Операционный экспресс-контроль качества дорожных покрытий
Специалистам известно, что темпы разрушения дорожных покрытий более высокие, чем темпы их восстановления. По данным Минтранса России, 63% федеральных дорог нуждаются в ремонте [4]. Вполне понятно, в каком состоянии находятся не федеральные дороги. Но вернемся к федеральным: на их ремонт необходимо затрачивать около 13–15 млрд. руб. [4]
Несвоевременный ремонт дорог увеличивает общие затраты на их восстановление в 3–4 раза. Это приводит к снижению расчетной скорости движения автотранспорта, увеличению себестоимости автомобильных перевозок, росту ДТП. Опыт эксплуатации автомобильных дорог показывает, что существующий нормативный срок их службы в течение 13–15 лет не выдерживается по разным причинам. Снижение срока службы автомобильных дорог вызвано многими факторами, в том числе и отсутствием полноценного контроля качества производства работ на всех этапах технологического процесса строительства дорог.
В последние годы в связи с приходом зарубежной техники и новых технологий качество дорог повысилось. Наблюдается тенденция изменения общей идеологии строительства. Так, ГОСТ Р ИСО 9002-96 делает акцент на обеспечение высокого качества производства работ. Важность операционного контроля обусловливает возможность коррекции той или иной технологической операции, что приводит в целом к повышению качества производства работ и срока службы автомобильной дороги.
Реализация этой идеологии требует наличия определенной материальной базы, в частности, присутствия методов и средств операционного контроля у организаций, выполняющих работы. К сожалению, здесь имеются существенные пробелы. Так, в ходе выполнения работ подрядчик готов выполнить как входной контроль поступающих материалов, так и операционный, однако он его не выполняет. Чаще всего это обусловлено отсутствием простых и удобных экспресс-методов и средств контроля, от которых главным образом и зависит качество готовой продукции — автомобильной дороги.
СНиП3.06.03-85 «Автомобильные дороги» предусматривает необходимость контроля на различных этапах технологического процесса строительства дороги: при сооружении земляного полотна, при устройстве дополнительных слоев оснований и прослоек, щебеночных, гравийных, шлаковых оснований и покрытий, мостовых, оснований и покрытий из материалов, обработанных неорганическими вяжущими материалами, асфальтобетонных покрытий и оснований и т. п. При этом обеспечение техническими средствами контроля многочисленных параметров, предусмотренных СНиПом, отдано на откуп случаю. Нет целенаправленной работы по обеспечению дорожной отрасли таким контролирующим оборудованием.
Отечественное оборудование, необходимое для проведения экспресс-контроля некоторых технологических операций в дорожном строительстве, имеется. Существуют известные методы и средства контроля качества уплотнения дорожного земляного полотна, щебеночного основания и асфальтобетонного покрытия. Они достаточно подробно освещены в справочных каталогах [4]. Здесь представлены не только отечественные, но и зарубежные средства операционного контроля, опыт их применения лучшими дорожно-строительными организациями Российской Федерации, такими, как объединение «Дорстройпроект», АОЗТ «Лендорстрой» и другие.
Среди прочих многочисленных параметров, подлежащих контролю в дорожном строительстве, следует отметить такие, как вид и свойства исходных материалов (грунта, щебня, асфальтобетона), например, влажность грунта, температура смеси. Кроме того, большое значение придается величине достигаемой плотности грунтовых слоев, щебеночных оснований, подстилающих и других конструктивных элементов дороги. К верхнему слою дорожного полотна, так называемому коврику износа, кроме требований по плотности, предъявляются еще и требования по продольной и поперечной ровности, шероховатости. Следствием шероховатости является коэффициент сцепления, обусловливающий безопасность и возможную скорость движения транспорта.
Так, контроль плотности грунта осуществляется в основном плотномерами — пенетрометрами отечественного производства. Их работа основана на внедрении в контролируемый слой грунта металлического стержня цилиндрической или конической формы на заданную глубину. Погружение стержня в грунт осуществляется статическим или динамическим способом. При этом оценка плотности грунта осуществляется либо по величине усилия вдавливания стержня (статические плотномеры), либо по числу ударов груза, падающего с определенной высоты и ударяющего по ограничителю, необходимых для погружения наконечника на определенную высоту (динамические плотномеры). К недостаткам этих приборов следует отнести их чувствительность к изменению влажности грунта.
С этой целью разработчики предлагают производить корреляцию тарировочных кривых по влажности, что весьма неудобно и неопределенно. Кроме того, при контроле плотных связных грунтов (суглинки, глины) требуются большие усилия вдавливания.
Для оперативного контроля влажности и плотности грунта в последнее время разработаны радиометрические и диэлектрические методы и приборы. Среди отечественных разработок можно отметить прибор ПВН-10 для контроля плотности, а для оперативного контроля влажности — зондовые индикаторы влажности или индикатор влажности типа ИВА-1, а также универсальный влагомер ВИМС-1, где используется диэлектрический метод измерения влажности. Среди зарубежных разработок следует отметить радиоизотопные приборы фирмы Troxler. Возможность применения импортных приборов в широких масштабах в нашей стране ограничено, с одной стороны, стоимостью этих приборов, а с другой стороны, требованиями техники безопасности в обращении с ними [3].
Многие фирмы в качестве меры, гарантирующей определенное качество дорожных работ, стараются строго соблюдать технологию осуществления, например по уплотнению грунтовых слоев. Определив порядок выполнения работы звена уплотняющих машин путем проведения предварительных испытаний, так называемых «пробных укаток», они сохраняют этот порядок работы в дальнейшем. Так поступает большая часть западных фирм-подрядчиков.
Зарубежные дорожные и другие службы технического контроля часто требуют представления документальных доказательств выполнения условий контракта по работам, связанным с уплотнением грунтов. При этом их не устраивают результаты точечных, случайным образом выполненных измерений, и они требуют гарантий качества выполненных работ по всей площади. Такие требования привели к необходимости создания бортовой системы регистрации результатов уплотнения в процессе производства работ. Так, шведская фирма Dynapac предлагает дорожный каток с указателем относительного уплотнения (плотномером). Последний устанавливают непосредственно на дорожном катке. Он состоит из акселерометра, монтируемого на вибрационном вальце, процессора и шкалы на приборной панели. Сигналы от акселерометра преобразуются в величину относительного уплотнения, которая представляет собой косвенный показатель несущей способности грунта. Подобные системы непрерывного контроля процесса уплотнения устанавливают и другие зарубежные фирмы.
В нашей стране работы по созданию таких систем также проводятся. Так, в одной из ранних работ предлагалось производить контроль качества производства работ по уплотнению непосредственно на дорожном катке путем регистрации изменения коэффициента сопротивления качению вальца. В настоящее время на катке ДУ-111 («Раскат») установлена бортовая система непрерывного контроля плотности грунта («Баллада»). Она состоит из датчика плотности ПВ-1, устанавливаемого на вибрационном вальце, процессора и дискретного индикатора плотности, устанавливаемого на приборном щитке. Информация об изменении плотности грунта отображается на дискретном индикаторе. С увеличением числа проходов катка по уплотняемому участку следует заполнение сегментов шкалы индикатора в процентах от требуемого уровня плотности. По вызову моториста на цифровой индикатор выводится значение необходимого доуплотнения грунта в процентах. Индикаторная система «Баллада» позволяет оперативно оценивать качество уплотнения и снизить затраты на выполнение этих работ.
Большая часть автомобильных дорог имеет покрытие из асфальтобетона. У него есть ряд преимуществ перед другими видами покрытий, например, цементобетоном. У асфальтобетона меньшие шумовые характеристики от движения транспорта, он легко моется, проще выполняются ремонтные работы, чем при цементобетонном покрытии, обеспечивает комфортную езду на транспорте и т. п. Однако есть страны, где дороги с цементобетонным покрытием популярны, например, США.
Асфальтобетонное покрытие получают в результате укладки и уплотнения асфальтобетонной смеси. Чаще всего это горячие асфальтобетонные смеси с температурой уплотнения 140–80 0С. В процессе уплотнения смесь остывает, в результате чего она не только уплотняется, но и упрочняется. Нарастание прочности происходит не только за счет повышения плотности, но и по мере остывания смеси. Причем в конце процесса уплотнения темпы роста прочности от остывания смеси значительно выше, чем приращение прочности от нарастания плотности. В результате этого к концу процесса уплотнения (при температуре 80–70 0С) прочность слоя такова, что он трудно поддается уплотнению даже тяжелыми катками. В связи с этим процесс уплотнения прекращают.
Если учесть то обстоятельство, что в среднем остывание смеси происходит со скоростью 1 градус в минуту, то времени, отведенного на формирование необходимой плотности дорожного покрытия (в соответствии с требованиями СНиП), остается очень мало. Из опыта известно, что для достижения нормируемых значений плотности покрытия необходимо совершить 20–25 проходов катков различных типов, да так, чтобы это количество проходов по всей ширине дорожного полотна было одинаковым. Одновременно необходимо осуществлять операционный контроль плотности.
Кроме того, следует учитывать, что верхний слой дорожного покрытия должен иметь ровную поверхность для комфортного движения транспорта с высокими скоростями. Одновременно верхний слой должен обладать достаточной шероховатостью, чтобы обеспечить высокое сцепление колеса с дорогой и, соответственно, безопасное движение транспорта.
Таким образом, к верхнему слою покрытия предъявляются повышенные требования по сравнению с нижележащими слоями дорожной конструкции. Он должен быть плотным и износостойким, что обеспечит его устойчивость воздействию погодных условий и износу, иметь ровную поверхность движения с высоким сцеплением. Именно он гарантирует (наряду с нижележащими слоями) безопасность и комфортность перемещения по дороге.
В настоящее время практически все асфальтоукладчики, как отечественные, так и зарубежные, снабжены системами автоматического выдерживания проектной ровности дорожного покрытия. Поэтому при исправной системе и грамотном ее использовании асфальтоукладчик всегда обеспечивает требуемую ровность и профиль дорожного полотна. Сложнее обстоит дело с контролем плотности и шероховатости верхнего слоя.
Выполнять текущий операционный контроль плотности уплотняемой полосы строящейся дороги, имеющей ограниченную длину и ширину, по которой непрерывно перемещаются следом друг за другом два-три типа дорожных катка, методами точечного измерения весьма сложно. Поэтому контроль выполняют, как правило, бортовыми системами, устанавливаемым на катках. Однако для уплотнения асфальтобетонных смесей используются катки различных типов и массы. В связи с этим бортовые системы фиксируют, как правило, только момент окончания укатки катком данного типа и необходимость перехода к воздействию на эту поверхность катка с другими более высокими силовыми параметрами. Это объясняется тем, что окончательная плотность покрытия формируется в результате суммарного воздействия всех типов катков. Поэтому необходимы средства операционного контроля, позволяющие сразу после завершения работ по уплотнению дать информацию о достигнутом значении плотности. Получение такой информации даст возможность скорректировать процесс уплотнения уже на следующей захватке — участке уплотнения.
Контролирующие службы проводят окончательный выборочный контроль плотности методом взятия вырубок или кернов с дорожной поверхности с последующей заделкой отверстий. Керн дает достаточно полную информацию о дорожной конструкции — как ее верхнего слоя, так и нижних ее слоев. При этом определяются не только плотность, но и составы смесей, сцепление слоев между собой и т. п. Однако эта информация представляет собой факт констатации состояния качества уже завершенных работ. Оперативная корректировка того или иного технологического процесса уже невозможна ввиду того, что керн или вырубка должны быть взяты через 10 суток после завершения уплотнения последнего слоя покрытия. Кроме того, количество кернов составляет 3 на 1 км дороги. Такой точечный контроль представляет собой случайный процесс и не может дать полной информации о качестве дорожного покрытия по всей площади.
Многие организации как в нашей стране, так и за рубежом используют радиометрические плотномеры фирм Troxler, Seaman, CPN. Радиометрический метод обеспечивает ускоренное получение информации об изменении плотности асфальтобетонной смеси в процессе ее уплотнения. Подобные приборы используют контролирующие организации во многих странах: Англии, Германии, США и др. Конструкции таких приборов постоянно усовершенствуются. Последние разработки этих приборов позволяют устанавливать их на дорожном катке с зазором над контролируемой поверхностью.
Так, фирма Seaman разработала небольшой прибор — валец дистанционно управляемый и ведущий непрерывный контроль плотности по всей ширине контролируемого участка дороги.
Недостатком радиоизотопных приборов типа Troxler является необходимость контроля радиационной безопасности. В связи с этим американская компания Transtech Inc. разработала прибор, принцип работы которого основан на измерении диэлектрической проницаемости слоя уплотняемого материала. В ответ на это компания Troxler разработала прибор PaveTracker 2701 для измерения плотности слоев толщиной 2–4 см. Эти приборы находятся в стадии их освоения. Таким образом дорожная политика в США поощряет производить контроль тех или иных технологических операций различными приборами, чтобы создать конкуренцию и ускорить совершенствование той или иной конструкции прибора.
Среди отечественных методов и средств оперативного контроля качества уплотнения асфальтобетона нет подобного по уровню. Отрасль у нас, к сожалению, не блещет подобными разработками, хотя такие работы ведутся. В ряде случаев для экспресс-контроля плотности асфальтобетона используется пенетрометр динамического действия [4].
В свое время в Ленинградском политехническом институте (теперь СПб ГПУ) разработан прибор — пористомер — для контроля плотности и пористости асфальтобетона на завершающей стадии процесса уплотнения. Он трижды отмечен медалями ВДНХ СССР, прост в конструкции и эксплуатации. Последний вариант прибора имеет цифровой индикатор, снабжен устройством переключения режима работы в зависимости от состава асфальтобетонной смеси.
Пористомеры обеспечивают операционный неразрушающий полевой экспресс-контроль качества уплотнения асфальтобетонных смесей при устройстве дорожных покрытий и позволяют:
- оперативно подбирать технологию производства работ по уплотнению смесей при выполнении пробной укатки;
- оперативно контролировать и корректировать технологию работ в процессе строительства;
- осуществлять контроль за качеством асфальтобетонной смеси, доставляемой с АБЗ на месте строительства;
- уменьшить количество контрольных вырубок (кернов).
Таким образом, подобные приборы позволяют повысить производительность и качество работ по уплотнению, сократить затраты на строительство.
Основными параметрами дорожного покрытия, характеризующими его сцепные качества, являются шероховатость и скользкость, которые оцениваются через величину коэффициента сцепления (КС). Последний при сдаче построенных дорог в эксплуатацию нормируется, что закреплено законодательно в ГОСТ 30413-96 «Метод определения коэффициента сцепления колес автомобиля с дорожным покрытием». Технически определение КС реализуется с помощью динамометрической тележки типа ПКРС-2У, предназначенной для измерения коэффициента трения скольжения сблокированного колеса, движущегося со скоростью 60 км/ч. по увлажненному покрытию.
Под шероховатостью дорожного покрытия понимается наличие на его поверхности малых неровностей, не отражающихся на деформации шины и обеспечивающих повышение сцепления покрытия с шиной. Шероховатость определяется размером микровыступов и остротой угла вершины микровыступа. Параметры шероховатости, связанные со свойствами и формой неровностей профиля, определены ГОСТ 25142-82 [1].
При наличии на поверхности влаги в сочетании с шероховатостью проявляют свойство скользкости покрытия дороги. Скользкость дорожного покрытия является важнейшей характеристикой транспортно-экслуатационного состояния дороги. Количественным критерием скользкости покрытия является коэффициент сцепления. Другими словами, шероховатость и скользкость, оцениваемые коэффициентом сцепления, являются главными показателями сцепных качеств дороги [3].
Минимально допустимые значения коэффициента сцепления, измеренные в режиме сблокированного колеса, впервые нормированы в нашей стране при сдаче дорог в эксплуатацию. Эти нормы были установлены в СНиП IIД 5 72, где оговаривались условия определения коэффициента сцепления. Эти условия сохранились и перешли в новый ГОСТ 30413-96, называемый «Метод определения коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием» [2].
Для измерения коэффициента сцепления на проезжей части дороги в основном применяются приборы с полностью блокирующимся измерительным колесом, а также приборы с измерительным колесом, катящимся под углом к направлению движения автомобиля (наклонное колесо). Для измерения по методу «наклонное колесо» широко применяется ходовая лаборатория SCRIM, разработанная Транспортной и дорожной исследовательской лабораторией Великобритании. Ходовая лаборатория представляет собой автомобиль с цистерной, оборудованный пятым динамометрическим колесом, установленным под углом к направлению движения. Такое колесо обеспечивает измерение коэффициента поперечного сцепления в режиме проскальзывания. Обработка результатов измерения производится автоматически с регистрацией на ленте самописца или магнитном носителе.
Определение коэффициента продольного сцепления для блокированного колеса выполняется такими приборами как SRM (Германия), Skiddometer (Щвейцария), MU-METER (США), VID-2 (Чехия), ПКРС-2У (Россия). Важным преимуществом этих приборов является возможность непрерывно измерять коэффициент сцепления при обследовании состояния дорог большой протяженности.
Значение коэффициента сцепления, полученное с помощью ПКРС-2У для сблокированного колеса, при скольжении представляет собой условную величину, характеризующую поведение системы «водитель — автомобиль — дорога — среда» (ВАДС) в целом. Его значение при неизменности шероховатости поверхности и материала колеса зависит от множества факторов, обусловленных состоянием и поведением всех субъектов системы ВАДС.
Действительно, сцепные качества дороги определяются только за счет шероховатости ее покрытия и степени увлажнения, в то время как те же качества автомобиля зависят от ряда факторов, не имеющих никакого отношения к качеству эксплуатируемого покрытия, в частности, состояния поверхности протектора, динамических свойств автомобиля в целом, состояния тормозной системы и, наконец, умения водителя пользоваться последней и вообще управлять автомобилем. При использовании коэффициента трения скольжения в качестве коэффициента сцепления невозможно выделить причинные составляющие, которые можно было бы четко разнести на счета сцепных качеств покрытия с одной стороны и автомобиля с другой. При ДТП измерение коэффициента трения скольжения по методике ГОСТа полностью теряет смысл, так как из нее не ясно, какая доля «вины» ложится на качество покрытия, какая — на техническое состояние автомобиля и какая — на психологическое состояние водителя.
Показания ПКРС-2У не могут быть использованы для автомобилей, снабженных антиблокирующими системами (АБС). Для автомобилей, снабженных АБС, путь торможения определяется только сцепными качествами дорожного покрытия. Парк таких автомобилей в стране велик, и количество этих машин постоянно растет.
В основу АБС положен принцип существования двух зон в площадке контакта катящегося колеса: скольжения и покоя.
В автомобилях с АБС всегда сохраняется на максимальном уровне величина площадки покоя, что и определяет эффективность торможения, а значит и оптимальность реализации сцепных качеств взаимодействующих объектов. При полном отсутствии качения, т. е. скольжении, вообще нельзя говорить о наличии сцепления в прямом смысле этого слова, а можно лишь констатировать обратное — сцепление потеряно,
а точнее, оно подменено неким много-факторным сопротивлением передвижению, где доля сил трения взаимодействующих субъектов — материала покрытия и шины колеса — не может быть четко выделена и определена количественно.
Оперативная информация о шероховатости, а соответственно и о сцепных качествах дорожного покрытия строящейся дороги необходима также и технологам для корректировки составов смесей, приготавливаемых на АБЗ.
Реализация новой идеологии определения коэффициента сцепления основана на использовании в качестве последнего коэффициента трения покоя. Уже разработан, изготовлен и испытан механический прибор для определения коэффициента сцепления.
Прибор для определения коэффициента сцепления предназначен для оперативной оценки сцепных качеств автомобильных дорог и взлетных полос аэродромов с покрытием капитального типа для сооружений промышленного, гражданского и спортивного назначения. Прибор может использоваться для определения сцепных качеств дорожной разметки на соответствие требования ГОСТ З51256-99 и качества механизированной уборки по ГОСТ З50597-93.
Конструктивно прибор включает в себя несущий корпус, снабженный основанием, предназначенным для прижатия прибора к дорожному покрытию. На корпусе смонтированы два силовых механизма. Первый предназначен для создания вертикальной нагрузки на имитатор шины, выполненный в виде колеса, а второй — для создания крутящего момента на этом колесе. Прибор имеет индикатор коэффициента сцепления, снабженный шкалой, отградуированной с точностью до 0,01, а также кнопку, сигнализирующую о начале момента снятия показания с индикатора, который наступает, когда имитатор шины из состояния покоя переходит в режим буксования, фиксируя таким образом величину коэффициента трения покоя.
Результаты сравнительных испытаний этого прибора с известными приборами типа ПКРС-2У и ППК-МАДИ проведены совместно с центральной лабораторией Дорожного комитета правительства Ленинградской области. Испытания проводились на вновь построенном участке дороги Гатчина — Куровицы.
Результаты сравнительных испытаний, проведенных на этом участке дороги, показали, что значения нового прибора меньше, чем среднее значение ПКРС-2У, но выше показаний ППК-МАДИ. Разброс показаний нового прибора на порядок меньше, чем у ПКРС-2У.
Кроме того, проведены испытания прибора на строительных объектах Санкт-Петербурга совместно с сотрудниками «Невадорстрой», а также при обследовании состояния дорог после их механизированной уборки в зимнее время. Последние испытания проведены совместно с сотрудниками «Спецтранс» и ГИБДД.
При использовании прибора «Спецтрансом» Санкт-Петербурга для оценки качества механизированной уборки дорог в зимнее время на отдельных участках дороги, имеющей наледи, значения коэффициента сцепления снижались до 0,06–0,08. На заснеженных укатанных участках с остатками песка на поверхности (от проведенной ранее обработки дорог песком) значения коэффициента сцепления составили 0,22–0,28, а на чистом асфальтобетонном покрытии — 0,3–0,4.
Литература
1. Технические указания по устройству дорожных покрытий с шероховатой поверхностью. ВСН-38-90. // «Транспорт», 1990.
2. ГОСТ 30413-96 «Дороги автомобильные. Метод определения коэффициента сцепления колеса автомобиля с дорожным покрытием». МНТКС, М., 1997.
3. В. В. Сильянов. Транспортно эксплуатационные качества автомобильных дорог. — М.: «Транспорт», 1984.
4. Дорожная техника. Каталог-справочник, 2005–2006.
| Автор: А. А. Шестопалов Дата: 30.10.2007 Журнал Стройпрофиль 7-07 Рубрика: дорожное строительство: технологии, материалы и оборудование Внимание: Публикация является архивной и на текущий момент может быть не достоверной. |