DE10356516A1

DE10356516A1 - Verfahren und Einrichtung zum Online Messen der Verdichtung im Straßenbau

Info

Publication number: DE10356516A1
Application number: DE2003156516
Authority: DE
Inventors: Mihail Gitis
Original assignee: Gitis Mihail Prof Drdr
Current assignee: Gitis Mihail Prof Drdr
Priority date: 2003-12-04
Filing date: 2003-12-04
Publication date: 2005-07-07

Abstract

Die meisten konventionellen Kontrollmethoden im Straßenbau sind Punktmethoden. Kontinuierliche Messwerte liefert das Verfahren der flächendeckenden Verdichtungskontrolle (FDVK). Der Einsatz der FDVK zur Überwachung des Verdichtungsvorgangs im Asphaltbau bleibt unmöglich seit Jahren. Im Erdbau stoßen die Anwender auch auf viele Schwierigkeiten, da die Ausganginformation über die Verdichtung/Tragfähigkeit des Bodens immer an bestimmte Boden-Geräte-Paarungen gebunden ist.Beim vorgeschlagenen Verfahren misst man die Änderungen der Straßenbodendicke vor und nach der Walzenüberfahrt mittels Ultraschalls. Dafür befestigt man vor und nach der Verdichtungseinrichtung zwei Ultraschallwandler, die die Abstände von ihrer Oberfläche bis zum Boden bzw. die Änderungen jedes Abstands während des Verdichtungsverlaufs messen. Dadurch entsteht die Möglichkeit, bei jeder Überfahrt des Verdichtungsgeräts die Setzung des Bodens zu berechnen. Damit kann man die Verdichtungsprozessüberwachung und Qualitätsprüfung mehrseitig verbessern, und zwar DOLLAR A - die flächendeckende Setzung für beliebige Zeit- und Flächenpunkte zur Verfügung zu stellen; DOLLAR A - die Anzahl von Überfahrten zu optimieren; DOLLAR A - die Setzungen als Funktion der Überfahrtnummer zu speichern und dann den Verlauf der Abhängigkeit der Setzung der Überfahrtnummer zu überwachen und als Prüfungsmerkmal zu nutzen; DOLLAR A - falls es um Mehrschichtenboden geht und o. g. Abhängigkeiten für jede Schicht gespeichert sind, besteht die Möglichkeit, ...

Description

Anwendungsgebiet:
Die Erfindung betrifft ein Online Verfahren und seine Realisierung zur kontinuierlichen automatischen Messungen der Verdichtungsgrad, was zu den wichtigsten Qualitätsparametern im Straßenbau gehören.
Zweck:
Der Zweck der Erfindung ist die Entwicklung des Verfahrens und der Einrichtung zu seiner Realisierung, um die Möglichkeit zu gewährleisten, die Verdichtung der oben liegenden Schicht und der unten liegenden Schichte getrennt kontinuierlich Online messen zu können.
Stand der Technik:
Die meisten konventionellen Kontrollmethoden im Straßenbau sind Punktmethoden, die systematisch oder statistisch eingesetzt werden. Im Erdbau wären hier sowohl den statischen Plattendruckversuch, als auch seinen verschiedenen Ersatzmethoden, Isotopeneinstichsonden, Fallgewichte zu erwähnen.
Im Asphaltbau werden hauptsächlich Bohrkerne, Isotopenaufsetzsonden, PQI und DOR Geräte verwenden.
Kontinuierliche Messwerte liefern die Verfahren der Flächendeckende Verdichtungskontrolle (FDVK), die über walzenintegrierte Messgeräte die Beschleunigung der Walzenbandage registrieren und aus dem Beschleunigungssignal ein Messwert der Verdichtung ermittelt.
Der Nachteil von praktisch allen konventionellen Kontrollmethoden ist die Tiefenwirkungen, die sich von Methode zu Methode unterscheiden. Dadurch sind ihre Resultate als Absolutwerte angegeben, solange die Messbedingungen von standardisierten nicht abgewichtet werden oder muss man jedes Mal neue Kalibrierung des Verfahrens durchführen. Sogar haben radiometrische Aufsetzsonde im Erd- und Asphaltbau je nach Material unterschiedliche Tiefenwirkungen, wobei tiefere Schichten anteilig immer weniger ins Gewicht fallen. Zudem beeinflussen Wassergehalt oder Bitumenanteil das Messergebnis.
Aufgabe:
Die Aufgabe der unten beschriebenen Erfindung ist die Entwicklung des Verfahrens zur Online Verdichtungsmessungen und der Einrichtung zu seiner Realisierung, die die Möglichkeit zur Verfügung stellt, sowohl die Dichte und Elastizitätsmodule der obersten Schicht, als auch den allgemeinen Verdichtungsgrad von allen Schichten getrennt kontinuierlich und ohne Kalibrierung zu messen.
Lösung:
Die Lösung basiert auf die gleichzeitigen Messungen von Änderungen der Straßenbodendicke vor und nach der Walzenbelastung (Bild 1) und Messungen der Ausbreitungsparameter (die Geschwindigkeit und Verluste) der Stoneley Wellen, die entlang einer Grenze zwischen dem Boden und den hinten der Walze befindenden drei Wellenleitern laufen (Bild 2).
Die Erfassung der Änderungen der Straßenbodendicke finden, wie es im Bild 1 gezeigt wird, mittels zwei Ultraschallwandler 1 und 2 statt, die man auf der Walzenachse 4 mit gleicher Höhe vom undeformierten Boden senkrecht zum Boden befestigt. Falls die Walze 3 über den Straßenboden 5 läuft, werden die durch Wandler gemessene Höhe H n / 1 und H n / 2 , sobald der Verdichtungsvorgang läuft, ungleich. Damit zeigt der Unterschied beider Höhen ΔHn = Hn1 - Hn2 (1)die Änderungen in der gemeinsamen Straßenbodendicke 6 nach der Walzenbelastung (n-bedeutet laufende Nummer der Walzenbelastung während der Bodenverdichtung), falls die unten liegenden Schichten noch nicht verdichten sind. Im Gegenfall zeigt die Abhängigkeit
Δ Hⁿ (n) die Verdichtungsänderungen in der obenliegenden Schicht.
Der Einsatz der Stoneley Wellen dient zur Erfassung der Dichte und elastischer Module oberer Schicht der Straßenboden. Es ist bekannt/Stoneley R. Elastic waves at the surface of separation of two solids. Proc. Roy. Soc. London A, 1924, v. 106, p. 416-429/, dass die entlang der Grenze zwischen zwei Festkörpern laufenden elastischen Wellen über spezifische Eigenschaften verfügen. Insbesondere hängt ihr Wellenvektor k^vert, mit anderem Wort eine Ausbreitungsgeschwindigkeit s^vert, von Dichten ρ₁ und ρ₂, Elastizitätsmodulen λ₁ und λ₂ und Schubmodulen μ₁ und μ₂ beider Medium ab, wenn es um die Stoneley Welle mit vertikaler Polarisation geht. Falls die Stoneley Wellen mit horizontaler Polarisation verwendet werden, häng ihr Wellenvektor k^hor, mit anderem Wort eine Ausbreitungsgeschwindigkeit s^hor, nur von Dichten ρ₁ und ρ₂ und Schubmodulen μ₁ und μ₂ beider Medium ab.
Im Bild 2 wird gezeigt, wie eine Stoneley Welle an der Grenze des Straßenbodens 1 und eines Wellenleiters 2 erzeugt werden kann.
Im Bild 2a kann man die Version sehen, wenn eine Stoneley Welle entlang einer Bildungslinie des Wellenleiters, der sich herum seiner Achse drehen kann, ausbreitet.
Ein Ultraschallwandler 3 erzeugt eine Oberflächenwelle mit horizontaler oder vertikaler Polarisation, die in die Richtung des Empfängers 4 läuft. Dafür nutzen die beide Wandler eines von bekannten Verfahren. Auf die Strecke AB wandelt sich diese Oberflächewelle in eine Stoneley Welle um. Wenn sich die Wandler bei der Drehung des Wellenleiters oben befinden, findet keine Umwandlung die Oberflächenwelle in die Stoneley Welle statt.
Falls man die beide Ausbreitungszeiten vergleicht, besteht die Möglichkeit, die s^vert oder s^hor der entsprechende Stoneley Welle zu berechnen.
Im Bild 2b wird anderen Fall gezeigt, wenn die durch Wandler 3 erzeugte Oberflächenwelle zur Grenze mit dem Straßenboden, wo wieder die Umwandlung dieser Welle in die Stoneley Welle stattfindet, senkrecht zur Achse des Zylinders ausbreitet.
Standardmäßig muss der Wellenvektor k^vert/hor, bzw. eine Ausbreitungsgeschwindigkeit S^vert/hor, aus Dispersionsgleichung berechnet werden, falls die Parameter beider Medium bekannt sind. Zum Zweck der Messung von Parameter eines Mediums – obere Schicht des Straßenbodens – nutzt man auch Dispersionsgleichung unter den Voraussetzungen, dass die Parameter zweites Medium – Wellenleiters – vorläufig bestimmt wurden und dadurch bekannt sind und entsprechende Ausbreitungsgeschwindigkeit der Stoneley Welle jedes Mal gemessen werden. Damit bleiben in der Dispersionsgleichung nur Parameter oberer Schicht des Straßenbodens als unbekannte.
Da die Dispersionsgleichung drei unbekannten Parameter oberer Schicht des Straßenbodens beinhaltet, und zwar die Dichte ρ₁, das Elastizitätsmodul λ₁ und das Schubmodul μ₁, muss man über drei unabhängigen Dispersionsgleichungen verfügen oder mit anderem Wort muss man drei unabhängige Messungen von Ausbreitungsgeschwindigkeit der Stoneley Wellen durchführen. Dafür stehen zur Verfügung folgenden Möglichkeiten

– den Einsatz von drei aus unterschiedlichen Stoffen hergestellten Wellenleiter, dessen Kontaktoberflächen mit dem Straßenboden entlang die Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Stoneley Wellen mit vertikaler Polarisation gemessen werden müssen;
– den Einsatz von zwei aus unterschiedlichen Stoffen hergestellten Wellenleiter. In einem Wellenleiter misst man Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Stoneley Wellen mit horizontaler und vertikaler Polarisationen. Im anderem Wellenleiter misst man nur eine Ausbreitungsgeschwindigkeiten der Stoneley Wellen mit vertikaler oder horizontaler Polarisation. Die mögliche Richtungen der Wellenausbreitung sind in Bilder 2a und 2b gezeigt.

Dabei bekommt man die Möglichkeit aus diese Gleichungen, oben genannte unbekannte Parameter der oberen Schicht für jedes laufende Nummer der Walzenbelastung während der Bodenverdichtung zu berechnen und damit den Vorlauf des Verdichtungsprozesses in oberer Schicht zu beobachten und einzuschätzen.
Jeder Wellenleiter sieht ähnlich aus, wie es im Bild 2 gezeigt wird. Die Wellenleiter werden hinten der Walze einen neben anderem senkrecht zur Richtung der Walzenbewegung oder einen hinten anderem entlang der Richtung der Walzenbewegung befestigt.
Gewonnene Information stellt auch zur Verfügung die Möglichkeit, noch ein wichtige Parameter der oberen Schicht, und zwar die Fluidität, zu bestimmen. Wenn man ρⁿ und ρ^n-1 misst, kann man damit mechanische Deformation ε berechnen: ε = (ρn - ρn-1)/ρn. (2)
Von anderer Seite, da elastische Module oberer Schickt λ₁ aus Messungen und das Walzengewicht P aus technische Dokumentation bekannt sind, besteht die Möglichkeit elastische Deformation oberer Schicht ε^elast zu berechnen; εelast = λ1·P. (3)
Damals ist die Deformation ε^Fluid, die mit der Fluidität oberer Schicht verbunden ist, ε - ε^elast gleich.
Falls man oben beschriebene Messungen mit der unabhängigen Messungen der Ultraschallausbreitungslaufzeit T^long in die Richtung oberer Schichttiefe ergänzt, bekommt man die Möglichkeit, sowohl die obere Schichtstärke, als auch das gemeinsame Verdichtungsmaß der untenliegenden Schichten zu messen und zu ermitteln.
Longitudinale Ultraschallgeschwindigkeit S n / long in oberer Schicht kann aus vorher gemessene Parameter der Schicht (ρ₁, λ₁ und μ₁) für beliebiges Nummer n berechnet werden und zusammen mit T^long lässt die Schichtstärke h n / ober = S n / long·T^long berechnen.
Gleichzeitig ermittelt man die Aussage über die Verdichtung unten liegender Schichten, da die zu ΔHⁿ - h n / ober - h n-1 / ober proportional.
Zwei Möglichkeit zur Integration der Messungen mittels der Stoneley und longitudinalen Wellen, die durch Wandler 5 erzeigt werden, werden im Bild 3 gezeigt.
Erzielbaren Vorteile:

– Online Messung der Dichte, Elastizitätsmodule und die Stärke oberer Schicht des Straßenbodens;
– Online Messung der Verdichtung oberer Schicht des Straßenbodens;
– Separate Online Messung der elastischen Eigenschaften und Fluidität oberer Schicht des Straßenbodens;
– Online Messung des Verdichtungsanteils von unten liegenden Schichten des Straßenbodens.

Claims

Das Verfahren und Einrichtung zum Online Messen der Verdichtung im Straßenbau ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Stoneley Welle mit vertikaler und/oder horizontaler Polarisation an der Grenze zwischen einem/mehren Wellenleiter/Wellenleitern und des Straßenbodens erzeugt und deren Ausbreitungsgeschwindigkeit misst;
Das Verfahren und Einrichtung zum Online Messen der Verdichtung im Straßenbau ist dadurch gekennzeichnet, dass man gemeinsame Stärkeänderung des Straßenbodens wegen der Walzenbelastung misst;
Das Verfahren und Einrichtung zum Online Messen der Verdichtung im Straßenbau ist dadurch gekennzeichnet, dass man solche Bedingungen schafft, um die Ausbreitung der Stoneley Wellen minimal mit drei unterschiedlichen Geschwindigkeiten zu gewährleisten, und aus gemessenen Geschwindigkeiten die Dichte, elastische Module und Verdichtung oberer Schicht des Straßenbodens berechnet;
Das Verfahren und Einrichtung zum Online Messen der Verdichtung im Straßenbau ist dadurch gekennzeichnet, dass man das bekannte Walzengewicht und die gemessene Sätze von Dichten und elastischen Modulen oberer Schicht des Straßenbodens nach aufeinanderfolgender Walzenbelastungen des Straßenbodens nutzt und elastischen Anteil und Fluiditätanteil der Deformation berechnet;
Das Verfahren und Einrichtung zum Online Messen der Verdichtung im Straßenbau ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Ausbreitungslaufzeit longitudinaler Wellen in oberer Schicht misst, die Geschwindigkeit longitudinaler Wellen in oberer Schicht auf Basis von gemessenen elastischen Modulen berechnet und die Stärke oberer Schicht ermittelt,
Das Verfahren und Einrichtung zum Online Messen der Verdichtung im Straßenbau ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Stärke oberer Schicht nach zwei aufeinanderfolgende Walzenbelastung des Straßenbodens ermittelt, dann die Stärkeänderung oberer Schicht aus dieser Messungen berechnet und weiter nutzt diese Ergebnisse, um die Verdichtung unten liegender Schichte aus gemessener gemeinsamer Stärkeänderung des Straßenbodens wegen der Walzenbelastung zu bestimmen;
Das Verfahren und Einrichtung zum Online Messen der Verdichtung im Straßenbau ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Wellenleiter in Form des Rollkörpers herstellt;
Das Verfahren und Einrichtung zum Online Messen der Verdichtung im Straßenbau ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Wellenleiter mit unterschiedlichen akustischen Parametern herstellt;
Das Verfahren und Einrichtung zum Online Messen der Verdichtung im Straßenbau ist dadurch gekennzeichnet, dass man die Wellenleiter hinten der Belastungswalze einen neben anderem senkrecht zur Richtung der Walzenbewegung oder einen hinten anderen entlang der Richtung der Walzenbewegung;
Das Verfahren und Einrichtung zum Online Messen der Verdichtung im Straßenbau ist dadurch gekennzeichnet, dass man die gemeinsame Stärkeänderung des Straßenbodens wegen der Walzenbelastung mittels zwei Ultraschallluftwandler, einer von denen vor und anderer entsprechend nach der Walze befestigt sind, misst;
Das Verfahren und Einrichtung zum Online Messen der Verdichtung im Straßenbau ist dadurch gekennzeichnet, dass man obengenannte Ultraschallluftwandler auf der Walzenachse befestigt;
Das Verfahren und Einrichtung zum Online Messen der Verdichtung im Straßenbau ist dadurch gekennzeichnet, dass Ultraschallwandler zur Erzeugung der Stoneley Wellen und longitudinaler Wellen derselben Wellenleiter nutzen.