Настоящий стандарт распространяется на асфальтобетонные смеси и асфальтобетоны, определяя методику Маршалла как способ установления величины сопротивления пластическому течению асфальта в виде цилиндрических шаблонов.
В процессе эксплуатации материал дорожных покрытий претерпевает изменение вследствие нагрузок разного характера – асфальт подвергается сжатию, растяжению, изгибам, ударам, температурным циклическим колебаниям, приводящим к деформации дорожного полотна, понижая прочность покрытия, разрушая его, и, в итоге, негативно сказываясь на безопасности дорожного движения.
При выборе асфальтобетонных смесей для строительства дорог, а также для установления прочности готового покрытия исходный материал и вырубленные керны из дорожного полотна должны пройти серию испытаний, в процессе которых устанавливаются физико-технические характеристики, которые позволяют спрогнозировать длительность эксплуатационного периода, когда дорожное покрытие будет иметь наилучшие эксплуатационные характеристики.
Один из методов получения качественных характеристик асфальтобетонов является исследование шаблонов материала на предел текучести по методике Маршалла.
В большинстве существующих моделей текучести асфальтов нарастание пластических деформаций рассматривается в рамках концепции закона пластического течения (ползучести), вводятся общие характеристики накопленных необратимых деформаций, однако реально деформации отражаются в изменении внутренней структуры асфальтов, образовании и развитии микротрещин, явным образом влияющих на механические свойства. Деформированное состояние в общем виде характеризуется тремя относительными удлинениями и тремя сдвигами:
Тензору напряжений, записанному через главные нормальные напряжения, соответствует тензор деформации вида.
Напряжение и деформированное состояние в точке.
Основные понятия и определения.
Индексы при напряжениях проставляются по следующему правилу первый индекс указывает, какой оси параллельна нормаль к площадке действия рассматриваемого напряжения, второй индекс показывает, какой оси параллельно данное напряжение.
Нормальное растягивающее напряжение, положительно, нормальное сжимающее напряжение отрицательно.
Касательное напряжение положительно, если обозначающий его вектор пытается вращать выделенный объем относительно любой точки на внутренней нормали по ходу часовой стрелки.
- Линейной называется деформация, возникающая при изменении расстояний между двумя максимально близкими точками.
- Деформацией сдвига называется величина отклонение от первоначально прямого угла между двумя прямыми, проходящими через единичную точку. Сдвиг считается положительным, если исходный прямой угол уменьшается.
В математических моделях теорий упругости и пластичности принято допущение, что при действии внешних сил деформация происходит мгновенно, но реально полная деформация всегда функция времени – как и старение дорожного полотна. По этой причине важное значение имеют методика расчета и исследований, позволяющие наблюдать за процессами, протекающими в материалах дорожного покрытия в установленный промежуток времени.
Деформационные свойства материалов как функции времени под воздействием внешних сил называют ползучестью или пределом текучести.
Дислокационный механизм пластической деформации
Процесс деформации при достижении высоких напряжений завершается разрушением. Тела разрушаются по стечению не одновременно, а вследствие развития трещин. Разрушение включает три стадии: зарождение трещины, ее распределение через сечение, окончательное разрушение.
Хрупкое разрушение - отзыв одних слоев атомов от других под действием нормальных растягивающих напряжений.
Вязкое разрушение – путем среза под действием касательных напряжений. Ему всегда предшествует значительная пластическая деформация.
Критическая степень пластической деформации.
Критический размер зародышевой трещины.
При достижении критической величины пластической деформации и формировании зародышевой микротрещины, в материале открываются его новые «способности» - оказывать сопротивление распространению трещины. Учёные назвали такую способность материала - трещиностойкостью. Расход (диссипация, затраты) энергии на образование свободных поверхностей оценивается по формуле:
Критической длиной трещины - называется минимальная её длина, начиная с которой происходит самопроизвольное её распространение, сопровождающееся высвобождением энергии в системе и снятием внутренних напряжений.
Трещиностойкостью - называетсся способность материала сопротивляться распростраанению трещины при статическом или циклическом нагружении.
Асфальтобетоны и асфальты на их основе в разных условиях обладают разными механическими свойствами, различаются и напряженные состояния, которым они подвергаются в процессе эксплуатации. Поведение дорожного покрытия зависит от параметров внешней среды, от компонентов сырья, от сложившейся в объеме материала микроструктуры, от природы и размера наполнителя.
Асфальт в готовом виде в течение некоторого времени ведет себя как упругая среда, подчиняясь законам теории механики сплошных сред, для которых при малых деформациях выполняется закон Гука – когда параметры среды меняются линейно под внешним воздействием, а объемная деформация отсутствует. При достижении предела упругости (пропорциональности) развивается неупругое деформирование – неравномерно распределяя напряжения внутри асфальта. При этом возникают зоны аномальных напряжений, превышающих предел прочности, накапливая необратимые пластические деформации.
Главные оси и главные значения тензора напряжений
Напряженное состояние в отдельной точке материала характеризуется результирующей величиной всех напряжений, действующих по всем виртуальным плоскостям, проходящим через данную точку. Для получения характеристик напряженного состояния вблизи выбранной точки выделяют бесконечно малый объем в форме куба. Под внешним воздействием на каждой стороне его граней возникают 9 нормальных и касательных напряжений: вблизи выбранной точки на гранях элементарного куба действуют:
- радиальные нормальные напряжения;
- тангенциальные нормальные напряжения;
- касательные напряжения.
Их комплекс называют тензором напряжений, определяющий совокупное напряжённое состояние в точке:
С учетом симметрии тензора напряжений и условий парности, из 9 независимыми оказываются 6 компонент. Суммарная деформация элемента составляется из тех, которые вызваны напряжениями σ1, σ2 σ3 с учетом предварительной (существующей ранее) деформации.
Основным различием между упругостью и пластичным течением является тот факт, что упругая деформация полностью определяется действующими напряжениями, в теории же пластичного течения накопленная деформация необратима, а знание распределения напряжений в данное мгновение времени позволяет судить лишь о том, каковы будут приращения деформаций.
Существует две теории пластичности, отличающиеся только записью конкретных физических зависимостей, и не отличающихся в других базовых соотношениях механики плотной среды:
- деформационная теория пластичности Ильюшина вместо закона Гука оперирует иными соотношениями напряжений и деформаций;
- теория течения связывает напряжения со скоростью (приращением) деформаций:
В рамках этих теорий деформирования материалов условно делится на два этапа:
- начальная стадия упругой деформации, при которой тензоры напряжения и деформаций подчиняются закону Гука;
- упруго-пластическая стадия, определяющая параметры напряженно-деформированного состояния конкретного материала – в реальных условиях решения инженерно-технических задач. Такие задачи требуют определения характеристик перехода от упругой деформации к пластической, а также выявлению взаимообусловленности физических параметров последней.
Предел текучести (ползучесть) образцов асфальтобетонов по методу Маршалла определяется с помощью цилиндрических шаблонов, боковые срезы которых подвергают внешнему воздействию в обжимном устройстве.
Исследование по схеме Маршалла происходит с использованием испытательного пресса МИП (шкала измерений ≥50 кН, допустимая погрешность ≥1%), равномерно нагружающего шаблоны с заданной скоростью 50,0 ± 1 мм в минуту; с непрерывным фиксированием величины деформации образца (в диапазоне 0 ÷50 мм с абсолютной погрешностью ≤0,25 мм). Сохранение полученных данных (деформация и нагрузка) обеспечивается с частотой 3 измерения /секунду:
При испытании образцов Ø152,4 мм, радиус обжимного устройства должен быть 76,2 мм.
Подготовка образцов, отобранных из дорожного покрытия
Толщина шаблонов-кернов из дорожного покрытия регламентируется на уровне 25,4÷76.2мм с Ø100±1,5мм (или 88,9 ÷101,6 мм с Ø150 ± 2,5мм).
Подготовленные образцы помещают на подставку с прорезями на дне термостата и выдерживают при t=(60 ± 1°C) в течение 35 ± 5мин при испытании шаблонов Ø101,6 мм; или в 55 ± 5 минут при изучении шаблонов Ø152,4 мм.
Поверхности обжимного устройства очищают и смазывают направляющие. Температура верхней и нижней частей обжимного устройства должна быть 21÷38°С.
Нагретый образец помещают в нижнюю часть обжимного устройства, закрепляют верхнюю часть, обжимное устройство с шаблоном ставят на испытательный пресс, обнуляя показания. Не позднее, чем через 30 с после извлечения из термостата шаблон подвергают сжимающей нагрузке со скоростью 50,0 ± 1,0 мм/мин до максимальной величины, которую фиксируют, как и величину деформации. Максимальную нагрузку из трех параллельных измерений F (Н) усредняют, указывая результат с точностью до 1,0 Н. Разброс значений не должен превышать 16%. При определении максимальной нагрузки для кернов из дорожного покрытия, полученное значение умножают на корректирующие коэффициенты, которые зависят от диаметров исследуемых шаблонов (см. соответствующие таблицы ГОСТ Р 58406).
Деформацию определяют по графику:
Деформацию определяют как расстояние от пересечения касательной графика нагрузки (отрезок AB) с осью деформации до значения деформации при максимальной нагрузке (отрезок AM’). Касательную графика нагрузки с осью деформации строят по двум точкам, соответствующим 25 % и 75 % значения максимальной нагрузки.
Если график не имеет характерный вид, то значение деформации L и значение максимальной нагрузки F определяют по рисунку ниже, где отрезок AM’ – это значение деформации L, а значение максимальной нагрузки Fпринимают за значение M.
Деформацию и максимальную нагрузку определяют по графику;
Результат определения деформации L, мм рассчитывают как среднеарифметическое значение не менее трех параллельных определений. Результат испытания указывают до второго десятичного знака. Разница между принятыми в расчете значениями не должна превышать 26%.
Сопротивление пластическому течению T, H/мм рассчитывают по формуле:
где F – среднее значение разрушающей нагрузки (H);
L – среднее значение деформации образцов (мм).
При определении предела текучести и других характеристик упругости, пластичности, деформативности при сжатии, ударных нагрузках, растяжении, изгибе, кручении, раскалывании вам может помочь наше сертифицированное оборудование – универсальные испытательные машины, прессы испытательные, копры маятниковые и дополнительное оборудование.