Wpływ rozkładu temperatury w nawierzchni betonowej na możliwość wystąpienia zjawiska śliskości na drodze

Transkrypt

1 ROGOJSZ Grzegorz 1 Wpływ rozkładu temperatury w nawierzchni betonowej na możliwość wystąpienia zjawiska śliskości na drodze WSTĘP Śliskość zimowa jest to zjawisko występujące na drogach wskutek tworzenia się na jezdniach warstwy lodu albo zlodowaciałego ubitego śniegu [1]. Do podstawowych rodzajów śliskości należy zaliczyć: gołoledź, lodowice, śliskość pośniegową, szron, szadź. Każdy rodzaj śliskości przyczynia się do znacznego wydłużenia drogi hamowania. Dla prędkości 100km/h droga hamowania na suchej nawierzchni wynosi 65m, a na śliskiej nawet 250m. Najczęściej śliskość zimowa występuje przy ujemnych temperaturach powierza. Na podstawie prowadzonych badań stwierdzono, że śliskość może wystąpić przy dodatnich temperaturach powierza tuż nad powierzchnią drogi. Mamy do czynienie z tym zjawiskiem kiedy ujemna temperatura zmagazynowana w konstrukcji nawierzchni ochładza od spodu powierzchnię jedni. Zakres występowania tego zjawisk zależy od maksymalnych ujemnych temperatur, natężenia promieniowania słonecznego oraz typu nawierzchni drogowej. W artykule zostaną przedstawione uzyskane wyniki wpływu rozkładu temperatury w nawierzchni betonowej na występowanie zjawiska śliskości w okresie zimowym. 1. STANOWISKO POMIAROWE W celu pomiaru rozkładu temperatury w płycie z betonu cementowego wykonano stanowisko pomiarowe przedstawione na rysunku 1, na terenie Wojskowej Akademii Technicznej. Wykonano płytę o wymiarach 3x3m i grubości 35cm, z betonu klasy C30/37, posadowioną na podbudowie z piasku średniego o grubości 15cm. Podbudowę z piasku średniego przed wylaniem płyty zagęszczono do uzyskania wskaźnika zagęszczenia równego 1,03. W płycie betonowej oraz podbudowie umieszczono siedem czujników temperatury typu PT-100. Rozmieszczenie czujników zostało przedstawione na rysunku 2. Rys. 1. Widok stanowiska pomiarowego 1 Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego w Warszawie, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Zakład Dróg i Lotnisk; Warszawa; ul. gen. Sylwestra Kaliskiego 2. Tel: , Fax: ,

2 Rys. 2. Rozmieszczenie czujników pomiarowych Czujniki podłączono do urządzenia służącego do rejestracji temperatury termometru ośmiokanałowego, który z kolei został bezpośrednio połączony z komputerem. Rejestracja temperatury odbywała się w sposób ciągły z zapisem wyników w pamięci komputera co 1 minutę. Dokładność wskazań czujnika wynosiła 0,1 C. Wraz z rejestracją temperatury w płycie betonowej mierzono w sposób ciągły temperaturę powietrza, na wysokości 50cm nad płytą betonową. Aby określić wpływ gruntu sąsiadującego z płytą na temperaturę krawędzi płyty, umieszczono dodatkowy czujnik temperatury na krawędzi, w środku wysokości płyty. Zastosowane czujniki pomiarowe umożliwiają pomiar temperatury w warunkach zimowych oraz letnich. Konstrukcja czujnika temperatury zapewnia bezawaryjny długotrwały pomiar temperatury w pełnym zanurzeniu sondy pomiarowej w wodzie. 2. WYNIKI BADAŃ DOŚWIADCZALNYCH Ujemna temperatura powierzchni nawierzchni drogowej przyczynia się do powstawania na drodze gołoledzi, poprzez opad na nawierzchnię mgły roszącej, mżawki lub deszczu. Znajomość rozkładu temperatury wewnątrz konstrukcji nawierzchni drogowej, umożliwia właściwą ocenę ryzyka wystąpienia śliskości na drodze. Wpływ temperatury na nawierzchnię betonową jest bardzo złożony. Głównym źródłem ciepła dostarczanego do nawierzchni z betonu cementowego jest energia z promieniowania słonecznego. Na warunki temperaturowe konstrukcji nawierzchni ma wpływ także przepływ ciepła w kierunku dolnych warstw nawierzchni. Istotny wpływ na rozkład temperatury w płycie betonowej ma również wymiana ciepła pomiędzy płytą a otaczającym ją powietrzem, a także zachmurzenie Dobowy rozkład temperatury w nawierzchni betonowej W wyniku prowadzonych badań rozkładu temperatury w płycie betonowej stwierdzono, że w przypadku ujemnej temperatury powietrza występującej w okresie zimowym i wczesnowiosennym, temperatura powierzchni płyty z betonu cementowego jest zawsze od niej większa. Sytuację tą przedstawiono dla trzech wybranych dni na rysunku 3, 4 i 5. Natomiast w przypadku niedużej dodatniej temperatury powietrza wynoszącej do 6 C oraz niskiego natężenia promieniowania słonecznego, charakterystycznego dla okresu zimowego, temperatura na powierzchni płyty jest zawsze o kilka stopni niższa od temperatury powietrza, a także bardzo często osiąga wartości ujemne. Przypadek ten zobrazowano na rysunku 6, 7 oraz 8. Na przedstawionych rysunkach kolejne linie przedstawiają wartość temperatury na określonej głębokości w płycie betonowej. Podobne wyniki badań prowadzonych jednak na mniejszą skalę przedstawiono w pracy [2]. 4154

3 Rys. 3. Dobowy rozkład temperatury w płycie betonowej w dniu r. Rys. 4. Dobowy rozkład temperatury w płycie betonowej w dniu r. Rys. 5. Dobowy rozkład temperatury w płycie betonowej w dniu r. 4155

4 Wartość T1 przedstawia temperaturę powietrza mierzoną na wysokości 50cm nad płytą betonową, T2 przedstawia temperaturę powierzchni płyty betonowej mierzonej 1cm pod powierzchnią płyty, T3 przedstawia temperaturę w płycie betonowej na głębokości 8,7cm, T4 przedstawia temperaturę w środku wysokości płyty, T5 przedstawia temperaturę w płycie betonowej na głębokości 26cm, T6 przedstawia temperaturę na spodzie płyty betonowej, T7 przedstawia temperaturę na spodzie podbudowy z piasku, natomiast T8 przedstawia temperaturę na krawędzi płyty, w środku jej wysokości. Na podstawie analizy przedstawionych wykresów należy stwierdzić, że średnia różnica pomiędzy temperaturą powietrza a temperaturą powierzchni płyty w dniu 19.01, oraz wynosi odpowiednio -3,85 C, -2,31 C oraz -4,52 C. Należy również stwierdzić, że w wyniku spadku temperatury powietrza od -4 C do -18 C, cała płyta betonowa wraz z podbudową schłodziła się do temperatury ujemnej. Po okresie schładzania występującym do 24 stycznia temperatura na spodzie podbudowy utrzymywała się na poziomie od -2 C do -3 C, aż do momentu występowania w większej część dnia temperatur dodatnich. Dobowe wahania temperatury powietrza mają znaczący wpływ jedynie na temperaturę powierzchni płyty betonowej oraz na temperaturę w pierwszych 10cm grubości płyty. Na głębsze warstwy płyty betonowej, z uwagi na niski współczynnik przenikania ciepła, zmiana temperatury powietrza ma nieznaczne oddziaływanie. Analizując dobowy rozkład temperatury w środku płyty oraz na krawędzi, który na zamieszczonych rysunkach przedstawiają odpowiednio linie T4 oraz T8 należy stwierdzić, że temperatura na krawędzi płyty jest zawsze większa od temperatury w środku płyty od 2 C do 5 C. Grunt stykający się z krawędzią płyty betonowej charakteryzuje się większą izolacyjnością oraz większym ciepłem właściwym od betonu. Przez to ujemna temperatura znacznie wolniej wnika w głąb gruntu, a tym samym krawędź płyty jest dogrzewana przez sąsiadujący grunt. Na podstawie tej zależności można stwierdzić, że krawędzie dróg wykonanych z betonu cementowego są mniej narażone na pojawienie się zjawiska śliskości wywołanego zamarzaniem wody na wychłodzonej nawierzchni drogi. Również to krawędzie dróg jako pierwsze powinny ulegać odmarzaniu. Rys. 6. Dobowy rozkład temperatury w płycie betonowej w dniu r. 4156

5 Rys. 7. Dobowy rozkład temperatury w płycie betonowej w dniu r. Rys. 8. Dobowy rozkład temperatury w płycie betonowej w dniu r. Na podstawie analizy powyższych wykresów można stwierdzić, że w tym przypadku średnia różnica pomiędzy temperaturą powietrza, a temperaturą powierzchni płyty w dniu 04.02, oraz wynosiła odpowiednio 4,0 C, 3,4 C oraz 3,2 C. Z analizy przedstawionych wykresów wynika, że dla okresu wczesnowiosennego, dla którego w większości dnia dominują temperatury dodatnie na poziomie 6-10 C temperatura powierzchni płyty jest zawsze niższa od temperatury powietrza. Zarejestrowana w tym okresie temperatura powierzchni płyty w godzinach od ok. 16 do 9 miała wartości najniższe z pośród rejestrowanych temperatur, natomiast w ciągu dnia tj. od godziny 9 do 16 temperatura w nawierzchni betonowej była najwyższa na jej powierzchni. Interesujące zjawisko wychłodzenia temperatury powierzchni płyty poniżej temperatury powietrza oraz temperatury niższych warstw można wytłumaczyć radiacją temperatury do nieboskłonu. Podobny problem napotkano w pracy [3]. Radiacja temperatury z powierzchni płyty betonowej przyczyniała się do spadku temperatury na powierzchni płyty do wartości ujemnych, przy dodatniej temperaturze powietrza. Dla wyższej temperatury powietrza, jej dobowe wahania mają znaczące oddziaływanie na temperaturę rejestrowaną na poziomie połowy grubości płyty z betonu cementowego. W przypadku dodatnich temperatur powietrza zarejestrowana temperatura na krawędzi płyty była również większa od temperatury zarejestrowanej w środku płyty średnio o 1,9 C. 4157

6 2.2. Rozkład temperatury wewnątrz płyty betonowej Analizując rozkład temperatury wewnątrz płyty betonowej, dla przedstawionych w poprzednim punkcie przykładowych dni należy stwierdzić, że temperatura powietrza nie jest czynnikiem decydującym o możliwości wystąpienia zjawiska śliskości na powierzchni nawierzchni drogowej. Na rysunku 9-11 zostały przedstawione wykresy rozkładu temperatury wewnątrz nawierzchni betonowej oraz w podbudowie dla okresu, w którym temperatura powierzchni płyty była wyższa od temperatury powietrza, natomiast na rysunkach dla okresu, w którym temperatura powierzchni płyty betonowej była niższa od temperatury powietrza. Na wykresach umieszczono rozkłady temperatury wewnątrz płyty betonowej w interwale czasowym wynoszącym 120 minut. Rys. 9. Rozkład temperatury w płycie betonowej w dniu r. Rys. 10. Rozkład temperatury w płycie betonowej w dniu r. 4158

7 Rys. 11. Rozkład temperatury w płycie betonowej w dniu r. Analizując na przedstawionych rysunkach rozkłady temperatury wewnątrz nawierzchni z betonu cementowego należy stwierdzić, że temperatura powierzchni płyty zależy w bardzo dużym stopniu od ilości ciepła zgromadzonego w podłożu gruntowym. Przez cały początkowy okres rejestracji wyników, powierzchnia płyty była jednocześnie schładzana przez niską temperaturę powietrza i ogrzewana przez wyższą temperaturę podłoża gruntowego. W takim przypadku za wystąpienie zjawiska śliskości na powierzchni drogi odpowiada ujemna temperatura powietrza, która wychładzając nawierzchnię powoduje zamarzanie znajdującej się na niej warstwy wody. Na rysunkach przedstawionych poniżej temperatura powierzchni płyty betonowej jest niższa od temperatury powietrza oraz w większej części dnia także od temperatury dolnych warstw płyty i podłoża gruntowego. Rys. 12. Rozkład temperatury w płycie betonowej w dniu r. 4159

8 Rys. 13. Rozkład temperatury w płycie betonowej w dniu r. Rys. 14. Rozkład temperatury w płycie betonowej w dniu r. Analizując rozkład temperatury wewnątrz płyty betonowej w dniu r. można stwierdzić, że mimo znacznie wyższej temperatury powietrza oraz dolnych warstw nawierzchni, powierzchnia płyty miała przez cały dzień temperaturę najniższą. Natomiast w dniu r. w godzinach od 12 do 16 powierzchnia płyty była wyraźnie cieplejsza od spodu płyty, a w pozostałych godzinach miała temperaturę najniższą. Charakter rozkładu temperatury wewnątrz nawierzchni betonowej w dniu r. oraz r. jest bardzo podobny z nieznaczną różnicą w wartościach temperatur. Na ich podstawie można stwierdzić, że w ciągu dnia powierzchnia płyty nagrzewa się a następnie w godzinach wieczornych oddaje ciepło w głąb nawierzchni oraz poprzez radiację do nieboskłonu osiągając temperaturę znacznie niższą od temperatury powietrza oraz dolnych warstw nawierzchni. Zjawisko to jest bardzo niebezpieczne z uwagi na możliwość wystąpienia śliskości na drodze przy dodatnich temperaturach powietrza wczesnym rankiem oraz późnym wieczorem. Przy dodatniej temperaturze powietrza wynoszącej od 4 C do 6 C istnieje bardzo duża możliwość wystąpienia zjawiska śliskości, gdyż powierzchnia drogi może mieć wówczas temperaturę od -1 C do -2 C. Sytuacja ta zależy przede wszystkim od natężenia promieniowania słonecznego, wilgotności powietrza oraz wilgotności nawierzchni drogi. 4160

9 WNIOSKI Na podstawie zaprezentowanych analiz należy stwierdzić, że temperatura na powierzchni drogi wykonanej z betonu cementowego nie zależy tylko od temperatury powietrza ale także od temperatury dolnych warstw drogi. Temperatura ta jak przedstawiono może osiągać wartości dużo niższe niż temperatura otaczającego ją powietrza oraz temperatura dolnych warstw nawierzchni drogowej. Przedstawiona sytuacja stwarza możliwość wystąpienia niebezpiecznego zjawiska śliskości na drodze przy dodatniej temperaturze powietrza. Zjawisko to nie jest powodowane wychładzaniem powierzchni drogi poprzez dolne warstwy nawierzchni, a poprzez emisję ciepła z powierzchni drogi do nieboskłonu w godzinach wieczornych i nocnych, dla których temperatura nieboskłonu ma wartości poniżej -35 C. Największe prawdopodobieństwo wystąpienia śliskości przy dodatniej temperaturze powietrza wynoszące 75% ma miejsce między godziną 4 a 9 rano. W godzinach wieczorny dochodzi zazwyczaj do spadku temperatury powietrza poniżej wartości zero, co jest zjawiskiem naturalnie przyczyniającym się do zamarzania warstwy wody na powierzchni drogi. Streszczenie W artykule został przedstawiony wpływ rozkładu temperatury w płycie betonowej na możliwość wystąpienia zjawiska śliskość na drodze wykonanej z betonu cementowego. W celu przeprowadzenia pomiarów zostało wykonane stanowisko pomiarowe rejestrujące w sposób ciągły temperaturę na różnych głębokościach w płycie betonowej, temperaturę w podbudowie oraz temperaturę powietrza na wysokości 50cm nad powierzchnią płyty. Dla uzyskanych wyników został przedstawiony rozkład temperatury w płycie betonowej w ciągu doby oraz rozkład temperatury wewnątrz płyty z betonu cementowego. Do analizy zostały wybrany okres w którym temperatura powierzchni płyty była wyższa od temperatury powietrza, co miało miejsce dla temperatur rejestrowanych w styczniu 2014r., oraz okres w którym temperatura powierzchni płyty była najniższa spośród rejestrowanych temperatur. Sytuację tą odnotowano w lutym 2014r. Na podstawie analizy przedstawionych rozkładów temperatury wyznaczono najbardziej niebezpieczne godziny w ciągu dnia, w których istnieje możliwość wystąpienia zjawiska śliskości przy dodatniej temperaturze powietrza wynoszącej od 4 C do 6 C. Słowa kluczowe: Śliskość, Rozkład temperatury w nawierzchni, Nawierzchnia betonowa Abstract The article was presented to the influence of temperature distribution in concrete the possibility of occurrence of slippery on the road made of concrete cement. In order to carry out the measurements have been made bench entering continuously the temperature at different depths in the concrete slab, as temperature and air temperature at a height of 50cm above the surface. For results was presented to the temperature in the concrete throughout the day and the temperature inside the slabs of cement concrete. For the analysis have been selected period in which the surface temperature was higher than the air temperature, which took place for the temperatures recorded in January 2014,and the period in which the temperature of the surface was the lowest of recorded temperatures. This situation has been reported in February On the basis of an analysis of temperature distributions presented there the most dangerous hours of the day, in which there is a possibility of occurrence of slippery with a positive air temperature of between 4 C to 6 C. Keywords: Slippery, Temperature distribution in the pavement, Concrete pavement BIBLIOGRAFIA 1. Bieńka J., i inni, Wytyczne zimowego utrzymania dróg. IBDiM, Warszawa Czyczuła W., Szczepaniak-Krupowski G., Badania rozkładu temperatury w betonowej nawierzchni lotniskowej. Drogownictwo 2006, nr Kruczek T., Fic A., Wpływ radiacyjnej wymiany ciepła na rozkład temperatury na powierzchni płaszcza napowietrznego rurociągu ciepłowniczego w warunkach niskiej temperatury nieboskłonu. Modelowanie Inżynierskie 2012, nr