Prove di laboratorio sui materiali da costruzione: attraverso l’analisi del comportamento dei provini e/o la valutazione delle caratteristiche dei materiali, le prove di laboratorio forniscono un quadro completo sulla qualità dei materiali e la loro rispondenza alle specifiche normative di riferimento. In questo articolo ci occuperemo in particolar modo, delle prove a fatica secondo EN 12697-24:2004 Annex D, 4 PB-PR.
Prove di laboratorio sui materiali da costruzione – prove a fatica: introduzione
La normativa EN 12697-26:2004 specifica i metodi di prova per caratterizzare miscele bituminose sottoponendole a diverse metodologie di test a fatica tra cui la prova di flessione e la prova di trazione diretta ed indiretta.
I test vengono effettuati sottoponendo i campioni ad un carico sinusoidale o altri tipi di carico controllato ed utilizzando differenti campioni e supporti.
La procedura permette di:
- Classificare le miscele bituminose sulla base della resistenza a fatica e delle loro performance su pavimentazione stradale.
- Ottenere dati che consentono di fare stime circa il comportamento delle miscele nella struttura stradale.
- Giudicare i dati con riferimento alle specifiche previste per le miscele bituminose.
Questo standard europeo non impone uno specifico dispositivo di prova e la scelta delle condizioni di test dipende dalla possibilità e dal range di lavoro del dispositivo utilizzato. Per la scelta delle condizioni di prova devono essere rispettati i requisiti degli standard di prodotto relativi alle miscele bituminose.
Di conseguenza i risultati ottenuti adottando metodi di prova diversi o diversi criteri di rilevamento della rottura non è garantito siano comparabili.
Prove di laboratorio sui materiali da costruzione – prove a fatica: 4PB testing setup
- 50 kN EHF-U Servopulser System
- 4PB Testing tool (Fig.2)
- QF-40 Hydraulic power supply
- 4830 Controller
- Windows Software per Controller 4830
- Dispositivo per 4PB
Prove di laboratorio sui materiali da costruzione – prove a fatica: metodo di prova
Secondo lo standard di riferimento questo test viene svolto dopo il test di rigidità (stiffness test soggetto a N.SCA_300_065).
- Principio di base 4PB (4 point bending)
- Campione di prova: trave 450mm lunghezza, (50×50) o (70×70) mm
- Sensore LVDT onda sinusoidale a deflessione controllata, la deformazione di deflessione massima dovrebbe essere scelta su 3 livelli diversi in modo che la durata sia compresa fra 1E4 e 2E6 cicli. Frequenza 30 Hz.
- Definizione durata: fino a quando i valori di picco (peak value) diventano la metà dei valori acquisiti durante il primo ciclo in modalità di carico a deflessione costante.
Prove di laboratorio sui materiali da costruzione – prove a fatica: test conditions
- Lo standard distingue due modalità possibili di carico: “deflessione costante” e “forza costante”. Il metodo descritto fa riferimento alla modalità deflessione costante.
- Ampiezza massima per deformazione 105,19 μm, valore medio di 0 μm. Deflessione controllata da sensore LVDT incorporato su dispositivo 4PB.
- Carico onda sinusoidale con frequenza 30 Hz.
- Temperatura di prova +20° C.
- Forza, corsa e deflessione 4PB vengono campionati in 1000 cicli, da 100 a 2 milioni di cicli.
- I valori delle caratteristiche dinamiche sono calcolati automaticamente dal Software 4830 ed esportati in CSV.
- Lo standard prevede lo stop del test quando la forza si dimezza rispetto a quella registrata in corrispondenza dell’ampiezza iniziale. L’ampiezza iniziale può essere determinata dal grafico (Figura 3). Impostando la metà dell’ampiezza iniziale nel Software il test può essere interrotto quando viene raggiunto tale valore.
Prove di laboratorio sui materiali da costruzione – prove a fatica: results and postprocessing
La Figura 5 mostra i risultati con riferimento ad un campione.
I valori di rigidità ed angolo di fase fanno riferimento al numero di cicli.
Un foglio di lavoro separato viene creato per ogni singolo campione e per i risultati finali (Figura 4).
Quest’ultimo riporta una tabella nella quale vengono riassunti i singoli risultati ed una seconda tabella per il calcolo della regressione lineare tramite logaritmo della retta a fatica (fatigue line), insieme al coefficiente di correlazione di regressione e alla deviazione standard residua.
Dati i risultati di regressione, viene calcolato il livello di deformazione in funzione del numero di cicli (10^6).
La retta a fatica è mostrata in Figura 6.
Prove di laboratorio sui materiali da costruzione – prove a fatica: summary
Durante il test di fatica, il modulo complesso si riduce continuamente e l’angolo di fase aumenta continuamente come mostrato in Figura 5.
La prova può considerarsi terminata quando il modulo complesso raggiunge il 50% del suo valore originale.
Generalmente si possono determinare 3 fasi di ciclo dal grafico (Figura 5 e Figura 7).
Con 2 milioni di cicli fatti e deflessione 105,19 μm la terza fase non viene espressa.
È possibile osservare che il modulo complesso iniziale dei campioni a 100 cicli era 6.703 Mpa e 3.820 Mpa all’ultimo ciclo.
La curva in Figura 6 mostra la relazione fra il criterio di rottura a fatica e l’ampiezza di deformazione.
Questo dato viene espresso usando la retta a fatica Wholer che viene ricavata facendo una regressione lineare tra il logaritmo decimale di N e ε:
Log(Nɩ)= A0 + A1 Log(ε)^2
In questo modo è possibile determinare il coefficiente materiale A0 e la pendenza A1. Partendo dal coefficiente materiale A0 e A1 si può calcolare la resistenza a fatica ad 1 milione di cicli (definita Ɛɕ).
Prove di laboratorio sui materiali da costruzione – prove a fatica: reference
EN 12697-24:2004, Bituminous mixtures – test methods for hot mix asphalt part 24: resistance to fatigue Asphalt testing package v 1.1, Shimadzu Europa GmbH, 2019
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