V" notat. Nr V Laboratorieundersökningar

Transkript

1 V" notat Titel: Laboratorieundersökningar av LD-slagg Nr V Författare: Peet Höbeda och Jerzy Chytla Avdelning: Väg Projektnumner : Projektnamn: Undersökning av LD-slagg Uppdragsgivare: Merox AB Distribution: fri/nyförvärv/begränsad div Väg-och transportäforskningsinstitutet

2 INNEHÅLLSFÖRTECKNING Sid INLEDNING 1 UNDERSÖKTA PROV 2 RESULTAT AV STENMATERIALPROVNINGAR 3 SVÄLLNINGSFÖRSÖK 4 LD-SLAGG SOM OBUNDET MATERIAL 5.1 \ Kornstorleksfördelning 5.2 Maximal skrymdensitet, optimal vattenkvot 5 och CBR-värde UNDERSÖKNING AV ASFALTMASSA 7 RESULTAT OCH REKOMMENDATIONER 9 VTI Notat V195

3

4 1 INLEDNING I undersökningen ingår också en litteraturstudie av utländska erfarenheter av LD-slagg inom vägbyggnad (VTI Notat V193). Laboratorieundersökningarna har varit ganska begränsade, en av anledningarna är att kvaliteten för LD-slagg i viss omfattning kan påverkas genom hanteringen av slaggsmältan, förlagring av slaggen i upplag samt genom krossning och sortering. LD-slagg har tidigare inte använts till vägändamål i Sverige och proven som undersökts behöver inte representera det material som kan produceras under kvalitetskontroll och med sikte på väganvändning. VTI Notat Vl95

5 2 UNDERSÖKTA PROV VTI har erhållit prov i fonm av krossad slagg och frånsiktad slagg. Siktningskurvor framgår av figur 1 och 2. Materialet härstammar från upplag som legat i det fria under ett antal är, dock inte i krossad form. Proven har siktats upp i analysfraktioner vid VTI för vidare undersökningar. VTI Notat V195

6 3 RESULTAT AV STENMATERIALPROVNINGAR Analysfraktioner 8,0-ll,2 och 11,2-16 mm har siktats från proven av krossad respektive frånsiktad LD-slagg. Provningarna, utförda enligt MBB-metoder, framgår av tabell 1 och 2. Dessa metoder är dock framtagna för undersökningar av icke porösa material och passar inte alltid så väl för porös slagg. LD-slagg karakteriseras av hög korndensitet, ca 3,6 kg/dm3. Slaggen motsvarar natursten av god kvalitet med avseende på flisighets- och sprödhetstal samt slipvärde. Kulkvarnsvärdet är dock förhållandevis sämre och orsaken är sannolikt innehållet av svaga partiklar, som kan vara porösa eller innehålla fri kalk. Kulkvarnsvärdet påverkas starkt av låg halt svaga partiklar i provet eftersom man i princip mäter finmaterialbildningen vid våtnötning. Vid slipvärdesprovningen skyddas däremot enstaka mjuka partiklar av omgivande starka i provplattan. (Ett slipvärde på 1,5 motsvarar således för naturmaterial ett kulkvarnsvärde på ca 7.) Troligen kan halten svaga partiklar i LD-slagg minskas, genom speciella åtgärder som längre tids förlagring och hårdare krossning, speciellt i s k centrifugalkvarn. Lägre värden på flisighetstal, sprödhetstal, slipvärde och kulkvarnsvärde bör då kunna erhållas. Vidhäftningen till bitumen i närvaro av vatten har testats genom rullflaskförsök (MBB 55). Resultaten framgår av tabell 3 och 4. Figur 3 visar även resultaten för några stenmaterialtyper med god och dålig vidhäftning samt för glaskross (restprodukt). LD- Slaggen ger bättre resultat än stenmaterial, även sådana som har god vidhäftning. Stenmaterial med mindre god vidhäftning brukar dock kunna fungera tillfredsställande i täta, välgjorda beläggningar. VTI Notat Vl95

7 4 SVÄLLNINGSFÖRSÖK Svällningsbenägenhet hos LD-slagg beror på innehåll av fri CaO, MgO och vissa andra beståndsdelar. I praktiken kan svällningsprocessen ta lång tid och för kvalitetsbedömning används accelererade försök. En metod beskriven av Emery (se litteraturstudie i VTI Notat Vl93), har i princip använts eftersom ingen specialutrustning krävs. Prov 0-18 mm av frånsiktad och krossad slagg har packats i CBRcylindrar och sedan lagrats i vattenmättat tillstånd vid 80 C. Höjdförändringen har uppmätts som funktion av tiden. Vanligen används en lagringstid på ca 7 dygn, men frånsiktad slagg har lagrats upp till 29 dygn. På grund av en enda provcylinder har de två proven ej kunnat testas parallellt. Resultaten framgår av tabell 5 och figur 4. Den frånsiktade slaggen har störst svällningsförmåga och visar en svällning på 7,8 % efter 7 dygn, men den ökar med tiden för att bli 13,5 % efter 29 dygn. Något försök med krossad slagg har inte gjorts, men likartad trend är att förvänta. Det måste konstateras att båda slaggproven är potentiellt svällningsbenägna. Det är dock svårt att från ett accelererat svällningsförsök vid hög temperatur prediktera den svällning som sker under lång tid vid väganvändning, t ex i en asfaltbeläggning. (I Tyskland utförs således ett svällningsförsök på asfaltprovkroppar, men specialutrustning krävs.) Specialåtgärder måste vidtas för att förbättra beständigheten hos slaggen (jfr VTI Notat V193). VTI Notat V195

8 5 LD-SLAGG I OBUNDNA LAGER 5.1 Kornstorleksfördelning Resultaten av siktningsanalys (tvättsiktning) framgår av figur 1 och 2. kornstorleksfördelningarna är ganska lika. Krossad produkt har något lägre finmaterialhalt och innehåller något mer grova partiklar är frånsiktad. I förhållande till kraven i Vägverkets BYA komplement 3/89 innehåller slaggproven alltför ringa halt grova partiklar. På grund av innehållet av fri kalk bör dock slaggen användas i en finare gradering än natursten (det är svårt att få god beständighet med grova partiklar, t ex genom förlagring i upplag eftersom den fria kalken blir mer insluten och inte utsätts så lätt för atmosfärilier. 5.2 Maximal skrymdensitet, optimal vattenkvot och CBRvärde Resultatet från packningsförsök (tung instampning) framgår av tabell 6. Den torra skrymdensiteten ökar i princip med vattenkvoten till full vattenmättnad. För att bedöma stabiliteten hos obunden LD-slagg t ex för förstärknings- och bärlager har CBR-provning (ASTM D1883) utförts. Vid provningen har det instampade provet - vid vattenkvot lägre än vattenmättnad - belastats med en stämpel (yta 19,4 cm?) och kraften för nedträngning till 0,25 och 0,5 mm djup har bestämts och relaterats till en amerikansk standardkurva (kalkstenskross med CBR-värde 100). Det högre avlästa värdet ger CBR-värdet. Därefter har ett nytt prov undersökts, men efter vattenmättning i fyra dygn i enlighet med amerikansk anvisning. VTI Notat Vl95

9 Resultatet framgår av tabell 7. Båda proven har höga CBR-värden, särskilt frånsiktat material. Krossat material har nedsatt CBRvärde efter vattenmättning, frånsiktat för ovanlighetens skull högre. CBR-värdet är dock ingen entydig materialparameter utan beror bl a på kornstorleksfördelningen hos materialet, packningsgrad och vattenkvot. Vattenupptagningen och svällning har även mätts upp efter vattenmättnad och det visar sig att krossat prov suger upp mer vatten och visar högre svällning än frånsiktat. Frånsiktat prov har dock varit närmare vattenmättning från början. Svällningen är mycket ringa och någon "kemisk" svällning (som vid specialförsöket vid förhöjd temperatur) verkar inte ha uppstått vid rumstemperatur, i varje fall inte under så kort tid som fyra dygn. VTI Notat Vl95

10 6 UNDBRSÖKNING AV ASFALMSSA Marshallprovkroppar har tillverkats av både krossad och frånsiktad LD-slagg samt referensgranit från Skärlunda. Vid slaggprov har dock material 0-2 mm utgjorts av Skärlundagranit. Som beläggningstyp har valts MAB12T med en konkurva, som ligger mitt emellan gränskurvorna i BYA84. Resultat av proportionering framgår av tabellerna 8 och 9. Trots något högre bindemedelshalt i slaggprov har stora variationer erhållits i hålrumshalt. Högt hålrum har således erhållits med frånsiktad slagg. Marshallprovkroppar har tillverkats samt utsatts undersökning av pressdraghållfasthet och styvhetsmodul, dels i torrt, dels i "vått" tillstånd (vakuummättning under 1 timme 40 mbar), följd av vattenlagring 5 dygn vid 40 C. Temperaturen vid provning av mekaniska egenskaper (styvhetsmodul och pressdraghållfasthet) har sedan varit 10 C. Resultaten framgår av tabell 10. Styvhetsmodulen är högre för slaggprov än för referensprov, speciellt gäller detta frånsiktad slagg där provkroppen har högt hålrum. Vattenmättnad har reducerat styvhetsmodulen mycket marginellt för båda slaggproven (ca 3 %), något mer för granitprov (ca 11 %). Pressdraghållfastheten är likartad för samtliga prov (tabell 11) och samma sak gäller för brottdeformationen ("flytvärde"). Vattenmåttnad av provkropp ger en hållfasthetsreduktion som är ganska likartad för slagg- och granitmassa (11-13 %). I överensstämmelse med tidigare erfarenheter (VTI Notat V151) erhåller man inte lika stora skillnader i vattenkänslighet vid försök på provkroppar av asfaltmassa, framställda av olika stenmaterial (eller restprodukter), som vid rullflaskförsök. VTI Notat V195

11 Förnyad provning gjordes vid ett senare tillfälle med förändrade bitumenhalter för att få mer jämförbara hålrum. Resultatet av proportionering framgår av tabeller 12 och 13. Det visade sig att jämförbara hålrum erhålls med krossad LD-slagg och referensgranit, däremot icke med frånsiktad slagg. Eftersom denna inte blir aktuell i beläggningssammanhang utfördes ej nytt försök med annan bindemedelshalt. Enbart styvhetsmodulen bestämdes och endast i torrt tillstånd samt resultaten framgår av tabell 14. Samtliga prov gav ganska likartat resultat. I jämförelse med föregående försöksserie erhålls något lägre styvhetsmodul, särskiltmed frånsiktad slagg som tidigare haft något lägre bindemedelshalt och högre hålrum. Kryptest utfördes (vid 40 C) för att bedöma benägenheten till plastisk deformation vid varma sommartemperaturer. Resultaten framgår av tabell 15. Provningen har utförts enligt VTI internmetod. Samtliga prov visar likvärdiga resultat och motståndskraften mot plastisk deformation hos proven bedöms som god. VTI Notat Vl95

12 7 RESULTAT OCH REKOMMENDATIONER Det är svårt att bedöma lämpligheten hos LD-slagg med hjälp av konventionella testmetoder utvecklade för stenmaterial eller asfaltmassa. LD-slaggen är föränderlig på grund av hydration och beständigheten på lång sikt är svår att bedöma. Svällningsförsök, som gjorts vid förhöjd temperatur, visar att LD-slaggen är potentiellt expansiv och specialåtgärder måste vidtas för att förbättra kvaliteten (se litteraturstudie). Undersökningar på beläggningsmassa har gett Marshallprovkroppar med likvärdiga egenskaper i fråga om styvhetsmodul, pressdragförsök och krypegenskaper. Överlägsen moståndskraft mot "stripping" hos LD-slagg vid rullflaskförsöket har inte motsvarats av någon större skillnad hos asfaltmassa med slagg i jämförelse med granit. Asfaltmassa med granit har också gett gott resultat. Enligt andra undersökningar vid VTI kan dock vattenlagring vid högre temperatur (60 C) ta fram skillnader i vattenbeständighet som inte framkommer vid normalt använd temperatur (40 C). Vid VTI nyutvecklad metod för dynamisk kryptest kan ev ge tydligare utslag beträffande skillnader i beläggningskvalitet än statisk kryptest. Undersökning av annan typ av asfaltbeläggning, främst skelettasfalt och dränerande asfaltbetong rekommenderas efter det att man fått fram slagg med tillfredställande beständighet. VTI Notat Vl95

13

14 _. ; z / p _ , A v viktprocenl Posseronde mängd, ; g /.. i , * g m _ 20 / _ "'/ølfø E / v u n ,25 0, , Kornstorlek, um Figur 1. Siktningskurva för krossad LD-slagg. Sikt, mn Passerar sikten 9; , , , ,1 11,2 80, ,8 17,9 1 11,3 0,5 7,2 0,25 4,8 0,125 3,0 0,

15 100 go i i _ *g / P; / :g E q, l / C C / / D' 20 // """"""""" " 10 / j """ " o'f/ ,25 0,5 l 2 4 5, 811, K o r n s t o r 1 e k, mm Figur 2. Siktningskurva för frånsiktad LD-slagg. Sikt. mn Passerar sikten 3: , , , ,5 11,2 82,7 8 56,4 5,6 37, ,3 0,5 8,9 0,25 6, ,074 3,4

16 885 Nynäs \8 e_ Såå QZÖ / LD -slagg ä] Nå _ 01 E SISKA"GST 47% c: '\\ <NC7 få KHWTGNEJS *\\ "1:21:2:ZZZZ:Z;7-rwsrv 2 *3555. 'xst \\. 55f f29;5 ;7 50< ' \ 4 Z/ZÃ \ 1 \\ \\\\\\ SURA 9ST::. FFSYNOPAL Å\_\ \\ \ \ \ 4_ 1\ \\\i \\ \ \\\;_ L 24 #8 72 RuUhd,hn1 Figur 3. Rullflaskeförsök med krossad respektive frånsiktad LD-slagg.

17 B\ '_ OKrossad O 12'0 O Fránsiktad Ido 80L c» '..E 0.E 0 ;5 6,0 _ > 0 U" F O O 0 L0 G 0,0 MW' l dygn dygn dygn dygn dygn dygn dygn dygn dygn dygn Figur 4. Svällningsforsök med krossad respektive frånsiktad LD-slagg. Förlängd lagring gjord en- bart med frånsiktad slagg.

18 Tabell 1. Stenmaterialprovningar på krossad LD - slagg. Analys Enskilda Värden. Medelvärde Flisighet ume- % ,36 Sprödhet (MBB _10) Kompaktdensitet mm342) , Slipvärde (MBB -31) 1,50 1,33 1, Kulkvarnsvärde (MBB -59) Tabell 2. Stenmaterialprovningar på frånsiktad LD-slagg. Analys Enskilda värden Medelvärde Flisighet (nas - 9) 1,30 1,27 1, 29 Sprödhet (HBB -10) Kompaktdensitet Mm342) 3A ,51 3,54 3,52 Slipvärde (MBB -31) 1,55 1,39 1, 50 1A9 157 v Kulkvarnsvärde (mm-6% 12 M m

19 Tabell 3. Rullflaskförsök på krossad LD - slagg. Teckningsgrad (3:) efter: Rulltid 4 h 24 h 48 h 72 h Laborant l l 2 3 Prov Prov Prov Medelvärde Medelv. totalt Tabell 4. Rullflaskförsök på frånsiktad LD - slagg. Teckningsgrad (!6) efter: Rulltid 4 h 24 h 48 h 72 h Laborant l 2 3 l 2 3 Prov Prov Prov Hede 1värde Medelv. totalt

20 Tabell 5. Svällningsförsök på LD-slagg. S v ä 1 l n i n g e f t e r Prov v 1 dygn 2 dygn 3 dygn 4 dygn 5 dygn 6 dygn 7 dygn 12 dygn 19 dygn 29 dygn Krossad nln 2, % 2,0 3,2 3,7 4,0 4,8 Frânsiktad Inn 2,81 5, ,06 9,94 13,10 15,67 17,12 % 2,2 4,5 5,5 6,4 7,1 7,8 10,3.12,3 13,50

21 Tabell 6. Resultat från tung instampning. Vattenhalt Torr Prov i % skrymdensitet kg/dcm^3 Krossad 2,610 LD-slagg 2, ,647 Frânsiktad 5 2,419 LD-slagg 6 2, , ,514

22 Tabell 7. CBR - provning av LD - slagg. Torr Vattenha 1 t Vattenha 1 t Prov Tillstånd skrymdens. efter efter Sväl lning C B kg/dcm^3 instanpning vattenmättning i 95 i i; i 95 i 3: Krossad Torrt 2, * * l 7 9 Vát 2, ,7 0, Frånsiktad Torrt 2,479 7,4 * * 24 2 Våt ,

23 Tabell 8. Prcportionering av asfaltmassa med LD-slagg och referensgranit. Vattenlagrade prover Prov Torrvikt Vikt i Vikt i Skrymdensitet i luft vatten luft g/cm3 l. Krossad LD-slagg 1 k , , k 1 386,0 886, , k , ,6 2, k 1 383,2 882, ,9 2, k 1 389,6 891, , ? 6 k 1 387,9 886, ,8 2, k , k 1 391,3 891, ,2 2,7732 mmewaue 1 386,5 886, ,4 2, Frånsiktad LD-slagg 1 f 1 388,0 870, ,8 2, f , ,7 2, f 1 379,4 854, , ? 4 f , , f 1 389,2 869, ,0 2, f 1 383,8 866, ,5 2, f f , , MGÖGIVärde l 1 3. Referensgranit 1 r 1 184,9 687, ,5 2, r 1 186,6 688, , r 1 184,0 687, ,6 2, r 1 193,3 690, , r , , r , ,8 2, r 1 198,1 694, ,6 2, r 1 187,7 688, ,4 2,3688 MEdGIVärde 1 l

24 Tabell 9. Proportionering av asfaltmassa med LD-slagg och referensgranit. Prov Skrymdens i tet Konpak tdens i tet Há lrumsha 1 t 1. Krossad LD-slagg Bindemedelshalt 5.5!; 1 k 2,7583 2,819 2,15 2 k 2,7642 2, k 2,7472 2, k 2, k 2.783? ,25 6 k , Medelvärde 2,75 2,82 2,06 2. Frånsiktad LD-slagg Bindemedelshalt 5.5!: 1 f f 2.660] ,64 3 f 2.618? ,11 4 f f f 2, ,42 MedehIärde 3. Referensgranit Bindemedelshalt 5,32 1 r ,401 1,14 2 r 2,3742 2,401 1,12 3 r 2, ,94 4 r ,33 5 r 2, ,17 6 r 2,3722 2,401 1,20 Med81Värde

25 Tabell 10. Styvhetsmodul för Marshallprovkroppar med LD-slagg och referensgranit, dels i torrt tillstånd, dels efter vattenmättning samt minskning pga vattenkonditionering. Styvhetsmodul i Prov t 0 r r t v ä t Nedsättning tilstánd tillstånd % 1. Krossad LD-slagg l R ,8 2 k ,0 3 k Medelvärde ,6 4 k R 8240 Medelvärde 7860 Medelvärde totalt Frånsiktad LD-slagg 1 f f f Medelvärde ,3-6 f f Medelvärde 9590 Medelvärde totalt Referensgranit 1 r ,3 2 r r Medelvärde ,0 6 r r 9210 Medelvärde O Medelvärde totalt

26 Tabell ll. Pressdraghållfasthet för Marshallprovkroppar med LD-slagg och referensgranit, dels i torrt tillstånd, dels efter vattenmättning samt minskning pga vattenkonditionering. Prov T 0 r r t tillstånd V ä t tillstånd Nedsättning Hål lfasthet Brottdefonnation Hål lfasthet Brottdeformat ion 9; 1. Krossad LD-slagg 1 k * * k * * k * * ,60 Medelvärde * * , k ,60 * * 5 k ,40 * * Medelvärde ,50 * * 2. Frånsiktad LD-slagg 1 f * * f * * f * * ,35 Medelvärde * * , f * * 6 f * * Medelvärde ,30 * * 3. Referensgranit 1 r * * ,35 2 r * * ,45 3 r * * ,00 Medelvärde * * , r ,75 * * 6 r * * Medelvärde ,35 * *

27 Tabell 12. Proportioneringsförsök 2 med LD-slagg och referensgranit. Pyknom. Pyknom. Pyknom. Pyknom. Densitet Konpakt- Prov (tara) + prov + prov volym vatten desitet + vatten g/cm^3 1. Krossad LD-slagg Binaemgdclshalt k k Medelvärde 2, Frånsiktad LD-s lagg Bindemedelshalt 5.3 'A 3 f f Medelvärde 2, Referensgranit Binclcmeclelshaü: r l' Medelvärde 2, 4475

28 Tabell 13. Propcrtioneringsförsök 2. Konpaktdens i tet Skrymdens i tet Há lrumsha l t Prov (g/cm^3) (g/cm^3) (vol-3;) 1. Krossad LD-slagg 1 k 2, k 2, ,7 3 k 2, ? 4,0 4 k 2, ,1 5 k 2, ,9 6 k 2, ,6 7 k ,5 8 k 2,8728 2, Medelvärde 2,7555 4,08 2. Frånsiktad LD-slagg 1 f 2,759] 2,6558 3,7 2 f 2, f 2,7591 2,6771 3,0 4 f 2,7591 2,6504 3,9 5 f , f 2, f 2, f 2, ,0 Medelvärde 2,6723 3,16 3. Referensgranit 1 r 2,4475 2,3447 4,2 2 r 2,4475 2, r ,3491 4,0 4 r 2,4475 2, r 2,4475 2,3436 4,2 6 r 2, ,6 7 r 2,4475 2,3354 4,6 8 r 2, ,4 Medelvärde 2,3396 4,41

29 Tabell 14. Resultat av styvhetsmodulprovning. Höjd Dyn. last Deformation Styvhetsmodu] Prov (mn) (Kp) (mn) (MPa) 1. Krossad LD-slagg 3 k 62, s k 52, k 61, ' 7950 Medelvärde O 2. Frånsiktad LD-slagg 4 f f f 64, Medelvärde Referensgranit 3 1' 63, r 64, r 63, Medelvärde

30 Tabell 15. Resultat av statisk kryptest. Mättning Krossad Frånsiktad Referens- LD-slagg LD-slagg granit Höjd ,6 53,8 (nnü 59,0 61,1 58, Deformation A1 (nun 0,39 0,48 0,37 1 mm belästning HGdCIVârde Deformation 055 0A4 0A7 (nun mm belästning ,63 0,48 Medelvärde 0,47 0,55 0,46 Deformation mm belästning min avlastning 0,35 0,57 0,39 Medelvärde 0,40 0,48 0,36 Initialtöjning E6 65 Lö (promille) 6,6 7, ,8 7,2 Medelvärde 7, 5 7, 2 7, l Maximal töjning 100 Ls BJ (promille) 7,5 9,5 7, Medelvärde 8, 3 8, 5 8, O Irreversibel töjning GJ &2 se (promille) 5,9 11,4 6,7 Medelvärde 7,1 7,2 6,4 Anm.: Prov Sf är 15-20% mindre an ovriga prov l samma serie, vilket sannolikt ar orsaken till det avv1kande resultat.

31