiálu.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro měření smykových vlastností asfaltových směsí nalezne uplatnění při měření, stanovení a návrhu únosnosti vozovky pod zatížením nákladní dopravou a ke stanovení odolnosti vozovky k tvorbě trvalých deformací. Využívá standardní vybavení laboratoří.

Claims (5)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení pro měření smykových vlastností asfaltových směsí obsahující zkušební stroj pevnosti materiálu, zejména pro zkoušky v tahu, tlaku, ohybu a smyku, opatřený pracovním rámem, upínacími prvky a hnacím mechanismem, vyznačující se tím, že obsahuje objímku (9) opatřenou u svého dna a/nebo u svého horního okraje vnitřní hranou (1) pro uložení zkušebního tělesa (4), které je opatřeno středovým otvorem a dále obsahuje vložku (2) umístitelnou do průchozího otvoru zkušebního tělesa (4), opatřenou na svém konci u horního okraje objímky (9) a/nebo na svém konci u dna objímky (9) lemem (7), přičemž vůle mezi vnitřní hranou (1) a lemem (7) je volitelná od 5 do 60 mm a vložka (2) je opatřena prvky pro uchycení k upínacím prvkům (3) zkušebního stroje a dále jsou k vložce (2) připojeny měřicí sondy (5).
2. 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačuj ící se t í m , že pod lemem (7) vložky (2) je vložen pružný materiál.
3. 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že objímka (9) je tvořena alespoň ze dvou částí, mezi kterými je umístěn tenzometr pro měření tlaku materiálu na objímku (9).

   -5 CZ 306155 B6
4. 4. Zařízení podle kteréhokoli z předchozích nároků, vyznačující se tím, že je umístěné v teplotně regulované komoře.
5. 5. Zařízení podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že veli5 kost kontaktní plochy mezi zkušebním tělesem (4) s vnitřní hranou (1) odpovídá velikosti kontaktní plochy mezi zkušebním tělesem (4) a vložkou (2) opatřenou lemem (7).