Statens väg- och trafikinstitut w Vea-och Trafik- Pa: Linköping. Tel Telex VTISGI S

Transkript

1 VZfnotat Nummer: 9 Datum: Titel: Orienterande MTS-försök med makadam och bär lagergrus i liten styv provcylinder Författare: Peet Höbeda och Leif Viman Avdelning: V Projektnummer: Projektnamn: Bär- och förstärkningslager - makadamlager Uppdragsgivare: Vägverket * Distribution: fri / / Statens väg- och trafikinstitut w Vea-och Trafik- Pa: 580 Linköping. Tel Telex 5025 VTISGI S [ $tit"tet Besök: OlausMagnus väg 37, Linköping

2 ORIENTERANDE MTS-FÖRSÖK MED MAKADAM OCH BÄRLAGER- GRUS I LITEN STYV PROVCYLINDER Av Peet Höbeda och Leif Viman l BAKGRUND Vägar med överbyggnader av modern BBÖ-typ enligt BYA 84 har ibland visat otillfredsställande hållbarhet. Kunskap saknas om deformationsegenskaperna hos föreskrivna sorteringar, inverkan av faktorer som gradering, kornform, spänning m.m. Grova sorteringar av makadamtyp är mycket svåra att prova på laboratorium. För att kunna göra provningar i laboratoriet med befintliga utrustningar måste sorteringarna skalenligt "nermodelleras", även om slutsatser därigenom försvåras. Cyklisk belastning (modifierad SEB-metod) har utförts i MTS-utrustning med sådana "nermodellerade" material för att efterlikna verkan av trafik. MTS-försök har tidigare gjorts med bärlagergrus av Wichmann (VTI Notat nr 4). 2 PROVMATERIAL Bergkrossen, varifrån samtliga sorteringar framtagits, har utgjorts av _ Skärlundagranit, dels i form av "kubiskt" beläggningsmaterial, dels flisig samkross. Från båda provmaterialen har uttagits "makadamsorteringar" och 8-25 mm, benämnda A resp B, som inte ligger långt från övre resp undre gränskurvan för finsortering enligt BYA 84. Provgraderingarna är även något så när skalenlig till gränskurvorna för mellansorteringen (jfr figur ). Kubiskt och flisigt material har betecknats med k resp f. Dessutom har försök gjorts att fylla hålrummen hos redan i provcylindern invibrerad makadam genom invibrering av stenmjöl, dels 0-2, dels 0-4 mm. Sådan "Rüttelschotter" eller "drybound macadam" har varit ett särskilt bra bärlagermaterial enligt utländska undersökningar (jfr ännu opubl. litteraturstudie).

3 Som jämförelse har undersökts 0-25 mm bärlagergrus från Skärlunda (benämnd C), dels "kubiskt" material, uttaget från beläggningsfraktioner, dels flisigt sådant härstammande från samkross. Kornfördelningen har varit densamma i båda fallen (figur 2). 3 FÖRSÖKSMETODIK Proven har vibrerats in i en CBR-cylinder (diameter 50 mm) med hjälp av en s.k. Kangohammare. Packningsutrustningen, som är monterad i en ställning, används normalt vid tillverkning av betongprovkroppar. Slagdynans diameter passar in i CBR-cylindern. Vibrering har skett i tre lager á 60 sekunder. Någon nämnvärd nedkrossning har inte uppkommit vid packningen. Makadamproven har i samtliga fall packats i torrt tillstånd medan bärlagergruset dels vibrerats torrt, dels vid 5% vattenkvot. Avsikten har inte varit att studera bärlagergrus vid höga vattenkvoter och höga finmaterialhalter, något som tidigare gjorts av Wichmann. Han har dock använts sig av instampning i större provcylinder (200 mm diameter) men denna typ av packning lämpar sig inte för makadam. För belastningsförsöken användes en stämpel med 50 mm diameter. Belastningsyten är liten i förhållande till övre partikelstorleken i proven. Provets överyta täcktes med en stålplatta (med hål för stämpeln) för att efterlikna inverkan av 80 mm asfaltbundet material. Diametrarna för både provcylinder och stämpel är alltför små i förhållande till den övre partikelstorleken i proven på 25 mm, något som ökar spridningen av försöksresultaten. Vid denna orienterande undersökning har endast enkelförsök utförts. Wichmann har använt en belastningsintensitet på 0.8 MPa vid sina försök med bärlagergrus. Samma belastning användes inledningsvis och efter 5000 pulser ökades påkänningen till.6 MPa. Efter 5000 pulser till ökades spänningen till 3.2 MPa för ytterligare lika många pulser. Spänningen överdrevs medvetet för att bättre få materialen att "bekänna färg".

4 Efter några försök påbörjades dock belastningsväxling vid 0.4 MPa, en spänning som är realistisk en bit ner i överbyggnaden. Den permanenta och elastiska deformationen har kontinuerligt registrerats. Korrigering har gjorts för deformationer i provningsriggen vid aktuella spänningar. Provet ersattes därvid med en massiv stålcylinder. Vid beräkning av E-modul har Terzaghi's formel använts: E:.5xax0 E varvid a = belastningsstämpelns radie (mm) 0 = spänningen mellan stämpel och provyta (MPa) = elastisk deformation i mm efter 5000 cykler vid en viss spänning Värdet.5 är en konstant för cirkulär belastningsyta. E-modulen och total permanent deformation har beräknats efter 5000 pulser vid 0.4 (ej samtliga försök), 0.8,.6 och 3.2 MPa. Det är möjligt att antalet pulser varit för litet, speciellt för bedömning av permanent deformation. FörhOppningsvis innebär de överdrivna spänningarna en viss kompensation. En provning gjordes också med makadam som befuktades efter fullgjord belastningsväxling och utsattes därefter för ytterligare 0000 lastväxlingar. Försöken påbörjades i maj 986 men avbröts för att återupptas igen i september 986. Det visade sig dock att man byggt om vibratorn under sommaren, något som försvårar slutsatser. 4 RESULTAT 4. Packningsegenskaper Beroende på ombyggnaden av packningsutrustningen måste man skilja

5 mellan vår- och höstförsöken. "Vårpackat" material tenderar att få något högre hålrum än "höstpackat", även om skillnaden är liten (ca %). Man har således ökat vibratorns packningsförmåga genom ombyggnaden. Detta innebär att även deformationsegenskaperna förbättras (jfr mom 4.2 och 4.3). Den torra skrymdensiteten, hålrum och portal framgår av tabell. Vid en jämförelse av de olika materialen bör skillnaden i hålrum vara mest belysande. Man kan således konstatera att skillnaden i hålrum mellan de två makadamsorterignarna A och B är ca 0% vid en och samma kornform. Flisig sten ger ca 5% högre hålrum än "kubiskt". Invibrerat stenmjöl kan minska hålrummet med upp till ca 20% och 0-2 mm sortering fyller bättre än 0-4 mm. Bärlagergrus får ungefärligen samma hålrum som väl fylld makadam (i5-l7%). Flisigt bärlagergrus tenderar dock att ge ca 2% högre hålrum än "kubiskt". Vibrering av såväl fuktigt som torrt prov leder till jämförbart hålrum. 4.2 E-modul hos proven Resultaten från provningarna i maj och september framgår av tabeller 2-3 och figur 3-4 men måste bedömas separat. Jämförs makadamsorteringarna A och B är tendensen ganska likartad. E-modulen är starkt spänningsberoende och ökar med den påförda spänningsintensiteten. Ökas spänningen till 3.2 MPa får man en särskilt stark ökning av modulvärdet. (Korrigering för deformationen i riggen innebär dock ett osäkerhetsmoment). Ev. kan också graderingsförändringar uppkomma under stämpeln vid de högsta spänningarna. Skillnaden mellan de två makadamsorteringarna A och B är liten. Betraktar man den senare försöksserien är E-modulen vid de mest realistiska spänningsnivåerna 0.4 och 0.8 MPa resp MPa. Flisigt material tenderar att ge ganska likartade värden som "kubiskt". Bedöms inverkan av fyllning av makadamen kan endast maj-värdena användas. Man får en viss ökning av E-modulen, och vid 0.8 MPa spänningsintensitet ökar således värdena från MPa till 300-

6 375 MPa efter fyllningen med stenmjöl. sortering 0-2 mm ger något bättre värden än 0-4 mm. Befuktning, som skett av ett makadamprov efter slutförd lastväxling vid.6 MPa, har gett ringa effekt på E-modulen vid fortsatt belastning. Jämförs värdena hos makadam med de hos bärlagergrus, erhålls inga stora skillnader. Fuktigt bärlagergrus tenderar också att ge samma resultat som torrt. E-modulen (enligt höstförsök) är MPa och MPa vid 0.4resp 0.8 MPa spänningsintensitet. En viss tendens kan utskiljas att flisigt material är sämre än "kubiskt". 4.3 Permanent deformation Den permanenta deformationen är ganska likartad för de två makadamsorteringarna vid belastningsintensiteter på 0.4 och 0.8 MPa, såvida man skiljer mellan de två försöksserierna (tabell 2-3 och figur 5-6). Fylld makadam deformeras i regel något mindre än ofylld vid samma spänning. En stark ökning av deformationen uppkommer dock vid de högre spänningarna för flisig makadam, troligen beroende på att nedkrossning av de svaga partiklarna börjar uppträda. Befuktning ger ytterligare deformationsökning. Den ökande permanenta deformationen innebär dock ingen förändring av E-modulen (jfr mom 4.2). Bärlagergrus (endast höstförsök) tenderar att vid spänningsintensiteterna 0.4 och 0.8 MPa få ganska likartad permanent deformation som makadam. Fuktigt och torrt material förhåller sig likartat. Inverkan av kornform är också liten. Den högsta spänningen ger dock en stark deformationsökning för flisigt bärlagergrus, inpackat i fuktigt tillstånd. 5 SLUTSATSER OCH REKOMMENDATIONER Packningsförfarandet påverkar deförmationsegenskaperna hos makadam och bärlagergrus i mycket hög grad och måste vara noggrant standardiserat. Detta är särskilt svårt att åstadkomma med vibrerande packning. E-modulen hos provmaterialen är starkt spänningsberoende. Material

7 med helt Olika gradering, ex mm och 0-25 mm, får modulvärden av likartad storleksordning vid samma spänningsnivå. Välfylld makadam tenderar att få något bättre resultat än ofylld makadam och bärlagergrus. Troligen beror de små skillnaderna på det höga, okontrollerbara sidotrycket från cylinderväggarna och sannolikt kommer materialen att fungera på annat sätt vid vägförhållanden. Den använda utrustningen lämpar sig endast för provning av ganska finkorniga material och provade graderingar har varit för grova. Den okontrollerade spänningen gör också att erhållna E-moduler är svåra att använda vid analytisk vägdimensionering. Modulvärdena är troligen alltför höga beroende på högt sidotryck. De har enligt höstförsöken storleksordningen MPa vid 0.4 MPa spänningsintensitet och ökar till MPa vid 0.8 MPa. Vårförsöken har gett lägre värden troligen beroende på sämre packning. I jämförelse med Wichmanns försök med bärlagergrus är modulvärdena ungefärligen dubbelt så höga vid motsvarande vattenkvot. Han provade dock två bärlagergrus av olika kvalitet, härstammande från rundat åsmaterial, och provmaterialet var finare, 0-6 mm. Dessutom hade inte överytan belastats för att efterlikna verkan av asfaltbeläggning. Likartat resultat erhölls både med "prima" och dåligt, skifferrikt bärlagergrus. Vid de lägre spänningarna är skillnaderna i permanent deformation små. Vid högre spänningar börjar dock flisig makadam deformeras, troligen beroende på nedkrossning. Befuktning ger ytterligare deformationsökning. Den orienterande undersökningen visar att fortsatta provningar enligt samma metodik är av tveksamt värde. Belastningsförsök i större provbehållare ger sannolikt mer realistiska resultat, men det är svårt att bl a utveckla en standardiserad packningsmetodik. Provmängderna kan även bli ohanterliga. Utomlands har man allt mer övergått till cykliska triaxialförsök där spänningsförhållandena kan kontrolleras, även om de inte är helt med verkligheten överensstämmande. Försök vid växlande skjuvspänning är den senaste utvecklingen (jfr litteratur-

8 studie). Triaxialutrustningen bör dock kunna ta tillräckligt stora provkroppar för provning av överbyggnadsmaterial och en diameter på minst 25 cm förefaller nödvändigt. REFERENSER Engman, S. Bestämning i E-modulapparat av jordmaterials bärighetsegenskaper enligt SEB-metoden. Statens Väg- och Trafikinstitut, Rapport nr 3, 973. Wichmann, C. Pulserande belastningsförsök av bärlagergrus. VTI Notat nr 4, 987.

9 Tabeli Packningsresultat för de olika provmaterialen vid vibrerande packning med Kangohammare (3 lager å 60 s). Datum Prcv- Komp.- Torr - Por- Pøromtrl dens. skrymd. tal sitet g/cm3 g/cm3 % maj -86 Ak Bk 2.64L Af Bf Bk(O-2) Bk(O-4) sep -86 Ak Bk 2.64L Af Bf Ck Ck 2.6!; Cf Cf

10 Tabell 2 Resultat från MTS-försöken gjorda i maj -86. Prov- Spänning Pulser Elastisk deformation Permanent material deformation MPa antal mm MPa mm Makadam: Bk Ak ; Bf H Af Bk(O-2) B(0-4)

11 0 Tabell* 3 Resultat från [VITS-försöken gjorda sept -86. Prov- Spänning Pulser Elastisk deformation Permanent material deformation MPa antal mm MPa mm Makadam: Bk Ak Bf Af Bärlager: Cf Cf (opt wh:5%) Ck Ck (Opt wh: 5%)

12 C3 CD \3 (I) J\ LJ LJJ (I) C:) V! _ - L 'TT * ' - - L.- _ - - L L _ 4,. -4 -_ L._ 4 00:90 Cnsvrcnde menad, vw '\ 8 c: ÅJ 7 (,F?ä.3% y; 0* 0 v i I. - L -..-Lo L-d --L-4--L--A- _-L- --- ' 'v v 7' 4--L-J-_L- -..l. - - _ L - V V ' v Auduu '. umuu. [ - - s L.- L - - L - L_J--L-]-aL-l--L-Å ' - L _ q _ I _4.;dn:'5uuhuu. ' m I.A i Du W l ' _ p -Uvicvwo _vv-o.. _,..._, I.._._.---A_.. _ A. -. l l p s Fi url Graderingar A och B i Jamforelse med granskurvor hos mellanfraktion enligt BYA kap Passerande mängd, vikiprocenf (I) (JN N\J (Z) (Z)...5 (I) (I) (3) (I) 7 I. L-J--L_. L _ L - _ - _ L L L-J u_l_4, _.. nn, 4 0,063 0,25 0,25 0,5,0 0,07. _ a L _ q.- -..L _ q _..L _ L _ q L - _ -----L L - < \ T - - L... _ - L - - L _ q.. _. L - _ L _.4 L _ q _ - L - _ - - L.\\; - _ L - - L - _ 'I $J \\ h\ \\ \. \\ \\ Ex -\\* \ _ - L _.4 \\\\\\_J - - L _ 4 L _ u -..L... - _ L - 4 _-L-J _._ L _ «n i; , _ - L _ L _ 4 - _ L - q _ - L - 4 L - J - _ L.- _ Kornsforlek, mm Fi 2 0. Bärlagergradering, benamnd C.

13 2 000 ä 0.4 Po ä 0 a HP.: 803 'IA e upo \ 0 i.. g 500, i.7 i \ : _- ä w V \ 'å.'.i I I»24 27 \ v; 200 _ 5, % :02A :4% \ < '0% \ O A.\ nå Åk at At Bi Bum-2) BMG-4) Åk --5- ak -n- M -4- at 800 _0- SMO-2) _0- BMG-4) O.- g 600-».I '3 D 0? W M 200 m 0. l - I l;qln/ 3a _ 0,8 MPa A,6MPC _L32MPC 4 +vcf+en _J I A '-7 "TH " "T " SPANNING, MPO Figur 3 Elasticitetsmodul vid olika belastningsintensiteter för provningarna i maj pulser/belastningsområde.

14 3 200 mazoocr :no 0 w. m m m 200 p p 5.Näää r \.\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ \\\\\ \\\\ m\ \.\\ å åk \ Ck Ck(opt) Cf Cf(opt) 000 T. mlzoocr. :wo mmm OC 'Lgh MPa AiQBMPa _,6MP0 MP0 spaäümua 3,2MPC Fi url; Elasticitetsmodul vid olika belastningsintensiteter för provningen sept pulser/belastningsområde.

15 4 3.5 PERMANENT DEFORMATION.mm in '0 U U - N.5 Ak au At Bt Bum-2) Bum-4) 4 f M -5- ex '-N- N _0- af E.'5- + BMG-2) Bum-4) 8 < 2 0: 0 En 2-0 ;_ Z 'ä 5 * a. 0* a l I l L0,4 MPa _l 0,8MPO _J,6MPC 4 3,2MPc 4 +vchen J I i..j *I SPÄNNING, MPa Figur 5 Permanent deformation vid olika belastningsintensiteter för maj-proven pulser/belastningsområde.

16 N E. /2 PERMANENT DEFORMATIONmm.. i; b- m E Åk Bk Ar Bf cx Ck(opt) ot Cf(opt) 3 K * Åk -B- Bk -*- M -v Ck å. L-o- Ck(apt) Q 24 -o- C!... ä -r- Cf(opt) 0: 0 h.. Lu 0 p.. 5 t a: /3?LJ // /4/ 0 I ' I *I [LOAMPG : 0,8MPQ :Ål,6MPO :TL 3,2MPG ü?) SPÄNNING, MPa Figur 6 Permanent deformation vid olika belastningsintensiteter för sept.-proven pulser/belastningsområde.

17