Вертикальный прогиб образца измеряют с помощью устройства, позволяющего из фиксируемого индикатором вертикального смещения исключать локальные деформации материалов на опорах (смятие).
Устройство представляет собой навесную рамку, закрепляемую в местах предполагаемой нейтральной линии изгиба (посередине высоты балочки) над опорами или же на торцах образца.
Рис. 26. Прибор для испытаний образцов-балочек на изгиб повторными кратковременными нагрузками.
Рис. 27. Схемы для учета смятия балочки на опорах при испытании ее на изгиб:
а — для общего вертикального перемещения середины балочки; б — для вертикального перемещения от смятия балочки на опорах
Подготовленный к испытанию образец нагружают, при этом фиксируют упругий прогиб. Для определения кратковременного модуля упругости используют значение упругого прогиба, измеренного после 10—30 циклов предварительных повторных уплотняющих нагружений. Модуль упругости лабораторный
Ел=KlКtPl3/(48fJ) , (30)
|
где |
Kl Кt |
— |
поправки, определяемые ниже по формулам (31) и (32); |
|
|
Р |
— |
вертикальная нагрузка; |
|
|
l |
— |
расчетный пролет балочки (0,14 м); |
|
|
f |
— |
упругий прогиб балочки |
|
|
J |
— |
момент инерции сечения образца (J=bh3/12, а b, h ширина и высота балочки). |
Если навесная рамка измерительного устройства закреплена на торцах образца длиной L, в расчеты по формуле (30) вводится поправка:
Kl =(3L-l)/(2l) , (31)
При испытании с продолжительностью нагружения tп, отличающейся от расчетной tп =0,1 с, в расчеты по формуле (30) следует ввести поправку
. (32)
Для определения кратковременного модуля упругости испытывают, как указывалось, не менее трех образцов. За значение модуля упругости принимают среднее арифметическое. Расхождения между данными параллельных испытаний не должны превышать 15%.
Если нет навесной рамки измерительного устройства, то упругое обмятие деформируемого образца на опорах и упругую податливость опор учитывают следующим образом. После испытания на изгиб (рис 27) и измерения общего вертикального смещения fизм низа образца, обусловленного не только изгибом, но и упругим обмятием образца в зонах контакта с опорами, податливостью опорных стоек и т. д., проводят дополнительное испытание. Поверх балочки на двух опорах укладывают достаточно жесткую стальную пластинку и нагружают ее той же силой Р; при этом асфальтобетонная балочка не изгибается, а только обратимо смещается в вертикальном направлении относительно опорной станины. Это дополнительное смещение fдоп тоже фиксируют индикатором. Расчетный упругий прогиб f = fизм —fдоп .
Способ подготовки образцов к испытанию на прочность по растяжению при изгибе и схема их нагружения те же, что и при испытании с целью определения модуля упругости. Образцы испытывают на механическом прессе УММ-5 со скоростью деформирования 100 мм/мин при расчетной температуре асфальтобетона. Разрушающую нагрузку Рp измеряют силоизмерительным устройством, обеспечивающим точность отсчета до 5%, в частности, механическим динамометром ДОСМ-5 или ДОСМ-3, закрепляемым в верхнем захвате пресса.
При изгибе однократным нагруженном лабораторный предел прочности на растяжение:
(33)
Испытывают не менее трех образцов. За нормативное принимают среднее арифметическое значение показателя.
Для определения модуля упругости при повышенных температурах, т. е. от +30 до +60°С, смесь приготавливают в соответствии с требованиями стандартных методик. Цилиндрические образцы изготавливают в стальной форме диаметром 20 см и высотой не менее 28 см. Форма состоит из отдельных колец, верхнее из которых служит для размещения в форме всего заданного объема материала в рыхлом состоянии и снимается после прессовки.
Смесь послойно укладывают в форму, тщательно штыкуют и затем уплотняют на 150-тонном гидравлическом прессе. Нагрузку подбирают, чтобы плотность асфальтобетона, контролируемая по толщине уплотненного слоя, была стандартной, т. е. уплотняющая нагрузка при формовке образцов ориентировочно должна находиться в пределах 5—15 МПа для грунтовых смесей, 16—25 МПа для песчаных и мелкозернистых смесей и до 40 МПа для среднезернистых и крупнозернистых смесей.
Образцы испытывают через 12—42 ч после изготовления и не ранее, чем через 4 ч после их выдерживания в термокамере при заданной температуре. Испытывают в термокамера или в лабораторном помещении, поддерживая температуру образца электрообогревателями. Нагрузку на образец от рычажного пресса передают через стальной штамп D = 4 см; деформации измеряют индикаторами часового типа (рис. 28). Жесткость крепления индикаторов проверяют легким постукиванием металлическим предметом по краю формы; стрелки индикаторов должны чуть заметно дрожать, но после прекращения постукивания возвращаться в свое первоначальное положение. Постукивать по форме следует также и в процессе испытания перед снятием с индикаторов рабочих отсчетов.
Образец испытывают дважды при нагрузке р=0,5 МПа с длительностью действия 5 и 300с (5 мин); продолжительность действия нагрузки в отдыха после разгрузки принимают одинаковой. Показания индикаторов снимают в конце нагружения и в конце отдыха, а затем по разности отсчетов рассчитывают обратимое вертикальное перемещение (в сантиметрах) штампа f.
Модули упругости (в мегапаскалях)
, (34)
|
где |
|
— |
коэффициент Пуассона; |
|
|
D |
— |
диаметр штампа. |
Располагая значениями модуля упругости асфальтобетона, полученными в результате испытания моделей в лаборатории при продолжительности действия нагрузки 5 с (Е5) и 300 с (Езоо), определяют модуль упругости ел этого материала, работающего в условиях, близких к натурным:
(35)
Рис. 28. Схема установки штампа и индикаторов при определении модуля упругости материал на рычажном прессе:
1 – индикаторы часового типа; 2 – штамп с заплечниками; 3 – форма с образцом
Эта формула учитывает различие в процессах формирования материала, в сопротивлении его деформированию, а также в режимах нагружения в лабораториях и натуре.
Испытание образцов из материалов, содержащих неорганическое вяжущее. К таким материалам относятся цемент, известь, гранулированный шлак, зола-уноса и др. Сопротивление растяжению при изгибе и модуль упругости грунтов и материалов, укрепленных неорганическим вяжущим, определяют на образцах-балочках, которые изготавливают и хранят до испытаний по стандартной методике. Для каждого вида испытаний готовят по три образца. Образцы в зависимости от размера испытывают на прессах рычажных гидравлических или с механической подачей поршня, способных передавать нагрузку 5—100 кН. Точность отсчета показаний силоизмерительного устройства пресса до 5%.
Прессы для испытаний образцов-балочек должны быть оборудованы дополнительными приспособлениями — специальными столами (подставками) или траверсами, несущими на себе цилиндрические опоры для балочек, при этом одна из опор должна быть подвижной. Радиус закругления опорных поверхностей должен быть в пределах 10—15 мм. В подставке имеется отверстие для крепления индикатора часового типа (см. рис. 27).
Испытываемый образец после извлечения из воды вытирают мягкой тканью и помещают на две опоры подставки, расстояние между которыми равно 14 см для балочек размером 4416 см и 30 см для балочек размером 101040 см. Образец устанавливают на опоры той гранью, которая при изготовлении образца была вертикальной. Поверхность балочки должна прилегать к опорам плотно по всей ширине. Образец нагружают посередине пролета на всю ширину балочки. Под образец помещают прикрепленный к подставке индикатор часового типа для определения вертикального смещения (прогиба). После установки образца приступают к испытанию. Скорость нагружения образцов должна составлять 2—4 мм/мин.
Предел прочности на растяжение при изгибе вычисляют по формуле (33), как среднее арифметическое результатов испытаний трех образцов; расхождение между результатами отдельных испытаний не должно превышать 15%. Ориентировочные значения предела прочности на растяжение при изгибе можно получить по результатам испытания цилиндрических образцов на растяжение Rраск при расколе. В этом случае предел прочности на растяжение при изгибе
(36)
При определении модуля упругости образец нагружают ступенями, с разгрузкой после каждой ступени. Значение ступени нагрузки выбирают так, чтобы иметь три — пять ступеней в процессе испытания. Вертикальный прогиб fсумм балочки измеряют индикатором часового типа. Время действия каждой ступени нагрузки 1 мин, разгрузки 30 с. Для исключения местного упругого смятия образца в зоне его контакта с опорами испытания производят по схеме рис. 27.
Модуль упругости определяют при нагрузке 0,5—0,7 от разрушающей нагрузки по формуле (30) при Кt = 1,0.
С помощью одного и того же образца-оболочки можно одновременно с определением модуля упругости найти предел прочности на растяжение при изгибе. В этом случае испытывают ступенчато-возрастающей нагрузкой до разрушения балочки. Ступень нагрузки ∆Р назначают в зависимости от предельной нагрузки Рпр, при которой фиксируется разрушение, исходя из условия ∆Р ≤ 0,1 Рпр
За расчетную разрушающую нагрузку Рр принимают разность между предельной нагрузкой, при которой зафиксировано разрушение данной балочки, и половиной последней ступени ∆Р.
Определение значений характеристик монолитных материалов по данным лабораторных испытаний. Расчетное значение модуля упругости
Ер=Кк – Ел, (37)
где Кк — коэффициент, учитывающий изменение модуля упругости материала в конструктивном слое в процессе эксплуатации дороги.
Модули упругости слоев из монолитных материалов могут уменьшаться в результате образования трещин и водо-морозных воздействий и возрастать в результате длительных и многолетних физико-химических изменений, вяжущих веществ. Для асфальтобетона трещинообразование не допускается, что же касается возможного снижения жесткости от водо-морозных воздействий, то они в большей или меньшей мере компенсируются повышением жесткости вяжущего. Поэтому для асфальтобетонов следует принимать Кк =1. Для материалов и грунтов, укрепленных цементом, находящихся в конструктивных слоях дорожной одежды, характерно образование трещин и пространственная неоднородность. Ориентировочные значения коэффициента Кк с учетом укрепляемых неорганическими вяжущими материалов или грунтов следующие:
Подобранная щебеночная (гравийная) смесь0,1
Малопрочный каменный материал, отходы камнедробления и смеси с супесью или песком0,6
Легкая супесь, разнозернистые пески0,05
Пылеватая супесь, суглинок0,04
Коэффициент Кк необходимо уточнять по мере накопления данных испытаний.
Сопротивление растяжению при изгибе
Rизг = Rизг. л Кр Ккп Кт ; (38)
Ккп = N -m , (39)
|
где |
Кр |
— |
коэффициент, учитывающий снижение прочности материала в конструкции от водо-морозных воздействий. Для асфальтобетонов его принимают равным коэффициенту длительной водоустойчивости, а для материалов и грунтов, укрепленных неорганическими вяжущими, равным коэффициенту морозостойкости; |
|
|
Ккп |
— |
коэффициент, учитывающий кратковременность и повторность нагружений на дороге; |
|
|
Кт |
— |
коэффициент, учитывающий снижение прочности материала в конструкции в результате температурно-усадочных воздействий. Принимая во внимание малое число данных натурных наблюдений, для асфальтобетонов с учетом релаксации длительно действующих температурно-усадочных напряжений Кт =1,0, для укрепленных неорганическими вяжущими каменных материалов Кт =0,9, а для связных грунтов Кт =0,8; |
|
|
m |
— |
показатель усталостной зависимости. Для теплого (плотного и пористого) и высокопористого асфальтобетона m=0,27, для горячего (плотного и пористого) асфальтобетона m=0,16, a для материалов и грунтов, укрепленных цементом m =0,06; |
|
|
N |
— |
интенсивность воздействия нагрузок от расчетных автомобилей, ед./сут, по одной полосе. |
В связи с недостаточной изученностью вопроса методы определения значений характеристик монолитных материалов по данным лабораторных испытаний следует рассматривать как приближенные.
Определение модуля упругости грунтов и материалов в натурных условиях. Испытания проводят на реальных конструкциях, имеющихся на дорогах или создаваемых в натурном масштабе на полигонах и в грунтовых каналах. Модули упругости грунтов земляного полотна и неукрепленных каменных материалов слоев оснований определяют испытанием местным нагружением. Нагрузку на испытуемую конструкцию передают через круглый жесткий штамп с диаметром, близким к размеру усредненного следа колеса расчетного автомобиля (30 см ≤ D ≤ 34 см). Конструкции со слоями из монолитных или плотных слабосвязных материалов допускается испытывать с помощью сдвоенного пневматического колеса с профилем обода 203В, 216В, 228В.
