Спектр работ, посвященных контролю качества строительства дорожных покрытий

Спектр работ, посвященных контролю качества строительства дорожных покрытий, очень широкий и плотный. Здесь возможно рассмотреть лишь некоторые аспекты этой важной проблемы.

Методы и принципы оценки степени уплотнения асфальтобетона во многом сходны с только что рассмотренными для грунтов. Вместе с тем, вопрос об оперативном измерении плотности для асфальтобетонных покрытий гораздо более актуален, поскольку смесь быстро остывает и скорость измерений выходит на первый план.

В США используют несколько показателей степени уплотнения асфальтобетонной смеси. Первый основан на пробной укатке опытного участка на месте производства работ. Укатав опытную полосу («test strip») при различном числе проходов по ширине, выбирают участок с нужной степенью уплотнения, принимают плотность материала покрытия на этом участке за 100 %, а затем во время работы стремятся обеспечить плотность укатываемой смеси, например, не менее 98 % от этого значения. Второй широко используемый показатель основан на приготовлении образцов в полевой лаборатории и в использовании плотности лабораторного образца или определенного процента этой плотности в качестве целевой плотности укатываемой смеси.

Такой же показатель используется в России (коэффициент уплотнения). При использовании второго показателя имеет значение, какой метод применялся для проектирования состава смеси, скажем, по методу Маршалла смесь уплотняют ударной нагрузкой (как грунт по Проктору), по методу Хвима смесь штыкуют стальным стержнем, а затем прессуют с помощью стального сектора; по системе Суперпейв образец смеси формуют на приборе вращательного уплотнения. Стандарт ASTM D 2041 рекомендует третий показатель степени уплотнения: отношение плотности асфальтобетона, полученной в поле, к истинной плотности асфальтобетона, называемой в США «теоретической плотностью» или плотностью по Д. Райсу (J. Rice), которая представляет собой отношение массы неуплотненной смеси к ее объему (объему вытесненной смесью жидкости).

Таким образом, «теоретическая плотность» – это суммарная масса каменного материала и битума, деленная на их суммарный объем, т. е. плотность двухфазной системы, не имеющей воздушных пор. Следовательно, отношение плотности асфальтобетона, полученной в поле, к истинной плотности асфальтобетона, непосредственно характеризует воздушную пористость смеси. Скажем, если это отношение равно 95 %, то в уплотненной смеси содержится 5 % пор по объему. Третий показатель считается самым объективным и наглядным. Все три показателя степени уплотнения требуют определения достигнутой плотности в полевых условиях.

Рис. 6. Радиоизотопный прибор Troxler 4640-B для контроля плотности асфальтобетонных и цементобетонных слоев толщиной 2,5–10 см.

В США многие специалисты в области технологии асфальтобетона считают, что смесь плотного зернового состава следует проектировать и уплотнять так, чтобы обеспечить в течение как минимум половины срока службы воздушную пористость асфальтобетона больше 2, но меньше 8 процентов.

При пористости свыше 8 % коэффициент фильтрации резко увеличивается, и верхний слой становится водопроницаемым. При пористости меньше 2 % наблюдаются большие сдвиговые деформации в жаркое время года, приводящие к образованию колеи.

Поэтому сейчас «модно» проектировать состав так, чтобы начальная пористость (с учетом доуплотнения под движением) составляла 4 %. Однако ряд опытных специалистов утверждают, что неправильно задавать пористость без учета зернового состава. Они, например, отмечают, что крупнозернистые смеси работают без сдвиговых деформаций и при пористости 1–2 %. Впрочем, каждый штат имеет свои нормы пористости, отражающие природные условия и опыт службы.

Для измерения плотности асфальтобетона в слое толщиной 2,5–10 см в полевых условиях широко используется радиоизотопный прибор Troxler 4640 (рис. 6). При этом исключается влияние слоев, находящихся под асфальтобетонным слоем, что очень важно, поскольку работа ведется по схеме поверхностных измерений: капсула с источником и счетчик находятся на поверхности. Чтобы добиться независимости результата измерения плотности тонкого верхнего слоя от плотности подстилающих слоев, разработчики прибора использовали 2 системы счетчиков Гейгера-Мюллера, одна из которых измеряет отражение гамма-излучения в пределах верхней части находящейся под датчиком среды, а другая – суммарное отражение в пределах верхней и нижней частей. Оказывается, что по их разности можно определить среднюю плотность материала в верхнем тонком слое.

Измерение занимает 1–2 минуты. Плотность асфальтобетона (масса единицы объема уплотненной смеси) выдается в кг/м³ на экране прибора и никаких номограмм для расчетов не требуется. Получаемая плотность отличается от найденной методом высверливания кернов (этот трудоемкий метод по-прежнему считается эталонным – не более чем на 1,5 %. Память прибора хранит до 11 калибровочных кривых для разных материалов и до 750 отсчетов полевых измерений с примечаниями. Они могут быть выданы на компьютер либо распечатаны. Масса прибора 13,5 кг.

Рис. 7. Прибор компании Transtech Inc для полевого определения плотности асфальтобетона на основе измерения диэлектрическойпроницаемости.

Недостатком приборов Troxler 4640, как и описанных выше радиоизотопных приборов, используемых при оценке степени уплотнения грунта, является необходимость контроля радиационной безопасности. Требуется специальная лицензия на право работы с радиоактивными веществами. Проводится частая инспекция безопасности. Операторы должны носить дозиметры и периодически посещать курсы техники безопасности, а для доставки приборов на территорию некоторых федеральных или военных объектов нужно получать разрешение. Кроме того, замечено, что отличия в текстуре поверхности покрытия могут повлиять на результаты измерения плотности в пределах ±3–4 % измеряемой плотности. Эта погрешность может быть значительно уменьшена путем калибровки.

В связи с этим после 1999 г. внимание дорожников привлек прибор компании Transtech Inc (рис. 7). Работа этого прибора основана на уже рассмотренном методе измерения диэлектрической проницаемости материала слоя. Приборы серии PQI 300 (Pavement Quality Indicator) были исследованы в 2000–2003 гг. в нескольких штатах параллельно с радиоизотопным прибором Troxler и отбором кернов. В нижней части прибора PQI 300 имеется опорный диск.

На рис. 8 показана схема, иллюстрирующая принцип работы прибора. В центральной части внутри опорного диска находится передатчик, а в кольцевой части вдоль внешней окружности диска – приемник. Между ними находится кольцо из изолятора. В результате создается поле, имеющее форму тора («бублика»), силовые линии которого пересекают покрытие, плотность которого подлежит определению.

Передатчик посылает импульс переменного тока определенной формы, а приемник записывает полученное изменение силы тока во времени, после чего изменение формы импульса после прохождения через среду анализируется и определяется диэлектрическая проницаемость материала. Прибор может работать в разных режимах в зависимости от примерного значения требуемой толщины, в пределах которой нужно определить плотность смеси.

Рис. 8. Принцип работы прибора, измеряющего диэлектрическую проницаемость материала в тонком слое

Относительная диэлектрическая проницаемость частиц каменного материала смеси и битума находится в пределах 5–6, а диэлектрическая проницаемость воздуха примерно равна 1 (относительно таковой для вакуума). Диэлектрическая проницаемость смеси линейно зависит от диэлектрической проницаемости ее составляющих и их объемной доли в смеси, поэтому с уменьшением пористости в процессе укатки она возрастает. Проблема состояла во влиянии влажности смеси на ее диэлектрическую проницаемость, поскольку вода попадает в смесь в процессе укатки, а диэлектрическая проницаемость воды составляет около 80 и поэтому даже небольшое количество воды сильно увеличивает диэлектрическую проницаемость смеси. Прибор определяет влажность по сдвигу фаз между сигналами передатчика и приемника. На панели прибора индицируются показания плотности материала слоя, его температура и внесенная поправка на влажность. Масса прибора – 8 кг, диапазон измерений охватывает толщину 2,5–10 см, длительность отсчета плотности – 3 секунды, стоимость – 7000 долларов.

При сравнительной оценке результатов измерений плотности асфальтобетона разными методами и приборами получены неоднозначные оценки. Так, в штате Коннектикут в 2001 г. пришли к заключению о недостаточной точности показаний прибора PQI-300, особенно при определении плотности вблизи продольного рабочего шва для суждения о качестве уплотнения в целях оплаты работ в зависимости от качества. Напротив, в 2003 г. в штате Кентукки был сделан вывод о применимости прибора PQI-300 для контроля качества.

Интересно видеть, как точность измерений связана с оплатой. Например, в штате Кентукки за укладку асфальтобетона платят 100 % договорной стоимости, если пористость асфальтобетона находится в пределах 6,2–8,0 %, и 95 % договорной стоимости при пористости 8,1–9,0 %. При измерении разными методами были получены такие значения пористости: Troxler 4640 – 8,3 %, Transtech PQI-300 – 7,1 %, отбор кернов из покрытия – 7,2 %. Значит, если верить радиоизотопному прибору Troxler, надо оплатить 95 % договорной стоимости, а если верить прибору Transtech PQI-300, то 100 %. В данном случае в соответствии с показаниями диэлектрического прибора определен тот же уровень оплаты, что и эталонным методом высверливания кернов из покрытия. Этот пример демонстрирует, как остро стоит вопрос контроля качества строительства покрытий в США и как он влияет на требуемую точность приборов.

В конкуренцию включилась компания Troxler, которая недавно тоже разработала диэлектрический прибор наряду с выпуском радиоизотопных. Она предложила прибор PaveTracker 2701 (рис. 10). Масса прибора – 1 кг, диапазон измерений по толщине – 2–4 см, рекомендован для мелкозернистых смесей, длительность отсчета плотности – 1 сек, по утверждению разработчиков, показания плотности смеси не зависят от влажности и температуры, погрешность – менее 3 кг/м³, размеры – 20х15х9 см, стоимость – 28000 долларов. Последняя модель PaveTracker 2701-В имеет большой объем памяти, более мощные батареи, совместима с компьютером и весит 5 кг. Исследования по оценке работы этих приборов начаты в университете штата Висконсин в 2004 г.

При контроле качества строительства и обследовании состояния существующих дорожных одежд большое значение имеет определение толщины слоев неразрушающими методами. В 1988 году была предложена передвижная установка для бесконтактного измерения толщины дорожного покрытия при обследовании состояния дорог, основанная на принципах радиолокации. По сути дела, принцип не отличается от упомянутого TDR - изменение отраженного сигнала во времени: с помощью высокочастотного излучателя (антенны) посылают кратковременный одиночный или заполненный радиочастотой импульс, который распространяется в средах различной плотности – воздухе, асфальтобетоне или цементобетоне, щебне и грунте. Отраженный сигнал регистрируется этой же либо отдельной приемной антенной. По поведению отраженного сигнала во времени, по изменению его амплитуды и частоты судят о толщине слоев различной плотности. Первые приборы этого типа назвали проникающий в грунт радар – Ground Penetrating Radar (GPR).

Метод радиолокационного зондирования (РЛЗ) давно известен в России, он интенсивно развивается в последнее время за счет аппаратурной и программной проработки. Примерно в те же годы исследования применимости этого метода к обследованию состояния земляного полотна были начаты в Ленфилиале СоюздорНИИ, но они не были доведены до широкого применения.

Рис. 9. Установка GPR для определения толщин слоев и обследования состояния дорожных одежд

В США применение установок GPR (рис.9.) к августу 2003 г. было одобрено дорожными департаментами 10 штатов. Например, в штате Флорида с помощью GPR-установки, смонтированной на автомобиле, обследуют до 320 км автомобильных дорог в день, а в штате Аризона эту установку применяют для систематического обследования состояния покрытия на 135 мостах. Важно, что эта установка успешно фиксирует полости под цементобетонным покрытием и участки с переувлажненным основанием или земляным полотном. Стоимость установки вместе с микроавтобусом, компьютером, программным обеспечением и обучением составляет до 200 тыс. долларов.

В состоянии проверки находятся новые установки для определения толщины слоев и их механических характеристик при обследовании и контроле качества дорожных одежд. Они основаны на известных в сейсморазведке методах спектрального анализа поверхностных сдвиговых поперечных волн Лява и волн Релея. Устройство и принципы работы этих установок несложны, а их прогресс связан с успехами в области создания математических алгоритмов и программных средств для обработки сигналов. Этот прогресс аналогичен тому, как при пользовании Интернетом за последние 10 лет благодаря тем же алгоритмам и программам скорость передачи информации по телефонным проводам возросла в тысячи раз, хотя сечение телефонного провода осталось прежним

Поиск по сайту: