• Nie Znaleziono Wyników

Wpływ warunków pomiaru oraz wybranych parametrów nawierzchni asfaltowych i betonowych

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Wpływ warunków pomiaru oraz wybranych parametrów nawierzchni asfaltowych i betonowych"

Copied!
179
0
0

Pełen tekst

(1)

Politechnika Pozna´nska

Wydział Budownictwa i In˙zynierii ´Srodowiska Instytut In˙zynierii L ˛ adowej

mgr in˙z. Jakub Fengier

Wpływ warunków pomiaru oraz wybranych parametrów nawierzchni asfaltowych i betonowych

na ich wła´sciwo´sci przeciwpo´slizgowe

Rozprawa doktorska

Promotor: dr hab. in˙z. Mieczysław Słowik, prof. PP

Promotor pomocniczy: dr in˙z. Andrzej Po˙zarycki

Pozna´n, 2018

(2)

Chciałbym w tym miejscu podzi˛ekowa´c:

Promotorowi

– za ofiarowany mi czas, cenne rady oraz za zaanga˙zowanie, dzi˛eki któremu mo˙zliwe było napisanie tej pracy.

Promotorowi pomocniczemu

– za cenne rady podczas prowadzenia bada´n.

Zonie i Przyjaciołom ˙

– za wsparcie i motywacj˛e.

(3)

Streszczenie

W pracy przedstawiono zagadnienia związane z właściwościami przeciwpoślizgo- wymi nawierzchni. Przegląd literatury dotyczy właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni oraz metod ich oceny. Na potrzeby pracy wykorzystano metodykę badaw- czą CSR (Continuous Skid Resistance device). Urządzenie CSR powala w precyzyjny sposób zidentyfikować odcinki o zmiennych właściwościach przeciwpoślizgowych.

Prędkość pomiarowa jest jednym z parametrów pomiaru mających wpływ na oznaczane wartości wskaźników właściwości przeciwpoślizgowych. Zaproponowano wprowadzenie wskaźnika oznaczającego efektywne pole powierzchni styku między oponą a nawierzchnią, w odniesieniu do prędkości 0 km/h powierzchnia ta wynosi 100% i w zróżnicowany sposób zmniejsza się przy zwiększaniu prędkości pomiarowej zależnie czy pomiar jest prowadzany z zastosowaniem wody czy też bez niej.

W ramach prac przeprowadzono trzy kampanie pomiarowe na nawierzchniach drogowych i lotniskowych. Wykazano negatywny wpływ zanieczyszczeń występują- cych na powierzchni jezdni na właściwości przeciwpoślizgowe i ujęto ten wpływ w sposób ilościowy.

W warunkach laboratoryjnych zaplanowano i przeprowadzono serię pomiarów mających na celu wprowadzenie zmiennej (r) we wzorze do obliczenia wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych, który dotychczas przyjmowano jako wartość stałą.

Na skutek wprowadzenia tej zmiennej ograniczono rozrzut wyników pomiarów na odcinkach jednorodnych.

Kolejnym aspektem nowym w pracy jest opracowanie metody fotogrametrycznej

do oznaczenia współrzędnych modelu powierzchni jezdni. Metoda ta umożliwiła

obliczenie szeregu wskaźników dostępnych w literaturze. Autor zaproponował nowe

wskaźniki s

1

, s

2

i s

3

, które odnosząc się do istniejących granic dla miko–, makro– i

megatesktury wpływają w zróżnicowany sposób na właściwości przeciwpoślizgowe w

funkcji prędkości.

(4)

Abstract

Issues related to pavement skid resistance have been shown in this thesis. Literature review concerns the pavement skid resistance and methods of their evaluation. The CSR (Continuous Skid Resistance device) research methodology was used in order to accomplish the thesis goals. The CSR device allows to point out the section of the pavement with variable skid resistance.

Velocity is one of the measurement parameters affecting the determined indicators of skid resistance. It was proposed to introduce an indicator of the effective area of contact patch. Considering the velocity 0 km/h, the effective area of contact patch is eqal to 100% and decreases in a different way when velocity increases depending on whether the measurement is perform with or without water.

Three measurement campaigns were performed on road and airport pavements.

The negative impact of contaminations on the pavement surface on skid resistance has been demonstrated and it has been quantified.

Series of measurements were planned and performed to enter the variable (r) in the formula for skid resistance index, which was specified as a constant value in previous researches. As a result of the introduction of this variable, the spread of measurement results on uniform sections was limited.

Another aspect of the thesis was the development of a photogrammetric method

for determining the coordinates of the pavement surface model. This method enabled

the calculation of a number of indicators available in the literature. The author

proposed new indicators s

1

, s

2

and s

3

, which refer to the existing limits for mico–,

macro– and megatexture affect in a different way the skid resistance as a function of

velocity.

(5)

Spis treści

1 Wstęp 6

1.1 Rys historyczny dotyczący wiedzy na temat zjawiska tarcia . . . . 6

1.2 Stan prawny dotyczący właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni dro- gowych i lotniskowych w Polsce . . . . 9

2 Studia literatury na temat zjawiska tarcia między oponą a nawierzchnią 11 2.1 Pojęcia stosowane do opisu właściwości przeciwpoślizgowych . . . 11

2.2 Czynniki składowe sił wpływających na właściwości przeciwpoślizgowe . . . 13

2.3 Siły działające na koło pojazdu poruszającego się po nawierzchni . . . 15

2.4 Czynniki wpływające na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni . . . . 17

2.4.1 Warunki pomiaru . . . 18

2.4.2 Czynniki związane z nawierzchnią . . . 24

2.5 Przegląd metod stosowanych do oceny właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni . . . 27

2.5.1 Urządzenia mobilne do oceny chropowatości nawierzchni . . . 27

2.5.2 Urządzenia mobilne pozwalające określić właściwości przeciwpośli- zgowe na podstawie pomiarów związanych z oponą testową . . . 30

2.5.3 Urządzenia stacjonarne do oceny chropowatości nawierzchni . . . . 37

2.5.4 Urządzenia stacjonarne umożliwiające ocenę właściwości przeciwpo- ślizgowych na podstawie skutków siły tarcia . . . 42

2.6 Opis rezultatów projektów mających na celu przeliczenie wartości wskaźni- ków właściwości przeciwpoślizgowych uzyskiwanych z przy użyciu różnych urządzeń pomiarowych . . . 44

2.7 Rezultaty osiągnięte przy wykorzystaniu modeli opon . . . 47

2.7.1 Model szczotkowy . . . 47

2.7.2 Model Pacejki . . . 48

2.7.3 Inne modele . . . 49

3 Tezy, cel i zakres pracy 50 4 Opis metodyki pomiarów 51 4.1 Badanie właściwości przeciwpoślizgowych . . . 51

4.1.1 Urządzenie CSR . . . 51

4.1.2 Urządzenie ASFT . . . 54

4.1.3 Urządzenie GripTester . . . 56

4.2 Opis metodyki wyznaczania współrzędnych powierzchni jezdni na podstawie fotografii wysokiej rozdzielczości . . . 56

5 Wyniki badań 66 5.1 Wyniki badań właściwości przeciwpoślizgowych . . . 66

5.1.1 Wyniki badań uzyskanych w ramach kampanii pomiarowej nr 1 . . 66

5.1.2 Wyniki badań uzyskanych w ramach kampanii pomiarowej nr 2 . . 71

5.1.3 Wyniki badań uzyskanych w ramach kampanii pomiarowej nr 3 . . 76

5.2 Wyniki oznaczeń długości drogi hamowania . . . 85

5.3 Wyniki oznaczeń wskaźników dotyczących chropowatości powierzchni jezdni metodą fotogrametryczną . . . 87

5.3.1 Wyniki uzyskane w warunkach laboratoryjnych . . . 87

(6)

5.3.2 Wyniki uzyskane w ramach kampanii pomiarowej nr 2 . . . 106 5.3.3 Wyniki uzyskane w ramach kampanii pomiarowej nr 3 . . . 108 5.4 Wyniki pomiarów ugięć koła pomiarowego . . . 110 6 Analiza czynników mających wpływ na właściwości przeciwpoślizgowe

nawierzchni 114

6.1 Analiza statystyczna zmienności zmian odległości między geometrycznym środkiem koła pomiarowego a nawierzchnią . . . 114 6.2 Analiza wpływu zmiany odległości między geometrycznym środkiem koła

pomiarowego a nawierzchnią na wartości wskaźnika właściwości przeciwpo- ślizgowych CSRi . . . 120 6.3 Analiza wyników oznaczeń właściwości przeciwpoślizgowych wykonywanych

na długości odcinków pomiarowych . . . 122 6.4 Analiza właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni w funkcji prędkości

pomiaru . . . 129 6.5 Analiza wyników oznaczeń właściwości przeciwpoślizgowych przy zmianie

ciśnienia powietrza w oponie pomiarowej . . . 134 6.6 Analiza porównawcza wyników oznaczeń właściwości przeciwpoślizgowych z

wykorzystaniem różnych urządzeń pomiarowych . . . 136 6.7 Analiza wyników oznaczeń właściwości przeciwpoślizgowych i długości drogi

hamowania . . . 138 6.8 Analiza wyników badań powierzchni jezdni w zakresie jej chropowatości . . 139 6.9 Analiza wpływu chropowatości nawierzchni na jej właściwości przeciwpośli-

zgowe . . . 145 6.10 Analiza wyników oznaczeń właściwości przeciwpoślizgowych zanieczyszczo-

nych nawierzchni . . . 151

7 Wnioski 157

8 Kierunki dalszych prac badawczych 159

Literatura 160

Spis tablic i rysunków 169

Załączniki 177

(7)

Wykaz skrótów używanych w pracy

Część z angielskich skrótów nie ma polskich odpowiedników, aby nie wprowadzać dodatko- wych pojęć autor niniejszej rozprawy będzie posługiwał się skrótami angielskimi bez ich tłumaczenia.

α – kąt odchylenia koła pomiarowego np. przy pomiarach urządzeniem SCRIM

SN – (ang. Skid Number) wskaźnik właściwości przeciwpoślizgowych określany urządze- niem ASTM E-274 (indeks przy wartości SN oznacza prędkość przy której prowadzony był pomiar)

SFC – (ang. Sideway Force Coefficient) wskaźnik właściwości przeciwpoślizgowych okre- ślany urządzeniami z swobodnie toczącym się kołem pomiarowych odchylonym o kąt α MPD – (ang. Mean Profile Depth) wskaźnik związany z powierzchnia jezdni, uzyskiwany w takcie pomiaru przy zastosowaniu profilometru

MTD – (ang. Mean Texture Depth) wskaźnik związany z powierzchnią jezdni, uzyskiwany w trakcie pomiaru metodą piasku kalibrowanego

ETD – (ang. Estimated Texture Depth) wskaźnik związany z powierzchnia jezdni, uzy- skany poprzez przeliczenie wartości wskaźnika MPD na wartość ETD; co do wartości powinien być równy wartości MTD dla danej powierzchni

RMS – (ang. root mean square) średnie kwadratowe odchylenie (np. profilu)

CSR – (ang. Continuous Skid Resistance) urządzenie pomiarowe do oznaczania wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni

CSRi – (ang. Continuous Skid Resistance index) wskaźnik oznaczony urządzeniem CSR GN – (ang. Grip Number) wskaźnik oznaczony urządzeniem GripTester

ASFT – (ang. Airport Surface Friction Tester) wskaźnik oznaczony urządzeniem ASFT Cq – dwuwymiarowa widmowa gęstość mocy dla nierówności nawierzchni oznaczana na podstawie modelu powierzchni jezdni

s

1

– wskaźnik oznaczony na podstawie wartości Cq odpowiadający zakresowi liczby falowej będącego w przedziale megatekstury

s

2

– wskaźnik oznaczony na podstawie wartości Cq odpowiadający zakresowi liczby falowej będącego w przedziale makrotekstury

s

3

– wskaźnik oznaczony na podstawie wartości Cq odpowiadający zakresowi liczby falowej będącego w przedziale mikrotesktury

DS – droga startowa DK – droga kołowania

DFT – urządzenie Dynamic Friction Tester CMT – urządzenie Circular Track Meter F

N AT

– siła generowana w urządzeniu NAT

U

N AT

– ugięcie opony pomiarowej zarejestrowane w urządzeniu NAT

p

N AT

– ciśnienie powietrza w oponie pomiarowej podczas pomiarów w urządzeniu NAT T

N AT

–temperatura powietrza w urządzeniu NAT

∆r – zmiana odległości między osią koła pomiarowego a nawierzchnią Q

k

– siła pionowa obciążająca koło pomiarowe w urządzeniu CSR X

b

– siła pozioma działająca na koło podczas hamowania

M

h

– moment obrotowy (hamujący), powodujący zadany poślizg względny koła

Sr – poślizg względny koła

(8)

1 Wstęp

Tematem niniejszej rozprawy są właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni, które stanowią nieodłączny element diagnostyki nawierzchni drogowych i lotniskowych. Zadaniami diagno- styki są: geneza, diagnoza oraz prognoza (w tym przypadku) stanu nawierzchni. Diagnoza nawierzchni sprowadza się najczęściej do określenia wskaźników mających powiązanie z takimi cechami nawierzchni jak: nośność, równość poprzeczna oraz podłużna, stan spękań i powierzchni oraz właśnie właściwości przeciwpoślizgowe [30]. Diagnostyka nawierzchni odgrywa kluczową rolę przy podejmowaniu decyzji związanych z jej utrzymaniem. W szczególności takiej, która znajduje się w ambiwalentnych warunkach atmosferycznych jakie panują w Polsce. W kontekście właściwości przeciwpoślizgowych warto przytoczyć pozycję [46], w której zawarto informacje na temat oszczędności, które są zasługą diagnostyki nawierzchni w Wielkiej Brytanii oraz uniknięcia potencjalnych kolizji dzięki polepszeniu właściwości przeciwpoślizgowych na wybranych na podstawie badań odcinkach.

Bezpieczeństwo ruchu jest powiązane z właściwościami przeciwpoślizgowymi nawierzchni drogowych. Jest to wciąż aktualny aspekt badawczy, a w ostatnich pracach stosuje się np.

logikę rozmytą [66] do opisu relacji między bezpieczeństwem ruchu, a właściwościami prze- ciwpoślizgowymi nawierzchni. Jednak mimo wciąż otwartego tematu badawczego trudno jest zanegować związek między właściwościami przeciwpoślizgowymi, a bezpieczeństwem ruchu. Relacje te mają dwoisty charakter; z jednej strony można wyróżnić takie wskaźniki właściwości przeciwpoślizgowych, które będą dobrze korelowały z drogą hamowania, a z drugiej takie, które będą odpowiadały za bezpieczeństwo wykonywania manewrów takich jak skręcanie. W pracy skupiono się na pierwszej grupie.

1.1 Rys historyczny dotyczący wiedzy na temat zjawiska tarcia

Co jest przyczyną powstania zjawiska tarcia? Jakiego typu mechanizm działa na dwa współpracujące ciała podczas ruchu jednego po drugim? Te pytania zaprzątały myśli pierwszych genialnych umysłów już w starożytności. Człowiek zainteresował się przebiegiem zjawiska tarcia, gdy podejmowano próby przemieszczania przedmiotów, w szczególności tych o znaczących gabarytach. Za przykład może posłużyć malowidło ścienne znajdujące się w grobowcu w egipskiej miejscowości El Bersheh [20]. Ilustruje ono kolosa na saniach, który jest ciągnięty przez liczną grupę niewolników, a na przodzie pojazdu jeden z mężczyzn rozlewa oliwę wprost pod płozy. Dzieło to dowodzi ówczesnej świadomości istnienia zjawiska tarcia. Ponadto, zapiski starożytnych filozofów wskazują na liczne zalety używania smarów i metalowych łożysk, które były ogólnie znane w tych czasach. Niestety przez wiele wieków wiedza na temat istnienia tarcia nie miała żadnych podstaw naukowych. Dopiero obfita w odkrycia naukowe epoka odrodzenia zapoczątkowała szereg usystematyzowanych badań nad zjawiskiem tarcia. Wszechstronny człowiek renesansu Leonardo da Vinci poświęcił wiele uwagi temu zagadnieniu, co zaowocowało sformułowaniem dwóch praw tarcia:

1. siła tarcia jest wprost proporcjonalna do siły normalnej 2. współczynnik tarcia jest niezależny od powierzchni styku ciał

Niemniej jednak za autora wspomnianych praw uznano francuskiego badacza i architekta

Guillaume Amontons’a żyjącego w drugiej połowie XVII wieku, który w roku 1699 zawarł

je w swojej przełomowej pracy ’De la resistance causee dans les machines’ (Przyczyny oporu

w maszynach). Zwrócił uwagę, że współdziałające powierzchnie nie były idealnie gładkie,

a wręcz przeciwnie. Niedoskonałości były zauważalne gołym okiem. Ponadto, stwierdził,

(9)

że zjawisko tarcia ma miejsce na skutek unoszenia jednej powierzchni nad nierównościami drugiej. Ten pogląd zdobył aprobatę znacznej części świata nauki, która utrzymywała się przez kolejny wiek. Pod koniec XVIII wieku inżynier francuskiego pochodzenia Charles Augustin Coulomb rozpoczął dywagacje na temat roli adhezji między powierzchniami w procesie tarcia. Szybko jednak zdecydowanie odrzucił to założenie, ponieważ fakt ten oznaczałby, że tarcie podwaja się, gdy dwukrotnie wzrasta powierzchnia styku. W 1785 roku opublikował książkę ’Theorie des machines simples’ (Teoria maszyn prostych), gdzie zawarł trzy kolejne prawa tarcia [10]:

1. tarcie statyczne jest większe niż tarcie kinematyczne 2. współczynnik tarcia jest niezależny od prędkości

3. współczynnik tarcia jest zależny od materiału dwóch ciał

Podwaliny pod hydrodynamiczną teorię smarowania dał Pietrow w 1883 r. Natomiast wpływ chropowatości powierzchni (sugerowany już przez Leonardo da Vinci) był rozwijany przez badaczy takich jak Bowden i Tabor [10] czy polskich naukowców np. Nowickiego [71].

Na rysunku 1 przedstawiono podział sił tarcia.

(10)

Rysunek 1: Podział sił tarcia [54]

Współczesne teorie na temat ślizgowego tarcia suchego można podzielić na [54]:

• mechaniczne

• molekularne (adhezyjne)

• mechaniczno – molekularne

• energetyczne

Prace nad tarciem tocznym zapoczątkował rozwój łożysk tocznych, a fundamentalne

prace na ten temat opublikował Palmgren w 1923 r. Natomiast pierwsze rozważania na

temat właściwości przeciwpoślizgowych w kontekście nawierzchni drogowych rozpoczęto w

latach 60. XX wieku [53].

(11)

1.2 Stan prawny dotyczący właściwości przeciwpoślizgowych na- wierzchni drogowych i lotniskowych w Polsce

Tematyka właściwości przeciwpoślizgowych została podjęta w następujących polskich aktach prawnych:

• Ustawa z dnia 7 lipca 1994 r. Prawo budowlane (Dz.U. 1994 Nr 89 poz. 414) nakłada na właściciela lub zarządce obowiązek okresowej kontroli, co najmniej raz w roku, polegającej na sprawdzeniu stanu technicznego oraz okresowej kontroli co najmniej raz na 5 lat, polegającej na sprawdzeniu stanu technicznego i przydatności do użytkowania obiektu budowlanego, estetyki obiektu budowlanego oraz jego otoczenia. Mimo, że wprost nie jest określa konieczność oceniania właściwości przeciwpoślizgowych, to sprawdzenie stanu (diagnoza) nawierzchni powinna ten element zawierać [30].

• Rozporządzenie Ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie (Dz. U.

RP z dnia 29.01.2016 r. Poz. 124) zawiera wartości wskaźników jakimi powinny cha- rakteryzować się nawierzchnie jezdni dróg publicznych klas G i wyższych oznaczane przy pełnej blokadzie koła i ilości wody 0,5 l/m

2

, jednak ustawodawca dopuszcza pomiar innymi skorelowanymi metodami. Wartości te odnoszą się do dróg nowo wybudowanych (pomiary powinny odbyć się przed dopuszczeniem nawierzchni do ruchu drogowego oraz w okresie od 6 do 8 tygodni od oddania do eksploatacji)

• Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 16 stycznia 2002 r. w sprawie prze- pisów techniczno–budowlanych dotyczących autostrad płatnych (Dz. U.2002 Nr 12 poz. 116) wprowadza obowiązek pomiaru makrotekstury nawierzchni metodą równoważną metodzie piasku kalibrowanego oraz pomiar współczynnika tarcia od- powiadającego 100% poślizgowi opony testowej, na powierzchni jezdni zwilżonej wodą. W rozporządzeniu zawarto procedurę odbiorczą składającą się z: określenia głębokości makrotekstury TD oraz opcjonalnie określenia wskaźnik właściwości prze- ciwpoślizgowych (pomiar urządzeniem SRT). Jeśli wartość TD zawiera się 0,6–1,0 mm w przedziale to należy dodatkowo wykonać pomiar mający na celu określić wskaźnik właściwości przeciwpoślizgowych (pomiar urządzeniem SRT), jeśli TD jest większe niż 1,0 mm wówczas odbiór kończy się pozytywnie, natomiast dla wartości TD mniejszych niż 0,6 mm odbiór jest zakończony negatywnie (podane wartości dotyczą pasów ruchu zasadniczych dodatkowych oraz pasów awaryjnych).

• Wytyczne Nr 2 Prezesa Urzędu Lotnictwa Cywilnego z dnia 25 stycznia 2016 r. w sprawie metod oceny, pomiaru oraz raportowania stanu nawierzchni drogi startowej wprowadzają system decyzji o raportowaniu stanu nawierzchni na potrzeby pilo- tów. Składa się on z informacji na temat współczynników tarcia, zanieczyszczeń nawierzchni oraz kontroli nad pojazdem. System przewiduje pięć kodów warunków na drodze startowej.

Warto zauważyć że wartości zwarte w Rozporządzeniu Ministra Transportu i Gospodarki

Morskiej w sprawie warunków technicznych jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i

ich usytuowanie nie odpowiadają realiom pomiarowym w kontekście wartości uzyskiwanych

w pomiarach na sieci drogowej. W pozycji [96] przedstawiono wyniki badań urządzeniem

SRT–3, gdzie 95% odcinków dróg oceniono jako niezadowalające w kontekście wymagań

stawianych w Rozporządzeniu ministra Transportu i Gospodarki Morskiej w sprawie

warunków technicznych jakim powinny odpowiadać drogi publiczne i ich usytuowanie.

(12)

Innym wartym zauważania jest fakt nie prowadzenia przez wszystkich zarządców

dróg pełnej dokumentacji techniczno–eksploatacyjnej co wykazał raport NIK [68], co

spowodowane jest m.in. stosunkowo małą dostępnością sprzętu pomiarowego dla zarządców

dróg samorządowych. Problemy związane ze stanem prawnym oraz oponą pomiarową były

poruszane m.in. w pracy [126].

(13)

2 Studia literatury na temat zjawiska tarcia między oponą a nawierzchnią

2.1 Pojęcia stosowane do opisu właściwości przeciwpoślizgowych

W polskiej terminologii istnieje wiele pojęć, które mają zadanie opis podobnych do siebie zagadnień związanych z właściwościami przeciwpoślizgowymi nawierzchni.

• konstrukcja nawierzchni lub nawierzchnia – zespół odpowiednio dobranych warstw, którego celem jest rozłożenie naprężeń od kół pojazdów na podłoże gruntowe na- wierzchni oraz zapewnienie bezpieczeństwa i komfortu jazdy pojazdów. Konstrukcja nawierzchni spoczywa na podłożu gruntowym lub na warstwie ulepszonego podłoża.

Określenia „konstrukcja nawierzchni” i „nawierzchnia” są równoznaczne i mogą być stosowane wymiennie [44]

• warstwa ścieralna – wierzchnia warstwa konstrukcji nawierzchni, poddana bezpośred- niemu oddziaływaniu ruchu i czynników atmosferycznych [44]

• właściwości przeciwpoślizgowe – parametr nawierzchni charakteryzujący przyczepność pomiędzy nawierzchnią, a oponą pojazdu. W szczególności opisujący zdolności do wytwarzania siły tarcia podczas poślizgu koła [30]

• współczynnik tarcia – bezwymiarowy stosunek siły tarcia pomiędzy dwoma ciałami do normalnej siły nacisku tych dwóch ciał [116]

• współczynnik przyczepności ogumienia do nawierzchni opisany wzorem:

µ

p

= F

p

/F (1)

gdzie: F

p

– siła przyczepności opony do nawierzchni, Z – siła pionowa [34]

• współczynnik przyczepności – stosunek siły obwodowej (siły pędzącej) do siły nor- malnego nacisku koła [86]

• przyczepność nawierzchni – charakterystyka stanu warstwy ścieralnej w zakresie własności antypoślizgowych. Mikronierówności występujące na powierzchni jezdni charakteryzowane są przy wykorzystani zjawiska przenoszenia sił oporu generowanych na styku powierzchni drogi i koła poruszającego się po niej pojazdu [106]

• współczynnik przyczepności – stosunek wypadkowej sił stycznych, rozwijanych między kołami poruszającego się pojazdu, a nawierzchnią drogi do wypadkowej reakcji normalnych; stosowany jako liczbowa miara przyczepności [106]

• powierzchnia styku – powierzchnia utworzona przez oponę stykającą się z powierzch- nią jezdni; powierzchnia ta rozumiana jest w kontekście śladu jaki pozostawiłaby opona na nawierzchni. Realna powierzchnia styku może stanowić 1% powierzchni styku w postaci śladu opony na nawierzchni [78].

• współczynnik przyczepności przylgowej [86] – współczynnik wyznaczany na podstawie

strefy działania sił przyczepności na powierzchni styku. Strefa działania może być

wyznaczona na podstawie modelu przedstawionego w punkcie 2.7.1

(14)

• współczynnik przyczepności poślizgowej [86] – współczynnik otrzymywany na pod- stawie strefy działania sił poślizgowych na powierzchni styku. Strefa działania może być wyznaczona na podstawie modelu przedstawionego w punkcie 2.7.1

• nierówność – różnica między powierzchnią płaską, a powierzchnią rzeczywistą (war- stwy ścieralnej), nierówności powierzchni warstwy ścieralnej mają wpływ na szereg czynników w tym właściwości przeciwpoślizgowe, co zaprezentowano na rys. 2

Rysunek 2: Wpływ nierówności na poszczególne parametry techniczno–użytkowe na- wierzchni [50]

• megatekstura – nierówności warstwy wierzchniej nawierzchni w zakresie fal (λ

1

) o długości 50—500 mm i o amplitudzie od 0,1 do 50 mm [31]

• makrotekstura – nierówności warstwy wierzchniej nawierzchni w zakresie fal (λ

2

) o długości 0,5—50 mm i o amplitudzie od 0,2 do 50 mm [31]

• mikrotekstura – nierówności warstwy wierzchniej nawierzchni w zakresie fal (λ

3

) o długości mniejszej niż 0,5 mm i o amplitudzie do 0,2 mm [31]

Rysunek 3: Schemat ideowy makro i mikrotekstury (opracowany na podstawie [35, 124])

• tekstura – sposób przestrzennego rozmieszczenia składników w skale [48]

(15)

• tekstura nawierzchni – geometryczny opis mikronierówności powierzchni jezdni;

charakterystyka statyczna określająca własności antypoślizgowe [106]

• chropowatość powierzchni – zbiór nierówności powstających w procesie obróbki, który może wynosić od angstremów do milimetrów [71]

Podział systematyczny pojęć stosowanych w diagnostyce nawierzchni zaczerpnięto z pracy [82].

Rysunek 4: Podział systematyczny pojęć stosowanych w diagnostyce nawierzchni [82]

Na przykład parametrem może być równość podłużna, wskaźnikiem IRI, a kryterium dla IRI może wynosić 5,7 mm/m dla dróg klasy A, S i GP oraz poziomu krytycznego.

Ze względu na zaproponowaną metodykę pomiarową związaną z analizą fotograme- tryczną obejmującą w swym zakresie część mega–, makro– i mikroteksturę i odnoszącą się do powierzchni jezdni, którą kształtujemy tak by bezpiecznie realizować ruch w niniejszej pracy zdecydowano się na stosowanie pojęcia chropowatości.

W niniejszej rozprawie stosowane pojęcie będzie wskaźnika właściwości przeciwpo- ślizgowych. Decyzja ta jest motywowana faktem, że współczynnik tarcia jest określany jako wartość stała dla dwóch materiałów, a specyfika pomiarów dotycząca nawierzchni zależy m.in. od sposobu pomiaru. Właściwości przeciwpoślizgowe będą rozumiane jako stosunek siły działającej w kierunku ruchu pojazdu (ale o przeciwnym zwrocie) wywołanej na powierzchni styku i siły pionowej działającej na koło pomiarowe.

2.2 Czynniki składowe sił wpływających na właściwości przeciw- poślizgowe

Rozważania na temat właściwości przeciwpoślizgowych ujmowanych w sposób współczesny zapoczątkowała praca [53], gdzie zaproponowano, że tarcie między oponą a nawierzch- nią powodowane jest przez siły adhezji, siły kohezji oraz siły związanej ze sprężystym odkształceniem materiału opony w trakcie poruszania się.

Siły kohezji rozumie się jako siły powstające w procesie oddzielania się materiału

opony podczas ruchu po nawierzchni. Jak zauważono w pracy [53] siły kohezji wpływają

w nieznacznym stopniu na siły generowane między oponą a nawierzchnią (ok. 2%). Siły

kohezji nie można rozdzielić od sił związanych ze sprężystym odkształcaniem się materiału

(16)

opony na nawierzchni lub sił adhezji. Siły kohezji powstają w chwili zniszczenia (ścięcia) części materiału opony, bądź nawierzchni (lub związanego z nią zanieczyszczenia). Lokalnie siły ścinania (F

s

) wynoszą:

F

si

= S · P S

i

[53] (2)

W globalnym ujęciu można zapisać:

F

s

= S

X

P S

i

[53] (3)

gdzie:

PS – pole powierzchni styku, S – naprężenie ścinające.

Siły adhezji rozumie się jako siły przyciągania między oponą a nawierzchnią. Na styku opona/nawierzchnia powstają siły molekularne, szczególnie istotne przy małych prędkościach poruszania się oraz przy gładkich oponach i nawierzchniach bez zabrudzeń.

Siły adhezji można opisać równaniem F

a

= s

Xn

i=1

A

i

= s · P S [52] (4)

gdzie:

s – siła przypadająca na powierzchnie styku opona/nawierzchnia,

P S

i

– pole powierzchni i – tego styku . Warto zauważyć, że pole powierzchni styku (rzeczywistego) opony z nawierzchnia stanowi ok. 1% pola powierzchni, które ma kontakt

z nawierzchnią szacowanego na zasadzie śladu opony na nawierzchni [78].

Siły związane ze sprężystym odkształcaniem się materiału opony na nawierzchni powstają kiedy opona porusza się po nierównościach materiał opony musi ’pokonać’

nierówności nawierzchni, na których się odkształca(E

1

). Siły związane z pokonywaniem nierówności nie równoważą się z siłami w momencie, kiedy guma z nich ’schodzi’(E

2

).

Różnica sił powoduje ogrzanie materiału i powstanie reakcji w zewnętrznej w kierunku ruchu (ale przeciwnym zwrocie). Wówczas siłę związaną ze sprężystym odkształcaniem się materiału opony można zapisać:

F

h

= 1/b(E

1

− E

2

) [52] (5)

gdzie:

b – odległość między nierównościami powierzchni jezdni.

Czynnik związany ze sprężystym odkształceniem został opisany w pozycji [77], a w pozycji [78] ten sam autor uwzględnił dodatkowo czynnik temperatury. W pozycji [37]

zawarto szczegółowe rozbicie poszczególnych składowych sił tarcia. Równania te póki, co nie mogą być wykorzystane w praktycznych pomiarach właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni, ze względu na liczbę zmiennych, które należałoby uwzględnić.

Siły tarcia można opisać więc równaniem:

F

t

= F

a

+ F

h

(6)

Można uogólnić, że siły adhezji wytwarzane są (pomiędzy oponą a nawierzchnią)

nierównościami w skali mikro (mikrotekstura), natomiast siły związane ze sprężystym

odkształcaniem się materiału opony są związane z nierównościami w skali makro (ma-

krotekstura) [100]. Jest to teza stosunkowo trudna do sprawdzenia i określenie wpływu

konkretnej nierówności na powstanie danych sił na tym teraźniejszym stanie techniki jest

trudne do przeprowadzenia.

(17)

2.3 Siły działające na koło pojazdu poruszającego się po na- wierzchni

Rozważania dotyczące sił działających na hamujące lub swobodnie toczące się koło opisano w pracach [5] oraz [86]. W poniższych rozważaniach skupiono się na zasadności pomiaru momentu hamującego i określaniu przez tą wielkość właściwości przeciwpoślizgowych.

W wyznaczeniu sił działających na hamujące koło posłużono się schematem pokazanym na rys. 5.

Rysunek 5: Siły działające na hamowane koło w przypadku mokrej powierzchni

gdzie: F

k

– siła oddziaływania pojazdu na koło

X

b

– siła oddziaływania nawierzchni na koło wskutek hamowania Z

k

– wypadkowa reakcja nawierzchni na siłę pionową

Q

k

– obciążenie pionowe koła e – przesunięcie siły Z

k

od osi e

2

– przesunięcie siły F

l

od osi

X

k

– siła wynikająca z oporu toczenia M

h

– moment hamujący

X

b

– siła oddziaływania nawierzchni na koło w skutek hamowania t grubość filmu wodnego

F

d

– siła oporu hydrodynamicznego wywołana przez film wody (działająca w odległości t/2 od nawierzchni)

F

d

= 0, 5 · C

D

· ρ · A

w

· v

2

(7)

(18)

C

D

– współczynnik oporu czołowego

A

w

– pole powierzchni filmu wodnego A

w

= w · t (w – szerokość opony) v – prędkość ρ – gęstość ośrodka (wody)

F

dg

– reakcja na styku koła z nawierzchnią na skutek pojawienia się siły oporu hydrodyna- micznego

F

k0

– Reakcja w kole na pojawienie się siły oporu hydrodynamicznego

F

l

– Siła podnosząca koło ze względu na opór płynięcia cieczy (wynikająca z prawa Pie- trowa)

F

lx

– Reakcja występująca między oponą a nawierzchnią na skutek siły F

l

Na podstawie rys. 5 równanie sumy momentu względem osi koła ma postać:

M

h

+ F

l

· e

2

+ F dg · r + Z

k

· e = F

lx

· r + F

d

· (r − t/2) + X

k

· r + X

k

· r (8) Stosując metodę superpozycji można wydzielić 4 podukłady służące uproszczeniu równania (8):

• układ pokazany na rys. 5 z kołem niehamowanym w warunkach suchych (pozostają jedynie siły zaznaczone kolorem zielonym), wówczas suma momentów względem osi koła ma postać

X

k

· r = Z

k

· e (9)

Równianie (9) pozwala zredukować ostatnie składniki sumy strony po obu stronach znaku równości równania (8).

Przyjmując uproszczenie, że wartość e się nie zmieni podczas hamowania i pojawienia się wody ta zależność będzie prawdziwa również w przypadku równania (8). Na podstawie równania (9) można wyprowadzić zależność:

µ

r

= X

k

Q

k

=

re

· Z

k

Zk = e

r (10)

gdzie

µ

r

– opór toczenia

Opona tocząca się po nawierzchni w linii prostej generuje między oponą, a nawierzch- nią niepożądaną z punktu widzenia użytkowania opór toczenia. Szczegóły na temat oporów toczenia koła po nawierzchni można znaleźć w pozycji [108]. Z równania (9) wynika, że opory toczenia zależą od geometrii układu, czyli od wartości e i r.

Wartości r oraz e mogą zależeć od szeregu czynników takich jak: wymiary opony i bieżnika, ciśnienie powietrza w oponie, nawierzchnia po której porusza się pojazd, prędkość pojazdu. W większości przypadków wartości µ

r

wynosi od 0,003 do 0,03 siły Q

k

.

• układ, w którym na koło działają tylko siły zaznaczone kolorem fioletowym, czyli układu, w którym niehamowane koło najeżdża na warstwę wody; suma momentów ma postać:

F

dg

· r = F

d

· (r − t/2) (11)

Ponownie po przyjęciu uproszczenia superpozycji skutków taką równość można

podstawić do równania 8 (spowoduje to zredukowanie przedostatnich składników

sumy po obu stronach znaku równości).

(19)

• układ, w którym na koło działają siły zaznaczone kolorem fioletowym i niebieskim, czyli układ, w którym niehamowane koło najeżdża na warstwę wody, która częściowo jest wtłoczona pod nawierzchnie. Suma momentów względem osi koła ma postać

F

dg

· r + F

l

· e

2

= F

lx

· r + F

d

· (r − t/2) (12) Po uwzględnieniu uproszczenia z równania (11) uzyskać można równość:

F

l

· e

2

= F

lx

· r (13)

Uwzględniając równanie (13) można zredukować drugie składniki po obu stronach znaku równości równania (8).

Po uwzględnieniu powyższych uproszczeń do równania (8) uzyskujemy postać:

M

h

= X

b

· r (14)

Z równania (14) wynika, że siła działają między oponą a nawierzchnią na koło wskutek hamowania (X

b

) zależy od wartości momentu hamującego oraz od odległości miedzy osią koła, nawierzchnią (r). W niniejszej rozprawie przedstawiono wyniki zestawiające obie te wartości jako zmienne w celu określenia właściwości przeciwpoślizgowych.

Z uwagi na brak możliwości pomiaru sił tarcia pomiędzy poszczególnymi ciałami będącymi w kontakcie do oceny możliwości ich powstawania zastosowano w niniejszej pracy właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni, które są pośrednią oceną tarcia między oponą a nawierzchnią. W każdym z przypadków wartość momentu M

h

ma znaczący wpływ na wartość siły X

b

, znaczącą wielkością wpływającą na rozkład sił jest promień r, który w szczegółach będzie określany w dalszej części rozprawy.

2.4 Czynniki wpływające na właściwości przeciwpoślizgowe na- wierzchni

Właściwości przeciwpoślizgowe jako parametr nawierzchni zależąc od szeregu czynników, zarówno wynikających z systemu pomiarowego, stosowanego do ich oznaczania jak i cech nawierzchni. Czynniki te zestawiono w tablicy nr 1.

Tablica 1: Czynniki wpływające na właściwości przeciwpoślizgowe [35]

warstwa prowadzenie opona czynniki

wierzchnia pojazdu zewnętrzne

nawierzchni

chropowatość poślizg względny bieżnik temperatura materiał opony ciśnienie w oponie obecność wody

temperatura

prędkość skład śnieg

zmiana obciążenie lód

kierunku temperatura

zanieczyszczenia

ruchu powierzchnia styku

(20)

2.4.1 Warunki pomiaru

• opona pomiarowa

Opony pomiarowe można podzielić na trzy grupy: opony gładkie, opony gładkie rowkowane, opony z bieżnikiem. Przykładowe opony pomiarowe przedstawiono na rys. 6.

Rysunek 6: Najpowszechniej stosowane opony pomiarowe, od lewej: PIARC SMOOTH, PIARC RIB, ASTM E 524, ASTM E 501, ASTM E 1136 (SRTT), Michelin Air 6x6, ASTM Michelin Air 6x6, ASTM E 1551, Trelleborg Unitester 520, Trelleborg FRICTION, Trelleborg T49, SCRIM [4], [98]

Wpływ różnych opon na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni przeanalizowano na oponach gładkich i rowkowanych w pracy [64]. W pracy [39] zestawiono wpływ grubości filmu wodnego na wartość wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych SN (rys. 7).

Rysunek 7: Wartości wskaźnika SN

40

w funkcji grubości filmu wodnego [39]

(21)

Reasumując wnioski z podanych prac, opony rowkowane wykorzystywane do oznacza- nia właściwości przeciwpoślizgowych są mniej wrażliwe na makroteksturę powierzchni warstwy wierzchniej nawierzchni z uwagi na rowki odprowadzające wodę, niż opony gładkie. Na potrzeby niniejszej pracy stosowano oponę rowkowaną Unitester 520.

W Polsce z uwagi na zmianę opon w urządzeniu SRT-3 (i SRT-4) powszechnie stosowanym do oceny właściwości przeciwpoślizgowych na sieci dróg krajowych zrealizowano pracę [63]. Wartym podkreślenia jest to, że w pracy [63] opracowano przeliczenia w zależności od prędkości: dla 30 km/h µ

p

= 0, 949 · µ

b

+ 0, 020, dla 60 km/h µ

p

= 0, 858 · µ

b

+ 0, 051 i dla 90 km/h µ

p

= 0, 880 · µ

b

+ 0, 031, gdzie µ

p

wartość wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych określanego za pomocą urządzenia SRT z oponą PIARC µ

b

wartość wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych określanego za pomocą urządzenia SRT z oponą Barum Bravuris. Opony przedstawiono na rysunku 8. Opona rowkowana PIARC pozwala na uzyskanie wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych mniejszego niż opona Barum Bravuris (opona z bieżnikiem) na tych samych nawierzchniach, a więc i kryteria powinny być inne. Opona rowkowana jest nieznacznie bardziej podatna na makroteksturę warstwy ścieralnej nawierzchni z uwagi na prędkość (zmieszanie się wartości wskaźnika właściwości przeciwpoślizgo- wych wraz z zwiększaniem prędkości pomiarowych).

Rysunek 8: Widok opon pomiarowych (po lewej Barum Bravuris po prawej PIARC)[63]

• poślizg względny opony

Poślizg względny opony definiowany jest jako iloraz prędkości poślizgowej opony (S) i prędkości pojazdu pomiarowego (v):

S = v − v

p

= v − (3, 6 · ω · r) (15) gdzie:

S – prędkość poślizgowa [km/h]

v – prędkość pojazdu [km/h]

v

p

– prędkość obwodowa opony [km/h]

ω - prędkość kątowa opony [rad/s]

r – promień opony [m]

S

r

= v − v

p

v · 100 = S

v · 100[%] (16)

Dla pełnego poślizgu (przyblokowania) opony, poślizg względny opony wynosi 100%.

(22)

Wartość poślizgu względnego opony ma znaczący wpływ na oznaczaną wartość wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych. Zależności te można scharakteryzować za pomocą krzywych przedstawionych na rys. 9.

Rysunek 9: Wskaźnik właściwości przeciwpoślizgowych w zależności od poślizgu względnego [113]

Zgodnie z wykresem zamieszczonym na rys. 9 właściwości przeciwpoślizgowe zależą od kombinacji właściwości opony i nawierzchni. Jest to powszechnie stosowana hipoteza, ale nie istnieje empirycznie potwierdzona zależność, która by opisywała wpływ poszczególnych czynników, na właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni.

Inne pozycje, w których znajdują się podobne relacje to [89], [65] lub [114].

Wartość wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych zwiększa się wraz ze zwiększe- niem poślizgu względnego opony, aż do krytycznej wartości poślizgu względnego opony mieszczącym się między (5) 10, a 20 (30)% (wartość 5 z uwagi na pomiary zawarte w [120], wartości 10 i 20 z pozycji [35] a wartość 30 z pozycji [65]. Następ- nie wraz ze wzrostem poślizgu względnego opony wartość wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych maleje, aż do wartości przy pełnym przyhamowaniu opony, różnica między wartością maksymalną wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych, a wartością przy pełnym poślizgu względnym może dochodzić do 50% [35].

W pracy [59] wartość maksymalna wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych jest

uzależniona od rodzaju opony oraz ciśnienia powietrza w oponie. Zależność między

(23)

ciśnieniem powietrza w oponie, a wartością maksymalną wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych była rosnąca, bądź malejąca w zależności od zastosowanej opony. Dodatkowym wnioskiem wynikającym z pracy [59] są różnice pomiędzy wartością wskaźników przy Sr=100% i Sr krytycznym wynoszącym od 33% do 48%.

Różnice te zwiększają się wraz ze zwiększaniem prędkości.

Istnieje pewna rozbieżność w interpretacji relacji wskaźników właściwości przeciwpo- ślizgowych i Sr. Pierwszym argumentem przemawiającym za systemami mierzącymi przy poślizgu względnym opony rzędu 10-20% jest możliwość ciągłego pomiaru, umożliwiająca ocenę odcinkową, a nie punktową jak w przypadku pomiarów przy Sr=100%. Kolejnym argumentem jest niewystępowanie pojazdów z kołami, gdzie blokowane jest koło podczas hamowania. System ABS skracający drogę hamowania przyhamowuje koło tylko do takiej wartości Sr, kiedy moment hamujący zwiększa się. Jednak jak wykazano w pracy [120] to urządzenia przeprowadzające pomiar przy Sr=100% mają lepszą korelację z makroteksturą niż te, które pomiaru realizują przy Sr<100%, co może być przesłanką do stwierdzenia, że to ta grupa urządzeń w większy sposób oddaje cechy nawierzchni niż opony pomiarowej.

Rozbieżności dotyczące przyczyn w zależnościach między Sr, a wskaźnikiem właści- wości przeciwpoślizgowych są wciąż otwartym tematem badawczym i najprawdopo- dobniej zostaną rozstrzygnięte wraz z opracowaniem szczegółowego modelu styku opona/nawierzchnia, który będzie weryfikowalny badaniami in situ, co umożliwi przeliczenie wskaźników właściwości przeciwpoślizgowych między poszczególnymi urządzeniami pomiarowymi. System ABS zmniejsza poślizg względny wraz ze zmniej- szeniem momentu hamującego (czyli w zakresie Sr 5–30%) i to w tym zakresie Sr większość pojazdów dokonuje hamowania (a przynajmniej powinna w standardo- wych przypadkach). Określanie wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych w tym zakresie Sr wydaje się więc być zasadne.

• ciśnienie powietrza w oponie pomiarowej

Wyniki uzyskane przy zastosowaniu różnych opon i różnych ciśnień powietrza w

oponie przedstawiono w pracy [59]. Na rys. 10 zaprezentowano wykres zależności

między Sr a wskaźnikami właściwościami przeciwpoślizgowych przy zastosowaniu

różnych opon pomiarowych i ciśnień powietrza.

(24)

Rysunek 10: Wpływ rodzaju opony i ciśnienia w oponie na właściwości przeciwpoślizgowe oznaczane urządzeniem VTI przy v=30 km/h [4]

Rodzaj opony i wartość ciśnienia ma nie tylko wpływ na wartość wskaźnika właści- wości przeciwpoślizgowych, ale również na wartość poślizgu względnego (S

r

), przy którym występuje maksymalna wartość wskaźnika.

• odchylenie koła pomiarowego od kierunku ruchu

Odchylenie koła pomiarowego występuje w grupie urządzeń, w których koło swobodnie się toczy, a koło jest odchylone o kąt α. Wówczas poślizg względny opony można określić jako:

S

r

= sin(α) (17)

Wskaźnik, którym można posłużyć się do opisu właściwości przeciwpoślizgowych przy tej grupie urządzeń to SFC (ang. Sideway Force Coefficient) zdefiniowany jako [61]:

SF C = F

y

Q

k

(18)

gdzie: F

y

– siła działająca w kierunku prostopadłym do osi koła, pomiarowego Q

k

– siła pionowa obciążająca koło pomiarowe

W przypadku tego pomiaru występuje zależność zobrazowana na rys. 11.

(25)

Rysunek 11: Zależność między kątem α a wskaźnikiem SFC [17]

• typ pomiaru (ciągły/punktowy)

Pomiar punktowy jest realizowany przez urządzenia stacjonarne i urządzenia o poślizgu względnym koła pomiarowego równym 100%. Pomiar ciągły jest możliwy urządzeniami o zmiennym lub stałym (ale mniejszym niż 100 %) poślizgu względnym oraz urządzeniami z odchylonym kołem pomiarowym w stosunku to kierunku ruchu (pomiar jest dyskretny ale interwał zbieranych danych zależy od zastosowanych czujników, a nie od sposobu pomiaru). Urządzenia umożliwiające pomiar ciągły mają możliwość zlokalizowania odcinków o pogorszonych właściwości przeciwpoślizgowych, natomiast urządzenia o pomiarze punktowym mogą być znacznie bardziej wydajne przy pomiarach na sieci drogowej.

• rodzaj docisku (docisk grawitacyjny/mechaniczny)

Rodzaj siły docisku jest rozważany wraz z innymi czynnikami w programach badaw- czych takich jak [15].

• wartość siły pionowej siły docisku koła pomiarowego do nawierzchni

Pierwsze relacje między siłą normalną, a wskaźnikiem właściwości przeciwpoślizgo- wych znajdują się w pracy [94]. Wpływ siły dociskającej w układach grawitacyjnych jest wyraźnie zauważalny przy wzroście prędkości [74].

• ilość wody dostarczanej na styk opona/nawierzchnia

Wzrost ilości wody do zwilżenia powierzchni jezdni zmniejsza wskaźniki właściwości przeciwpoślizgowych, co pokazano w pracach [11] i [25].

• temperatura nawierzchni

Temperatura nawierzchni podczas pomiaru ma zróżnicowany wpływ na wartość

wskaźników właściwości przeciwpoślizgowych. W pracy [9] wskazano wzrost wartości

(26)

wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych wraz ze wzrostem temperatury. W pracy [73] podano relację odwrotną. W pracy [43] wykazano zwiększanie wartości wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych wraz ze zwiększaniem temperatury przy większych wartościach prędkościach pomiarowych. Jednocześnie dla mniejszych prędkości pomiarowych zaobserwowano odwrotną zależności.

2.4.2 Czynniki związane z nawierzchnią

• geometria powierzchni jezdni

Geometria powierzchni może być opisana parametrami takimi jak falistość lub chro- powatość. Zależność między chropowatością, a właściwościami przeciwpoślizgowymi przedstawiono między innymi w pracy [72], [16]. Zależność tą zilustrowano za pomocą wykresu 12.

Rysunek 12: Właściwości przeciwpoślizgowe nawierzchni cechujących się różną mikro i ma- kroteksturą (A - mała makrotekstura i duża mikrotekstura, B - duża makrotekstura i duża mikrorotekstura, C - mała makrotesktura i mała mikrotekstura, D - duża makrotekstura i mała mikrotekstura) [16]

• pochylenie podłużne niwelety jezdni

Wpływ pochylenia podłużnego niwelety jezdni na oznaczaną wartość wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych można znaleźć w pracy [67].

• równości poprzeczna nawierzchni

Równości poprzeczna nawierzchni również może wpływać na właściwości przeciwpo- ślizgowe, co pokazano w pracy [26].

• skuteczność oprowadzenia wód opadowych z powierzchni jezdni

Skuteczne odprowadzenie wód opadowych z powierzchni jezdni ma niebagatelny

wpływ na właściwości przeciwpoślizgowe poprzez zapobiegnięcie powstania zjawiska

aquaplaningu [86]. Ważnym jest zauważanie różnicy pomiędzy pomiarami nierówno-

ści, a właściwościami mającymi za zadanie odprowadzenie wód opadowych. Można

(27)

to zobrazować koncepcją zawartą w pracy [60], gdzie wprowadzono podział na pozy- tywną i negatywną chropowatość, którą obrazowo przedstawiono na rys. 13. Miarą przy tym podziale jest objętość znajdująca się między powierzchnią nawierzchni a umowną powierzchnią odniesienia.

Rysunek 13: Ilustracja koncepcji pozytywnej (a) i negatywnej (b) chropowatości

• oznakowanie poziome jezdni

W pracy [58] wykonano badania prowadzące do relacji między właściwościami prze- ciwpoślizgowymi, a wartościami parametru MPD i współczynnika luminancji ozna- kowania. W pracy [14] wykazano różnice we właściwościach przeciwpoślizgowych nawierzchni w zależności od technologii wykonania oznakowania poziomego. Jak wy- kazano, najlepszymi właściwościami przeciwpoślizgowymi charakteryzują się kolejno:

oznakowanie cienkowarstwowe z farb, grubowarstwowe – gładkie chemoutwardzalne i grubowarstwowe – gładkie termoplastyczne.

• skład warstwy ścieralnej nawierzchni:

Rodzaj kruszywa zastosowanego do MMA był w szczegółach rozważany m.in. w pracach [22, 28]. Wg pracy [22] najgorsze właściwości przeciwpoślizgowe posiadają nawierzchnie z warstwą ścieralną z kruszywa wapiennego, następnie z kruszywa bazal- towego, najwyższe wartości odnotowali autorzy w przypadku kruszywa pochodzącego z żużla wielkopiecowego. W pracy [117] zaproponowano formułę:

F N = 41, 4 − 0, 0075 · d

2

145 · ln(LAV P ) + 0, 245 · LA

waer

(19) gdzie FN – ang. friction number oznaczany przy prędkości 64 km/h,

d – procentowa zawartość kruszywa dolomitowego w MMA, LAVP – liczba pojazdów poruszających się po jezdni, LA

wear

– ścieralność w bębnie Los Angeles.

Natomiast w pracy [107] zaproponowano formułę:

M SSC = 0, 024 − 0, 000063 · CV D + 0, 010 · P SV (20)

(28)

gdzie: MSSC – mean summer SCRIM coefficient (wartość wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych oznaczonego urządzeniem SCRIM),

CVD – liczba pojazdów na pasie ruchu na dzień, PSV – ang. Polished Stone Value

Wpływ ilości asfaltu zastosowanego do produkcji MMA na wskaźnik właściwości przeciwpoślizgowych był podjęty w pozycji [6]; w pracy tej wykazano zmniejszenie wartości wskaźnika BPN wraz ze zwiększaniem zawartości asfaltu dla tej samej mieszanki mineralnej.

W pracy [1] wykazano brak związku między zawartością wolnych przestrzeni w warstwie wierzchniej, a wskaźnikiem SN.

• czas

Zmiany wartości wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych zaobserwowane na przestrzeni 10 lat w oparciu o wyniki uzyskane urządzeniem typu Skiddometer BV 11 przedstawiono w publikacji [49].

Dodatkowo ważnym aspektem są właściwości przeciwpoślizgowe warstwy ścieralnej w początkowej fazie jej eksploatacji początkowa faza pracy warstwy ścieralnej. Zmiany w pierwszym okresie eksploatacji można zauważyć m.in. na nawierzchniach beto- nowych z odkrytym kruszywem [123], czy na nawierzchniach z asfaltową warstwą ścieralną [62].

• natężenie ruchu

Model uwzględniający zmiany we wskaźniku właściwości przeciwpoślizgowych w funkcji natężenia ruchu opracowano w pozycji [21]

• zanieczyszczenie nawierzchni

Wpływ zanieczyszczenia nawierzchni na wartość wskaźników właściwości przeciw- poślizgowych jest złożony ze względu na rodzaj ośrodka, który daną nawierzchnię zanieczyszcza. Ogólną tendencje przedstawiono na rys. 14.

Rysunek 14: Wpływ zabrudzenia nawierzchni na wskaźnik właściwości przeciwpoślizgowych

[79]

(29)

Nawierzchnia sucha i zanieczyszczona w chwili opadów stanowi relatywnie największe zagrożenie dla ruchu pojazdów z uwagi na skokową zmianę wartości wskaźnika wła- ściwości przeciwpoślizgowych. Nawierzchnia po wyczyszczeniu powinna cechować się lepszymi właściwościami przeciwpoślizgowymi niż nawierzchnia zanieczyszczona (po- równując nawierzchnie mokrą niewyczyszczoną z nawierzchnią mokrą wyczyszczoną oraz nawierzchnie suchą wyczyszczoną z nawierzchnią suchą niewyczyszczoną).

2.5 Przegląd metod stosowanych do oceny właściwości przeciw- poślizgowych nawierzchni

Do oceny właściwości przeciwpoślizgowych nawierzchni na świecie stosuje się wiele metod, które można pogrupować zgodnie z tablicą 2.

Tablica 2: Metody stosowane do oceny właściwości przeciwpoślizgowych (opracowano na podstawie [61, 87])

metody mobilne metody stacjonarne

urządzenia urządzenia oznaczające urządzenia oznaczające

do oceny właściwości metody do oceny właściwości

chropowatości przeciwpoślizgowe chropowatości przeciwpoślizgowe nawierzchni na podstawie pomiarów nawierzchni na postawie

związanych z oponą testową skutków siły tarcia

profilometry

całkowity poślizg profilometry np. CTM wahadło angielskie względny opony outflow meter urządzenia typu drag sleed częściowy poślizg

piasek kalibrowany DFT

względny opony odchylenie koła pomiarowego

od kierunku ruchu

2.5.1 Urządzenia mobilne do oceny chropowatości nawierzchni

Metody wykorzystujące profilometr. Do oznaczenia profilu powierzchni jezdni może służyć profilometr. Najczęściej stosowane są profilometry: laserowe, świetlne, mechaniczne, ultradźwiękowe. Najbardziej rozpowszechnionym wskaźnikiem wyznaczanym na podstawie profilu nawierzchni jest wskaźnik MPD (ang. mean profile depth) obliczany na podstawie wzoru:

M P D = max

1

(z) + max

2

(z)

2 − z (21)

gdzie:

max

1

(z) – wartość maksymalna z pierwszej części profilu max

2

(z) – wartość maksymalna z drugiej części profilu z – wartość średnia obliczona na podstawie rzędnych profilu

Interpretacja graficzna wskaźnika MPD została przedstawiona na rys. 15.

(30)

Rysunek 15: Ilustracja wyznaczania wielkości niezbędnych do obliczenia wskaźnika MPD [110]

Uzyskiwane wartości MPD z pomiarów mogą posłużyć do wyznaczenia wartości wskaź- nika SN (ang. skid number) z indeksem oznaczającym prędkość pomiaru [42] za pomocą równania:

SN

40

= 132 · MP D + 19 (22)

gdzie: SN – wartość wskaźnika właściwości przeciwpoślizgowych (ang. Skid Number), wyznaczana na podstawie wzoru (25).

Należy jednakże zwrócić uwagę na pozycję [38], gdzie różnice w określeniu MPD za pomocą CMT oraz High–Speed Laser były silnie skorelowane (R

2

= 0, 92) jednak różnice między wartościami wynosiły na różnych odcinkach od 19,8% do 82,1%. Stąd wnioskowanie o właściwościach przeciwpoślizgowych tylko z tych badań może być zawodne.

• Profilometr laserowy oparty jest na czujniku elektryczno–optycznym w którym wiązka

laserowa odbita od powierzchni jezdni w zależności od położenia w różny sposób

trafia na matryce światłoczułą. Przykład profilometru laserowego przedstawiono na

rys. 16.

(31)

Rysunek 16: Ilustracja zasady działania profilometru laserowego, gdzie 1 – generator wiązki laserowej, 2 – soczewki, 3 – wiązka laserowa, 4 i 4’ – obiekt przy różnych położeniach, 5 – optyczny układ odbiorczy, 6 – matryca światłoczuła, 7 – przykładowy obraz zarejestrowany za pomocą matrycy, 8 – oznaczony profil [12]

• Profilometr świetlny , którego zasada działania oparta jest na liniowej wiązce światła rejestrowanej przez kamerę. Oprogramowanie dedykowane kamerze przetwarza zarejestrowane na matrycy położenie linii laserowej nadając wysokość poprzez zasadę triangulacji. Przykład profilometru świetlnego przedstawiono na rysunku 17.

Rysunek 17: Ilustracja zasady działania profilometru świetlnego [80]

• Profilometr mechaniczny to taki, który rejestruje profil za pomocą igły dotykającej nawierzchnie. Podczas przemieszczania się igły rejestruje się przebyty dystans i zmiany wysokości (na przykład przez transformatorowy czujnik przemieszczeń liniowych LVDT). W praktyce w drogownictwie ten rodzaj profilometru nie jest wykorzystywany z uwagi na kontakt ostrze/powierzchnia jezdni i zbyt długo trwający pomiar.

• Profilometr ultradźwiękowy określa profil na podstawie pomiaru czasu między nada-

niem sygnału akustycznego a jego odebraniem. Zmierzony czas jest proporcjonalny

(32)

do odległości między źródłem sygnału a powierzchnia jezdni, stąd uzyskać można profil badanej powierzchni.

2.5.2 Urządzenia mobilne pozwalające określić właściwości przeciwpoślizgowe na podstawie pomiarów związanych z oponą testową

Lista urządzeń stosowanych w różnych krajach jest rozbudowana. Jest to spowodowane różnymi rozwiązaniami technologicznymi i specyfiką pomiarów w różnych krajach. Najczę- ściej funkcjonujący podział urządzeń uwzględnienia mechanizm dokonywanego pomiaru.

Rozróżnić można podział na urządzenia: ze stałym (częściowym) poślizgiem względnym koła pomiarowego, całkowitym poślizgiem względnym koła pomiarowego, zmiennym pośli- zgiem względnego koła pomiarowego oraz z kołem swobodnie toczonym odchylonym o kąt α od kierunku ruchu [61].

Grupa urządzeń ze stałym (częściowym) poślizgiem względnym koła po- miarowego.

• SKIDDOMETER BV-11. Urządzenie SKIDDOMETER BV-11 składa się z przy- czepki pomiarowej i samochodu ze zbiornikiem wody. Urządzenie umożliwia pomiar ze stałym poślizgiem względnym wynoszącym 17%. Przyczepka ma masę 360 kg, ślad opony pomiarowej jest szerokości 75 mm i długości 118 mm (pod obciążeniem pneumatycznym 1000 N). Ciśnienie w oponie pomiarowej wynosi 140 kPa (opona Trelleborg 49). Pomiarowi podlega moment obrotowy potrzebny do przyhamowania koła pomiarowego połączonego za pomocą przekładni łańcuchowej z pozostałymi kołami urządzenia, odległość za pomocą enkodera oraz siła pionowa dociskająca koło [111]. Urządzenie powszechnie wykorzystywane w Szwecji (kraj pochodzenia urządzenia) i na Słowacji.

Rysunek 18: Urządzenie pomiarowe Skiddmoeter BV-11 (źródło: www.moventor.com)

• CSR (ang. Continuous Skid Resistance). Urządzenie szczegółowo opisano w punkcie 4.1.1

• ASFT (ang. Airport Surface Friction Tester). Urządzenie szczegółowo opisano w

punkcie 4.1.2

(33)

• GripTester. Urządzenie szczegółowo opisano w punkcie 4.1.3 Wśród innych urządzeń z tej grupy można wymienić:

• Stuttgarter Reibungsmesser – urzadzenie niemieckie wykonujące pomiar przy 20%

stałym poślizgu względnym koła pomiarowego (z możliwością całkowitego poślizgu względnego)

• DWW (Dienst Weg-en Waterbouwkunde friction tester) Trailer – urządzenie pro- dukcji holenderskiej jako jedno z niewielu dokonuje pomiar przy stosunkowo dużym poślizgu względnym koła pomiarowego wynoszącym 86%

• Runway Friction Tester – urządzenie pochodzące z USA o poślizgu względnym koła pomiarowego równym 15%

Grupa urządzeń z całkowitym poślizgiem względnym koła pomiarowego

• ASTM E-274 - urządzenie w postaci przyczepki pomiarowej powszechnie stosowane w USA, Francji i Anglii przedstawione na rys. 19.

Rysunek 19: Urządzenie pomiarowe ASTM E-274 (źródło: www.intlcybernetics.com)

Za pomocą tego urządzenia można określić wartość wskaźnika SN. Przy zapisie stosowany jest indeks określający prędkość pomiarową. Wartość SN jest obliczana ze wzoru (dla urządzeń rejestrujących jedynie wartość SN) [3]:

SN = 1 t

2

− t

1

t2

Z

t1

sn (t)dt [3] (23)

sn (t) = X

b

(t)

Q

k

(t) · 100 [3] (24)

gdzie: sn(t) – wartość skid number w dziedzinie czasu X

b

(t) – siła pozioma w dziedzinie czasu

Q

k

(t) – siła pionowa w dziedzinie czasu t

1

– czas rozpoczęcia pomiaru

t

2

– czas zakończenia pomiaru

Dla urządzeń rejestrujących siłę pionową i siłę poziomą SN = X

b

Q

k

· 100 [3] (25)

(34)

gdzie: X

b

- -siła pozioma,

Q

k

– siła pionowa (dynamiczna) lub dla urządzeń bez rejestracji pionowej siły dynamicznej Q

k

= Q

k0

(H/L)

gdzie: H – wysokość zaczepienia przyczepki,

L – odległość od zaczepienia do osi koła pomiarowego, Q

k0

– wartość statyczna obciążenia na koło pomiarowe

Opona pomiarowa jest rozgrzewana poprzez przejazd o długości 3 km przy prędkości v = 64km/h. Wartości pozostałych parametrów, przy których prowadzone są pomiary: F = 4825 ± 1800N (siła pionowa działająca na koło pomiarowe) prędkość pomiarowa ±3km/h ciśnienie powietrza w oponie pomiarowej 165kP a ± 10%

System zapisu (SN + )

LT (V −∆V )

SN – skid number + przyrost SN przy mniejszej wartości v,

L – informacja na temat odcinka T – informacja na temat opony V – nominalna prędkość

∆V zmiana prędkości [3]

• SRT (Skid Resistance Tester) urządzenie powszechnie wykorzystywane na drogach krajowych będących w zarządzie Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad w Polsce. Urządzenie wykorzystuje się w wersjach SRT-3 i SRT-4. Widok urządzenia przestawiono na rys. 20.

Rysunek 20: Urządzenie pomiarowe SRT-4 [83]

(35)

Rysunek 21: a) schemat pomiarowy urządzenia SRT-3, b) wyniki uzyskiwane w trakcie pomiarów urządzeniem SRT [33]

Urządzenie SRT umożliwia pomiar:

1. siły poziomej

2. siły działającej podczas hamowania (T) (wartością mierzoną za pomocą czujnika

oznaczonego symbolem F

c2

na rys. 21. Autorzy układu zakładają, że siła

(36)

odpowiadająca za tarcie między oponą a nawierzchnią co do wartości jest równa sile z tego czujnika T = F

c2

)

3. momentu obrotowego (proporcjonalnego do siły W = M/r) potrzebnego do zmieszania prędkości obrotowej koła pomiarowego

4. siły pionowej działającej na koło pomiarowe 5. prędkości obrotowej (v

k

).

Oznaczenia przyjęto zgodnie z rys. 21. Niewątpliwą zaletą układu pomiarowego jest możliwość uzyskania charakterystyki zależności właściwości przeciwpoślizgowych w funkcji poślizgu względnego opony.

Wśród innych urządzeń z tej grupy można wymienić:

• LCPC Adhera – francuskie urządzenie wykorzystujące gładką oponę pomiarową

• Skiddometer BV–11 – szwedzkie urządzenie, w przeciwieństwie do wersji BV-8 z całkowitym poślizgiem opony pomiarowej

• Japanese Skid Tester – japońskie urządzenie wykorzystujące gładką oponę pomiarową

• Diagonal Braked Vehicle – urządzenie firmowane przez NASA o standardowej pręd- kości pomiaru 65 km/h

Grupa urządzeń ze zmiennym poślizgiem względnym koła pomiarowego.

• ROAR (ang. Road Analyzer and Recorder). Urządzenie produkowane przez norwe- skiego producenta, jest wykorzystywane w Norwegii i Holandii. Urządzenie ROAR pozwala na zmienny poślizg względny opony od 5 do 95%, urządzenie jest wyposa- żone w system laserowy pozwalający określić wskaźnik MPD. Urządzenie zostało przedstawione na rys. 22. W urządzeniu ROAR wykorzystywana jest gładka opona pomiarowa ASTM 1551 napompowana do ciśnienia 200 kPa. Obciążenie na koło pomiarowe wynosi 1200 N.

Rysunek 22: Urządzenie pomiarowe ROAR a) widok urządzenia b) widok koła pomiarowego

[17]

Cytaty

Powiązane dokumenty

Impact of fluvial facies architecture on doublet life time The results of the production simulations with detailed flu- vial facies architecture realisations are compared to

Step 2: Rate preferences per variable Step 3: Assign weights to variables Step 4: Determine design constraints Step 5: Generate design alternatives Step 6: Select optimal

Stanowisko typologiczne, które każe w opisie zjawisk uwidoczniać głów nie cechy istotne ze w zględu na ich przynależność do wyodrębnionych typów nadrzędnych,

W zakresie temperatury użytkowej uzy- skiwane wielkości wzrastają wraz z ilością dodatku (w temperaturze 60°C nawet 3,5-krotnie), natomiast w zakresie temperatury

Charakterystykę silników przeprowadzono na podstawie param etrów i wskaźników konstrukcyjnych, (pojemność skokowa, układ cylindrów, w skaźnik skokowości, stopień

Przy asymetrii podprzejściowej generatora synchronicznego podczas długo- trwałego zwarcia dwufazowego w linii przesyłowej (umiejscowionym blisko generatora), mimo

W celu wykonywania złożonych badań, związanych z analizowaniem właściwości dynamicznych różnych czujników i systemów do pomiaru prędkości przepływu, konieczna jest

Procedura badania koleinowania pakietu warstw na- wierzchni w temperaturze 60°C oraz odporności na deformacje trwałe metodą cyklicznego ściskania w temperaturze 40°C