https://doi.org/10.36246/UL.2020.2.07

2020; 8. évfolyam, 14. szám

Pdf: Aszfaltburkolatú útpályaszerkezetek méretezése hőmérséklet profil alapján

Az aszfaltburkolat felületi hőmérsékletének éves eloszlása

Ha egy aszfaltburkolatú útpályaszerkezet különböző mélységeiben kialakuló hőmérsékletet szeretnénk megbecsülni, első lépésként célszerű a felületi hőmérsékletéből kiindulni, hiszen az közvetlenül is mérhető.

Aszfaltburkolaton mért hőmérsékleti eloszlás relatív gyakoriságát egy korábban létrehozott (Pethő, 2008) – több publikációban is szereplő – meteorológiai állomástól kapott hőmérsékleti adatgyűjtésből számítottuk. A meteorológiai állomást 2006-ban szerelték fel, mi a 2006.01.01-jétől 2007.7.31-ig tartó intervallum adatait kaptuk meg és használtuk fel. A meteorológiai állomás 10 percenként mérte és naplózta az adatokat, ami a kiválasztott egy év esetén mintegy 48 441 darab mérési adatnak felelt meg. A mérési adatok a felületi hőmérséklet mellett a környezeti hőmérsékletet, illetve adott mélységben – jellemzően az egyes pályaszerkezeti rétegek középvonalában – 2, 7, 14, 29 és 49 cm-en – mért hőmérsékleti adatokat tartalmazta.

Az 1. ábra a felületi hőmérséklet változását mutatja ezen egy év alatt. A magyar éghajlati viszonyok vonatkozásában az adatok viszonylag magas felületi-hőmérsékleteket mutatnak, ezt magyarázhatja az időjárási állomás körüli lokális éghajlati viszonyok, mivel az állomás egy aszfaltkeverőtelep sűrűn beépített, magas épületekkel leárnyékolt udvarán található. Az adatsor megszakadása a meteorológiai állomás két hétig tartó leállításának következménye, ezen időszakban az adatok gyűjtése elmaradt, ez azonban megítélésünk szerint elhanyagolható hatással van az éves hőmérsékleti eloszlásra.

A felületi hőmérséklet változása egy év alatt.

A 2. ábrán látható hisztogram a 3 °C osztályközzel képzett, 22 darab hőmérsékleti osztály megoszlását mutatja.

Hőmérsékleti eloszlás hisztogramja.

Az ábrából megállapítható például, hogy a leggyakrabban előforduló hőmérsékleti tartomány a 19-22 °C közötti tartományba esett. Elosztva ezen hőmérsékleti intervallumba eső értékek előfordulást az összes mért darabszámmal az alábbiak szerint:

4951/48441 = 0,1022

kapjuk, hogy a 19 és 22°C közötti hőmérsékleti tartományban az év 10,22 %-ában fordult elő.

Az aszfaltburkolati rétegek hőmérsékletének becslése

Annak érdekében, hogy modellezni tudjuk a hőmérséklet lefutását a mélység függvényében a pályaszerkezetben, az elemzéshez egy 19 cm össz-aszfaltvastagságú, három aszfaltrétegből álló szerkezetet modelleztünk az alábbiak szerint:

  • 4 cm kopóréteg
  • 6 cm-es kötőréteg
  • 9 cm-es aszfalt felső alapréteg

Az egyes aszfaltrétegekben kialakuló hőmérsékletek becslésére az alábbi német módszert alkalmaztuk (Kayser, 2007; RDO, 2009).  A módszer az 1. egyenlet szerint a felületi hőmérséklet ismeretében ad becslést az aszfaltrétegek tetszőleges mélységében ébredő hőmérsékleti viszonyokra.

\[ y= a ⋅ ln(0,01⋅x+1) + T \]

ahol: „y” aszfalt becsült hőmérséklete [°C] „x” mélységben, „x” a burkolat felszíne alatti mélység [mm], „T” a felület hőmérséklete [°C], „a” paraméter a „T” függvényében (1. táblázat).

„a” paraméterek a felületi hőmérséklet függvényében.

Hőmérséklet

a

<-10

6.5

<-5

4.5

< 0

2.5

< 5

0.7

< 10

0.1

< 15

0.3

< 20

0.4

< 25

-1.6

< 30

-4.0

< 35

-6.2

< 40

-8.5

< 45

-10.5

> 45

-12.0

A pályaszerkezeti rétegek hőmérsékletét elsőként a 2, 7 és 14 cm mélységben a fentiekben ismertetett német módszerrel becsültük és összevetettük a meteorológiai mérőállomástól kapott, az azonos mélységben mért adatokkal. A becsült és a meteorológiai állomásról gyűjtött adatokat összevetve, megállapítottuk, hogy erős kapcsolat igazolható, mivel a korreláció szorosságát kifejező R2 értékek a következőképpen alakultak:

  • 2 cm mélység: 0,98
  • 7 cm mélység: 0,89
  • 14 cm mélység: 0,79

A 3. ábra a becsült hőmérsékletet mutatja a különféle mélységekben mért hőmérséklet függvényében.

Becsült hőmérséklet a mért hőmérséklet függvényében.

A modellt tovább finomítva a teljes aszfaltvastagság 19 centiméterét 1 centiméteres, 19 különálló alrétegre bontottuk. Figyelembe véve továbbá, a felszíni hőmérséklet eloszlást 22 hőmérsékleti tartományra osztottuk, amint azt a fentiekben kifejtettük, a pályaszerkezet éves hőmérsékleti viszonyait megfelelő részletességgel a 2. táblázatban megadott 19×22-es mátrix írja le.

A 19*22-es mátrix szemléltetése.

A pályaszerkezeti modell sorszáma

1

2

3

20

21

22

a hőmérsékleti tartomány alsó határa (°C)

-5

-2

1

52

55

58

a hőmérsékleti tartomány felső határa (°C)

-2

1

4

55

58

61

a hőmérsékleti tartomány átlagértéke (°C)

-3.5

-0.5

2,5

53.5 56.5 59.5

10 mm

-3.3

-0.3

2.6

52.4 55.4 58.4

20 mm

-3.0

0.0

2.6

51.3 54.3 57.3

30 mm

-2.8

0.2

2.7

50.4 53.4 56.4

40 mm

-2.7

0.3

2.7

49.5 52.5 55.5

50 mm

-2.5

0.5

2.8

48.6 51.6 54.6

60 mm

-2.3

0.7

2.8

47.9 50.9 53.9

70 mm

-2.2

0.8

2.9

47.1 50.1 53.1

80 mm

-2.0

1.0

2.9

46.4 49.4 52.4

90 mm

-1.9

1.1

2.9

45.8 48.8 51.8

100 mm

-1.8

1.2

3.0

45.2 48.2 51.2

110 mm

-1.6

1.4

3.0

44.6 47.6 50.6

120 mm

-1.5

1.5

3.1

44.0 47.0 50.0

130 mm

-1.4

1.6

3.1

43.5 46.5 49.5

140 mm

-1.3

1.7

3.1

43.0 46.0 49.0

150 mm

-1.2

1.8

3.1

42.5 45.5 48.5

160 mm

-1.1

1.9

3.2

42.0 45.0 48.0

170 mm

-1.0

2.0

3.2

41.6 44.6 47.6

180 mm

-0.9

2.1

3.2

41.1 44.1 47.1

190 mm

-0.8

2.2

3.2

40.7 43.7 46.7

A kötőanyag és az aszfaltkeverék paramétereinek meghatározása a hőmérséklet függvényében

A számításokhoz a kötőanyag tulajdonságait úgy tekintettük, hogy azok PG 64 -22 fokozatnak felelnek meg. A PG (Performance Graded) jelölés a bitumen viselkedése fokozatára utal, a két számérték pedig a környezeti feltételeket leíró magas, illetve alacsony burkolattervezési hőmérsékleteket jelenti. Ebben az esetben egy PG 64-22 fokozatú kötőanyag a szabványban foglalt előírásokat 64 °C-nál kisebb, átlagos 7 napos magas burkolathőmérsékletre és -22 °C-nál nagyobb, alacsonyabb éves átlagú burkolathőmérsékletre vonatkozóan elégíti ki.

A bitumen hőmérsékletfüggő viszkozitás értékeit a 2 és 3 egyenletekkel határoztuk meg (NCHRP, 2011).

\[ loglog(η)=A+VTSlog (T_{R})  \] ha TR>Tkritikus

\[ loglog(η)=1095 \] ha TR≤Tkritikus

Ahol, „η” viszkozitás [cP], „TR” hőmérséklet [Rankine]. A PG 64-22 minőségű kötőanyagokra az alábbi paraméterek vonatkoznak:

A = -3 680 és VTS = 10 980.

A részletes modellezéshez a különböző aszfaltrétegeket a kopó, kötő és alaprétegbe építhető keverékekre jellemző összetételekre vonatkozó – eltérő – paraméterekkel vettük figyelembe. Ezen paramétereket a 3. táblázat foglalja össze, ahol a paraméterek a dél-koreai követelmények alapján lettek megadva (Molit, 2015) azonban hazai előírásokkal is jellemzően összhangban vannak.

A különböző aszfaltrétegek modellezéséhez felhasznált paraméterek.
Rétegek p34

p38

p4

p200

va

vbeff

f (Hz)

kopóréteg

0

38,75

72,5

10

3,08

12,2

25

kötőréteg

2,5

24

45

6

4,159

10,5

25

alapréteg

13

35

51

4

3,777

9,3

25

Tekintve a 2. táblázat első oszlopát, amely a (-5) és (-2) °C felületi hőmérsékleti tartományra, (-3,5) °C középérték figyelembevételével az 1. egyenlet alapján, centiméterenként tartalmazza a becsült hőmérsékleti értékeket, amelyek bemeneti paramétereket biztosítanak a kötőanyag dinamikus viszkozitásának előrejelzésére, amelyet a 2 és 3 egyenlet szerint számíthatunk ki.

A kötőanyag viszkozitásának ismeretében pedig becsülhető a keverék merevsége az alábbi (4) egyenlet segítségével. Ez az összefüggés az úgynevezett Witczak-egyenlet, amellyel meg lehet becsülni az aszfaltréteg modulusát a kötőanyag dinamikus viszkozitásának és az aszfaltkeverék tulajdonságainak függvényében (MOLIT, 2015).

\[ log |E*| = 6,940166 – 0,00176(P_{200})+0,003889(P_{4})-0,08776(V_{a})-1,33426\frac{V_{eff}}{V_{eff}+V_{a}}+\frac{(-3,63992-0,03114(P_{4})+0,015546(P_{38})+0,010469(P_{34}))}{1+exp(-0,09942+0,162727xlogf+0,180695xlogη)} \]

A számítást példaként a (-5) – (-2) °C hőmérsékleti tartományra az alábbiakban közöljük, ahol az aszfaltréteg-modulust a 4. táblázatban foglaltak szerint számítottuk.

Anyagparaméterek becsült értékei (T= -3.5°C).

Pályaszerkezeti rétegek

Mélység (mm)

Kötőanyag dinamikai viszkozitása (106 Poise)

Aszfaltmodulus (MPa)

Kopóréteg

10

25 820

23,211

20

23 725

22,832

30

21 955

22,489

40

20 438

22,176

Kötőréteg

50

19 125

27,784

60

17 976

27,489

70

16 963

27,215

80

16 062

26,959

90

15 255

26,719

100

14 529

26,494

Alapréteg

110

13 872

32,697

120

13 275

32,452

130

12 729

32,220

140

12 228

31,999

150

11 768

31,789

160

11 342

31,589

170

10 947

31,398

180

10 581

31,214

190

10 239

31,039

Hasonló módon a számítások a további 21 hőmérsékleti tartományra elvégezhetőek, és ebben az esetben előállítható az egyéves időszak hőmérsékleti viszonyait lefedő, azt kellőképpen reprezentáló 22 pályaszerkezeti modell aszfaltrétegekre vonatkozó része.

A végeselem modellek elemzése

Annak érdekében, hogy a teljes pályaszerkezet viselkedését modellezni tudjuk, az eddig vizsgált aszfaltrétegek alá, amelyeket 19 darab 1 cm vastag aszfalt al-réteggel jellemeztünk, 20 cm vastag, 350 MPa modulusú, nem kötött szemcsés alapréteget és 50 MPa altalaj teherbírást tételeztünk fel.

Az így már teljes pályaszerkezetet az (NCHRP/TRB, 2004) ajánlása alapján 9m x 9m x 9m, köbös VEM modellé alakítottuk, biztosítva, hogy a vízszintes alsó és függőleges oldalsó peremek ne közelítsék meg a terhelő felület középpontját az ajánlott 50, illetve 12 keréksugárnál jobban. Feltételeztük, hogy a szokványos 50 kN-os kerékterhelés egyenletesen oszlik meg egy kör alakú, 15 cm sugarú felületen. Az aszfalt, az alapréteg és az altalaj anyagára 2,3, 2,0 és 1,5 t/m3 önsúlyterhet alkalmazunk, ebben a sorrendben.  A végeselem-modellben a tartomány negyedét vettük figyelembe, és szimmetrikus peremfeltételeket alkalmaztunk a szimmetria felületeire, míg az alsó réteg legalsó pontjait függőleges elmozdulásokkal, az egész tartományt merevtestszerű elmozdulásokkal szemben megtámasztottuk. A végeselem modellben nyolc csomópontú 3D szerkezeti szilárd testelemeket alkalmaztunk (az ANSYS szoftverben SOLID185 elemtípus), minden csomóponton három szabadságfokkal. A 19. aszfalt alréteg a szemcsés alaphoz, valamint a szemcsés alap az altalajhoz súrlódásmentes kontakt elemekkel kapcsolódtak.

A vízszintes fajlagos nyúlásokat az aszfaltrétegek alján (4. ábra) és a függőleges elmozdulást a földmű tetején kiszámítottuk (5. ábra).

A vízszintes megnyúlások [-] alakulásának szemléltetése a 22. számú modellben.
A függőleges eltolódások [mm] szemléltetése a 22. számú modellben.

Mind a 22 pályaszerkezeti modellre végeselemes számítás segítségével kiszámított igénybevételeket a 7. táblázat foglalja össze.

A pályaszerkezet kumulatív fáradása

Annak érdekében, hogy a vizsgált pályaszerkezet viselkedését modellezni tudjuk, tételezzük fel, hogy a várható forgalmi terhelés 1 millió egységtengely, amely évközben egyenletesen oszlik el. Azaz a 22 darab pályaszerkezeti modellre a forgalmi terhelés megoszlása megegyezik a felületi hőmérséklet eloszlással, amint azt az 5. táblázat mutatja.

A hőmérsékleti értékek gyakorisága alapján a forgalmi terhelés megoszlása.
A hőmérsékleti osztály sorszáma (1-22) Mért hőmérsékleti adatok száma (-)

Adott hőmérséklet gyakorisága

(%)

Tényleges tervezési forgalom

(Ni, tényleges)

1 668 1,38 13 790
2 1557 3,21 32 142
3 3805 7,85 78 549
4 4610 9,52 95 167
5 3746 7,73 77 331
6 2666 5,50 55 036
7 3246 6,70 67 009
8 4446 9,18 91 782
9 4951 10,22 102 207
10 4146 8,56 85 589
11 3358 6,93 69 321
12 2656 5,48 54 830
13 2061 4,25 42 547
14 1659 3,42 34 248
15 1373 2,83 28 344
16 1056 2,18 21 800
17 876 1,81 18 084
18 636 1,31 13 129
19 461 0,95 9 517
20 304 0,63 6 276
21 106 0,22 2 188
22 54 0,11 1 115
Total 48441 100,00 1 000 000 egységtengely

A megengedett forgalmi terhelést a Shell által kidolgozott alapösszefüggés ausztrál változatával (Austroads Ltd., 2017.), az alábbi összefüggéssel határozható meg:

\[ N=\frac{SF}{RF}[\frac{6918(0,856V_{b}+1,08)}{E^{0,36}με}]^{5} \]

ahol: „N” a megengedett teherismétlődések száma, „μϵ” megengedett megnyúlás aszfalt felsőalapréteg alsó síkján (microstrain), „Vb” bitumen térfogat%-a az aszfaltrétegben [%], „E” aszfalt modulus [MPa], „SF” eltolási tényező a laboratóriumi és az üzem fáradtsági élettartamok között (feltételezett érték = 6), „RF” megbízhatósági tényező (6. táblázat).

Megbízhatósági tényező (RF)

Megbízhatóság

50%

80%

85%

90%

95%

97.5%

1.0

2.4

3.0

3.9

6.0

9.0

A (5) egyenlet segítségével az VEM modellszámítások eredményeként kapott aszfaltmegnyúlások felhasználva, mind a 22 pályaszerkezeti modell esetén meghatározható a megengedett tengelyterhelés értéke, amelyet a 7. táblázat tartalmaz.

A VEM modell segítségével megkapott megnyúlások az alsó aszfaltréteg alsó síkjában és az ez alapján becsült megengedett forgalmi terhelés értékek.

Pályaszerkezeti modell sorszáma (1-22)

Becsült vízszintes megnyúlás (microstrain) (ANSYS)

Megengedett forgalmi terhelés (Ni, engedett) a (5) egyenlet szerint

1

48

30,039,423

2

56

20,120,211

3

60

15,579,040

4

68

10,986,355

5

79

7,431,197

6

91

4,999,914

7

105

3,460,413

8

120

2,412,376

9

127

1,974,324

10

143

1,422,479

11

149

1,216,528

12

167

899,067

13

174

771,340

14

181

670,285

15

201

512,766

16

210

444,640

17

231

348,753

18

244

299,301

19

267

240,659

20

290

196,196

21

314

162,043

22

339

135,481

Ezen értékeket (7. táblázat, utolsó oszlop) összevetve a feltételezett forgalmi terheléssel (5. táblázat utolsó oszlop) minden egyes pályaszerkezeti modell esetére meghatározható a kumulált fáradás mértéke, ahol 0: a terheletlen szerkezet és 1: a kifáradt szerkezetet szimbolizáló szélsőérték. A kumulatív károsodási tényezőt (CDF) a Miner hipotézissel (6. egyenlet) számítottuk:

\[ CD=Σ_{MINER}=\frac{N_{1, tényleges}}{N_{1, megeng}} + \frac{N_{2, tényleges}}{N_{2, megeng}} + \frac{N_{3, tényleges}}{N_{3, megeng}} + … \frac{N_{22, tényleges}}{N_{22, megeng}} ≤1 \]

ahol: „N i,tényleges” (i = 1…22), a forgalmi terhelés tényleges száma „i” pályaszerkezeti modellnél, „N i,megeng” (i = 1…22), megengedett tengelyterhelés „i” pályaszerkezeti modellre.

1 millió egységtengely és 95% -os megbízhatósági szint mellett a CDF-érték 0,72; következésképpen a pályaszerkezet mintegy 28%-os szerkezeti kapacitással (fáradási tartalékkal) rendelkezik. Abban az esetben, ha a forgalmi terhelést 1,34 millióra növeljük, a CDF-értéket 0,99-re emelkedik és megközelíti az elméleti határát, azaz a vizsgált pályaszerkezet ennél magasabb fáradási igénybevételt nem képes elméletileg elviselni.

A kapott eredmények összevetése referenciaszerkezettel

Annak érdekében, hogy a VEM modellel kapott eredményeket értékelni tudjuk, az így kapott eredményeket egy ún. hagyományos, 5 rétegű modellszámítás eredményeivel vetettük össze, ahol a hőmérséklet hatását az ún. ekvivalens hőmérsékleten keresztül vettük figyelembe. Ebben a számításban egyetlen pályaszerkezeti modellt hoztunk létre.

Az ekvivalens hőmérséklet számítását ebben a cikkben nem tárgyaljuk, értékére 20 °C-ot állapítottunk meg (Gribovszki et al., 2016) és ehhez a hőmérsékleti értékhez tartozó modulus értékekkel számoltunk, a 8. táblázatban foglaltakkal összhangban.

Referencia pályaszerkezeti modell.

Pályaszerkezeti rétegek

Modulus (MPa)

4 cm aszfalt kopóréteg

4,000

6 cm aszfalt kötőréteg

5,800

9 cm aszfalt alapréteg

4,500

20 cm szemcsés alapréteg

350

altalaj

50

A számításokat Shell BISAR programmal elvégezve az aszfaltrétegek alsó síkjában kiszámított vízszintes nyúlás 143 (mikronyúlás vagy microstrain) adódott, amelyhez 4 250 836 egységtengely terhelés tartozik 95% -os megbízhatósági szint mellett.

A két megközelítés közötti különbség jól látható és számszerűsíthető. A hőmérsékleti hatások részletesebb figyelembevétele jelentősen csökkentette az elméletileg meghatározható megengedett forgalmi terhelést.

Összefoglalás

Az aszfaltrétegekre gyakorolt hőmérsékleti hatás figyelembevétele döntő tényező a pályaszerkezet méretezésénél. Ebben a cikkben az alsóbb aszfaltrétegek hőmérsékletét a német irányelvek alapján becsültük meg. A becsült értékek megfelelő összefüggésben voltak a korábban létre hozott meteorológiai állomásról gyűjtött valós adatokkal, és jó korrelációt kaptunk. Ezt a lépést követően meghatároztuk a hőmérséklet-eloszlás relatív gyakoriságát.

A pályaszerkezetünk aszfaltrétegeinek modelljét 19 darab 1 cm vastag rétegekből építettük fel, annak érdekében, hogy megfelelően tükrözze a hőmérséklet-változást, amit pedig a kötőanyag viszkozitásának és az aszfalt modulusának becsléséhez használtunk fel.

Az így elvégzett modellszámítások és az ún. ekvivalens (egyenértékű) hőmérsékleti módszerrel végzett egyszerűsített számítások összehasonlítása azt mutatta, hogy a cikkben vázolt részletes modell jobb előrejelzést nyújthat a pályaszerkezet valós, teljes szerkezeti kapacitásáról. Ennek oka az, hogy a hagyományos módszer nem tudja figyelembe venni az aszfaltburkolat szerkezetére gyakorolt hőmérsékleti hatások komplexitását.

A módszer rávilágít arra, hogy a részletes hőmérsékleti profil alkalmazásával végzett számítás valósághűbb bemenetet nyújt a szerkezet kialakításához, és realisztikusan mérlegelhető a különféle aszfaltkeverékek, polimerrel vagy gumival modifikált keverékek, ill. ún. nagy modulusú aszfaltkeverékek közötti teljesítményeltérések hatása.

Hivatkozás

Austroads. 2017: Guide to Pavement Technology Part 2: Pavement Structural Design, Sydney: Austroads Ltd.

Gribovszki, Z., Igazvölgyi, Z., Kalicz, P., Pethő, L., Kisfaludi, B., Tóth, C., Markó, G., Soós, Z., Péterfalvi, J., Szentpéteri, I. Primusz, P., Tódor, D. 2016: Alternatív méretezési eljárásokra vonatkozó tanulmány és az alternatív módszerek bevezetését segítő irányelv. Kutatási jelentés. Megrendelő: Közlekedésfejlesztési Koordinációs Központ.

Kayser, S. 2007: Berücksichtigung klimatischer Bedingungen bei der rechnerischen Dimensionierung von Oberbauten für Verkehrs-flächen, Dissertation, TU Dresden

MOLIT. 2015: Mechanistic-empirical pavement design specification, Seoul: Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Korea.

NCHRP. 2011: LTPP Computed Parameter: Dynamic modulus, US Department of Transportation Federal Highway Administration.

Pethő, L. 2008: A hőmérséklet eloszlás alakulása az aszfalt burkolatú útpályaszerkezetekben és ennek hatása a pályaszerkezeti rétegek fáradási méretezésére, technológiai tervezésére. PhD értekezés.

RDO. 2009. Guidelines for mathematical dimensioning of foundations of traffic surfaces with a course asphalt surface, Research society for roads and traffic, Berlin.

 

Erre a szövegre így hivatkozhat:

Seoyoung Cho, Pethő László, Tóth Csaba, Lakatos Éva: Aszfaltburkolatú útpályaszerkezetek méretezése hőmérséklet profil alapján, 2020, DOI: 10.36246/UL.2020.2.07