CC BY
73
УДК 625.72:502.55
МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ КАК ФАКТОР СНИЖЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
А.Ю. Пархоменко, аспирант, А.С. Минаков, мл. научн. сотр.,
И.В. Кияшко, профессор, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Проанализировано влияние транспортно-эксплуатационного состояния автомобильных дорог на режим работы двигателя автомобиля и количество выбросов выхлопных газов в атмосферу. Рассмотрены методы неразрушающего контроля качества дорог. Приведены перспективы использования метода спектрального анализа поверхностных волн для мониторинга состояния дорог.
Ключевые слова: выхлопные газы, транспортно-эксплуатационное состояние, неразрушающий контроль, поверхностная волна.
МОНІТОРИНГ СТАНУ ДОРОЖНЬОГО ОДЯГУ ЯК ФАКТОР ЗНИЖЕННЯ ЗАБРУДНЕННЯ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА
О.Ю. Пархоменко, аспірант, О.С. Мінаков, мол. наук. співр.,
І.В. Кіяшко, професор, к.т.н., ХНАДУ
Анотація. Проаналізовано вплив транспортно-експлуатаційного стану автомобільних доріг на режим роботи двигуна автомобіля та кількість викидів вихлопних газів в атмосферу. Розглянуто методи неруйнівного контролю якості доріг. Наведено перспективи використання методу спектрального аналізу поверхневих хвиль для моніторингу стану доріг.
Ключові слова: вихлопні гази, транспортно-експлуатаційний стан, неруйнівний контроль, поверхнева хвиля.
PAVEMENT CONDITION MONITORING AS A FACTOR FOR DECREASING
ENVIRONMENTAL POLLUTION
A. Parkhomenko, postgraduate, A. Minakov, junior research worker,
I. Kiyashko, Professor, Candidate of Technical Science, KhNAHU
Abstract. The road conditions influence on the working mode of the automobile engine as well as the amount of exhaust gases emission into the atmosphere are analyzed. The methods of nondestructive quality control of road conditions are considered. The perspectives of spectral analysis application of surface waves for road conditions monitoring are presented.
Key words: exhaust gases, road condition, nondestructive control, surface wave.
Введение
За последние десятилетия, с развитием различных отраслей промышленности и транспорта, значительно возросло загрязнение окружающей среды. Наземный транспорт -один из основных источников загрязнения. Значительная доля загрязнения приходится
на автомобильный транспорт. Выхлопные газы двигателей содержат сложную смесь, состоящую из более двухсот компонентов, среди которых немало канцерогенов. При эксплуатации подвижных транспортных средств вредные вещества поступают в воздух окружающей среды с испарениями из топливных систем и при заправке, однако,
главным образом, с отработавшими газами. Транспортно-эксплуатационное состояние
автомобильных дорог оказывает непосредственное влияние на режим работы двигателя и, как результат, на объемы выбросов вредных веществ в атмосферу [1].
Анализ публикаций
В виду значительной протяженности автомобильных дорог, при проведении работ по оценке их состояния, рационально использовать неразрушающие экспресс-методы. Основные параметры, которые подлежат контролю, - это прочность и геометрические параметры слоев дорожной конструкции [4].
На современном этапе конструирования дорожной одежды повсеместно используются слои жесткого и полужесткого типа. Это обусловлено их повышенными прочностными свойствами, высокой технологичностью и большей долговечностью [7]. Наличие жестких слоев позволяет конструкции надежно работать в условиях воздействия нагрузок от автопоездов повышенной грузоподъемности без возникновения разрушений и деформаций, в основном образованию колеи по полосам наката. Работоспособность в период эксплуатации слоев, содержащих неорганическое вяжущее, и их срок службы главным образом зависит от условий ухода за свеже-уложенным слоем в период структурообра-зования [8]. Контроль набора прочности в период строительства и последующий мониторинг прочностных свойств конструкции жестких дорожных одежд позволит оценить существующее транспортно-эксплуатационное состояние автомобильной дороги, выполнить прогноз его изменения и, как результат, предотвратить возникновение деформаций и разрушений участков дороги на будущее [5]. Уровень загрязнения атмосферного воздуха отработанными газами автотранспорта зависит от режима его работы. Двигатель автомобиля в нормальных условиях работает 30 % времени на холостом ходу, 30-40 % - с постоянной нагрузкой, 20-25 %
- в режиме разгона и 10-15 % - в режиме торможения. При этом на холостом ходу автомобиль выбрасывает в среднем 5-7 % углекислого газа (СО) от объема всего выхлопа. Одновременно при таком режиме увеличивается в 2-2,5 раза выброс углеводородов и в 1,5 раза - альдегидов. В процессе движения с постоянной нагрузкой автомо-
биль выбрасывает лишь 1-2,5 % СО. В условиях неравномерного движения объем выбросов в 8-10 раз выше объема выброса отработанных газов в условиях движения с постоянной скоростью при нормальной работе двигателя [2]. На режим движения автомобилей в значительной степени оказывает влияние транспорно-эксплуатационное состояние автомобильной дороги. Воздействие погодно-климатических факторов, транспортной нагрузки, технологические особенности при строительстве и эксплуатации дорог формируют напряженно-деформированное состояние конструкции дорожной одежды и обуславливают появление деформаций и разрушений её конструкции. Образование некоторых видов деформаций и разрушений обусловлено снижением прочностных свойств дорожной одежды [6]. Результатом возникновения дефектов покрытия является снижение его ровности и сцепных качеств; данное обстоятельство приводит к неоднородному режиму движения автомобильного транспорта и, как следствие, к увеличению выбросов токсичных веществ в атмосферу. Поэтому мониторинг состояния сети автомобильных дорог с целью выявления локальных разрушений, скрытых дефектов, участков с интенсивным снижением физико-механических свойств для предупреждения появления разрушений и деформаций дорожных покрытий является актуальной задачей.
Цель и постановка задачи
Целью работы является адаптация фазового виброакустического метода для выполнения работ по контролю качества цементобетонных слоев дорожной одежды и мониторинга их состояния в процессе эксплуатации.
Оценка методов неразрушающего контроля качества
Различают механические и физические группы методов контроля качества цементобетонных конструкций [4].
Механические методы основаны на локальном разрушении конструкций в тестовых точках. Прочностные свойства материала оцениваются по силе, необходимой на разрушение части изделия (при испытании на прочность при скалывании ребра или на отрыв анкерного устройства), по твердости по-
верхности (при испытании методами ударного воздействия). Данные методы достаточно просты, с точки зрения проведения испытаний, однако отличаются невысокой точностью, не дают информации о наличии дефектов в конструкции, мало подходят для детального обследования слоев жесткой дорожной одежды в период эксплуатации.
Более информативными являются физические методы [5]. К ним относятся радиометрический, электрический и виброакустиче-ские методы контроля. Использование указанных методов позволяет получить данные о прочностных свойствах конструкции, толщине и плотности, наличии скрытых дефектов, оценить её надежность. Наибольшее распространение получили виброакустиче-ские методы контроля. К ним относятся ультразвуковой, импульсный, резонансный, ударный, фазовый.
Ультразвуковой метод был разработан в первую очередь для оценки качества цементобетонных изделий гражданского строительства, где повсеместно возможно проведение испытания по основной схеме - сквозное прозву-чивание конструкций. В случаях, когда применение такой схемы затруднено, была разработана схема прозвучивания при одностороннем доступе к изделию. Однако использование такой схемы испытания возможно при определении коэффициента про-звучивания на основе проведения серии тестов на лабораторных образцах для каждого вида смеси [3]. Использование такой схемы для контроля качества слоев дорожной конструкции затруднено, поскольку материал может поставляться из различных источников. Данный факт требует много времени для определения коэффициента прозвучивания. На современном этапе весьма перспективным является фазовый метод. Основной информационной характеристикой метода являются параметры распространения поверхностной волны типа Релея. С развитием вычислительной и измерительной техники появилась возможность регистрации данного типа волн, а использование математического аппарата позволяет оценивать параметры их распространения. Под воздействием импульсной нагрузки в слое конструкции возникают непериодические колебания широкого спектра частот. Известно, что глубина проникновения поверхностной волны Релея пропорциональна её длине, которая опреде-
ляется соотношением скорости к частоте. На основании этого строятся зависимости скорости распространения волны Релея от частоты или от её длины, которые называются дисперсионными кривыми. Такая зависимость является характеристикой упругих свойств материала и может быть использована для определения модуля упругости и толщины. Для обработки сигнала, построения дисперсионной кривой и оценки физикомеханических параметров материала используется механизм спектрального анализа с использованием методов статистики и преобразования Фурье в качестве математической базы. Оборудование для регистрации и обработки параметров распространения поверхностных волн состоит из источника ударного воздействия (нагружения), сейсмоприемников (виброакселерометров) и комплекса по обработке сигнала (рис. 1).
Рис. 1. Оборудование для регистрации и обработки параметров распространения поверхностных волн типа Релея: 1 - источник нагружения; 2 - сейсмоприемники; 3 - комплекс по обработке сигнала
Выводы
В целом метод характеризуется высокой точностью и информативностью, низкой трудоемкостью, быстротой проведения работ, не требует привлечения высококвалифицированных специалистов, имеет относительно невысокую стоимость оборудования,
что делает данный метод рациональным для выполнения работ по контролю качества слоев дорожной одежды в период их строительства, и осуществления мониторинга их состояния в период эксплуатации. Мониторинг состояния автомобильной дороги позволит спрогнозировать возникновение и развитие деформаций и разрушений, поддерживать требуемое транспортно-эксплуатационное состояние сети автомобильных дорог на соответствующем уровне и снизить уровень загрязнения окружающей среды.
Литература
1. Израэль Ю.А. Экология и контроль состояния природной среды / Ю.А. Израэль.
- М. : Гидрометеоиздат, 1984. - 560 с.
2. Кавтарадзе Д.Н. Автомобильные дороги в экологических системах / Д.Н. Кавтарадзе. - М. : Трансдорнаука, 2007. - 240 с.
3. ГОСТ 17624. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности. Введен 01.01.1988 взамен ГОСТ 17624-78, ГОСТ 24467-80. - М. : Издательство стандартов, 1989. - 18 с.
4. Фирстов В.Г. Неразрушающие методы испытания дорожных конструкций и ма-
териалов / В.Г. Фирстов, С.К. Кашкин, Г.Я. Почтовик. - М. : Транспорт, 1964. -124 с.
5. Почтовик Г.Я. Методы и средства испытания строительных конструкций / Г.Я. Почтовик, А.Б. Злочевский, А.И. Яковлев. -М. : Высшая школа, 1973. - 196 с.
6. Золотарьов В. О. Випробування дорожньо -
будівельних матеріалів: лабораторний
практикум / В.О. Золотарьов, В.І. Братчун, О.В. Космін та ін. ; за заг. ред. В.О. Золо-тарьова. - Харків : ХНАДУ, 2006. - 352 с.
7. Коревицкая М.Г. Неразрушающие методы контроля качества железобетонных конструкций / М. Г. Коревицкая. - М. : Транспорт, 1989. - 178 с.
8. Грушко И.М. Повышение прочности и выносливости бетона / И.М. Грушко, А.Г. Ильин, Э.Д. Чихладзе. - Харьков : Вища школа, 1986. - 152 с.
Рецензент: Э.Б. Хоботова, профессор, д.т.н.,
ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 1 ноября
2010 г.
