VI предавање - SUPERPAVE

KОЛОВОЗНЕ КОНСТРУКЦИЈЕ VI предавање SUPERPAVE шк. 2017/18 год. Метода SUPERPAVE (USA) 1987-1993 Strategic Highway Research Program (SHRP) истраживачки пројекат са буџетом од 50 мил. $ Основно питање: Зашто се поједини коловози понашају боље од других? Циљ: Дефинисати нове поступке за испитивање и пројектовање асфалтних мешавинаи одговарајуће спецификације Резултат: SUPERPAVE ТМ -Superior Performing Asphalt Pavements SUPERPAVE ТМ нови систем -три компоненте: спецификације за основне материјале, пројектовање и анализа асфалтне мешавине и модели за предвиђање понашања асфалтних слојева Метода SUPERPAVE (USA) Основни кораци: Избор материјала Избор везива (посебно значајан) Избор агрегата Припрема лабораторијских узорака Marshall-ов набијач замењен жироскопским набијачем Ниво збијања зависи од нивоа саобраћајног оптерећења Прорачун запреминске структуре асфалтне мешавине запреминска маса, шупљине испуњене ваздухом... Одређивање оптималног садржаја везива Одређивање отпорности асфалтне мешавине на дејство влаге Испитивање лабораторијских узорака (performance tests) Избор везива Категоризација битумена према условима примене: Клима Саобраћајно оптерећење Класификација битумена PG x-y X пројектна 7-дневна највиша температура коловоза на 2 cm од површине слоја Y пројектна најнижа температура коловоза Саобраћајнице са спорим или стационарним саобраћајем захтевају један до два степена виши PG у односу на стандардне услове Саобраћајнице са великим саобраћајем (> 30x10 6 стандардних осовина од 80 kn) захтевају за један степен виши PG PG најнижа пројектна температура ( o C) Superpave Performance Grade (PG) -10-16 -22-28 -34-40 -46 PG - Највиша пројектна температура ( o C) 46 52 58 64 70 76 82 Немодификовани битумен Модификовани битумен Superpave Избор везива Испитивање везива: Оригинални битумен Краткотрајно остарело везиво (RTFOT Rolling Thin Film Oven Test) Дуготрајно остарелог везива (PAV -Pressure Ageing Vessel),дипл.инж. 1

Краткотрајно старење везива Симулација старења током: транспорта и складиштења производње и уграђивања асфалтне мешавине Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT) SRPS EN 12607 1:2015, ASTM D2872 T = 163 o C Контролна табла вентилатор Дуготрајно старење везива Симулација старења током експлoатације (5 10 година) Pressure Ageing Vessel (PAV) Под притиском 2070MPa, на температури 90, 100, 110 o C током 20 часова SRPS EN 14769:2013 ASTM D6521 Топао Узорци ваздух битумена у теглицама Superpave Уградљивост [RV] Оригинално Колотрази [DSR] RTFOТ Краткотрајно остарело Пукотине услед замора [DTT] [BBR] PAV Дуготрајно остарело Пукотине на ниским температурама Superpave Основна испитивања Тачка паљења по Cleveland-u безбедност Динамички вискозитет (Rotational Viskosimeter RV)- уградљивост Динамичко смицање (Dynamic Shear Rheometer DSR) отпорност на трајну деформацију Савијање (Bending Beam Rheometer BBR) замор и отпорност на ниске температуре Директно затезање (Direct Tension) отпорност на ниске температуре Динамички вискозитет SRPS EN 13702:2012; ASTM D4402 napon smicanja viskozitet = stepen smicanja η = τ / γ Еквивискозне температуре БИТ 50/70,дипл.инж. 2

DSR Динамичко смицање DSR Динамичко смицање Пречник узорка: 25 mm оригинално и краткотрајно остарело везиво 8 mm -дуготрајно остарело везиво DSR даје G * и δ Реолошко понашање битумена G * -Комплексни модул смицања δ -фазни угао G * / sin δ Добро корелира са отпорношћу на трајну, пластичну деформацију (колотраге) G * sin δ Добро корелира са отпорношћу на замор Спецификација за битумен Минимална крутост@ @ T (високо) Спецификација за битумен Максимална крутост@ @ T (средње) G * / sin δ > 1.00 kpa на неостарелом везиву G * / sin δ > 2.20 kpa на везиву остарелом у RTFO G * sin δ < 5000 kpa на дуготрајно остарелом везиву,дипл.инж. 3

BBR Отпорност на ниским температурама Помоћу Bending Beam Rheometer (BBR) - реометра за савијање гредица одређује се крутост битумена на ниским температурама Ако је везиво сувише круто на ниским температурама, може испуцати термичке Bending Beam Rheometer, BBR Почетни положај асфалтне гредице Оптерећење Време 980 mn (100 g) оптерећење Асфалтна гредица под оптерећењем Угиб Време Bending Beam Rheometer, BBR Bending Beam Rheometer, BBR Угиб (t) Дефинише крутост после 2 сата на 10 C нижој темп. 60 sec Време BBR Data - Релаксација Критеријум за отпорност на пуцање на ниским температурама Log крутости, S нагиб = m-вредност PG Спецификације Максимална крутост (S) S < 300 MPa Log Времена оптерећења Минимална m- вредност m > 0.300 60 sec 8 15 30 120 240,дипл.инж. 4

SOMBOR LOZNICA PALIC SREMSKA MITROVICA NOVI SAD BECEJ VALJEVO ZLATIBOR POŽEGA SJENICA KIKINDA ZRENJANIN BEOGRAD PEC VRŠAC SMEDEREVSKA PALANKA KRALJEVO BANATSKI KARLOVAC KRAGUJEVAC KOPAONIK PRIZREN VELIKO GRADIŠTE CUPRIJA KRUŠEVAC PRIŠTINA NIŠ CRNI VRH LESKOVAC VRANJE ZAJECAR NEGOTIN DIMITROVGRAD SOMBOR PALIC NOVI SAD SREMSKA MITROVICA LOZNICA ZLATIBOR BECEJ VALJEVO POŽEGA SJENICA KIKINDA ZRENJANIN BEOGRAD PEC KRALJEVO VRŠAC BANATSKI KARLOVAC SMEDEREVSKA PALANKA KRAGUJEVAC KOPAONIK PRIZREN VELIKO GRADIŠTE KRUŠEVAC PRIŠTINA CUPRIJA CRNI VRH NIŠ LESKOVAC VRANJE ZAJECAR NEGOTIN DIMITROVGRAD VI предавање - SUPERPAVE 03.11.2017. Superpave Преглед основних карактеристика Оригинално/ остeрело везиво Оригинално Краткотрајно остарело RTFOT Дуготрајно остарело PAV Тип оштећења Параметар Температура Уређај Уградљивост Вискозитет η 135 o C RV Колотрази Колотрази G* / sin δ G* / sin δ Просечна 7- дневна највиша температура коловоза -max T DSR DSR Пукотине услед замора Термичке G* sin δ S (t), m(t) (max T + min T) /2 + 4 Минимална температура коловоза min T DSR BBR, DT Superpave Performance Grade (PG) Vrsta bitumena PG 52 PG 58 PG 64-28 -16-22 -28-34 -22-28 -10-16 -22-34 -40-46 -40-10 -16-34 -40 Prosečna 7-dnevna maksimalna projektna temperatura kolovozne konstrukcije ( o C) <52 <58 <64 Minimalna projektna temperatura kolovozne konstrukcije (oc) >- >- >- >- >- >- >- >- >- >- >- >- >- >- >- >- >- >- 10 16 22 28 34 40 46 16 22 28 34 40 10 16 22 28 34 40 ORIGINALNI BITUMEN Tačka paljenja ( o C, minimum) 230 Viskozitet, ASTM D4402, Max 3 Pa.s, temperatura 135 ispitivanja ( o C) Dinamičko smicanje TP5: G*/sin δ, minimum 1.00 kpa, 52 58 64 temperatura ispitivanja @ 10 rad/s, ( o C) - BITUMEN nakon RTFOT Gubitak mase (%, maximum) 1.0 Dinamičko smicanje TP5: G*/sin δ, minimum 2.20 kpa, 52 58 64 temperatura ispitivanja @ 10 rad/s, ( o C) BITUMEN nakon PAV Temperatura starenja u PAV ( o C) 90 100 110 Dinamičko smicanje TP5: G*sin δ, maximum 5000 kpa, 16 19 25 22 25 22 19 13 10 7 25 22 16 13 31 28 19 16 temperatura ispitivanja @ 10 rad/s, ( o C) OTPORNOST Fizičko očvršavanje: Krutost pri tečenju, TP1: S, maximum, 300 MPa, m- vrednost, maximum, 0.30, temperatura ispitivanja @ 60 s, 0-6 -12-18 -24-30 -36-6 -12-18 -24-30 0-6 -12-18 -24-30 ( o C) Direktno zatezanje, TP3: Dilatacija pri lomu, minimum 1.0 0-6 -12-18 -24-30 -36-6 -12-18 -24-30 0-6 -12-18 -24-30 %, temperatura ispitivanja @ 1.0 mm/min, ( o C) Климатске мапе Србије Корекција PG у функцији од саобраћајног оптерећења PG 52-16 PG 46-16 PG 52-10 PG 52-22 PG 52-16 PG 46-16 PG 52-16 PG 58-22 PG 58-16 PG 58-28 PG 58-22 PG 52-22 PG 64-22 Стандардних осовина (милиона) Корекција PGс обзиром на карактеристике саобраћајног тока споро (< 20 km/h) Брзина саобраћајног тока успорено (20-70 km/h) нормално (> 70km/h) <0.3 - - - 0.3 до 3 +2 +1-3 до 10 +2 +1-10 до 30 +2 +1 - > 30 +2 +1 +1 LTPP LTPP Ниво поузданости 50 % Ниво поузданости 90 % Минерална мешавина Чврстоћа на смицање агрегата одређена Mohr- Coulomb-овим законом τ = C + σ tanφ где је: τ чврстоћа на смицање, C кохезија (C = 0), σ нормални напон, Φ угао унутрашњег трења. τ анвелопа лома σ Захтеви у погледу квалитета основног материјала Основна испитивања камена: Los Angeles LA < 30 % Једрост отпорност на дејство мраза Упијање воде Основна испитивања фракција минералног материјала: Проценат дробљених зрна Облик зрна ситнозрног агрегата Садржај зрна неповољног облика (< 10 %) Садржај ситнозрних / глиновитих фракција (Еквивалент песка > 40 50 %),дипл.инж. 5

Избор агрегата Пет врста мешавина у зависности од номинално максималног зрна агрегата: 9.5 mm 12.5mm 19mm 25mm 37.5 mm Гранулометријски састав агрегата Утиче на: Крутост Стабилност Трајност Водопропустљивост Уградљивост Отпорност на замор Храпавост асфалтних мешавина. Максимална величина зрна дефинише: Могућу дебљину слоја Услове збијања Проценат пролаза 100 0 Линија максималне густине Забрањена зона.075.3 2.36 4.75 9.5 12.5 19.0 Контролне тачке Ном. max зрно Отвор сита (mm) на 0.45 степен max зрно Гранулометријски састав Проценат пролаза 100 0.075.3 2.36 12.5 19.0 Пројектована гранулометријска крива Отвор сита (mm) на 0.45 степен Проценат дробљених зрна за крупнозрни агрегат Саобраћајно оптерећење у току пројектног периода од 20 година (10 6 станд. осовина од 80 kn) Растојање од површине коловоза (положај слоја) 100 mm > 100 mm < 0.3 55/- -/ - < 1 65/- -/ - < 3 75/- 50/ - < 10 85/80 60 / - < 30 95/90 80/75 < 100 100/100 95/90 100 100/100 100/100 Први број означава % са једном или више дробљених страна Други број означава % са две или више дробљених страна Облик зрна ситнозрног агрегата Однос највеће и најмање димензије већи од 5, ASTM D4791 Агрегат крупнији од 4.75 mm Утичу на збијање и ломе се при уграђивању Саобраћајно оптерећење у току пројектног периода од 20 година (10 6 станд. осовина од 80 kn) Максимални проценат издужених зрна (%) < 0.3 - < 1 10 < 3 10 < 10 10 < 30 10,дипл.инж. 6

Садржај кохерентног материјала На делу мешавине који пролази кроз сито 4.75 mm AASHTO T 176 Садржај издужених зрна На делу мешавине који пролази кроз сито 4.75 mm AASHTO T 176 Саобраћајно оптерећење у току пројектног периода од 20 година (10 6 станд. осовина од 80 kn) Минимални еквивалент песка (%) < 0.3 40 < 1 40 < 3 45 < 10 45 < 30 50 Саобраћајно оптерећење у току пројектног периода од 20 година (10 6 станд. осовина од 80 kn) Минимални еквивалент песка (%) < 0.3 40 < 1 40 < 3 45 < 10 45 < 30 50 Остала испитивања агрегата Отпорност на хабање Los Angeles, AASHTO T96 Максимална вредност 35% 45% Отпорност на дејство мраза Потапање узорка у раствор натријум или магнезијум сулфата, 5 циклуса, AASHTO T104 Максимални губитак масе 10% -20% Чистоћа агрегата (садржај глине и трошних зрна) Мокро сејање фркација, AASHTO T112 Максимални садржај нечистоћа и трошних зрна 0.2 10 % Проблематика пројектовања асфалтних мешавина Кохезија потиче од везива напон смицања τ напон смицања τ слабо везиво нормални напон σ мали угао унутрашњег трења нормални напон σ напон смицања τ напон смицања τ јако везиво нормални напон σ велики угао унутрашњег трења нормални напон σ Основни видови настанка оштећења Пукотине услед замора резултат напона затезања на дну битуменом везаних слојева под проласком саобраћајног оптерећења Основни видови настанка оштећења Термичке резултат термичких напона затезања услед хлађења слоја на ниским температурама,дипл.инж. 7

Основни видови настанка оштећења Колотрази пластична деформација асфалтних слојева на високим температурама Пројектовање асфалтних мешавина Заједнички захтеви: Довољан садржај битумена како би се обезбедила трајност Довољна стабилност под дејством саобраћајног оптерећења Задовољавајући садржај шупљина испуњених ваздухом: Горња граница са аспекта ограничења негативног утицаја околине на старење битумена Доња граница да би се омогућило додатно збијање услед саобраћајног оптерећења Добра уградљивост Запреминско пројектовање асфалтне мешавине Циљеви Да процедура припреме и збијања узорака у лабораторији симулира збијање на терену Да се могу припремати узорци и за крупнозрне мешавине Да буде мера збијености Да се може користити у теренским лабораторијама Да мора обухватити елементе повезане са трајношћу асфалтне мешавине Дебљину филма битумена Утицај фактора околине Пројектовање мешавине Неколико пробних мешавина са различитим садржајем везива изнад и испод оптималног Жироскопски SUPЕRPAVE набијач (Superpave Gyratory Compactor SGC) Жироскопски набијач мерач висине рам контролна јединица за прикупљање података оптерећење Збијање узорака у жироскопском набијачу Вертикални притисак + смицање Пречник узорка 150 mm Висина узорка 115 mm Величина зрна агрегата до 37.5 mm Мерење висине узорка током збијања Контрола збијености током припреме узорка калуп Оптерећење 600 kpa ротирајућа подлога 1.25 o 47,дипл.инж. 8

Три карактеристична нивоа збијености N init почетни ниво збијености Број ротација који представља меру уградљивости мешавине током извођења радова Мешавине које се лако збијају (сувише мали садржај шупљина при N init ) су нестабилне под дејством саобраћајног оптерећења Мешавине пројектоване за саобраћајно оптерећење веће од 3 милиона стандардних осовина и са пројектним садржајем шупљина од 4 %при N des треба да имају минимално 11 %шупљина при N init Три карактеристична нивоа збијености N des пројектни ниво збијености број ротација неопходан да се добије иста запреминска маса асфалтне мешавине као и мешавине на терену након пројектног саобраћајног оптерећења Типична вредност шупљина при N des = 4 % N max максимални ниво збијености број ротација неопходан да се добије лабораторијска збијеност која никад не сме бити превазиђена на терену Типична вредност шупљина при N max = 2 % Три тачке на SGC кривој % G mm N max N des N ini 10 100 1000 Log броја ротација Критеријуми за број ротација у зависности од саобраћајног оптерећења Саобраћајно оптерећење у Број ротација току пројектног периода од 20 година (10 станд. осовина од 80 kn) < 0.3 6 50 75 N init N des N max 0.3 3 7 75 115 3 10 8 (7) 100 (75) 160 (115) 10-30 8 100 160 > 30 9 125 205 Критеријуми за ниво збијености Саобраћајно оптерећење у току пројектног периода од 20 година (10 6 станд. осовина од 80 kn) Запреминска маса (као проценат теоретске максималне запреминске масе) N init < 0.3 91.5 0.3 3 90.5 3 10 10-30 > 30 89.0 N des N max 96.0 98.0 Испитивање карактеристика мешавине Simple Performance Test SPT Замена за Маршала Испитивања: Динамички модул крутости (уз бочни притисак) Динамички опит течења ( Flow-number ) Статички опит течења ( Flow time ) Цилиндрични узорци Ø100 висине 150 mm,дипл.инж. 9

а а VI предавање - SUPERPAVE 03.11.2017. Simple Performance Test SPT Simple Performance Test SPT Врсте испитивања: Према условима опита једноаксијални триаксијални Према условима опита једноаксијални триаксијални Према начину наношења оптерећења: динамички опити статички опити σа(t) - укупни аксијални притисак σc -бочни притисак Simple Performance Test SPT Према начину наношења оптерећења динамички опити статички опити Типичан дијаграм зависности трајне деформације од броја прелаза опт. 20 18 Т1 Т0 синусоидално наношење оптерећења Блок пулсно наношење оптерећења σа(t) укупни аксијални притисак бочни + аксијални Дубина Rut колотрага Depth, mm (mm) 16 14 12 10 8 6 4 2 Нагиб криве течења Creep Slope Stripping Slope Нагиб криве деформације услед striping -a Инфлексиона тачка Stripping Inflection Point 0 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 Number of Passes Број прелаза оптерећења Simple Performance Test SPT Simple Performance Test SPT Flow number динамички опит течења притисак почетак пред оптерећење дилатациј бочни притисак N нагиб криве течења кумулативна аксијална дилатација аксијални притисак Дилатација на N-том циклусу захтевани аксијални притисак циклуси захтевани бочни притисак циклуси Услови опита: min 10000 циклуса температура 40-50 C бочни притисак 0-250 kpa aксијални притисак 200 300 kpa облик оптерећења синусоида блок -пулс напон Flow time статички опит течења почетак пред оптерећење дилатациј аксијални притисак захтевани аксијални притисак бочни притисак време захтевани бочни нагиб криве течења притисак кумулативна аксијална дилатација крај теста време параметар течења flow time Услови опита: min 10000 секунди температура 40-50 C бочни притисак 0-210kPa aксијални притисак 200 300 kpa облик оптерећења константан притисак параметар течења flow number циклуси,дипл.инж. 10

Критеријуми Критеријуми за динамички модул зависе од врсте пројекта користе се модели пропадања из новог AASHTO упутства за димензионисање коловозних конструкција и на основу њих се утврђује да ли је очекивана деформација прихватљива или не Критеријуми за Flow Number: Саоб. Оптерећење (10 6 ст.ос.) Минимални Flow Number < 3 --- 3 to < 10 200 10 to < 30 320 Анализа запреминске масе и садржаја шупљина Анализа запреминске структуре асфалтне мешавине идентична као и код методе Marshall-а Основни параметри: Запреминска маса асфалтне мешавине Максимална запреминска маса Садржај шупљина у минералном материјалу Садржај шупљина испуњених ваздухом Проценат шупљина у минералном материјалу испуњених битуменом 30 580 Критеријуми у погледу запреминске структуре Саобраћајно оптерећење у току пројектног периода од 20 година (10 6 ст. ос. од 80 kn) < 0.3 Шупљине у минералном материјалу (%) 9.5 mm 12.5 mm 19 mm 25 mm 37.5 mm 15 14 13 12 11 Шупљине испуњене битуменом (%) 70 80 0.3 3 65 78 3 10 10-30 > 30 65-75 Одређивање оптималног садржаја везива Оптимални садржај везива је онај који даје 4 % шупљина испуњених ваздухом после N des ротација у жироскопском набијачу Асфалтна мешавина са оптималним садржајем везива мора да испуни услове у погледу: Запреминске структуре Садржај шупљина при N init Садржај шупљина при N max Садржај шупљина у минералном материјалу Садржај шупљина испуњених битуменом Отпорности на трајну деформацију Динамички модул Статички или динамички опит течења Пројектни садржај битумена Отпорност на дејство влаге Модификовани Lottman-ов тест Упоређује однос чврстоће на индиректно затезање узорка изложеног циклусима смрзавања и крављења и сувог узорка Минимална захтевана вредност је 0.8 за лабораторијске узорке и 0.7 за узорке из изведеног коловоза 65,дипл.инж. 11

Сумарни преглед препоручених испитивања Особина асфалтне мешавине Препоручено испитивање Ниво саобраћајног оптерећења Осетљивост на влагу AASHTO T 283 Сви Трајна деформација Flow Number илиdynamic Modulus, NCHRP RT 01-07 > 3 милиона стандардних осовина Отпорност на замор Не постоји - Отпорност на термичке Не постоји - Веза са моделима пропадања коловоза у новом AASHTO упутству на ниским температур. Колотрази Термичке Мрежасте Подужне Динамички модул X X X PG везива X X X Шупљине у изведеном слоју Ефективни % везива у изведеном слоју Шупљине у ММ у изведеном слоју Крутост на ниским температурама Чврстоћа на затезање X X X X X X X X Рефлект. Равност Утицај особина асф. мешавине на побољшање понашања кк Особине асфалтне мешавине PG везива за високе температуре PG везива за ниске температуре Пројектни садржај шупљина у ММ Прој.садржај шупљина исп. везивом Садржај филера Колотрази Термичке Мрежасте Деб 12.5 cm Мрежасте Деб.< 7.5 cm Подужне Повећати Повећати Смањити Смањити Смањити Смањити Повећати Повећати Повећати Повећати Повећати Шупљине у Смањити Смањити Смањити Смањити Смањити изведеном в.проф.др слоју Горан Младеновић,дипл.инж. 12