DE3240666A1 - Vorrichtung zur pruefung des rheologischen verhaltens elastoviskoser beziehungsweise viskoelastischer stoffe bei veraenderlichen und/oder konstanten temperaturen - Google Patents

Description

• Prof. Dr. -Ing. habil.
• Wolfgang Arand Joseph-Fraunhofer-Str. 21 3300 Braunschweig Dipl. -Ing.
• Karl Heinz Stiriz Wiesendamm 147 2000 Harraaag Die Beschreibung Die Befestigungen von Straßen, Brücken, Flugplätzen und anderen Verkehrsflächen unterliegen nicht nur den Beanspruchungen durch Verkehrslasten,.sondern auch den Beanspruchungen durch die Witterung, insbesondere durch Temperaturänderungen. Wie viele andere Stoffe auch erleidet der am häufigsten für die Befestigung von Verkehrsflächen eingesetzte Baustoff - der elastoviskos beziehungsweise viskoelastisch reagierende Asphalt - bei Erwärmung eine thermische Dehnung und bei Abkühlung einen thermischen Schrumpf, sofern die Abmessunänderungen nicht durch geometrische Zwänge behindert sind. Wird jedoch der thermische Schrumpf bei Abkühlung durch geometrische Zwänge verhindert, so entstehen in dem elaStoviskos beziehungsweise viskoelastisch reagierenden Stoff Zugspannungen, die dann zum Bruch führen, wenn sie die Größe der Zugfestigkeit erreichen. Gegenstand der Erfindung ist eine Universal-Prüfmaschine zur Untersuchung des rheologischen Verhaltens elastoviskoser beziehungs,weise viskoelastischer Stoffe, welche die Durchführung physikalisch einwandfreier - Druck- und Zugversuche zur Erfassung der Bruchfestigkeit und der Bruchdehnung beziehungsweise der Spannungs-Dehnungs-Beziehungen elastoviskoser beziehungsweise viskoelastischer Stoffe in Abhängigkeit von der Temperatur und/oder der Belastungs-.beziehungsweise Dehngeschwindigkeit, - Relaxationsversuche zur Erfassung des Spannungsabfalls bei konstant gehaltener, dem elastoviskosen beziehungsweise viskoelastischen Stoff mehr oder weniger spontan aufgezwungener Dehnung in Abhängigkeit von der Temperatur, - Erwärmungs- beziehungsweise Abkühlungsversuche zur Erfassung thermogener Spannungen in elastoviskosen beziehungsweise viskoelastischen Stoffen bei konstant gehaltener oder gezielt veränderter Dehnung in Abhängigkeit von der Temperatur gestattet. Mit der Universal-Prüfmaschine soll das Problem der thermisch bewirkten Rißbildung untersucht und so dem Auftreten von Rissen in Befestigungen von Verkehrsflächen in der Praxis gezielt entgegengewirkt werden.
• Die Erscheinung thermisch bewirkter Rißbildung wurde in der europäischen, speziell der deutschsprachigen Literatur lange Zeit nur sehr am Rande behandelt. Erste Hinweise auf das Phänomen der Rißbildung aufgrund thermisch induzierter Spannungen finden sich in der deutschsprachigen Literatur bei Güsfeldt DJ Neuerdings geht Arand r2] auf das rheologische Verhalten von Asphalten bei tiefen Temperaturen ein. Eine französische Veröffentlichung C31 hat sich schon 1966 mit der Zugfestigkeit von bituminösem Mischgut befaßt. Wesentlich zahlreicher sind Publikationen zum Problemkreis "Tieftemperaturverhalten von Asphalten" im englischsprachigen Raum. Davis, Krokosky und Tons 04] erfassen das Spannungs-Relaxations-Verhalten von Asphaltprobekörpern unter konstanter Deformationsgeschwindigkeit mit Hilfe eines verallgemeinerten Maxwetl-Modells. Hauptgegenstand der Untersuchungen von Monismith, Secor und Secor E3 sind die temperaturinduzierten Spannungen im Asphaltbeton. Mit Hilfe eines Relaxationsmodells werden Relaxationskurven ermittelt. Den Einfluß von Mischgutzusammensetzung, Bindemitteleigenschaften und Abkühlungsgeschwindigkeit auf die Rißbildung von Asphalten bei tiefen Temperaturen hat Fabb 06] ausführlich untersucht. Hills 73 zeigt anhand von Laborversuchen, daß bituminöses Mischgut, das durch Abkühlung beansprucht wird, bei einer für das Bindemittel kritischen Temperatur reißt. Den aufgeführten Unterbuchungen lagen in der Regel Überlegungen zugrunde, für die prüftechnische Ansprache des Stoffverhatens Apparaturen einzusetzen, die selbst bei Temperaturänderungen nur geringe Veränderungen ihrer Geometrie erfahren, wie beispielsweise Quarzrahmen.
• GÜSFELDT, K.H.: Eigenschaften und Verhalten von Straßenbaubitumen bei niedrigen Temperaturen. Bitumen 34 (1972) 4, 105 - 112 [2] ARAND, W.: Zum Relaxationsverhalten von Asphalten. Das Stationäre Mischwerk 15 (1981) 4, 14 - 22 [3] CARRE, G.: Resistance à la traction des enrobés bituminaux. Rev. Gen. Routes 36 (1966), NO. 414, 121 - 133 [4] DAVIS, E.F.; KROKOSKY, E.M.; TONS, E.: Stress relaxation of bituminous concrete in tension. Highway Research Record (1965), No. 67, 38 - 58 [5] MONISMITH, C.L.; SECOR, G.A.; SECOR, K.E.: Temperature induced stresses and deformations in asphalt concrete.
• Proceedings of the Association of Asphalt Paving Technologists 34 (1965), 292 - 309 [6] FABB, T.R.J.: The influence of mix composition, binder properties and cooling rate on asphalt cracking at low temperatures. Proceedings of the Association of Asphalt Paving Technologists 49 (1974), 285 - 331 [73 HILLS, J.F.: Predicting the fracture of asphalt mixes by thermal stresses. Institute of Petroleum, London No. J.P.
• 74 - 014 Die Er£indung.hat die Aufgabe, die Durchführung physikalisch definierter Druck-, Zug-, Relaxations-, Erwärmungs- und Abkühlungsversuche an elastoviskosen beziehungsweise viskoelastischen Stoffen zu ermöglichen. Derartige Stoffe verändern ihr rheologisches Verhalten mit der Temperatur und den Lasteinwirkungszeiten. Sie besitzen insbesondere die Fähigkeit, Zwängungsspannungen durch Relaxation - einen selbsttätig verlaufenden Spannungsabfall bei konstant gehaltener Dehnung - entgegenzuwirken. Die Fähigkeit zur Relaxation ist bei elastoviskosen beziehungsweise viskoelastischen Stoffen stets temperaturabhängig.
• Bei Asphalten für den Straßenbau findet der Spannungsabfall beispielsweise bei Temperaturen von + 20 °C innerhalb von Sekunden, bei Temperaturen um O OC innerhalb von Minuten und bei Temperaturen von - 25 °C innerhalb vieler Stunden statt. Bei tiefen Temperaturen reagiert der Asphalt fast vollständig elastisch.
• Wie die meisten anderen Stoffe auch, dehnen sich Asphalte bei Erwärmung aus. Bei Abkühlung erleiden sie einen thermischen Schrumpf. Der eindimensionale Wärmedehnbeiwert bewegt sich in der Größenordnung von 20 10 6 bis 50 106 °C 1. Bei Befestigungen von Straßen, Brücken und Flugplätzen sowie anderen Ingenieurbauwerken mit größeren Abmessungen werden die thermi-> sche Dehnung und der thermische Schrumpf durch geometrische Zwänge behindert, so daß in Asphalten bei Temperaturänderungen thermisch induzierte Spannungen auftreten, sofern sie nicht durch die in Konkurrenz zum thermischen Spannungsaufbau laufende Relaxation verhindert werden, was bei höheren Temperaturen der Fall ist. Die Untersuchung des rheologischen Verhaltens elastoviskoser beziehungsweise viskoelastischer Stoffe bei veränderlichen und/oder konstanten Temperaturen erfordert folglich jederzeit die Erfassung der im Probekörper auftretenden Kräfte und die gezielte Beeinflussung der Probekörperlängen. Hierzu ist es notwendig, über ein temperaturdeterminiertes beziehungsweise -indifferentes System zur Messung und gezielten Einstellung der Probekörperlängen zu verfügen. Dieses System darf ferner nicht durch temperatur- oder lastbedingte Dehnungen im Inneren der Prüfmaschine beeinflußt werden.
• Die Aufgabe wird im vorliegenden Falle dadurch gelöst, daß eine Universal-Prüfmaschine aus einem steifen Prüfrahmen mit einer Druck-Zug-Kraftmeßvorrichtung, zwei kardanischen Ösen, einem oder mehreren Adapterpaaren zur Befestigung von Probekörpern in der Prüfmaschine um eine oder mehrere in die Meßlage einschwenkbare Meßvorrichtungen aus temperaturdeterminiertem beziehungsweise temperaturindifferentem Material mit jeweils zwei Weggebern zur Erfassung von Relativbewegungen der Adapter gegeneinander sowie einen Schrittmotor mit zugehörigem Getriebe zur gezielten Beeinflussung des Adapterabstandes erweitert wird. Die in die Meßlage einschwenkbare Meßbasis zur Erfassung von Relativbewegungen der Adapter gegeneinander soll aus Material mit bekanntem Wärmedehnverhalten, vorzugsweise aber aus einem Material, welches bei Temperaturänderungen keine Längenänderungen erfährt, bestehen. Ein Material der letztgenannten Art sind beispielsweise Kohlenstoffasern in einer Kunststoffmatrix. Bei Verwendung von temperaturindifferentem Material als Meßbasis können Relativbewegungen der Adapter gegeneinander über Weggeber unmittelbar erfaßt werden. Ungewollte Änderungen des Adapterabstandes lösen dann Impulse aus, mit denen der Schrittmotor angesteuert und der ursprüngliche Abstand wieder hergestellt wird. Bei gewollten Änderungen des Adapterabstandes wird der momentan vorhandene Abstand erfaßt und mit dem momentan gewünschten Abstand verglichen. Beim Auftreten unbeabsichtigter Differenzen zwischen beiden Werten wird der Schrittmotor angesteuert und durch diesen der gewünschte Abstand hergestellt.
• Bei Verwendung von temperaturdeterminiertem Material für die in die Meßlage einschwenkbare Meßbasis ist dessen Wärmedehnverhalten bei der Ausgestaltung des Programms für die Prozeßsteuerung zu berücksichtigen.
• Der Gegenstand der Erfindung ist in jedem Laboratorium, welches mit der Prüfung elastoviskoser beziehungsweise viskoelastischer Stoffe befaßt ist, gewerblich anwendbar.
• Die Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß die Universal-Prüfmaschine die Durchführung sowohl von Druck- als auch von Zug-, Relaxations-, Erwärmungs- und Abkühlungsversuchen an elastoviskosen beziehungsweise viskoelastischen Stoffen mit bisher unbekannter Präzision gestattet.

Claims (5)

1. Prof. Dr. -Ing. habil.

   wolfgang Arand Joseph-Fraunhofer-Str. 21 3300 Braunschweig Dipl.-Ing.

   Karl, Heinz Stiriz Wiesendamm 147 2000 zur 60 Vorrichtung zur Prüfung des rheologischen Verhaltens elastoviskoser beziehungsweise viskoelastischer Stoffe bei veränderlichen und/oder konstanten Temperaturen Patentanspruch gS Universal-PrUfmaschine zur Durchführung von Druck-, Zug-, Relaxations-, Erwärmungs- und Abkühlungsversuchen an elastoviskosen beziehungsweise viskoelastischen Stoffen, bestehend aus einem steifen Prüf rahmen aus Grundplatte (1), Traverse (2) und zwei oder mehr Säulen (3), einem Schrittmotor (SM) mit zugehörige Getriebe (4), einer Druck-Zug-Kraftmeßvorrichtung (5), zwei kardanischen ösen (6), einem oder mehreren Adapterpaaren (7) zur Befestigung der Probekörper in der Prüfmaschine, einer oder mehreren in die Meßlage einschwenkbaren Meßvorrichtungen (8) aus temperaturdeterminiertem beziehungsweise temperaturindifferentem Material mit jeweils zwei Weggebern (9) zur Erfassung von Relativbewegungen von Adaptern gegeneinander sowie einer oder mehreren Montagebänken (10) zur Herstellung von Verbindungen zwischen Probekörper und Adapter, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß zur Durchführung der Versuche ein Probekörper zwischen zwei Adaptern befestigt wird, daß der Abstand zwischen diesen beiden Adaptern durch eine oder mehrere temperaturdeterminierte beziehungsweise -indifferente Meßvorrichtungen, die unbelastet bleiben und bei Temperaturänderungen ihre Länge nicht oder bekannten Gesetzmäßigkeiten folgend ändern, ständig mit höchster Präzision von weniger als 1 vm gemessen wird, daß bei ungewollten Anderungen des Abstandes zwischen den Adaptern ein Schrittmotor angesteuert und durch diesen der ursprüngliche Abstand wieder hergestellt wird, daß bei gewollten Änderungen des Abstandes zwischen den Adaptern der momentan vorhandene Abstand erfaßt und mit dem momentan gewünschten Ab- stand verglichen wird und beim Auftreten unbeabsichtigter Differenzen zwischen beiden Werten der Schrittmotor angesteuert und durch diesen der gewünschte Abstand hergestellt wird.
2. 2. Universal-Prüfmaschine nach Anspruch 1), d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t1 daß als temperaturindifferentes Material Kohlenstoffasern in einer Kunststoffmatrix verwendet werden.
3. 3. Universal-Prüfmaschine nach Anspruch 1) und 2), dadurch g e k e n n z e i c h'n e t, daß als Weggeber Dehnungsgeber oder induktive Wegaufne.hmer verwendet werden.
4. 4. Universal-Prüfmaschine nach Anspruch 1) bis 3), da du r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Befestigung der Probekörper an den Adaptern mittels temperaturbeständiger Kunststoffkleber erfolgt.
5. 5. Universal-Prüfmaschine nach Anspruch 1) bis 4), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Prüfmaschine in einer Klimakammer untergebracht werden kann.