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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Temperatur einer Asphaltbetonschicht einer Strassendecke durch Messung der Temperatur von Luft, die als Wärmeträger von der Asphalt- betonschicht zu einer Temperaturmesseinrichtung benutzt wird, sowie eine Einrichtung zur Durch- führung des Verfahrens.
In einer Reihe von Einflussfaktoren, die die Güte der errichteten Strasse mit einer Decke aus
Asphaltbeton bestimmen, sind die wichtigsten die Dichte und die Festigkeit des letzteren oder ge- nauer genommen, der aus ihm errichteten konstruktiven Schichten. Während die Festigkeit der
Strassendecke durch eine ganze Reihe technologischer Tatsachen bestimmt wird, die bei der Her- stellung des Asphaltbetons realisiert werden, ist die Dichte der Strassendecke nur ein Ergebnis der Bearbeitung des schon fertigen Asphaltbetongemisches direkt auf der Strasse, d. h. ein Er- gebnis des Vorgangs der mechanischen Verdichtung.
Das Ziel der mechanischen Verdichtung be- steht in der Regel in der Erzeugung eines Materials mit geringem Porositätsgrad, der neben der physikalischen Festigkeit des Materials der Strassendecke den Hauptkennwert darstellt, der die Beständigkeit der Strassendecke im Laufe des Betriebs bestimmt. Falls die Porosität die zulässi- ge Grenze überschreitet, so führt das unter den Verhältnissen von sich stark ändernden klimati- schen Bedingungen, besonders in hohen nördlichen Breiten, zu einer schnellen Zerstörung der Strassendecke, was einen zusätzlichen Aufwand für ihre Reparatur erfordert.
Die Ursache der Zerstörung ist die Feuchtigkeit, die in die Poren der Strassendecke eindringt, in Abhängigkeit von der Temperatur ihr Volumen ändert, und so neben den Betriebsspannungen zusätzliche Innenspannungen in der Strassendecke erzeugt, die oft genug die einzige Ursache für die Zerstörung der Strassendecke sind.
Beim Erreichen einer minimalen Porosität der Strassendecke und deren maximaler Festigkeit, die in einem bestimmten Grad auch von der Porosität abhängt, ist man bestrebt, die Bedingungen der Verdichtung so zu wählen, dass die durch die Verdichtungsmaschinen in dem auf die Strassensohle aufgelegten Asphaltbetongemisch hervorgerufenen Spannungen in einer bestimmten Beziehung zur Druckfestigkeit dieses Gemisches stehen. Diese Beziehung hat die Form: a = 0,94 bis 0,98 ad; hierin sind a der laufende Wert der Spannung und ad der Wert der Druckfestigkeit des Decken gemisches.
Ein anderer sehr wichtiger Umstand, der bei der Verdichtung des Deckengemisches berücksichtigt wird, besteht darin, dass das Gemisch auf die Strassensohle mit einer Temperatur von 140 bis 1600C aufgetragen wird, und im Laufe der Verdichtung fällt diese Temperatur bis auf die umgebende Temperatur ab. Der Temperaturabfall ist exponentiell. In Anbetracht des oben gesagten sieht der Verdichtungsvorgang sehr arbeitsaufwendig aus, da ad ihren Wert in Abhängigkeit von der Temperatur ändert, und das bedeutet, dass man o ständig ändern muss unter Überwachung des Werts ad nach der oben angeführten Beziehung. Anders gesagt, muss die an das Deckengemisch im Laufe deren Verdichtung angelegte Belastung desgleichen nach einem exponentiellen Gesetz ge- ändert werden, wobei sie ständig erhöht wird.
Die vernünftigen Grenzen der Temperatur des Deckengemisches, in denen die Verdichtung durchgeführt wird, liegen im Bereich von 130 bis 150 bis 70 bis 60 C.
Bei der Entwicklung von Strassenwalzen zur Verdichtung der Strassendecke aus heissem oder warmem Asphaltbeton ist man bestrebt, die Forderung nach einer allmählichen Erhöhung der Belastung auf das abkühlende Gemisch zu erfüllen. In diesem Zusammenhang ist ein Verfahren zur Verdichtung der Strassendecke bekannt, bei dem die Verdichtung der Reihe nach mit mehreren Strassenwalzen mit unterschiedlichem Gewicht, zuerst mit leichten und dann mit schwereren Strassenwalzen, durchgeführt wird. Nach diesem Gesichtspunkt ist es üblich, sämtliche Strassenwalzen in drei Klassen der Masse nach einzuteilen ; leichte Strassenwalzen mit einer Masse bis 5 t, mittlere mit einer Masse von 5 bis 10 t und schwere mit einer Masse über 10 t. Diese Einteilung, obwohl sie allgemein angenommen ist, trägt trotzdem einen bedingten Charakter.
In einer jeden Gewichtsklasse ist eine noch feinere Einteilung der Masse nach möglich, so z. B. kann die leichte Klasse Strassenwalzen mit einer Masse von 1, 5, 3 und 5 t umfassen.
Zur Realisierung des oben erwähnten Verfahrens sind 3 bis 7 und mehr Strassenwalzen verschiedener Gewichtsklassen erforderlich. Es soll hervorgehoben werden, dass zur Zeit schon eine Idee zur Konstruktion von Strassenwalzen besteht, mit denen das exponentielle Gesetz der Be-
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bzw.durchzuführen gestattet (s. das Buch von V. V. Badalov u. a. "Einfluss der Technologie und der Me- chanisierungsmittel auf die Baugüte von Asphaltbetonstrassendecken", LDNTP, [1977], S. 2l). Das aus zwei Blöcken - dem Registrierungsblock und dem Messblock - bestehende Gerät wird auf der
Strassenwalze befestigt.
Der Messblock des Geräts wird am Rahmen der Walze in einem Abstand von
80 bis 100 cm von der Oberfläche der Asphaltbetondecke befestigt. Der Registrierungsblock ist auf dem Armaturenbrett in der Kabine des Operators angeordnet. Die elektrische Speisung des Geräts geschieht vom Akkumulator der Walze.
Es soll hervorgehoben werden, dass die kontaktlosen Temperaturmessverfahren und die für diese Zwecke zur Anwendung kommenden Pyrometer, insbesondere das Gerät zur Walzungskontrolle, kompliziert und aufwendig sind. Ausserdem wird mit ihnen in allen Fällen die Temperatur der Ober- fläche der Körper, so auch des Asphaltbetons, gemessen. Die Temperatur der Asphaltbetonober- fläche unterscheidet sich aber unter Betriebsverhältnissen stark von der Mitteltemperatur der
Schicht oder von der Temperatur im Innern der Asphaltbetonschicht. Die Oberfläche der Asphalt- betonschicht ist im Verlauf der Verdichtung ständig mit Wasserflecken bedeckt, die infolge der obligatorischen ausgiebigen Befeuchtung der Strassenwalzentrommeln mit Wasser entstehen. Dieses Oberflächenwasser verzerrt die Temperaturmessung.
Deshalb müssen wesentliche Korrekturen in die Messergebnisse eingebracht oder Oberflächen aufgesucht werden, die nicht mit Wasser überzogen sind.
Eines der kontaktlosen Verfahren, die zur Zeit zur Messung der Temperatur von Objekten verwendet werden, besteht in der Temperaturmessung eines gasförmigen Wärmeträgers, mit dem die Oberfläche dieser Objekte angeblasen wird. Ein solches Verfahren und der Aufbau der ent- sprechenden Einrichtung sind im SU-Urheberschein 251870 beschrieben.
Bei Anwendung zur Temperaturmessung des Asphaltbetons hat das angegebene Verfahren und die diesbezügliche Einrichtung eine Reihe von Nachteilen, von denen der wichtigste das Fehlen der erforderlichen Genauigkeit und Sicherheit ist. Dieser Umstand ist durch den starken Einfluss des Oberflächenzustands des Asphaltbetons hervorgerufen, der aus den oben angegebenen Gründen stark angefeuchtet sein kann, ausserdem üben ihren Einfluss auch die atmosphärischen Bedingungen, d. h. das Vorhandensein von Wind und Niederschlägen und die Lufttemperatur, aus. Alles das bringt schwer berücksichtigbare Fehler in die nach diesem Verfahren ermittelten Temperatur- anzeigen ein.
Bei dem Verfahren und der Einrichtung, von denen die Erfindung ausgeht, sind in einem gewissen Mass die Nachteile der oben beschriebenen Verfahren und Einrichtungen beseitigt. Dieses Verfahren und die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind im SU-Urheberschein 51477 beschrieben. Das Wesen des Verfahrens besteht darin, dass die Temperatur der Oberfläche des Grunds u. ähnl. Materialien nach der Temperatur eines wärmeleitenden Gehäuses, das einen Indikator der Strahlungsenergie umgibt, und der im Gehäuse eingeschlossenen Luft im Augenblick des Gleichgewichts des Strahlungswärmeaustausches zwischen der zu messenden Oberfläche und den Teilen der Messeinrichtung bestimmt wird. Die Bilanz der Strahlungsenergie an den Lötstellen des Strahlungsenergieindikators, z.
B. einer Thermosäule, die mit andern Körpern ein bestimmtes System bildet, muss gleich Null sein, wenn alle zum System gehörenden Körper dieselbe Temperatur haben, was unmittelbar aus dem Kirchhoffschen Gesetz folgt.
Das Verfahren wird mit einer Einrichtung durchgeführt, die aus einem massiven Metallgehäuse besteht, das auf einer Seite offen und mit einer Heizwicklung aus einem Draht mit hohem Widerstand versehen ist. Das Gehäuse ist mit einer Wärmeisolation überzogen und in sein Inneres ist ein Quecksilberthermometer eingesetzt. Im Innern des Gehäusehohlraums ist ein Strahlungsenergieindikator untergebracht, der die Strahlung der zu untersuchenden Oberfläche aufnimmt. Dieser Indikator ist mit einem Galvanometer elektrisch verbunden und durch ein Fenster aus Steinsalz oder Fluorit vom übrigen Gehäuseinnenraum getrennt ; im Innern ist das Gehäuse versilber.
Das angegebene Verfahren und die Einrichtung zu seiner Durchführung erhöhen die Messgenauigkeit der Temperatur im Vergleich zu den oben betrachteten Verfahren und Einrichtungen, da in diesem Fall der Einfluss der äusseren und insbesondere der atmosphärischen Faktoren ausgeschlossen ist.
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Die Genauigkeit und Sicherheit der Temperaturmessung nach diesem Verfahren entspricht je- doch nicht den Anforderungen der modernen Technologie der Verdichtung des Asphaltbetons.
Tatsächlich entstehen beim Vorhandensein von Feuchtigkeit auf der Oberfläche der Strassen- decke wesentliche Fehler bezüglich der Ausstrahlung, d. h. mit andern Worten, es geht eine stän- dige Änderung der Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Feuchtigkeitsänderung an der
Strassendecke vor sich, da praktisch keine konstante Feuchtigkeit garantiert werden kann. Ausser- dem gibt die Anzeige, wie fast bei allen oben beschriebenen analogen Einrichtungen, nicht die
Temperatur im Innern der Deckenschicht wieder, und gerade das interessiert die sich mit der Ver- dichtung befassenden Technologen.
Die Glaubwürdigkeit der erhaltenen Ergebnisse der Temperaturmessung wird also gering sein.
Es muss auch auf die Kompliziertheit der Einrichtung selbst hingewiesen werden, die solche
Elemente wie ein Galvanometer, eine steuerbare Heizwicklung und den eigentlichen Indikator für die Strahlungsenergie umfasst.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vereinfachtes Verfahren zur Messung der Tem- peratur einer Asphaltbetonschicht zu entwickeln, bei dem gewährleistet ist, dass die Temperatur der als Wärmeträger verwendeten Luft die gemittelte Temperatur der Asphaltbetonschicht wieder- gibt, und ferner eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, die einfach im Aufbau ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass beim Verfahren zur Messung der Temperatur einer
Asphaltbetonschicht einer Strassendecke durch Messung der Temperatur von Luft, die als Wärme- träger von der Asphaltbetonschicht zu einer Temperaturmesseinrichtung benutzt wird, erfindungs- gemäss die Luft vor der Messung ihrer Temperatur durch die Asphaltbetonschicht filtriert wird.
Die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens enthält eine hohle wärmeisolierte Kammer mit einem in ihrem Innern untergebrachten Temperaturmesser und ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels einer Kolbenvakuumpumpe evakuierbare Kammer vorgesehen ist, deren Hohlraum mit dem Hohlraum der wärmeisolierten Kammer über ein steuerbares Ventil verbun- den ist.
Durch die erfindungsgemässe Lösung wird die Glaubwürdigkeit der Ergebnisse der Temperaturmessung der Asphaltbetonschicht sehr stark erhöht. Das erklärt sich dadurch, dass während der Filtrierung der Luft durch die Asphaltbetonschicht die Luft das poröse System des Asphaltbetons durchdringt und die ganze Stärke der Schicht bestreicht, weshalb sie im Moment der Temperaturmessung eine integrierte und gleichzeitig gemittelte Information über die Temperatur nicht nur an der Oberfläche der Schicht, sondern der ganzen Schicht liefert. Dabei ist das Verfahren äusserst einfach und die Einrichtung ist kompakt, hat einen einfachen Aufbau und ist einfach und sicher im Betrieb.
Vorzugsweise erfolgt im erfindungsgemässen Verfahren die Filtrierung der Luft durch die Asphaltbetonschicht in der Weise, dass über jenem Teil der Asphaltbetonschicht, dessen Temperatur bestimmt werden soll, ein Unterdruck erzeugt wird, so dass die Luft durch die Asphaltbetonschicht gesaugt wird.
Eine solche Lösung ist auch aus dem Gesichtspunkt der Ausführungsmöglichkeit besonders einfach.
An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur erfindungsgemässen Messung der Temperatur einer Asphaltbetonschicht im Längsschnitt ; Fig. 2 das Steuerschaltbild des Elektromotors zum Antrieb des Lüfterflügelrads der in der Fig. 1 dargestellten Einrichtung ; Fig. 3 das Steuerschaltbild des Temperaturindikators der in der Fig. 1 dargestellten Einrichtung und Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Einrichtung gemäss der Erfindung im Längsschnitt.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Messung der Temperatur der Asphaltbetonstrassendecke besteht im folgenden : Die Temperatur der Asphaltbetonschicht wird nach der Temperatur der Luft, die als Wärmeträger dient, beurteilt. Um eine glaubwürdige Information über die Temperatur der Asphaltbetonschicht zu erhalten, wird die Luft durch die Asphaltbetonschicht filtriert und danach wird ihre Temperatur gemessen.
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Bei der Filtrierung oder, mit andern Worten, Bewegung der Luft durch die Asphaltbeton- schicht durchströmt diese das poröse System des Asphaltbetons, bestreicht die ganze Stärke der
Schicht und liefert deshalb im Moment der Temperaturmessung eine integrierte und gleichzeitig gemittelte Information über die Temperatur nicht nur an der Oberfläche der Strassendecke, sondern der ganzen Schicht.
Die Filtrierung der Luft durch die Schicht der Strassendecke erfolgt durch Erzeugung eines
Unterdruckes über einen Flächenabschnitt der Strassendecke, den man vom umgebenden Medium iso- liert. Dabei wird über diesem Abschnitt der Oberfläche ein Druck aufrechterhalten, der geringer ist als der Druck im Innern der Strassendecke und im umgebenden Medium. Infolge der Druck- differenz beginnt eine Filtrierung der Luft aus dem Gebiet des höheren Drucks in das Gebiet des niedrigeren Drucks. Die Luft, die sich im Innern der Strassendecke befand, hatte schon die Tem- peratur der letzteren, und die die Strassendecke durchströmende Luft erhält desgleichen diese Tem- peratur. Der gleichmässige, sich mit einer niedrigen Geschwindigkeit bewegende Luftstrom hat eine konstante Temperatur, die dem gemittelten Wert der Temperatur der Asphaltbetonschicht ent- spricht.
Es soll hervorgehoben werden, dass die Filtrierung der Luft durch die Asphaltbetonschicht auch mittels der Erzeugung eines Überdrucks der Luft über dem Flächenabschnitt der Strassen- decke oder mit andern Worten, mittels einer Zwangsbeförderung der Luft durch die Strassendecke gewährleistet werden kann.
Voraussetzung für die Anwendbarkeit des erfindungsgemässen Verfahrens mit dem erwünschten
Effekt ist die Porosität des Asphaltbetons.
Diesem Merkmal nach werden dichte Gemische, die eine bleibende Porosität von 3 bis 5% auf- weisen, und poröse Gemische mit einer bleibenden Porosität von 5 bis 10% unterschieden. Eine be- sonders weite Verbreitung hat im Strassen- und Flughafenbau der heisse Asphaltbeton gefunden, der seine Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur stark ändert. Der Temperaturbereich von 70 bis 160 C ist besonders rationell zur Bildung der erforderlichen Asphaltbetonstruktur. Das
Wesen des Verdichtungsvorgangs besteht darin, dass unter dem Einfluss mechanischer Kräfte, die auf das zu verdichtende Asphaltbetongemisch einwirken, die Mineralteilchen sich annähern, was eine Verminderung der Porosität bewirkt.
Dabei geschieht eine teilweise Verdrängung der einge- schlossenen Luft sowie eine gewisse Neuverteilung des freien Bitumens, das die Poren des Asphalt- betons ausfüllt. Die bleibende Porosität des dichten Asphaltbetons muss im Bereich von 3 bis 5% des Volumens liegen. Diese Porosität setzt sich zusammen aus dem Gesamtvolumen der Zwischenkernräume, die vom Bitumen frei bleiben und dem gesamten Volumen der Poren, die in den Mineralmaterialien vorhanden sind. Wenn man von der Porosität als von einem der Elemente der Asphaltbetonstruktur spricht, muss besonders der in gegenseitiger Verbindung stehende Teil des Porenraums beachtet werden. Es ist ein Teil des gesamten Porositätsraums des Asphaltbetons, der die Bezeichnung der bleibenden Porosität trägt.
Somit wird der Asphaltbeton als ein poröses Medium betrachtet, in dessen Poren sich ein Gas befindet, das die Temperatur des umgebenden Mediums hat. Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Abtrennung des Gases vom porösen Medium, um dann ausserhalb dieser Schicht seine Temperatur zu messen. Das Porensystem bildet in einem jeden porösen Medium eine sehr komplizierte Oberfläche, die schwer geometrisch zu charakterisieren und desgleichen schwer mathematisch zu beschreiben ist. Die Bewegung des Gases im porösen Medium kann jedoch leicht nach dem Verfahren der elektrohydraulischen Analogien verfolgt werden.
Also wird bei der Erzeugung eines Unterdrucks über einem bestimmten Gebiet der Oberfläche des Asphaltbetons stets eine Bewegung des Gases aus den inneren Schichten des Gemisches in das evakuierte Gebiet, d. h. in Richtung zur Oberfläche der Strassendecke entstehen. Dabei werden die Gase beim Austritt aus den Schichten des Gemisches einen gemittelten Wert der Temperatur des Asphaltbetons besitzen.
Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Messung der Tempera-
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durchgehend ausgeführt. Der innere Hohlraum --2-- der aus einem gasdichten Material, insbesondere aus Metall, ausgeführten Kammer-l-ist mittels einer Auskleidung --3-- mit Schaumstoff wärmeisoliert.
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Im Breitteil der Kammer-l-ist an ihrer Stirnseite --4-- ein Stützflansch --5-- angeordnet, der an der Stützseite, d. h. an der der Strassendecke zugewendeten Seite, eine Abdichtungsscheibe --6-- mit Ringrillen --7-- aufweist, wobei diese Rillen eine Labyrinthdichtung bilden. Als Material für die Scheibe --7-- wird vorzugsweise nachgiebig-elastischer Vakuumgummi verwendet.
Im Hohlraum --2-- der Kammer --1-- ist längs ihrer Achse in der Zone des Stützflansches --5-- ein Widerstandsthermometer --8-- angeordnet, das als Temperaturmesser dient und mit einer Stromquelle, einem Akkumulator --9--, elektrisch verbunden ist. An der Stirnseite --10-- der Kam- mer-l-ist zum Saugen der Luft durch die Schicht der Strassendecke ein Sauglüfter --11-- vorge- sehen. Sein Flügelrad --12-- ist im Schmalteil der Kammer-l-in unmittelbarer Nähe ihrer Stirnseite --10-- untergebracht. Das Flügelrad --12-- ist mittels einer Welle --13-- mit einem Gleichstrommotor --14-- verbunden, der seinerseits mit dem Akkumulator --9-- elektrisch verbunden ist.
Das Gehäuse des Elektromotors --14-- ist in der Fassung --15-- einer Konsole --16-- angeordnet,
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Elektromotors trägt (die letzteren sind in den Zeichnungen nicht dargestellt).
Das in der Fig. 2 gezeigte Steuerschaltbild des Elektromotors --14-- enthält ausser dem Akkumulator --9-- eine parallel zum Elektromotor --14-- geschaltete Zener-Diode --18-- und einen Trimmerwiderstand --19--. Ausserdem sind in der Schaltung zwei Schalter --20-- vorhanden. Es
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dernde Abhängigkeit zwischen der Drehzahl und dem Moment hat.
Das in der Fig. 3 gezeigte Steuerschaltbild des Temperaturindikators umfasst eine Messbrückenschaltung --21--, in deren einen Arm das Widerstandsthermometer --8-- eingeschaltet ist, das mit
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--22-- inTemperaturindikators linearisiert.
Die erfindungsgemässe Einrichtung (Fig. 4) zur Messung der Temperatur der Asphaltbetonschicht weist zum Saugen der Luft durch die Schicht der Strassendecke eine Kolbenvakuumpumpe --24-- mit einer Art Windkessel --25-- auf, die an der Stirnseite --10-- der Kammer --1-- angebracht wird. Der Innenhohlraum --26-- des Windkessels --25-- ist über ein steuerbares Ventil --27-- und ein Rohr --28-- mit dem Hohlraum Kammer-l-verbunden. An der Kam- mer-l-ist ein Vakuummeter --29-- angebracht, das mit dem Hohlraum --2-- der Kammer--1-- in Verbindung steht.
In der Wandung der Kammer-l-ist eine Öffnung mit dem druckdicht eingesetzten Quecksilberthermometer --30-- vorgesehen, dessen Quecksilberballon --31-- sich längs der Achse der Kammer-l-in der Zone ihres Stützflansches --5-- befindet.
Beim Betrieb der Einrichtung nach Fig. 1 wird diese auf die Oberfläche der Asphaltbetonstrassendecke so aufgestellt, dass die Gummidichtungsscheibe --6-- den Innenhohlraum --2-- der
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Elektromotor --14-- eingeschaltet, auf dessen Welle --13-- das Flügelrad --12-- sitzt. Das letztere beginnt beim Einschalten des Elektromotors die Luft aus dem Innenvolumen der Kammer-l-zu evakuieren. Dabei wird im Hohlraum der letzteren ein Druck erhalten, der nach einer gewissen Zeit geringer ist als der Druck der sich in der Schicht des Asphaltbetons befindenden Luft.
Dabei beginnt die Filtrierung der Luft aus der Zone des höheren Drucks in die Zone des niedrigeren Drucks, d. h. ins Innere der Kammer --1--. Da die Luft, die sich im Innern der heissen Asphaltbetonschicht befindet, die Temperatur dieses Materials hat, wird sie auch nach ihrem Austritt aus der Schicht eine Temperatur aufweisen, die der mittleren Temperatur der Asphaltbetonschicht nahe ist. Diese Bewegung der Luft geschieht ununterbrochen, und deshalb wird die Temperatur des Luftstroms in der Nähe der Oberfläche der Strassendecke konstant und gleich der mittleren Temperatur der Asphaltbetonschicht sein.
Das sich in der Nähe der Strassendeckenoberfläche befindende Widerstandsthermometer --8-- wird vom Gasstrom erwärmt und registriert auf diese Weise die mittlere Temperatur der Asphaltbetonstrassendecke.
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