Pomiary parametrów antypoślizgowych nawierzchni drogowych przegląd metod badawczych

POLASIK Jakub 1 WALUŚ Konrad J. 2 Pomiary parametrów antypoślizgowych nawierzchni drogowych przegląd metod badawczych WPROWADZENIE Większość przedsiębiorstw w obecnych czasach korzysta z systemów logistycznych w mniej lub bardziej zaawansowany sposób. Aktualnie najpowszechniejszym oraz najbardziej dostępnym środkiem transportu towarów, usług oraz osób i zwierząt jest transport drogowy. Wykorzystywane do transportu pojazdy samochodowe muszą spełniać określone wymogami prawa normy. To samo dotyczy infrastruktury drogowej, której cechy opisują odpowiednie rozporządzenia [19-23]. Wpływ parametrów nawierzchni oraz cech materiałowych i konstrukcyjnych opon czy zawieszenia pojazdu ma bezpośrednie znaczenie na możliwości przenoszenia obciążeń na jezdnię. Konstrukcja pojazdu i umieszczone w nim systemy bezpieczeństwa uzależnione są od producenta. Natomiast parametry nawierzchni zależą od wielu czynników, do których należą między innymi: mikro- i makrotekstura, pochylenie wzdłużne i poprzeczne, falistość, zużycie wynikające z warunków eksploatacji. Zgodnie z wytycznymi ministerstwa infrastruktury oraz transportu i gospodarki morskiej nawierzchnie drogowe muszą spełniać następujące wymagania odnośnie współczynnika przyczepności (Tab. 1-4) [19,20-23]. Tab.1. Klasyfikacja nawierzchni pod względem właściwości przeciwpoślizgowych [3] Tab. 2. Parametry miarodajnego współczynnika tarcia wymagane po dwóch miesiącach od oddania drogi do użytkowania [3] 1 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn; 60-965 Poznań; ul. Piotrowo 3. Tel: + 48 61 665-20-47, Fax: + 48 61 665-20-74, polasik@interia.eu 2 Politechnika Poznańska, Wydział Maszyn Roboczych i Transportu, Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn; 60-965 Poznań; ul. Piotrowo 3. Tel: + 48 61 665-25-53, Fax: + 48 61 665-20-74, konrad.walus@put.poznan.pl 5241

Tab. 3. Kryteria klasyfikacji dla pasów zasadniczych i dodatkowych nawierzchni autostrady [3] Tab. 4. Kryteria klasyfikacji dla pasów włączania i wyłączania oraz jezdni łącznic nawierzchni autostrady [3] Dodatkowo nawierzchnie drogowe podlegają badaniom dopuszczającym je do ruchu pojazdów jak również badaniom okresowym, co ma odzwierciedlenie w sprawozdaniach SOSN (Systemu Oceny Nawierzchni Drogowych) publikowanych na stronie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad. [3,4] Badania wykonywane podczas oceny bezpieczeństwa ruchu drogowego rozszerzają zakres pomiarowy o: pomiary tekstury nawierzchni, pomiary wskaźnika szorstkości, pomiary współczynnika przyczepności różnymi metodami. 1. METODY POMIARÓW TEKSTURY NAWIERZCHNI Obecnie istnieje wiele metod pomiarów tekstury nawierzchni, które możemy podzielić ze względu na sposób wykonywanych pomiarów. Pomiary wykorzystujące piasek kalibrowany polegają na pokryciu badanego obszaru powierzchni drogi suchym piaskiem jednofrakcyjnym. Nadmiar nasypanego kruszywa zgarnia się, a w nierównościach pozostaje piasek, który wypełnił mikroi makroteksturę. Piasek pozostawiony w szczelinach i nierównościach zbierany jest odkurzaczem. Następnie wykonuje się ważenie i wyznacza się wskaźnik szorstkości na podstawie stosunku masy piasku do wielkości badanej powierzchni [17,18]. Określenie wielkości i ilości nierówności możliwe jest również za pomocą repliki negatywowej fragmentu jezdni wykorzystując do tego celu różne materiały przedstawione w tabeli 5. 5242

Tab.5. Negatywy replik nawierzchni drogowych 1,2 i 3 wykonanych z różnego rodzaju materiałów odwzorowujących [11] 5243

Wykonane odciski możemy następnie poddać pomiarom stykowym z wykorzystaniem maszyny współrzędnościowej lub bezstykowym za pomocą urządzenia optycznego przy użyciu wiązki lasera [10]. Pomiar tekstury nawierzchni możemy wykonać również za pomocą farby. Badaną powierzchnię pokrywamy cienką jej warstwą, a następnie nałożeniu przezroczystego papieru. Przejeżdża się po nim samochodem na skutek czego odbite zostaje miejsce kontaktu opony z nawierzchnią. Kolejną metodą jest wykorzystanie przyrządów mechanicznych, które zarejestrują ilość i wielkość wgłębień pomiędzy ziarnami kruszywa zawartego w strukturze nawierzchni za pomocą sworznia, który zagłębia się w nierówności, przesuwając się po powierzchni. Odczyt wartości przesunięć pionowych sworznia pozwala określić głębokości nierówności [11]. Rotacyjny miernik tekstury CT-Meter jest przenośnym profilografem. Do pomiaru tekstury nawierzchni wykorzystuje laserowy czujnik CCD (Charged Couple Device) [5,24]. Obszar pomiaru to okrąg o średnicy 284mm. Pomiar wykonywany jest na całej powierzchni, która podzielona jest na osiem segmentów. Wyniki z poszczególnych wycinków koła są uśredniane. Otrzymana wartość MPD (Mean Profile Depth) średniej głębokości profilu jest wypadkową z ośmiu obszarów pomiarowych. Podstawowe parametry miernika CT-Meter: plamka wiązki laserowej ok 70μm (standardowy dystans), długość fali laserowej: 670 nm, okres próbkowania lasera: 1024 μm, zakres pomiarowy 30μm, promień pomiaru 142μm, liczba próbek: 1024 (w obrębie pomiaru). Rys. 1. DF-Tester [5,24] 2. POMIARY WSKAŹNIKA SZORSTKOSCI NAWIERZCHNI Do pomiarów właściwości ciernych nawierzchni może służyć również tak zwane wahadło angielskie BSRT (British Portable Skid Resistance Tester). Odwzorowuje ono warunki poślizgu opony pojazdu poruszającego się z prędkością 50 60 km/h. Pomiar zaczynamy poprzez naciśnięcie przycisku zwalniającego ramię wahadła, przez co ruch roboczy ramienia odbywa się podczas każdego pomiaru z tego samego punktu. Wahadło opadając przewyższa opory przy zetknięciu się gumowego atestowanego ślizgacza z nawierzchnią, wznosząc się dalej swobodnie w górę aż do najwyższego punktu, następnie w przeciwnym kierunku opada w dół. Wynik pomiaru odczytujemy na skali aparatu w postaci wskaźnika W w miejscu zatrzymania się wskazówki. Wszystkie pomiary zaleca się wykonywać po zwilżeniu mierzonej powierzchni [14,30]. 5244

Rys. 2. Wahadło angielskie [8,30] 3. POMIARY WSPÓŁCZYNNIKA PRZYCZEPNOŚCI Pomiary współczynnika przyczepności wykonywane są w warunkach ruchu rzeczywistego przy użyciu dodatkowego koła pomiarowego. W Europie w zależności od kraju obowiązują odmienne procedury badawcze właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni. W tabeli 7 przedstawiono spis urządzeń pomiarowych stosowanych przez niektóre państwa europejskie [9]. Tab.7. Metodyka badań i preferowane urządzenie pomiarowe [3] Oznaczenia w Tabeli 7: SFC współczynnik tarcia poprzecznego (przy swobodnym toczeniu koła pomiarowego), BFC współczynnik tarcia wzdłużnego przy pełnej blokadzie koła pomiarowego, BPN British Pendulum Bumber miara dla wahadła angielskiego. W Polsce metody służące do pomiaru współczynnika przyczepności są określone w Rozporządzeniu Ministra Infrastruktury z dnia 16.1. 2002r w sprawie przepisów techniczno- 5245

budowlanych dotyczących autostrad płatnych (dziennik ustaw nr 12, poz.116), oraz w Rozporządzeniu Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999r w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie (Dziennik Ustaw nr 43, Poz. 430). W Polsce aktualnie stosuje się najnowszą generacje zestawu pomiarowego do weryfikacji stanu przyczepności nawierzchni drogowych SRT 4. Zestaw ten, w przeciwieństwie do poprzednich wersji, charakteryzuje się możliwością zastosowania ogumienia w rozmiarach od 14 do 17 cali. Istnieje również możliwość zmiany obciążenia oddziałującego na badane koło [2-4,8,14,28]. Rys.3. Schemat układu pomiarowego przyczepki dynamometrycznej SRT-3 [10,14] Dynamometryczne przyczepy pomiarowe wykorzystują zasadę pełnej blokady koła pomiarowego. Pomiar wykonywany jest po automatycznym zwilżeniu wodą nawierzchni bezpośrednio przed zablokowaniem badanego koła i trwa aż do zakończenia pomiaru. Podczas próby bezpośrednio mierzona jest podłużna siła hamująca, siły przyczepności oraz siły pionowego nacisku na nawierzchnię jezdni. Współczynnik przyczepności obliczamy jako stosunek uśrednionej wartości siły hamującej do wartości reakcji normalnej [3,4,28]. SRT-4 wyposażony jest również system GPS zapisujący trasę przejazdu zestawu pomiarowego przypisując odpowiednie charakterystyki nawierzchni do odpowiednich lokalizacji zapisanych podczas przejazdu. Aktualnie stosowane oprogramowanie umożliwia natychmiastowe otrzymanie i wyznaczenie pełnych charakterystyk przyczepności. W przyczepkach SRT-3 jak i SRT-4 zastosowano system dynamicznego pomiaru siły wleczenia koła pomiarowego, co w znaczącym stopniu poprawia zgodność wyników pochodzących z obu kanałów pomiarowych [16,25]. Rys.4. Zestaw pomiarowy SRT-4 [15,16,28] 5246

Do pomiarów szorstkości służy również przenośne urządzenie niewymagające użycia samochodu do wykonania pomiaru. Jest to mobilny tester szorstkości T2GO. Na układ pomiarowy składają się dwa koła o średnicy 6 cali, z których jedno jest kołem pomiarowym, a drugie referencyjnym. Połączone są one kauczukowym paskiem pełniącym rolę łańcucha, którego naprężenia, podczas przetaczania urządzenia po badanej nawierzchni umożliwiają odczytywanie parametrów szorstkości nawierzchni. System opcjonalnie może być wyposażony w odbiornik GPS zapisujący położenie urządzenia podczas wykonywanych pomiarów. Urządzenie charakteryzuje się niewielką masą oraz możliwością dokonywania pomiarów w miejscach o ograniczonej przestrzeni. Możliwe jest wykonywanie pomiarów na każdego rodzaju nawierzchni [13]. Rys.5. Przenośny tester T2Go [13] Obecnie do najbardziej zaawansowanych układów mierzących dynamiczny współczynnik tarcia możemy zakwalifikować DF-Tester [5,6]. Jest to przenośne urządzenie w którym pomiar wykonywany jest poprzez tarczę wyposażoną w ślizgacze z certyfikowanej gumy obracającej się z dużą prędkością. Rys.6. Charakterystyka DF- Tester [5,6] Prędkość stopniowo spada na skutek tarcia ślizgaczy względem nawierzchni do ustania. Miejsce wykonywania pomiarów ogranicza jedynie obszar obrotu tarczy. Akwizycja i archiwizacja danych pomiarowych odbywa się za pomocą dołączonego programu rejestrującego dołączonego przez producenta [26]. Zasadę działania określa norma: ASTM E1911 09ae1 [24]. Rys.7. DF-Tester [5,6,24] 5247

PODSUMOWANIE Badania doświadczalne cech nawierzchni wykonywane są wielokrotnie w okresie eksploatacji danej drogi. Uzyskane podczas badań informacje wspomagają podejmowanie decyzji w zakresie prowadzenia prac konserwacyjnych i remontowych. Wykorzystywane do tego celu urządzenia muszą umożliwiać otrzymywanie wiarygodnych wyników pomiarów. Wymieniony w artykule przegląd układów pomiarowych wskazuje na stały rozwój metod badawczych który ukierunkowany jest zarówno na miniaturyzację urządzeń (T2G0,DF-Tester), jak i większą uniwersalność (SRT-4) stosowania opon testowych. Uzyskiwane wyniki powinny być porównywalne przy zastosowaniu różnych urządzeń, co powoduje konieczność opracowanie modeli umożliwiających przeliczanie otrzymanych wartości pomiędzy metodami badawczymi. "Projekt nr N N509 544540 został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki" Streszczenie Istotnymi czynnikami wpływającymi na bezpieczeństwo ruchu drogowego są: współczynnik przyczepności, infrastruktura drogi oraz mikro- i makrotekstura nawierzchni. Zakresy koniecznych wartości miarodajnego współczynnika przyczepności definiują rozporządzenia ministra infrastruktury [1] oraz ministra transportu i gospodarki morskiej [2]. Nie określają one jednak bezpośrednio jakimi urządzeniami należy wykonywać badania drogowe. Zdefiniowane doświadczalnie wartości cech nawierzchni mają istotny wpływ na klasyfikacje dróg, a w konsekwencji na możliwość wykonywania usług transportowych. W artykule przedstawiono przegląd metod pomiarowych cech nawierzchni drogowych. Measurements of non-slip road surface - the overview of research methods Abstract Significant factors contributing to road safety are: coefficient of friction, road infrastructure, and micro-and macrotexture surface. Ranges necessary adhesion coefficient values define meaningful regulation of the minister of infrastructure [1] and the Minister of Transport and Maritime [2]. However, they do not determine directly which devices should perform road tests. Defined experimentally the surface characteristics have a significant impact on the classification of roads, and consequently the ability to perform transport services. The article presents an overview of the methods of measuring the characteristics of road surfaces. BIBLIOGRAFIA 1. Ahadi M.R., Development an alternative test procedure BS812 accelerated polishing roadstones, 2005, (http://www.nzta.govt.nz/resources/surface-friction-conference-2005/6/docs/developmentan-alternative-test-procedure-bs812-accelerated-polishing-roadstones.pdf), dostęp: 19.02.2014, godz: 13:30 2. Czarnecki K. Aneks do raportu z pracy pt. Podsumowanie udziału polskiej aparatury pomiarowej SRT-3 w eksperymencie międzynarodowym. Instytut Badawczy Dróg i Mostów, Zakład Diagnostyki Nawierzchni, Warszawa 1994. 3. Analiza i weryfikacja wymagań i procedur pomiarowych oceny właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni dróg publicznych i autostrad płatnych, INSTYTUT BADAWCZY DRÓG I MOSTÓW, Zakład Diagnostyki Nawierzchni, Sprawozdanie z realizacji pracy TD-71, Warszawa 2005, (http://www.gddkia.gov.pl/userfiles/articles/p/prace-naukowo - badawce-zrealizow_3435//documents/sprawozdanie-td-71.pdf) dostęp: 19.02.2014, godz: 13:00 4. Analiza zmienności właściwości przeciwpoślizgowych warstwy ścieralnej nawierzchni w początkowym okresie jej eksploatacji, INSTYTUT BADAWCZY DRÓG i MOSTÓW, Zakład Diagnostyki Nawierzchni, Sprawozdanie z realizacji pracy TD-88, Warszawa 2009 (https://www.gddkia.gov.pl/userfiles/articles/p/prace-naukowo-badawcze-po-roku- 2_3432/sprawozdanie-td-88[1].pdf) dostęp: 19.02.2014, godz: 13:00 5. DF-Tester and CT-Meter, Tics Ltd., Transportation Infrastructure Consultation Services Ltd. 5248

Dynamic Friction Tester (http://www.appliedpavement.com/techresources_equiploanprog_dftester.html), dostęp: 19.02.2014, godz: 13:00 6. DF-Tester Dynamic Friction Tester, (http://www.epc.com.hk/uploadfiles/df%20tester.pdf), dostęp: 19.02.2014, godz: 13:30 7. Dudziak M., Kędziora K. Warszczyński J., Szorstkość suchej nawierzchni bitumicznej a efektywność intensywnego hamowania samochodu osobowego, Zeszyty naukowe PP. Nr 60. 2006 str. 41-48 8. Grajek M., Współczynnik przyczepności koła ogumionego do jezdni w funkcji prędkości i poślizgu, Praca Inżynierska WMRiT, Poznań 2007, 85 str. 9. Heller S.: Pavement management system on the strategic and operative level, Proceedings of The 3rd European Pavement & Asset Management Conference, Portugal, 2008. 10. Kędziora K. Parametryzacja cech geometrycznych nawierzchni drogowych w aspekcie efektywności hamowania samochodu osobowego, Rozprawa doktorska, Poznań 2006 136 str. 11. Kędziora K., Waluś J.K., Makrotekstura nawierzchni a bezpieczeństwo ruchu pojazdu, Warszawa listopad 2003 12. Kędziora K., Lewandowski A., Waluś J. K., Wykorzystanie czujników przyspieszeń do wyznaczenia parametrów krzywoliniowego ruchu pojazdu 2010 13. Maślarz M. Metodyka i urządzenia stosowane w ciągłych pomiarach szorstkości nawierzchni na przykładzie testerów firmy ASFT AB, Zeszyty naukowe instytutu pojazdów, 2(74)/2009, str: 29-37 14. Mechowski T., Pomiar współczynnika tarcia nawierzchni dróg krajowych, Zeszyty naukowe instytutu pojazdów, Warszawa 2009 str:5-15 15. Nowicka M.: Systemy zarządzania nawierzchniami. Autostrady, nr 5, 2010, s. 178-190. 16. Pokorski J., Reński A., Sar H., SRT-4 Nowa generacja zestawu pomiarowego do badania przyczepności nawierzchni drogowych i opon samochodowych, Zeszyty naukowe instytutu pojazdów 2(74)/2009 str:17-28 17. Pokorski J., Szwabik B.: Doświadczalne i obliczeniowe charakterystyki przyczepności opon samochodowych i nawierzchni drogowych, Zeszyty Instytutu Pojazdów 3 (42), Politechnika Warszawska 2001, s. 73-84 18. Pokorski J., Szwabik B.: Dynamiczne charakterystyki przyczepności nawierzchni drogowych i opon samochodowych. Czasopismo Techniczne 6M/1998. Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 1995 19. Praca zbiorowa: System oceny stanu nawierzchni SOSN. Wytyczne stosowania, Generalna Dyrekcja Dróg Publicznych Biuro Studiów Sieci Drogowej, Warszawa 2002. 20. Radzikowski M., Forys G.: Raport o stanie technicznym nawierzchni sieci dróg krajowych na koniec 2007. Generalna Dyrekcja Dróg Krajowych i Autostrad, Warszawa 2008. 21. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 16.1.2002r w sprawie przepisów techniczno budowlanych dotyczących autostrad płatnych. Dziennik Ustaw nr 12, poz. 116 22. Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej z dnia 2 marca 1999r w sprawie warunków technicznych jakimi powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie. Dziennik Ustaw nr 43, poz. 430 23. Sołowczuk A.: Ocena stanu dróg i ich wartosci użytkowych. Autostrady, nr 10, 2008, s. 46-54. 24. Standard Test Method for Measuring Paved Surface Frictional Properties Using the Dynamic Friction Tester, ASTM E1911 09ae1 25. Staniek M. Metody oceny stanu sieci nawierzchni drogowych, Zeszyty naukowe Politechniki Śląskiej, Transport Z.72, 2011 26. Sudyka J., Mechowski T., Harasim P.: Nowoczesne metody oceny stanu nawierzchni w utrzymaniu sieci drogowej. IV Miedzynarodowa Konferencja Nowoczesne technologie w budownictwie drogowym, Poznan 2009. 5249

27. Sybylski D., Mechowski T., Sudyka J., Harasim P.: Ocena stanu nawierzchni dróg. Autostrady, nr 7, 2007, s. 32-35. 28. Sztukiewicz R., Rydzewski P.: Diagnostyka nawierzchni w systemie wspomagania zarzadzaniem siecia ulic. Zeszyty Naukowe Politechniki Gdanskiej, nr 60, 2006, s. 283-289. 29. Unarski J., W. Wach, J. Zębala, Przyjmowanie wartości współczynnika tarcia w różnych szczególnych okolicznościach, Instytut ekspertyz sądowych, Kraków 2000 30. Wahadło angielskie do pomiaru tarcia (wahadłowy wskaźnik szorstkości PTV) Instrukcja obsługi 5250