Измерение шероховатости и сцепных качеств покрытий

Оценка шероховатости поверхности дорожных покрытий. Параметры шероховатости (текстуры) поверхности дорожных покрытий можно измерить различными методами: оптическим, ультразвуковым, лазерным, стереофотографическим, контактным методами. Сущность оптического, ультразвукового и лазерного методов заключается в оценке энергии отражённого от исследуемой поверхности светового луча, луча с ультразвуковой частотой колебаний, луча лазера. Метод стереофотографии предусматривает фотографирование поверхности с двух различных точек, что позволяет при обработке фотографии на стереоскопе получить объёмное изображение и оценить шероховатость по среднему расстоянию между выступами. Контактный метод основан на ощупывании неровностей поверхности щупом с последующим преобразованием механических колебаний в электрические (или без такого преобразования).

Метод «песчаное пятно» представляет собой комплект оборудования, включающий в себя мерную емкость объёмом не менее 20 см³, плоский диск (штамп) диаметром 10 см для распределения песка, мерную линейку длиной не менее 30 см, щётку-сметку. Для измерений необходим чистый мелкий (размер частиц не более 0,2…0,3 мм) природный песок в воздушно-сухом состоянии, гипс или быстротвердеющий цемент и вода. При проведении измерений на поверхность покрытия высыпают определённый объём песка (20…50 см³) и с помощью штампа равномерно распределяют его вровень с поверхностью выступов шероховатости, придавая песчаному пятну форму круга (прямоугольника или квадрата) (рис. 9.19).

Затем измеряют диаметр круга по четырем взаимно-перпендикулярным направлениям (D₁ - D₄) и вычисляют среднеарифметический диаметр, по которому определяют среднюю глубину впадин шероховатости

Рис. Метод «песчаное пятно»:

1 - горка песка до разравнивания; 2 - песок после разравнивания

где V_п - объем песка, см³; D - средний диаметр круга, см.

При необходимости определения высоты выступов оконтуривают поверхность, занятую песком, удаляют его из впадин макрошероховатости с помощью щётки и смазывают очищенную поверхность покрытия техническим глицерином. Затем снимают слепок с покрытия: изготавливают жидкое тесто из гипса, быстротвердеющего цемента или другого аналогичного материала, распределяют его по исследуемой поверхности слоем 1,0…1,5 см. Через 5…7 мин слепок отделяют от покрытия и выдерживают 10…15 мин до затвердения. После этого определяют объём впадин шероховатости (численно равный объёму выступов шероховатости) по методу «песчаного пятна» и рассчитывают среднюю высоту выступов.

Во многих странах для измерения шероховатости используют специальные передвижные лаборатории - профилографы, которые одновременно могут измерять продольную, поперечную ровность и шероховатость дорожного покрытия. Например, профилограф, разработанный в Дании, состоит из поперечной балки, оснащенной 15 лазерами для измерения профилей и одним лазером для измерения шероховатости покрытия, который устанавливается над левой или правой полосой наката.

После обработки результатов измерений получают параметры шероховатости по песчаному пятну и среднюю глубину профиля макроструктуры на участие, протяженностью 1; 10; 100; 1 000 м.

Равномерность распределения щебня по поверхности покрытия определяют с помощью прямоугольной рамки размером 0,10×0,20 м, в пределах которой подсчитывают число зерен щебня. Измерения повторяют 10 раз на участке длиной 1 км. По результатам измерений подсчитывают среднее число зерен щебня в пределах площади, ограниченной рамкой, и среднеквадратическое отклонение результатов отдельных измерений от среднего, который не должен превышать 0,15 (для отличной оценки качества).

Оценка твёрдости дорожных покрытий. Для сохранения шероховатости покрытия в процессе эксплуатации большое значение имеет его твёрдость.

Рис. 9.20. Твердомер ИП-18

1 – треугольная станина; 2 – шкала отсчетов; 3 – груз; 4 – штанга с ограждениями;

5 – направляющая втулка с вертикальными стойками;

6 – установочные винты; 7 – коническая насадка

Твёрдость - сопротивление материала проникновению в него более твёрдого материала. Твёрдость дорожного покрытия оценивают по глубине погружения в материал покрытия иглы или конуса заданной формы под определённой нагрузкой и при определенной температуре. Твёрдость определяют на всех типах покрытий, устроенных с использованием органических вяжущих с помощью прибора - твердомера.

Твердомер конструкции Казахского филиала СоюздорНИИ (проф. О.А. Красиков) состоит из ударника с конической насадкой (ударник ДорНИИ) и измерительного устройства для замера глубины погружения конуса в покрытие. Аналогичная конструкция твердомера (модели ИП-18, И.А. Орехов) рекомендована к использованию в Белоруссии (рис. 9.20).

Независимо от длины обследуемого участка дороги проводится не менее 20 измерений с одновременной регистрацией средней температуры поверхности покрытия. Точки для измерений назначают через равные расстояния с чередованием полос наката (первая точка выбирается случайной). Среднее значение показателя твердости h₁ для участка покрытия с помощью номограммы (рис. 9.21) приводят к расчетной температуре +50 °С (если в процессе измерений температура покрытия резко изменялась, то к расчётной температуре приводят отдельные показатели твёрдости и лишь затем определяют его среднее значение). По полученному значению твердости h₅₀ назначают оптимальный для одиночной поверхностной обработки размер щебня.

Оценка сцепных качеств дорожных покрытий. Для измерения коэффициента сцепления созданы специальные приборы - динамометрического действия и портативные (рис. 9.22).

Наибольшее развитие и применение получили модификации прибора ПКРС-2У в усовершенствованном виде в составе лабораторий КП-208МП, КП-514МП (в настоящее время производится Саратовским НПЦ "Росдортех"). В МАДИ и ВНИИБД МВД России Ю.В. Кузнецовым был разработан портативный прибор для оценки сцепных качеств дорожных покрытий.

Рис. 9.21. Номограмма для приведения показателя твердости покрытия

к расчетной температуре 50 ^оС:

а – для покрытий из горячих асфальтобетонных смесей; б - для покрытий из холодных битумоминеральных смесей; стрелками показан порядок пользования номограммой

С помощью динамометрического прибора ПКРС-2У коэффициент сцепления измеряют путём регистрации усилий, возникающих при затормаживании колеса прицепа до его полной блокировки на искусственно увлажненном покрытии. Коэффициент сцепления равен отношению касательной горизонтальной силы к нагрузке, действующей на колесо:

,

где Т - горизонтальная касательная сила; Q - масса динамометрического прицепа, приходящаяся на колесо.

Рис. 9.22. Передвижная лаборатория с установкой ПКРС-2У для измерения ровности и скользкости покрытия:

1 – прицепное колесо; 2 – динамометр; 3 – автомобиль; Q – нагрузка на колесо; Т – сила трения сцепления; М – крутящий момент на прицепном колесе

Регистрация показаний первичных датчиков производится бортовым вычислительным комплексом с визуализацией данных измерений на дисплее.

Портативный прибор МАДИ-ВНИИБД (ППК) состоит из штанги со скользящим по ней грузом массой 9 кг, подвижной муфты и пружины, соединяющей два резиновых имитатора размером 100×146 мм. При испытании прибор устанавливают так, чтобы имитаторы находились на расстоянии (10±1) мм над покрытием (рис. 9.23). Затем подвижной груз закрепляют в верхнем положении стойки и фиксируют защёлкой. После увлажнения поверхности освобождают груз, который падает на подвижную муфту. Под действием удара груза имитаторы прижимаются и перемещаются по поверхности покрытия. По положению измерительной шайбы на шкале определяют значение коэффициента сцепления.

Организация работ по измерению коэффициента сцепления. Так же как и при оценке продольной ровности, при оценке сцепных свойств дорожных покрытий выполняют сплошные или выборочные измерения.

Сплошные измерения сцепных свойств дорожных покрытий осуществляют с помощью передвижной установки ПКРС-2У.

При измерении сцепных свойств дорожных покрытий в установке ПКРС-2У используют шину без рисунка протектора или с рисунком глубиной не менее 1 мм. В случае отсутствия специальной шины с гладким протектором допускается использовать обычную изношенную шину того же размера с остаточной глубиной канавок не более 1 мм.

Выборочные измерения сцепных свойств дорожного покрытия выполняют с помощью портативного прибора ППК. Могут быть использованы и другие приборы, имеющие необходимое метрологическое обеспечение, показания которых должны быть приведены к показаниям перечисленных выше приборов. При этом корреляционные испытания необходимо проводить не менее чем на пяти участках, различающихся по ровности и сцепным свойствам дорожного покрытия.

Рис. 9.23. Портативный прибор ППК для оценки скользкости покрытия:

1 – имитатор шин; 2 – пружина; 3 – падающий груз; 4 – муфта;

5 – толкающие тяги; 6 – шкала отсчета коэффициента сцепления

Измерения сцепных свойств покрытия установкой ПКРС-2У производят при постоянной скорости (60±5) км/ч по левой полосе наката каждой полосы движения.

При невозможности произвести измерения по левой полосе наката (двухполосная дорога, крайняя левая полоса многополосной дороги) допускается производить их по правой полосе наката. Измерения сцепных свойств дорожного покрытия с помощью портативного прибора ППК выполняют по левой полосе наката каждой полосы движения.

Сцепные качества покрытия оцениваются коэффициентом продольного сцепления, измеренным на увлажненном покрытии при расчётной температуре воздуха 20 ^оС. Увлажняют дорожное покрытие с помощью автономной системы искусственного увлажнения, смонтированной на автомобиле-тягаче. Не допускается производить измерения сцепных качеств дорожного покрытия во время дождя, а также в течение 2…3 часов после него.

Портативным прибором ППК коэффициент сцепления также определяется на увлажненном покрытии. Для увлажнения необходимо вылить на покрытие не менее 200 см³ воды и смочить полосу шириной не менее 15 см и длиной не менее 30 см.

Следует иметь в виду, что результаты измерений коэффициента сцепления прибором ППК и установкой ПКРС-2У хорошо коррелируют между собой для гладких и мелкошероховатых покрытий. С увеличением шероховатости покрытий достоверность результатов измерений прибором ППК снижается.

При измерениях коэффициента сцепления фиксируют температуру воздуха. Полученные значения коэффициента сцепления приводят к расчётной температуре 20^оС путём их суммирования с поправками, определяемыми из следующей зависимости:

Состояние дорожных покрытий по сцепным качествам оценивают сравнением фактического значения коэффициента продольного сцепления с его предельно допустимым значением.

Зарубежные приборы и многофункциональные лаборатории для оценки состояния дорог. Во многих странах разработаны различные модификации

динамометрических приборов для измерения коэффициентов сцепления, такие, например, как прибор ADNERA и Grip Tester (Франция), прибор WUD (Чехия) и др. На дорогах Польши применяется аппарат SRT-3 (Skid Resistance Tester), который позволяет измерять продольный коэффициент сцепления с шагом через каждые 5 м со скоростью 60 км/ч.

Кроме одноколесных прицепов выпускают двухколесные, которые измеряют силу торможения сразу двух колес. К таким приборам относится дорожный измеритель сцепления OSCAR, выпускаемый фирмой Norsemeter в Норвегии. Эта установка в автоматическом режиме может измерять продольный коэффициент сцепления, как при полном, так и при частичном торможении (проскальзывании шины).

Для измерения коэффициента поперечного сцепления применяют тележки, которые воссоздают условия качения колеса при действии боковой силы или имитируют явления заноса автомобиля без торможения.

Одной из наиболее распространенных является английская передвижная лаборатория для оценки сцепных качеств дорожных покрытий SCRIM (Sideway force Coofficient Routine investigat Machine), которая измеряет коэффициент поперечного сцепления колеса с покрытием.

Главным отличием этой лаборатории является то, что измерительное колесо в ней поставлено под углом = 20^о к направлению движения (рис. 9.24), а измерение может проводиться как с полностью, так и частично блокированным колесом.

Кроме лабораторий, измеряющих отдельные параметры, выпускается много лабораторий, измеряющих несколько параметров. Так, например, во Франции разработана и выпущена многофункциональная лаборатория SIRANO (рис. 9.25), которая включает в себя:

• систему GERPHO - для съёмки состояния покрытия;

• APL - для измерения ровности;

• RUGOLASER - для измерения шероховатости;

Рис. 9.24. Принципиальная схема лаборатории SCRIM для измерения

коэффициента поперечного сцепления:

1 – базовый автомобиль с измерительной и обрабатывающей аппаратурой и емкостью для воды;

2 – измерительное убирающее колесо; 3 – направление движения

Рис. 9.25. Многофункциональная передвижная лаборатория SIRANO:

1 – анализатор продольного профиля APL-72; 2 – система измерения поперечного профиля;

3 – система GERPHO для съемки деформаций покрытия; 4 – система RUGOLASER

для измерения параметров шероховатости (текстуры) покрытия

• приборы для определения параметров поперечного профиля;

• приборы для измерения радиусов поворота и продольных уклонов.

В России серийно выпускают передвижную дорожно-диагностическую лабораторию КП-514МП, где в одном автобусе смонтировано оборудование, позволяющее измерять углы поворота, радиусы кривых в плане и профиле; поперечные и продольные уклоны; расстояния видимости; высотные отметки; прочность дорожной одежды; ровность; коэффициент сцепления.

Все измерения и их обработка автоматизированы, для чего в салоне автобуса установлен бортовой компьютер.

В Канаде, Голландии, Чехии и ряде других стран применяют лабораторию ARAN (Automatic Road Analiser), которая со скоростью до 110 км/ч позволяет измерять продольную и поперечную ровность полосы шириной 3,6 м, геометрические параметры через систему гироскопов, повреждения поверхности покрытия через систему регистрации видеокамерой (рис. 9.26).

В США и Швеции широко применяется установка Laser RST (Road Surface Tester), которая со скоростью до 90 км/ч позволяет регистрировать продольную ровность через систему специальных датчиков; поперечный профиль при помощи

11 лазерных датчиков, установленных на балке длиной 3,1 м; элементы плана и продольного профиля трассы при помощи гироскопов; текстуру и повреждения поверхности при помощи лазерных датчиков и др.

Рис. 9.26. Многофункциональная лаборатория ARAN

Следует отметить, что большинство измерений (кроме коэффициента сцепления) выполняют на чистом, сухом покрытии.

Комплексные лаборатории значительно упрощают организацию работ по диагностике состояния дорог.

Контрольные вопросы

1. Какова роль диагностики в системе управления состоянием автомобильных дорог?
2. В чем заключается организация работ по диагностике состояния автомобильных дорог?
3. Чем и как измеряют геометрические параметры дорог?
4. Как и чем определяют прочность дорожных одежд?
5. Как и чем измеряют продольную и поперечную ровность дорожных покрытий?
6. Как выявляют характер и причины образования колеи?
7. Чем и как измеряют шероховатость и сцепные качества покрытий?