CONTRIBU łII PRIVIND INFLUEN łA MODULUI DE ÎNCERCARE...

Teza de doctorat: ”ContribuŃii privind influenŃa modului de încercare asupra aprecierii comportării mixturilor asfaltice în exploatare”

Doctorand: ing. Adrian Burlacu I

MINISTERUL EDUCAłIEI, CERCETĂRII, TINERETULUI ŞI SPORTULUI

UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCłII BUCUREŞTI

Ing. Adrian BURLACU

CONTRIBUłII PRIVIND INFLUENłA MODULUI DE ÎNCERCARE ASUPRA APRECIERII COMPORTĂRII MIXTURILOR

ASFALTICE ÎN EXPLOATARE

Lucrare elaborată în vederea obŃinerii titlului de doctor inginer

Conducător ştiinŃific

Prof. Univ. Dr. Ing. Constantin ROMANESCU

BUCUREŞTI, 2011


Doctorand: ing. Adrian Burlacu II

Mul Ńumiri,

Sunt conştient că finalizarea unei teze de doctorat, prin care se încheie o etapă

importantă din pregătirea mea profesională, nu reprezintă doar munca şi efortul meu, ci se

datorează şi celor care m-au ajutat şi mi-au fost alături, cu care, pot să spun, că am format o

echipă pe plan profesional.

Elaborarea şi fundamentarea ştiintifică a unei teze de doctorat este posibilă numai cu

condiŃia unei îndrumări ştiinŃifice de calitate realizate cu profesionalism şi a unor condiŃii

adecvate necesare desfăşurării activităŃii de cercetare specifice temei abordate.

Deosebită recunoştinŃă datorez domnului prof.univ.dr.ing. Constantin ROMANESCU,

distinsă personalitate recunoscută în domeniu, atât în calitatea sa de îndrumător ştiinŃific cât şi

de îndrumător moral în finalizarea acestei teze.

Doresc să aduc mulŃumiri doamnei conf.univ.dr.ing. Carmen RĂCĂNEL, Şef Catedra de

Drumuri şi Căi Ferate pentru răbdare, amabilitate şi pentru observaŃiile constructive ce mi-au

fost de un real folos în elaborarea tezei de doctorat precum şi întregului colectiv al catedrei

pentru sprijinul acordat.

De asemenea mulŃumesc distinşilor referenŃi, domnului prof.univ.dr.ing. Gheorghe

Lucaci şi domnului prof.univ.dr.ing. Mihai Iliescu, din componenŃa Comisiei prezidate cu onoare

de domnul prof.univ.dr.ing. Mihai DICU, decan al FacultăŃii de Căi Ferate, Drumuri şi Poduri.

MulŃumesc firmelor PA&CO InternaŃional, OMV Romania şi SOROCAM pentru ajutorul

primit din punct de vedere al furnizării agregatelor şi a bitumurilor folosite în studiile de

laborator.

În mod categoric, finalizarea tezei de doctorat nu ar fi fost posibilă fără ajutorul şi

sprijinul familiei căreia îi mulŃumesc pentru înŃelegere şi sprijin moral.


Doctorand: ing. Adrian Burlacu III

Lucrarea conŃine un număr de 195 pagini, 158 figuri, 63 relaŃii matematice şi 62 tabele.


Doctorand: ing. Adrian Burlacu IV

I INTRODUCERE .................................................................................................................................. 1

II PERFORMANłELE MIXTURILOR ASFALTICE ÎN RAPORT CU PRINCIPALELE TIPURI DE

DEGRADÃRI .......................................... ...................................................................................................... 5

II.1 Starea de tensiuni şi deforma Ńii sub înc ărcările din trafic în structurile rutiere flexibile ... ...... 5

II.1.1 Aspectul mecanic și mecanic-empiric în determinarea stării de eforturi în structurile rutiere

flexibile ....................................................................................................................................................... 6

II.2 Evaluarea mixturilor asfaltice în laborator ........ .......................................................................... 11

II.2.1 DeformaŃii permanente................................................................................................................. 12

II.2.2 Fisurarea din oboseală................................................................................................................. 14

II.2.3 Fisurări din temperaturi scăzute................................................................................................... 16

II.2.4 Evaluarea mixturilor pentru atingerea cerinŃelor structurale ........................................................ 17

II.3 Influen Ńa componentelor mixturii asfaltice asupra comport ării lor în exploatare ................... 18

II.3.1 Agregatele .................................................................................................................................... 18

II.3.2 Filerul............................................................................................................................................ 22

II.3.3 Bitumul ......................................................................................................................................... 23

II.4 Concluzii.......................................... ................................................................................................ 31

III MIXTURI ASFALTICE PROIECTATE ÎN VEDEREA PREVENIRII PRINCIPALELOR DEGRAD ĂRI

LA DRUMURI ......................................... .................................................................................................... 33

III.1 Generalit ăți ...................................................................................................................................... 33

III.2 Tipuri de mixturi asfaltice conform normativelor în vigoare la noi în țară ............................... 36

III.3 Mixturi asfaltice în normele europene.............. ............................................................................ 38

III.4 Tendin țe și concepte noi în utilizarea mixturilor asfaltice p e plan mondial............................. 41

III.4.1 Mixturi asfaltice în structuri rutiere performante........................................................................... 41

III.4.2 Experiența pe plan internațional cu mixturile de modul ridicat..................................................... 45

III.5 Proiectarea unei mixturi asfaltice de modul ridicat .................................................................... 48

III.5.1 Proiectarea mixturii asfaltice prin metoda Superpave ................................................................. 52

III.5.2 Proiectarea rețetei mixturii asfaltice prin metoda Marshall .......................................................... 61

III.6 Condi țiile de calitate ale mixturii asfaltice proiectate. ................................................................ 64

III.7 Confec ționarea probelor din mixtura asfaltic ă............................................................................ 67

III.7.1 Considerații teoretice – experiența pe plan internațional............................................................. 67

III.7.2 Evaluarea materialelor componente sub aspectul efectului lor asupra compactării.................... 70

III.7.3 Confecționarea probelor cilindrice în laborator ............................................................................ 72

III.7.4 Confecționarea probelor prismatice și trapezoidale..................................................................... 73

III.8 Concluzii.......................................... ................................................................................................ 76


Doctorand: ing. Adrian Burlacu V

IV RIGIDITATEA MIXTURILOR ASFALTICE................... .................................................................... 80

IV.1 Introducere........................................ .............................................................................................. 80

IV.1.1 Modulul complex al mixturilor asfaltice ........................................................................................ 80

IV.1.2 Curbe directoare .......................................................................................................................... 84

IV.1.3 Modelul Witczak pentru modulul complex.................................................................................... 88

IV.1.4 Modelul Hirsch pentru modulul complex ...................................................................................... 90

IV.2 Metode de determinare a modulului de rigiditate în laborator .......................................... ........ 91

IV.2.1 Încercări........................................................................................................................................ 91

IV.2.2 Condiții de încercare funcție de tipul de aparat ........................................................................... 94

IV.3 Rezultate experimentale de laborator ............... ........................................................................... 95

IV.3.1 Influența modului de compactare................................................................................................. 95

IV.3.2 Influența nivelului de încărcare și a frecvenței de încercare........................................................ 96

IV.3.3 Influența temperaturii de încercare ............................................................................................ 100

IV.3.4 Influența tipului de încercare...................................................................................................... 102

IV.3.5 Influența tipului de bitum utilizat în mixtura asfaltică.................................................................. 104

IV.3.6 Curbe directoare ........................................................................................................................ 106

IV.4 Concluzii.......................................... .............................................................................................. 128

V FENOMENUL DE FLUAJ AL MIXTURILOR ASFALTICE......... .................................................... 131

V.1 Descrierea fenomenului de deforma ții permanente ...................................... ........................... 131

V.2 Factori care influen țează deforma țiile permanente ale mixturilor asfaltice ........... ................ 134

V.3 Modele de performan ță la deforma ții permanente...................................... .............................. 136

V.3.1 Model statistic pentru estimarea fenomenului de făgășuire....................................................... 138

V.3.2 Model bazat pe vâscozitatea bitumului ...................................................................................... 138

V.3.3 Dezvoltarea unui model pentru deformații permanente pe baza datelor experimentale ........... 140

V.3.4 Model bazat pe proprietățile mixturii asfaltice ............................................................................ 140

V.3.5 Legătura dintre caracteristicile compactării la girocompactor și deformațiile permanente ........ 141

V.3.6 Estimarea deformațiilor permanente ale mixturilor asfaltice folosind girocompactorul și rezistența

la întindere indirectă ................................................................................................................................. 142

V.3.7 Estimarea deformațiilor permanente pe baza performanțelor infrastructurii rutiere .................. 142

V.3.8 Metoda Belgiană ........................................................................................................................ 143

V.4 Tipuri de încerc ări de laborator pentru deforma ții permanente ...................................... ........ 144

V.4.1 Teste la fluaj static ..................................................................................................................... 144

V.4.2 Aparatul triaxial .......................................................................................................................... 146

V.4.3 Încercarea de compresiune ciclică............................................................................................. 147

V.4.4 Încercarea la făgășuire............................................................................................................... 149

V.4.5 Încercări SHRP .......................................................................................................................... 150

V.5 Studiul în laborator al fluajului mixturii asfaltic e proiectate prin intermediul încerc ării la

compresiune ciclic ă ............................................................................................................................... 151


Doctorand: ing. Adrian Burlacu VI

V.5.1 Influența condițiilor de încercare asupra comportării la deformații permanente a straturilor

asfaltice ................................................................................................................................................... 151

V.6 Influen ța tipului de bitum asupra comport ării la deforma ții permanente a straturilor asfaltice

........................................................................................................................................................ 154

V.7 Influen ța modului de compactare al probelor în laborator as upra comport ării la deforma ții

permanente a straturilor asfaltice................. ........................................................................................ 158

V.8 Concluzii.......................................... .............................................................................................. 159

VI VALORIFICAREA REZULTATELOR......................... .................................................................... 162

VI.1 Corelarea rezultatelor din încerc ările de laborator .................................. ................................ 162

VI.2 Aplicarea rezultatelor din încerc ările de laborator în calculele de dimensionare a st ructurilor

rutiere flexibile .................................. ...................................................................................................... 165

VI.3 Concluzii.......................................... .............................................................................................. 179

VII CONCLUZII ȘI CONTRIBUȚII PERSONALE....................................... .......................................... 182

VII.1 Concluzii.......................................... .............................................................................................. 182

VII.2 Contribu ții personale ....................................... ............................................................................ 185

VII.3 Direc ții viitoare de cercetare ........................... ............................................................................ 187


Doctorand: ing. Adrian Burlacu VII

Lista figurilor

Figura II.1 Comportarea unui material: a)elastic; b) vâscos; c) vâscoelastic .................................................................6 Figura II.2 Analiza unei structuri rutiere .........................................................................................................................9 Figura II.3 Transmiterea încărcărilor la patul drumului...................................................................................................9 Figura II.4 DeformaŃiile specifice într-o structură rutieră flexibilă .................................................................................10 Figura II.5 Starea de eforturi și deformaŃii într-o structură rutieră ................................................................................10 Figura II.6 Starea de eforturi sub o roată în mișcare....................................................................................................11 Figura II.7 Făgășuirea într-o structură rutieră subdimensionată, /11/ ..........................................................................13 Figura II.8 Făgașe într-o structurã rutieră subdimensionată ........................................................................................13 Figura II.9 Făgășuirea în stratul asfaltic al unei structuri rutiere, /11/ ...........................................................................13 Figura II.10 Ornieraj din fluaj .......................................................................................................................................13 Figura II.11 Făgașe......................................................................................................................................................13 Figura II.12 Fisuri de tip spinare de aligator.................................................................................................................15 Figura II.13 Fisuri din oboseala mixturilor asfaltice......................................................................................................16 Figura II.14 Fisuri din temperaturi scăzute...................................................................................................................16 Figura II.15. Tipuri de agregate: a) agregate concasate; b) agregate de râu (rotunde) ...............................................18 Figura II.16. Exemplu de curbă granulometrică ...........................................................................................................19 Figura II.17. Reprezentarea curbei de densitate maximă ............................................................................................20 Figura II.18. Curba granulometrică după specificaŃiile SHRP......................................................................................21 Figura II.19. Metoda Bailey..........................................................................................................................................22 Figura II.20. Comportarea bitumului în raport cu temperatura .....................................................................................24 Figura II.21 Efectul activ aditivilor ................................................................................................................................27 Figura II.22 Efectul pasiv aditivilor ...............................................................................................................................27 Figura II.23 Diferența între agregatele dintr-o mixtură cu bitum aditivat și agregatele dintr-o......................................27 Figura II.24 Dezgrădinarea în straturile asfaltice .........................................................................................................27 Figura II.25 Făgașe în mixturi cu bitum simplu și cu bitum aditivat..............................................................................28 Figura II.26 Fisurare din oboseală ...............................................................................................................................28 Figura II.27 Fisurare din temperaturi negative .............................................................................................................28 Figura II.28 Influența tipului de bitum asupra făgașelor ...............................................................................................29 Figura II.29 Evoluția utilizării bitumurilor în Franța.......................................................................................................30 Figura III.1 Comparație între structura MASF 16 (stânga) și BA 16 (dreapta) .............................................................37 Figura III.2. Conceptul de “perpetual pavement” .........................................................................................................42 Figura III.3. Curbele granulometrice pentru EME 10, EME 14 și EME 20....................................................................44 Figura III.4. Comparație între curbele granulometrice pentru EME 14 și BBME 14 .....................................................44 Figura III.5. Straturi asfaltice rezistente la oboseală ....................................................................................................46 Figura III.6. Comparație între o structură clasică și o structură cu mixturi asfaltice cu modul ridicat ...........................47 Figura III.7. Evoluția mixturilor cu modul ridicat în Franța (după Colas).......................................................................47 Figura III.9. Curbele granulometrice ale celor 3 amestecuri ........................................................................................58 Figura III.10. Variația stabilității cu procentul de bitum.................................................................................................63 Figura III.11. Variația fluajului cu procentul de bitum ...................................................................................................63 Figura III.12. Variația densității aparente cu procentul de bitum ..................................................................................63 Figura III.13. Cercul lui Mohr .......................................................................................................................................68


Doctorand: ing. Adrian Burlacu VIII

Figura III.14. Proces compactare, /47/.........................................................................................................................69 Figura III.15. a)situația de subsolicitare și b)situația de suprasolicitare a mixturii ........................................................70 Figura III.16 Influența temperaturii la compactarea Marshall .......................................................................................71 Figura III.17. Girocompactorul .....................................................................................................................................72 Figura III.18. Ciocan Marshall......................................................................................................................................72 Figura III.19. Compactor cu rulou ................................................................................................................................73 Figura III.20. Masina taiat probe ..................................................................................................................................73 Figura III.21. Schema compactorului cu rulou ............................................................................................................. 74 Figura IV.1. Efortul și deformația în cazul încărcarii dinamice .....................................................................................83 Figura IV.2. Relația din componentele modului complex, E’ și E”................................................................................84 Figura IV.3. Exemplu de curbă directoare ..................................................................................................................85 Figura IV.4. Variația factorului de translație cu temperatura ........................................................................................86 Figura IV.5. Funcție neliniară, de tip sigmoidal ............................................................................................................87 Figura IV.6. Funcție de tip sigmoidal, /64/....................................................................................................................88 Figura IV.7. Modelul Hirsch .........................................................................................................................................90 Figura IV.8. Versiunea alternativă a modelului Hirsch modificat..................................................................................90 Figura IV.9. Modulul de rigiditate la IT-CY în funcție de modul de compactare pentru mixtura MAMR 16...................96 Figura IV.10. Modulul de rigiditate în funcție de amplitudinea deformației la diverse temperaturi ..............................97 Figura IV.11. Modulul de rigiditate în funcție de amplitudinea deformației la 20 ºC și 30 Hz .......................................97 Figura IV.12. Variația modulului de rigiditate cu frecvența, la 15ºC și 50 µm, încercarea 4PB – PR ...........................98 Figura IV.13. Variația modulului de rigiditate cu frecvența, la 20ºC și 50 µm, încercarea 4PB – PR ...........................99 Figura IV.14 Variația modulului de rigiditate cu frecvența, la 15ºC și 50 µm deformație impusă, încercare 4PB – PR,

mixtura BAD 25 cu 3 tipuri de bitum ............................................................................................................................99 Figura IV.15. Variația modulului de rigiditate cu frecvența, la 15ºC și 50 µm, încercarea 2PB – TR ...........................99 Figura IV.16. Variația modulului de rigiditate cu temperatura la încercarea IT-CY ....................................................101 Figura IV.17. Variația modulului de rigiditate cu temperatura la încercarea 4PB-PR, 8 Hz .......................................101 Figura IV.18. Variația modulului de rigiditate cu temperatura la încercarea 4PB-PR, 10 Hz .....................................101 Figura IV.19. Variația modulului de rigiditate cu temperatura la încercarea 4PB-PR, pentru o mixtură BAD 25 cu trei

tipuri de bitum ............................................................................................................................................................102 Figura IV.20. Variația modulului de rigiditate cu temperatura la încercarea 2PB-TR.................................................102 Figura IV.21. Modulul de rigiditate în funcție de tipul de încercare ............................................................................103 Figura IV.22. Modulul de rigiditate în funcție de procentul de bitum ..........................................................................103 Figura IV.23. Modulul de rigiditate în funcție de tipul de bitum la 4PB – PR pentru mixtura MAMR16 ......................105 Figura IV.24. Modulul de rigiditate în funcție de tipul de bitum la IT - CY pentru mixtura MAMR16...........................105 Figura IV.25. Curbe izoterme pentru modulul de rigiditate.........................................................................................107 Figura IV.26 Curbe izoterme pentru unghiul de defazaj.............................................................................................108 Figura IV.27 Curba directoare pentru modulul de rigiditate, la 15°C, mixtura BA16 ....................... ...........................109 Figura IV.28 Curba directoare pentru unghiul de defazaj, la 15°C, mixtura BA16 .......................... ...........................109 Figura IV.29. Curbe directoare, la 15°C, mixtura BA16 .............................................................................................110 Figura IV.30. Curbe directoare, la 15°C, mixtura MASF 16a ......................................................................................111 Figura IV.31. Curbe directoare, la 15°C, mixtura MASF 16m-1 ..................................................................................112 Figura IV.32. Curbe directoare, la 15°C, mixtura MASF 16m-2 ..................................................................................113 Figura IV.33. Curbe directoare, la 15°C, mixtura MA MR16 .......................................................................................114 Figura IV.34. Curbe directoare, la 15°C, mixtura BAD 25 cu bitum 25/55-65 ............................................................115 Figura IV.35. Curbe directoare, la 15°C, mixtura BAD 25 cu bitum 50–70 ................................................................116


Doctorand: ing. Adrian Burlacu IX

Figura IV.36. Curbe directoare, la 15°C, mixtura BAD 25 cu bitum 45/85-65 ............................................................117 Figura IV.37. Curbele directoare la 15°C pentru mi xturile din stratul de uzură .........................................................120 Figura IV.38. Curbele directoare la 15°C pentru mi xtură BAD 25 cu diferite tipuri de bitum.....................................121 Figura IV.39. Reprezentarea Black pentru mixtura BA16 ..........................................................................................122 Figura IV.40. Reprezentarea Cole - Cole pentru mixtura BA16 .................................................................................122 Figura IV.41. Reprezentarea Black pentru mixtura MASF16a ...................................................................................123 Figura IV.42. Reprezentarea Cole - Cole pentru mixtura MASF 16a.........................................................................123 Figura IV.43. Reprezentarea Black pentru mixtura MASF16m-1...............................................................................123 Figura IV.44. Reprezentarea Cole - Cole pentru mixtura MASF 16m-1.....................................................................124 Figura IV.45. Reprezentarea Black pentru mixtura MASF16m-2...............................................................................124 Figura IV.46. Reprezentarea Cole - Cole pentru mixtura MASF 16m-2.....................................................................124 Figura IV.47. Reprezentarea Black pentru mixtura MAMR16 ....................................................................................125 Figura IV.48. Reprezentarea Cole - Cole pentru mixtura MAMR 16..........................................................................125 Figura IV.49. Reprezentarea Black pentru mixtura BAD25 CU BITUM 25/55-65 ......................................................125 Figura IV.50. Reprezentarea Cole - Cole pentru mixtura BAD25 CU BITUM 25/55-65 .............................................126 Figura IV.51. Reprezentarea Black pentru mixtura BAD25 CU BITUM 45/85-65 ......................................................126 Figura IV.52. Reprezentarea Cole - Cole pentru mixtura BAD25 CU BITUM 45/85-65 .............................................126 Figura IV.53. Reprezentarea Black pentru mixtura BAD25 CU BITUM 45-80 ...........................................................127 Figura IV.54. Reprezentarea Cole - Cole pentru mixtura BAD25 CU BITUM 45-80 ..................................................127 Figura V.1. Stadiile în care pot apare deformații permanente....................................................................................131 Figura V.2. Stadiile fluajului .......................................................................................................................................133 Figura V.3. Comportarea mixturii asfaltice.................................................................................................................137 Figura V.4. Test de fluaj cu un singur pas de încărcare.............................................................................................145 Figura V.5. Curba ε = f(t) din triaxial ..........................................................................................................................146 Figura V.6. Forma încărcării ......................................................................................................................................147 Figura V.7. Încercarea de compresiune triaxială ciclicică (metoda suedeză) ............................................................147 Figura V.8. Încărcare de tip haversine.......................................................................................................................148 Figura V.9. Încărcare de tip bloc................................................................................................................................148 Figura V.10. Evoluția, cu numărul de încărcări, a deformației permanente ...............................................................149 Figura V.11. Aparatul de făgășuire ............................................................................................................................149 Figura V.12. Evoluția, cu numărul de încărcări, a adâncimii făgașului.......................................................................150 Figura V.13. Aparatul pentru încercarea de forfecare repetată..................................................................................150 Figura V.14. Curbele de fluaj funcție de nivelul de încărcare.....................................................................................151 Figura V.15. Influența fretării asupra deformației axiale.............................................................................................152 Figura V.16. Influența efortului vertical asupra deformației axiale .............................................................................152 Figura V.17. Influența efortului vertical asupra deformației axiale .............................................................................152 Figura V.18. Influența efortului vertical asupra deformației axiale .............................................................................153 Figura V.19. Curbele modulului de fluaj funcŃie de nivelul de încărcare ....................................................................153 Figura V.20. Curbe de fluaj pentru mixtura MAMR16 funcție de tipul de bitum .........................................................155 Figura V.21. Curbe de fluaj pentru mixtura MASF16 funcție de tipul de bitum ..........................................................155 Figura V.22. Curbele modulului de fluaj pentru MAMR16 funcție de tipul de bitum ...................................................155 Figura V.23. Curbele modulului de fluaj pentru MASF16 funcție de tipul de bitum ....................................................156 Figura V.24. Curbele de fluaj funcŃie de tipul de compactare ....................................................................................158 Figura VI.1. Corelare între modulul obținut pe aparat pentru încovoiere în două puncte pe probe trapezoidale și

modulul obținut în încercarea de întindere directă pe probe cilindrice......................................................................162


Doctorand: ing. Adrian Burlacu X

Figura VI.2. Corelare între rigiditatea determinată prin IT-CY și 2PB-TR la 15ºC......................................................163 Figura VI.3. Corelare între rigiditatea determinată prin IT-CY și 4PB-PR la 20ºC......................................................163 Figura VI.4. Corelare între rigiditatea determinată prin 2PB-TR și 4PB-PR la 20ºC ..................................................163 Figura VI.5. Corelare între rigiditatea determinată prin IT-CY și 4PB-PR la 15ºC......................................................164 Figura VI.6. Corelare între rigiditatea determinată prin 2PB-TR și 4PB-PR la 15ºC ..................................................164 Figura VI.7. Corelare între adâncimea făgașului și deformația permanentă la fluaj dinamic .....................................164 Figura VI.8. Corelare între viteza de deformație la făgășuire și viteza de deformație la fluaj dinamic .......................165 Figura VI.9. Modulul de rigiditate funcție de temperatură pentru IT-CY.....................................................................169 Figura VI.10. Modulul de rigiditate funcție de temperatură pentru 2PB-TR................................................................169 Figura VI.11. Modulul de rigiditate funcție de temperatură pentru 4PB-PR la8 Hz ....................................................170 Figura VI.12. Modulul de rigiditate funcție de temperatură pentru 4PB-PR la 10 Hz .................................................170 Figura VI.13. Valori medii ale modulului de rigiditate funcție de temperatură pentru cele trei tipuri de teste .............170 Figura VI.14. Viteza de circulație funcție de frecvența încercării ...............................................................................170 Figura VI.15. Relația dintre Tm eff (temperatura medie efectivă lunară în straturile asfaltice) și MMAT (temperatura

medie lunară a aerului) sau Ty eff (temperatura medie efectivă anuală în straturile asfaltice) și MAATeff (temperatura

medie anuală a aerului) pentru diferite straturi asfaltice (Shell, 1978) .......................................................................172 Figura VI.16. RDO funcție de temperatura din aer, pentru un volum de trafic de 2 m.o.s..........................................173 Figura VI.17. RDO funcție de temperatura din aer, pentru un volum de trafic de 0.9 m.o.s.......................................173 Figura VI.18. Deformația specifică verticală, εz, funcție de temperatura din aer ........................................................173 Figura VI.19. RDO funcție de temperatura din aer pentru clasa de trafic T0 .............................................................175 Figura VI.20. Deformația specifică verticală la nivelul patului drumului funcție de temperatura din aer pentru clasa de

trafic T0......................................................................................................................................................................175 Figura VI.21. RDO funcție de temperatura din aer pentru clasa de trafic T1 .............................................................175 Figura VI.22. Deformația specifică verticală la nivelul patului drumului funcție de temperatura din aer pentru clasa de





trafic T5......................................................................................................................................................................178


Doctorand: ing. Adrian Burlacu XI

Lista tabelelor

Tabelul II.1 Clasificarea degradărilor ...........................................................................................................................12 Tabelul II.2 Tipuri de aditivi..........................................................................................................................................30 Tabelul III.1. Condiții pe teren versus condiții de laborator – Bitum .............................................................................34 Tabelul III.2. Condiții pe teren versus condiții de laborator – Agregate........................................................................35 Tabelul III.3. Condiții pe teren versus condiții de laborator – Procesul de amestecare................................................35 Tabelul III.4. Condiții pe teren versus condiții de laborator – Compactarea.................................................................35 Tabelul III.5. Cerințele de tip empiric impuse mixturilor asfaltice .................................................................................40 Tabelul III.6. Cerințe fundamentale ale mixturii asfaltice..............................................................................................40 Tabelul III.7. Schema conceptului “perpetual pavement”.............................................................................................43 Tabelul III.8. Caracteristicile mixturii tip BBME ............................................................................................................44 Tabelul III.9. Caracteristicile fizico – mecanice ale rocii de proveniență ......................................................................49 Tabelul III.10. Curbele granulometrice pentru fiecare sort ...........................................................................................50 Tabelul III.11. Caracteristicile fizico-mecanice ale criblurilor........................................................................................50 Tabelul III.12. Caracteristicile fizico-mecanice ale nisipului de concasare sort 0-4......................................................51 Tabelul III.13. Curba granulometrică filer.....................................................................................................................51 Tabelul III.14. Încercări clasice pe bitum......................................................................................................................51 Tabelul III.15. Încercări de tip SHRP pe bitum.............................................................................................................52 Tabelul III.16. Criteriile Superpave pentru curba granulometrică .................................................................................53 Tabelul III.17. Clasificarea Superpave pentru curbele granulometrice.........................................................................54 Tabelul III.18. Condițiile Superpave pentru proprietățile agregatelor ...........................................................................54 Tabelul III.19. Numărul de girații pentru fiecare nivel de proiectare.............................................................................56 Tabelul III.20. Propunerea de amestecuri minerale .....................................................................................................57 Tabelul III.21 Alegerea procentului de bitum inițial ......................................................................................................59 Tabelul III.22 Valorile obținute pentru Gmm ..................................................................................................................60 Tabelul III.23 Valorile obținute pentru Gmb ...................................................................................................................60 Tabelul III.24 Caracteristici volumetrice.......................................................................................................................60 Tabelul III.25 Procentul de bitum .................................................................................................................................61 Tabelul III.26 Criterii Superpave ..................................................................................................................................61 Tabelul III.27 Rețeta propusă ......................................................................................................................................61 Tabelul III.28. Rețetă finală ..........................................................................................................................................64 Tabelul III.29. Standarde luate în considerare .............................................................................................................64 Tabelul III.30. Încadrarea în limitele din SR 174-1/2009 ..............................................................................................65 Tabelul III.31. Încadrarea în limitele din NF EN 13108 - 1 ...........................................................................................66 Tabelul III.32. Tipurile de mixturi asfaltice folosite în studiul de laborator ....................................................................67 Tabelul III.33 Trepte de presiune la compactare .........................................................................................................75 Tabelul III.34. Masa de mixtură suplimentară la confecționare....................................................................................75 Tabelul III.35 Temperatura de compactare..................................................................................................................76 Tabelul IV.1. Tipuri de determinări pentru modulul de rigiditate...................................................................................92 Tabelul IV.2 Factorii de formă și de masă, funcție de tipul de încărcare......................................................................93 Tabelul IV.3 Condiții de încercare pentru diverse aparate...........................................................................................94 Tabelul IV.4 Modulul de rigiditate funcție de tipul compactării .....................................................................................96


Doctorand: ing. Adrian Burlacu XII

Tabelul IV.5. Modulul de rigiditate funcție de nivelul încărcării ....................................................................................97 Tabelul IV.6. Modulul de rigiditate la 4PB-PR funcție de tipurile de bitum folosite.....................................................104 Tabelul IV.7 Modulul de rigiditate la IT-CY funcție de tipurile de bitum folosite .........................................................105 Tabelul IV.8. Parametrii ecuației curbelor directoare pentru modulul de rigiditate .....................................................118 Tabelul IV.9. Parametrii ecuației curbelor directoare pentru defazaj .........................................................................118 Tabelul V.1. Valorile vitezei de fluaj, funcŃie de intervalul de calcul ...........................................................................153 Tabelul V.2. Valorile deformaŃiei permanente calculate, funcŃie de metoda de calcul ...............................................154 Tabelul V.3. Proprietățile bitumurilor..........................................................................................................................154 Tabelul V.5. Valorile vitezei de fluaj, funcŃie de intervalul de calcul ...........................................................................159 Tabelul V.6. Valorile deformaŃiei permanente calculate, funcŃie de metoda de calcul ...............................................159 Tabelul VI.1. Indicatori statistici ai temperaturii echivalente.......................................................................................167 Tabelul VI.2. Valorile de calcul modulului de elasticitate dinamic pentru mixturi asfaltice .........................................168 Tabelul VI.3. Valorile limită prevăzute pentru modulul de rigiditate al mixturilor asfaltice ..........................................168 Tabelul VI.4. Tipurile de încercări în conformitate cu SR EN 13108-20.....................................................................169 Tabelul VI.5. Structura rutieră luată în calcul .............................................................................................................169 Tabelul VI.6. Modulul de rigiditate mediu luat în calcul pentru straturile asfaltice (Em) .............................................171 Tabelul VI.7. Parametrii ecuației RDO (y) - Temperatura în aer (x), Nc = 2 m.o.s.....................................................174 Tabelul VI.8. Parametrii ecuației RDO (y) - Temperatura în aer (x), Nc = 0.9 m.o.s.................................................. 174 Tabelul VI.9. Parametrii ecuației deformație specifică verticală , εz, (y) - Temperatura în aer (x) ..............................174 Tabelul VI.10. Clasele de trafic pentru drumuri naționale din România .....................................................................174


Doctorand: ing. Adrian Burlacu 1

I INTRODUCERE

În ultimile decenii, volumul uriaş de mărfuri transportate pe reŃeaua rutieră, combinat cu

eforturile mari datorate vehiculelor grele, precum şi cu un grad insuficient de realizare a

lucrărilor de întreŃinere a condus la accelerarea apariŃiei degradărilor la drumuri.

Structurile rutiere flexibile sunt cele mai răspândite, atât la noi în Ńară, cât şi pe plan

mondial, astfel încât este necesar un studiu complex al acestor structuri ce presupun combinaŃii

de straturi din diferite materiale, cu proprietăŃi diferite supuse la încărcări provenite din diverşi

factori (trafic, condiŃii climatice).

Pe baza unei selecŃii atente şi avizate a materialelor componente, a unei proiectări

judicioase a mixturilor asfaltice, precum şi a dimensionării corecte a grosimii straturilor rutiere,

pot fi construite structuri rutiere flexibile sau semirigide durabile, astfel încât structurile

proiectate să aibă capacitatea de a se comporta bine la diverse condiŃii de încărcare fără

pierderi semnificative de stabilitate pe perioada duratei de serviciu.

Obiectivul principal al acestei lucrări este acela de a identifica parametrii critici care

influenŃează comportarea în exploatare a mixturilor asfaltice, încă din faza de proiectare a

reŃetei mixturii asfaltice în laborator şi de a evidenŃia faptul că o mai bună cunoaştere a

comportării mixturilor asfaltice supuse unor diverse tipuri de încărcări poate conduce la mărirea

duratei de viaŃă a unei structuri rutiere. Pe baza a diferite încercări de laborator se poate

constata că mixtura asfaltică se comportă diferit la diverse condiŃii de încărcare, în plus, pe baza

determinărilor de laborator se poate observa existenŃa unui anumit defazaj între încărcarea

aplicată şi deformaŃia rezultată. Astfel, iese în evidenŃă faptul că mixtura asfaltică are o

comportare ce variază de la elastică la liniar vâscoelastică la temperaturi scăzute şi/sau durate

de încărcare mici până la comportare neliniară vâscoelastică, vâscoplastică sau plastică la

temperaturi ridicate şi/sau durate de încărcare mari. Multe drumuri au parte de temperaturi

scăzute pe timpul iernii precum şi de temperaturi ridicate şi expunere la radiaŃii solare pe

perioada verii, factori ce conduc la apariŃia fisurărilor din temperaturi scăzute precum și la

apariŃia fenomenului de deformaŃii permanente.

Pe lângă acest aspect, este necesar, suplimentar, de dezvoltarea unei strategii de

dimensionare a structurilor care să conducă la o scădere a nevoii de întreŃinere regulată şi chiar

a reabilitării, cu efecte favorabile asupra utilizatorilor reŃelei rutiere.



Dimensionarea structurilor rutiere are o evoluŃie continuă, de succes, având ca start anii

1940-1960, acest fapt implicând observarea modului de interacŃiune a structurii rutiere cu

pământul din patul căii, cu clima şi cu diversele clase de trafic.

Literatura de specialitate este extrem de bogată în lucrări care pun în evidenŃă faptul că

pentru estimarea comportării în exploatare a unei structuri rutiere este necesară cunoaşterea şi

înŃelegerea proprietăŃilor fundamentale ale mixturilor asfaltice /2/, /17/, /18/, /19/, /21/, /23/, /27/.

Având în vedere faptul că rigiditatea mixturii asfaltice este un factor cheie atât în

procesul de proiectare a unei reŃete de mixtură, însă mai ales în etapa de dimensionare a unei

structuri rutiere, am încercat, prin intermediul studiilor de laborator, să pun în evidenŃă

importanŃa acestei caracteristici.

În practica de dimensionare curentă este necesară o singură valoare a modulului de

elasticitate al mixturii, cu menŃiunea că această valoare este validă numai pentru o anumită

temperatură. Din acest motiv, eforturile au constat în a studia variaŃia rigidităŃii la diverse

temperaturi şi niveluri de încărcare. Pe baza studiului documentar, rezultă că se poate folosi,

din domeniul reologiei, principiul suprapunerii timp – temperatură ca o metodă eficientă de

caracterizare a comportării mixturii asfaltice.

O altă componentă a tezei de doctorat a constat în studiul comportării mixturilor asfaltice

la deformaŃii permanente, având în vedere frecvenŃa mare de apariŃie a degradărilor de tip

făgaşe pe drumurile din Ńara noastră. DeformaŃiile permanente apar în straturile asfaltice

datorită consolidării mixturii asfaltice sau a deplasării laterale a materialelor, din încărcările din

trafic. O influenŃa majoră asupra acestui fenomen o are adaosul de polimeri în bitum, procedeu

prin care se îmbunătăŃesc performanŃele bitumului la acest fenomen. Bitumurile modificate

prezintă abateri mari de la termoreologia simplă, ceea ce face ca estimarea proprietăŃilor

mixturii asfaltice să fie şi mai complexă.

În lucrare sunt prezentate atât studii teoretice cât şi studii experimentale proprii, pentru

obŃinerea de concluzii privind comportarea mixturilor asfaltice. Studiile experimentale au constat

din: încercări pentru determinarea rigidităŃii mixturii asfaltice (pe probe cilindrice, trapezoidale şi

prismatice), încercări ciclice de compresiune pentru comportarea la deformaŃii permanente şi

încercări la fagașuire. În studiu a fost analizat comportamenul mai multor tipuri de mixturi

asfaltice, cu preponderenŃă din stratul de uzură (mixturi cu bitum obişnuit, cu bitum aditivat, cu

bitum cu adaos de polimeri, mixturi asfaltice cu fibre de celuloză) precum şi o mixtură de tip

BAD 25.



Din punct de vedere al structurii tezei, lucrarea are 7 capitole şi bibliografie, fiecare

capitol începe cu un studiu documentar al subiectului prezentat în capitol, iar în a doua parte

sunt prezentate rezultatele studiilor personale, urmate de comentarii şi concluzii la fiecare sfârşit

de capitol.

În capitolul 1 “INTRODUCERE” al tezei sunt prezentate obiectivele tezei.

În capitolul 2 “PERFORMANłELE MIXTURILOR ASFALTICE ÎN RAPORT CU

PRINCIPALELE TIPURI DE DEGRADÃRI ” sunt prezentate starea de eforturi şi deformaŃii în

structurile rutiere flexibile, caracteristicile principale ale mixturilor asfaltice, precum şi factorii

care influenŃează aceste caracteristici. Este prezentată în acest capitol şi influenŃa

componentelor mixturilor asfaltice (agregate, filer şi bitum) asupra caracteristicilor mixturilor

asfaltice.

În capitolul 3 al tezei “MIXTURI ASFALTICE PROIECTATE ÎN VEDEREA PREVENIRII

APARIłIEI PRINCIPALELOR DEGRAD ĂRI LA DRUMURI ” se prezintă diferite concepte de

proiectare a mixturilor asfaltice în vederea prevenirii principalelor degradări la drumuri

(deformaŃii permanente şi fisurarea), şi din acestea se pune accent pe proiectarea unei reŃete

de mixtură asfaltică de modul ridicat, concept relativ nou pe plan mondial. Mixtura a fost

proiectată atât după metoda Superpave precum şi după metoda Marshall şi a fost folosită mai

departe în studiile de laborator efectuate

În capitolul 4 “RIGIDITATEA MIXTURILOR ASFALTICE “ se va face o analiză a

factorilor care influenŃează rigiditatea mixturilor asfaltice, metode de măsurare a rigidităŃii şi

importanŃa acestei caracteristici în modelarea răspunsului structurii rutiere la încărcări, precum

şi folosirea ei pentru a găsi, încă din faza de lucru în laborator, modalităŃi de predicŃie a

performanŃelor în exploatare ale unei mixturi asfaltice. A fost pusă în evidenŃă influenŃa

condiŃiilor de încercare asupra comportării mixturii asfaltice în exploatare prin intermediul

încercărilor de laborator. Pe baza datelor obŃinute din încercări şi folosind principiul timp –

temperatură au fost realizate curbe directoare pentru diverse tipuri de mixturi, curbe care

furnizează rigiditatea materialului la temperaturi sau frecvenŃe care nu pot fi reproduse în

laborator.

În capitolul 5 “ FENOMENUL DE FLUAJ AL MIXTURILOR ASFALTICE ” este studiat

atât din punct de vedere teoretic, cât şi din punct de vedere experimental, fenomenul de

deformaŃii permanente al mixturilor asfaltice, factorii care influenŃează fenomenul, modelele

pentru estimarea comportării la deformaŃii permanente.



Capitolul 6 “VALORIFICAREA REZULTATELOR ” reprezintă o sinteză a determinărilor

de laborator, precum şi utilizarea informaŃiilor obŃinute din încercări în dimensionarea structurilor

rutiere, precum şi propuneri de îmbunătăŃire a metodei de dimensionare a structurilor rutiere

suple şi semirigide.

Capitolul 7 cuprinde partea de concluzii asupra subiectului tratat în teza de doctorat,

contribuŃiile personale precum şi direcŃii viitoare de cercetare.

Bibliografia are un număr de 122 lucrări, în mare parte din plan internaŃional din

domeniul comportării mixturii asfaltice.



II PERFORMANłELE MIXTURILOR ASFALTICE ÎN RAPORT CU

PRINCIPALELE TIPURI DE DEGRADÃRI

II.1 Starea de tensiuni şi deforma Ńii sub înc ărcările din trafic în structurile

rutiere flexibile

/26/, /29/, /48/, /51/, /55/

Mixturile asfaltice sunt proiectate să reziste la deformaŃii permanente, oboseală, fisurare

din temperaturi scăzute. Aceste degradări reduc durata de viaŃă a structurilor rutiere şi cresc

costurile de întreŃinere. În cadrul unei mixturi asfaltice bitumul leagă agregatele, furnizând o

anumită stabilitate amestecului şi asigurând rezistenŃă la eforturi induse din trafic şi mediu

ambiant, astfel că, performanŃa mixturii asfaltice este funcŃie de bitum, agregate şi proprietăŃi

volumetrice ale amestecului. Bitumul controlează proprietăŃile vâscoelastice ale amestecului, de

la momentul producerii de mixtură în staŃie şi pe toată durata de exploatare.

Un material este vâscoelastic atunci când stochează şi disipează energie mecanică ca

răspuns la o încărcare mecanică. Această comportare depinde atât de temperatură, cât şi de

durata încărcării. La temperaturi joase şi încărcări de scurtă durată, bitumul acŃionează ca un

solid elastic, în timp ce la temperaturi ridicate şi durată mare de încărcare se comportă ca un

lichid vâscos. La temperaturi intermediare, comportarea este mult mai complexă.

În figura II.1 este reprezentat, după Van der Poel (1954), răspunsul elastic, vâscos şi

vâsco-elastic sub încărcare constantă. Figura II.1.a reprezintă o încărcare constantă aplicată

unui material elastic, iar deformaŃia specifică este direct proporŃională cu efortul aplicat, iar când

încărcarea dispare, materialul revine la forma iniŃială. Figura II.1.b descrie comportarea

vâscoelastica a unui material, în care deformaŃia specifică a unui material creşte în timp, sub

încărcare constantă. Figura II.1.c arată comportarea unui material vâsco-elastic, unde un efort

constant conduce la creşterea deformaŃiei specifice şi după ce încărcarea nu mai este aplicată,

astfel că materialul nu îşi mai capătă forma iniŃială, conducând la deformaŃii permanente /68/.



Figura II.1 Comportarea unui material: a)elastic; b ) vâscos; c) vâscoelastic

II.1.1 Aspectul mecanic și mecanic-empiric în determinarea st ării de eforturi în

structurile rutiere flexibile

În 1885 Boussinesq a dezvoltat o metodă pentru determinarea stării de eforturi şi

deformaŃii într-un semispaŃiu elastic încărcat cu o forŃă verticală. EcuaŃiile erau bazate pe o

comportare a materialului liniar elastică şi au fost aplicate structurilor rutiere. Mixturile asfaltice

au fost introduse în preajma anului 1974, însă fără o dimensionare propriu-zisă (nici din punct

de vedere al mixturilor asfaltice şi nici al structurilor rutiere). Burmister (1943) apare ca fiind

primul cercetător care aplică analiza mecanică la o structură cu mai multe straturi. Tot el afirma

că datorită faptului că structurile rutiere sunt stratificate, teoriile dezvoltate de Boussinesq, Boit

şi apoi mai târziu Pickelt nu sunt aplicabile. Burmister considera că tasarea este cel mai

important aspect de considerat în proiectarea structurilor rutiere. Burmister foloseşte ecuaŃiile

Boussisnesq pentru a dezvolta propriul set de ecuaŃii pentru un sistem bistrat, folosind un

coeficient de corecŃie pentru a verifica soluŃiile ecuaŃiilor. Coeficientul de corecŃie este funcŃie de

raza încărcării primului strat şi de raportul dintre modulul de elasticitate al celui de-al doilea strat

şi primul strat.



Burmister demonstrează prin exemple de dimensionare concrete cum, prin

reprezentarea grafică a coeficientului de corecŃie, acesta poate fi folosit în diverse condiŃii (atât

de material, cât şi de încărcări) pentru determinarea grosimii stratului.

În efortul de a înŃelege mecanismul de propagare a degradărilor, este esenŃială

înŃelegerea originii degradării.

În practică se folosesc două moduri principale pentru mecanisme de degradare la

structuri flexibile: deformaŃii permanente şi fisurare din oboseală.

Dormon (1953) consideră că locaŃia critică de unde începe mecanismul de făgășuire

este atribuită deformaŃiilor specifice de compresiune de la nivelul patului drumului. Mecanismul

de fisurare este considerat ca luând naştere la baza straturilor bituminoase din deformaŃiile

specifice orizontale.

Foster şi Alhvin au dezvoltat grafice pentru determinarea eforturilor verticale, radiale,

tangenŃiale şi de forfecare, cât şi pentru deformaŃii în urma unei încărcări circulare. Graficele

erau folosite pentru a determina starea de eforturi şi deformaŃii la o anumită adâncime şi

distanŃă faŃă de încărcare.

Jones (1962) a efectuat un studiu în care a măsurat eforturile şi deformaŃiile atât

verticale, cât şi orizontale, într-un sistem tristrat, la baza structurilor bituminoase şi la nivelul

patului drumului. Pentru determinarea eforturilor, Jones a luat în calcul rapoartele dintre modulii

stratelor adiacente, rapoartele dintre grosimile straturilor adiacente şi raza încărcării. În

colaborare cu Jones, Peattie a dezvoltat reprezentări grafice ale eforturilor şi deformaŃiilor

specifice în diverse straturi ale structurii rutiere (1962).

Pentru a valida funcŃiile mecanice ale lui Boussinesq şi Burmister, Vesic şi Domaschek

(1964) au analizat încercările din tronsonul experimental AASHTO. Ei susŃin că starea de

eforturi şi deformaŃii a unei structuri rutiere sub diverse condiŃii atât de încărcare, cât şi de

mediu, confirmă rezultatele Boussinesq, fără însă a nega soluŃiile lui Burmister.

Concluzia trasă din acest studiu a fost necesitatea de a înŃelege mai bine starea de

eforturi şi deformaŃii din teren, având în vedere variabilitatea încărcării şi condiŃiile de mediu

incontrolabile.

Molenaar şi Van Gurp (1982) au studiat 93 de structuri rutiere şi folosind programul

BISAR dezvoltat de Shell au constituit legătura între grosimea echivalentă a unei structuri

rutiere şi deformaŃia specifică verticală la nivelul fundaŃiei drumului. Grosimea echivalentă a



unei structuri rutiere se determină pe baza valorilor modulului de elasticitate ale straturilor

rutiere la o temperatură de referinŃă. EcuaŃia 2.1 prezintă definiŃia grosimii echivalente:

3

31

9.0E

Ehh i

n

iie ∑

== ; (2.1)

unde : eh = grosimea echivalentă (cm);

ih = grosimea stratului i (cm);

iE = modulul de elasticitate al stratului I (N/m2);

3E = modulul de elasticitate al terenului de fundare (N/m2);

Grosimea echivalentă poate fi folosită şi pentru determinarea numărului de încărcări

până la fisurare, astfel că au dezvoltat curbe de corelare între grosimea echivalentă şi numărul

de cicluri până la rupere.

Colop şi alŃii (2003) au dezvoltat un program bazat pe element finit CAPA-3D care

foloseşte un model vâsco-elastic pentru a determina eforturile într-un element datorate

încărcării. Programul foloseşte modelul Burger pentru caracterizarea materialului şi se

concentrează în principal pe deformaŃii permanente. Programul permite caracterizarea structurii

rutiere prin caracterizarea fiecărui strat prin modulul de elasticitate, coeficientul lui Poisson şi

grosime.

Uzan (2004) prezintă o metodă de dimensionare care consideră deformaŃiile

permanente ca o funcŃie de compoziŃie a traficului, schimbărilor de temperatură şi a schimbării

răspunsului materialului cu adâncimea. Această metodă presupune împărŃirea stratului de

uzură şi a straturilor inferioare în substraturi, astfel că deformaŃiile permanente pot fi

determinate mai precis.

În principiu, analiza unei structuri rutiere comportă trei aspecte (figura II.2):

- caracterizarea materialelor componente;

- modelul teoretic pentru răspunsul structurii;

- condiŃii de mediu.



Figura II.2 Analiza unei structuri rutiere

Din punct de vedere al caracterizării materialelor, trebuie Ńinut cont de relaŃiile dintre

eforturi şi deformaŃii (liniare sau neliniare), de dependenŃa de timp a deformaŃiei specifice sub o

încărcare constantă (vâscos sau nevâscos) precum şi de gradul de recuperare al deformaŃiei

după înlăturarea efortului (elastic sau plastic).

Modelele teoretice de răspuns sunt de obicei bazate pe abordarea unui mecanism

continuu. Modelele pot fi dezvoltate la diferite nivele de sofisticare, plecând de la soluŃia

Boussinesq şi până la element finit 3D.

CondiŃiile de mediu pot avea un impact deosebit asupra performanŃei unei structuri

rutiere, cei mai importanŃi factori fiind temperatura şi variaŃiile de umiditate (figurile II.3 şi II.4).

Figura II.3 Transmiterea înc ărcărilor la patul drumului

Teren

Straturi asfaltice

Fundatie



Figura II.4 Deforma Ńiile specifice într-o structur ă rutier ă flexibil ă

Pentru determinarea stării de eforturi şi deformaŃii se Ńine cont de următoarele ipoteze:

- fiecare strat este omogen, liniar elastic şi este caracterizat de E (modulul de

elasticitate), coeficientul lui Poisson şi h (grosimea);

- fiecare strat nu induce încărcare suplimentară straturilor inferioare şi este considerat

infinit pe direcŃia orizontală;

- fiecare strat are o grosime finită, cu excepŃia stratului suport, care se consideră

infinit;

- încărcarea aplicată este circulară de aria “a” şi presiunea aplicată “q”;

- contactul între straturi succesive este permanent, astfel că eforturile normale şi

tangenŃiale şi deformaŃiile orizontale şi verticale prezente la interfeŃe sunt egale

pentru fiecare strat.

Figura II.5 Starea de eforturi și deforma Ńii într-o structur ă rutier ă



Eforturile în structura rutieră se pot determina cu următoarele relaŃii:

))((1

trzz Eσσµσε +−= (2.2)

))((1

ztrr Eσσµσε +−= (2.3)

))((1

zrtt Eσσµσε +−= (2.4)

Figura II.6. prezintă orientarea eforturilor principale funcŃie de poziŃia încărcării (roata în

mișcare):

Figura II.6 Starea de eforturi sub o roat ă în mi șcare

II.2 Evaluarea mixturilor asfaltice în laborator

Mixturile bituminoase sunt folosite ca strat de uzură sau ca strat de bază într-o structură

rutieră pentru a distribui eforturile din încărcări şi pentru a proteja straturile granulare inferioare

de pătrunderea apei. Pentru a realiza într-un mod adecvat aceste două funcŃii, mixtura trebuie



de asemenea să reziste efectelor aerului şi apei, să reziste deformaŃiilor permanente şi să

reziste fisurilor cauzate de încărcări şi de mediu.

În continuare se prezintă un rezumat al principalelor probleme şi provocări asociate cu

proiectarea reŃetei şi producerea mixturilor bituminoase, care pot întâmpina nevoile din ce în ce

mai mari ale structurilor rutiere moderne. Pentru o mai bună înŃelegere a acestei comportări

este bine de studiat principalele degradări care apar la drumuri: deformaŃii permanente,

fisurarea din oboseală şi fisurarea din temperaturi scăzute.

Sunt descrise succint aceste principale degradări, urmate după aceea de evaluarea

diverselor metode şi principii pentru determinarea caracteristicilor mixturilor asfaltice care să

ajute în prevenirea acestor degradări.

Principalele cauze ale apariŃiei degradărilor la drumuri sunt:

- calitatea materialelor puse în operă;

- tehnologia de execuŃie şi controlul calităŃii materialelor puse în operă;

- drenarea defectuoasă a apelor subterane şi de suprafaŃă;

- creşterea greutăŃii pe osie şi a numărului de încărcări datorate creşterii volumului de

trafic;

- tasări ale fundaŃiei sau terenului de fundare;

- factorii de mediu: ploi torenŃiale, zăpezi, adâncimea îngheŃului.

O clasificare sumară a degradărilor este prezentată în tabelul II.1.

Tabelul II.1 Clasificarea degrad ărilor

Categorie degrad ări Tipuri de defec Ńiuni Fisuri Longitudinale, din oboseală, reflective, de margine,

din temperaturi scăzute DeformaŃii Făgașe, văluriri Defecte de suprafaŃă Gropi, dezgrădinare

II.2.1 Deforma Ńii permanente

/5/, /13/, /33/, /45/, /49/

DeformaŃiile permanente se prezintă sub formă de bazine de deformaŃii longitudinale, de

obicei pe urma roŃilor, a suprafeŃei drumului, aşa cum este ilustrat în figurile II.7. – II.11.

DeformaŃiile permanente pot fi rezultatul unui teren de fundare slab (sau fundaŃie

subdimensionată) - figura II.7. – (în acest caz vorbim de ornieraj de structură) sau doar a

straturilor superioare de mixtură asfaltică, slabe, având ca principală cauză proiectarea

neadecvată a mixturii asfaltice (ornieraj din fluaj – figura II.9).



Figura II.7 F ăgășuirea într-o structur ă rutier ă subdimensionat ă, /11/

Figura II.8 F ăgașe într-o structurã rutier ă subdimensionat ă

Figura II.9 F ăgășuirea în stratul asfaltic al unei structuri rutiere , /11/

Figura II.10 Ornieraj din fluaj Figura II.11 F ăgașe



Pe plan internaŃional, deformaŃiile permanente sunt principala cauză a degradării

drumurilor. O structură rutieră se consideră complet degradată atunci când adâncimea făgaşului

depășește 12.5 mm, conform Highway Research Board.

Făgaşele în straturile asfaltice sunt cauzate de deformaŃii plastice irecuperabile între

urmele roŃilor. Aceste deformaŃii apar datorită efectelor colective ale repetării încărcărilor,

volume de trafic mari, temperaturi ridicate şi pneuri cu presiuni mari. Datorită forŃelor de

tracŃiune transmise de la roŃi la suprafaŃa drumului făgaşele apar funcŃie de deformaŃiile plastice

remanente în toate materialele structurii rutiere – cazul ornierajului de structură.

Datorită încărcărilor mari pe osie, consolidarea straturilor din trafic apare relativ repede

la straturile noi de mixtură asfaltică pusă în operă. Consolidarea excesivă apare atunci când

mixtura asfaltică are un procent mare de bitum, bitum moale, conŃinut mare de agregate rotunde

sau procent mic de goluri datorită compactării sau a unei proiectări de reŃetă

necorespunzătoare. Fenomenul de făgăşuire este accentuat în zonele cu viteze mici ori zone cu

frânări şi accelerări (intersecŃiile din zonele urbane), mai ales în perioadele cu temperaturi

ridicate. Creşterea deformaŃiilor permanente în zonele cu viteze de circulaŃie mici apare, datorită

forŃelor de forfecare mari, prin două mecanisme:

1. frânarea şi accelerarea conduc la eforturi mai mari decât rezistenŃa la forfecare a

mixturii;

2. datorită duratelor lungi de încărcare apare curgerea vâscoplastică.

Datorită caracterului vâscoelastic al bitumului, temperaturile ridicate fac ca acesta să îşi

mărească volumul, în timp ce agregatele au un coeficient de dilataŃie mai mic, astfel că bitumul

va tinde să ocupe golurile de aer din mixtură. Dacă mixtura asfaltică are un volum de goluri

insuficient, bitumul va umple golurile de aer şi poate împinge agregatele, reducând frecarea

dintre particule şi, în final, rezistenŃa mixturii.

Problemele asociate cu făgășuirea constau în pierderea stabilităŃii structurale, a

rugozităŃii şi apariŃia dificultăŃilor la manevrele de schimbare a benzilor. În plus, apariŃia

făgaşelor afectează scurgerea apelor în profil transversal, mărind riscul acvaplanării şi afectând

coeficientul de frecare pneu-carosabil.

II.2.2 Fisurarea din oboseal ă

/1/, /15/, /41/, /60/, /61/, /82/, /83/, /84/

Fisurarea din oboseală se manifestă iniŃial prin fisuri longitudinale la marginea părŃii

carosabile sau prin mici crăpături pe urmele roŃilor, perpendiculare pe direcŃia de mers, moduri



de propagare care depind de compoziŃia structurală a drumului. Fisurile continuă dezvoltarea,

formând o reŃea de fisuri, fenomen denumit şi spinare de aligator, datorită aspectului lor (figura

II.12).

Figura II.12 Fisuri de tip spinare de aligator

Fisurile din oboseală se dezvoltă datorită încărcărilor aplicate din trafic care conduc la

eforturi mai mari decât rezistenŃele la întindere şi forfecare ale mixturii. Această înŃelegere

avansată a mecanismului fisurării la oboseală conduce la îmbunătăŃirea încercărilor pe mixtura

asfaltică, a materialelor şi a modelelor de structuri rutiere pentru a anticipa mai bine

performanŃele pe teren a mixturii bituminoase. Recunoscând faptul că atât faza iniŃială a fisurii

cât şi faza de propagare a fisurii sunt în strânsă legătură cu relaŃiile de efort – deformaŃie în

straturile bituminoase, recent cercetătorii s-au concentrat pe dezvoltarea unor modele

constitutive care pot descrie comportamentul mixturilor bituminoase sub condiŃii de trafic realiste

compuse din nivele de încărcare multiplă şi perioade de descărcare aleatoare.

Un model constitutiv de încredere trebuie să fie capabil să înregistreze toate efectele din

temperatură, timpul şi rata încărcării, perioade de descărcare, îmbătrânire, încărcări pe mai

multe nivele. InteracŃiunea complexă dintre aceste variabile demonstrează nevoia de

vâscoelasticitate, mecanism de degradare, mecanism de fisurare în dezvoltarea unor modele

constitutive de încredere. Pentru specificaŃiile materialelor componente, aceste modele au un

avantaj asupra modelului lor empiric pentru că natura lor fundamentală oferă legături între

proprietăŃile materialelor componente şi performanŃa mixturii.

Un factor care favorizează apariŃia fisurilor este neasigurarea scurgerii apelor, ceea ce

face ca apa să se infiltreze în straturile rutiere şi să le slăbească rezistenŃa, iar în acelaşi timp

eforturile în mixtura asfaltică cresc datorită faptului că straturile de fundaŃie sunt saturate cu apă

(figura II.13).



În trecut, fisurile din oboseală se credea că apar de la baza straturilor asfaltice către

suprafaŃă datorită eforturilor de întindere de la baza straturilor asfaltice. Recent, studii de

cercetare la nivel internaŃional pun în evidenŃă faptul că fisurile înaintează şi de la suprafaŃă

către baza straturilor asfaltice. O primă observaŃie din studiul mai multor tronsoane

experimentale la scară reală este că, în general, pentru structuri rutiere cu un pachet de straturi

asfaltice groase fisurile apar de jos în sus, în timp ce pentru structurile rutiere cu straturi

asfaltice mai subŃiri, fisurile apar de sus în jos.

Figura II.13 Fisuri din oboseala mixturilor asfalti ce

II.2.3 Fisur ări din temperaturi sc ăzute

Fisurarea din temperaturi scăzute este provocată de eforturile de întindere induse în

mixtura asfaltică atunci când temperaturile scad sub un anumit nivel, însă, în acelaşi timp, un

factor suplimentar îl reprezintă şi încărcările din trafic. Aspectul caracteristic al acestei defecŃiuni

este dat de fisurile transversale, perpendiculare pe direcŃia traficului. Fisurile din temperaturi

scăzute apar atunci când straturile asfaltice se contractă, iar pe măsură ce se contractă, cresc

şi eforturile de întindere care, după ce depăşesc rezistenŃa la întindere, provoacă fisuri, care

pornesc de la suprafaŃă către baza stratului (figura II.14) /46/:

Fisuri din temperaturi scazute

Evolutia fisurii

Efort deintindere

Efort deintindere

Figura II.14 Fisuri din temperaturi sc ăzute



Dintre proprietăŃile mixturii asfaltice, rigiditatea mixturii (care depinde în mare măsură şi

de proprietăŃile bitumului) este cea mai importantă caracteristică pentru combaterea acestui

fenomen. Conform SHRP – A–357, modificarea temperaturii de la 40ºC la - 40ºC conduce la

deformaŃii specifice ale bitumului de 0,01 mm/m, în timp ce în acelaşi interval de temperatură

agregatele suferă deformaŃii specifice de doar 0,001 mm/m. DiferenŃa de ordin de mărime ale

celor două deformaŃii specifice conduce la apariŃia fisurilor.

II.2.4 Evaluarea mixturilor pentru atingerea cerin Ńelor structurale

Dezvoltarea unor proceduri practice şi de încredere în evaluarea abilităŃilor mixturilor

asfaltice în a atinge cerintele structurale, rămâne în continuare o provocare. Trebuie folosite o

varietate de metode de evaluare a mixturii începând din faza de proiectare a reŃetei şi până în

faza de control a fabricaŃiei mixturii, metode care să conŃină atât teste simple, orientate pe

procese în timpul controlului calităŃii în producŃie, dar şi încercări sofisticate pentru determinarea

proprietăŃilor fundamentale care să asigure că mixtura viitoare va atinge acel standard minim de

performanŃă care se ia în calcul la proiectarea structurilor rutiere.

Sistemul de încercări de laborator constă în câteva categorii de încercări simple de

compresiune, încercări pentru determinarea caracteristicilor la deformaŃii permanente şi

încercări pentru determinarea caracteristicilor fundamentale. Încercările simple sunt limitate:

pentru o anumită probă, încercările pot fi efectuate doar la o singură condiŃie de încărcare,

temperatură şi nivel de compactare. Asftel, o bună selecŃie a condiŃiilor de încercare şi

reprezentarea stării de eforturi în structura rutieră sunt critice pentru succesul acestor teste.

Măsurarea proprietăŃilor fundamentale ale mixturii oferă avantajele de a putea reproduce

o varietate mare de încărcări şi condiŃii de mediu prin modelare numerică. Dezvoltarea rapidă în

domeniul aparaturii

Date post:	02-Feb-2021
Category:	Documents
Upload:	others
View:	2 times
Download:	0 times

CONTRIBU łII PRIVIND INFLUEN łA MODULUI DE ÎNCERCARE...

Documents