Uudet tarkkuuslämpökamerat ja asfalttipäällysteet? Timo Saarenketo, Roadscanners Oy

Transkriptio

1 Uudet tarkkuuslämpökamerat ja asfalttipäällysteet? Timo Saarenketo, FT Roadscanners Oy Lämpökameratekniikasta Eräs nopeimmin viime vuosien aikana kehittyneistä mittausteknologioista on infrapunasäteilyä mittaava lämpökameratekniikka, jossa uusilla sotilassovelluksista siviilikäyttöön tulleilla digitaalisilla antureilla voidaan mitata nopeasti ja tarkasti lämpötiloja jopa sadasosa-asteen tarkkuudella. Infrapuna- eli lämpösäteily sijoittuu sähkömagneettisessa spektrissä maatutkan ja näkyvän valon väliin ja siten lämpökameratekniikka toimii yhdistävänä linkkinä päällystetutkatutkan ja päällysteen visuaalisen kuntoarvion välillä. Sähkömagneettisen luonteensa ja valoaaltoja pitemmän aallonpituuden ansiosta lämpökamera läpäisee esimerkiksi ohuen muovi- tai bitumikalvon (kuva 1). Tästä syystä se mittaa päällysteen pinnasta huomattavasti paksumman siivun kun mitä voidaan visuaalisesti havaita, mutta lämpökameran mittaustulos on kuitenkin selvästi ohuemmasta pintakerroksesta kuin mitä esimerkiksi päällystetutkalla tyhjätilamittauksissa mitataan. Toisaalta päällysteen sisällä olevan halkeamat voivat myös heijastua pintaan lämpötilaeroina, mikä antaa mahdollisuuden päällysteiden sisäisten vaurioiden tutkimuksiin. Lämpökameramittausten ongelma on, että se on ns passiivimittaus, jolloin mitattavaan päällysteen pintalämpötiloihin vaikuttavat useat eri tekijät, joita on esitetty kuvassa 2. Infrapunatekniikalla on useita tiealan sovellusmahdollisuuksia. Viimeisen kolmen vuoden aikana Roadscanners Oy on testannut tekniikkaa onnistuneesti mm tien kuivatustutkimuksissa, kelirikkovaurioiden korjaussuunnittelussa, siltojen kansilaatan vauriotutkimuksissa, tien päällystevaurioiden tutkimuksissa ja inventointityössä sekä asfalttipäällysteiden ohjaavassa ja toteavassa laadunvarmistuksessa. Tietojen keräämistä ja analysoimista varten yhtiö on kehittänyt oman Road Doctor Thermal Diagnostics (RDTD) ohjelmistonsa. Seuraavassa on esitetty muutama esimerkki, minkälaisia tuloksia uusilla tarkkuuslämpökameralla voidaan saavuttaa asfalttipäällystetutkimuksissa.

2 Päällystevauriot tietoa pintaa syvemmältä Ehkä kaikkein mielenkiintoisimmat uudet tulokset on saatu päällystevauriotutkimuksissa. Lämpökameralla on saatu uutta tietoa esimerkiksi ajouran viereen syntyvästä ja ylhäältä alaspäin etenevästä ns. top down cracking halkeamasta, josta on tulossa Suomessa yhä suurempi ongelma todennäköisesti ohuiden päällysteiden ja super single renkaiden vuoksi. Keväällä 2009 valtatiellä 4 Rovaniemen pohjoispuolella tehdyissä testeissä havaittiin, että keväällä lämpökameralla nämä halkeamat näkyvät monta kertaa pitemmällä matkalla kuin mitä visuaalisesti voitiin havaita (kuva 3). Nämä havainnot ovat vahvistaneet käsitystä, että top down halkeamat syntyvät aluksi lähellä pintaa (noin mm:n syvyydellä) ja etenevät aluksi ylös pintaan ja vasta sen jälkeen alaspäin. Koska nämä top down halkeamavauriot tuhoavat pahasti päällysteen voisi lämpökameratekniikalla todeta nämä vauriot jo varhaisessa syntyvaiheessa kun ne voidaan edullisesti korjata. Toinen lämpökameratekniikalla tehty merkittävä havainto on, että tietyillä ongelmallisilla tieosilla raskaan liikenteen ajourissa päällysteen pintalämpötila voi olla useita Celsius asteita alempi kuin ajourien välissä tai ulkopuolella (kuva 4). Tilanne pitäisi lämpimien renkaiden vaikutuksesta olla päinvastainen. Mielenkiintoiseksi havainto tuli erityisesti kun havaittiin, että samoilla kohdilla tie urautui tavanomaista nopeammin ja päällysteen venymät olivat myös usein selvästi suurempia. Johtopäätöksenä on ollut, että kantavan kerroksen kosteasta pinnasta pumppautuu raskaan liikenteen vaikutuksesta päällysteen läpi vettä, joka viilentää samalla sen lämpötilaa. Samalla tämä vesi kuitenkin aiheuttaa päällysteeseen ennenaikaista väsymistä ja vaurioita ja tämä pumppautuminen tulisi päällysteen korjaussuunnittelussa jatkossa estää. Tätä ongelmaa on havaittu useassa tutkimuskohteessa eri puolella Suomea. Uutta tietoa laadunvalvontaan Asfalttitöiden ohjaavassa laadunvalvonnassa infrapunatekniikkaa on käytetty jo vuosia mm. Yhdysvalloissa, Ruotsissa ja Hollannissa. Näissä töissä on tarkkailtu lähinnä levittimen takana massan lämpötilaa lajittumien ehkäisemiseksi. Sovelluksissa on käytetty halvempia lämpökameroita, lämpöskannereita tai lämpöanturipalkistoja. Nyt markkinoille tulleet tarkat ja nopeat digitaaliset lämpökamerat mahdollistavat päällysteen pinnan lämpötilan mittauksen koko tien leveydeltä liikkuvasta ajoneuvosta tai työkoneesta. Kuvassa 5 on esitetty lämpökamerakuva, joka on otettu noin 10 tuntia Remix päällystämisen jälkeen. Siinä näkyy hyvin lajittumat, sekoitusongelmat sekä kohteet, joissa päällysteen kuumennin on seisonut paikallaan ja ehkä kuumentanut liikaa päällystettä. Kun tiedetään, että asfaltin emissio- eli lämpösäteilyominaisuudet muuttuvat asfaltin ominaisuuksien muuttuessa, haluttiin selvittää voisiko lämpökameralla mitata/tutkia uuden tai lähes uuden asfalttipäällysteen laatua ja homogeenisuutta. Tästä syystä Suomessa tehtiin kesällä ja syksyllä 2009 yhteistyössä Rovaniemen kaupungin, Tiehallinnon sekä Lapin ja Hämeen tiepiirien kanssa sarja testejä, jossa tutkittiin lämpökameran ja 3d päällystetutkatekniikan käyttöä

3 päällysteiden laadunvarmistuksessa. Ideana oli että lämpökameralla mitattua tietoa verrattaan päällystetutkadataan sekä visuaalisesti havaittaviin työvirheisiin, kuten lajittumiin ja purkaumiin. Testejä tehtiin elokuussa Rovaniemen kaupungin ja Lapin tiepiirin REM kohteilla ja myöhemmin Lahdessa, jossa päällysteenä oli ns uusi laatta SMA 16/90 MPKJ. Kaikki kohteet mitattiin kun päällyste oli korkeintaan muutaman viikon vanha. Mittausaineiston analyysit osoittivat, että tien pintalämpötilan suuri hajonta tuo hyvin esiin päällysteen pinnan ongelma- ja poikkeamakohtia. Lämpökamerakuvassa ja mittausdatasta laaditussa lämpötilakartassa näkyvät hyvin päällysteessä olevat laatupoikkeamat, kuten bitumin pintaan nousu, lajittumat ja materiaalivaihtelut sekä ongelmat työsaumojen alueella sekä keskisaumoissa. Lämpökameratestit osoittivat selvästi, että REM päällysteet ovat vielä homogeenisuuden suhteen selvästi ongelmallisempia kuin uudet päällystelaatat. Paikoin muutokset lämpötilassa korreloivat dielektrisyyden ja tyhjätilan kanssa, mutta päällysteen keskilämpötilaan vaikutti myös tien ekspositio (suunta ja kulma suhteessa aurinkoon) sekä tietä varjostavat alueet (metsät) ja tiehen lämpöä heijastavat alueet (esimerkiksi kallioleikkaukset). Päällysteen laadusta riippumattomia ulkopuolisia poikkeamia aiheuttivat myös tien pinnassa oleva lika, kuten esimerkiksi multa ja muut maa-ainekset sekä esimerkiksi rikkoontuneiden renkaiden aiheuttamat jäljet. Arvioitaessa päällysteen laatua ja ominaisuuksia lämpökamera- ja maatutka-aineistosta, on normaalin digitaalisen videoaineiston kerääminen hyödyllistä ja lähes pakollista, koska tällöin aineistoissa esiintyviä poikkeamia voidaan eliminoida. Lahden testeissä havaittiin myös, että varjoisissa ja kylmemmissä tiekohteissa päällysteessä oli paljon enemmän keskisaumaongelmia, mikä viittaa siihen että näissä jaksoissa massa kylmenee huomattavasti nopeammin on oletettu. Jatkossa lämpökamera rutiinityökaluna asfalttitöissä Nopeuden, edullisuuden ja helppokäyttöisyyden vuoksi lämpökameratekniikka, yhdessä päällystetutkan kanssa, tai erikseen, tulee olemaan eräs päällysteiden vauriotutkimusten, laadunvarmistuksen ja laadunvalvonnan rutiinityökaluista. Sillä urakoitsija voi osoittaa tehdyn päällysteen laadun ja tilaaja voi pistokokein varmistaa, että on saanut tilaamansa päällysteen vaaditulla laatutasolla. Päällysteen lämpötilan hallinta tulee korostumaan jatkossa erityisesti kun siirrytään kuumista päällystemassoista huomattavasti alhaisemman lämpötilan omaaviin lämpimiin päällystemassoihin. Menetelmä eivät vielä ole kuitenkaan vielä valmis ja tarvitaan vielä lisätutkimusta esimerkiksi vuodenaikojen ja sateen sekä ajan vaikutuksesta. Lisäksi tarvitaan selkeät menetelmäkuvaukset miten tutkimukset tulee tehdä ja tutkimustulokset esittää.

4 Kuva 1. Esimerkki, miten lämpökamera näkee pintaa syvemmälle. Kuva 2. Tien pinnan lämpötilaan vaikuttavat tekijät. Merkkien selitykset: 1. Auringon valo, 2. Geoterminen lämpö, 3. Säteilevä lämpö, 4. Konvektio ja turbulenssi, 5. Piilevän lämmön vaikutus, 6. Haihdunta ja tiivistyminen ja 7. Lämmön vaihto ja sadanta. Alkuperäinen kuva, Dore ja Zubeck (2009).

5 Kuva 3. Rengasurien sisäpuolella olevat top down halkeamat näkyvät lämpökameralla erityisen hyvin keväällä, jolloin tien runko on kylmä ja lämpötilan vuorokausivaihtelut ovat suuret. Kuva 4. Lämpökamerakuva ja videokuva kohteesta, jossa vesi pumppautuu päällysteen läpi raskaan liikenteen kuormituksen takia. Tässä kohdassa tiessä on aiemmin ollut pieni heitto joka näkyy dynaamisen kuormitusvaihtelun aiheuttamana lämpötilavaihteluna.

6 Kuva 5. Lämpökamerakuvia erilaisista asfalttipäällysteen ongelmista kuvattuna 10 tuntia päällystämisen jälkeen.