8 5 En preliminär studie av materialets elasticitetsegenskaper av Krister Ydrevik

Transkript

1 _ MEDDETRANNDE Statens vag- och trafikinstitut (VTl) : Fack Linköping Nr National Road & Traffic Research Institute Fack S$ Linköping Sweden ISSN Granulerad plast som lättfyllnadsmaterial för vägar 8 5 En preliminär studie av materialets elasticitetsegenskaper av Krister Ydrevik

2 ME JLART E Statens»ag- och tratikinstitut (VTI) - Fack v Linköping Nr National Road 8: Trattu Research lnstitute Fack LinkOping Sweden ISSN Granulerad plast som lättfyllnadsmaterial för vägar 8 5 En preliminär studie av materialets elasticitetsegenskaper av Krister Ydrevik

3 FÖRORD Vid nybyggnad av vägar kan lokala sättningar uppkomma i undergrunden om denna består av vattenrika finkorniga jordarter, egenvikt utsättes som på grund av den utförda vägkroppens för större permanenta vertikalspänningar än före vägens tillkomst. Inom bl a västkustomrâdet kan sådana lokala sättningar enligt uppgift uppgå till 0,5 m och mera. Vid reparation av sådana sättningsskador, dvs uppfyllnad av den uppkomna svackan och återförande av profilen i ursprungligt läge, är det fördelaktigt att egenvikten av uppfyllnadsmaterialet är så låg som möjligt. Av denna anledning har t ex lättklinker använts som uppfyllnadsmaterial och sedan belagts med BG och slitlager. Av VFO har frågan ställts om man som fyllnadsmaterial i dylika fall alternativt skulle kunna använda ett avfallsmaterial benämnt granulerad plast, Vilket enligt uppgift skulle betinga ett lägre inköpspris. Det tekniska problemet med materialet granulerad plast är - förutom att det i packat tillstånd har högre skrymdensitet än lättklinker - att det som lager i en vägkropp är avsevärt mer fjädrande vid belastning (dvs har lägre E-modul) än t ex lättklinker. VTI har av denna anledning - på uppdrag av CF/TUb - försökt preliminärt klarlägga materialets elastiska egenskaper genom en orienterande laboratorieundersökning., Linköping i mars 1978 áwã//ââvm/ Björn Örbom

4 I N N E H A L L S F Ö R T E C.K N I N G Sid SAMMANFATTNING _ I 1. INLEDNING 1 2. BESKRIVNING AV UNDERSÖKNINGENS UTFÖRANDE 1 3. RESULTAT OCH BEARBETNING 3

5 Granulerad plast som lättfyllnadsmaterial för vägar, En preliminär studie av materialets elasticitetsegenskaper. av Krister Ydrevik Statens väg- och trafikinstitut (VTI) Fack LINKÖPING SAMMANFATTNING Resultaten av här beskrivna orienterande laboratorieundersökning antyder att rent tekniskt är granulerad plast i vägbyggnadssammanhang ett sämre alternativ som lätt fyllnadsmaterial än lättklinker. plasten har nästan 3 Den granulerade gånger högre torr skrymdensitet, den permanenta deformationen blir uppemot 100 gånger större vid samma belastning och den dynamiska E-modulen är ungefär 1/10 av den dynamiska E-modulen för lätt-' klinker. Den granulerade plastens låga E-modul kunde förbättras genom inblandning av 35 vol-% stenmaterial, men denna förbättring har tyvärr skett på bekostnad av ökad skrymdensitet. Materialet kan då ej i lika hög grad utnyttjas som lätt fyllning. En analytisk datorräkning för en tänkt fyllnadstjocklek på 0,5 m visar emellertid att effekten av det granulerade plastlagrets låga E-modul i detta fall blir mycket liten med avseende på erforderlig beläggningstjocklek. Vid den förutsatta trafikmängden skulle de erforderliga beläggningstjocklekarna enligt kalkylen bli 18 respektive 19 cm, då utfyllnaden utförts med lättklinker respektive granulerad plast. Inblandning av stenmaterial i plasten har endast obetydlig effekt på erforderlig beläggningstjocklek, men fördyrar materialframställningen och medför en ökad skrymdensitet.

6 l.«inledning I samband med nybyggnad av väg eller vid reparationsarbeten uppkommer ibland behov av att använda lätta byggnadsmaterial, t ex vid utförande av bank på svag undergrund (s k lättbank). På byggnadsmaterialet ställs härvid två huvudkrav tillräckliga bärighetsegenskaper och låg skrymdensitet. Lättklinker är ett i dessa sammanhang ofta använt material. Ett annat på marknaden tillgängligt,.och nu ifrågasatt alternativ är Sök granulerad plast.mñe egenskaper som talar för användning av detta material i dessa sammanhang är låg skrymdensitet samt ett enligt uppgift lågt inköpspris. En mindre gynnsam egenskap hos materialet är dess stora sammantryckbarhet, dvs låga E-modul, vilken emellertid möjligen skulle kunna förbättras genom inblandning av en viss procent lämpligt stenmaterial. För att undersöka möjligheten att använda granulerad plast som lätt fyllnadsmaterial i vägbyggnadssammanhang har Väg- och Trafikinstitutet (VTI), på initiativ och uppdrag av VF 0 respektive VV/CF (TVb), gjort en enkel, orienterande laboratorieundersökning av de dynamiska egenskaperna hos lager av granulerad plast, både med och utan grusinblandning. Som jämförelse har också motsvarande undersökning gjorts av lättklinker (Leca). 2. BESKRIVNING AV UNDERSÖKNINGENS UTFÖRANDE De två lättfyllnadsmaterial som använts vid undersökningen är som tidigare nämnts en produkt benämnd granulerad plast samt lättklinker tillverkat vid Leca-fabriken i Linköping. Granulerad plast verkar, av utseendet att döma, vara framställt av s k kabelskrot, som söndermalts-med isoleringsmaterialet som slutprodukt. I granu-

7 I lerad plast ingår således fragment av gummi, plast, textil men även små mängder av lödtenn och koppartråd. Materialets kornkurva redovisas i bilaga 1. Den torra skrymdensiteten efter packning var 0,85 kg/dm3. Den lättklinker som använts som jämförelsematerial var framställd vid Leca-fabriken i Linköping och kallas av tillverkaren för "osorterad Leca". Trots att produkten benämnes osorterad är kornstorleken (enligt bilaga 1) koncentrerad till området mellan 8 och 25 mm. Den torra Skrymdensiteten efter packning var 0,30 kg/dm3. För att om möjligt bättra på den granulerade plastens låga E-modul (stora sammantryckbarhet) har inblandning gjorts med dels stenmjöl (0-4 mm) och dels bärlagergrus (0-16 mm) i volymproportionerna 1:10 samt 1:3 (dvs 1 volymdel stenmaterial + 9 volymdelar plast respektive l volymdel stenmaterial och 2 volymdelar plast). Motsvarande inblandning av stenmaterial har även gjorts med lättklinker. Inblandning av stenmaterial medför den nackdelen att skrymdensiteten ökar (bilaga 2). Den granulerade plastens torra skrymdensitet ökade från 0,85 kg/dm3 till ca 1,20 kg/dm3 genom inblandning av 35 vol+% stenmaterial. Torra skrymdensi-- teten för ett välgraderat grus brukar vara ca 2,25 kg/dm3, alltså mer än dubbelt så högt som plast + 35 vol-% stenmaterial. Motsvarande skrymdensitetet för lättklinker är 0,30 kg/dm3 utan stenmaterial och ca 1,0 kg/dm3 med 35 vol-% stenmaterial. Provmaterialen har inpackats i s k E-mOdulcylindrar med innerdiametern 17,85 cm (inre tvärsnittsarean 250 cm2) och höjden 20 cm. Provets volym blir således cm2. Härvid användes packningsmetod AASHO-Tl80 för material innehållande plast. Blandningarna innehållande lättklinker, packades genom vibrering. E-modulburken spändes härvid fast på ett vibrerande bord. Materialet packades i fem lager. Varje lager vibrerades i 10 s.

8 Vid Vi-reringen anbringades en överlast-av 4 kg på material t i burken, vilket motsvarar ett yttryck på '0,016 ;g/cm2. (Någon standardmetod för packning av lättk; nker finns ej). Bestäm ing av provernas hållfasthetsegenskaper har gjorts med hjälp av VTI:s MTS-apparat. Materialet i prova karna utsattes för pulserande belastning med.frekve sen 10 Hz, vertikalspänningen inställdes på 0,05 1 a, 0,15 MPa och 0,30 MPa. Som belastningsstämpel har en cirkulär platta med diametern 50 mm använts. För varje spänningsnivå har belastningar gjorts. Registrering av elastisk och permanent sjunkning har utförts vid 100, 1000 och belastningar. ' Proverna har vid belastningsförsöken dessutom försetts med en statisk överlast, motsvarande ca 20 (0,04 kg/cmz). cm BG 3. RESULTAT OCH BEARBETNING I bilaga 3 har samtliga resultat från provningarna i MTS-apparaten redovisats, nämligen elastisk och permanent sjunkning samt den beräknade dynamiska E-modulen. Den permanenta deformationen efter belastningar vid spänningsnivån 0,15 MPa har uppritats i diagram 1 bilaga 4. Som framgår av diagrammet kan den permanenta deformationen för granulerad plast sänkas ganska avsevärt genom inblandning av en så liten mängd stenmaterial som 10 vol-%. Den permanenta deformationen hos lättklinker förändras mycket obetydligt genom inblandning av stenmaterial och den snarare ökar än minskar. Jämför man resultaten för de båda försöksmaterialen ser man att den permanenta deformationen för granulerad plast med inblandning av 35 vol-% stenmaterial efter belastningar är ca 2,5 mm, medan den för ren lättklinker efter samma antal belastningar är ca 0,12 mm, dvs ca 1/20 av deformationen för plast med 35 vol-%

9 stenmaterial. Vad beträffar den dynamiska Eemodulen som funktion av mängden inblandat stenmaterial (bilaga 5) så kunde man höja E-modulen för granulerad plast från 6 till ca 12 MPa genom inblandning av 35 vol-% stenmaterial. E-modulen för lättklinker är ca 50 MPa och inblandning av stenmaterial medför ingen ökning av den dynamiska E-modulen.

10 Prov GRANULERAD PLAST S v H W - _.L _ 4 7 w ,. J * W' ; J I L 77777ø {( H 1 'ill-x pmm TT' - L L : _ - L - 4 Passerande mängd, viktprocent 100 l> (I) (I) (I) 4 (I) (7 (I) C11. (I) 4; (Z) La) CD h) C:) _A (2) (2) Grovmo Mellansand GroVsdnd Fingrus Grovg rus A i. -fil-_-- L--* *-L-* ñg.ur_-«--fi- _MF_T-_F -F._ ä._.. 7,...._ 777; I? I* * h _ L.. _7E a _ L 171 II I r i V7 777W7; V 7: 77777H 7»._,_.L _ 4.L.L.N L E _I L L E 1.L_ T E _7 M - _ L _ : i s. '.11711ug :1771r H ; IIII7 2L _V J iéållii V ' Ir1r,., W rl r _ - L.- d 7777' '7771 _ J L r : _L H l..7w s7 I fnrpzn ;7 L _"Q L L _ M L _ TI FT Passerande mängd, vik+procenf Å (I (ID C:) 8 'int C:) (2) (J. I:) 8 1.!! I:) f) (I) O 06 Grovmo I:) _...ç.-...;:_ 'F- _-F- -_p_å 7! IEE.;F:_ 0,074 0,125 0,25 0,5 1,0_ 4 5,6 8 11, LÄTTKLINKER FR. LECA- FABRlKEN LINKÖPING OSDRTE RAD* LECA ) '7' _..L.-. _,_ L _L.-. L _ «_n_ L _ 'än OJZS 0,25 0,5 1, , Kornsforlek, mm V77 MEDDELANDE 85 0,2 Mellansond 0,6 A _L.- 4._L..4 (V L - 4 _ - L _ - I 4 _..L _ 0 Grovsond is777 2 L, LE L JEEE 1 1. LE T Fingrus < {:7777 ITijlIII " [7777: _ d 'I'vu'J' *; k * '7 Grovg rus * A nnnni ' *: N p. PJ GLL _ i. N Nä u L N s N *2;* ; "HN WL7777 L L.- - _.L _ q._l.q _-L_.4 i _I.4 r_ Sten IL "

11 ' Bil 2 TORR SKRYMDENSFTET SOM FUNKTION AV MÅNGDEN INBLANDAT STENMATERIAL." TORR SKRYM-Ä -m DENsrrET ' GRANULERAD (kg/dma) «PLAST OSORTERAD 100.LECA I.-4 _ STENMJÖL (1) a BÄRLAGERGRUS (2) 0,50 - _. 020 I I I_ I VOL- /o GRANULERAD PLAST PACKAT ENL. AASHO T180 LECA PACKAT GENOM VIBRERING vn. VÄGAVD KY/E/.å vn MEDDELANDE 85

12 Bilaga 3 Sidan 1 Bestämning av elastisk och permanent deformation samt E-modul. 100% Granulerad plast (försök 1). Vertikalt Antal på- Elastisk Permanent E 1) Mdv i 5 H..... dyn tryck kanningarv sgunkning Sjunkning _ Oo MP a n mm mm MP a MP a 0, ,12 0,10 (12,5) , ,80 5,20 5, ,75 5,50' 5, ,75 6,50 5,9 5,8i0,2 0, ,5 8,25 5, ,5 12,0 5,9 5,9i0 100% Granulerad plast (försök 2). Vertikalt Antal pâ- Elastisk Permanent E 1) Mdv i E N..... dyn tryck kanningar Sjunkning Sjunkning Oo MPa n mm mm MPa MPa 0, ,30 4,0 4, ,30 5,15 4, ,22 6,30 6,7 5,5i1,0 0, ,80 7,65 5, ,72 9,45 6, ,69 11,85 6,4 6,0i0,5 1) 1,18 a 00 E beräknad enligt formeln E = dyn _ dyn sd där a = belastningsplattans radie i 00 = vertikaltryck mm sd = elastisk sjunkning

13 Bilaga 3, Sidan 2 10 volym-% stenmjöl + 90 volym-% Granulerad plast. Vertikalt Antal på- Dynamisk Statisk E-mo- MÖV i 5 tryck känningar deforma- deforma- dul 0 tion tion 0 s s ' MPa n d p MPa MPa mm _me i 100 0,21 1,07 7,1 0, ,21 1,41 7, ,17 1,58 8,8 7,7ilJC 100 0,50 2,40 8,9 0, ,50 2,90 8, ,45 3,40 9,8 9,2i045 ' 100' 0,954 3,75 9,3 0, ,90 4,75 9, ,90 6,20 9,8 9,6i volym-% stenmjöl + 65 volym-% Granulerad plast. 0 S S E Mdv i E 0 d p 0 ' MPa n mm mm MPa' MPa. ' 100 0,14 1,07 10,5 0, ,12 1,23 12, ,10 1,47 14,8 12,5i ,41 1,53 10,8 0, ,39 '1,85 11, ' 0,36 2,19 12,3 11,510, ,70 2,45 12,6 0, ,70 3,05 12, ,68 4,00 13,0 12,7i0,2

14 Bilaga 3 Sidan 3 10 volym-% bärlagergrus (0-16) + 90 volym-% granulerad plast. ' Vertikalt Antal på- Dynamisk Permanent Ed Mdv i 5 tryck känningar sjunkning sjunkning yn 0 0 S d S p MP a n mm mm MP a MP a 100 0,21 1,26 7,1 0, ,20 1,47 7, ,17 1,77 8,8 7,8i0, ,55 2,75 8,1 0, ,50 3,20 8, ,45 3,40 9,8 8,9i0, ,90 4,60 9,8 0, ,85 5,50 10, ,83 6,30 10,7 10,3i0,5 35 volym-% bärlagergrus (0-16) + 65 volym-% granulerad plast. Vertikalt Antal på- Dynamisk Permanent E' Mdv i 5 H..... dyn tryck kanningar Sjunkning Sjunkning_ 0 S S 0 d p ma n m1 Im _ büa, MG 100 0,14 0,95 10,5 0, ,11 1,10 13, ,09 1,31 16,4 l3,4i2,9, ' _ 100-0,38 1,85 11,6 0, ,33 2,27 13, ,30 2,74 14,8 l3,3il, ,65 3,40> 13,6 0, ,62 4,35 14, ,58 5,20 15,3 14,410,9

15 Bilaga 3 Sidan 4 100% ösorterad Leca (försök 1). Vertikalt Antal på- Dynamisk Permanent E Mdv i E..... dyn tryck kanningar sgunkning Sjunknlng 0 4 S 4 S 0 d 7 p MPa n mm ' mm MPa MPa 100 0,03 0,05 49,3 0, ,03 0,07 49, ,02 0,05 74,0 57,5114,3 ' 100 0,10 0,07 44,3 0, ,10 0,11 '44, ,09 0,12 '49,2i 45,912, ,18 0,16 49,2 0, ,17 0,26 52,1 ' ,16_ 0,36 55,3 52,213,1 100% osorterad Leca (försök Vertikalt Antal pâ- Dynamisk Permanent E Mdv i 5. H..... dyn tryck kanningar sgunkning sgunkning 0 S S 0 d p MPa -n mm mm MPa MPa 100 0,03 0,04 49,3 0, ,03 0,04 49, ,03 0,03 49,3 49, ,08 0,09 55,4 0, ,08 0,11 55, ,08 0,11 55,4 55, , 0,17 0,14' 52,1 0, _0,16 0,19 55, ,15 0,26 59,0 55,313,5

16 Bilaga 3 Sidan 5 Bestämning av dynamisk och permanent deformation. 10 volym-% stenmjöl + 90 volym-% Leca(försök 1). v Vertikalt Antal på- Dynamisk Permanent E Mdv i 5 "..... dyn tryck kanningar sjunkning Sjunkning 0 0 S d S p MPa n mm mm MPa MPa 100 0,04 0,04 37,0 0, ,04 0,06 37,0 '= ,03 0,06 49,3 41,10i7, ,12 0,17 36,9 0, ,12 _0,31 36, ,10 0,36 44,3 39,4i4,3 _ < 100 0,17 0,24 36,9 0, ,15 0,42 59, ,15 0,46_ 59,0 51,6i12,8 10 volym-% stenmjöl + 90 volym-% Leca (försök ,09 0,08 49,2 0, ,09 0,08 49, ,09 0,11 49,2 49,210 _100 0,16 0,18 55,3 0, ,15 0,27 59, ,14 0,38 63,2 59,213,4

17 Bilaga 3 Sidan 6 Bestämning av dynamisk och permanent deformation. 35 volym-% stenmjöl + 65 volym-% Leca (försök 1). Vertikalt Antal på- Dynamisk Permanent E Mdv i å n..... dyn tryck kanningar sgunkning sgunkning - 00 S ds S p IEP a n mm mm MP_ a MP a 100 0,05 '0,04 29,6 0, ,05 0,05 '29, ,04 0,05 37,0 32,1i4, ,09 0,10 49,2 0,15' ,09 0,12.49, ,09 0,13 49,2 49,2:0, ,17 0,17 52,1 0, ,15 0,27 59,0 ' ,14 0,34 63, ,13 0,36 68,1 60,616,8 35'v01ym-% stenmjöl + 65 volym-% Leca (försök 2) ,04 0,07 37,0 0, ,04 0,11 37, ,04 0,12 37,0 37,0: ,09 0,12 49,2 0, ,09 0,16 49, ,09 0,19 49,2 49, ,15 0,19 59,0 0, ,15 0,27 59, ,14 0,35 63,2 60,412,4

18 Bilaga 3 Sidan 7 Bestämning av dynamisk och permanent deformation. 35 volym-% bärlagergrus (0-16) + 65 volym-% osorterad Leca (försök 1). Vertikalt Antal på- Dynamisk Permanent E Mdv i 5 H..... dyn tryck kanningar Sjunkning sgunkning 0 i S S 0 d p MPa n mm_ mm MPa MPa t110404wp 0,10 37,0 0, * ,13 437, ,04 0,16 37,0 37, ,11 0,23 40,3' 0, ,10 0,34 44, ,09 0,40 49,2 44,614,5, 100 0,18. 0,27 49,2 0, ,17 0,55 52, ^ 0,16 0,78u 55, ,16 0,84 55,3 53,0i2,9 35 volym-% bärlagergrus + 65 volym-% osorterad Leca (försök 2). 0, ,04 0,04 0,03 0,08 0,09 0,09 37,0 37,0 49,3 41,1i7,l 0, ,09 0,09 0,09 0,11 0,14 0,15 49,2 49,2 49,2 49,2i ,16 0,16 0,15* 0,13 0,15 0,17 55,3 55,3 59,0 56,5i2,1

19 Dll lo PERMANENT SJUNKNING VID OLIKA w- BLANDNING Av STENMJÖL RESP. BÄRLAGERGRUS. VERTIKALSPÃNNING: 0,15 MPa. ANTAL BELAST- NINGAR : _ ' PERM. GRANULERAD PLAST SJUNKN. mm - 10 STENMJÖL (1) BÄRLAGERGRUS (2) -- 00: 0,15 MPa ' N = '...-1 v 0 ' _. 1 1 I 1 0 _ I I N VOL- /o PERM. 'SJUNKN 5 OSORTERAD LECA 1/10 mm' 5 _ STENMJÖL 11) _ V BÄRLAGERGRUS (2) d i - ' 00:0,15 MP0 (2) N= _ 1 1 < I ' VOL- /o vn MEDDELANDE 85 v11. vagavd KY/%

20 ' till '3 DYNAMISK E-MODUL VlD OLIKA lnblandn. AV STENMJÖL RESP. BÄRLAGERGRUS. E'dynwd ' GRANULERAD PLAST (MP0) I STENMJÖL (1) "._ BÄRLAGERGRUS (2) 00:0,15 MPO -I I' I 5 I I. I' T - 0 ' ^ v0l- /. E- Md ' dyr. V) OSORTERAD LECA (MP0) (1) _. (2) STENMJÖL (1) BÄRUXGERGRUS (2) 00 :0,15 MPa VOL- /o vn MEDDELANDE 85 VTlDVÄGAVD KY/åX-B

21