تست های آزمایشگاهی آسفالت

با توجه به دشواری ایجاد چنین فشارهای پیچیده و با دقت در محیط آزمایشگاه، آزمایش های ساده ای بعنوان جایگزین ارائه شده است که می تواند جنبه های خاصی از رفتار درجا را ایجاد و بررسی کند. از این آزمایش ها همچنین برای ارتباط طراحی مخلوط آزمایشگاهی با عملکرد درجا در رابطه با جنبه هایی از جمله حساسیت به رطوبت، مقاومت در برابر تغییر شکل، سفتی، خستگی و مقاومت در برابر کشش استفاده می شود.

طی این سال ها تست های آزمایشگاهی زیادی ارائه شده است. تلاش ها برای استاندارد کردن آزمایش های خاص برای استفاده معمول ادامه دارد و با گذشت زمان و با پیشرفت در فناوری تجهیزات که رفتار مواد را با دقت بیشتری اندازه گیری می کند نیز توسعه یافته اند. به طور کلی تست های آزمایشگاهی را میتوان به سه گروه عمده زیر تقسیم بندی کرد  که در اینجا بطور خلاصه به توضیح بعضی از آنها میپردازیم:

الف) بنیادی

ب‌)  شبیه سازی

ج‌)  تجربی

 

در دهه 1970، شل یک آزمایش خزش ساده بکار گرفت که به موجب آن یک بار فشار تک محوری به نمونه های استوانه ای نامحدود آسفالت برای ارزیابی مقاومت در برابر تغییر شکل مواد اعمال شد.

این آزمون به دلیل سهولت در تهیه نمونه، سادگی روش آزمون و هزینه کم تجهیزات آزمون، مورد قبول گسترده قرار گرفت. تنها الزامات نمونه آزمایش این است که باید منشوری دارای انتهای مسطح و موازی طبیعی با محور نمونه باشد، در حالیکه روش آزمایش شامل اعمال یک فشار محوری ثابت تا 500 کیلو پاسکال برای یک نمونه با قطر 100 میلی متر تا 10000 ثانیه و در دمای ثابت و اندازه گیری تغییر شکل حاصل باشد.

محدودیت بارز آزمایش خزش ساده این است که مکانیزم بارگیری استاتیک شرایط بارگذاری ترافیک عبوری را که آسفالت ها در سرویس قرار می گیرند شبیه سازی نمی کند و مشخص شد که پیش بینی ترک ها بر اساس این آزمایش، عمق ترک ها را که در روسازی های آزمایشی اندازه گیری شده، کمتر اندازه گرفته است. علاوه بر این بارگذاری استاتیک نمی تواند عملکرد بهبود یافته بایندرهای اصلاح شده را که خواص الاستیک یک آسفالت را افزایش می دهد به تفسیر دربیاورد، در حالیکه در مقابل میتوان تحت آزمایش بارگذاری مکرر نشان داده شود.

آزمون های دینامیکی از لحاظ دوره های بارگذاری پیچیده تر از آزمایش های بارگذاری مکرر هستند و آزمون های دینامیکی فرکانس ها، بارهای حلقوی تکراری را در محدوده ای از فرکانس ها اعمال می کنند. این امر به کاربرد دقیق تر بار و سیستم های اندازه گیری تغییر شکل نیاز دارد.

چندین روش آزمون دینامیک برای تعیین سختی و مقاومت در برابر خستگی بکار گرفته می شود. آزمون خمش با استفاده از قیر یا ستون سر آزاد که تحت بارهای مکرر قرار دارند از دهه 1970 استفاده می شود. در چنین تست هایی حداکثر فشار در نقطه ای از سطح نمونه رخ می دهد و محاسبه آن با استفاده از فرمول استاندارد خمش تیر، به فرض کشش خطی بستگی دارد.

استانداردهای اروپایی(BSI ، 2012a ، 2012b) ) روش های مختلف مقاومت به خستگی و سختی دینامیک از جمله آزمون های خمشی را که در جدول ذیل نشان داده شده است گرد آورده است.

در آزمون خمش کنسول دو نقطه ای، انواع نمونه منشوری ذوزنقه ای و مربعی که هر دو در استانداردهای اروپا گنجانده شده اند(BSI ، 2012a ، 2012b) ) و حداکثر اندازه های مختلف سنگدانه ها نیز در ابعاد نمونه آزمایش در نظر گرفته شده است. انتهای پایه نمونه چسبانده می شود و بدین ترتیب در حالیکه بار سینوسی در قسمت سر اعمال می شود به سختی نگه داشته می شود. برای اندازه گیری مدول سختی، نیرو یا انحراف اعمال شده در دما و فرکانس های تعریف شده فقط باید باعث ایجاد حداکثر 50 ریز فشار در قسمت تحت فشار بیشتر نمونه آزمایش شود تا در محدوده خطی باقی بماند.

بار برای حداقل مدت زمان 30 ثانیه و حداکثر مدت زمان 2 دقیقه اعمال می شود، در حالیکه زاویه های نیرو، انحراف و فاز در 10 ثانیه آخر آزمون اندازه گیری و ثبت می شوند. برای تعیین منحنی اصلی میتوان آزمون را حداقل برای چهار درجه حرارت و سه فرکانس در هر دما برای بدست آوردن بزرگترین منحنی تکرار کرد.

برای اندازه گیری خستگی، استانداردهای اروپایی بارگذاری تحت جابجایی یا فشار ثابت برای نمونه های ذوزنقه ای را تعیین می کند، حداقل یک سوم از مجموعه آزمایش 18 نمونه قادر به رسیدن به یک میلیون چرخه آزمایش است، در حالیکه نمونه های منشوری تحت فشار ثابت تا جابجاشدگی 280 میکرومتر آزمایش می شوند. روش طراحی مخلوط فرانسوی دارای پنج سطح است که با توجه به نوع آسفالت، بارگذاری و استفاده مورد نظر انتخاب می شود که با افزایش سطح، آزمایشات اضافی مورد نیاز است. دو سطح بالاتر نیاز به تست های اساسی برای خستگی و سختی با استفاده از آزمون خمش کنسول دو نقطه ای نیاز دارند. شکل زیر آزمون خمش کنسول دو نقطه ای را نشان می دهد که با یک نمونه ذوزنقه ای تنظیم شده است.

برای آزمون های خمشی سه نقطه و چهار نقطه، از طریق حرکات عمودی در نقطه بارگذاری مرکزی تحت خمش دوره ای قرار می گیرد، در حالیکه موقعیت های عمودی دو نقطه انتهایی ثابت نگه داشته می شوند.

چرخش آزاد و حرکت افقی در کلیه نقاط بار و واکنش به منظور جلوگیری از ایجاد تنش های افقی و گشتاوری که می توانند بر رفتار مواد در طول آزمایش تأثیر بگذارند مجاز است. عرض و ارتفاع نمونه باید حداقل سه برابر حداکثر اندازه سنگدانه آسفالت باشد، در حالیکه طول نمونه موثر باید حداقل شش برابر عرض یا ارتفاع باشد.

استاندارد اروپا، EN 12697-24: 2012 (BSI) ، 2012a))، دارای مجموعه خاصی از ابعاد نمونه است (طول 300 میلی متر و عرض و ارتفاع 50 میلی متر برای آزمون خستگی خمشی سه نقطه ای)، در حالیکه انجمن آزمون و مواد آمریکا(ASTM 2010) نمونه ای به طول 380 میلی متر در ضخامت 50 میلی متر در عرض 63 میلی متر برای آزمون خستگی خمشی چهار نقطه ای تعیین کرده است. مدول سختی اولیه معمولاً در چرخه 50 یا 100(توسط ASTM D7460-10 (ASTM ، 2010 و EN 12697-24: 2012 (BSI) ، 2012(a) ، به ترتیب نیروی سینوسی اعمال شده تعیین می شود. برای خستگی، EN 12697-24: 2012 بارگذاری تحت حالت فشار ثابت را برای آزمون خمش سه نقطه ای تعیین می کند، در حالیکه آزمون خمش چهار نقطه ای می تواند در حالت فشار ثابت باشد. روش ASTM تحت حالت فشار ثابت انجام می شود. شکل های زیر به ترتیب تنظیمات آزمون خمشی سه نقطه ای و چهار نقطه ای را نشان می دهد.

آزمایش های مختلف خستگی تا زمان بروز "خرابی" در نمونه آزمایش انجام می شود. "شکست" می تواند یک نقطه پایان عمدی  باشد، نه جایی که نمونه آزمایش به معنای واقعی کلمه خراب شود. در یک آزمون فشار ثابت، هنگامی که بار مورد نیاز برای حفظ آن سطح به 50 درصد مقدار اولیه آن کاهش یافت، معمولاً نمونه "خراب" تلقی می شود.

به دلیل پراکندگی نتایج آزمون مرتبط با آزمایش خستگی، آزمایش چندین نمونه در هر سطح تنش یا فشار و طبیعی است که نتایج رسم شده بعنوان تنش یا فشار در برابر چرخه های عدم موفقیت روی نمودار، مشابه شکل زیر رسم میگردد. 

در استاندارد EN 12697-24: 2012، حداقل 18 نمونه باید آزمایش شود. به طور كلی حداقل در سه سطح بارگیری انتخاب شده، در حالیكه استاندارد ASTM D7460-10 برای منحنی خستگی كامل به نه نمونه احتیاج دارد.

این آزمون در چندین درجه حرارت و فرکانس بارگیری انجام می شود زیرا این عوامل تأثیر مستقیمی بر سختی مواد دارند. مقادیر مدول دینامیکی با درجه حرارت بالاتر و فرکانس های بارگیری کمتر کاهش می یابد. پس از نتایج آزمون های متعدد برای ایجاد منحنی های اصلی جهت ورود به روش های طراحی روسازی مکانیکی-تجربی استفاده می شود. انجمن ادارات بزرگراهی و حمل و نقل ایالتی آمریکاAASHTO) ) یک روش آزمون موقت استاندارد (TP 79-13 (AASHTO، 2013b)) و یک روش استاندارد  PP 61-13 (AASHTO) ، 2013(a) ، برای تعیین مدول دینامیکی و در حال توسعه منحنی اصلی، علی الخصوص در حالیکه کار برای توسعه و استاندارد کردن یک آزمون تنش مستقیم با استفاده از AMPT برای ارزیابی خستگی و مقاومت در برابر ترک خوردگی بالا است دارد.