OCENA WŁAŚCIWOŚCI PRZECIWPOŚLIZGOWYCH NAWIERZCHNI DROGOWYCH PRZY WYKORZYSTANIU URZĄDZEŃ TWO, CTM I DFT

Transkrypt

1 CZASOPISMO INŻYNIERII LĄDOWEJ, ŚRODOWISKA I ARCHITEKTURY JOURNAL OF CIVIL ENGINEERING, ENVIRONMENT AND ARCHITECTURE JCEEA, t. XXXIII, z. 63 (1/II/16), styczeń-marzec 2016, s Marta WASILEWSKA 1 Władysław GARDZIEJCZYK 2 Paweł GIERASIMIUK 3 Marek MOTYLEWICZ 4 OCENA WŁAŚCIWOŚCI PRZECIWPOŚLIZGOWYCH NAWIERZCHNI DROGOWYCH PRZY WYKORZYSTANIU URZĄDZEŃ TWO, CTM I DFT Kompleksowa ocena właściwości przeciwpoślizgowych powinna być wykonywana w oparciu o ciągły pomiar współczynnika tarcia oraz parametrów dotyczących tekstury nawierzchni drogowych. W artykule przedstawiono ocenę właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni drogowych przeprowadzoną na podstawie pomiarów wykonanych zestawem pomiarowym TWO (Traction Watcher One) oraz urządzeniami CTM (Circular Track Meter) i DFT (Dynamic Friction Tester). Do badań wytypowano 11 odcinków testowych, których warstwy ścieralne były zróżnicowane pod względem technologii wykonania, okresu użytkowania i obciążenia ruchem samochodowym. Przy pomocy urządzenia CTM dokonano oceny makrotekstury (parametr MPD), a przy wykorzystaniu urządzenia DFT oceniano w sposób pośredni mikroteksturę powierzchni (współczynnik tarcia DFT20). Urządzenie TWO umożliwiło ciągły pomiar współczynnika tarcia z ustalonym poślizgiem 17,8% koła pomiarowego przy trzech prędkościach 30, 60, 90 km/h. W artykule ustalono zależności funkcyjne pomiędzy współczynnikiem tarcia µ z pomiarów TWO, a współczynnikiem DFT20 i parametrem MPD. Wykazano, że na wartość µ przy prędkości 30 km/h istotny wpływ ma jedynie mikrotekstura nawierzchni, a przy prędkości 60 i 90 km/h zarówno mikrotekstura i makrotekstura. Słowa kluczowe: właściwości przeciwpoślizgowe, makrotekstura, mikrotekstura, współczynnik tarcia, warstwa ścieralna, nawierzchnia drogowa 1. Wprowadzenie Systematyczna ocena właściwości przeciwpoślizgowych, która jest wykonywana w ramach diagnostyki nawierzchni drogowych, jest bardzo ważna z uwa- 1 Autor do korespondencji/corresponding author: Marta Wasilewska, Politechnika Białostocka, ul. Wiejska 45E, Białystok, , marta.wasilewska@pb.edu.pl 2 Władysław Gardziejczyk, Politechnika Białostocka, w.gardziejczyk@pb.edu.pl 3 Paweł Gierasimiuk, Politechnika Białostocka, p.gierasimiuk@pb.edu.pl 4 Marek Motylewicz, Politechnika Białostocka, m.motylewicz@pb.edu.pl

2 376 M. Wasilewska, W. Gardziejczyk, P. Gierasimiuk, M. Motylewicz gi na bezpieczeństwo użytkowników dróg. Badania prowadzone w innych krajach wykazały istotny wzrost wypadkowości na mokrych nawierzchniach po przekroczeniu wymaganego poziomu właściwości przeciwpoślizgowych [1]. Jedną z miar właściwości przeciwpoślizgowych jest współczynnik tarcia określany na podstawie stosunku wypadkowej siły tarcia wytwarzanej między hamowanym kołem urządzenia pomiarowego a nawierzchnią, do nacisku koła na jej powierzchnię. Na świecie jest wykorzystanych wiele urządzeń do oceny właściwości przeciwpoślizgowych, które umożliwiają wykonanie pomiaru w zakresie prędkości od 30 do 120 km/h. Wyróżnia się cztery grupy urządzeń [1, 2]:,,locked wheel,,,side force,,,flixed slip i,,variable slip. Różnią się one głównie konstrukcją, sposobem zamontowania koła pomiarowego w stosunku do kierunku ruchu, jego obciążeniem i stopniem poślizgu oraz rodzajem opony testowej. W Europie najczęściej wykorzystywane są urządzenia z grupy sideforce i flixed slip. Umożliwiają one ciągły pomiar współczynnika tarcia w sytuacji gdy koło pomiarowe porusza się względem nawierzchni z ustalonym poślizgiem w zakresie od 14 do 34 %. Jest to niewątpliwie zaleta w stosunku do urządzeń z grupy locked wheel, w przypadku których pomiary współczynnika tarcia są punktowe. Dodatkowo, urządzenia które mierzą współczynnik tarcia przy ustalonym poślizgu koła pomiarowego odpowiadają warunkom hamowania pojazdów wyposażonych w system ABS [1]. Najbardziej zawansowaną technologią charakteryzują się urządzenia z grupy,,variable slip. Ocena właściwości przeciwpoślizgowych nie powinna opierać się jedynie o pomiar współczynnika tarcia. Wskazana jest znajomość makrotekstury i mikrotekstury nawierzchni drogowych [1, 2]. Makrotekstura może być opisana za pomocą wartości MTD (Mean Texture Depth), ustalanej metodą objętościową lub wartości MPD (Mean Profile Depth) wyznaczanej metodą profilometryczną. W praktyce najczęściej są stosowane mobilne profilografy laserowe oraz stacjonarne urządzenie laserowe, na przykład CTM (Circular Track Meter). Mikrotekstura jest oceniana w sposób pośredni na podstawie pomiaru współczynnika tarcia z grupy,,locked wheel [2]. Do tego celu mogą być użyte stacjonarne urządzenia do pomiaru współczynnika tarcia takie, jak: wahadło angielskie lub DFT (Dynamic Friction Tester). W Polsce do oceny właściwości przeciwpoślizgowych jest wykorzystywane urządzenie SRT-3 z grupy,,locked wheel. Badania potwierdziły, że jest to urządzenie, które rejestruje jedynie zmiany w mikroteksturze nawierzchni drogowych [3, 4]. GDDKiA planuje zmianę urządzania do pomiaru współczynnika tarcia. W związku z tym zakupiono urządzenia TWO (Traction Watcher One) z grupy,,flixed slip, tak aby ocena właściwości przeciwpoślizgowych była zgodna z aktualnymi standardami obowiązującymi w innych krajach europejskich. W artykule przedstawiono analizę właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni drogowych w oparciu o wartości współczynnika tarcia uzyskane z pomiarów urządzeniem TWO oraz wartości makrotekstury i mikrotekstury ustalone przy wykorzystaniu zestawu urządzeń CTM i DFT.

3 Ocena właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni drogowych Program badań Do badań wytypowano 11 odcinków testowych, które były zróżnicowane pod względem technologii wykonania warstwy ścieralnej, kategorii ruchu oraz okresu użytkowania. W tabeli 1 przedstawiono informacje o warstwie ścieralnej na odcinkach testowych. Tabela 1. Opis odcinków testowych Table 1. Description of test sections Lp. Typ Kategoria Rok Kruszywo grube PSV warstwy ścieralnej ruchu wykonania 1 SMA 12,8 granodioryt 48 KR SMA 11 melafir 52 KR SMA 11 melafir i gabro 52/54 KR SMA 11 granodioryt 53 KR AC 11 polodowcowe 52 KR AC 16 bazalt i dolomit 45 KR Slurry seal 8 bazalt 48 KR AC 12,8 bazalt 45 KR AC 11 granit 53 KR EAC 8*) bazalt 48 KR AC 11 kwarcyt 56 KR *) beton cementowy teksturowany metodą odkrytego kruszywa o max uziarnieniu 8 mm Na odcinkach testowych o długości 1000 m punkty pomiarowe rozmieszczono w odległości co 100 m w śladzie przejścia koła samochodowego. W każdym punkcie wykonano pomiary urządzeniami CTM i DFT oraz urządzeniem TWO przy prędkościach 30, 60 i 90 km/h. Wykonano po trzy serie powtórzeń. Pomiary na odcinkach testowych były wykonane w ramach projektu badawczego realizowanego we współpracy z Generalną Dyrekcją Dróg Krajowych i Autostrad Oddział w Gdańsku [3], właściciela zestawu pomiarowego TWO. Urządzenie TWO dokonuje pomiaru współczynnika tarcia w sposób ciągły przy stałym poślizgu 17,8% koła pomiarowego w lewym śladzie kół samochodowych (rys. 1). W czasie pomiaru za pomocą specjalnego sytemu przed koło pomiarowe jest podawana woda. Wyniki są agregowane jako średnie z jednostkowych odcinków o długości od 0,1 do 0,5 m. Do analizy wykorzystano wyniki współczynnika tarcia µ z odcinków o długości 10 m. CTM jest laserowym urządzeniem do oceny makrotekstury na podstawie pomiaru parametru MPD (rys. 2a). Profil jest mierzony przez laserowy czujnik przemieszczeń CCD, który porusza się po obwodzie okręgu o promieniu 142mm. Po przeprowadzeniu pomiaru urządzeniem CTM, dokładnie na tej samej powierzchni jest przeprowadzany pomiar współczynnika tarcia urządzeniem DFT (rys. 2b). DFT składa się z dwóch dysków, które są ze sobą połączone sprę-

4 378 M. Wasilewska, W. Gardziejczyk, P. Gierasimiuk, M. Motylewicz a) b) Rys. 1. a) urządzenie TWO b) urządzenie TWO podczas pomiaru na drodze Fig. 1. a) TWO device b) TWO device during measurement on road a) b) Rys. 2. a) urządzenie CTM b) urządzenie DFT Fig. 2. a) CTM device b) DFT device żyną z czujnikiem. Na dolnym dysku są zamocowane trzy gumowe ślizgacze. Dyski są doprowadzane do prędkości 80 km/h, a następnie opuszczane na badaną powierzchnię. Wówczas następuje pomiar współczynników tarcia DFT20, DFT40 i DFT60. Za pośrednią miarę mikrotekstury przyjmuje się wartość współczynnika tarcia DFT Wyniki badań i ich analiza Na rysunku 3 przedstawiono średnie wartości współczynnika tarcia µ uzyskane z pomiarów urządzeniem TWO wraz z 95% przedziałami ufności.

5 Ocena właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni drogowych 379 Rys. 3. Średnie wartości współczynnika tarcia µ przy prędkościach 30, 60 i 90 km/h wraz z 95% przedziałem ufności Fig. 3. Mean values of friction coefficient µ at test speed 30, 60 and 90 kph with 95% confidence interval Stwierdzono istotny spadek współczynnika tarcia μ wraz ze wzrostem prędkości pomiarowej. Największe różnice w jego wartości zanotowano przy prędkości 30 km/h. Najniższymi wartościami charakteryzują się najstarsze nawierzchnie (odcinki: 1, 6 i 8), do których wbudowano kruszywo podatne na polerowanie (PSV < 50). Na nawierzchniach z SMA zauważono wpływ obciążenia ruchem. Na odcinku 2 (kategoria ruchu: KR 4) otrzymano wyższe wartości niż na odcinkach 3 i 4 (KR 6). Wyższe wartości współczynnika tarcia uzyskano także na nawierzchni slurry seal (odcinek 7), nawierzchni z betonu cementowego z odkrytym kruszywem (odcinek 10) oraz nawierzchniach z betonu asfaltowego obciążonych mniejszym ruchem (odcinki 5 i 11). Na rysunku 4 pokazano średnie wartości MPD i DFT20 wraz z 95% przedziałami ufności. Najwyższe wartości MPD (powyżej 1,40 mm) zanotowano na nawierzchni SMA 12,8 (odcinek 1) i z betonu cementowego z odkrytym kruszywem EAC 8 (odcinek 10). W przypadku pozostałych nawierzchni z SMA i nawierzchni z warstwą slurry seal wartości MPD były w zakresie 0,80 1,00 mm. Najniższymi wartościami MPD charakteryzowały się nawierzchnie z betonu asfaltowego, poza odcinkami 6 i 8 wykonanymi w latach , na których zaobserwowano liczne ubytki kruszywa grubego. Wyniki pomiarów DFT20 wskazują na istotny wpływ odporności na polerowanie kruszywa w ramach poszczególnych technologii wykonania warstwy ścieralnej. Najniższe wartości DFT20 otrzymano na odcinkach z betonu asfaltowego z kruszywem o PSV < 50, a najwyższe - z kruszywem o PSV > 50. Wyższe wartości DFT20 zanotowano na nawierzchni z betonu asfaltowego niż na nawierzchni z SMA.

6 380 M. Wasilewska, W. Gardziejczyk, P. Gierasimiuk, M. Motylewicz a) b) Rys. 4. a) Średnie wartości parametru MPD wraz z 95% przedziałem ufności b) średnie wartości współczynnika tarcia DFT20 wraz 95% przedziałem ufności Fig. 4. a) Mean values of the MPD parameter with 95% confidence interval b) mean values of friction coefficient DFT20 with 95% confidence interval W celu ustalenia zależności funkcyjnych pomiędzy współczynnikiem tarcia µ otrzymanym z pomiarów TWO (y) a współczynnikiem tarcia DFT20 (x 1 ) i parametrem MPD (x 2 ) przyjęto wielomian 2-go stopnia w postaci: y b b x b x b x b x b x x (1) gdzie: b 0, b 1, b 22 współczynniki wielomianu aproksymującego. Obliczenia przeprowadzono niezależnie dla współczynników tarcia µ przy prędkości 30, 60 i 90 km/h. Do tego celu wykorzystano program Statistica Po wyeliminowaniu nieistotnych współczynników otrzymane zależności funkcyjne przedstawiono w tabeli 2. Na poziomie istotności α = 0,05 ustalono, że każdy z modeli adekwatnie opisuje zależność pomiędzy zmiennymi. Tabela 2. Zależności pomiędzy poszczególnymi parametrami Table 2. Relationship between parameters Prędkość pomiarowa [km/h] Zależność funkcyjna Średni błąd estymacji s e 30 y 1,817x 1,093x 0, y 0,330 0,151x 0,715x x 0, y 0,267x 1,585x x 0,070

7 Ocena właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni drogowych 381 Przeprowadzona analiza wykazała, że w przypadku współczynnika tarcia mierzonego przy prędkości pomiarowej 30 km/h istotny wpływ na jego wartość ma jedynie mikrotekstura, a przy wyższych prędkościach (60 i 90 km/h) zarówno mikrotekstura jak i makrotekstura nawierzchni drogowej. Oznacza to potrzebę wdrożenia do systematycznej oceny właściwości przeciwpoślizgowych urządzenia, za pomocą którego przy pomiarze współczynnika tarcia charakterystyka warstwy ścieralnej (mikrotekstura i makrotekstura) będzie uwzględniana w sposób kompleksowy. Jednym z takich urządzeń jest zestaw pomiarowy TWO. 4. Podsumowanie Do oceny właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni drogowych są wykorzystywane urządzenia o różnej charakterystyce. Szczególnie ważne w tych badaniach jest odzwierciedlenie współpracy opony z mokrą nawierzchnią. Stosowany dotychczas na polskich drogach zestaw SRT-3 umożliwia pomiary współczynnika tarcia bez uwzględniania w sposób kompleksowy tekstury nawierzchni. Przeprowadzone badania na odcinkach testowych o różnej charakterystyce warstwy ścieralnej pod względem technologii wykonania, zastosowanego kruszywa, okresu eksploatacji i obciążenia ruchem wykazały, że konieczne jest uwzględnianie zarówno makrotekstury jak i mikrotekstury nawierzchni przy ocenie właściwości przeciwpoślizgowych. Ustalone zależności potwierdziły przy tym istotny wpływ mikrotekstury w zakresie niższych prędkości oraz wpływ makrotekstury i mikrotekstury w zakresie wyższych prędkości na charakterystykę nawierzchni pod względem bezpieczeństwa ruchu samochodowego. Wyniki badań wskazały także na możliwość zastosowania do oceny właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni drogowych mobilnego zestawu pomiarowego TWO oraz stacjonarnych urządzeń CTM i DFT. Literatura [1] Hall, J. W., Smith, K. L., Titus-Glover, L., Wambold, J. C., Yager, T. J., Rado Z.: Guide for pavement friction. NCHRP. Web-only document 108. Contractor s Final Report NCHRP Project Transportation Research Board of the National Academes, [2] Roe, P. G., Parry, A. R., Viner, H. E.: High and low speed skidding resistance: the influence of texture depth, TRL Report 367, [3] Wasilewska M., Gardziejczyk W., Gierasimiuk P., Motylewicz M.: Analiza porównawcza parametrów opisujących właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni drogowych, ustalonych w oparciu o wyniki pomiarów współczynnika tarcia i makrotekstury przy wykorzystaniu zestawów pomiarowych: SRT-3 (Skid Resistance Tester), TWO (Traction Watcher One), DFT (Dynamic Friction Tester) oraz CTM (Circular Track Meter), Raport z pracy realizowanej na zlecenie GDDKiA, 2014.

8 382 M. Wasilewska, W. Gardziejczyk, P. Gierasimiuk, M. Motylewicz [4] Wasilewska M., Gardziejczyk W., Gierasimiuk P.: Evaluation of skid resistance by using CTM, DFT and SRT-3 devices, 6th European Transport Research Conference Moving Forward : Innovative Solutions for Tomorrow s Mobility, Warsaw, EVALUATION OF SKID RESISTANCE BY USING TWO, CTM, DFT DEVICES S u m m a r y A comprehensive evaluation of the skid resistance should be based on the coefficient of friction measured by continuous fixed slip devices and parameters of the road texture (macrotexture and microtexture). The paper presents results of the coefficient of friction µ obtained by TWO device at the test speed of 30, 60 and 90 kph, as well as parameters obtained by CTM and DFT devices. TWO is continuous fixed slip device, which measures the rotational resistance of the smooth tires slipping at a constant slip speed 17,8%. Macrotexture is characterized by the MPD parameter obtained by CTM device. While microtexture is estimated by the coefficient of friction DFT20 by using DFT device. In this paper was considered eleven test sections. They were differed in terms of the type of the wearing course, polishing resistance of the coarse aggregate, the date laid and the traffic load. Established the relationship between the friction coefficient μ obtained from measurements TWO, coefficient of friction DFT20 and MPD parameter. It has been shown, that the μ value at the test speed of 30 kph depends only on the microtexture, but at the test speed of 60 and 90 kph depends on the both macrotexture and microtexture. Keywords: skid resistance, microtexture, macrotexture, coefficient of friction, wearing course, road pavement Przesłano do redakcji: r. Przyjęto do druku: r. DOI: /rb