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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der Festigkeit und des Deformationsverhaltens von insbesondere bituminösen Werkstoffen bei kombinierter Beanspruchung auf Druck und Schub, bei welchem
Verfahren der zu untersuchende Werkstoff zwischen zwei Auflager eingebracht und einer Belastung ausgesetzt wird.
Die Erfindung betrifft weiters eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Verschiedene Werkstoffe werden bei ihrer Anwendung in der Bautechnik einer kombinierten
Beanspruchung von Druck und Schub ausgesetzt. Vor allem bituminöse Werkstoffe, die zur Herstellung von
Fahrbahnen oder Abdichtungen zwischen der Stahlbetonkonstruktion von Brücken und deren Fahrbahndecke herangezogen werden, sind solchen kombinierten Belastungen ausgesetzt. Die Druckkraft wird hiebei durch den
Raddruck und die Schubkomponente durch die Beschleunigungs- bzw. Verzögerungskräfte (Bremskräfte) hervorgerufen. Es ist verständlich, dass der Konstrukteur vor Anwendung der Werkstoffe möglichst genaue
Angaben über die Festigkeit und das Deformationsverhalten derselben bei solchen kombinierten
Beanspruchungen haben möchte.
Es sind daher bereits verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Untersuchung der Festigkeit und des
Deformationsverhaltens von Werkstoffen entwickelt worden. Eine solche bekannte, für Werkstoffe allgemeiner
Art bestimmte Prüfvorrichtung umfasst zwei unabhängige Belastungssysteme, wobei die Normalkraft durch direkte Gewichtsbelastung und die Schubkraft hydraulisch aufgebracht wird. Diese Vorrichtung verlangt eine aufwendige Steuerung, insbesondere was den zeitlichen Anstieg von Normaldruck und Schub anlangt.
Speziell für butuminöse Werkstoffe, wie Dichtungsbahnen für Bauwerks- und Brückenabdichtungen, wurden besondere Verfahren entwickelt, die zum Teil in den einschlägigen Normen festgelegt sind. Der in DIN 18190 vorgesehene Zugversuch gibt hiebei keinen Aufschluss über die Schubstandfestigkeit, und die Prüfung auf
Wärmebeständigkeit nach DIN 52123 gibt als technologische Prüfung keinen Festigkeitswert. Der für
Asphaltmischgut vorgesehene Marshall-Versuch nach DIN 1996 gibt zwar einen Kennwert für die mechanische
Stabilität, der als Folge der nicht analysierbaren inneren Spannungszustände im Probekörper jedoch für eine weiterführende Festigkeitsrechnung unbrauchbar ist.
Das gleiche trifft für den Stempel-Eindrückversuch nach
DIN 1996 BI. 13 zu
Für wissenschaftliche Untersuchungen werden fallweise auch zweiachsige bzw. dreiachsige Druckversuche durchgeführt, denen gleichfalls Mängel anhaften : Die Prüfbeanspruchung ist nämlich nicht typisch für die praktische strassenbauliche Beanspruchung von Asphalten und das Verfahren lässt überdies nur eine geringe
Deformationsgeschwindigkeit zu. Ausserdem verlangen diese Verfahren einen grossen apparativen Aufwand. Die sogenannte Biegeschermethode nach Hubbard-Field und nach Schulze erbringt nur Scherbeanspruchung ohne Normaldruck und verlangt gleichfalls einen hohen apparativen Aufwand. Das Verfahren nach Metzger (MAN-Gustavsburg) ergibt ebenfalls keinen Festigkeitswert, der für eine weiterführende Festigkeitsrechnung verwertbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Untersuchung der Festigkeit und des Deformationsverhaltens von Werkstoffen bei kombinierter Beanspruchung auf Druck und Schub zu schaffen, mit dem bzw. mit der ein ziffernmässiger Wert für die Schubfestigkeit ermittelt werden kann.
Dies wird gemäss der Erfindung bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, dass auf den zu untersuchenden Werkstoff eine schräg zu dessen Gleitrichtung bzw. Gebrauchsoberfläche verlaufende Druckbeanspruchung ausgeübt wird, so dass eines der Auflager für den zu untersuchenden Werkstoff unter Einwirkung dieser Druckbeanspruchung quer bzw. schräg zur Wirkungsrichtung der Druckbeanspruchung ausgleitet, und dass das Ausmass des Ausgleitens ermittelt wird.
Bei diesem Verfahren kann der Gleitweg des Auflagers bei Einwirkung der Druckbeanspruchung in Abhängigkeit von letzterer genau gemessen werden. Durch die Aufzeichnung des Weges in Abhängigkeit von der Druckkraft wird ein Diagramm erhalten, das die ziffernmässige Bestimmung der Schubkraft ermöglicht.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung umfasst eine Presse, die zwei zueinander fluchtend angeordnete, gegeneinander verschiebbare Druckstempel aufweist, zwischen denen der zu untersuchende Werkstoff angeordnet ist, und ist dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten, zur Aufnahme des zu untersuchenden Werkstoffes vorgesehenen Auflageflächen der beiden Druckstempel gegen die Achse der letzteren geneigt sind und in an sich bekannter Weise miteinander einen Spitzen Winkel einschliessen, wobei zwischen den Druckstempeln ein Druckkörper angeordnet ist, dessen Stirnflächen entsprechend der Neigung der jeweils benachbarten Auflageflächen abgeschrägt sind und der mit einer Streckenmesseinrichtung gekoppelt ist. Bei dieser Vorrichtung wird der Gleitweg des Druckkörpers mittels der Streckenmesseinrichtung bestimmt.
In Ausgestaltung der erfmdungsgemässen Vorrichtung ist vorgesehen, dass die Stirnflächen des vorzugsweise prismatischen oder zylindrischen Druckkörpers mit Rillen versehen sind. Hiedurch wird eine gute Haftung des zu untersuchenden Werkstoffes an dem Druckkörper gewährleistet.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfmdungsgemässen Vorrichtung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher beschrieben.
Die in der Zeichnung dargestellte Vorrichtung umfasst zwei zueinander fluchtend angeordnete
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Druckstempel --1, 2--, die eine nicht näher dargestellte Presse, beispielsweise eine sogenannte Marshall-Presse, eingesetzt und unter Last gegeneinander bewegbar sind. Die Druckstempel--1, 2--haben kreisförmigen oder eckigen Querschnitt, und ihre einander zugewandten Stirnseiten--3, 4--, die zur Aufnahme des zu untersuchenden Werkstoffes dienen und die im nachfolgenden daher als Auflageflächen bezeichnet werden, sind jeweils unter einem Winkel a gegen die Achse der Druckstempel --1, 2-- derart geneigt, dass sie miteinander einen spitzen Winkel ss einschliessen.
Zwischen den Druckstempeln --1, 2-- ist ein Druckkörper --5-- frei beweglich angeordnet. Der Druckkörper --5-- ist vorzugsweise zylindrisch oder prismatisch ausgebildet, wobei seine Stirnflächen gleichfalls, u. zw. entsprechend der Neigung der jeweils benachbarten Auflagefläche --3,4--, abgeschrägt sind.
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Rillen versehen sein, die vorzugsweise quer zur Neigungsrichtung dieser Flächen verlaufen.
An dem Druckstempel--l--ist ein Ausleger --8-- angelenkt, der an seinem freien Ende eine Halterung--9--aus Kunststoff trägt. In die Halterung--9--ist ein induktiver Wegaufnehmer--10-eingesetzt, dessen Taststift--11--die gleiche Neigung wie die Auflagefläche --3-- des Druckstempels - aufweist.
Der Taststift--11--und eine diesen umgebende Druckfeder --12-- sind gegen ein zylinderförmiges Widerlager --13-- abgestützt, das auf seiner dem Taststift --11-- abgewandten Seite eine mit der Achse des Taststiftes axial fluchtende Vertiefung aufweist, die als Zentrierung für einen Bolzen (Stelze) --14-- dient, der andernends in einer Vertiefung einer zur Achse der Druckstempel --1, 2-- parallelen Seitenfläche des Druckkörpers--5-abgestützt ist. Der Bolzen--14--, dessen Enden konisch ausgebildet sind, hat-bezogen auf die Achse der Druckstempel - die gleiche Neigung wie der Taststift bzw. die Auflagefläche-3-.
Die dargestellte Vorrichtung arbeitet wie folgt :
Die Probestücke --6, 7-- des zu untersuchenden Werkstoffes, beispielsweise Asphalt, Heissmischgut od. dgl., werden zwischen den Druckstempeln--1, 2--und dem Druckkörper --5-- angeordnet. Sodann wird auf den Druckkörper --2-- eine Druckkraft --P-- aufgebracht. Hiebei werden die Probestücke --6, 7--mit dem Normaldruck PN = P. cos a und der Schubkraft Ps = P. sin a belastet.
Die Belastung der auf die gewünschte Prüftemperatur gebrachten Prüfanordnung erfolgt bei konstanter
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Marshall-Presse in der ursprünglichen Lage gehalten werden. Die Schiebungsgeschwindigkeit errechnet sich aus der konstanten Vorschubgeschwindigkeit der Presse, dem Neigungswinkel a und der Schichtdicke s. Im Falle kleiner Schichtdicken werden bei mässiger Vorschubgeschwindigkeit hohe Gleitgeschwindigkeiten erzielt.
Die Ermittlung des Gleitweges A 1s erfolgt kontinuierlich mit dem induktiven Wegaufnehmer--10--, dessen Messwert gleichzeitig mit jenem einer im Kraftfluss befindlichen elektronischen Kraftmessdose durch einen elektronischen XY-Schreiber registriert wird ; durch diese Messanordnung wird ein Diagramm erhalten, das den Gleitweg A 1s in Abhängigkeit von der Druckkraft --P-- bzw. der Schubkraft-PS--angibt. Die #ls
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Das gegenständliche Prüfverfahren ermöglicht somit eine Festigkeitsprüfung bei einem wählbaren Verhältnis von Normaldruck zu Schub sowie die Ermittlung des Schubspannungs-Schiebungsdiagramms als elementare Fliesskurve bei unterschiedlicher Temperatur und Schiebungsgeschwindigkeit.
Der Neigungswinkel a ist hiebei beliebig wählbar.
Die Probestücke können vor dem Einlegen in die Vorrichtung auch erhitzt werden ; während des Erhitzens im Wärmeschrank gewährleistet eine vierteilige Schalung die notwendige Zentrierung. Nach dem Auskühlen erfolgt die Temperierung bei der gewünschten Prüftemperatur in einem thermostatgeregelten Wasserbad.
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