Распоряжение Федерального дорожного агентства от 29 декабря 2011 г. N 1034-р "Об издании и применении ОДМ 218.3.018-2011 "Методические рекомендации по определению усталостной долговечности асфальтобетонных покрытий" (с изменениями и дополнениями)

Распоряжение Федерального дорожного агентства от 29 декабря 2011 г. N 1034-р
"Об издании и применении ОДМ 218.3.018-2011 "Методические рекомендации по определению усталостной долговечности асфальтобетонных покрытий"

В целях реализации в дорожном хозяйстве основных положений Федерального закона от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ "О техническом регулировании" и обеспечения дорожных организаций методическими рекомендациями по определению усталостной долговечности асфальтобетонных покрытий:

1. Структурным подразделениям центрального аппарата Росавтодора, федеральным управлениям автомобильных дорог, управлениям автомобильных магистралей, межрегиональным дирекциям по строительству автомобильных дорог федерального значения, территориальным органам управления дорожным хозяйством субъектов Российской Федерации рекомендовать к применению с 23.01.2012 ОДМ 218.3.018-2011 "Методические рекомендации по определению усталостной долговечности асфальтобетонных покрытий " (далее - ОДМ 218.3.018-2011).

2. Управлению научно-технических исследований, информационного обеспечения и ценообразования (В.А. Попов) в установленном порядке обеспечить издание вышеуказанных ОДМ 218.3.018-2011 и направить их в подразделения и организации, упомянутые в пункте 1 настоящего распоряжения.

3. Контроль за исполнением настоящего распоряжения возложить на заместителя руководителя Н.В. Быстрова.

Руководитель

A.M. Чабунин

Отраслевой дорожный методический документ ОДМ 218.3.018-2011
"Методические рекомендации по определению усталостной долговечности асфальтобетонных покрытий"

Москва 2011 г.

Предисловие

1 Разработан Обществом с ограниченной ответственностью "Инновационный технический центр"

2 Внесен Управлением научно-технических исследований, информационного обеспечения и ценообразования Федерального дорожного агентства

3 Издан на основании распоряжения Федерального дорожного агентства от 29 декабря 2011 г. N 1034-р

4 Имеет рекомендательный характер

5 Введен впервые

1. Область применения

Настоящий отраслевой дорожный методический документ (далее - ОДМ) распространяется на асфальтобетонные смеси, применяемые для устройства конструктивных слоев дорожной одежды, и устанавливает методики определения усталостной долговечности асфальтобетонных покрытий альтернативными способами: двухточечная схема испытания на изгиб на трапециевидных образцах, четырехточечная схема испытания на изгиб образцов призматической формы и испытание на непрямое растяжение в образцах цилиндрической формы.

Данные методики используют для возможности сравнения асфальтобетонных смесей по показателю усталостной долговечности, с целью получения данных для наиболее приближенной оценки работы материала в покрытии и применения результатов испытания для нормирования свойств асфальтобетонных смесей.

2. Термины и определения

В настоящем ОДМ применяются следующие термины с соответствующими определениями:

2.1 усталость (усталостная долговечность): Снижение прочности материала, под воздействием повторяющейся нагрузкой по сравнению с прочностью при единичном нагружении.

2.2 обычные критерии отказа (постоянное смещение): Количество приложений нагрузки, , при котором комплексный модуль упругости снижается в половину от первоначального значения.

2.3 начальный комплексный модуль упругости: Комплексный модуль упругости, , после 100 приложения нагрузки.

2.4 Усталостная долговечность образца: Число циклов , в соответствии с обычным критерием отказа и условиями испытания k (температура, частота и режим нагрузки, например постоянный уровень деформации, или постоянный уровень силы, и/или любые другие постоянные условия нагружения).

3. Средства контроля и вспомогательное оборудование

3.1 Двухточечная схема испытания на изгиб на трапециевидных образцах.

Испытательная машина - позволяющая применять синусоидальное смещение верха образца с фиксированной частотой и способная применять нагрузки на образцы с частотой () Гц и, если требуется испытание при других частотах, то могут использоваться устройства с точностью задания частоты .

Термостатирующая камера - вентилируемая камера, способная вместить образец и зажимающие устройства, и способная поддерживать температуру с точностью в течение всего времени испытания.

3.2 Четырехточечная схема испытания на изгиб образцов призматической формы.

Испытательная машина - способная прикладывать синусоидальную нагрузку к образцу специальным механизмом к двум внутренним зажимам, установленным на образце (рисунок 1). Частота нагрузки, , может находиться в пределах от 0 до 60 Гц с точностью 0,1 Гц. Оборудование может быть сконструировано из стойкого к коррозии металла. Нагружающая установка может иметь предел измерения не меньше Н и может удовлетворять требованиям к датчикам с классом точности 0,2. Измерение силы может производиться посередине между двумя внутренними зажимами. Измерение перемещений может производиться на поверхности нижней грани образца между зажимами или около одного из них.

Закрепляющие устройства - устройство, способное закреплять образец (балочку) в изгибающей раме с обеспечением горизонтального перемещения и свободного вращения на всех опорах. Рассчитанный модуль упругости для эталонной балочки с известным модулем упругости может быть в пределах 2% для модуля и в пределах 0,6° для фазовой задержки.

Термостатирующая камера - вентилируемая и обеспечивающая определение средней температуры воздуха на расстоянии не менее чем в 10 мм от образцов с точностью , и способная поддерживать и регулировать температуру с точностью до 0,5°С.

3.3. Испытание на непрямое растяжение в образцах цилиндрической формы.

Испытательная машина - способная прикладывать повторяющуюся синусоидальную нагрузку с периодами релаксации при заданном уровне нагружения в интервале от 0,5 до 10 кН с точностью 0,25%.

Датчик - измеряющий перемещения вдоль горизонтальной диаметральной оси с точностью не менее 1 мкм.

Термостатирующая камера - способная поддерживать температуру испытаний с точностью .

Система измерения и записи - записывающие и измеряющие устройства для определения сжимающей нагрузки и горизонтальных деформаций способные производить измерения с минимальной частотой 10 Гц.

Нагружающая рама (рисунок 2) - содержащая две нагружающие полосы. Верхняя полоса может быть вставлена в балку, которая шаровой опорой соединена с нагружающим устройством.

Нагружающие полосы (рисунок 3) - с вогнутыми поверхностями и закругленные края должны иметь радиус кривизны равный радиусу образца. Нагружающие полосы для образцов диаметром 100 мм и диаметром 150 мм могут иметь ширину () мм и () мм соответственно.

Полосы деформации - две изогнутые стальные полосы с радиусом кривизны равным радиусу испытательного образца, к которым могут быть прикреплены тензометры деформации. Стальные полосы могут иметь толщину 2 мм, ширину 10 мм и 80 мм в длину. Полосы могут быть зафиксированы на боковых сторонах горизонтального диаметра либо клеем, либо пружинами (рисунки 2 и 3). Тензометры могут быть расставлены таким образом, чтобы горизонтальный диаметр измерялся разницей в расстояния между двумя полосами по среднему значению показаний двух тензометров.

4. Отбор проб и приготовление образцов

4.1. Двухточечная схема испытания на изгиб на трапециевидных образцах.

Образцы могут быть в форме равнобедренной трапеции, с постоянной толщиной, как показано на рисунке 4, и с размерами, приведенными в таблице 1.

Таблица 1 - Размеры образцов

Размеры образцов	При наибольшем размере зерна каменных материалов mm	При наибольшем размере зерна каменных материалов mm	При наибольшем размере зерна каменных материалов D mm
В	mm	mm	mm
b	mm	mm	mm
е	mm	mm	mm
h	mm	mm	mm

Образцы для испытания могут быть получены путем распиливания плит, полученных в лаборатории, а также из плит, взятых из слоев покрытия. Плиты могут быть достаточных размеров (см. таблицу 1) и иметь толщину не менее 40 мм.

Образцы могут храниться на ровной поверхности при температуре <30°С в условиях, предотвращающих их изгиб, а также могут быть защищены от солнца.

Перед установкой для испытания, каждый образец может быть приклеен своим большим основанием в паз (около 2 мм) из металла с минимальной толщиной 20 мм, как показано на рисунке 5. Эта операция может выполняться с использованием клеящего состава, обеспечивающего горизонтальную и надежную фиксацию образца на основании. Клеевая пленка может быть как можно тоньше.

Образцы могут быть испытаны в течение 2-8 недель с момента их приготовления.

4.2 Четырехточечная схема испытания на изгиб образцов призматической формы.

Образец может иметь форму призматической балки со следующими номинальными пропорциями и допусками:

- Общая длина не может превышать эффективную длину L более чем на 10%;

- Разница между максимальным и минимальным измеренным значением ширины и высоты не может превышать 1,0 мм; разница между минимальным и максимальным измеренным значением длины не может быть больше 2,0 мм;

- Угол между соседними продольными поверхностями не может отклоняться от прямого угла более чем 1°.

Рекомендуется также, чтобы:

- Эффективная длина L была не менее чем в шесть раз больше В (большее из значений ширины или высоты);

- Ширина В и высота Н была в три раза больше максимального размера зерна D в исследуемом материале.

Испытательные образцы могут изготавливаться путем выпиливания из плит, приготовленных в лаборатории или взятых из слоев дорожной одежды.

Плиты, приготовленные в лаборатории могут иметь толщину Н плюс как минимум 20 мм. Балки могут выпиливаться из середины. Расстояние от балочки до края плиты может быть как минимум 20 мм. Для балочек, получаемых из плит дорожного покрытия, процедура и требования те же. В случае если толщина слоя мала для выполнения требований соотношения толщины и размера зерен смеси, балочки могут быть повернуты на угол 90°. В таких случаях ширина балочки не будет удовлетворять требованиям, что может быть отражено в отчете об испытании. Оси балочек могут быть параллельны осям уплотнения.

После распиловки, испытываемые образцы могут быть высушены на воздухе до постоянной массы, при относительной влажности воздуха менее 80% и при температуре от 15 до 25°С. Образец считается высушенным, когда после двух взвешиваний с интервалом в 24 ч отличие по массе менее чем на 0,25%. Взвешивание осуществляется с точностью до 0,1 г.

Образец может храниться в опоре на ровной поверхности. Поверхность, на которую опирается образец, может быть плоской и чистой. Образцы не могут быть уложены друг на друга. Образцы, предназначенные для испытания в данный момент, могут храниться в сухом месте при температуре от 0° до 20°С. Если образцы могут храниться в течение более 1 месяца, температура в комнате хранения может быть в пределах 0° и 5°С. Относительная влажность в комнате хранения не может превышать 80%. Образцы могут быть испытаны в возрасте между 2 недель и 8 недель с момента их приготовления.

Образец может быть проверен визуально на предмет однородности, уплотнения, содержание пустот или наличие больших частиц наполнителя - это отмечается в результатах испытания.

В качестве устанавливаемой системы внутренних и внешних зажимов на балку может быть использована та, которая позволяет свободно вращаться и передавать нагрузку между опорами. Требуемая величина прогиба может измеряться как прогиб между двумя внутренними зажимами. Балка, как и все закрепляющие механизмы и подвижные части, могут быть взвешены и могут быть определены точки, где эти массы оказывают влияние и выражены в коррелирующем факторе.

4.3 Испытание на непрямое растяжение в образцах цилиндрической формы.

Для проведения испытания приготавливается от 10 до 18 образцов. Возраст уплотненной смеси может быть не менее одной недели. Цилиндрические образцы для испытания могут быть получены следующим образом:

- Испытательные образцы, подготовленные в лабораторных условиях с помощью Гиратора;

- Испытательные образцы, подготовленные в лабораторных условиях путем отбора кернов из плит, сформованных в лабораторных условиях;

- Испытательные образцы - керны, взятые из слоев покрытия.

Образец могут иметь следующие размеры:

- Высота не менее 40 мм и диаметр () мм для максимального размера зерен 20 мм;

- Высота не менее 60 мм и диаметр () мм для максимального размера зерен до 40 мм.

Образцы перед испытанием выдерживаются в термостатирующей камере при заданной температуре испытания не менее 4 часов.

5. Порядок проведения испытания

5.1 Двухточечная схема испытания на изгиб на трапециевидных образцах.

Этот метод характеризует поведение битумных смесей под действием усталостных нагрузок с контролируемым перемещением по двухточечной схеме испытания образцов трапециевидной формы. Метод может быть использован для битумных смесей с максимальным размером заполнителя до 20 мм, приготовленных в лаборатории или полученные из слоя дорожной одежды не менее 40 мм толщиной. Для смесей с максимальным размером зерен D от 20 мм до 40 мм, испытания могут быть выполнены с использованием тех же принципов, но с адаптированными размерами образца. Для каждой частоты синусоидальных перемещений, испытание осуществляется на нескольких образцах в вентилируемых камерах при контролируемой заданной температуре.

5.1.1 Подготовка испытательного оборудования.

Термостатирующая камера и нагружающее оборудование может быть доведено до температуры испытания.

Образцы для испытания могут быть установлены на испытательной машине. Люфт смещения может составлять мкм. Если используется металлический образец для настройки перемещения, то он может быть того же типа, как металлические образцы. Испытания на усталость не могут быть запущены, пока не проверено, что температура балочки достигла температуры испытания.

5.1.2. Выполнение испытаний на усталость.

Образец i может перемещаться синусоидально своей верхней частью, с заданной амплитудой смещения (погрешность мкм), до достижения критерия отказа. Между 100 и 500 циклами, силы реакции могут быть зарегистрированы точностью , может быть рассчитана средняя сила реакции. Перемещение zi может быть измерено и деформация образца рассчитывается для каждого данного испытательного образца. Число циклов Ni в момент достижения критерия отказа может быть измерено с точностью до 300 циклов.

Для асфальтобетонных образцов проводят как минимум 18 единичных испытаний.

5.2. Четырехточечная схема испытания на изгиб образцов призматической формы.

Этот метод характеризует поведение асфальтобетонных смесей при действии усталости нагрузки по четырехточечной схеме испытания на изгиб в образцах - балочках призматической формы, в которых внутренние и внешние зажимы расположены симметрично. Призматическая балочка может подвергаться четырехточечному периодическому изгибу со свободным вращением и передачей нагрузки между 4 опорными точками. Изгиб балки может производиться путем загрузки двух внутренних точек, в вертикальном направлении, перпендикулярном продольной оси балки. Вертикальное положение внешних зажимов может быть зафиксировано. Такая конфигурация нагрузки может создать постоянный момент, и, следовательно, постоянное напряжение, между двух внутренних зажимов. Нагрузки могут быть синусоидальными. Во время испытания нагрузки, необходимые для изгиба образца, прогиб и запаздывание по фазе между этими двумя сигналами измеряется как функция времени. Усталостные характеристики материала могут определяться с этих измерений.

5.2.1. Проверка работы оборудования и установки образцов.

Все оборудование может быть метрологически поверено как минимум один раз в год с использованием эталонных балочек с известным модулем упругости (модулями и запаздыванием фазы). Изгибающий момент балочки (-ек) должен выбираться так, чтобы быть равным изгибающему моменту обычного испытываемого образца из асфальтобетона (модули упругости в пределах от 3 до 14 ГПа). Эталонная балочка может быть испытана не менее чем при двух частотах, двух температурах и двух уровнях прогиба. Рассчитанные модули упругости могут быть внутри интервала отклонения 2% от известных модулей и в пределах 0,5° от известных углов запаздывания. Если, в связи с электронными компонентами или механического оборудования выявляются систематические отклонения (или большие распределения), процедура пересчета применяется для программного обеспечения.

5.2.2. Выбор условий испытания.

Для данной температуры и частоты испытание может проводиться не менее чем в три уровня в выбранном режиме нагрузки (например, из трех уровней деформации с постоянной режима отклонения) с минимум шестью повторениями на каждом уровне. Уровни для загрузки выбранного режима могут быть выбраны таким образом, чтобы усталость находилась в пределах от до циклов.

5.2.3. Выполнение усталостных испытаний.

Нагружающее оборудование и образцы могут быть подготовлены и доведены до температуры испытания не менее чем в течение времени, указанном в таблице 2. В целях предотвращения старения и деформации образца, термостатирование не может превышать шести часов.

Таблица 2 - Минимальное время термостатирования.

Температура термостатирования, °С	Мин. Время термостатирования, ч
0	2
20	1

Балка с двумя внешними и двумя внутренними зажимами может быть установлена в силовой раме. Затем балка может быть нагружена синусоидально на выбранной частоте на этапе перемещения. Необходимое усилие может прикладываться к образцу через нагружающую раму, соединенную с двумя внутренними зажимами. Выбранный режим нагрузки может обеспечивать достоверное измерение нагрузки и перемещения. Сила, перемещение и фазовое запаздывание между силой и перемещением может быть записано после 100 циклов и затем постоянно.

Необходимо сделать не менее 100 измерений, которые принимаются на регулярной основе в течение всего испытания (N = 100 до N = ).

Начальное значение расчетных модулей Smix рассчитывается из измеренных значений для силы, перемещения и фазовой задержки после сотого цикла (N = 100). Усталостные испытания могут быть продолжены, пока рассчитанный модуль Smix не снизится до половины своего первоначального значения или пока образец не сломается.

При необходимости, частотный спектр исходного комплексного модуля упругости при выбранной температуре испытания может быть получен до испытания на усталость. Это предварительный тест состоит из измерений в диапазоне номинальных частот (например, 1 Гц, 3 Гц, 5 Гц, 10 Гц, 20 Гц, 30 Гц и 60 Гц, а затем снова на 1 Гц). Режим нагрузок в этом предварительном испытании может проводиться при постоянном прогибе представленный для максимальной амплитуды изгибающей деформации менее чем 50 мкм/м. На каждой частоте могут производиться не менее 200 повторений. Для того чтобы, избежать преждевременного усталостного повреждения, общее число приложений для всех частот, не может превышать 3000. При низких температурах (), не может быть короткого периода релаксации продолжительностью около 10 минут до фактического начала испытания усталости.

5.3. Испытание на непрямое растяжение в образцах цилиндрической формы.

Этот метод характеризует поведение асфальтобетонных смесей при повторяющихся нагрузках, прикладываемых в постоянном режиме нагружения с использованием схемы на непрямое растяжение. Цилиндрический образец для испытания может подвергаться повторяющейся сжимающей гиперсинусоидальной нагрузки. Эта нагрузка развивается относительно равномерного растяжения перпендикулярно к направлению приложенной нагрузки и вдоль вертикальной диаметральной плоскости, что приводит к разрушению образца за счет появления вертикальной трещины в центральной части вертикального диаметра. При этом определяется результирующая горизонтальная деформация образца и коэффициент Пуассона, который используется для расчета напряжения деформации в центре образца. Наступление предела усталости определяется как общее количество приложений нагрузки до разрушения образца.

Испытание может охватывать диапазон деформаций от 100 мкм до 400 мкм и долговечность тестируемого материала может быть в диапазоне между и циклов.

Образцы испытываются на трех уровнях напряжения, по трем образцам на каждом уровне в случае лабораторного производства образцов и не менее пяти образцов кернов из покрытия.

Образец может помещаться в загрузочное устройство таким образом, чтобы оси полос деформации были перпендикулярны осям полос нагрузки.

Тензометры для измерения деформации устанавливаются и регулируются при помощи винтов, так чтобы общее расстояние между контрольными точками могло быть измерено.

Испытания начинаются от амплитуды нагрузки 250 кПа. Повторяющаяся синусоидальная нагрузка может прикладываться в течение 0,1 с и затем 0,4 с время отдыха. Если деформация на экране монитора в течение первых 10 приложений вне диапазона деформаций (100 до 400) мкм, испытание может быть немедленно остановлено и уровень нагрузки может быть отрегулирован.

Во время испытаний, нагрузки и горизонтальные деформации, могут контролироваться постоянно и с периодичностью предварительно выбранных интервалов времени.

Испытание прекращается, когда появляются очевидные трещины на вертикальной оси образца.

6. Обработка результатов испытания

6.1 Двухточечная схема испытания на изгиб на трапециевидных образцах.

На основе результатов, представляющих усталостную долговечность Ni для выбранной деформации , график усталости составляется путем линейной регрессии между десятичными логарифмами Ni и десятичными логарифмами, имеющими следующий вид:

(1)

Для n результатов может быть вычислено следующее:

- оценка деформации при циклах

(2)

- оценка остаточного стандартного отклонения

(3)

- показатель качества

(4)

Где

(5)

6.2. Четырехточечная схема испытания на изгиб образцов призматической формы.

6.2.1 Обработка данных.

Используя полученные данные о силе, прогибе и фазовом запаздывании между этими двумя сигналами на цикле нагружения n(i), определятся:

- Амплитуда деформации;

- Амплитуды напряжения;

- Модуль комплексного модуля (динамический модуль упругости).

Также могут быть рассчитаны:

- Фазовая задержка;

- Поглощенная энергия на цикл;

- Накопленная поглощенная энергия к циклу N(L).

Для того чтобы определить начальные значения, первый цикл нагрузки n(i) может быть принят 100-й цикл нагрузки.

Если используется преобразование Фурье, поглощенная энергия может вычисляться с использованием всех компонентов полученного уменьшения частоты спектра (закон Парсиваля). Выбранная частота испытания может быть равной одной из компонент частоты в уменьшающемся спектре частоты.

На основе результатов, представляющих продолжительность жизни для выбранных критериев отказа j, график усталости оформляется путем линейной регрессии между натуральных логарифмов и натуральных логарифмов начальной амплитуды деформации (амплитуды деформации на 100-цикле), имеющий следующий вид:

(6)

Где:

i - номер образца,

j - обозначение принятого критерия отказа;

k - обозначение выбранных условий испытания;

- начальная амплитуда деформации на 100-м цикле.

Усталостная долговечность может измеряться как минимум на 3 уровнях для каждого режима нагрузки с как минимум 6 повторами на уровень. Могут быть рассчитаны следующие показатели:

- оценка обозначенная как уклон р;

- оценка отмеченное как q;

- корреляционный коэффициент регрессии r,

- оценка остаточного стандартного отклонения, , обозначаемое как ;

- оценка начальной деформации для выбранного критерия отказа при котором усталостная долговечность может ожидаться для условий испытания.

6.3. Испытание на непрямое растяжение в образцах цилиндрической формы.

Срок разрушения определяется как общее количество циклов нагрузки до полного разрушения образца. Срок разрушения виден из взаимозависимости между логарифмом числа циклов нагрузки и общей горизонтальной деформации (рисунок 7).

Максимальная деформация растяжения и напряжение в центре образца может вычисляться по следующим выражениям:

(7)

(8)

Если v = 0,35, то:

(9)

Где:

- растягивающее напряжение в центре образца в мегапаскалях (МПа);

Р - Максимальная нагрузка в Ньютонах (Н);

t - толщина образца в миллиметрах (мм);

- диаметр образца в миллиметрах (мм);

- деформация растяжения в центре образца;

- горизонтальная деформация в миллиметрах (мм).

Начальная деформация рассчитывается в соответствии с уравнением (16) от общей горизонтальной деформации при сотом приложении нагрузки, которая показана на рисунке 8.

Начальная деформация рассчитывается после скачка деформации, в момент стабилизации и когда последующее деформирование стало стабильным, что обычно происходит до 60 циклов нагрузки. Начальное значение деформации рассчитывается от разницы между средним значением общей горизонтальной деформации от 5 циклов нагрузки до 98-102 и средним значением из минимальных горизонтальных деформаций от 5 циклов нагрузки до 60-64. Эта процедура позволяет легко вычислить исходную деформацию на компьютере с данными для образца.