6-2-475-dww (1.11MB)

r~
\
6.2
ifySdaard uitvoering van de
iÉtjsche splijtproef ter bepaling
van de splijteigenschappen van
bitumineus gebonden materialen
Ministerie van Verkeer en Waterstaat
Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat
B
I
D
O
C
(bibliotheek en documentatie)
'Dienst Weg- en Waterbouwkunde
Van der Burghweg 1
Postbus 5044, 2600 GA DELFT
Tel. 015 - 2699363/364
' 475
l
&?'
•'.. -
biënst Weg- en Waterbouwkunde
Standaard uitvoering van de
statische splijtproef
ter bepaling van de splijteigenschappen
van bitumineus gebonden materialen
Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde
met medewerking van KOAC, NPC en AVECO
W-DWW-96026
B
1
D
O
C
(bibliotheek en documentatie)
~**~~~ Dtemt Wsg- en Waterbouwkunde
Postbus SW4, 2500 OA DELFT
Tel. 015 -2518 363/364
Standaard uitvoering van de
statische splijtproef
ter bepaling van de splijteigenschappen
van bitumineus gebonden materialen
W-DWW-96026
Dit document bestaat uit drie delen:
I
Voorschrift voor de standaard uitvoering van de statische splijtproef ter bepaling van
de splijteigenschappen van bitumineus gebonden materialen
II
Toelichting op het voorschrift voor de uitvoering van de statische splijtproef ter
bepaling van de splijteigenschappen van bitumineus gebonden materialen
III
Voorschrift voor de kalibratie van de statische splijtproef
Voorschrift voor de standaarduitvoering van de
statische splijtproef ter bepaling van de
splijteigenschappen van bitumineus gebonden materialen
DOEL EN TOEPASSING
Dit proefvoorschrift is een voorschrift voor de bepaling van de splijtsterkte, de stijfheidsmodulus en de splijtenergie van bitumineus gebonden materialen met de statische
splijtproef.
PRINCIPE VAN DE PROEF
Een cilindervormig proefstuk wordt diametraal tussen twee in een verticaal vlak
opgestelde laststrippen geplaatst en met een constante vervormingssnelheid belast. Er
is tijdens de proef geen zijdelingse steundruk. Tijdens de proef worden de kracht en
de vervorming in de belastingsrichting gemeten. Hieruit worden sterkte-eigenschappen
van het beproefde materiaal berekend.
3
TERMINOLOGIE
3.1
Begrippen en definities
3.2
Dagopening
De grootst toegankelijke opening tussen de
laststrippen van de beproevingsinrichting voor
het plaatsen van proefstukken of meetapparatuur.
Meetfout
Het verschil tussen de werkelijke waarde van de
fysische grootheid en de aangewezen waarde op
het meetinstrument, uitgedrukt in % van de
werkelijke waarde.
Nauwkeurigheidsklasse
De toelaatbare, in procent uitgedrukte meetfout
in het uitgangssignaal van een opnemer.
Symbolen
do
ho
m
ws
W
P
Y
AY
gemiddelde diameter van het proefstuk [mm]
gemiddelde hoogte van het proefstuk [mm]
massa van het proefstuk [g]
stijfheidsmodulus [MPa]
kracht [N]
bezwijkkracht [N]
rekenkundig gemiddelde van twee opeenvolgende metingen van de
kracht [N]
splijtenergie per eenheid van volume [J/m3]
bezwijkenergie per eenheid van volume [J/m3]
verticale vervorming [mm]
rekenkundig verschil tussen twee opeenvolgende metingen van de verticale vervorming [mm]
Yb
Ye
cc
Gsp
p
3.3
:
:
:
:
:
verticale vervorming bij F b [mm]
verticale vervorming bij einde proef [mm]
coëfficiënt in de formule voor de berekening van S n
splijtsterkte [MPa]
dichtheid van het proefstuk [kg/m 3 ]
Formules
P =
^ —
• 106
[kg.m3]
(1)
[MPa]
(2)
[MPa]
(3)
0,25 n 4 h0
nhQdQ
S
ix
ma
= a • -JjL.
v U
Y h
b 0
Formule 3 is gebaseerd op een vast aangenomen waarde van het poissongetal ter
grootte van 0,35. De waarde van oc voor proefstukken met een diameter van 101,6 mm
(4 inch) bedraagt 3,559 en voor proefstukken met een diameter van 152,4 mm (6 inch)
4,069. Voor proefstukken met een andere diameter kan de waarde van cc worden
gevonden in tabel 1 in de toelichting op het proefvoorschrift (deel II van dit
document).
F
s "J
W
[J.m3]
(4)
[J-m-3]
(5)
= - ^
0,25 7i 4 hQ
k 8
W =- ü »
0,25 n dl hQ
In figuur 1 is weergegeven op welke fasen van de proef de splijt- en bezwijkenergie
betrekking hebben.
Figuur 1:
Kwalitatieve aanduiding van de splijt- en bezwijkenergie.
4
TOESTELLEN EN HULPMIDDELEN
4.1
Meetinstrumenten en hulpmiddelen
Schuifmaat, afleesnauwkeurigheid 0,1 mm
Balans, afleesnauwkeurigheid 0,1 g
Blokhaak
Voelermaten, van 0 tot 1 mm oplopend in stappen van 0,1 mm
Droogruimte, temperatuur boven 0 °C, maximum temperatuur 25 °C
Opslagruimte, temperatuur 0-20 °C
Conditioneringsruimte, temperatuur 0-30 °C
4.2
Beproevingssysteem
4.2.1
Algemeen
Een voorbeeld van een geschikte proefopstelling is in figuur 2 schematisch weergegeven. Het belastingssysteem bestaat uit twee laststrippen waartussen het proefstuk
loodrecht op de cilindermantel wordt belast. De belasting wordt door middel van een
vijzel via één van de laststrippen aan het proefstuk opgelegd. De onderdelen dienen
uit corrosiebestendig materiaal te zijn vervaardigd.
In het geval de verticale verplaatsing niet rechtstreeks over het proefstuk wordt
gemeten, maar bijvoorbeeld via een verplaatsingsopnemer in de vijzel, dient de totale
stijfheid van de proefopstelling minimaal 1000 kN/mm te bedragen.
Opmerking:
Voor nadere details over de stijfheid van de proefopstelling wordt verwezen naar deel II,
paragraaf 4.2.1 en de bijlage bij deel III.
4.2.2
Laststrippen
De laststrippen dienen zo stijf te zijn dat bij een opgelegde kracht van 100 kN de
elastische vervormingen van de laststrippen niet groter worden dan 5um. De laststrippen dienen in het verticale vlak door de as van de vijzel te kunnen worden
gepositioneerd. De lengte van de laststrippen dient minimaal 10% groter te zijn dan
de hoogte h0 van het proefstuk. De laststrip moet 12,7 mm breed te zijn. Het oppervlak van de laststrippen moet glad te zijn. De kromtestraal van dat deel van de
laststrip dat in contact komt met het proefstuk moet dezelfde te zijn als de kromtestraal van de mantel van het proefstuk (figuur 2). De dagopening dient zodanig te zijn
dat proefstukken met een diameter tot circa 150 mm kunnen worden ingebouwd.
4.2.3
Stuurinrichting
Het beproevingssysteem moet zijn voorzien van een stuurinrichting voor de vijzel
waarmee de belastingsconditie voor het proefstuk zo is te beheersen dat aan de
voorwaarden gesteld aan de uitvoering van de proef wordt voldaan (6.2.2).
Opmerking:
4.2.4
Aanbevolen wordt de stuurinrichting uit te voeren met een programmagever (functiegenerator) en een regelkring waarmee het gewenste belastingssignaal kan worden gegenereerd.
Krachtopnemer
De krachtopnemer moet een meetbereik van 100 kN hebben en voldoen aan de
specificatie voor opnemers nauwkeurigheidsklasse 0,2.
4.2.5
Verplaatsingsopnemer
De proefopstelling moet zijn uitgerust met een verplaatsingsopnemer om de verticale
vervorming van het proefstuk te meten. De verticale vervorming wordt gemeten als
de diameter verandering in de belastingsrichting. De verplaatsingsopnemer moet een
meetbereik hebben van tenminste 20 mm. De opnemer moet voldoen aan nauwkeurigheidsklasse 0,2.
4.2.6
Elektronische registratie-apparatuur
De elektrische signalen uit de opnemers voor de kracht en de verplaatsing worden via
ruisarme versterkers versterkt tot bij voorkeur 10 volt gelijkspanning voor de
eindwaarde van het meetbereik van de betreffende opnemer. Met analoog of digitaal
aanwijzende meetinstrumenten moeten de meetversterkers kunnen worden uitgelezen
met een resolutie van 1 N voor de kracht en 1 |om voor de verplaatsing.
Opmerking:
4.2.7
Het dynamische gedrag van opnemers en elektronische meetapparatuur kan oorzaak zijn
van meetfouten die ver boven de maximaal toelaatbare waarden liggen. Aanbevolen wordt
om de door de leverancier verstrekte specificaties hierop te controleren. Voorts is van
belang dat de elektronische apparatuur voldoende afgeschermd is tegen de invloed van
externe elektrische en magnetische stoorbronnen die aanleiding kunnen zijn voor
meetfouten.
Conditioneringsruimte
De conditioneringsruimte voor de proefstukken dient een temperatuurbereik van 0 tot
30 °C te hebben. Een ingestelde temperatuur moet met een nauwkeurigheid van ± 0,5
°C kunnen worden gehandhaafd.
4.3
Kalibratie van het beproevingssysteem
Naast de voorgeschreven tweejaarlijkse kalibratie moet het beproevingssysteem worden
gekalibreerd bij heringebruikneming, bijvoorbeeld na demontage. Door middel van een
kalibratieprocedure dient de goede werking van het beproevingssysteem te worden
vastgesteld. Voor deze procedure wordt verwezen naar deel Hl van dit document.
10
5
MONSTERNEMING
5.1
Algemeen
De proefstukken dienen representatief te zijn voor het te onderzoeken materiaal.
Beschadiging in alle fasen van de proefvoorbereiding (inclusief monsterneming en
transport) dient te worden voorkomen.
5.2
Herkomst proefstuk
De proef kan worden uitgevoerd op:
proefstukken vervaardigd in het laboratorium (Marshalltabletten of gyratorproefstukken)
proefstukken geboord uit in het laboratorium vervaardigde asfaltplaten
proefstukken vervaardigd uit boorkernen uit de weg
Tijdens transport en opslag dienen platen en boorkernen volledig ondersteund te zijn
teneinde vervorming en beschadiging te voorkomen.
Opmerking:
5.3
Het verdient aanbeveling om platen en boorkernen niet bloot te stellen aan temperaturen
boven 25 °C.
Opslag proefstuk
De ondergrond waarop de proefstukken rusten moet vlak en schoon zijn. Proefstukken
mogen niet worden gestapeld. De relatieve vochtigheid in de opslagruimte mag niet
hoger zijn dan 80%. Proefstukken die niet direct voor beproeving in aanmerking
komen, dienen in een droge ruimte tussen 0 en 20 °C te worden opgeslagen.
Opmerking:
Tijdens de opslag voor een lange periode, bijvoorbeeld langer dan twee maanden, worden
in de opslagruimte een temperatuur tussen 5 en 10 °C en een relatieve vochtigheid lager
dan 80% aanbevolen.
11
6
BESCHRIJVING VAN DE PROEF
6.1
Proefstuk
6.1.1
Afmetingen en toleranties
Het proefstuk heeft de vorm van een cilinder en de volgende nominale afmetingen en
toleranties:
A.
Asfaltmengsels met een nominale grootste korrel groter dan 16 mm:
- diameter 150 ± 5 mm, hoogte 40 ± 2 mm
B.
Asfaltmengsels met een nominale grootste korrel tot en met 16 mm:
- diameter 100 ± 5 mm, hoogte 25 ± 2 mm
De eindvlakken van de proefstukken moeten zodanig planparallel zijn, dat de variatie
in de hoogte voor proefstukken met een diameter van 100 mm maximaal 1 mm en
voor proefstukken met een diameter van 150 mm maximaal 1,5 mm bedraagt. De
variatie in de diameter mag ten hoogste 2 mm bedragen. De hoek tussen de
cilindermantel en respectievelijk het boven- en ondervlak mag ten hoogste 1° afwijken
van de rechte hoek.
6.1.2
Controle op proefstukeigenschappen
De hieronder genoemde proefstukeigenschappen dienen aan het droge proefstuk te
worden gemeten. Na het zagen en eventueel polijsten wordt het proefstuk aan de lucht
tussen 15 en 25 °C, bij een relatieve luchtvochtigheid kleiner dan 80%, tot constante
massa gedroogd. Een proefstuk wordt beschouwd droog te zijn als het verschil tussen
twee wegingen met een tussentijd van 24 uur minder dan 0,25% bedraagt.
De droge massa wordt bepaald met een nauwkeurigheid van 0,1 gram.
De hoogte wordt op vier plaatsen, evenredig verdeeld over de omtrek van het proefstuk, met een nauwkeurigheid van 0,1 mm gemeten. Daarbij mogen de bekken van de
schuifmaat niet meer dan 10 mm over de rand van het proefstuk komen. De hoogte
van het proefstuk wordt berekend als het rekenkundig gemiddelde van deze vier
metingen en op 0,1 mm afgerond. De diameter wordt gemeten aan de bovenzijde, het
midden en de onderzijde van het proefstuk; telkens twee metingen in onderling
loodrechte richtingen, met een nauwkeurigheid van 0,1 mm. De diameter van het
proefstuk wordt berekend als het rekenkundig gemiddelde van de zes metingen en op
0,1 mm afgerond.
Gecontroleerd wordt of de afmetingen en de vorm aan de gestelde eisen (6.1.1)
voldoen. Proefstukken die niet voldoen worden niet beproefd.
De dichtheid van de proefstukken wordt, afgerond op 1 kg/m3, berekend met formule
(D-
12
6.2
Uitvoering van de proef
6.2.1
Standaard splijtonderzoek
De standaard beproevingstemperatuur is 5 ± 0,5 °C. De standaard verplaatsingssnelheid is 0,85 ± 0,02 mm/s. Voor standaard splijtonderzoek wordt verwezen naar bijlage
A.
6.2.2
Opgelegd signaal
De splijtproef is een verplaatsingsgestuurde proef. De verplaatsingssnelheid is tijdens
de proef constant (6.2.1). Tijdens de proef moet de verplaatsingssnelheid binnen 2,5%
van de gewenste waarde blijven.
6.2.3
Voorbereiding van de proef
Met behulp van de blokhaak worden de beide laststrippen in een verticaal vlak
gepositioneerd. Het proefstuk wordt met de mantel op de onderste laststrip gelegd,
zodanig dat de as van het proefstuk zich in het verticale vlak van de laststrippen
bevindt. Hierna wordt, door het verplaatsen van de vijzel, de bovenste laststrip juist
boven het proefstuk geplaatst, zodanig dat de afgelezen waarde van de kracht nog nul
is. De maximale tijd tussen het uit de conditioneringsruimte halen van het proefstuk
en het starten van de proef is 30 s.
6.2.4
Uitvoering van de proef
Direct na het inbouwen van het proefstuk wordt de proef gestart. Kracht en vervorming worden geregistreerd vanaf het moment dat de proef wordt gestart (t = 0). De proef
wordt gestopt indien de kracht, na het passeren van het maximum, weer is afgenomen
tot 0 N.
6.2.5
Metingen tijdens de proef
Tijdens de proef moeten, gerekend vanaf het moment t = 0, continu en met gelijke
tijdsintervallen simultaan de kracht en de verticale vervorming worden gemeten. Het
tijdsinterval tussen twee opeenvolgende meetpunten mag maximaal 0.01 s zijn.
Opmerking:
Aangeraden wordt om bovengenoemde metingen uit te voeren met een meerkanaals computer gestuurd meetsysteem. Het tijdens de proef registreren van de kracht en vervorming
op een Y-t-recorder kan nuttig zijn om directe informatie over het splijtgedrag van het
proefstuk te verkrijgen.
13
7
VERWERKING VAN DE MEETGEGEVENS
7.1
Rekenkundige bewerkingen
Met een daartoe geschikt rekenprogramma moeten uit de metingen (6.2.5) de
proefuitkomsten (3.3) worden berekend en in een tabel worden weergegeven. De
volgende resultaten moeten worden gerapporteerd:
de
de
de
de
de
de
7.2
gemiddelde afmetingen van het proefstuk (df,, h0)
dichtheid van het proefstuk (p)
splijtkracht (Fb)
vervorming (Yb)
splijtsterkte <jsp
splijtenergie (Ws,Wp)
Grafische weergave
De volgende meetresultaten moeten grafisch worden weergegeven:
de kracht en de verticale vervorming als functie van de tijd
de kracht als functie van de verticale vervorming
14
8
RAPPORTAGE
De rapportage dient ten minste te bevatten:
1
Opdracht
1.1
Opdrachtgegevens
1.2
Doel van het onderzoek
2
Samenvatting van het onderzoek
3
Methode
3.1
Splijtsterkte
3.2
Gemeten en berekende eigenschappen
4
Proefmateriaal
4.1
Soort en herkomst proefmateriaal
4.2
Preparatie proefstuk
4.3
Codering proefstuk
4.4
Proefstuk eigenschappen
4.5
Bijzonderheden
5
Beproevingsapparatuur
5.1
Beproevingssysteem
5.2
Belastingssignaal
5.3
Meetmethode
5.4
Kalibratie
6
Uitgevoerd onderzoek
6.1
Beproevingscondities
6.2
Uitgevoerde proeven
6.3
Samengevatte proefresultaten
6.4
Bijzonderheden
7
Analyse
7.1
Berekeningsmethode
7.2
Analyseresultaten
7.3
Toetsing (indien van toepassing)
7.4
Conclusies
8
Bijlagen
8.1
Proefstuk eigenschappen
8.2
Beproevingsresultaten (individuele proeven)
8.3
Overige zaken
15
BIJLAGE A: STANDAARD SPLIJTONDERZOEK
Nog te ontwikkelen.
16
II
Toelichting op het voorschrift voor de standaard uitvoering
van de splijtproef ter bepaling van de splijteigenschappen
van bitumineus gebonden materialen
17
INHOUDSOPGAVE DEEL II
1
DOEL EN TOEPASSING
19
2
PRINCIPE VAN DE PROEF
2.1
Inleiding
2.2
Theorie
2.3
Praktische relevantie van gemeten eigenschappen
19
19
20
24
3
TERMINOLOGIE
3.1
Begrippen en definities
3.2
Symbolen
3.3
Formules
25
25
25
25
4
TOESTELLEN EN HULPMIDDELEN
29
4.1
4.2
29
29
29
29
29
29
30
30
30
30
4.3
Meetinstrumenten en hulpmiddelen
Beproevingssysteem
4.2.1 Algemeen
4.2.2 Laststrippen
4.2.3 Stuurinrichting
4.2.4 Krachtopnemer
4.2.5 Verplaatsingsopnemer
4.2.6 Elektronische registratie-apparatuur
4.2.7 Conditioneringsruimte
Kalibratie van het beproevingssysteem
5
MONSTERNEMING
5.1
Algemeen
5.2
Herkomst proefstuk
5.3
Opslag proefstuk
30
30
30
30
6
BESCHRIJVING VAN DE PROEF
6.1
Proefstuk
6.1.1 Afmetingen
6.1.2 Controle op proefstukeigenschappen
6.1.3 Voorbereiding van het proefstuk
6.2
Uitvoering van de proef
6.2.1 Standaard splijtonderzoek
6.2.2 Opgelegd signaal
6.2.3 Voorbereiding van de proef
6.2.4 Uitvoering van de proef
6.2.5 Metingen tijdens de proef
31
31
31
31
31
31
31
31
31
31
31
'
7
VERWERKING VAN DE MEETGEGEVENS
7.1
Rekenkundige bewerkingen
7.2
Grafische weergave
32
32
32
8
REFERENTIES
32
18
1
DOEL EN TOEPASSING
Het doel van de proef is tweeledig:
a.
b.
de bepaling van de splijtsterkte;
de bepaling van de splijtenergie.
De splijtsterkte wordt berekend uit de tijdens de proef optredende maximale kracht.
De splijtsterkte geeft een indruk van de treksterkte van het materiaal. De splijtenergie
wordt bepaald uit de oppervlakte onder de splijtcurve. De splijtenergie is een maat
voor de taaiheid van het materiaal. De bezwijkenergie, bepaald als de oppervlakte
onder het staartstuk van de splijtcurve voorbij het maximum, kan dienen als een
kwalitatieve indicatie voor de reststerkte onder de gegeven proef omstandigheden.
Materialen met eenzelfde splijtsterkte kunnen een verschillende splijtenergie hebben.
Opmerking: De taaiheid (toughness) van een materiaal is het vermogen om plastisch te vervormen. Deze
parameter wordt berekend als de hoeveelheid mechanische arbeid verricht tot het moment van
bezwijken. Hoewel hiermee geen fysische materiaaleigenschap wordt gekwantificeerd, heeft de
parameter waarde voor het in kwalitatieve zin vergelijken van de taaiheid van materialen.
2
PRINCIPE VAN DE PROEF
2.1
Inleiding
De oorsprong van de splijtproef ligt in Brazilië toen (1937) werd vastgesteld dat een
verticale drukkracht, uitgeoefend als een lijnlast op de mantel van een cilindervormig
proefstuk van beton, een bezwijkmechanisme te zien gaf in de vorm van splijten in
het diametrale vlak onder de lijnlast. Theoretisch spanningsonderzoek, gebaseerd op
de elasticiteitsleer wees uit, dat in het breukvlak een vrijwel gelijkmatig verdeelde
trekspanning loodrecht op de richting van de aangebrachte belasting mocht worden
aangenomen. Slechts onder de aangrijpingspunten van de uitwendige belasting treedt
over een korte afstand een drukspanning op. De proef is daarom geschikt om de
treksterkte van materialen te bepalen, waarvan de treksterkte lager is dan de
druksterkte [lit.1,2]. Om deze reden wordt de "Braziliaanse splijtproef" ook wel
"indirecte trekproef' genoemd.
In het begin van de jaren zestig is de Braziliaanse splijtproef ook op asfaltbeton
toegepast [lit.3]. Hoewel asfaltbeton geen homogeen, isotroop en lineair-elastisch
materiaal is, wordt aangenomen dat de proefresultaten van de splijtproef een aanvaardbare relevantie bezitten om technische materiaal eigenschappen te karakteriseren.
19
2.2
Theorie
De theorie over de spanningsverdeling in het proefstuk bij de indirecte trekproef is
onder andere te vinden in werk van Timoshenko en Goodier [lit.4], Frocht [lit.5],
Kennedy [lit.3], Anagnos [lit.6] en Hondros [lit.7].
Indien aan de
worden voldaan:
volgende
randvoorwaarden
- het materiaal is lineair elastisch
- het materiaal is homogeen en isotroop
- er heerst een vlakke spanningstoestand
is de theoretische spanningsverdeling onder
lijnbelasting met onderstaande formules te
berekenen (lit.8). Deze spanningsverdeling is in
figuur 1 weergegeven.
trek
2F
°x = n d h
°y =
2F
n d h
2
'0
X
Figuur 1:
2
(i)
Theoretische spanningsverdeling onder
lijnbelasting.
4
-1
De spanning in het centrum van het proefstuk (x=0) bedraagt Gx=2F/7tdh, respectievelijk oy=6F/7tdh.
De spanningsverdeling zal anders worden als de belasting geschiedt door middel van
een belastingsstrip. Hondros [lit.7] analyseerde, aannemende dat het materiaal
homogeen, isotroop en lineair elastisch is, de spanningsverdeling in een dunne schijf,
radiaal belast via dunne strippen. De spanningscomponenten langs de verticale as
(loodrecht op de diameter en langs de diameter) worden door de volgende uitdrukkingen beschreven:
1 °x =
2F
a h
-
sin 2a
- tan -ï
1 - 2.[ —I cos 2a + f—I
20
tan cc
(2)
1 °y =
-
sin 2a
2 F
n a h
1 - 2.—
cos 2a + | -
waarm:
a x = spanningscomponent loodrecht op
het diametrale vlak van belasting
[MPa]
Gy = spanningscomponent langs de
belastingsdiameter [MPa]
a = breedte laststrip [mm]
d = diameter proefstuk [mm]
F = opgelegde belasting [N]
r0 = radius proefstuk [mm]
h = hoogte proefstuk [mm]
2a = hoek waarover F radiaal gedistribueerd wordt
verondersteld
(figuur 3) [rad]
Figuur 2:
r = afstand tot het centrum van het
proefstuk [mm]
Theoretische spanningsverdeling bij belasting via
laststrippen.
De spanningsverdeling volgens deze uitdrukkingen staat grafisch weergegeven in
figuur 2. In de figuur is te zien dat de trekspanningen dicht bij de laststrippen overgaan in drukspanningen. Bij een smalle strip is de hoek a klein en geldt: sin 2a =
2.sin a.cosa = 2.a/d). De trekspanning in het centrum (r=0) wordt dan:
o. =
2F
sin 2 a - —
d
TL a h
2.F
%.d.h
(4)
Deze uitdrukking laat zien dat de grootte van de spanning in het centrum onafhankelijk is van het belastingstype (lijnbelasting of stripbelasting). Deze uitdrukking wordt
normaal gesproken gebruikt om de treksterkte van het materiaal uit te rekenen.
21
Figuur 3:
Definities en
notaties voor de
indirecte
trekproef.
De theorie van de spanningsverdeling in het proefstuk laat duidelijk zien dat punten
in het proefstuk onderhevig zijn aan twee biaxiale spanningstoestanden. De gebieden
direct onder de laststrippen verkeren in een druk-druk toestand. Langs het diametrale
vlak, verder van de laststrippen verwijderd zal deze toestand over gaan naar een trekdruk (zie figuur 4). Indien de drukspanningen onder de laststrippen de druksterkte van
het materiaal overschrijden, zal het bezwijken in dit gebied beginnen. Als echter de
combinatie van trek- en drukspanningen in het midden van het proefstuk de sterkte
van het materiaal voor deze spanningstoestand overschrijdt, zal het bezwijken in het
centrum beginnen.
Zelfs als het bezwijken
van het proefstuk in het
centrum begint, wil dit
niet zeggen dat het
proefstuk is bezweken
op pure trek.
De reden is dat in
werkelijkheid in het
centrum een biaxiale
spanningstoestand
bestaat. Daarom is de
via formule (4)
berekende
treksterkte
slechts een benadering
van de werkelijkheid.
Figuur 4:
Spanningstoestand
onder de laststrippen
en in het centrum.
22
De respons van het proefstuk bestaat uit een combinatie van samendrukken in het
gebied vlak onder de laststrippen en trekscheuren in het gebied onder biaxiale spanningstoestand (trek-druk). De totale bezwijkenergie representeert dus niet puur de
bezwijkenergie onder trek, maar een combinatie van trekenergie en drukenergie. Dit
houdt tevens in dat verschillende gebieden in het proefstuk verschillend hoeveelheden
energie dissiperen.
23
2.3
Praktische relevantie van genieten eigenschappen
De anisotropie van asfaltproefstukken introduceert een onvermijdelijke spreiding in
proefresultaten. Het niet-lineaire gedrag van asfaltbeton (met name bij hoge beproevingstemperaturen) kan aanleiding geven tot niet-realistische proefuitkomsten, bijvoorbeeld negatieve waarden van het poissongetal. De inhomogene spanningsvervormingstoestand in het heterogene materiaal asfaltbeton laat dan niet toe de gemeten
eigenschappen bij de splijtproef als fysische eigenschappen aan te merken. Betrouwbare proefresultaten kunnen alleen worden verwacht bij lage beproevingstemperaturen.
Uit onderzoek door Hagemann [lit.9] is bekend dat voor bitumineus materiaal het
quotiënt van druk- en treksterkte toeneemt met afnemende temperatuur. Bij 15 °C ligt
de verhouding op circa 3 en bij -10 °C op circa 6. De splijtproef kan alleen een betekenisvolle proefuitkomst opleveren wanneer voor het te onderzoeken materiaal geldt
dat de druksterkte minstens driemaal hoger ligt dan de treksterkte. Dit volgt uit de
theorie: in het verticale vlak tussen de laststrippen heerst (in horizontale richting) een
trekspanning, die qua grootte wordt benaderd door:
2 F
"•= VTk
,«
<5)
De drukspanning in dit vlak (in het hart van het proefstuk) wordt benaderd door:
°d =
d h
(
Wanneer het proefstuk dus bezwijkt op overschrijding van de maximale trekspanning
(en dat is het uitgangspunt bij de splijtproef), zal de bezwijkspanning op druk dus
minstens een factor 3 hoger liggen. Aanbevolen wordt de proef niet uit te voeren bij
een temperatuur boven 15 °C.
24
3
TERMINOLOGIE
3.1
Begrippen en definities
3.2
Symbolen
3.3
Formules
Formule (2) in het proefvoorschrift voor de berekening van de splijtsterkte is ontleend
aan Kennedy. Formule (3) voor de bereking van de stijfheidsmodulus is op de
volgende wijze afgeleid uit de formules van Kennedy. Voor de formules van Kennedy
wordt verwezen naar [lit.10].
Y
DR
(7)
X
DR • \
*i
DR . A2 + B2
+
(8)
DR in formule (8) kan expliciet worden geschreven:
DR -
* » * » • *
(9)
Al - v .A2
Substitutie van (9) in (7) resulteert in:
X=
h
-Bl + v . B2
F
F (-J5, + v . B~
X
Y (A, - v . AO
Substitutie van (11) in (12) resulteert in:
jp_
™~
Yh
Yh
(-B,
+
v . B2) (A3 - v . AJ
(A,
(A - v . AA)
2)
25
(11)
In deze formules zijn:
Y
X
A„ A2, A3, A4, B„ B 2
v
F
: verticale vervorming
: horizontale vervorming
: constantes volgens Kennedy [lit.10]
: poissongetal (dwarscontractiecoëfficiënt)
: kracht
Wanneer een waarde voor het poissongetal wordt aangenomen, kan de stijfheidsmodulus worden berekend uit formule (13), zonder dat de horizontale vervorming
wordt gemeten:
In tabel 1 zijn voor verschillende diameters van het proefstuk en verschillende
waarden van het poissongetal de grootte van de factor a gegeven. Een veel gehanteerde waarde van het poissongetal is 0,35. De daarbij behorende waarde van a voor
proefstukken met een diameter van 101,6 mm (4 inch) bedraagt 3,559 en voor proefstukken met een diameter van 152,4 mm (6 inch) 4,069.
Opmerking:
In tabel 1 is tevens aangegeven hoe groot de fout in Smix is bij variatie van het Poissongetal
over het interval 0 ... 0,5- Deze bedraagt maximaal 0,5% en is acceptabel klein om de
berekening van de stijfheidsmodulus te baseren op een vast aan te nemen waarde van het
Poissongetal.
26
Dia Consluiiten van Kennedy
A3
meteij
A2
Al
3.5
J.6
3.7
3.8
3.9
4.0
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
5.0
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
5.6
5.7
5.8
5.9
6.0
6.1
6.2
6.3
6.4
6.5
0.0766
0.0745
0.0726
00707
0.0690
0.0673
0.0657
0.0642
0.0627
0.0613
0.0600
0.0587
0.0575
0.0563
0.0552
0.0541
0.0531
0.0521
0.0511
0.0502
0.0493
0.0484
0.0476
0.0468
0.0460
0.0452
0.0445
0.0438
0.0431
0.0424
0.0418
-0.2847
0.2680
-0.2769
02683
•0.2694 " 0.2685
•0.2624
0.2688
•0.2557
0.2690
•0.2494
0.2692
-0.2433
0.2694
•0.2375
0.2696
•02320 0.2698
-0.2268
0.2699
-0.2218
0.2701
•0.2170
0.2702
0.2703 '
-0.2124
-0.2080
0.2704
-0 2037
0.2706
-0.1997
0.2707
•0.1958
0.2708
•0.1920
0.2709
0.2709
-0.1884
•01849
0.2710
•0.1816
0.2711
0.2712
-0.1783
•0.1752
0.2713
•0.1722
0.2713
-0.1693
0.2714
•0.1665
0.2714
-0.1638
0.2715
-0.1611
0.2716
•0.1586
0.2716
-0.1561
0.2717
•0.1537
0.2717
A4
-0.9966
•0.9968
-0.997
-0.9971
•0.9973
•0.9974
-0.9975
-0.9976
-0.9977
•0.9978
•0.9979
-0.998
•0.9981
•0.9982
-0.9983
•0.9983
•0.9984
-0.9985
-0.9985
-0.9986
-0.9986
-0.9987
-0.9987
-0.9988
•0.9988
-0.9988
-0.9989
-0.9989
-0.9989
-0.999
-0.999
01
-0.9765
-0.9590
-0.9422
-0.9260
-0.9104
-0.8954
-0.8810
•0 8671
-08537
-0.8407
-0.8282
-0 8161
•0.8043
-0.7930
-0.7820
•0.7714
-0.7610
-0.7510
-0.7413
-0.7319
-0.7227
-0.7138
•0.7051
-0.6967
-0.6884
•0.6804
-0.6727
-0.6651
-0.6577
-0.6504
-0.6434
I
A
-0.0204
-0 0193
-0 0183
•0.0173
-0 0165
-0.0156
•0.0149
-0.0142
-0.0136
-0.0130
-0.0124
•00118
-0 0114
-0.0109
-0.0105
-0.0100
-0.0097
-0.0093
-0.0090
-0 0086
-0.0083
•0.0080
-0.0078
•0.0075
-0.0072
•0.0070
•0.0068
-0.0066
-0.0064
•0.0062
-00060
r
Factor a hij poissongetal:
0 0.05
3.416
3 4S4
3.485
3 5?|
3.549
3.582
3.613
3.641
3.673
3.702
3.728
3.757
3.781
3.809
3413
3 450
3.482
3 517
3.546
3.578
3.609
3.638
3.670
3.698
3.725
3.753
3.778
3.806
3.834 3.831
3.860 3.857
3.881 3.878
3.905 3.903
3.930 3.927
3.951 3.949
3.974 3.972
4.000 3.997
4.019 4.017
4.039 4.037
4.062 4.059
4.085 4.083
4 KM 4.102
4.124 4.122
4.145
4.142
4.168 4.165
4.182 4.180
0.1
0.15
0.2
3.410
3 446
3.478
3 514
.1.54.1
3 575
3.606
3.636
3.667
3.695
3.722
3.750
3.775
3.803
3.828
3.854
3.876
3.900
3.925
3.947
3.970
3.995
4.014
4.035
4 057
4.080
4.100
4.120
4.140
4.162
4.178
3.406
3441
3.475
3 510
3.540
3 572
3.603
3.633
3.664
3.692
3.719
3.747
3.772
3.800
3.825
3.851
3.873
3.403
3 439
3.472
3 507
3.537
3.569
3.600
3.630
3 661
3.689
3.716
3.744
3.770
3.797
3.823
3.848
3.871
3.896
3.920
3.943
3.965
3.990
4.010
4.031
4.053
4.075
4.095
4.116
4.136
4.158
4.174
3.898
3.922
3.945
3.967
3.992
4.012
4.033
4.055
4.078
4.1)97
4.118
4.138
4.160
4.176
0.25
3.399
3 436
3.469
3 503
3534
3 566
3.597
3.627
3.658
3.686
3.713
3.741
3.767
3.794
3.820
3.846
3.868
3.893
3.917
3.940
3.963
3.988
4.008
4.029
4.051
4.073
4.093
4.114
4.133
4.155
4.172
0.3
3.396
3.432
3.465
3.500
3.531
3 563
3594
3.624
3.655
3.683
3.710
3.739
3.764
3.791
3.818
3.84.3
3.866
3.891
3.915
3.938
3.960
3.985
4.006
4.027
4.049
4.071
4 091
4.112
4.131
4.153
4.170
0.35
3.392
3.429
3.462
3.497
3.528
3 559
3.591
3621
3.652
3 680
3.708
3.736
3.761
3.789
3.815
3.840
3.863
3.888
3.913
3.936
3.958
3.983
4.004
4.025
4.047
4.069
4.089
4.110
4.129
4.151
4.168
0.4
0.45
0.5
3.389
3425
3.459
3.493
3.524
3.556
3.588
3.618
3.649
3.677
3.705
3.733
3.759
3.786
3.812
3.838
3.861
3.385
1382
3.418
3.452
3.487
3.518
1 550
3.582
3.612
3.643
3.671
3.699
3.727
3.753
3.781
3.807
3.832
3.856
3886
3.910
3.934
3.956
3.981
4.001
4.023
4044
4.066
4.087
4.108
4.127
4.149
4.166
3.422
3.456
3.490
3 521
3.551
3.585
3.615
3.646
3.674
3.702
3.730
3.756
3.783
3.810
3.835
3.858
3.884
3.908
3.931
3.954
3.979
3.999
4.021
4.042
4.064
4.084
4.106
4.125
4.147
4.164
3.881
3.905
3.929
3.951
3.976
3.997
4.018
4.040
4.062
4.082
4.104
4.123
4.144
4.162
Min
Avp Max
3.399
3.382
3.416
3.418
3.436
3.454
3.469
3.485
3.452
3.487
3.503
3.521
3.549
3.518
3.534
3.550
3.566
3.582
3.597
3.582
3613
3.612
3.627
3.641
3.658
3.643
3.673
3.671
3.686
3.702
3.699
3.713
3.728
.1.727
3.742
3.757
3.767
3.753
3.781
3.781
3.809
3.794
3.834
3.807
3.820
3.860
3.832
3.846
3.856
3.868
3.881
.1.881
3.893
3.905
3.918
3.905
3.930
3.929
3.940
3.951
3.951
3.974
3.963
3.976
3.988
4.000
4.019
3.997
4.008
4.018
4.029
4.039
4.051
4.062
4.040
4.085
4.062
4.073
4.093
4.082
4.104
4.104
4.114
4.124
4.123
4.134
4.145
4.156
4168
4.144
4.162
4.172
4.182
out in
Smix
0.50'/t
0.529!
0.469!
0.499!
0.449!
0.459!
0.439!
0.409!
0.439!
0.429!
0.409!
0.40%
0.379!
0.38%
0.359!
0.369!
0.339!
0.30%
0.329!
0.28%
0.29%
0.30%
0.279!
0.15%
0.27%
0.30%
0.27%
0.15%
0.27%
0.29%
0.24%
Bij veel proeven is de bepaling van het juiste nulpunt van de meting een lastige zaak.
Als oplossing wordt daarom vaak een (arbitraire) afspraak gemaakt en in het proefvoorschrift aangegeven hoe het nulpunt moet worden genomen (zoals bij de Marshallen CBR-proef). Bij de splijtproef is dit, analoog aan de Marshallproef gedaan. Een
nulpuntsfout in de kracht (enkele 1 O-tallen N) zal vermoedelijk relatief weinig invloed
hebben, omdat de splijtkracht hoog is (enkele 10-tallen kN). Een nulpuntsfout in de
vervormingsmeting (0,1 mm) zal relatief meer invloed hebben, omdat de vervormingen
klein zijn (1 tot 2 mm). De uitkomst van het oppervlak onder de splijtcurve zal dus
een grotere fout hebben dan de splijtsterkte.
De formules voor de splijt- en bezwijkenergie zijn niet door Kennedy geïntroduceerd.
Zowel in de literatuur, als in recente uitvoeringswijzen van de splijtproef, wordt echter
vaak een dergelijke energie berekend.
Opmerking:
In dit voorschrift wordt energie berekend door een oppervlak onder de splijtcurve te delen
door het volume van het proefstuk [Nm/m3]. Andere methoden van rapportage voor energie
zijn:
- energie als oppervlak onder de curve [Nm]
- energie gedeeld door het breukoppervlak (h^d,)) [Nm/m2]
28
4
TOESTELLEN EN HULPMIDDELEN
4.1
Meetinstrumenten en hulpmiddelen
4.2
Beproevingssysteem
4.2.1
Algemeen
Het gebruik van corrosievrije materialen is noodzakelijk omdat met name bij lage
temperaturen het metaal door vocht wordt aangetast. Het verdient aanbeveling het licht
in te vetten. In het geval de verticale verplaatsing niet rechtstreeks over het proefstuk
wordt gemeten, maar bijvoorbeeld via een in de vijzel ingebouwde verplaatsingsopnemer, is het van belang dat de totale stijfheid van het belastingsframe
(inclusief de krachtmeetdoos) minimaal 1000 kN/mm bedraagt, teneinde de fout in de
vervormingsmeting van het proefstuk acceptabel te houden (<1 %).
Opmerking:
4.2.2
Bij gebruik van een beproevingsmachine met een onvoldoende stijf frame (< 1000 kN/mm),
zal een deel van de vijzelarbeid als elastische energie in het frame worden geaccumuleerd
(zie de bijlage bij deel ITJ van dit document). Deze energie komt op het moment van
bezwijken van het proefstuk weer vrij en kan sterk van invloed zijn op de bezwijkenergie
Wp. Bij het kwantificeren van deze energie dient te worden bedacht dat alleen reële
getalswaarden worden gevonden wanneer de werkelijk aan het proefstuk opgetreden
verticale vervorming wordt meegenomen in de berekening. Indien de bezwijkenergie niet
berekend behoeft te worden kan worden volstaan met het corrigeren van de sturing voor
een te slap frame. Deze correctie kan worden uitgerekend indien de stijfheid van het frame
en een schatting voor de stijfheid van het proefstuk bekend zijn.
Laststrippen
De kromtestraal van de afronding van de laststrip is gerelateerd aan de diameter van
het proefstuk. De lengte van de laststrippen is gekozen aan de hand van gangbare
gehanteerde afmetingen.
4.2.3
Stuurinrichting
4.2.4
Krachtopnemer
29
4.2.5
Verplaatsingsopnemer
4.2.6
Elektronische registratie-apparatuur
De elektrische signalen uit de opnemers worden bij voorkeur tot 10 V gelijkspanning
voor de eindwaarde van het meetbereik versterkt, omdat veel meetapparaten vaak een
dergelijk signaal vereisen.
De in deze paragraaf genoemde waarden van resp. 1 N en 1 um zijn resoluties en geen
n au wkeurigheden.
4.2.7
Conditioneringsruimte
4.3
Kalibratie van het beproevingssysteem
5
MONSTERNEMING
5.1
Algemeen
5.2
Herkomst proefstuk
5.3
Opslag proefstuk
De eisen zijn bedoeld om ongewenste vervormingen en een te grote mate van veroudering van het proefstuk tegen te gaan.
30
6
BESCHRIJVING VAN DE PROEF
6.1
Proefstuk
6.1.1
Afmetingen
De gekozen proefstukafmetingen zijn gebaseerd op een oriënterend onderzoek naar de
parameters voor de standaard splijtproef [lit.11].
6.1.2
Controle op proefstukeigenschappen
6.1.3
Voorbereiding van het proefstuk
6.2
Uitvoering van de proef
6.2.1
Standaard splijtonderzoek
De in 6.2.1 genoemde proefcondities zijn gebaseerd op gangbare normen, alsmede een
oriënterend onderzoek [lit.11]. Voor een fundamentelere keuze van proefcondities is
nader onderzoek nodig. Omdat de gebruikte theorie gebaseerd is op elastisch gedrag
van het materiaal, valt te verwachten dat proeven bij lage temperaturen
(< 15 °C) representatievere uitkomsten opleveren.
6.2.2
Opgelegd signaal
6.2.3
Voorbereiding van de proef
6.2.4
Uitvoering van de proef
Bij de uitvoering van de proef dient er zorg voor te worden gedragen dat het proefstuk
goed uitgelijnd tussen de laststrippen staat. Tijdens de proef mag geen rotatie van het
proefstuk optreden. Aanbevolen wordt tijdens de proef te controleren waar de scheurvorming begint (vanuit het hart van het proefstuk, of direct onder de laststrippen).
6.2.5
Metingen tijdens de proef
31
7
VERWERKING VAN DE MEETGEGEVENS
7.1
Rekenkundige bewerkingen
7.2
Grafische weergave
8
REFERENTIES
[lit.1] :
Carneiro; Concrete tensile strenght; Rilem bulletin no. 13, maart 1953.
[lit.2] :
Akazawa; Tension test method for concretes; Rilem bulletin no. 16,
november 1953.
[lit.3] :
W.O. Hadley, W.R. Hudson. T.W. Kennedy; A method of estimating
tensile properties of materials tested in indirect tension; Research report
98-7; Center for Highway Research, The University of Texas, Austin,
1970.
[lit.4] :
S.P. Timoshenko, J.N. Goodier; Theory of Elasticity; 3rd ed., McGrawwHill, Auckland etc, 1970.
[lit.5] :
M.M. Frocht; Photoelasticity Vol. 2; New York-Wiley, 1948, pp. 1.21129.
[lit.6] :
J.N. Anagnos, T.W. Kennedy; Practical method of conducting the
indirect tensile test; Research report no. 98-10, Center for Highway
Research, The University of Texas, Austin, 1972.
[lit.7] :
Hondros; Australian journal of applied science, Vol. no.3, 1959.
[lit.8] :
Yoder, Witczak; Principles of pavement design, 2nd Edition, ISBN 0471-97780-2; blz. 259-261.
[lit.9] :
R. Hagemann; Ein Verfahren
zur Beurteilung
flexibler
Fahrbahnbefestigungen
unter B e r ü c k s i c h t i g u n g
von
Festigkeitshypothesen für Asphalte. Mitteilungen aus dem Institut für
Baustoffkunde und Materialprüfung der Universitat Hannover; Heft 44,
1980.
[lit. 10]:
T.W. Kennedy; Characterization of asphalt pavement materials using the
indirect tensile test; AAPT Vol. 46, 1977, pp. 132-150.
[lit.11]:
Splijtonderzoek ter bepaling van de parameters voor de standaard
splijtproef; rapport IR-R-95.249, Dienst Weg-en Waterbouwkunde,
Delft, 1995.
32
III
Voorschrift voor de kalibratie van de splijtproef
33
INHOUDSOPGAVE DEEL III
1
INLEIDING
35
2
PRINCIPE VAN METEN EN KALIBREREN
2.1
Principe van meten
2.2
Principe van kalibreren
2.3
Eisen gesteld aan nauwkeurigheidsafwijking en
herhaalbaarheidsafwijking
36
36
37
3
PRAKTISCHE REALISATIE VAN DE KALIBRATIE
3.1
Het kalibratie-instrument
3.2
Praktische uitvoering gebruikers kalibratie
39
39
41
4
REFERENTIES
44
BIJLAGE
A: BELANG VAN EEN STIJF FRAME BIJ
VERPLAATSINGSGESTUURDE PROEVEN
34
38
45
45
INLEIDING
Bij metingen ontstaat spreiding in de meetuitkomsten waarvoor de oorzaak gelegen
kan zijn in onder meer de heterogeniteit van het materiaal, de monsterneming, de
proefstukvervaardiging, de beproevingsmethode, de meetapparatuur, de meetmethode
en de berekeningsmethode. Het is niet altijd mogelijk de effecten van de verschillende
spreidingsoorzaken van elkaar te scheiden. De in dit document beschreven
kalibratieprocedure heeft in principe betrekking op de variabiliteit die wordt
geïntroduceerd door de beproevingsmethode (splijtproef), de meetapparatuur (elektrische meting van fysische grootheid), en de meetmethode (analoog naar digitaal
omgezette meetwaarden, data-acquisitie met een computer). In essentie houdt dit in
dat de kalibratieprocedure is toegespitst op de nauwkeurigheid van de combinatie
beproevingsapparatuur en meetapparatuur.
Voor de uitvoering van de splijtproef volgens figuur 2 van het proefvoorschrift is een
drukbank nodig. Deze drukbank, die doorgaans ook voor andere proeven zal worden
gebruikt, dient jaarlijks te worden gekalibreerd door een daartoe erkende instantie. Het
resultaat van deze kalibratie dient in de vorm van een certificaat bij de drukbank
aanwezig te zijn. Daarnaast is het gewenst om, voorafgaand aan splijtonderzoek, te
controleren of de apparatuur betrouwbaar is. Dit wordt de gebruikerskalibratie
genoemd. Voorwaarden bij een dergelijke kalibratie zijn: eenvoudig, snel en door de
gebruiker zelf uit te voeren.
De begrippen kalibreren, justeren en ijken, zoals deze in dit document worden gebruikt, moeten als navolgend omschreven worden geïnterpreteerd.
Onder kalibreren wordt, zoals gangbaar in de meettechniek, verstaan de controle van
de aangewezen waarde op een meetinstrument via een referentie-meetinstrument met
kleinere afwijking (factor 5), dat de fysische waarde (werkelijke waarde) nauwkeuriger
meet. Hierdoor wordt de afwijking (fout) in de aangewezen waarde bepaald.
Onder justeren wordt verstaan het zodanig instellen of afregelen van een meetinstrument, dat de afwijking tussen de aangewezen en de werkelijke waarde van de te
meten grootheid zo klein mogelijk is, dan wel binnen bepaalde grenzen valt.
Onder ijken wordt verstaan de door een erkende instantie uit te voeren controle op de
kwaliteit van het referentie-meetinstrument. Via deze controle wordt vastgesteld of het
instrument ten behoeve van kalibreren mag worden gebruikt.
Opmerkingen:
1.
2.
In dit kalibratie voorschrift wordt uitgegaan van een proefopstelling zoals is weergegeven in figuur
2 van het proefvoorschrift. De uitgeoefende kracht en de verticale vervorming moeten worden
gemeten. Dit kan worden gedaan via de registratie met een schrijvende voltmeter (penschrijver)
[lit.1]. Aangepast aan de huidige stand van de meettechniek, zal echter het registreren van de
meetwaarden met een data-acquisitie systeem en een computer de voorkeur hebben (zie 2.1).
Niet elk onderzoeksinstituut zal over de vereiste geijkte kalibratie-hulpmiddelen beschikken. Veelal
zal voor de kalibratie een daartoe erkende instantie worden ingeschakeld. In Nederland kan dat
bijvoorbeeld de Kalibratiedienst Beproevingsapparatuur van het TNO Metaalinstituut te Apeldoorn
zijn.
35
2
PRINCIPE VAN METEN EN KALIBREREN
2.1
Principe van meten
Het meetprincipe is in figuur 1 schematisch weergegeven.
S&H
coaputer
systeem
kracht of
verplaatsing
1
Figuur 1:
1
2
3
4
5
6
2
Meetprincipe.
elektrische opnemer
meetversterker
voltmeter, eventueel een schrijvende voltmeter (penschrijver)
bemonster en houdschakeling (sample and hold)
analoog naar digitaal omzetting (AD omzetting)
computer (data-acquisitie)
De onderdelen 4,5 en 6 zijn nodig bij toepassing van een computersysteem.
Met behulp van elektrische opnemers worden tijdens de proef de fysische grootheden
kracht en "lengte" (verplaatsing) gemeten (1). Het analoge elektrische uitgangssignaal
van de opnemer wordt met een geschikte meetversterker versterkt (2) en met een
voltmeter gemeten (3). Onder een statische belasting zal deze meetwaarde, behoudens
elektrische ruisfluctuatie, constant zijn. De aangewezen waarde op de voltmeter
(elektrische spanning) representeert de waarde van de fysische grootheid (kracht,
lengte) die via een omrekenfactor (of kalibratiefactor) wordt bepaald. De registratie
van het signaal kan met analoge (schrijvende voltmeter) of met digitale apparatuur
worden gedaan. In dit laatste geval moet de uitgangsspanning van de meetversterker
van analoge naar digitale informatie worden omgezet (5) om bijvoorbeeld in een
computersysteem te kunnen worden opgeslagen (data-acquisitie) (6). Deze
meetwaarden worden gebruikt in een algoritme waarmee de relevante proefuitkomsten
worden berekend.
36
2.2
Principe van kalibreren
Volgens de in paragraaf 1 genoemde definitie van kalibreren zou de geregistreerde
(aangewezen) waarde moeten worden gecontroleerd via een referentiemeetsysteem.
Daarbij moeten beide meetsystemen gelijktijdig kracht of verplaatsing meten. Het te
controleren meetbereik wordt in stappen doorlopen en bij elke stap worden op
hetzelfde moment beide metingen uitgevoerd. Voor elke stap wordt de nauwkeurigheidsafwijking q in % berekend met de formule:
F - F
100
(1)
[%]
w
waarin FA de door het te kalibreren systeem aangewezen waarde is, en F w de werkelijke waarde volgens het referentiemeetsysteem.
De uitkomst van de nauwkeurigheidsafwijking moet zo dicht mogelijk bij nul liggen.
Is dit niet het geval, bijvoorbeeld de uitkomsten liggen eenzijdig ten opzichte van nul,
dan moet een justering van de meetversterker worden uitgevoerd teneinde de afwijking
te minimaliseren. De optimale nauwkeurigheid wordt bereikt als de fout symmetrisch
ten opzichte van de nul ligt (figuur 2). Uiteraard moet na het justeren de kalibratie
worden herhaald.
20
40
60
procent van meetbereik
Q voor justeren - j - na jisteren
Figuur 2:
Voorbeeld van een foutcurve.
37
80
100
Opmerkingen:
Een praktische benadering is om eerst een globale kalibratie uit te voeren met het doel een indruk
te verkrijgen over de ligging van de foutcurve. Op basis daarvan kan worden vastgesteld welke
aangewezen waarde op nul procent fout moet worden gejusteerd. Het justeren wordt doorgaans
uitgevoerd via de regelaar voor de versterking van de meetversterker (gain). Het effect van een
verandering in de versterking is dat de foutcurve in verticale zin verschuift. Het is gebruikelijk om
na de optimale afregeling het meetbereik driemaal te controleren en de nauwkeurigheidsafwijking
te berekenen op basis van het rekenkundig gemiddelde van de meetwaarden. Uit de spreidingsbreedte binnen de drie waarnemingen wordt tevens de herhaalbaarheidsafwijking bepaald:
b =
wfDia
w
*** - 1 0 0
F
wgem
waarin F Wmai en FWmin respectievelijk de maximum en minimum waarde is, en FWgcm de gemiddelde waarde.
2.
2.3
De meeste meetversterkers beschikken over een controle op de ingeregelde versterking van een
meetbereik. Via een schakelaar op de versterker wordt een reproduceerbaar ingangssignaal verkregen dat via de bestaande versterkingsfactor in een uitgangssignaal resulteert. Wanneer na justeren dit uitgangssignaal wordt genoteerd kan later, in de gebruikstoestand, worden gecontroleerd
of de versterkingsfactor nog correct is.
Eisen gesteld aan nauwkeurigheidsafwijking en herhaalbaarheidsafwijking
Voor zowel de kracht als de verplaatsing moet blijken dat de nauwkeurigheidsafwijking en de herhaalbaarheidsafwijking voldoen aan de daaraan gestelde eisen. Deze
zijn voor de krachtaanwijzing ± 1 % volgens ISO 7500/1, en voor de verplaatsingsaanwijzing ± 2 % volgens ISO 9513, klasse 2. De kalibratie dient te worden uitgevoerd
volgens de in NEN-EN 10002-2, ISO 7500/1 en DIN 51302 omschreven procedures
waarbij de metingen worden uitgevoerd met standaarden waarvan de herleidbaarheid
naar (inter)nationale standaarden is aangetoond.
Opmerkingen:
1.
De in deze paragraaf beschreven procedure moet worden gezien als een statische kalibratie van het
meetsysteem. De splijtproef is niet echt een statische proef. De optredende frequenties in de
gemeten signalen zijn echter relatief laag, zodat volstaan wordt met een statische kalibratie.
2.
De laatste jaren tekent zich een ontwikkeling af waarbij digitale meetsystemen zijn voorzien van
correctietabellen voor de aangewezen waarde (linearisatie). Bij de kalibratie daarvan gaat het niet
meer om de controle van een vaste omrekenfactor, maar om de controle van de tabel. Het principe
van de kalibratie blijft echter onveranderd.
38
PRAKTISCHE REALISATIE VAN DE KALIBRATIE
De hiernavolgende beschrijving van de kalibratie heeft alleen betrekking op de
eenvoudige kalibratie (gebruikerskalibratie) die periodiek moet worden uitgevoerd.
3.1
Het kalibratie-instrument
Voor de statische kalibratie wordt een krachtmeetbeugel aanbevolen. Een krachtmeetbeugel is een uit hoogwaardig staal vervaardigde ring met een bijbehorende
meetklok (fig. 3). Krachtmeetbeugels werken volgens het principe dat onder belasting
een elastische vervorming van de ring in de richting van de uitgeoefende kracht
optreedt, die door de meetklok wordt gemeten. Hoewel krachtmeetbeugels zijn
ontworpen voor de controle van de krachtsaanwijzing in druk- en trekbanken, en niet
voor de controle van de verplaatsingsaanwijzing, is de toepassing als kalibratiehulpmiddel bij de splijtproef zeer wel mogelijk, omdat de vervorming van de beugel
onder belasting precies bekend is. Bij een krachtmeetbeugel behoort een kalibratietabel
waarin het verband tussen kracht en aangewezen waarde op de meetklok vastligt.
Opmerkingen:
1.
De argumenten die pleiten voor het toepassen van een krachtmeetbeugel zijn:
- Het is een standaard produkt van professionele fabrikanten.
- Vanwege het geringe aantal bewegende en/of draaiende delen is een hoge mate van
nauwkeurigheid en herhaalbaarheid gewaarborgd.
- Het instrument heeft in de tijd onveranderlijke eigenschappen.
- Het gebruik van het instrument is ongecompliceerd.
- De aanschafkosten zijn acceptabel (ca. f 5.000,=).
2.
De keuze van een geschikte krachtmeetbeugel voor de standaard splijtproef wordt bepaald door de
inbouwhoogte in het beproevingsapparaat en het belastingsniveau. De diameter van een proefstuk
is maximaal 150 mm en de kracht kan variëren van 5 kN tot 50 kN. De maximum belasting van
de krachtmeetbeugel moet minstens 20% hoger liggen dan 50 kN. Een krachtmeetbeugel met een
maximum belasting van circa 100 kN, een nauwkeurigheidsafwijking van 1% en een
herhaalbaarheidsafwijking van 0,2% zal zeer geschikt zijn.
3.
Niet altijd is de meetklok direct in de belastingsas gemonteerd, maar iets buiten de beugel. Dit
wordt gedaan om ruimte te creëren voor een hefboommechanisme dat de aanwijzing op de meetklok vergroot, zodat deze met een grotere nauwkeurigheid is af te lezen. Dit houdt echter wel in
dat het verhoudingsgetal "vervorming beugel / aflezing meetklok" niet gelijk is aan 1. Het is
daarom noodzakelijk vóór ingebruikname een kalibratie van dit verhoudingsgetal te laten uitvoeren
door een daartoe bevoegde instantie, bijvoorbeeld de Kalibratiedienst Beproevingsapparatuur van
het TNO-Metaalinstituut te Apeldoorn.
39
Figuur 3:
Voorbeeld van een krachtmeetbeugel.
40
3.2
Praktische uitvoering gebruikers kalibratie
Voor aanvang van de kalibratie dient men er zorg voor te dragen dat de krachtmeetbeugel geacclimatiseerd is in de ruimte waar de kalibratie plaats gaat vinden.
Dit kan, door de beugel een uur in die ruimte op temperatuur te laten komen.
De kalibratie is op de volgende wijze ingericht:
a.
Plaats de krachtmeetbeugel zo nauwkeurig mogelijk gecentreerd tussen de
laststrippen van de splijtopstelling. De hartlijn van de krachtmeetbeugel moet
daarbij samenvallen met de hartlijn van de proefopstelling (zie figuur 2 van het
proefvoorschrift). Stel het nulpunt van de meetklok van de krachtmeetbeugel
in.
Opmerking:
De laststrippen hebben ter plaatste van het contactvlak met de krachtmeetbeugel
een radius. Er dient derhalve een hulpstuk beschikbaar te zijn voor een goede
krachtoverdracht van de laststrippen naar de krachtmeetbeugel.
b.
Breng een belasting aan ter grootte van de maximum kracht van de beugel.
Indien de capaciteit van het belastingssysteem lager is dan de maximum kracht
van de beugel, moet de maximaal door het belastingssysteem aan te brengen
kracht worden genomen. Ontlast volledig en controleer of de aanwijzing van
dè meetklok terugkomt op het ingestelde nulpunt. Tik daarbij met een potlood
tegen het glas van de klok teneinde door trillingen de eventuele wrijving in het
mechanisme te overwinnen (dit is een standaard handeling bij het gebruik van
krachtmeetbeugels). Stel zonodig het nulpunt opnieuw in en herhaal de
belastingsprocedure en de nulpuntscontrole. Wanneer na ontlasten de
aanwijzing op de klok precies op het ingestelde nulpunt terugkomt is de
krachtmeetbeugel gereed voor de meting.
c.
Stel het nulpunt in van de meetinrichting waarmee bij de splijtproef de kracht
wordt gemeten. Toucheer de laststrippen met de krachtmeetbeugel (via de
hulpstukken). Stel het nulpunt van de vervormingsmeting in.
d.
Laat de belasting in stappen van 5 of 10 kN toenemen. Tik bij elke stap tegen
het glas tot de aanwijzing op de meetklok constant is en noteer de aflezing.
Noteer ook de aflezing van de kracht- en vervormingsregistratie van het
splijtapparaat. Hef de belasting op en controleer de nulpunten. Vat de
meetresultaten samen in onderstaande tabel en bereken de nauwkeurigheidsafwijkingen (zie voorbeeld).
41
Fc
w
qF
qv
meting
Fc
[sch.dln]
FA
[N]
Fw
[N]
vA
vw
[mm]
[mm]
qF
[%]
qv
[%]
1
522
10000
9918
0,520
0,522
+0,8
-0,4
2
1046
. 20000
19874
1,043
1,046
+0,6
-0,3
3
1573
30000
29887
1,570
1,573
+0,4
-0,2
4
2105
40000
39995
2,101
2,105
+0,0
-0,2
5
2637
50000
50103
2,634
2,637
-0,2
-0,1
6
3167
60000
60173
3,167
3,167
-0,3
-0,0
7
3699
70000
70281
3,702
3,699
-0,4
+0,1
8
4235
80000
80465
4,248
4,235
-0,6
+0,3
9
4775
90000
90725
4,794
4,775
-0,8
+0,4
10
5311
100000
100909
5,337
5,311
-0,9
+0,5
afgelezen waarde op de meetklok van de krachtmeetbeugel [schaaldelen]
aangewezen waarde volgens de krachtregistratie van het splijtapparaat [N]
werkelijke kracht, behorende bij F c volgens de kalibratietabel van de
krachtmeetbeugel [N]
aangewezen waarde volgens de vervormingsregistratie van het splijtapparaat
[mm]
werkelijke vervorming, behorende bij F c volgens de kalibratietabel van de
krachtmeetbeugel [mm]
nauwkeurigheidsafwijking in de kracht [%]
nauwkeurigheidsafwijking in de vervorming [%]
De nauwkeurigheidsafwijkingen worden berekend uit:
F - F
qF =
A
w
(3)
. 100
Vt - V,
w . 100
w
(4)
De maximale nauwkeurigheidsafwijking voor de kracht bedraagt ± 1 % en voor de
vervorming ± 2%. Grotere afwijkingen vormen reden de kalibratie te herhalen en de
42
oorzaak vast te stellen.
Opmerkingen:
1.
De in de tabel vermelde waarden zijn illustratief bedoeld. Het voorbeeld leidt tot de conclusie dat
aan de eis is voldaan.
2.
De uitkomsten van qF en qv vormen in feite de controle van de in figuur 2 genoemde foutcurve
die bij de jaarlijkse kalibratie wordt vastgelegd. Wanneer bij de gebruikerskalibratie een sterk van
de verwachting afwijkende nauwkeurigheidsafwijking wordt gevonden, moet de oorzaak daarvan
worden vastgesteld.
3.
Naast bovenomschreven kalibratieprocedure voor de kracht en de verticale verplaatsing, dient ook
de controle van de voorgeschreven verplaatsingssnelheid (0,85±0,02 mm/s) onderdeel uit te maken
van de gebruikerskalibratie. De verplaatsingssnelheid moet worden gemeten "aan het proefstuk"
en onder toenemende belasting, omdat de stijfheid van het frame van de beproevingsmachine van
invloed kan zijn (zie bijlage). Een mogelijkheid daartoe is met een externe, gekalibreerde verplaatsingsopnemer de vervorming van het proefstuk als functie van de tijd te registreren, bijvoorbeeld
op een Y-T-recorder (schrijvende voltmeter). Deze registratie moet bij constante verplaatsingssnelheid een rechte lijn opleveren. Uit de helling van de lijn kan de snelheid worden berekend.
Deze moet voldoen aan 0,85±0,02 mm/s.
43
4
[lit.1]
REFERENTIES
:
J. van der Kooij; Voorschrift voor het uitvoeren van de diametrale
splijtproef; MAO-N-89008, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, Delft,
1989.
44
BIJLAGE A: BELANG VAN EEN STUF FRAME B U
VERPLAATSINGSGESTUURDE PROEVEN
Bij verplaatsingsgestuurde proeven (Marshall, CBR, Splijt) is een eis gesteld aan de
vervormingssnelheid van het proefstuk. Bij Marshall en Splijt b.v. 0,85 mm/s. De
onderdelen van de beproevingsmachine (frame, krachtmeetdoos, etc.) hebben geen
oneindige stijfheid. Dat betekent dat, naarmate de belasting toeneemt, deze onderdelen
een vervorming ondergaan. Of, anders geformuleerd, ook de machineonderdelen
vervormen met een zekere snelheid. De werkelijke snelheid waarmee het proefstuk
vervormt hangt dus af van de stijfheid van de machine. Naarmate deze stijfheid hoger
is, zal het proefstuk nauwkeuriger met de op de machine ingestelde snelheid
vervormen. Het verband tussen de ingestelde snelheid, de stijfheden en de snelheid
waarmee het proefstuk vervormt, wordt gelegd door:
1
(5)
proefstuk
proefstuk
1
s
s
proefstuk
proefstuk
ingesteld
^proefstuk
^machine
• V.
ingesteld
machine
snelheid waarmee het proefstuk vervormt [mm/s]
ingestelde snelheid van de machine [mm/s]
stijfheid van het proefstuk [kN/mm]
stijfheid van de machine [kN/mm]
Opmerking: De formule is gebaseerd op een modellering van de proef, waarbij de machine en het proefstuk
beide door een veer zijn voorgesteld. Deze veren staan in serie. De stijfheid is de veerconstant.
De formule geldt voor elastisch gedrag van de veren.
Rekenvoorbeeld
De stijfheid van een proefstuk in de splijtproef is in de orde van 10 ... 50 kN/mm. In
onderstaande tabel is aangegeven hoe de vervormingssnelheid van het proefstuk zich
verhoudt tot de ingestelde (gewenste) snelheid voor verschillende stijfheden van de
machine.
c
c
—
c
—
*•* machine
'-'machine
c
^machine
100 kN/mm
500 kN/mm
1000 kN/mm
1500 kN/mm
10
0,91
0,98
0,99
0,99
50
0,67
0,91
0,95
0,97
C
'-'proefstuk
IJ
[kN/mm]
—
machine
45
Beproevingsmachines die elektro-mechanisch werken (spiridelmachines) hebben
doorgaans lage stijfheden (ca. 100 kN/mm). Er kunnen dan aanzienlijke afwijkingen
optreden, zeker als de stijfheid van het proefstuk hoger wordt. Servo-hydraulische
machines zijn doorgaans stijver (> 500 kN/mm) en de afwijking wordt dan kleiner. Bij
beide typen machines is het van bijzonder belang een krachtmeetdoos te hebben met
zeer hoge stijfheid omdat deze anders de stijfheid van de machine behoorlijk nadelig
kan beïnvloeden. Bij een servo-hydraulische machine met een stijfheid van het frame
van circa 1500 kN/mm en een stijfheid van de krachtmeetdoos van circa 2700 kN/mm,
bedraagt de totale stijfheid van de machine circa 1000 kN/mm.
Opmerkingen:
1.
Wanneer bij de registratie van de vervorming van het proefstuk, b.v. op een Y-T-recorder, gebruik
wordt gemaakt van de constant veronderstelde verhouding tussen de ingestelde snelheid van de
machine en de papiersnelheid van de recorder (zoals bij de Marshall proef), kan door een te
geringe stijfheid van de machine een aanzienlijke fout worden gemaakt in de berekende vervorming
van het proefstuk. De wijze waarop in het oude voorschrift voor de splijtproef [1] werd gemeten,
hield dit risico in.
2.
Een tweede euvel bij een onvoldoende stijve machine is dat daarin tijdens de proef een hoeveelheid
elastische energie wordt opgeslagen. Deze energie komt op het moment van bezwijken van het
proefstuk vrij en is van invloed op de vorm van de splijtcurve. Wanneer de splijtenergie wordt
berekend als de oppervlakte onder de splijtcurve, kan dat aanleiding zijn voor verschillen in
proefuitkomst.
46
•t' -
De Dienst Weg- en Waterbouwkunde is de adviesdienst voor techniek en
milieu voor de weg- en waterbouw, die onderzoekt, adviseert en kennis
overdraagt in de constructieve weg- en waterbouw, de natuur- en
milieutechniek van fysieke infrastructuur, waterkeringen en watersystemen, en
de grondstoffenvoorziening voor de bouw, inclusief de milieu-aspecten.
Voor meer informatie:
Dienst Weg- en Waterbouwkunde, Rijkswaterstaat, Van der Burghweg 1,
Postbus 5044, 2600 CA DELFT, 015-2699285
W-DWW-96-026

Download Report