10.5. 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. 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).

В России в практике дорожного строительства широкое распространение получил только контактный метод. В 60-80 гг. XX века в России (СССР) была разработана целая серия приборов, работающих по этому принципу и позволяющих проводить измерение параметров неровностей как макро-, так и микрошероховатости. Для оценки параметров макрошероховатости в МАДИ (Э.Г. Подлих) и Союздорнии (Б.И. Елисеев) были разработаны два очень простых и широко используемых до настоящего времени прибора: прибор «песчаное пятно» (по методу «песчаного пятна» оценивается осредненная глубина впадин макрошероховатости; метод «песчаного пятна» до настоящего времени используется и за рубежом, несмотря на свою предельную простоту) и профилограф (используемый для измерения высоты выступов). Прибор «песчаное пятно» представляет собой комплект оборудования, включающий 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). Зная объём песка, занятую им площадь, определяют среднюю глубину впадин. При необходимости определения высоты выступов (предложено Л.Г. Паниной) 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.

Профилографы МАДИ, Союздорнии используют принцип ощупывания поверхности покрытия специальным щупом (в профилографе МАДИ щуп перемещается с помощью электромотора, в профилографе Союздорнии - вручную) и вычерчивания профиля неровностей поверхности по методу пантографирования. Позднее появились профилограф игольчатого типа, а также прибор для определения глубины неровностей макрошероховатости, работающий по принципу «песчаного пятна» (рис. 10.20), в котором вместо песка использованы мелкие металлические шарики, распределяемые по поверхности покрытия внутри специального цилиндра, устанавливаемого на покрытии, и под действием магнита сохраняющие форму неровностей макрошероховатости (Ю.С. Карих).

Рис. 10.20. Магнитный прибор Ю.С. Кариха для измерения средней глубины впадин макрошероховатости покрытия: 1 - металлические шарики; 2 - магнит; 3 - корпус; 4 - шкала; 5 - указатель средней глубины впадин; 6 - шток с ручкой; 7 - стопорный винт; 8 - включатель электрической цепи; 9 - лампочка-сигнализатор; 10 - источник тока (12В)

Микрошероховатость покрытий дорог можно измерять в лабораторных условиях по образцам, взятым с поверхности покрытия и непосредственно на дороге. Использование образцов в лабораторных условиях обеспечивает высокое качество измерений ввиду отсутствия помех от вибрации, возникающей в покрытии при проезде автомобилей. В лаборатории можно использовать профилографы-профилометры, выпускаемые для целей машиностроения. Непосредственные измерения на дороге позволяют контролировать изменение микрошероховатости в процессе эксплуатации покрытия без его разрушения (взятия образцов). Для этих целей в МАДИ (М.В. Немчинов, Б.М. Косарев) разработаны два прибора - индуктивного и лазерного типов. Индуктивный профилограф разработан на базе профилографа модели 201 и позволяет определять параметры микрошероховатости (в диапазоне 0,2-400 мкм с погрешностью вертикального увеличения 5 %) как в лабораторных условиях, так и в полевых условиях. Исследуемая поверхность ощупывается алмазной иглой с радиусом кривизны при вершине 10 мкм с последующим преобразованием механических колебаний иглы в пропорциональное изменение параметров электрического тока. Лазерный профилограф (с разрешающей способностью 1-500 мкм и погрешностью 1 мкм) работает по принципу ощупывания поверхности сканированным лучом лазера, а фотоприемное устройство измеряет диффузионную составляющую отраженного светового потока.

Макрошероховатость поверхности покрытия оценивают путем проведения измерений на участках длиной 1,0; 50,0 и 1000 м. Рекомендуемое число измерений указано в табл. 10.5.

Таблица 10.5

Минимальное число измерений параметров макрошероховатости поверхности дорожного покрытия*

* Технические указания по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью. ВСН 38-90. - М: Транспорт, 1990. - 47с.

При сдаче покрытий в эксплуатацию на участке длиной 50,0 м измерения проводят по диагонали полосы движения, места измерения размещают равномерно по длине диагонали. На участке длиной 1000,0 м равномерно размещают шесть участков по 50,0 м, на каждом из которых размешают по три участка длиной по 1,0 м. В период эксплуатации покрытия измерения макрошероховатости проводят на полосах наката и между ними на участках той же длины в сечениях, перпендикулярных оси дороги. На участке длиной 1 км равномерно по его длине размещают 5-6 участков длиной по 50,0 м.

Качество шероховатой поверхности оценивается коэффициентом вариации глубины (высоты) неровностей макрошероховатости и равномерности распределения щебня. Коэффициент вариации глубины (высоты) неровностей:

C=_н/R_cp, где                                                                                                                      (10.9)

_н- среднеквадратическое отклонение глубины (высоты) отдельных впадин макрошероховатости;

R_cp- средняя глубина (высота) неровностей.

где                                                                                           (10.10)

п- число измерений;

Н_i- глубина неровностей в измеренных впадинах.

Равномерность распределения щебня по поверхности покрытия определяют с помощью прямоугольной рамки размером 0,100,20 м, в пределах которой подсчитывают количество зерен щебня. Измерения повторяют 10 раз на участке длиной 1 км. По результатам измерений подсчитывают среднее число зерен щебняmв пределах площади, ограниченной рамкой, и среднеквадратическое отклонение_mрезультатов отдельных измерений от среднего. Коэффициент вариации определяют по формуле

(10.11)

Он 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. 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.

Один из первых твердомеров был разработан в Великобритании в TRRL. Прибор аналогичной конструкции был изготовлен в МАДИ и применен в исследованиях проф. М.В. Немчиновым в 1981 г. Позднее был разработан и в настоящее время рекомендован в России для определения твердости покрытий твердомер конструкции Казахского филиала Союздорнии (проф. О.А. Красиков). Твердомер 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. 10.21).

Рис. 10.21. Твердомер ИП-18: 1 - треугольная станина; 2 - направляющая втулка с вертикальными стойками; 3 - штанга с ограждениями; 4 - груз; 5 - коническая насадка; 6 - установочные винты; 7 - шкала отсчётов

Независимо от длины обследуемого участка дороги проводится не менее 20 измерений с одновременной регистрацией средней температуры поверхности покрытия. Точки для измерений назначаются через равные расстояния с чередованием полос наката (первая точка выбирается случайной). Среднее значение показателя твердости для участка покрытия с помощью номограммы (рис. 10.22) 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 h₅₀назначают оптимальный для одиночной поверхностной обработки размер щебня.

Рис. 10.22. Номограмма для приведения показателя твердости покрытия к расчётной температуре 50С: а - для покрытий из горячих асфальтобетонных смесей; б - для покрытий из холодных битумоминеральных смесей; стрелками показан порядок пользования номограммой

Оценка сцепных качеств дорожных покрытий. Для измерения коэффициента сцепления созданы специальные приборы - динамометрического действия и портативные. Впервые в России (СССР) прибор динамометрического действия был сконструирован и построен в 1938-39 гг. в МАДИ М.С. Замахаевым. В конце 60-70-х гг. XX века практически одновременно были сконструированы динамометрические приборы: в Союздорнии - ПКРС (Б.И. Елисеев, В.А. Астров, прибор оборудован автомобильным колесом размера 6,00-13) и в МАДИ (Э.Г. Подлих, прибор оборудован мотороллерным колесом).

В 60-70-х гг. XX века была разработана (и в последующем совершенствовалась) конструкция двухколёсного (с шинами размера 165-13, 6,45-13) прибора для измерения коэффициента сцепления (при полной блокировке колёс и при качении под углом 0-17° - модели МАДИ-6, МАДИ-8, доц. Ю.В. Кузнецов); в институте Аэропроект был разработан двухколесный прибор АТТ-1 (с последующими модификациям) с шинами размером 660-160, позволяющий измерять коэффициент сцепления при качении колёс с частичным проскальзыванием; в институте НИИШП - двухколёсный прибор с шинами размера 6,45-13 и полной блокировкой колёс при измерениях коэффициента сцепления. В МАДИ Н. Кульмурадов и Ю.В. Кузнецов разработали одноколёсный прибор, монтируемый на поливомоечном автомобиле, измерительное колесо которого было оборудовано шиной размера 6,15-13 и могло загружаться тремя уровнями вертикальной нагрузки. Наибольшее развитие и применение получили модификации прибора ПКРС: ПКРС-2, ПКРС-2У, ПКРС-2М (Союздорнии, Казфилиал Союздорнии, Гипродорнии), КП-511 (конструкция разработана Союздорнии; первый промышленный экземпляр построен на Ленинградском заводе дорожных машин кафедрой строительства и эксплуатации дорог МАДИ (М.В.Немчинов). Модель ПКРС-2У в усовершенствованном виде в составе лабораторий КП-208МП, КП-514МП Г в настоящее время производится Саратовским НПЦ "Росдортех" (рис. 10.23). Кроме того, в МАДИ и ВНИИБД МВД России Ю.В. Кузнецовым был разработан портативный прибор для оценки сцепных качеств дорожных покрытий.

Рис. 10.23. Передвижная лаборатория с установкой ПКРС-2Удля измерения ровности и скользкости покрытия

Эти приборы рекомендованы для использования при оценке сцепных качеств дорожных покрытий нормативными документами Минтранса России.

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                                                                                                                           (10.12)

Т- горизонтальная касательная сила;

Q- масса динамометрического прицепа, приходящаяся на колесо.

Техническая характеристика динамометрического прицепа

Подвеска и система торможения - автомобиль М-2140

Шины -6,45"13"

Скорость буксировки, км/ч - 60

Ход подвески, мм – 150

Диапазон измерения:

коэффициента сцепления -0,1-0,7

ровности, см/км - 100-1100

Масса, кг - 350

Габаритные размеры, мм - 1800800900

Регистрация показаний первичных датчиков производится бортовым вычислительным комплексом с визуализацией данных измерений на дисплее. Показатель ровности определяется по суммарной величине перемещения колеса прицепа относительно инерционной массы его корпуса на единицу длины дороги.

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. 10.24). 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.

Рис. 10.24. Портативный прибор ППК для оценки скользкости покрытия: 1 - имитатор шин; 2 - пружина; 3 - падающий груз; 4 - муфта; 5 - толкающие тяги; 6 - шкала отсчёта 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 должна использоваться шина 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 5 участках, различающихся по ровности и сцепным свойствам дорожного покрытия.

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°С. Увлажнение дорожного покрытия осуществляется 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 200-250 см³воды 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°С путём их суммирования с поправками, указанными в табл. 10.6.

Таблица 10.6

Состояние дорожных покрытий по сцепным качествам оценивают путём сравнения фактической величины коэффициента продольного сцепления с его предельно допустимой величиной. Дорожное покрытие удовлетворяет требованиям эксплуатации, если фактическая величина коэффициента сцепления больше предельно допустимой величины или равна ей. Предельно допустимая величина коэффициента сцепления установлена ГОСТ Р 50597-93и составляет 0,3 при измерении шиной без рисунка протектора и 0,4 при измерении шиной, имеющей рисунок протектора.

Зарубежные приборы и многофункциональные лаборатории для оценки состояния дорог. Во многих странах разработаны различные модификации динамометрических приборов для измерения коэффициентов сцепления, такие например, как приборADNERAиGrip Tester(Франция), приборWUD(Чехия) и др. На дорогах Польши применяется аппаратSRT-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 сцепленияOSCAR, выпускаемый фирмойNorsemeterв 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 Coefficient 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° к направлению движения (рис. 10.25), а измерение может проводиться как с полностью, так и частично блокированным колесом.

Рис. 10.25. Принципиальная схема лаборатории SCRIMдля измерения коэффициента поперечного сцепления: 1 - базовый автомобиль с измерительной и обрабатывающей аппаратурой и ёмкостью для воды; 2 - измерительное убирающееся колесо; 3 - направление движения

Кроме лабораторий, измеряющих отдельные параметры, выпускается много лабораторий, измеряющих несколько параметров. Так, например, во Франции разработана и выпущена многофункциональная лаборатория SIRANO(рис. 10.26). Она включает в себя:

систему GERPHO- для съёмки состояния покрытия;

APL- для измерения ровности;

RUGOLASER- для измерения шероховатости;

приборы для определения параметров поперечного профиля;

приборы для измерения радиусов поворота и продольных уклонов.

Рис. 10.26. Многофункциональная передвижная лаборатория SIRANO: 1 - анализатор продольного профиляAPL-72; 2 - система измерения поперечного профиля; 3 - системаGERPHOдля съёмки деформаций покрытия; 4 - системаRUGOLASERдля измерения параметров шероховатости (текстуры) покрытия

В России серийно выпускается передвижная дорожно-диагностическая лаборатория КП-514МП (см. рис. 10.3), где в одном автобусе смонтировано оборудование, позволяющее измерять утлы 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 0-110 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. 10.27).

Рис. 10.27. Многофункциональная лаборатория ARAN

В США и Швеции широко применяется установка Laser RST(Road Surface Tester), которая со скоростью 0-90 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. Следует отметить, что большинство измерений (кроме коэффициента сцепления) выполняют на чистом, сухом покрытии.

Комплексные лаборатории значительно упрощают организацию работ по диагностике состояния дорог.