Fundamentala egenskaper hos skelettbeläggningar, Serie H1, H2 och H3. Safwat Said. Konstruktion& Byggande. Skanska, ATC

Transkript

1 Nr Utgivningsår: 1997 Titel: Fundamentala egenskaper hos skelettbeläggningar, Serie H1, H2 och H3 Författare: Safwat Said Verksamhetsgren: Projektnummer: Uppdragsgivare: Distribution: Konstruktion& Byggande Skanska, ATC Begränsad div Väg- och transport- # forskningsinstitutet

2 Fundamentala egenskaper hos skelettbeläggningar av Safwai Said VTI notat

3 VTI notat

4 p-tp_ Innehållsförteckning Sid Inledning Material Styvhetsmodul och hålrumshalt Utmattningsprovning Slutkommentarer Referenser UILJIOLJIUILII VTI notat

5 VTI notat

6 Fundamentala egenskaper hos Skelettbeläggningar, serie H1, H2 och H3 Inledning Tre massabeläggningar av skelettasfalter har undersökts med avseende på styvhetsmodul, utmattningshållfasthet och skjuvmoduler. Motsvarande provkroppar har undersökts av uppdragsgivaren, Skanska, ATC (Asfalttekniskt centrum i Farsta) m.a.p. draghållfasthet vid olika temperaturer, krypmotstånd och prallslitage. ATC undersökningar redovisas inte i det här arbetet. Målsättningen är att få en helhetsbild av funktionsegenskaper hosbeläggningarna. Material Mässorna tillverkades vid Skanska asfaltverk i Farsta. Utläggningen skedde i provhallen vid ATC. Borrkärnor med 100 mm och 150 mm i diameter upptogs från beläggningar. Massatyperna är skelettasfalt avsedda för slitlager. Största stenstorleken är 16 mm och bindemedelstypen är B 85. Korngradering och bindemedelshalter varierar något mellan massorna. Styvhetsmodul och hålrumshalt I tabell 1-3 redovisas hålrumshalt och styvhetsmodulmätningar hos borrade kärnor. I figur 1 visas korrelationen mellan hålrumshalt och styvhetsmoduler hos provkroppar med ø 100 mm. Hårumshalten hos de flesta av provkropparna ur serie H1 ligger mellan 2-4 %. Medelvärdet är 2,8 %. Hålrumshalten hos serie H2 varierar mellan 1,1 % och 2,3 %, med ett medelvärde på 1,6 %. Serie H3 har ganska stor variation i hålrumshalten. Den varierar mellan 1,4 % och ca 5 % med ett medelvärde på 2,8 %, men de flesta ligger under 2,4 %. Styvhetsmodulen brukar vara känslig för hålrumshalten, speciellt hos konventionella beläggningar. Detta är någorlunda tydligare hos H1. Serie H2 har liten variation i hålrumshalten och därmed liten variation i modulen också. Trots att serie H3 har relativt stor variation i hålrumshalten har modulen inte påverkats av hålrumshalten. Skelettbeläggningar bör inte var mycket känsliga för hålrumshalten. Provkroppar med ø 150mm har en klar tendens till högre styvhetsmoduler, speciellt vid strykning av extremvärden (provkroppar H2:34 och H3z26) enligt FAS Detta kan vara realistiskt eftersom ju större volym desto bättre är hållfastheten. Med reservation för att antalet provkroppar med ø 150 mm är få och det är skillnad i hålrumshalten mellan ø 100mm och ø 150mm provkroppar speciellt hos serie H1. I praktiken innebär det att man måste ta hänsyn till provkropparnas storlek vid begagnande av styvhetsmoduler. I det här arbetet antas att styvhetsmoduler hosø 100 mm provkroppar är representativa till massorna eftersom vi har testat fler provkroppar med ø 100 mm och har begränsad erfarenhet av modulmätningar hos ; mm provkroppar. VTI notat

7 Tabell 1 Styvhetsmodul och hålrumshalt hos serie H1. 1 PROV ihöjd DIAMETER SKHYM KOMPAKT HÄLRUM MR+1OC (mm) (mm) (g/cm3) (g/cm3) /o (MPa) H H1: ' H1: H1: H1: H1: H1: H1:18* H H1: H1: H1: H1: H1 : H1: mv sd: cv%: H1: H1: H1: H mv sd: cv%: * ej räknad med medelvärde VTI netat

8 Tabell 2 Styvhetsmodul och hålrumshalt hos serie H2. PROV HÖJD DIAMEFER SKRYM KOMPAKT HÅLRUM MR+10C (mm) (mm) (g/cm3) (g/cm3) % (MPa) H2: H2: H2: H2: H2: H2: H2: H2: H2: H2: H2: H2: H2: H2: H2: mv sd: cv%: H2: H H2:34* H2: mv sd: cv%: * utgårenligt FAS-015 VTI notat

9 Tabell 3 Styvhetsmodul och hålrumshalt hos serie H3. PROV HÖJD DIAMETER SKRYM KOMPAKT HÃLRUM MR+1OC (mm) (mm) (g/cm3) (g/cm3) /o (MPa) H3: H3: H3: H3: H3: H3: H3: H3: H3: H3: H3: H3: H3: H3: H3: mv sd: cv%: H3:26* H3: H3: H3: mv sd: cv%: * utgårenligt FASO15 VTI notat

10 Styvhetsmodul, MPa 0 serie H1 c serie H2 A serie H Hálrumshalt Figur 1 Korrelation mellan hålrumshalt och styvhetsmodul vid 1 0 C. Utmattningsprovning Utmattningsresistens har bestämst genom pressdragprovet enligt VTIs metod (Said, 1995). I figur 2-4 presenteras utmattningsresultaten för serierna. Regressionssambanden har beräknats mellan logaritmen av initial töjning (8) och logaritmen av antal belastningar till brott (Nf). Den matematiska formeln för regressionslinjen är: Nf=K(1/8)n Regressionskonstanterna K och n för varje massatyp och spridningsmåttet R2 redovisas i figurerna. Figur 5 presenterar en sammanställning av utmattningskriterier (regressionssambanden) för de undersökta skelettmassorna. Kriteriernas lutning (n) varierar mellan 3,17-3,89 och serie H2 och H3 korsar varandra varför en direkt jämförelse blir orealistisk, eftersom den tekniska livslängden är beroende av töjningsnivån. VTI notat

11 Utmattning, Serie H1, ' r 4 A ' ' ' ' 4 i i i I i i. n = 3, A..._ _ K=3v9 E+13._ 1 g.. _..i Fia-:0,91..,;.A....ut......T= 10 C.. 1 i I.v " ' 0 Prover : _.å Regressions-linje j.. ä i n Extremvärde H1:18i f 5 \ i ' V E+3 ie+4 '1E+5 1 E+6 Antal belastningar Figur2 Samband mellan initial töjning och antal belastningar till brott, serie H1. Utmattning, serie H n = 3,57 K = 2,95E13 R2 = 0,79 3 T = 10 C.g - Prover.E E...Regressi0ns inje 100 1E+O3 1E+O4 1E+05 1E+06 Antal belastningar Figur3 Samband mellan initial töjning och antal belastningar till brott, serie H2. 10 VTI notat

12 _ Utmattning, Serie H3 / n = 3,17 \ _.. i.....,a Razam _ 1000 i. _ i _ - :. K=4,1E+12 ; T=10 C?J 1 ;. g: 0 Prover 'E Regressions-Iinje :.72 '.ê 100 ' ' ' > ' 1E+4 1E+5 1E+6 Antal belastningar Figur4 Samband mellan initial töjning och antal belastningar till brott, serie H E E?5 9.9 E. 0).5.C :g.75 '.ê Utmattning, 10 C Serie H Serie H2 Serie H E+3 1 E+4 1 E+5 1 E+6 1 E+7 Antal belastningar till brott Figur 5 Utmattningskriterier vid +10 C. VTI notat

13 Vid jämförelse mellan massatyperna bör den horisontella dragtöjningen i beläggningens underkant bestämmas från FWD-mätningar eller m.h.a. datorprogram (BISAR, Chevron mm.) för beräkning av påkänningar i en vägkonstruktion. Laboratoriebestämda styvhetsmoduler vid +10 C bör användas som ingångsdata till programmet. Antal belastningar till brott (N) hos massabeläggningarna beräknas från regressionssambanden enligt ekvation (l). Skillnaden i antal belastningar till brott motsvarar skillnaden i utmattningsresistens mellan massatyperna. Den tekniska livslängden (Nekv) kan beräknas hos beläggningarna enligt följande samband: Nekv = N x SF.(2) där NekV = ekvivalent standardaxlar N = antal belastningar till brott vid den kritiska initialtöjningen SF = Skiftfaktor = 9 (Said, 1995). Utomlands, när det saknas ett särskilt objekt, beräknas skillnaden i utmattningsresistens mellan massatyperna genom bestämning av den kritiska töjningen (8) vid en miljon belastningar (N = 106) enligt samband (3). Detta samband används för bestämning av den största tillåtna töjningen hos en beläggning vid förbestämt antal belastningar till brott. 8 - K'(-N-]_a (3) 106 där K = 10((6-logK)/-n) a: l/n Ju större den kritiska töjningen (vid N = 106) desto större är utmattningsresistensen hos massabeläggningen. De kritiska töjningarna för undersökta massor i mikrostrain vid N = 106 är följande: Serie Hl Serie H2 Serie H Vilket innebär att H2 och H3 har bättre utmattningsresistens än H1 med ca 12%. Det bör påpekas att 106 belastningar motsvarar 9*106 ekvivalenta standardaxlar som är ganska mycket för svenska vägar. Vid lägre antal belastningar kommer serie H3 bli klart bättre än H2 och H1. 12 VTI notat

14 Skjuvmoduler Skjuvmoduler har bestämts på provkroppar med 150 mm i diameter och ca 40 mm i tjocklek med VTIs utrustning.tre provkroppar av varje massatyp har utsatts för sinusformiga belastningar vid fyra olika temperaturer (z +2, +15, +30 och +55 C) och flera frekvenser (0,05, 0,1, 1,5, 10 och 20 Hz). Masterkurvor har framtagits från mätningar enligt WLF-metoden. Figur 6 visar ett exempel på mätningar hos en provkropp. Masterkurvor som är medelvärde hos tre provkroppar från varje skelettasfalt presenteras i figur 7. Serie H1 visar största skjuvmodulen, oberoende av temperatur och frekvens. Detta är identiskt med slutsatserna från styvhetsmodulmätningar. Det Överensstämmer också med utmattningsresultaten. Ju styvare (= högre skjuvmodul) material desto sämre är utmattningshållfastheten vid en och samma töjningsnivå ca D_ å 'ä 'O 0' ( Frekvens, Hz Figur 6 Skjuvmodulmätningar vid flera temperaturer och frekvenser hos en provkropp (H1:23). VTI notat

15 A mmwmcø Masterkurvor hos massabeläggningar, serie H ' H stärker" ' Tszä '113 t: 0 A.5: ' a G,NPa 1E T I I I I I I I I] 20 CU SU T. 0 1E+2 ONOO H1 H H Log(aT.f) Figur 7 Masterkurvor hos beläggningar. 14 VTI notat

16 Serie H3 visar den lägsta modulen vid höga frekvenser och låga temperaturer (högra sidan av masterkurvan) och har högre modul än serie H2 och nästan som serie H1 vid låga frekvenser och höga temperaturer (vänstra sidan av masterkurvan). Detta indikerar relativt lägre temperaturkänslighet. Det konstateras också vid jämförelser mellan masterkurvoma att H3 bör ha bättre resistens mot utmattning än H1 och H2 och vara stabilare än H2 och nästan lika stabil som H1. Vad gäller utmattningen är H3 klart bättre än H1 och är bättre än H2 vid vanligt förekommande töjningar i underkanten av bundna lager us (Djärf, 1994). Krypförsök utförda vid ATC visar att H1 är betydligt stabilare än H2 och H3. Den största töjningen är hos H1 = 7900 ua, H2 = us och H3 = us. Detta överensstämmer inte med slutsatsen från masterkurvoma att H3 bör vara nästa lika stabil som H1. Slutkommentarer Det är självklart att ett enda test inte kan ge en helhetsbild av en massabeläggningsfunktion i verkligheten. Av den anledningen har dessa skelettasfalter undersökts med flera testmetoder inklusive ATC provningar. I viss mån har dessa provningar överlappat varandra. Det konstateras att serie H3 är bäst i utmattningsresistens och H2 är bättre än H1. Vidare slutsatser från masterkurvoma pekar på att H3 och H1 har ungefär samma stabilitetsegenskaper och är stabilare än H2. Krypförsök utförda vid ATC säger emot detta. I det här arbetet kan vi inte avgöra vilken metod som visar mest trovärdiga resultat utan vidare undersökningar. Generellt och utan koppling till särskilt objekt konstateras från masterkurvan att serie H3, gamla stabinor receptet, är den bästa optimeringen eftersom den lägsta modulen vid låga temperaturer och höga frekvenser och relativ hög modul vid höga temperaturer och låga frekvenser. Referenser Said, Safwat F.: Bestämning av utmattningshållfasthet hos asfaltbetong genom pulserande pressdragprovning. VTI notat Nr Said, Safwat F.: Bituminösa beläggningar: att bygga broar mellan teori och verklighet. VTI särtryck Nr Djärf, Lennart: Asfalttöjningskriterium baserat på fältstudier. VTI notat Nr V VTI notat

17