Új építésű aszfaltrétegek vastagságának és tömörségének meghatározása földradarral

https://doi.org/10.36246/UL.2022.1.04

2022; 10. évfolyam, 16. szám

Pdf: Új építésű aszfaltrétegek vastagságának és tömörségének meghatározása földradarral

Bevezetés

A roncsolásmentes vizsgálatok fő előnye abban rejlik, hogy gyorsan és zavarásmentesen lehet nagymennyiségű mérést úgy végrehajtani, hogy közben nem okozunk kárt a vizsgált szerkezetben. Ez utóbbi tulajdonság főleg új építésű útpályaszerkezeteknél különösen fontos, ahol nem lehet „szétfúrni” a beépített rétegeket az építési minőség ellenőrzése érdekében sem. Az útpályaszerkezet diagnosztikában alkalmazható roncsolásmentes vizsgálatok részletes áttekintése megtalálható [1] munkájában, valamint magyar nyelven [2] összefoglalóját javasoljuk átolvasásra. A cikkben felsorolt eszközök és eljárások közül mi most csak a földradar (Ground Penetrating Radar, GPR) méréstechnológiával foglalkozunk. Az eljárás nem csak leromlott állapotú útszakaszok kiértékeléséhez, hanem újépítésű szakaszok minőségellenőrzéséhez is kiválóan felhasználható (sőt, inkább erre használják leginkább), mivel képes a forgalom zavarása nélkül nagymennyiségű folytonos térbeli adathalmazt összegyűjteni. A folytonos mérés azért különösen fontos és hasznos, mivel a lokális pontokban (a 25–50 vagy akár 500–1000 m-es szelvénytávolságokban) meghatározott szerkezeti adatok térbeli kiterjesztése egyáltalán nem egyértelmű és könnyű feladat, nem is beszélve azok „valós” átlagos értékének meghatározásáról. A hagyományos mintavételezési eljárásokkal a lokális hibák kimutathatatlanok, pedig azok nagyrésze még az építés közben kijavítható lenne, ha elég gyorsan kap visszajelzést a kivitelező. Cikkünkben ezért a földradar alkalmazhatóságát vizsgáljuk a minőség-ellenőrzés területén.

Elméleti háttér

A földradar műszer jellemzően egy adó és egy vevő antennából, egy adatgyűjtő és vezérlő egységből, egy mérőkerékből és opcionálisan egy GPS-ből áll. A földradar adó része nagyfrekvenciás elektromágneses impulzusok sorozatát bocsátja ki. A hullámok a vizsgált közegben részben elnyelődnek, részben visszaverődnek [3]. A visszaérkező jelet (feszültséget) a vevő egység veszi az idő függvényében, digitalizálja és az adatrögzítő egység tárolja [4]. A radarjel terjedése a vizsgált közeg elektromos és mágneses tulajdonságaitól függ. Ezek közül a két legjellemzőbb, a dielektromos állandó (permittivitás) és a vezetőképesség (konduktancia). Az aszfaltrétegek in-situ  relatív dielektromos állandóját megkapjuk a felületi visszaverődés (Surface Reflection, SR) módszerét alkalmazva [5]. A felületi visszaverődésen (reflexión) alapuló módszer azt használja ki, hogy a visszavert jel amplitúdója annál nagyobb, minél nagyobb a kontraszt a réteghatár két oldalán található anyag fizikai, elektromágneses tulajdonságaiban. A reflexiós együttható (R) – elhanyagolva a vezetőképességet – az alábbi képlettel számítható [6]:

\[  R=\frac{Visszaverődő hullám amplitudója}{Beeső hullám amplitudója} = \frac{\sqrt{ε_{1}}-\sqrt{ε-{2}}}{\sqrt{ε_{1}}+\sqrt{ε-{2}}}     \]

ahol \(ε_{1} \)  és \(ε_{2} \)  az egymást követő rétegek dielektromos állandói. Az útpályaszerkezetre beeső hullám amplitúdóját ( \(A_{p} \) ) megkapjuk, ha egy rendkívül reflektív rézlemezt helyezünk a GPR antenna alá, ami tökéletesen visszasugározza a vevő felé a kibocsájtott jelet. A rézlemezt eltávolítva az antenna alól, és egy újabb mérést végrehajtva megkapjuk a kopórétegről visszaverődő hullám ( \(A_{0} \) ) amplitúdóját. Felhasználva ezeket az adatokat és figyelembevéve, hogy a levegő dielektromos állandója 1, az (1) egyenlet átrendezésével megkapjuk a keresett \(ε_{r} \)  összefüggését:

\[ ε_{r}= [\frac{1+(A_{0}/A_{p})}           {1-(A_{0}/A_{p})}             ]^2 \]

ahol \(ε_{r} \)  a felső aszfaltréteg dielektromos állandója, \(A_{0} \)  az aszfaltréteg felületéről visszaverődő hullám amplitúdója, \(A_{p} \)  pedig a rézlemezről visszaverődő hullám amplitúdója. A relatív \(ε_{r} \)  dielektromos állandó ismeretében pedig már lehetőség nyílik egy adott réteg vastagságának kiszámítására:

\[ h_{i}=\frac{cΔt}{2\sqrt{ε_{r}}} \]

ahol c  a fénysebesség (0,30 m/ns), \(A_{t} \)  az \(A_{0} \)  és \(A_{p} \)   amplitúdók közötti kétirányú futási idő, és \(ε_{r} \)   az anyag relatív dielektromos állandója. Így a radarmérés időtengelye mélységmetszetté alakítható. Amennyiben viszont ismert a \(h_{i} \) rétegvastagság (pl. fúrás által) akkor az \(ε_{r} \)   dielektromos állandó határozható meg igen pontosan a (3) egyenletből.

Az útpályaszerkezetet felépítő rétegek dielektromos állandójára vonatkozóan vannak irodalmi adatok (aszfalt: 4–8; beton: 9–11), amelyek alkalmazásával könnyen, fúrómagmintavétel nélkül kiszámíthatjuk a rétegvastagságokat. A módszer nehézsége, hogy a dielektromos állandó az útépítési anyagoknál változó lehet, amire a nedvességtartalom, az ásványi összetétel, a hőmérséklet, a tömörség és a mérőfrekvencia egyaránt hatást gyakorol. Ez azzal magyarázható, hogy az útépítésben használt anyagok (talaj, zúzottkő, aszfalt, beton stb.) kémiai szempontból háromfázisú diszperz rendszerek, amikben a folyadék- és gázfázis aránya az időjárási tényezőktől nagymértékben függ. Ennek köszönhetően viszont a földradar mérések nem csak a rétegvastagságok meghatározására alkalmasak, hanem az aszfaltkeverékek testsűrűségének és szabadhézag-tartalmának megbecslésére, a földműanyagok tömörségének és nedvességtartalmának monitorozására, valamint az úthibák pl. repedések detektálásra is [7] [8] [9] [10]. További hasznos részletek olvashatóak az útpályaszerkezetek földradarral történő roncsolásmentes vizsgálati lehetőségeiről [11], valamint [12] magyarnyelvű cikkében.

Saarenketo (1997) [13] volt az egyik első kutató Európában, aki földradart használt az aszfalt-pályaszerkezetek sűrűségének mérésére. Kutatásai szintén azon az elven alapultak, hogy a pályaszerkezet dielektromos állandója feltételezhetően, az összetevőinek dielektromos állandóinak a függvénye. Ezért az összetevők (fázisalkotók) térfogatarányaiban bekövetkező változások kimutathatóak a teljes pályaszerkezet dielektromos állandójának mérésével.

Az aszfaltkeverék összetevői közé tartozik a bitumen, az ásványi adalékanyag, a levegő és esetlegesen a víz (lásd 1. ábra). A bitumen dielektromos állandója általában 2,6 és 2,8 közötti tartományba esik, a zúzott száraz aggregátumok állandói 5,5 és 6,5 között változnak, a levegőé pedig 1. Bár a víz dielektromos állandója függ annak kémiai értelemben vett kötöttségi fokától, kijelenthető, hogy a víznek az új pályaszerkezet dielektromos állandójának mérésére nincs érzékelhető hatása.

A tömörítés hatását a dielektromos állandóra [13].

Laboratóriumi vizsgálatokkal korrelációs kapcsolatot kerestek a finn útügyi kutatók a száraz aszfaltkeverék dielektromos állandója és annak testsűrűsége között. A finn kutatások arra a következtetésre mutattak, hogy az útburkolat dielektromos állandója és annak szabadhézag-tartalma ( \(V_{A} \) ) között exponenciális kapcsolat van:

\[ V_{A}(\%)=a\cdot e^{-bε_{AC}} \]

ahol \( ε_{AC} \)  az aszfaltburkolat dielektromos állandója (GPR antennarendszerrel meghatározható), a  és b  kalibrációs együtthatók, amelyek a keverék típusától függenek, és a helyszíni mérés közben vett magmintából meghatározhatóak. Különböző utakról gyűjtött GPR adatok bizonyították, hogy a dielektromos állandó értékének csökkenése sűrűségproblémákat jelez (lásd 1. ábra). A tanulmány által kimutatott legjelentősebb tény, hogy a GPR óriási lehetőségeket kínál a helyi problémák monitorozásában [14].

Anyag és módszer

A földradar méréstechnika lehetőségeit a minőségellenőrzés területen egy délalföldi lakóutca 220–240 m hosszú kísérleti útszakaszán vizsgáltuk meg. Méréseinket elsősorban a beépített aszfaltrétegek előírt vastagságának és azok szabadhézag-tartalmának ellenőrzésére kívántuk felhasználni.

A kutatáshoz a földradar mérőrendszert a RODEN Mérnöki Iroda biztosította. A GSSI gyártmányú 1 GHz és 2 GHz frekvenciájú levegőcsatolt antennák a hordozó gépkocsi mögött 1,5 méterre, a burkolat felszíne felett pedig kb. 450 mm-re helyezkedtek el. Az antennák pontos elrendezését a 2. ábra mutatja be. A terepi mérés 16 km/h sebességgel, és méterenként 50 db letapogatással történt. A nyers adatokat a nagysebességű SIR-30 többcsatornás adatgyűjtő és vezérlőrendszer rögzítette. A begyűjtött adatok közül tanulmányunkban most csak a jobb felbontású 2 GHz-es antennák RADAN szoftverrel feldolgozott eredményeit értékeljük. Ennek hátterében az áll, hogy az FZKA rétegre került 3–4 cm vastagságú kiékelő/kiegyenlítő szemcsés réteget folytonosan csak a 2 GHz-es antennák által észlelt szelvényeken tudtuk azonosítani. A RADAN7 szoftverből kiexportált rétegvastagságokat végül Microsoft Excel programmal halmozott terület diagramokon ábrázoltuk.

A beépített aszfaltrétegeket nem csak a levegőcsatolt antennákkal, hanem a PaveScan RDM 2.0 (második generációs) roncsolásmentes aszfaltsűrűség-értékelő mérőberendezéssel is megvizsgáltuk (3. ábra). A PaveScan berendezés alapvetően a vizsgált aszfaltkeverék dielektromos tulajdonságait méri és abból következtet a testsűrűségre. A készülék 3 darab egymástól tetszőleges (de maximum 1,1 m) távolságra elhelyezhető 2 GHz középfrekvenciájú levegőkapcsolt antennával (érzékelővel) van felszerelve az útpálya felületének minél teljesebb lefedése érdekében.

A RODEN Mérnök Iroda „RoadScan” rendszere.

A RODEN Mérnök Iroda PaveScan RDM 2.0 (második generációs) roncsolásmentes aszfaltsűrűség-értékelő mérőberendezése a levegő (bal) és a fémlemez kalibráció (jobb) közben.

A szenzorok 30 cm magasságban vannak rögzítve a felszín felett. A szenzorok a felületi visszaverődés (SR) módszer alapján, automatikusan kiszámítják az aszfalt adott pontjára vonatkozó dielektromos állandót. A mérőműszer méterenként 40 letapogatást végez, amelynek köszönhetően nagy felbontású dielektromos állandó meghatározást tesz lehetővé. A mérést megelőzi az úgynevezett levegő kalibráció, melynek célja a háttérzajok eltávolítása, valamint a fémlemez kalibráció, melynek célja az aszfalt felszínének, valamint a fémlemezről visszavert hullám amplitúdójának detektálása.

A mérőműszerek rövid bemutatásából kiemeljük, hogy mind a két földradar 2 GHz középfrekvenciájú levegőkapcsolt antennákkal dolgozik, amik a felszín felett közel azonos 30–45 cm magasságban helyezkednek el. Ezért a két mérőberendezés által meghatározott dielektromos állandókat jelentősen sem a mérési magasság, sem a mérési frekvenciákból származó különbségek nem terhelhetik.

A kutatásban vizsgált két forgalmi sávos lakóutca tervezett útpályaszerkezetének felépítése az alábbi volt:

1. 4,0 cm AC 11 kopó (F) réteg
2. 7,0 cm AC 22 kötő (F) réteg
3. 8,0 cm AC 22 alap (F) réteg
4. 20,0 cm FZKA 0/63 szórt alap (3-4 cm vastag 0/22 szemcsés réteggel eltakarva)
5. 20,0 cm homokos kavics védőréteg

Az aszfalt kötő- és alaprétegen elhelyezett antipólusok (bal) és az egyes rétegek közé egymástól 1 méterrel elcsúsztatva lehelyezett antipólusok megjelenése a radarszelvényen (jobb).

A lakóutcán történt felmérések vázlatrajza.

A kísérleti útszakasz pályaszerkezetének építése közben lehetőség nyílt 20 méterenként az aszfaltrétegek alá egymástól 1 méterrel eltolva antipólusokat elhelyezni (4. ábra). Erre a célra a könnyen beszerezhető háztartási alumínium fóliát választottuk, de a 2-3 mm vastag fémlemez is megfelelő eredményt ad. Az antipólusok a GPR által kibocsájtott hullámenergiát teljesen visszaverik, ezért az aszfaltréteg aljának pontos helye parabola alakú visszaverődés képében azonosítható a radarszelvényen. Megjegyzendő, hogy ezek az alumínium fóliák a gyakorlatban nem szükségesek a GPR mérésekhez, csak a kutatási eredmények validálására szokás használni.

Mind a két földradar berendezéssel három mérést hajtottunk végre a teljes kísérleti útszakaszon. Az első (1) mérés az AC 22 aszfalt alapréteg beépítése után, a második (2) mérés az AC 22 aszfalt kötőréteg beépítése után, végül a harmadik (3) mérés az AC 11 aszfalt kopóréteg beépítés után történt meg. A rétegenkénti méréseknek köszönhetően valamennyi aszfaltréteg dielektromos állandójáról információt kaptunk. A teljes útpálya lefedése érdekében sávonként két mérés történt, egy a sávszélen (a szélső szenzor padka mellett), egy pedig a sávközépen (a szélső szenzor az úttengely mellett). A részletesebb adatgyűjtés érdekében a mérések kiegészültek egy úttengely menti felméréssel is (5. ábra).

A fúrt magminták elhelyezkedése az alaprétegen.

A vizsgált útpályaszerkezet rétegeinek vastagságát meghatároztuk a GSSI gyártmányú 2 GHz frekvenciájú levegőcsatolt antennák által gyűjtött adatokból, mivel itt elsősorban a beépített antipólusokra támaszkodtunk (4. ábra). A beépített aszfaltrétegek testsűrűségének megbecsléséhez viszont már az erre a célra kifejlesztett PaveScan RDM 2.0 eredményekből indultunk ki. A földradar mérések validálásához fúrt magmintákat használtunk. Az aszfalt alapréteg beépítését követően 3–3, az aszfalt kötőréteg beépítését követően pedig újabb 3–3 fúrómag került kivételre a jobb és bal sávban egymástól kb. ~70 méterenként (6. ábra). A fúrt magminták rétegvastagságát az MSZ EN 12697-36:2003 szabvány szerint, míg a testsűrűségeket az MSZ EN 12697-6:2012 szabvány szerint megállapítottuk. A térfogati jellemzők keveréktervezési kritériumként, vagy a keveréknek az útpályaszerkezetbe való terítése és tömörítése utáni kiértékelési paramétereként használatos. A beépített aszfaltkeverékek legfontosabb jellemzői az alábbiak voltak: AC 11 kopóréteg \(G_{mm} \) hézagmentes  testsűrűsége 2436 kg/m³. AC 22 alap- és kötőréteg hézagmentes \(G_{mm} \) testsűrűsége 2572 kg/m³ és 2580 kg/m³. A kötőanyag súly szerinti aránya 4,1%, relatív sűrűsége 1050 kg/m³, a felhasznált kőváz hézagmentes testsűrűsége pedig 2759 kg/m³.

A kutatás további részében korrelációt kerestünk a mért \(ε_{AC} \)  dielektromos állandó és az aszfaltréteg \(G_{mb} \)  testsűrűsége között. Mivel a szabadhézag-tartalom a következő összefüggés szerint számítandó:

\[ V_{A}(\%) = 100\cdot \frac{G_{mm}-G_{mb}}{G_{mm}} \]

a (4)-es számú képlet exponenciális függvénye jó választásnak tűnt erre a célra, mivel ha ismerjük \(V_{A} \)-t, akkor a fenti képletből \(G_{mb} \)  értéke könnyen kifejezhető:

\[ G_{mb} = (1-V_{A})\cdot G_{mm} \]

A modell paraméterinek meghatározásához az eredeti (4) exponenciális függvényt a következő formában alkalmaztuk:

\[ V_{A}(\%)=α\cdot e^{-βε_{AC}}+ε \]

ahol \(V_{A} \)  a szabadhézag, \(ε_{AC} \) az aszfalt dielektromos állandója, $$\alpha$$  és β a keresett modellparaméterek, ϵ  pedig a hibatag. A hibatag megjelenése a modellben azt jelenti, hogy a dielektrikumon kívül más tényezők is befolyásolhatják a szabadhézag-tartalom előrejelzésének pontosságát, amelyek közé tartozhat a modell hibája, az anyagok és a környezet, például a hőmérséklet vagy a nedvességtartalom változékonysága.

A magminták laboratóriumi dielektromos állandó mérése a PaveScan RDM 2.0 mérőműszerrel.

A modell kalibrálásához fúrómag mintavételre, vagy az adott aszfaltkeverékből előállított gyratoros próbatestekre van szükség  [15]. A vizsgált lakóutca AC 22 alap- és kötőrétegéből sikerült fúrt mintákat venni, viszont ezek az AC 11 kopóréteg esetében nem álltak rendelkezésünkre. Ezért a kalibrációhoz a BME laboratóriumában gyratoros próbatesteket készítettünk, majd meghatároztuk ezek testsűrűségét és dielektromos állandóját a PaveScan RDM 2.0 készülékkel (7. ábra). A helyszíni és laboratóriumi adatok már lehetővé tették, hogy a (7)-es képlet modellparamétereit az átlagos négyzethiba gyökének (Root Mean Square Error, RMSE) minimalizálásával meghatározzuk, majd a dielektromos állandókat átszámítsuk testsűrűségre vagy szabadhézag-tartalomra. A terepi mérések után a PaveScan RDM 2.0 eszközből 0,5 méterenként kiexportáltuk a dielektromos állandó értékeket a sávszegélytől az úttengely felé haladva a következő szenzorpozíciókban: 2,9 m; 2,3 m; 1,7 m; 1,3 m; 0,7 m; 0,6 m; 0,1 m és 0 m. Az így előállított térbeli dielektromos állandókból végül a Surfer 14 szoftverrel készítettünk szintvonalas sűrűségtérképeket.

Eredmények és megvitatásuk

A következőkben bemutatjuk és megvitatjuk a vizsgált lakóutca aszfalt rétegein végrehajtott földradarméréseink eredményeit, tapasztalatait. Elemzésünket a vastagságméréssel kezdjük, mivel ez az egyik legkézzelfoghatóbb minőségi paraméter, aminek teljesülnie kell. Vastagság minősítési jellemzőnél az előírt érték a tervezett vastagság. Az aszfaltrétegek vastagságának előírt és megfelelőségi határai részben a mintaszámától függenek (e-ÚT 06.03.21/M1). Ha a mintaszám ≥ 10 db, akkor az átlagos rétegvastagság legalább érje el az Előírt érték–6%-ot. Az átlag vastagság megfelelősségi határértéke ekkor az Előírt érték–12% a hivatkozott szabályozás szövege szerint.

Az első (1) AC 22 aszfalt alaprétegen történt mérések eredményei azt mutatták, hogy a radarszelvényeken valamennyi beépített réteg egyértelműen elkülönült egymástól. A nagy pontosságú rétegazonosítást segítették a kiegyenlítő- és az aszfalt alapréteg alatt elhelyezett antipólusok, melyek egymástól 1 méterrel eltolt hiperbolák formájában megjelentek a radarképen (4. ábra jobb oldala). Az előzetes elvárásoknak megfelelően a szemcsés kiegyenlítő réteg és az AC 22 aszfalt alapréteg vastagsága a hossz-szelvények mentén nem változik jelentősen (a vastagságadatok szórása ±1 cm), így ezen réteghatárok közel egyenes lefutásúak. Az AC22 aszfalt alapréteg előírt (8 cm) vastagságához képest a földradar +6,3%-os eltérést mutatott ki.

A vizsgált lakóutca jobb sávjában a kopórétegen történt 3. felmérés eredményei alapján szerkesztett vastagság hossz-szelvény (4. csatorna – útszegélyhez közelebb eső 2 GHz-es antenna).

Az FZKA 0/63 szórt alap és a homokos kavics védőréteg esetén már jóval magasabb a vastagságadatok szórása (±3–5 cm), és így a rétegek lefutása is változatosabb.

A második (2) AC 22 aszfalt kötőrétegen történt mérések eredményei nagymértékben hasonlítottak az elsőhöz (1).  Az AC 22 aszfalt alap- és kötőréteg vastagsága a hossz-szelvények mentén nem változik jelentősen (a vastagságadatok szórása ±1 cm), így ezen réteghatárok közel egyenes lefutásúak voltak. Az AC 22 aszfalt kötőréteg vastagsága az előírt 7 cm-től −7,7%-ban eltért. A földradar viszont az AC 22 aszfalt alapréteg vastagságára már +17%-os eltérést mutatott ki a tervezett vastagsághoz képest, ami magasabb, mint az első (1) méréskor kimutatott +6,3%-os érték.

A harmadik (3) utolsó mérés az AC 11 aszfalt kopórétegen történt, és az eddigiekhez hasonlóan a radarszelvényeken valamennyi beépített réteg egyértelműen elkülönült egymástól (8. ábra). Az AC 11 aszfalt kopó- és AC 22 kötőréteg vastagsága a hossz-szelvények mentén nem változik jelentősen (a vastagságadatok szórása ±0,8 cm), így ezen réteghatárok közel egyenes lefutásúak. Az AC 22 aszfalt alapréteg lefutása is egyenletes, de már magasabb ±1,5 cm-es szórás jellemzi az átlagos vastagságot.  Az AC 11 aszfalt kopóréteg 4 cm-es előírt vastagságához képest a földradar átlagosan 5 cm-es vastagságot becsült, ami +25%-os eltérést jelent. Az AC 22 aszfalt kötőréteg eltérés −8,6% míg az AC 22 aszfalt alaprétegé +16,3% volt ezen felmérés szerint.

Az 1. táblázat alapján jól látható, hogy a három eltérő időpontban végrehajtott földradar felmérések, minden rétegre háromféle átlagos rétegvastagságot határoztak meg. A földradar vastagságmérés eredményeinek validálásához ezért a jobb és a bal sávból 3–3 fúrómag mintavétel történt a kötőréteg beépítését követően. A kopóréteg beépítése után nem történt már a teljes aszfaltvastagságot feltáró fúrómag mintavétel, csak 1 db magot fúrtak a bal sávból, amely kizárólag a kopóréteget tartalmazta. Ennek következtében a kopórétegen történt GPR mérések érvényesítéséhez a kötőrétegből vett 6 db fúrómag vastagságadatait és a fent említett 1 db fúrómag mélységadatát tudtuk felhasználni.  Ezek után a három aszfaltréteg georadar felmérések alapján meghatározott vastagságának a fúrómagokon azonosított rétegvastagságokkal történő összehasonlítását a 2. táblázat tartalmazza.

Az eredményeket elemezve megállapítható, hogy a georadarral becsült AC22 aszfalt alapréteg vastagságát a fúrómagokhoz viszonyítva az első (1) mérésből átlagosan 1,4%; a másodikból (2) mérésből 1,9%; a harmadik (3) mérésből számolva pedig 6,5% hiba terhelte. Az AC 22 kötőréteg vastagságát a második (2) mérésből átlagosan 3,2%-os; a harmadikból (3) pedig 8,1%-os hibával lehetett meghatározni. Az AC 11 kopóréteg vastagságmérésének átlaghibája az 1 db feltárás alapján 2–8,5% közé tehető. A harmadik (3) kopórétegen történt felmérés eredményeiből számított átlagos eltérések nagyobbak, mint a kötő és alaprétegen történt mérések esetében kapott eltérések. Ennek hátterében a nedvesebb mérési körülmények állhatnak, mivel a kivitelező a burkolat mielőbbi forgalomhelyezhetősége érdekében – a mérést közvetlenül megelőzően – locsolta a kopóréteget és a kopórétegbe, illetve a felületre jutó víz befolyásolta a dielektromos állandó értékét.

Mindent figyelembe véve elmondható, hogy a tervezett vastagsági értékek kontroljaként a georadaros rétegvastagság meghatározás pontossága eléri a fúrásokkal történő ellenőrzés megbízhatóságát.

A vizsgálati helyszínen fúrt magminták alapján a dielektromos állandó és a szabadhézag-tartalom között aszfaltrétegenként felállított empirikus modellek (bal), és a számított és megfigyelt AV% értékek viszonya (jobb).

A vastagságmérések után rátérünk a földradarral meghatározott testsűrűség és szabadhézag-tartalom kiértékelésére. A helyszínen mért dielektromos állandó és az aszfaltkeverék szabadhézag-tartalma között a kapcsolatot a (7) összefüggéssel határoztuk meg. A helyszínen mért és a modellel számolt értékeket a 9. ábra mutatja be. Az AC 22 kötő- és alapréteg között nem volt tapasztalható nagy eltérés, mivel a két keverék igen hasonló volt egymáshoz. A modell paramétereit mind a három keveréktípusra a 3. táblázat tartalmazza. Előzetesen meghatároztuk, hogy a két változó, azaz a szabadhézag-tartalom és a dielektromos állandó kötötti összefüggést R² ≥ 0,60 esetén tekintjük csak elfogadhatónak. Szerencsére ez a kritérium mind a három aszfaltrétegnél teljesült. A legmagasabb RMS hibát az AC 11 kopórétegnél találtuk és mivel az \( \epsilon \)  hibatag is itt volt a legmagasabb, ezt a modellt végül nem tudtuk használni. Általánosságban kijelenthető, hogy a (7) modell jól tudja előre jelezni a szabadhézag-tartalmat a dielektromos állandóból, mivel a mért és a becsült értékek egy 45°-os egyenesre esnek és a pontok szóródása is kielégítő (9. ábra jobb oldala). Felhasználva mindegyik keverék laboratóriumban meghatározott \(G_{mm} \)  értékét, a szabadhézagból a (6) képlettel testsűrűséget számoltunk.

Az AC 22 aszfalt alapréteg sűrűségtérképét elemezve megállapítható, hogy a jobb sávban az aszfaltsűrűség a sávközépen a legmagasabb, míg a padka felé haladva az értékek fokozatosan csökkennek. Ezzel szemben a bal sávban az aszfaltsűrűség többé-kevésbé homogén a 0+370 szelvényig, ahonnan kezdve egy jelentősebb sűrűségcsökkenés megfigyelhető az úttengely környezetében. Az AC 22 aszfalt kötőréteg sűrűségtérképét elemezve megállapítható, hogy mind a jobb, mind pedig a bal sávban az aszfaltsűrűség a sávközépen a legmagasabb, míg az úttengely felé haladva az értékek fokozatosan csökkennek.

AC 22 alapréteg sűrűségtérképe.

AC 22 kötőréteg sűrűségtérképe.

A bemutatott két sűrűségtérkép jól szemlélteti azt, hogy a beépített aszfaltanyagok testsűrűsége nem lesz egyenletes a teljes útfelületen, mivel az építési nehézségek rögtön megmutatkoznak minőségcsökkenés képében. Ebből következik, hogy az aszfaltsűrűség a sávközépen a legmagasabb, míg az úttengely felé haladva a sűrűségértékek fokozatosan csökkenek. Az aszfaltalap- és kötőréteg sűrűségtérképeit összehasonlítva pedig az is megállapítható, hogy az alaprétegen mért sűrűségértékek magasabbak, tehát az alapréteg jobban lett tömörítve, mint a kötőréteg.

Az AC jelű aszfaltkeverékből épített új kopóréteg előírt átlagos hézagtartalma legfeljebb 6% (a megfelelőségi határ 7%), az új kötő- és az új alapréteg előírt átlagos hézagtartalma legfeljebb 7% (a megfelelőségi határ 8%) lehet az e-ÚT 06.03.21/M1 szerint, ha a mintaszám ≥ 10 db. A Texas Department of Transportation (1995) [16] szerint, ha a szabadhézag-tartalom 8,5% és 9,9% közötti, akkor már jelentős értékcsökkenésről beszélünk; míg 9,9% feletti \(V_{A} \) -nál az útburkolatot el kell távolítani és újra kell építeni [17]. Ennek megfelelően kiszámítottuk minden egyes réteg esetén a \(V_{A} \)   =6% ‒ 7% ‒ 8%szabadhézag-tartalomhoz tartozó testsűrűség és dielektromos állandó küszöbértékeket. A számítás eredményét a 4. táblázat foglalja össze. A 4. táblázatból jól látszik, hogy az alapréteg és a kötőréteg testsűrűség határértéke három tizedesjegyre kiszámítva is megegyezik, míg az ehhez a testsűrűséghez tartozó dielektromos állandó már mutat kismértékű eltérést. Ez azért lehet mert a sűrűség jóval kisebb tartományban változik, mint a hozzá tartozó dielektromos állandó. Ezért a testsűrűség helyett a dielektromos állandóra vagy a szabadhézagra célszerű határértéket megfogalmazni, amikor a földradar méréseket kiértékeljük.

Az AC 22 kötőréteg szabadhézag-profilja a padkától 0,1 m-re (bal sáv széle), ahol VA 6% a sárga, VA 7% a zöld és VA 8% a piros határgörbe.

Az AC 22 kötőréteg szabadhézag-profilja a padkától 1,7 m-re (bal sáv közepe), ahol VA 6% a sárga, VA 7% a zöld és VA 8% a piros határgörbe.

A könnyebb áttekinthetőség kedvérét bemutatjuk még az AC 22 kötőréteg baloldali sávszélének (a padkától 0,1 m-re) és sávközepének (a padkától 1,7 m-re) a szabadhézag profilját (lásd 12–13. ábra). Berajzolva az ábrákra a 6%–7%–8% hézagtartalomhoz tartozó küszöbértékeket egyből megkapjuk a nem megfelelő vagy bizonytalan minőségű szakaszok szelvényhatárait. Mivel kötőréteg esetén a megfelelőségi határ 8%, ezért a mérésekre illesztett fekete színű mozgóátlag görbe érintési vagy metszéspontját kell megkeresnünk a vízszintes vörös határvonallal. Viszont, ha figyelembe vesszük a modell bizonytalanságát (ami átlagosan 0,6-0,8%-ra tehető), akkor helyesebb, ha a narancssárga (előírt) és a vörös (megfelelőségi) határvonalak közötti tartományt tekintjük nem megfelelőnek. Ezt elfogadva megállapíthatjuk, hogy a burkolat szélén a 0+370 és 0+380 szelvények közötti 10 méter hosszú útszakasz tömörsége nem megfelelő, de a 0+235 és 0+250 szelvényhatárok közötti 15 m-es útszakaszt is érdemes még tovább vizsgálni. A sávközépnek viszont csak a 0+395 és 0+400 szelvények közötti útszakasza esik a nem elfogadható szabadhézag tartományba.

A vizsgált kísérletű útszakaszon mind a 12 db fúrt magminta szabadhézag-tartalma jellemzően 2-5% között változott, így gyengébb minőségű építési szakaszokat nem jeleztek előre. Ebből is látható, hogy a földradar technológia legnagyobb előnye az, hogy igen nagy az adatsűrűség, valamint gyorsan és relatív pontosan képes dielektromos vagy testsűrűség vagy szabadhézag térképeket és profilokat előállítani. Ezek a térképek pedig ideálisak arra, hogy a gyengébben vagy éppen a jobban tömörített útszakaszokat lehatároljuk és azok minőségét fúrt mintával igazoljuk.

Összefoglalás

A cikkben bemutatott mérések és azok feldolgozása alapján javasoljuk, hogy újépítésű pályaszerkezeti rétegek vastagságmérésénél minden réteg közé be kell építeni alumínium fólia antipólusokat, mivel ezek nagymértékben megnövelik a földradar adatok kiértékelésének pontosságát. Hasonlóan az örvényáramos vastagságmérés technikához, ahol a réteg terítése előtt a fogadófelületre szintén egy antipólust helyeznek le, ami sok esetben szintén egy egyszerű alumíniumlap [18].

A vizsgált délalföldi lakóutca 220–240 m hosszú kísérleti útszakaszának tapasztalatai azt mutatják, hogy célszerű minden réteg terítése és betömörítése után az aktuális réteg felszínén elvégezni a földradar méréseket. A mért adatokból pedig csak az éppen vizsgált réteg vastagságát felhasználni a minőségellenőrzéshez. Ez az eljárás ugyan több mérést igényel, de sokkal pontosabb lehet, mint az egyszeri, a kész pályaszerkezet felszínén történő vastagságmérés. A többletmérés másrészt lehetővé teszi, hogy minden réteg testsűrűség vagy szabadhézag tartalmát is megállapítsuk.

Az aszfaltkeverékek dielektromos állandója és azok szabadhézag-tartalma között erős kapcsolatot találtunk, hasonlóan a nemzetközi szakirodalomhoz. Szisztematikus adatgyűjtéssel olyan empirikus modell fejleszthető, amivel a \( V_{A} \) értékeket ±1% pontosan meg lehet becsülni. Erre a célra legjobban a fúrások helyén megmért dieletromos állandók és a fúrt minták laboratóriumban meghatározott hézagjellemzői használhatóak fel. Valójában erre nincs is mindig szükség, hiszen határértéket közvetlenül a dielektromos állandóra is megfogalmazhatunk. Újra felhívjuk a figyelmet arra a tényre, hogy a különböző utakról gyűjtött GPR adatok már bizonyították, hogy a dielektromos állandó értékének csökkenése mindig sűrűségproblémákat jelez előre! Ezért az első hengerjárat után mért dielektromos állandó térképek már jó viszonyítási alapot adnak a későbbi kiértékelésekhez.

Összefoglalva kijelenthetjük, hogy a roncsolásmentes útdiagnosztikai módszerek közül a földradarok és az intelligens úthengerek (Intelligent Compaction, IC) képesek egyedül biztosítani az aszfaltkeverék folyamatos kvantitatív tömörségének meghatározását. Viszont továbbra is csak a földradar módszer alkalmas a tömörség mellett az útpályaszerkezet rétegvastagságnak a meghatározására is, így az építési minőség ellenőrzésére jó szívvel ajánlható.

Irodalomjegyzék

[1]: Goel, A. & Das, A. 2008: Nondestructive Testing of Asphalt Pavements for Structural Condition Evaluation: A State of the Art. Nondestructive Testing and Evaluation 23 (2): 121–40. https://doi.org/10/fdtqhf.

[2]: Tóth, C. & Primusz, P. 2021: Modern roncsolásmentes útdiagnosztikai eszközök. Az Aszfalt 28 (1): 33–47.

[3]: Pattantyús-Á., M., Neducza, B., Prónay, Z. & Törös, E. 1994: A földradar módszerfejlesztés másfél éves tapasztalatai az ELGI-ben. Magyar geofizika 35 (1): 32–41.

[4]: Katona, O., Sipos, G., Fiala, K., Rakonczai, J. & Mezősi, G. 2013: A georadar működése és felhasználási területei. Hidrológiai közlöny 93. évf. (4. sz.): 55–60.

[5]: Kóti, Á. 2014: Közforgalmú utak úthibáinak roncsolásmentes vizsgálata földradar segítségével. Diplomamunka, Miskolc: Miskolci Egyetem.

[6]: Maser, K. R. & Scullion, T. 1992: Automated Pavement Subsurface Profiling Using Radar: Case Studies of Four Experimental Field Sites. Transportation Research Record 1344: 148–54.

[7]: Krysiński, L. & Sudyka, J. 2013: GPR Abilities in Investigation of the Pavement Transversal Cracks. Journal of Applied Geophysics 97 (október): 27–36. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2013.03.010.

[8]: Diamanti, N. & Redman, D. 2012: Field Observations and Numerical Models of GPR Response from Vertical Pavement Cracks. Journal of Applied Geophysics 81 (június): 106–16. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2011.09.006.

[9]: Sudyka, J. & Krysi, L. 2011: Radar Technique Application in Structural Analysis and Identification of Interlayer Bonding. International Journal of Pavement Research & Technology 4 (3): 10.

[10]: Lambot, S., Weihermüller, L., Huisman, J. A., Vereecken, H., Vanclooster, M. & Slob, E. C. 2006: Analysis of Air-Launched Ground-Penetrating Radar Techniques to Measure the Soil Surface Water Content. Water Resources Research 42 (11). https://doi.org/10/b7rkw2.

[11]: Petőcz, M., Schváb, J. & Szarka, I. 1999: Útpályaszerkezeti rétegek roncsolásmentes vastagságmérése. Közúti és mélyépítési szemle 49 (6): 219–25.

[12]: Runa, B. & Balogh, P. 2021: Georadar szerepe a roncsolásmentes útpályadiagnosztikában. Az Aszfalt XXVIII. (2): 49–56.

[13]: Saarenketo, T. 1997: Using Ground-Penetrating Radar and Dielectric Probe Measurements in Pavement Density Quality Control. Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board 1575 (1): 34–41. https://doi.org/10/d28cch.

[14]: Saarenketo, T. & Scullion, T. 2000: Road Evaluation with Ground Penetrating Radar. Journal of Applied Geophysics 43 (2–4): 119–38. https://doi.org/10.1016/S0926-9851(99)00052-X.

[15]: Hoegh, K., Roberts, R., Dai, S. & Zegeye Teshale, E. 2019: Toward Core-Free Pavement Compaction Evaluation: An Innovative Method Relating Asphalt Permittivity to Density. Geosciences 9 (7): 280. https://doi.org/10/ghgqbc.

[16]: TxDOT 2004: Standard Specifications for Construction and Maintenance of Highways, Streets, and Bridges. Texas Department of Transportation.

[17]: Chen, D.-H., Hong, F., Zhou, W. & Ying, P. 2014: Estimating the Hotmix Asphalt Air Voids from Ground Penetrating Radar. NDT & E International 68 (december): 120–27. https://doi.org/10/f6p8h5.

[18]: Pethő, L. & Tóth, C. 2010: Beépített aszfaltrétegek vastagságának roncsolásmentes meghatározása. Közlekedésépítési szemle 60 (8): 15–19.

Erre a szövegre így hivatkozhat:

Primusz Péter, Runa Boglárka, Balogh Olivér, Tóth Csaba: Új építésű aszfaltrétegek vastagságának és tömörségének meghatározása földradarral, 2022, DOI: 10.36246/UL.2022.1.04