EXAMENSARBETE. Utvärdering av micro-devalvärden

Transkript

1 EXAMENSARBETE 2007:28 HIP Utvärdering av micro-devalvärden för makadamballast för järnväg Peter Liikamaa Charlotte Sundqvist Luleå tekniska universitet Högskoleingenjörsprogrammet Bergmaterialingenjör 80 poäng Institutionen för Samhällsbyggnad Avdelningen för Geoteknologi 2007:28 HIP - ISSN: ISRN: LTU-HIP-EX--07/28--SE

2 Utvärdering av micro-devalvärden för makadamballast för järnväg Av Charlotte Sundqvist och Peter Liikamaa

3 Sammanfattning Det huvudsakliga syftet med detta examensarbete har varit att utvärdera micro-devalmetoden för att eventuellt fastställa ett kravvärde. I rapporten behandlas även hur LT-index och kornlängd förhåller sig till varandra samt om differentierade krav på Los Angeles-tal kan ställas beroende på olika axellaster. Examensarbetet har i huvudsak grundat sig på en litteraturstudie samt sammanställning av inkomna analysprotokoll via Banverket. Analysresultaten presenteras i form tabeller och diagram. Rapporten har mynnat ut i en slutsats där författarna anser att ett krav på kategori M DE RB 7 är lämpligt. Med avseende på geometriska egenskaper framkom att det oftast är kornlängden som är utslagsgivande. Vidare framkom att differentierade krav på Los Angeles-tal inte fyller någon direkt funktion. II

4 Abstract The main purpose of this thesis has been to evaluate the micro-deval testing method and the possibility of appointing a specific demand. This thesis also treats the connection between particle length and shape index and the possibility to appoint differentiate demands to the Los Angeles testing method according to varying axle loads. All the test reports were supplied by Banverket and constitute the essential base of the analyses. This thesis also bases on a literature study. The results of the analyses are presented by tables and diagrams. The conclusion of the micro-deval testing method is to establish a demand that implies category M DE RB 7 for railway ballast. The analyses regarded to particle length and shape index has ended out to the conclusion that the particle length is the eliminating factor. Differentiate demands according to varying axle loads seemed not to be necessary. III

5 Förord Detta examensarbete utgör det avslutande momentet på Bergmaterialingenjörsutbildningen vid Luleå Tekniska Universitet. Arbetet har utförts på uppdrag av Banverket våren 2007 och omfattar 10 poäng. Vi vill rikta ett stort tack till vår handledare Eva-Lotta Olsson på Banverket i Borlänge samt Niklas Thun och Olof Lundborg vid SWECO i Luleå. Luleå juli 2007 IV

6 Innehållsförteckning Sammanfattning II Abstract III Förord IV Innehållsförteckning V 1 Inledning Bakgrund Syfte och mål Metodik 8 2 Banvallens uppbyggnad och funktion Allmänt Komponenter i överbyggnaden Räler Mellanlägg, rälsbefästningar och sliprar Spårbädd Ballast Underballast Underbyggnad Terrass Nedbrytning av obundna överbyggnadsmaterial Allmänt Nedkrossning Nötning 14 4 Laster Allmänt Projektet Heavy Axle Load Fältförsök Resultat Konsekvenser av högre axellaster 19 5 Metoder för bestämning av hållfasthetsegenskaper Micro-Devalmetoden Historik Provberedning Provningsförfarande Los Angelesmetoden Historik Provberedning 22 V

7 5.2.3 Provningsförfarande Metoder för bestämning av geometriska egenskaper Allmänt LT-index Provberedning Provningsförfarande Kornlängd Resultat Inkomna analysresultat Hållfasthetsegenskaper Micro-Deval Los Angeles-tal Jämförelse mellan Los Angeles-tal och micro-devalvärden Geometriska egenskaper Kornform Kornlängd Jämförelse mellan kornform och kornlängd 31 8 Diskussion Axellaster Hållfasthetsegenskaper Geometriska egenskaper 34 9 Slutsatser Rekommendation 35 Referenser 36 Metodbeskrivningar 37 Bilagor 37 VI

8 1 Inledning 1.1 Bakgrund Under 2003 utkom den europeiska standarden SS-EN Makadamballast för järnväg. I september 2004 gavs Banverkets interna föreskrift BVS Makadamballast för järnväg ut, där kraven bygger på europastandarden. All upphandling efter 1 januari 2005 ska ha skett enligt BVS det vill säga i enlighet med kraven i europanormerna. Vid tiden för utgivningen av BVS var Banverket inte helt på det klara med vilka kravnivåer som skulle väljas för vissa av egenskaperna. Efter samråd med Banverkets dåvarande regioner, framförallt norra (Luleå) och södra (Göteborg), valdes för några egenskaper ett mildare krav än vad som från början var föreslaget. Detta innebar också att ytterligare egenskaper tillkom för att i viss mån begränsa effekten av ett mildare krav. Ursprungligt förslag för motstånd mot fragmentering var maximalt 16 men efter synpunkter från vissa delar av landet så ändrades detta till maximalt 20. Dessutom tillkom egenskapen motstånd mot nötning som endast ska deklareras, det vill säga producenten skall redovisa vilket micro-devalvärde produkten har, men Banverket har än så länge inte ställt något krav. I dagsläget ställs kravet beträffande motstånd mot fragmentering på samma nivå oavsett vilken axellast som järnvägsbanan är godkänd för. Banverket är intresserad huruvida differentierade krav med avseende på Los Angeles-tal bör tillämpas på sträckor där höga 1 axellaster är tillåtna. När det gäller kornform så hade Banverket före europanormerna krav som motsvarade max 10 % stängliga korn. Detta hade i norra delen av landet inte riktigt tillämpats, utan där tillät man i praktiken istället 15 % stängliga korn, mest för att producenterna hade svårt att upp respektive 30 tons axellast 7

9 fylla kravet på 10 %. I samband med övergången till europanormerna så sattes kravet på LT-index till max 20 % stängliga korn, vilket då är snällare än vad som tidigare tillåtits. För att i viss mån begränsa effekten av detta infördes också krav på kornlängd, max 12 % med kornlängd > 100 mm. 1.2 Syfte och mål Det övergripande syftet med rapporten har varit att utreda micro-devalmetoden. I dagsläget ställer Banverket inte något krav utan kräver endast att värdet deklareras. Det har nu gått två år sedan SS-EN infördes och därmed finns underlag för utredning av metoden. Genom insamling av provningsprotokoll från Banverkets regioner och genom en litteraturstudie, skall vi undersöka om micro-devalmetoden kan hjälpa till med arbetet att kvalitetssäkra makadamballast klass 1. Rapporten skall utröna ett fastställande av kravvärde eller att metoden anses sakna relevans. I samband med undersökningen av micro- Devalvärdena ska vi också titta på hur kornlängden ser ut i relation till LT-index. Vilken av metoderna är oftast utslagsgivande? Vi ska även genom en litteraturstudie utreda ifall differentierade krav på Los-Angeles tal kan ställas beroende på olika axellaster. 1.3 Metodik Arbetet har till största delen genomförts genom utvärdering av analysprotokoll samt en litteraturstudie. Vi har även intervjuat en geolog med stor erfarenhet av makadamballast. 8

10 2 Banvallens uppbyggnad och funktion 2.1 Allmänt På senare år har bantekniken fått större betydelse genom att man insett att tågtrafik erbjuder trafiksystem med hög kapacitet, stor säkerhet och mindre miljöpåverkan än många andra trafikslag. Utvecklingen av järnvägsfordonen har resulterat i kraftigt förbättrade fartoch komfortegenskaper. För långväga och tunga transporter är järnvägs- och/eller sjötransport de enda alternativ som i framtiden troligen kan accepteras ur miljösynpunkt (Sundqvist 2003) Komponenter i överbyggnaden Figur 1. Figuren visar beståndsdelarna i en järnvägsbank. (Sundqvist 2003) 9

11 2.2.1 Räler Rälerna är tillverkade av högkvalitativt stål och utgör den översta delen av överbyggnaden. De skall fungera dels som en jämn, stabil och slitstark farbana, och dels som lastbärande konstruktionselement. Rullmotståndet för ett tåg bör vara så lågt som möjligt, därav ställs höga krav på rälen. Rälens primära uppgift är att minska friktionen och fördela ner det enorma tryck som ett tåg alstrar. Trycket överförs därmed till ballasten via rälsbefästningar, mellanlägg och sliprar. (Sundqvist 2003) Mellanlägg, rälsbefästningar och sliprar Mellanläggens funktion är att filtrera bort högfrekventa komponenter av de dynamiska krafter som uppstår mellan hjul och räl. Mellanläggen tillverkas av oftast av gummi, kork eller plast. Rälsbefästningarnas huvuduppgift är att hålla samman räl och sliper så att rörelser förhindras och att spårläget hålls intakt samt överföra krafter från rälen till slipern och vidare till undergrunden. Sliprarnas primära funktioner är att överföra den vertikala belastningen från rälerna till ballasten. Det skall även upprätthålla spårläge och spårvidd samt hjälpa till att ta upp horisontella krafter som orsakas av trafik och temperatur. Sliprar kan bestå av olika material som till exempel trä, stål, betong eller plast. Trä är det vanligaste materialet i befintligt spår men av miljö-och kostnadsskäl används främst betongslipers vid nybyggnationer (Sundqvist 2003) Spårbädd Spårbädden består av ballast och underballast som vilar på den iordningsställda terrassen. Spårbäddens huvudsakliga uppgift är att fördela ut lasten från sliprarna till terrassen (Sundqvist 2003). 10

12 2.2.4 Ballast Tjockleken på ballastlagret är mellan mm och dess funktion är att ta upp belastningar från trafiken utan att förstöras, samt fördela dessa så att banunderbyggnaden inte sviktar.(sundqvist 2003) Ballasten måste vara beständigt och solitt och ballastdjupet tillräckligt, så att trycket fördelas ner över underbyggnaden. Ballasten skall verka stabiliserande i horisontell och vertikalled, lastfördelande mellan sliper och underballast, elasticitetsgivande till spåret samt dränerande (Sundqvist 2003). Dessa krav innebär att ballasten bör ha stor beständighet mot nedkrossning och nötning, vilket innebär att ballasten måste byggas upp av hårda bergmaterial. Graderingen av materialet bör vara sådan att ballasten får en stor hålrumsvolym. Kornformen bör vara kantig och så nära kubisk som möjligt eftersom det ger en hög friktion mellan partiklar och sliprar, vilket är till fördel för spårstabilitet och elasticitet. Kantigheten på materialet säkerställs genom Banverkets krav på att materialet skall bestå av nyproducerat krossberg. (Schouenborg och Savukoski 2004) Ballasten måste ha goda dräneringsegenskaper eftersom en hög vattenhalt påverkar bärighet och dessutom ger upphov till problem med uppfrysningar vid kyla. Ballastmaterial skall vara hårt, slitstarkt och frostbeständigt samt vara fritt från föroreningar, framförallt av organiska material, eftersom detta kan göra ballasten alltför tät (Sundqvist 2003). I Sverige utgörs ballasten normalt av makadamballast klass 1 i enlighet med BVS Sorteringen utgörs av 31,5/63 mm. Kornstorleksfördelningen skall se ut enligt kurva E eller F, se tabell 1 11

13 Tabell 1. Kornstorleksfördelning enligt BVS Passerande mängd (vikt-%) Sikt E F 80 mm mm 95 till till mm 55 till till mm 25 till till 40 31,5 mm 1 till 25 0 till 7 22,4 mm 0 till 3 0 till 7 0,063 mm 0 till 0,5 0 till 0, Underballast Underballastens funktion är att fördela trafiklasten, dränera spårbädden, skydda terrassen mot erosion samt hindra finpartiklar att vandra upp i ballasten. Därmed måste underballasten besitta goda dränerings- och komprimeringsegenskaper. Underballast skall bestå av krossmaterial av hårda och hållfasta bergarter med god beständighet mot vittring. Tjockleken på underballastlagret beror på frostdjup och underliggande material (Sundqvist 2003). 2.3 Underbyggnad Terrass Överytan av terrassen kan sägas vara gränssnittet mellan geoteknik och banteknik, se figur 1. Terrassens geotekniska egenskaper har stor betydelse för resten av konstruktionens hållfasthet. Detta leder till krav på god avrinning, motstånd mot deformationer samt god bärighet (Sundqvist 2003). 12

14 3. Nedbrytning av obundna överbyggnadsmaterial 3.1 Allmänt På uppdrag av Banverket har ScandiaConsult (Dehlbom 2003) utfört en litteraturstudie med syfte att ta fram underlag för bestämning av rimligt hållfasthets- eller nötningskrav på underballast. Resultatet av denna litteraturstudie visar att det finns två nedbrytningstyper som uppkommer under bygg- och driftsskedet, den ena är nedkrossning (mekanisk sönderdelning) och den andra är nötning. Dessa nedbrytningstyper uppstår främst genom krossning, transport, packning, byggnadstrafik och trafikbelastning. 3.2 Nedkrossning Dehlbom (2003) redovisar att de viktigaste faktorerna som påverkar uppkomsten av nedkrossning för de vanligaste bergarterna i Sverige är: Kornfördelning Kornform Belastningsnivå Andel spröda mineral och mineralens kornstorlek Ett ensgraderat material nedkrossas mer än ett välgraderat. Partiklarnas kornform har stor inverkan på nedkrossningen av ett obundet material. Nedkrossning sker i högre grad på material bestående av flisiga partiklar jämfört med material som i huvudsak består av kubiska partiklar. En förutsättning för att nedkrossning skall ske är att belastningen är tillräckligt hög. Ett välgraderat material tål högre belastning än vad ett ensgraderat gör. Nedkrossning är beroende av ingående minerals hårdhet och struktur. 13

15 3.3 Nötning Dehlbom (2003) redovisar att de viktigaste faktorerna som påverkar uppkomsten av nötning av de vanligaste bergarterna i Sverige är: Ingående minerals hårdhet Vatteninnehåll Glimmerinnehåll samt glimmerpartiklarnas orientering och fördelning Vittring Belastningsnivå Egenskaperna för ingående mineral har en avgörande roll för ballastens mekaniska egenskaper. Ökad nednötning har påvisats vid högt glimmerinnehåll. Nötningen accelereras av faktorer som mekanisk påkänning och tillgång av vatten. Enligt BVS tolererar Banverket en glimmerhalt på 10 %. Högre nivåer kan dock tillåtas beroende på glimmerpartiklarnas orientering och fördelning i bergarten. I Sverige utgör vittring normalt inte något problem. Negativa erfarenheter finns dock från krosszoner och dylikt. (Dehlbom 2003) Nednötningen i ett obundet material är enligt Olsson (1995) störst till en början: Nednötning av ytor, kanter och hörn beror troligen på en kombination av mikrointrängningar och avnötning av utstickande ojämnheter och korn. Detta fenomen minskar i takt med att fler kontaktpunkter uppstår. 14

16 4 Laster 4.1 Allmänt En järnvägsbana är till för att bära laster från tågen. Vilka laster som tillåts utgör en slags klassificering av en bana. För de som trafikerar banan är det till fördel ju högre kapacitet som banan har. Högre laster medför ökade investeringskostnader och ökat slitage för banupplåtaren (Sundqvist 2003). Nedbrytningseffekterna ökar inte alltid linjärt utan ofta logaritmiskt, vilket kan betyda att en trafikvolymökning med 10 % kan innebära en halvering av livslängden hos ett spår. Skall järnvägen klara av marknadens ökade krav och samtidigt göra detta med rimliga kostnadsökningar krävs att åtgärder vidtas som minskar nedbrytningen av infrastrukturen (Silfverswärd 2000). I Banverkets dokument Järnvägsnätsbeskrivningar (2008) står beskrivet att största tillåtna axellast (STAX) är ett mått på hur mycket varje hjulaxel får belasta spåret, uttryckt i ton. Vidare framkommer att STAX 22,5 ton är standard för de flesta banor i Sverige, men Banverket bygger successivt ut nätet för STAX 25 ton för att tyngre godståg skall kunna framföras. STAX 30 är i dagsläget endast tillåtet med fyraaxliga boggivagnar på speciellt uppgraderade bansträckor (Malmbanan). Alla transporter med en axellast över 22,5 ton klassas som specialtransporter. 4.2 Projektet Heavy Axle Load Genom en litteraturstudie har vi undersökt vad olika axellaster har för betydelse för ballastens beständighet. Studien baseras främst på den amerikanska rapporten Heavy Axle Load Ballast Experiment (Trevizo 1997). Testet pågick under åren De bergarter som ingick i testet, testfraktion, testzonens längd samt Los Angeles-tal 2 åskådliggörs i tabell 2. Experimentets primära syfte var att utvärdera ballastens beständighet baserat på mätningar av spårgeometri, densitet, sättningar och nedbrytning. Det sekundära syftet var att studera hur mycket finmaterial som bildas vid underhåll. 2 Los Angeles-talet anges enligt ASTM C 535, grading 3 15

17 Tabell 2. De i testet ingående bergarterna, testfraktion, testzonens längd samt LA-tal. Bergart Granit Basalt Kalksten Dolomitsten Fraktion i spår (mm) , Testzonens längd (m) Los Angeles tal 3 18,5 10,2 29,7 34, Fältförsök Experimentet gick huvudsakligen ut på att undersöka bergarternas förmåga att motstå 39-tons axellast samt varierande tonnage under en bestämd tid. Detta genomfördes vid Transportion Technology Center under projektet Heavy Axle Load (HAL). Experimentet skedde vid en provsträcka (High Tonnage Loop) för att efterlikna verkliga förhållanden, se figur 2. Provsträckan trafikerades av ett tåg i en hastighet av 65 km/h och bergarternas lämplighet utvärderades med jämna mellanrum under projektets tid och även efter avslutat test. Figur 2. Skiss över High Tonnage Loop (HTL) med testzonerna utmarkerade för varje bergart. 3 Grading 3 (1.5-3/4 ) = mm 16

18 Varje bergarts testzon uppdelades i två övergångssektioner, en geometrisk sektion, en provsektion och en kontinuitetssektion, se figur 3. Ballastlådor placerades i övergångssektionerna för granit och dolomitsten, dessa innehöll kända fraktioner från respektive bergart. Lådorna användes för att undvika infiltration av finmaterial från bland annat underliggande lager för att säkerställa att finmaterialet endast kommer från trafiklaster och underhåll. Undersökning av ballastens nedbrytning samt spårläge utfördes efter förutbestämda cykler. Figur 3. Uppdelning av testzonerna Resultat Resultatet av HAL-projektet visar att högre axellaster orsakar liten eller ingen påverkan på ballastens beständighet. Däremot framkom det att ballastens livslängd samt förmåga att behålla de geometriska egenskaperna påverkas av faktorerna: ackumulerat tonnage, dynamiska krafter, kornform samt underhåll. Ballastens förmåga att behålla de geometriska egenskaperna varierar med bergart och ackumulerat tonnage. Störst påverkan uppvisade kalkstenen och dolomitstenen. 17

19 Efter avslutat test, det vill säga efter 750 MGT 4 framkom att graniten och basalten inte hade påverkats i så stor utsträckning att underhåll var nödvändigt. Däremot krävdes underhåll av ballasten bestående av kalksten och dolomitsten. Efter omprioriteringar fattades beslut om att dolomitstenen skulle avlägsnas från experimentet. Beslutet föranledes av att ständiga underhåll krävdes samt att ett nytt test prioriterades. I början av experimentet uppstod sättningar i banvallen men dessa minskade med tiden. Sättningarna skedde främst i spår där dolomitstenen och kalkstenen var belägna. Siktanalyser utförda under testet visade att viss nedbrytning av samtliga bergarter skett. Efter 200 MGT uppvisades skillnader mellan bergarterna. Analyserna visade att kalkstenen och dolomitstenen var mest påverkade av nedbrytning. I rapportens slutsats framkom att en direkt jämförelse mellan 33-tons axellast och 39-tons axellast inte är möjlig. Detta beror på skillnader mellan bergarter och ackumulerat tonnage. Det visade sig att nedbrytningen av ballast till största del beror på ackumulerat tonnage och inte på ökade axellaster. Det framkom även att underhåll orsakar ökad nedbrytning. Alla fyra bergarter uppvisade tecken på nedbrytning men i varierande omfattning. Totalt sett ansåg man att nedbrytningen var relativt låg. Det framkom även att det semi-arida 5 klimatet bidrog till resultatet. Ett hårdare klimat skulle troligen öka nedbrytningen. 4 Million Gross Tonnes ( 1 Gross ton 1016 kg) 5 Ett semi-arid klimat innebär en låg årlig nederbörd mellan 250 och 500 mm 18

20 4.3 Konsekvenser av högre axellaster I litteraturstudien framkom att det är svårt att exakt avgöra vilka faktorer som orsakar skador i banvallen eftersom banvallen är en komplex konstruktion där ingående konstruktionselement samverkar. Ballastens roll i det hela är svår att avgöra på grund av detta. Det har visat sig att banvallens livslängd påverkas av högre axellaster. Undergrundens livslängd halveras när axellasten ökar från 30 till 36 ton, förutsatt att undergrunden är dimensionerad för att klara 200 MPa (Rose et al.). Högre axellaster leder till ökad nedbrytning av ballasten med dock inom acceptabla gränser (Trevizo 1997). 19

21 5 Metoder för bestämning av hållfasthetsegenskaper 5.1 Micro-Devalmetoden Historik Micro-Devalmetoden används för att mäta ett bergmaterials förmåga att motstå nötning. Metoden utvecklades i Frankrike under 1960-talet för provning av kärnborrat berg. Uppborrat berg med liten diameter bidrar vanligtvis med liten materialmängd, därför provades fraktioner med lågt stenmax och med liten provmängd. I samband med behov av ett nötningstest för stenmaterial har metoden även använts för ballast (Stenlid 2000). I Sverige används metoden inom både väg- och järnvägsbyggnad enligt SS-EN För järnvägsmakadam används ett modifierat förfarande vid provningen (Se bilaga 2) Provberedning Laboratorieprovet skall innehålla minst 25 kg av fraktionen 31,5 50 mm. Analysprovet skall bestå av två enskilda analysprov. Laboratorieprovet siktas så att fraktionerna 31,5 40 mm och mm erhålls. Därefter tvättas och torkas fraktionerna. Fraktionen 31,5 40 mm delas ned så att två fraktioner vardera med en vikt av 5000 g erhålls. Förfarandet upprepas för fraktionen mm. Därefter kombineras fraktionen 31,5 40 mm med fraktionen mm, så att ett enskilt analysprov med en total torrvikt av g erhålls. Förfarandet upprepas för de andra två fraktionerna. 20

22 5.1.3 Provningsförfarande Materialet tumlas runt varv tillsammans med 2 liter vatten. Efter avslutad provning samlas materialet upp i ett uppsamlingskärl. Därefter torkas och siktas materialet, kvarstannad mängd på 1,6 mm-sikten vägs och förhållandet mellan denna och provets ursprungliga vikt beräknas enligt följande ekvation: M DE RB = m 100 där m = vikten på kvarstannande material på en 1,6 mm-sikt i gram För en komplett beskrivning av provningsmetoden och provningsförfarandet se SS-EN och modifierat förfarande enligt bilaga E i SS-EN Figur 4. Bilden visar material före och efter provning, den vänstra formen visar materialet före test och den högra efter. 21

23 5.2 Los Angelesmetoden Historik Los Angelesmetoden utvecklades i USA 1916 vid gatukontoret i Los-Angeles som ett komplement till den franska Devalmetoden. Metoden som då kallades för Los Angeles rattler användes av California Divisions of Highways för kontroll av grovt material (ytbehandlingssten). Metoden standardiserades av ASTM i USA för både fina och grova material. Denna standard är än idag i stort sett oförändrad (Stenlid 1996). I Sverige används Los Angelesmetoden vid kontroll av mekaniska egenskaper av ballast för väg- och järnvägsbyggnad. Den europeiska standarden skiljer sig från den amerikanska bland annat med avseende på utvärderingssikt. Standardmetoden för Los Angeles-tal baseras på SS-EN Det modifierade förfarandet för järnvägsmakadam finns beskrivet i europastandarden SS-EN och i Banverkets interna föreskrift BVS Se bilaga 3 för skillnader mellan ursprunglig och modifierad metod Provberedning Laboratorieprovet skall innehålla minst 15 kg av fraktionen 31,5 50 mm. Laboratorieprovet siktas så att fraktionen 31,5 40 mm och fraktionen mm erhålls. Därefter tvättas och torkas fraktionerna. Vikten minskas hos varje fraktion så att varje fraktion har en vikt av 5000 g. Därefter kombineras de två neddelade fraktionerna till ett analysprov med en total torrvikt av g Provningsförfarande Provet läggs i trumman och roterar 1000 varv med 11 stycken stålkulor med en hastighet av varv/min. Därefter torkas och siktas materialet, kvarstannad mängd på 1,6 mm-sikten vägs och förhållandet mellan denna och provets ursprungliga vikt beräknas enligt följande ekvation: 6 American Society for Testing and Materials 22

24 LA RB = m 100 där m = vikten på kvarstannande material på en 1,6 mm-sikt i gram För komplett beskrivning av provningsmetoden och provningsförfarandet se SS-EN och modifierat förfarande enligt bilaga C i SS-EN Metoder för bestämning av geometriska egenskaper 6.1 Allmänt I dagsläget kräver Banverket att två testmetoder gällande de geometriska egenskaperna tillämpas, dessa är kornform och kornlängd. Vid utgivningen av BVS valde Banverket att inte ställa krav på den tredje testmetoden (flisighetsindex) som återfinns i SS-EN LT-index anger längd- och tjockleksförhållandet (L/T) hos ett ballastmaterial. Banverket ställer krav på att kornformen skall uppfylla kategori SI 20, vilket innebär att LT-index 3 20 vikt-%. LT-index provas enligt EN och ingår i SS-EN Banverket ställer krav på att kornlängden (andel korn > 100 mm) skall uppfylla kategori D i SS-EN Detta innebär att andelen korn längre än 100 mm maximalt får vara 12 %. I SS-EN sker ingen hänvisning till någon speciell provningsstandard gällande kornlängd, ej heller vilken fraktion materialet skall provas på och inte heller vilken provmängd som avses. Detta kan eventuellt bero på bristande erfarenhet/kunskap om kornlängdens påverkan på ballastens funktionsegenskaper. 6.2 LT-index Provberedning Laboratorieprovet skall väga minst 45 kg och vara torrt. Därefter siktas laboratorieprovet så att korn större än 63 mm och korn mindre än 31,5 mm separeras bort. 23

25 6.2.2 Provningsförfarande Analysprovet, som består av fraktionen 31,5-63 mm, vägs och noteras som M 1. Därefter mäts kornens längd och tjocklek med hjälp av en tolk eller ett skjutmått. Korn som har ett längd/tjockleksförhållande > 3 sorteras ut eftersom detta utgör ett icke kubiskt material. Vikten på det icke kubiska materialet noteras som M 2. LT-index beräknas med hjälp av ekvationen: SI = ( M 2 / M 1 ) 100 där: M 1 är vikten på analysprovet, i gram M 2 är vikten på icke kubiska korn, i gram LT-index avrundas därefter till närmaste heltal. 6.3 Kornlängd Kornlängden skall med hjälp av en tolk eller ett skjutmått bestämmas enligt SS-EN lämpligen i samband med bestämning av LT-index. Enligt Banverkets interna föreskrift BVS skall kornlängden testas på fraktion 31,5-80 mm hos ett prov större än 40 kg. 24

26 7. Resultat 7.1 Inkomna analysresultat Totalt har ca 250 analysresultat från åren kommit oss tillhanda. Samtliga täkter uppfyller Banverkets materialkrav enligt BVS Fördelningen mellan regionerna åskådliggörs i tabell 3. Tabell 3. Antal inkomna analysresultat Region Micro-Deval Los Angeles-tal LT-index kornlängd Norra Mellersta Östra Västra 1* 1* 7 1* Södra Totalt: * Dessa prover är endast angivna som kategorivärde enligt SS-EN Av tabell 3 framgår att antalet inkomna analysresultat varierar kraftigt mellan regionerna. Detta kan förklaras av skillnader i kontrollsystemen. I vissa fall är det en central kontrollfunktion hos regionansvarig och i andra fall har kontrollen varit decentraliserad. Den totala sammanställningen av analysresultat redovisas i bilaga 1. 25

27 7.2 Hållfasthetsegenskaper Micro-Deval Antal inkomna analysresultat från utförda micro-devaltester uppgår till 34 stycken. Av dessa kommer mer än 50 % från norra regionen. De insamlade resultaten har analyserats med avseende på medelvärde, spridning och ställda kravgränser enligt SS-EN 13450, se diagram 1. I diagrammet framgår att ingen täkt har ett medelvärde över 10 med undantag för Kållered 7. Motstånd mot nötning; medelvärden och spridning samt gränser enligt SS-EN Micro-Devalvärde 10 Medelvärde Kategori MDERB 5 Kategori MDERB 7 Kategori MDERB 11 Kategori MDERB Svalget 4 st Vitberget 3 st Kiruna LKAB 5 st Västerbacke 1 st Skärvsta 2 st Idbyn 3 st Bodaheden 1 st Biskopstorp 4 st Vambåsa 1 st Karlshamn 1 st Åstorp 1 st Önnestad 1 st Täkt Forserum 2 st Rockneby 1 st Runtorp 1 st Kållered* 1 st Hulterstad Egendom 1 st Olunda 1 st Diagram 1. Diagrammet visar antal analysprov per täkt samt medelvärde, spridning och gränsvärden. 7 Micro-Devalvärdet för Kållered är angivet som kategorivärde enligt SS-EN

28 7.2.2 Los Angeles-tal Antal inkomna analysresultat från utförda Los Angelestester uppgår till 46 stycken. Av dessa bidrar norra, mellersta och södra regionen med mer än 90 % av totalt inkomna analysprover. De insamlade resultaten har analyserats med avseende på medelvärde, spridning och ställda kravgränser enligt SS-EN 13450, se diagram 2. Eftersom alla täkter är godkända leverantörer till Banverket är det ingen av täkterna som har ett Los Angeles-tal som överstiger 20. Av de 19 täkterna är det 13 som har ett Los Angeles-tal på 16 eller lägre. Motstånd mot fragmentering; medelvärden och spridning samt gränser enligt SS-EN ,0 20,0 Los Angelestal 15,0 10,0 Medelvärde Kategori LARB12 Kategori LARB16 kategori LARB20 5,0 0,0 Svalget 4 st Vitberget 4 st Kiruna LKAB 5 st Västerbacke 1 st Skärvsta 2 st Idbyn 3 st Bodaheden 9 st Moradal 2 st Biskopstorp 4 st Vambåsa 1 st Karlshamn 1 st Täkt och antal analysresultat Åstorp 1 st Önnestad 1 st Forserum 2 st Rockneby 1 st Runtorp 2 st Kållered* 1 st Hulterstad Egendom 1 st Olunda 1 st Diagram 2. Diagrammet visar antal analysprov per täkt samt medelvärde, spridning och gränsvärden. 27

29 7.2.3 Jämförelse mellan Los Angeles-tal och micro-devalvärden Av diagrammet framgår tydligt att metoderna inte korrelerar med varandra. Däremot åskådliggör diagrammet hur micro-devalvärdena förhåller sig till Los Angeles-talet. 20,0 Jämförelse mellan Los Angelestal och micro-devalvärde LA RB 12 LA RB 16 LA RB 20 LA RB 24 18,0 16,0 M DE RB 15 14,0 micro-devalvärde 12,0 10,0 8,0 6,0 4,0 M DE RB 11 M DE RB 7 M DE RB 5 2,0 0,0 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 22,0 24,0 26,0 Los Angelestal Diagram 3. Varje punkt i diagrammet representerar medelvärdet för Los Angeles-talet och micro-devalvärdet per täkt. Strecken anger gränsvärden för respektive testmetod och är markerade i blått respektive rött. 28

30 7.3 Geometriska egenskaper Kornform Totalt har 89 stycken analysresultat med avseende på LT-index inkommit. Av dessa bidrar norra, mellersta och södra regionen med ca 90 % av analysresultaten. Från södra regionen kommer dock alla värden från samma täkt (Biskopstorp). De insamlade resultaten har analyserats med avseende på medelvärde, spridning och ställda kravgränser enligt SS-EN 13450, se diagram 4. Eftersom alla täkter är godkända leverantörer till Banverket är det ingen av täkterna som har ett LT-index som överstiger 20. Det framgår även att de flesta täkterna har ett LT-index understigande 15. Kornform; medelvärden och spridning samt gränser enligt SS-EN ,0 30,0 LT-index 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 0,0 Medelvärde Kategori SI10 Kategori SI20 Kategori SI30 Svalget 8 st Vitberget 3 st Kiruna LKAB 14 st Västerbacke 2 st Skärvsta 5 st Idbyn 3 st Bodaheden 17 st Moradal 4 st Täkt och antal analysresultat Biskopstorp 25 st Kållered 7 st Hulterstad Egendom 1 st Diagram 4. Diagrammet visar antal analysprov per täkt samt medelvärde, spridning och gränsvärden. 29

31 7.3.2 Kornlängd Totalt har 80 stycken analysresultat med avseende på kornlängd inkommit. Av dessa bidrar västra och östra regionen med endast två värden. De insamlade resultaten har analyserats med avseende på medelvärde, spridning och ställda kravgränser enligt SS-EN 13450, se diagram 5. Om man bortser från Bodaheden 8 klarar alla täkterna kravet på maximalt 12 %, det vill säga kategori D. Kornlängd; medelvärden och spridning samt gränser enligt SS-EN ,0 Andel korn (%) > 100 mm 25,0 20,0 15,0 10,0 5,0 Medelvärde Kategori A Kategori B Kategori C Kategori D 0,0 Svalget 8 st Vitberget 3 st Kiruna LKAB 14 st Västerbacke 2 st Skärvsta 1 st Bodaheden 25 st Biskopstorp 25 st Täkt och antal analysresultat Kållered* 1 st Hulterstad Egendom 1 st Diagram 5. Diagrammet visar antal analysprov per täkt samt medelvärde, spridning och gränsvärden. 8 Tvist mellan leverantör och beställare, analysresultaten anses därmed ej som representativa. 30

32 7.3.3 Jämförelse mellan kornform och kornlängd I diagrammet framgår hur kornform och kornlängd förhåller sig till varandra. Jämförelse mellan kornform och kornlängd 16 Kategori SI Kategori D 10 Kornlängd Kornform Diagram 6. Varje punkt i diagrammet representerar medelvärdet för kornformen och kornlängden per täkt. Strecken anger gränsvärden för respektive testmetod och är markerade i blått respektive rött. 31

33 8 Diskussion 8.1 Axellaster Enligt litteraturstudien framkom att ackumulerat tonnage har större inverkan på ballastens livslängd jämfört med högre axellaster. Med hänsyn till kraven i Banverkets interna föreskrift BVS gällande järnvägsmakadam klass 1 samt resultatet från litteraturstudien, anser vi att differentierade krav på Los Angeles-tal inte kan anses nödvändigt. Enligt resultaten från FAST Heavy Axle Load Ballast- Test Results framkom efter siktanalyser att samtliga bergarter som ingick i testet klarade sig relativt bra. Detta trots att två av bergarterna är av sedimentärt ursprung (dolomitsten och kalksten). I Sverige skulle dessa bergarter inte uppfylla de krav som ställs på järnvägsmakadamballast klass 1. Detta tyder på att höga axellaster inte orsakar någon betydande nedbrytning av ballasten. Ett differentierat krav på Los Angeles-tal skulle därmed sakna relevans. Högre axellaster påverkar banvallen men eftersom detta är en komplex konstruktion bestående av flera konstruktionselement är det svårt att avgöra ballastens roll. Däremot framkom det i litteraturstudien att undergrundens livslängd halveras när axellasten ökar från 30 till 36 ton. 8.2 Hållfasthetsegenskaper För kvalitetssäkring av järnvägsmakadam med avseende på mekaniska egenskaper används i dagsläget två testmetoder, Los Angeles- och micro-devalmetoden. Efter analys av inkomna micro-devalvärden har vi ställt dessa mot Los Angeles-talen för samma täkt, eftersom det redan finns en fastställd kravgräns för motstånd mot fragmentering. Detta har vi gjort för att få en indikation på hur dessa värden beror av varandra. På grund av otillräckligt material med avseende på petrografisk beskrivning har vi endast kun- 32

34 nat tolka ingående minerals betydelse hos ett fåtal analysresultat. Uppgifter om vilken typ av bergart varje täkt bidrar med har vi dock kännedom om. Av diagram 1 framgår att ingen täkt har ett medelvärde över 10. Det lägsta micro-devalvärdet uppvisar Rockneby vilket kan bero på att analyserad bergart utgörs av en mycket glimmerfattig (0,4 %) granit. Vambåsa har enligt samma diagram ett lågt micro-devalvärde som kan förklaras av att bergarten till största del består av fältspat, kvarts samt har ett lågt glimmerinnehåll. Allmänt känt är att bergarter uppbyggda av hårda mineral är mer beständiga mot nötning än bergarter bestående av mjuka mineral. I diagrammet kan man utläsa att Svalget innehar det högsta micro-devalvärdet (M DE 12) vidare kan man notera att spridningen i denna täkt är relativt stor. Förklaringen kan ligga i varierande kornstorlek (fin- till medelkorning) hos gabbron. I diagram 3 har vi valt av visa hur täkternas micro-devalvärden förhåller sig till Los Angeles-talen där varje punkt representerar medelvärdena för en viss täkt. I diagrammet framgår tydligt att metoderna inte korrelerar med varandra. Däremot åskådliggör diagrammet hur värdena förhåller sig till varandra. Sju av täkterna i diagrammet uppfyller det strängaste kravet M DE RB 5, av dessa sju täkter uppfyller endast 3 stycken det strängaste kravet LA RB 12. Detta har vi tolkat som att ett lågt micro-devalvärde inte alltid behöver leda till ett lågt Los Angeles-tal. Enligt litteraturstudien framkom att nötning kan bero på ett flertal faktorer bland annat glimmerinnehåll, det vill säga att ett bergmaterial med ett högt glimmerinnehåll normalt har sämre motståndsförmåga mot nötning än vad ett bergmaterial med ett lågt glimmerinnehåll har. Exempel på detta åskådliggörs i diagram 3, där Olunda och Rockneby uppvisar de lägsta Los Angeles-talen (LA RB 10). Dock är det stor skillnad mellan micro- Devalvärdena, där Olunda (16 % glimmer) har M DE RB 7 och Rockneby (0,4 % glimmer) M DE RB 2. 33

35 8.3 Geometriska egenskaper Enligt vår frågeställning ingår att utreda vilken av metoderna LT-index eller kornlängd som oftast är utslagsgivande. Totalt har vi fått in analysresultat från 9 av de 19 täkterna som har analyserats med avseende på båda testmetoderna. Av dessa kommer 5 täkter från norra regionen. För de övriga regionerna är det 1 täkt per region som analyserats med avseende på både kornlängd och kornform. Detta leder till att våra slutsatser till största delen bygger på resultat från norra regionen. I diagram 4 och 5 framkommer att det är fler täkter som har ett medelvärde nära gränsvärdet för kornlängd (kategori D) än vad det är för kornformen (SI 20 ). Det är också tydligt att det är fler täkter som har ett maxvärde som uppgår till gränsvärdet 12 % gällande kornlängden. Däremot är det ingen täkt som överskrider gränsvärdet 20 % gällande LT-index. De flesta täkter tycks uppfylla kraven på de geometriska egenskaper som i dagsläget ställs. En trolig förklaring till att flertalet täkter uppfyller kravet med avseende på LT-index kan vara att Banverket tidigare ställde krav på max 10 % stängliga korn. Kornlängden påverkas i stor grad av vilken fraktion testet utförs på. I dagsläget testas kornlängden på fraktionen 31,5-80 mm. Ett korn på 31,5 mm kan vara stänglig utan att vara >100 mm. Ett korn som passerar 63 mm-sikten kan vara längre än 100 mm utan att betraktas som stänglig. Ett korn mellan mm bör vara i princip kubiskt för att inte räknas som för långt (längre än 100 mm). Eftersom andelen korn > 100 mm uttrycks i viktprocent i förhållande till totala testportionen har ett stort korn större inverkan på resultatet. I enskilda fall kan dock problem uppstå gällande kornform och kornlängd. Detta beror främst på bergets egenskaper och produktionstekniska faktorer. 34

36 9 Slutsatser Vi anser att ett differentierat krav på Los Angeles-tal för järnvägsmakadam klass 1 inte fyller någon direkt funktion. Därför bör Banverket inte ställa krav på detta. Eftersom man känner till att inslag av nötning/fragmentering förekommer i ett obundet överbyggnadslager är det av betydelse att tillämpa en testmetod som kontrollerar ett bergmaterials motståndsförmåga mot nötning. Med dagens krav på Los Angeles-tal har samtliga täkter ett micro-devalvärde M DE RB 11. Om vi antar att förhållandet mellan testmetoderna ser ut på detta sätt leder det till att Los Angeles-talet är utslagsgivande vid ett krav på M DE RB 15. Vid nuvarande kravgräns på Los Angeles-tal skulle ett krav M DE RB 11 inte uppfylla någon betydande funktion eftersom samtliga täkter understiger detta. Ett eventuellt fastställande av kravvärde M DE RB 7 innebär att metoden i många fall blir utslagsgivande i förhållande till Los Angelesmetoden. Av diagram 1 framgår att ca 50 % av täkterna har ett micro-devalvärde 7 vilket innebär att dessa inte uppfyller kravet. Gällande geometriska egenskaper framkom det att kornlängden oftast är utslagsgivande. 10 Rekommendation Enligt Dehlbom (2004) framkom att fraktionen 31,5-50 mm normalt hamnar 3-5 enheter lägre beträffande micro-devalvärdet jämfört med fraktionen mm. Dehlbom rekommenderar därmed att en jämförelse mellan fraktionerna mm och 31,5-50 mm bör genomföras. Vi finner denna rekommendation lämplig eftersom större erfarenhet av fraktion mm finns. 35

37 Referenser BVS Makadamballast för järnväg Dehlbom, B 2003: Nedbrytning av obundna överbyggnadsmaterial, ScandiaConsult Sverige AB Dehlbom, B 2004: Hållfasthets-och nötningsegenskaper för underballast slutrapport, ScandiaConsult Sverige AB Olsson, E-L 1995: Provning av slag-och nötningshållfasthet hos järnvägsmakadam, ISSN Schouenborg, B och Savukoski, M 2004: Utvärdering av skillnader mellan provning av makadamballast enligt BVF och EN underlag till ny svensk standard Stenlid, L 1996: Klassificering av bergarter med Los Angeles-trumma, Skanska Mellansverige AB, slutrapport SBUF projekt nr 2135 Stenlid, L 2000: Utvärdering av micro-devalmetoden, Skanska Sverige AB Sundqvist, H 2003: Byggande, drift och underhåll av järnvägsbanor, Utgåva 3 ISSN Wee Loon Lim, 2004: Mechanics of Railway Ballast Behaviour Trevizo M C, 1997: FAST Heavy Axle Load Ballast Test Results Rose J G, Su B, Long WB, 2003: KENTRACK a structural analysis program for heavy axle load railway trackebed designs 36

38 Järnvägsnätsbeskrivning, Silfverswärd, C 2000: Marginalkostnader inom järnvägssektorn. Bilaga 2. Spårslitage avgiftsfinansiering. Banverket. Underlag. Rapport 2000:10 Metodbeskrivningar SS-EN Bestämning av kornform LT-index SS-EN Bestämning av nötningsmotstånd (micro-deval) SS-EN Metoder för bestämning av motstånd mot fragmentering SS-EN Makadamballast för järnväg Bilagor Bilaga 1 Sammanställning för samtliga inkomna resultat Bilaga 2 Beskrivning av Micro-Devalmetoden Bilaga 3 Beskrivning av Los Angelesmetoden 37

39 Bilaga 1 Makadamballast klass 1 (analysfraktion LT = 31,5-63 mm samt kornlängd = 31,5-80 mm, analysfraktion LA = 31,5-50 mm samt micro-deval = 31,5-50 mm) Täkt LT- Medel / Korn- Medel / LA- Medel / Micro- Medel / index täkt längd täkt tal täkt Deval täkt Svalget Vitberget Kiruna LKAB

40 Västerbacke Skärvsta Idbyn Uppgift saknas

41 40 Bodaheden Biskopstorp

42 Vambåsa Uppgift saknas Karlshamn Uppgift saknas Åstorp Uppgift saknas Önnestad Uppgift saknas Forserum Uppgift saknas Rockneby Uppgift saknas Runtorp Uppgift saknas Kållered*

43 Hulterstad egendom Olunda Uppgift saknas * Kornlängd, Los Angeles-tal samt micro-devalvärde är angivet som kategorivärde enligt SS-EN

44 Bilaga 2 Micro-Devalmetoden Nedan redovisas skillnaderna mellan den ursprungliga metoden (SS-EN ) och den modifierade metoden för järnvägsmakadam (SS-EN 13450). micro-deval M DE (våt) micro-deval* M DE (våt) Provfraktion (mm) ,5-50 Provmängd (gram) Kulcharge (gram) 5000 Enskild kulas dimension (mm) 10 ± 0,5 Vattenvolym (liter) 2,5 ± 0,05 2,0 ± 0,05 Rotationshastighet (varv/minut) 100 ± ± 5 Antal varv ± ± 10 Utvärderingssikt (mm) 1,6 1,6 Trummans inre diameter (mm) Trummans inre längd (mm) *Modifierad metod

45 Bilaga 3 Los Angelesmetoden Nedan redovisas skillnaderna mellan den ursprungliga metoden (SS-EN ) och den modifierade metoden för järnvägsmakadam (SS-EN 13450). Los Angeles LA Los Angeles* LA RB Provfraktion (mm) ,5-50 Provmängd (gram) Antal kulor Kulcharge (gram) (5210± 90) Enskild kulas dimension (mm) Rotationshastighet (varv/minut) Antal varv Utvärderingssikt (mm) 1,6 1,6 Trummans inre diameter (mm) Trummans inre längd (mm) *Modifierad metod (711± 5) (711± 5) (508± 5) (508± 5) 44