EXAMENSARBETE. Glimmermineralens påverkan på obundna bärlager. Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning. Erik Sundelin 2013

Transkript

1 EXAMENSARBETE Glimmermineralens påverkan på obundna bärlager Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Erik Sundelin 2013 Civilingenjörsexamen Väg- och vattenbyggnadsteknik Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser

2 GLIMMERMINERALENS PÅVERKAN PÅ OBUNDNA BÄRLAGER GLIMMERHALTENS INVERKAN PÅ KORNFÖRDELNING OCH TJÄLLYFTNING Erik Sundelin Avdelningen för Geoteknologi Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser Luleå tekniska universitet LULEÅ

3

4 Förord Förord Detta examensarbete är slutet på fem års studier på Väg- och vattenbyggnadsprogrammet på Luleå tekniska universitet och motsvarar 30 högskolepoäng. Examensarbetet som har initierats och finansierats av Peab Anläggning AB, har genomförts från december 2012 till maj 2013 och berör glimmermineralens påverkan på obundna bärlager. Jag skulle vilja ge en stor eloge till alla lärarna på Institutionen för samhällsbyggnad och naturresurser för de år som ni har gett mig och den otroliga personliga utveckling som ni hjälp mig till. Jag skulle vilja tacka min handledare Hans Mattsson, LTU för hans kritiska synpunkter och värdefulla tips under projektets gång som till stor del drivit undersökningarna i rätt riktning. Ett stort tack till Per Ljungqvist på Geomiljö Väst AB som varit till stor hjälp med många praktiska och teoretiska erfarenheter. Jag vill även tacka Thomas Larsson på Peab Infra Väst, för finansieringen av projektet. Slutligen skulle jag vilja tacka Mikael Östman och Stefan Jeppsson på Peab. Mikael har med sitt gedigna engagemang och intresse kanske varit det viktigaste stödet i det här projektet samt Stefan som var den ursprunglige innovatören av projektet och den som verkligen ville genomföra det. Umeå, Maj 2013 Erik Sundelin I

5

6 Sammanfattning Sammanfattning Glimmermineral är ett vanligt förekommande mineral i den svenska berggrunden och andelen kan variera mellan olika platser. Det är känt att glimmermineral har en negativ inverkan på de önskvärda egenskaperna hos olika ballastmaterial, oavsett om det gäller bundna eller obundna lager i vägar, betong eller liknande. Det finns ett antal studier på glimmermineralens inverkan på ett ballastmaterial. Något som de allra flesta undersökningar har gemensamt är att de baserar sig på en förhållandevis liten datamängd vilket gör det svårare att dra riktiga slutsatser utifrån de framkomna resultaten samt att resultaten inte alltid är helt entydiga. Eftersom dessa undersökningar ligger till grund för vad som bedöms som otjänligt ballastmaterial så finns det stora ekonomiska intressen i att kartlägga vid vilken glimmerhalt ett ballastmaterial bör bedömas som otjänligt. En annan mycket viktig aspekt är att man bör ha kännedom om glimrets påverkan på ballastmaterial så att man undviker konstruktioner med undermålig ballast eftersom det kan medföra avsevärt kortare livslängder för konstruktionen. Syftet med denna undersökning är att öka kunskapsunderlaget för att kunna genomföra bättre bedömningar huruvida ett ballastmaterial är lämpligt eller inte på grund av andelen glimmermineral i materialet. Projektet var uppdelat i två delar där den första delen innefattade en litteraturstudie vars syfte var att undersöka redan genomförda utredningar samt ge uppslag till nya analysmetoder. Den andra delen innefattade laborationsförsök vars syfte var att studera hur kornfördelningen förändrades till följd av mekanisk bearbetning och upprepade frysförsök vid olika III

7 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning glimmerhalter. Vidare skulle det även undersökas hur tjällyftningsförmågan påverkades av olika glimmerhalter vid frysförsöken. Litteraturstudien visade att det finns många undersökningar som har utrett glimmerhaltens påverkan på olika bundna och obundna material, men flera av utredningarna gav motstridiga uppgifter gällande glimmerhaltens betydelse för materialens mekaniska egenskaper. Efterforskningarna i litteraturen har dock gett viktig information om olika försöksmetoder samt vilka brister som framkommit och hur dessa kan åtgärdas. Laborationsförsöken genomfördes på tre olika obundna bärlager med en glimmerhalt mellan 32% och 59%. De försök som genomfördes var frysförsök kombinerat med mekanisk bearbetning samt en del kompletterande rutinundersökningar. Resultaten från undersökningarna visar att finjordshalten ökade i samtliga material till följd av mekanisk bearbetning och frysförsök. De materialen med högre glimmerhalt var mer motståndskraftiga mot mekanisk bearbetning än de materialen med lägre glimmerhalt. Å andra sidan var de materialen med lägre glimmerhalt mer motståndskraftiga mot frysförsöken än de materialen med högre glimmerhalt. Något tydligt samband mellan hur mycket ett material expanderar vid frysning och på materialets glimmerhalt kunde inte konstateras. Det är utifrån denna undersökning inte möjligt att avgöra huruvida gränserna för vad som bedöms som otjänligt bärlager är korrekta med avseende på glimmerinnehåll. Underlaget är för litet och resultaten allt för tvetydiga. Glimmerhalten verkar definitivt ha betydelse men det är svårt att avgöra vikten av den. Den metoden som används vid glimmerhaltsbestämning där Trafikverket är byggherre är metod VVMB 613 och denna metod visade sig vid undersökningarna inte vara tillförlitlig till följd av en mycket stor spridning i analysresultaten av glimmerhalten. IV

8 Abstract Abstract Mica is a common mineral in the Swedish bedrock and the proportion differs between different places. It is commonly known that mica has a negative effect on desirable properties of construction aggregate, whether if it regard bituminous mixes, unbound aggregates or concrete. There are several investigations of mica s effect on an unbound construction aggregate. Something most of them have in common is that they are based on a small amount of data which makes it difficult to make correct conclusions from the results since the results often are unclear. Since these investigations partly determines which aggregate that is appropriate for construction use there are a great economical interest to map at which mica content an aggregate is to be considered appropriate for construction use. Another very important aspect is that the knowledge about mica s effect should be known in order to avoid substandard aggregate in a construction which may cause significantly shorter lifetime for the construction. The purpose with this investigation is to increase the knowledge base in order to achieve better assessments whether an aggregate is suitable or not depending on the proportion of mica in the material. The project was divided into two parts where the first part consisted of a literature study which purpose was to examine investigations that have already been done and provide ideas to new investigation methods. The second part consisted of laboratory work which s purpose was to examine how the particle size distribution changes due to mechanical processing and repeated freezethawing. Furthermore, the mica s effect on the frost heave has been investigated. V

9 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning The literature study showed that there are several investigations that treat micas effect on construction aggregates. However, many of them present opposing results when it comes to the materials mechanical properties. The research of literature has nevertheless given important information about different laboratory methods and their deficiencies as well as measures for the deficiencies. The laboratory work was done with three different unbound aggregates with a mica content of 32% to 59%. The laboratory work included freezing attempts combined with mechanical processing and some complementary standard investigations. The results showed that the proportion of fines increased in all materials due to mechanical processing and freezing attempts. The materials with higher mica content were more resistant against mechanical processing than the materials with lower mica content. On the other hand, the materials with lower mica content were more resistant against the freezing attempts than the materials with higher mica content. Any clear connection between how much a material expands with freezing and the mica content of the material could not be found. Furthermore, it is not possible from this investigation to determine whether the limits for what is considered to be an appropriate aggregate are correct, regarding the mica content. The amount of attempts is too small and the results too vague. The mica content definitely seems to have an effect but it is difficult to determine the importance of it. The method that is used for determining mica content with The Swedish Transport Administration as developer is the method VVMB 613. The investigations showed that this method is not reliable since there was a large spreading of the analysis result of the mica content. VI

10 Innehållsförteckning Innehållsförteckning FÖRORD... I SAMMANFATTNING... III ABSTRACT... V INNEHÅLLSFÖRTECKNING... VII 1 INLEDNING Bakgrund Syfte Metod Avgränsningar LITTERATURSTUDIE Bakgrund Vägkroppens uppbyggnad Obundna bärlager Allmänt om glimmermineral Problem förknippade med glimmerrika bärlager Problem med glimmer i andra applikationer Tidigare undersökningar och metoder Triaxialförsök Vattenabsorption Tjällyftning Nedkrossning Metoder för att bestämma glimmerinnehåll Metod SS-EN VVMB VII

11 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning 3 FÖRSÖKSUPPSTÄLLNING Material Hantering Materialen och dess egenskaper Laboratorieundersökningar Neddelning av material Glimmerhalt Tillverkning av normaliserat material Proctorpackning Vattenmättning Siktanalyser Frys- och tiningsförsök RESULTAT Materialanalyser Material Material Material Effekter av mekanisk bearbetning samt frys- och tiningsförsök Vattenmättning Frys- och tiningsförsök samt proctorpackning Observationer under laboratoriearbetet ANALYS Materialanalyser Effekter från mekanisk bearbetning och frysförsök DISKUSSION Glimmerhaltens betydelse för obundna bärlager Felkällor och brister i undersökningen Förslag till fortsatta studier SLUTSATSER REFERENSER BILAGOR Bilaga Bilaga Bilaga VIII

12 Inledning 1 INLEDNING Här ges en beskrivning av bakgrunden till examensarbetets problemuppställning samt arbetets syfte och mål. Även tillvägagångssätt för att uppnå syfte och mål beskrivs. 1.1 Bakgrund Glimmermineral är ett vanligt förekommande mineral i den svenska berggrunden och andelen kan variera mellan olika platser. Det är även känt att glimmermineral har en negativ inverkan på de önskvärda egenskaperna på olika ballastmaterial, oavsett om det gäller bundna eller obundna lager i vägar, betong eller liknande. Det finns ett antal genomförda studier på glimmermineralens inverkan på ballastmaterial. Bland annat har deformationsegenskaper kontrollerats, bärförmåga med hjälp av triaxialförsök, förmåga att absorbera fukt etc. Något som de allra flesta undersökningar har gemensamt är att de baserar sig på en förhållandevis liten datamängd vilket försvårar att dra riktiga slutsatser utifrån de framkomna resultaten samt att resultaten inte alltid är helt entydiga. Eftersom dessa undersökningar ligger till grund för vad som bedöms som otjänligt ballastmaterial så finns det stora ekonomiska intressen i att verkligen kartlägga vid vilken glimmerhalt ett ballastmaterial bör bedömas som otjänligt. En annan mycket viktig aspekt är att man bör ha kännedom om glimrets påverkan så att man undviker konstruktioner med undermålig ballast eftersom det kan medföra avsevärt kortare livslängder för konstruktionen. 1

13 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning 1.2 Syfte Syftet med projektet är att öka kunskapsunderlaget för att kunna genomföra bättre bedömningar huruvida ett ballastmaterial är lämpligt eller inte på grund av andelen glimmermineral i materialet. Framförallt skall det genomföras kompletterande studier till en undersökning som Statens väg- och transportforskningsinstitut (Arvidsson och Loorents, 2008) har publicerat samt en annan undersökning som Statens geotekniska institut (Arm et al., 2004) har publicerat. Detta innefattar att studera hur obundna bärlagermaterial beter sig under upprepade frys- och tiningscykler samt under mekanisk bearbetning med metoder som till viss del modifierats i jämförelse med tidigare använda tillvägagångssätt. 1.3 Metod Projektet kommer att inledas med en litteraturstudie för att skapa en överblick över redan genomförda undersökningar och dess resultat. Vidare skall studien ge uppslag till nya undersökningsmetoder som skulle kunna genomföras för att uppnå syftet med projektet. Efter detta kommer laboratorieundersökningar att genomföras för att studera materialens beteende under mekanisk bearbetning samt under upprepade frys- och tiningscykler. Under dessa undersökningar kommer viktiga parametrar att dokumenteras för att vidare kunna studera hur materialets egenskaper förändras. De parametrar som inledningsvis har identifierats som kritiska är: Materialets kornfördelningskurva och framförallt finmaterialhalten (<0,063mm). Hur denna förändras både till följd av mekanisk bearbetning (packning) och till följd av frys- och tiningscyklerna. Materialets tjällyftningsförmåga både under frys- och tiningscykler samt den slutgiltiga ackumulerade tjällyftningen. Kornfördelningen kommer att kontrolleras genom siktanalys och tjällyftningsförmågan kommer att kontrolleras genom indirekt volymförändring till följd av enaxiella provhöjdsförändringar för ett inneslutet prov. Fuktkvoten för materialet väljs så att den representerar verkliga förhållanden. 1.4 Avgränsningar Projektet avgränsas till att enbart studera kornfördelningar och deformationsegenskaper till följd av upprepade fryscykler samt mekanisk bearbetning på obundna bärlagermaterial med en fri andel glimmer i intervallet 2

14 Inledning 30% till 60% och där glimmerinnehållet beräknas i fraktionen 0,125mm till 0,25mm. 3

15

16 Litteraturstudie 2 LITTERATURSTUDIE I den första delen av litteraturstudien behandlas vägars uppbyggnad, de olika ingående lagren och allmänna egenskaper hos glimmermineral. I den andra delen redovisas tidigare undersökningar om glimmermineralens påverkan i vägbyggnadssammanhang och vilka resultat och slutsatser som framkommit. 2.1 Bakgrund För att förstå problematiken med glimmer i de obundna lagren så behövs vissa baskunskaper i hur en väg är uppbyggd, vilka funktioner de olika lagren i vägen har samt lite grundläggande kunskaper om glimmermineralen. Detta tillsammans med en kort beskrivning om glimmerproblem i andra applikationer behandlas i detta kapitel Vägkroppens uppbyggnad En vägs uppbyggnad består av tre delkomponenter, överst finns överbyggnaden som har till uppgift att motstå slitaget från trafiken som skall trafikera vägen samt att överbyggnaden skall föra ner lasterna från trafiken ner till terassen. Under överbyggnaden finns underbyggnaden och undergrunden. Dessa är snarlika och det som skiljer dem åt är om de består av naturlig mark eller om de består av fyllningsmassor. I Figur 1 visas en schematisk bild på hur en väg är uppbyggd samt hur de olika delarna benämns. (Isacsson, 2000) 5

17 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Figur 1 Sektion som visar vägkroppens uppbyggnad och benämningar på dess olika delar.[trafikverket (2011a)] Undergrunden och underbyggnaden består oftast av naturliga material som morän, silt eller berg. Överbyggnaden är i sin tur uppbygd av ett antal olika lager av både obundna och bundna krossade material där de olika lagren har olika funktioner. Figur 2 visar en principiell uppbyggnad av en överbyggnad. Figur 2 Principiell uppbyggnad av en överbyggnad. Figuren visar de olika lagren med benämningar. [Trafikverket (2011a)] Överst i överbyggnaden finns slitlagret vars primära uppgift är att motstå slitaget från trafiken samt agera som en tät yta för att till exempel vatten inte ska tränga ner i övriga delar av överbyggnaden. Under slitlagret finns det ett eller flera bärlager. På högtrafikerade vägar finns det ofta både ett bitumenbundet bärlager och ett obundet bärlager. Annledningen till det är att lasterna blir för stora för att enbart ett obundet bärlager skall kunna fördela ner lasterna i konstruktionen. Bärlagrets funktion är att fungera som ett mellanskikt och sprida krafterna ner i förstärkningslagret men det skall även fungera som ett övergångslager för att inte det grovkorniga förstärkningslagret skall komma i direkt kontakt med slitlagret. (Isacsson, 2000) 6

18 Litteraturstudie Obundna bärlager Bärlagrets primära uppgift är att ta upp och fördela lasterna från trafiken och fördela det på det underliggande förstärkningslagret. Till skillnad mot materialet i slitlagret behöver bärlagret inte uppvisa några egenskaper som till exempel motstånd mot nötning. Obundna bärlager brukar beskrivas genom ett antal karaktäriserande egenskaper till exempel: kornform (kantighet, flisighetstal, LT-index), ytstruktur (krossytegrad), partikelindex och kornstorleksfördelning. Alla dessa egenskaper beskriver ett materials beskaffenheter och de kommer inte att presenteras närmare här. (Isacsson, 2000) Obundna bärlagers tjocklek varierar beroende på aktuell trafikbelastning och övrig överbyggnad; ofta är den ungefär 100mm tjock. Kraven för materialet skiljer sig när det gäller kornfördelningskurvan beroende på om lagertjockleken är över eller under 120mm. Utan att gå in i detalj så skall materialet bestå av fraktioner mellan 0mm och 31,5mm om lagertjockleken är under 120mm och av 0mm till 45mm om lagertjockleken är över 120mm. Andelen fri glimmer i fraktionen 0,125-0,250mm får inte överstiga 50% om vägen inte skall trafikeras under byggtiden och om den skall trafikeras under byggtiden så får andelen fri glimmer inte överstiga 30%. (Trafikverket, 2011b) Allmänt om glimmermineral Glimmer är en gemensam benämning på en grupp vattenhaltiga aluminiumsilikat och dessa mineral har bland annat egenskaperna att vara mycket värmeisolerande, ge ett stort elektriskt motstånd och låg elektrisk genomslagsgräns. Detta medför att de används inom elindustrin som isolatorer men även för applikationer vid till exempel raketer och satelliter till följd av sina värmeegenskaper. Malen glimmer används som bestrykningsmedel för svetselektroder, i vissa oljeborrvätskor, i kosmetika samt inom jordbruket. Glimmermineralen tillhör phyllosilikaterna och de vanligaste glimmermineralen är biotit, muskovit, flogopit, lepiolit samt zinnwaldit. (Loberg, 2003) Det finns indikationer på att glimmermineral är särskilt känsliga för fukt genom att partiklarna verkar spricka sönder. Till exempel beskriver Coleman et al. (1986) fall där stenar som innehåller biotit, kvarts och fältspat spricker till mindre bitar när biotiten fuktas. Det har troligen berott på att det uppkommit spänningar inuti stenarna till följd av att biotiten verkar expandera. Andra undersökningar som Coleman et al. (1986) utfört visar dock att dessa tendenser endast verkar uppkomma när halten biotit överstiger 10%. Det framgår inte om det är viktprocent eller volymprocent som avses. 7

19 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Problem förknippade med glimmerrika bärlager De problem som uppkommer i samband med höga halter av glimmer i bärlagret är ofta en ökad spårbildning och en snabb nedbrytning av vägen. Arm et al. (2004) visar på en rad undersökningar där resultatet av en hög glimmerhalt i bärlagret är en snabb nedbrytning med spårbildning som följd. Ofta påskyndas processen av att bärlagret blir utsatt för vatten genom att slitlagret inte är helt tätt. Att inte slitlagret är helt tätt kan också många gånger vara en följdeffekt av att det uppstår spårbildning vilket gör att slitlagret spricker. När slitlagret spricker så kommer bärlagret i kontakt med en större mängd vatten vilket ytterligare påskyndar spårbildningen och nedbrytningen av vägen. Det vanligaste och effektivaste sättet att minska effekterna av glimmer är enligt Arm et al. (2004) att försöka ha ett så tätt slitlager som möjligt samt att försöka dränera ut vägkroppen i största möjliga mån Problem med glimmer i andra applikationer Effekten av glimmer i ballastmaterial påverkar inte bara obundna bärlager utan även betong- och bitumenbeläggningar. Det finns ett flertal undersökningar som påvisar effekten av fria glimmerkorn på bitumenbeläggningar (Miskovsky, 2004; Hyypää, 1964; Hintsteiner, 1986; Arand, 1982). Miskovsky (2004) menar att med glimmerrika ballastmaterial måste andelen bitumen ökas eftersom glimret absorberar större volym bitumen än glimmerfattiga material. Att glimmerrika material absorberar mer bitumen korrelerar väl med de undersökningar som Bäckström och Andersson (2007) samt Arvidsson och Loorents (2008) genomfört. Deras undersökningar visar att glimmerrika material absorberar mer vatten än glimmerfattiga material. Det finns fler som studerat just absorptionsförmågan hos glimmerrikt material. Hyypää (1964) studerade ballastmaterials förmåga att absorbera fotogen och kom fram till att muskovits absorptionsförmåga var dubbelt så hög relativt de mineral som inte tillhörde glimmermineralen. Biotit hade även den en hög förmåga dock inte lika hög som muskovit. Det är intressant att glimmerrika material har en ökad absorptionsförmåga trots att de undersökta medierna har olika egenskaper både kemiskt och fysikaliskt. 8

20 Litteraturstudie 2.2 Tidigare undersökningar och metoder Det har genomförts ett antal tidigare undersökningar för att studera effekterna av glimrets påverkan på olika obundna ballastmaterial. Det har använts olika metoder och syftena har varit olika. Den här delen skall ge en sammanfattande bild av några av de genomförda undersökningarna både för att öka kunskapen inom området men också för att ge uppslag för vidare undersökningar Triaxialförsök Det har genomförts en hel del undersökningar med triaxialförsök och här presenteras både lite allmän information om själva metoden och om vissa undersökningar. Allmänt om triaxialförsök Triaxialförsök är en av de mer avancerade metoderna för att bestämma ett materials mekaniska egenskaper. Med denna metod kan en mängd parametrar utvärderas så som odränerad skjuvhållfasthet, friktionsvinkel, elasticitetsmodul, skjuvmodul och kompressionsmodul. En väldigt stor fördel med denna metod är att verkliga förhållanden kan återskapas. Detta eftersom provkropparna är inneslutna och kan belastas i samtliga huvudspänningsriktningar inte bara enaxiellt som i många andra provningsmetoder. Detta ger ett axisymmetriskt spännings- och töjningstillstånd där horisontalspänningarna är lika stora i den radiella riktningen. På detta sätt kan horisontalspänningar i jorden simuleras och på så sätt återskapa verkliga förhållanden. Vidare kan även odränerade och dränerade förhållanden simuleras och på så sätt simulera huruvida provkroppen är omsluten av material med olika permeabilitet. Metoden ger även möjlighet att genomföra såväl statiska som dynamiska försök vilket ger möjligheter att simulera till exempel pulserande trafiklaster från vägar och järnvägar vilket i många fall är mycket viktiga simuleringssteg. (Holmén, 2007) 9

21 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Studie av Uthus, Hoff och Horvli 2004 Uthus et al. (2004) jämförde två gnejser med hjälp av triaxialförsök. Den ena gnejsen var en glimmerfattig gnejs som hämtades från en bergtäkt utanför Bergen i Norge. Den andra gnejsen hämtades från en bergtäkt utanför Göteborg och detta material innehöll ca 30% glimmer. Det nämns tyvärr inte om det är viktprocent eller om det är volymprocent men att döma av det höga värdet så är det mer sannolikt att det är volymprocent. De testade materialen var i fraktionen 0-22mm. Triaxialförsöken utfördes som multistegförsök enligt CEN (CEN, 2000) med olika inneslutningstryck och varierande vattenkvot (3-6,8%). Det användes även en graderingskoefficient som varierades mellan n=0,35 och n=0,5. Resultatet från undersökningen visade att det glimmerrika materialet hade en lägre elasticitetsmodul och var mindre motståndskraftigt mot permanenta deformationer än det glimmerfattiga. Studie av Ekblad och Isacsson 2008 Ekblad och Isacsson (2008) har gjort en studie som undersöker grova <63mm obundna material och hur dessa påverkas av olika glimmerhalter och olika fuktkvoter. En viktig aspekt med denna studie är just att den studerar grova material eftersom de flesta andra (Arm, 2004; Uthus et al., 2004) studerat mer finkorniga material. För dessa försök har en speciell triaxialapparat använts där proven är 500mm i diameter och 1000mm höga. Till skillnad från Uthus et al. (2004) används det vid denna undersökning ett glimmerfattigt basmaterial och sedan tillsattes en varierande mängd ren muskovit. När muskoviten tillsattes så siktades vissa fraktioner under 4mm bort från grundmaterialet och sedan tillsattes en lika stor mängd av muskovit. Anledningen till att denna metod använts är att genom att endast variera glimmerinnehållet så minskas risken att andra faktorer påverkar resultatet t.ex. en förändrad kornkurva eller mineralsammansättning i övrigt. När Ekblad och Isacsson (2008) senare summerar sina resultat från dessa triaxialförsök bör det observeras att det vid torra förhållanden är en klar och ganska tydlig skillnad i elasticitetsmodul mellan de glimmerfattiga bärlagren och de glimmerrika. De följer ett ganska klart samband mellan hur en ökande glimmerhalt ger sämre värden på elasticitetsmodulen med i stort sett utan undantag. Detta är vad som skulle kunna förväntas med försöken men det mest intressanta är vad som händer vid de vattenmättade försöken. Vid de försöken så erhåller samtliga material liknande värden på elasticitetsmodulen och om resultaten studeras så får det glimmerfattiga materialet den största sänkningen av elasticitetsmodulen. 10

22 Litteraturstudie Studie av Arm, Arvidsson och Höbeda 2004 Arm et al. (2004) genomförde en undersökning där glimmerhalten och vattenkvotens inverkan på ett obundet bärlagermaterial studerades. För att studera detta kontrollerades materialens packningsegenskaper, nedkrossningsbenägenhet, deformationsegenskaper vid olika belastningar och vatteninnehåll samt dess permeabilitet. Försöken utformades så att deformationsegenskaperna kontrollerades med triaxialförsök, nedkrossningsbenägenheten kontrollerades genom att kornfördelningskurvorna jämfördes före och efter tung laboratoriepackning och permeabiliteten kontrollerades med hjälp av permeametrar. Materialen som studerades var material från olika bergtäkter med varierande glimmerhalt. De totalt åtta undersökta materialen hade en glimmerhalt som varierade mellan 5% och 81%, dock så finns det mycket datamaterial strax under 10% och runt 30%. De slutsatser som Arm et al. (2004) kommer fram till är inte vad som skulle kunna förväntas. Resultaten från triaxialförsöken är de som avviker mest från det förväntade. En hög glimmerhalt tillsammans med torra förhållanden (60% av den optimala vattenkvoten) gav mindre permanenta och elastiska deformationer. Även vid högre vattenkvoter (80% till 100% av optimala vattenkvoten) gavs liknande resultat. Vid höga belastningar var deformationerna mindre och vid låga och medelhöga var deformationerna något större. Det enda material som följde de förväntade resultaten i undersökningen var materialet med den mycket höga glimmerhalten (81%). Detta material provades inte under torra förhållanden utan enbart för 80% och 100% av den optimala vattenkvoten. Detta materials deformationsegenskaper var mest vattenberoende trots att materialet hade lägst finjordshalt av de provade materialen, dessutom deformerades materialet väldigt mycket både permanent och elastiskt samt att materialet gick till brott vid försöken. De förväntade resultaten uppkom alltså inte fören glimmerhalterna blev mycket höga och det är väldigt blöta förhållanden. Arm et al. (2004) har en teori om att anledningen till varför de glimmerrika materialen uppvisade bättre egenskaper var att glimmerkornen fick en armerande effekt mellan varandra och därför uppvisade materialen goda deformationsegenskaper. 11

23 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Vattenabsorption Det finns flera undersökningar (Andersson och Bäckström, 2007; Åkesson, 2009) som undersöker hur glimmerhalten påverkar ett materials förmåga att absorbera vatten. Novikov (2008) hävdar att glimmerpartiklarna kan binda en mycket större mängd vatten till sig på grund av deras stora specifika yta och detta påminner således om lerpartiklars förmåga att binda vatten. Detta är mycket intressant ur flera avseenden. En aspekt på det är att det skulle kunna ge upphov till större tjällyftningar eftersom tjällyftning har ett direkt samband med vattentillgången och en annan aspekt är att vattenkvoten har en stor betydelse för ett materials deformationsegenskaper.(uthus, 2004; Ekblad, 2007; Arm et al., 2004) Andersson och Bäckström (2007) gjorde en undersökning där både torktid och absorptionsförmåga hos fyra olika material jämfördes. De kom fram till att den specifika vattenabsorptionen uttryckt i ml vatten per gram material (ml/g) följde en exponentiell kurva när den jämförs med glimmerhalten. Ett liknande samband kunde relateras till torktiden vilket bör vara förväntat eftersom att det bör ta längre tid att kondensera en större mängd vatten. I Figur 3 och Figur 4 visas de samband som de kom fram till. De påpekar också att vattenabsorptionen varierar beroende på kornstorleken men att trots det så ökar absorptionsförmågan med glimmerhalten. De undersökta kornstorlekarna varierar mellan <0,063mm och 1mm. Glimmerhalten på de provade materialen var i denna undersökning mellan 19,1% och 100% i fraktionen 0,125-0,25mm; där två av proven hade en glimmerhalt runt 55%. Något som bör noteras är att vissa resultat i rapporten visar en ganska stor spridning mellan proverna runt 55% glimmerhalt. Den specifika absorptionsförmågan varierar ungefär 18 % i fraktionen 0,125-0,250mm trots en liten skillnad i glimmerhalt. Det indikerar troligen på att absorptionsförmågan kan vara starkt beroende av något annat, till exempel övrig mineralsammansättning. 12

24 Litteraturstudie Figur 3 Samband mellan glimmerhalt och specifik vattenabsorption. [Andersson och Bäckström, 2007] Figur 4 Samband mellan glimmerinnehåll och torktid. [Andersson och Bäckström, 2007] 13

25 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Åkesson (2009) genomförde en kompletterande undersökning till Andersson och Bäckströms (2007) där samma undersökningsförfarande användes. Vid undersökningen av Åkesson (2009) användes fem olika bergmaterial där två av materialen var glimmerfattiga med en glimmerhalt runt 5-8% i 0,125-0,250mm fraktionen och de tre andra proverna var mellan 19,9-31,5% i samma fraktion. Åkesson (2009) verifierar att absorptionsförmågan och torktiden ökar med ökande glimmerhalt. En sak som bör noteras i detta sammanhang är att trenden bara kan studeras om man jämför materialen med mycket låg glimmerhalt kontra de med mycket hög glimmerhalt. Ingen speciell trend kan observeras mellan materialen som har en glimmerhalt mellan 19,9-31,5%. Detta är en liknande trend som observerats i Andersson och Bäckströms arbete från 2007 och det kan mycket väl vara så att glimmerhaltens enskilda betydelse för absorptionsförmågan överdrivs och att glimmern tillsammans med andra faktorer, exempelvis övriga mineral och samverkan mellan dessa borde vara den egentliga frågeställningen. Å andra sidan kan det vara så att fördelningen av glimmerhalten blir för smal vilket medför att trenderna inte framträder när glimmerhalten är på en medelhög nivå Tjällyftning Arvidsson (2007) gjorde en studie som undersökte inverkan av köld och vatten på glimmerhaltiga bergarter. Till följd av tvetydiga resultat från denna studie genomfördes kompletterande undersökningar av Arvidsson och Loorents (2008) för att komplettera det tidigare materialet. Undersökningen delades upp i två delundersökningar och i den första undersökningen testades 5 olika material med en glimmerhalt mellan 19% och 57% i fraktionen 0,125-0,250mm med en jämn spridning. I denna undersökning varierades vattenkvoten mellan 3,5% och 7,5%. Undersökningarna genomfördes så att materialen siktades så att de passade kornfördelningskurvan för obundet bärlager för belagd väg enligt ATB och blandades till erforderlig vattenkvot. Därefter packades de i proctorcylindrar enligt modifierad proctorpackning och dessa cylindrar fick därefter utgöra behållaren för tjälningsmätningarna. Proverna fick genomgå en frys- och töcykel enligt EN och genom att mäta höjdförändringar i proctorcylindrarna kunde en indirekt tjällyftning registreras. Resultatet från den första delundersökningen var att ett mycket vagt samband mellan glimmerhalt och tjällyftning kunde noteras, där en högre glimmerhalt gav en större tjällyftning. Men det skall tillstrykas att sambandet är så pass svagt att det måste anses fullt ut kunna bero på den naturliga variationen 14

26 Litteraturstudie mellan materialen eftersom de har olika mineralsammansättningar i övrigt. I den andra delundersökningen användes samma metod så när som på att proven vattenmättades helt (100% vattenmättnadsgrad) inför frysförsöken. Materialen under den andra delundersökningen hade en glimmerhalt som varierade mellan 19% till 56% samt ett referensmaterial, kvartsit på <1% glimmerhalt. Proven bestod av samma material som användes i den första delundersökningen vilket ger en bra möjlighet att studera hur vattenkvoten påverkar frysningen. Resultatet från den andra delundersökningen är intressant eftersom den kvarvarande lyftningen efter 10 frys- och tiningscykler visar på ett nästintill linjärt samband mellan kvarvarande lyftning och glimmerhalten i 0,125-0,250mm fraktionen. Ett annat samband som uppvisar ett linjärt beteende är viktökningen som funktion av glimmerhalten i 0,125-0,250mm fraktionen. Se Figur 5 och Figur 6 nedan. I Figur 6 är vattenabsorptionen representerad som viktökningen. Att båda dessa följer samma typ av samband är mycket sannolikt eftersom tjällyftningen har ett direkt samband med tillgången på vatten och således vattenabsorptionen. Figur 5 Kvarvarande lyftning efter 10 frys-tiningscykler som funktion av glimmerhalt. [Arvidsson och Loorents, 2008] 15

27 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Figur 6 Viktökning efter vattenmättning som funktion av glimmerhalt. [Arvidsson och Loorents, 2008] Nedkrossning Arm et al. (2004) och Arvidsson och Loorents (2008) är två utredningar vid vilka de undersökt om det finns skillnader i nedkrossningsbenägenhet för olika glimmerhalter. Försöken har i båda fallen gått till så att kornfördelningen undersökts före och efter modifierad proctorpackning. Arm et al. (2004) kunde konstatera att nedkrossningsbenägenheten inte var större för de glimmerrika materialen. Materialet med högst glimmerhalt (81%) krossades visserligen mest vid packningen men det härleder Arm et al. (2004) snarare till att kornfördelningskurvan för detta material från början var brantare med hög grushalt och låg sand- och finjordshalt, än att det skulle bero på glimmerhalten. Det görs ingen notering varför de glimmerrika materialen inte uppvisar någon större nedkrossningsbenägenhet än de glimmerfattiga. Arvidsson och Loorents (2008) kommer fram till samma slutsats i sin utredning, de kan inte påvisa någon skillnad i hur kornfördelningen förändras till följd av proctorpackningen som kan härledas till de olika glimmerhalterna. 16

28 Litteraturstudie 2.3 Metoder för att bestämma glimmerinnehåll Det finns huvudsakligen två metoder för att bestämma glimmerinnehållet i ett material idag. Den ena metoden är SS-EN 932-3, petrografisk beskrivning som publiceras av svensk standard och den andra är VVMB 613, bestämning av glimmerhalt i materialets finfraktion. Båda metoderna är baserade på att volyminnehållet beräknas och metoderna redovisas i detta kapitel Metod SS-EN Denna metod utförs genom att minst 150st korn från varje fraktion gjuts in i epoxi och från denna tillverkas tunnslip. Tunnslip är en mycket tunn skiva som kan genomlysas och på så sätt kan enskilda mineralkorn uppfattas. Det finns alternativa tillvägagångssätt med denna metod. Johnsson et al. (2008) har utvecklat en metod som kombinerar metoden med tunnslip och en digital bildanalys i vilken glimmerkornen kan identifieras. Den digitala bilden kan sedan arkiveras för verifiering av resultaten av en annan part. Metoden går till så att mineralkornen delas upp i fraktionerna 0,125-0,25mm, 0,25-0,5mm och 0,5-1mm och gjuts in i epoxi och en tunnslip tillverkas. Sedan fotograferas tunnslipen med en digitalkamera monterad i en fixtur. Den digitala bilden analyseras sedan med ett bildanalysprogram och glimmerkornen markeras manuellt, programmet kan sedan utvärdera statistiska parametrar som standardavvikelse och konfidensintervall VVMB 613 Denna metod är satt som standardmetod vid utvärdering av ballastmaterial som skall användas vid vägbyggnad. Analysen går ut på att bestämma halten av fria glimmerkorn i fraktioner mellan 0,125mm och 1,0mm som erhålls vid tvättsiktning. Provberedningen går till så att provet torkas och material >4mm avskiljs och materialet delas ned enligt FAS 207 tills ett analysprov på cirka 350g återstår. Vidare siktas och tvättas materialet enligt VVMB 619 och fraktionerna skall vara 0,5-1mm, 0,25-0,5mm, 0,125-0,25mm. Sedan används ett stereomikroskop och en spetsig sticka för att dela upp och räkna antalet glimmerkorn jämfört med antalet övriga mineralkorn. (VVMB 613 vv publ. 2001:100) En kraftig nackdel med denna metod är att det visat sig att spridningen mellan olika laboratorium kan vara så mycket som 10 procentenheter trots att laboratorierna är ackrediterade. (Ljungkvist 2013) Johnsson (2008) hävdar att metoden bör ses som en indikation på hur högt glimmerinnehållet är snarare än ett absolut värde. Ett annat problem är att när analysen är genomförd så kan resultaten inte kontrolleras av en annan part för 17

29 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning att verifiera dem eftersom metoden inte beskriver om de räknade mineralkornen skall sparas. 18

30 Försöksuppställning 3 FÖRSÖKSUPPSTÄLLNING Syftet med laboratorieförsöken är att undersöka om det finns skillnader mellan glimmerrika och glimmerfattiga material när det gäller materialens motståndskraft mot mekanisk bearbetning och frysning. Metod och utförande för frys- och tiningsförsök, proctorpackning samt analysmetoder beskrivs i detta kapitel. Även hantering och val av material förklaras. 3.1 Material För att genomföra försöken så valdes fem material ursprungligen ut där fyra av dessa skulle ha en fri glimmerhalt i finfraktionen (0,125 till 0,250mm) som varierade mellan 30% och 60% och det femte materialet skulle representera ett glimmerfattigt referensmaterial. Referensmaterialet och ett av de andra proven var dock tillgängliga så pass sent in i försöken att de uteslöts till följd av tidsbrist. De undersökta materialens egenskaper redovisas i resultatdelen Hantering De använda materialen samlades in i bergtäkterna och de lastades på lastpallar med två stycken pallkragar vilket medförde att den totalt insamlade volymen för varje material blev cirka 0,4m 3. När materialet lastades på pallarna hälldes de ner på pallen så att materialet bildade en kon som sedan breddes ut. Förfarandet liknar det som beskrivs under kapitlet om den vidare neddelningen av materialet. Materialet förvarades sedan utomhus utan lock under december månad och innan materialen togs in i laboratoriet för vidare undersökningar så borstades all snö bort. 19

31 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Materialen och dess egenskaper Alla tre materialen härstammar från olika bergarter. Någon petrografisk analys redovisas inte utan enbart en bergartsbestämning som varje materialleverantör har tillhandahållit: Material 1 är en metagråvacka som till 84% består av glimmerrik sedimentgnejs som delvis är vittrad och till 16% pegmatitisk fältspat och kvarts. Material 2 är glimmerrik folierad sedimentgnejs som delvis är kraftigt granitiserad. Material 3 är en mörk folierad, metamorft omvandlad medelkornig granodiorit. 3.2 Laboratorieundersökningar För laboratorieundersökningarna har ett antal olika analysmetoder använts för att utreda glimrets påverkan på de obundna bärlagermaterialen. Vissa av metoderna har varit rent standardiserade metoder medan andra har varit skräddarsydda för det här projektet. I underkapitlen redogörs för varje undersökningsmetod som använts Neddelning av material De ursprungliga proverna bestod av ca 0,4m 3 av respektive material men till försöken behövdes endast ca 30-50kg. Initialt neddelades materialet genom att materialet skottades upp i en konisk hög varefter högen planades ut och delades in i fyra kvadranter och två delar som är placerade diagonalt mot varandra plockades ut, se Figur 7. Denna delning utfördes till dess att ca 40kg material återstod. Detta material ansågs sedan representera materialen i sin helhet. Vid neddelning av mindre mängder så användes en neddelningsapparat enligt metodiken i FAS 207. Neddelningsapparaten hade en spaltbredd av 63mm och redovisas i Figur 8. 20

32 Försöksuppställning Figur 7 Neddelningen av material. Två mot varandra diagonala delar tas ut till nästa delning. Figur 8 Neddelningsapparat med en spaltbredd på 63mm. 21

33 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Glimmerhalt Glimmerhalten har bestämts enligt metod VVMB 613 på finfraktionen 0,125mm till 0,250mm. Provberedningen och framsiktningen av materialet har utförts av Väglaboratoriet i norr AB och de har sedan skickat ut det till tre av varandra oberoende provställen. De tre provställena är NCCs väglaboratorium i Umeå, Svevias väglaboratorium i Umeå och Geomiljö väst AB i Varberg Tillverkning av normaliserat material Det som skall undersökas är hur glimmerhalten påverkar grusmaterialen så därför bör de vara så lika som möjligt i andra aspekter. En mycket viktig aspekt är kornfördelningen på ett material och speciellt eftersom denna faktor skall användas som indikator på hur materialet beter sig vid försöken. För att minimera påverkan från att kornfördelningarna skiljer sig åt mellan de olika materialen så normaliserades alla provens kornkurvor. Detta genomfördes på Väglaboratoriet i norr AB genom att det ursprungliga materialet siktades ut i följande fraktioner: <0,063mm; 0,063-0,5mm; 0,5-1mm; 1-2mm; 2-4mm; 4-8mm; 8-16mm; 16-31,5mm; 31,5-45mm. 22

34 Försöksuppställning Materialet siktades genom torrsiktning till de olika fraktionerna och blandades sedan enligt ett recept som baserats på ett medelvärde mellan den övre och den undre begränsningslinjen för deklarerat bärlager för belagd väg enligt VV publikation 2005:112 Kapitel E där lagrets tjocklek skall vara <120mm. (Trafikverket 2005) I Tabell 1 redovisas den optimala kornfördelningen tillsammans med övre och undre gränsvärden. Tabell 1 Den optimala kornfördelningen tillsammans med övre och undre gränsvärden Sikt [mm] 0,063 0, ,5 45 Optimal 4, , fördelning [%] Övre gräns [%] Undre gräns [%] Proctorpackning Allt material har packats in i proctorcylindrar enligt metoden modifierad proctor SS-EN :2010. Packningen har skett i två syften. För det första så skall det undersökas hur materialen reagerar på mekanisk bearbetning och framförallt den mekaniska bearbetning som uppstår från transporten från bergtäkten, utläggningen av materialet på vägen samt från packningsarbetet på vägen. Utan några djupare undersökningar bedöms påverkan från packningsarbetet utgöra den största påverkan på materialet och ett lämpligt sätt att simulera detta i en laboratoriemiljö kan vara att packa in materialet enligt modifierad proctor. Den mekaniska bearbetningen från detta bör normalt vara större än den mekaniska bearbetningen som uppnås rent praktiskt. (Arvidsson, 2007; Arm et al., 2004)). Vilket på så sätt även bör simulera en viss bearbetning från transport och utläggning av materialet. För det andra måste materialet packas för frys- och tiningsförsöken för att återspegla verkliga förhållanden. Allt material packades in vid en fuktkvot av 5%. Denna bedömdes vara ett realistiskt värde på hur hög fuktkvoten brukar vara vid normal utläggning av bärlager. Proctorcylindrarna har en innerdiameter på 102mm och en höjd på 122,5mm. 23

35 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Vattenmättning Provkropparna som skulle genomgå frys- och tiningsförsöken vattenmättades kapillärt. Tanken med detta var att försöka efterlikna ett verkligt förhållande där bärlagret suger upp fukt kapillärt från underliggande lager alternativt att vattnet kommit ner genom slitlagret och blivit kapillärt hängande i bärlagret. Vattenmättningen gick till så att det installerades ett filter i botten på proctorcylindrarna och dessa sänktes sedan ner i ett vattenbad i vilket de fick stå i nästan 12 dygn. Under tiden de stod i vattenbadet så kontrollerades vikten en gång per dygn för att se om någon trend i viktförändringen kunde observeras. Cylindrarna placerades på distanser så att fritt tillflöde av vatten kunde komma in till filtret underifrån. Vattennivån hölls på konstant höjd under hela vattenmättningen och vattenhöjden reglerades så att ungefär 5mm av provkroppen var nedsänkt i vatten. Slutligen kapslades provkropparna med vattenbadet in i plast för att vattnet inte skulle kondenseras bort. Bildserie som visar vattenmättningsförfarandet återfinns i Figur Figur 9 1. Färdigmonterade proctorcylindrar bakom 2st lösa bottnar med installerade filter. 2. Distanser som placerades i botten på hinkarna. 3. Hinkar med distanser. 4. Färdiginstallerade cylindrar innan vatten hällts i. 5. Installerade och täckta hinkar. 24

36 Försöksuppställning Siktanalyser Siktanalyser har genomförts med våtsiktning enligt metod VVMB 619 med ett något modifierat utförande. Analysmängderna som använts har varit minst 4kg och hela analysmängden har analyserats i den kompletta siktserien, det vill säga ingen inledande grovsiktning med efterföljande finsiktning utan enbart finsiktning. Vidare har en alternativ siktserie använts eftersom analysmaterialen ursprungligen var tillverkade utifrån ett givet recept så användes samma maskvidder som använts vid tillverkningen av materialet. De maskvidder som använts är: 0,063mm; 0,5mm; 1mm; 2mm; 4mm; 8mm; 16mm; 31,5mm; 45mm Siktanalyserna har genomförts på både det material som enbart packats in i proctorcylindrarna samt på det material som både packats in och som genomgått frys- och tiningsförsök Frys- och tiningsförsök Frysförsöken genomfördes i ett klimatskåp där temperaturen varierades mellan -20 C och +23 C och i skåpet fanns det installerat en fläkt som hade till uppgift att cirkulera luften för en jämn temperaturfördelning. I skåpet fanns det två stycken temperaturloggar som kontinuerligt registrerade lufttemperaturen. Den ena loggern var placerad i höjd med provkropparna och den andra var placerad cirka 60cm högre upp i klimatskåpet för att upptäcka en eventuell skiktning av luftmassorna i skåpet. Cyklerna bestod av 24timmar frysning och 24timmar tining, en fullständig cykel blev således 48timmar. Totalt genomfördes 6st cykler. På provkropparna installerades ett gummimembran i botten på varje cylinder och sedan monterades de med tillhörande bottenplatta och skarvhylsa. Se Figur 10 för illustration. På detta sätt tätades cylindrarna så att inget vatten kunde tränga ut neråt i provkropparna samtidigt som expansionen till följd av frysningen enbart kunde ske uppåt. 25

37 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Figur 10 Bilden till vänster visar en bottenplatta med tillhörande gummimembran och den högra bilden visar en färdigmonterad cylinder med isolering. Utanpå cylindrarna installerades 35mm (tre lager) isolering av polyeten samt att hela provet placerades i 150mm cellplast, isoleringens och cellplastens termiska egenskaper var ej kända men isoleringen ansågs ändå vara tillräcklig. Anledningen till isoleringen var att provet skulle frysa endimensionellt det vill säga frysningen skulle starta i toppen av provet och sedan vandra neråt i provkroppen mot botten. Detta är det scenario som är mest sannolikt i verkligheten. Det bör observeras att en fullständig endimensionell frysning inte är möjlig med denna försöksuppställning eftersom skarvhylsan, bottenplattan och skruvarna som används för att montera dessa leder värme längs de ytor som skall isoleras. För att maximera isoleringens verkan så tätades alla hålutrymmen med passbitar av cellplast. Ovanpå provkropparna placerades en vikt vilken hade till uppgift att simulera en viss överlast i form av en beläggningstjocklek, vidare gav vikten även upphov till en yta med goda förutsättningar att genomföra noggranna mätningar av de höjdförändringar som uppträder under frys- och tiningscykeln. Den simulerade beläggningstjockleken var 21,6cm baserat på att den har en genomsnittlig densitet på 2350kg/m 3 i packat tillstånd. Höjdmätningarna genomfördes genom att fyra fasta punkters (fördelade med 90 vinkel mellan varandra) höjd mättes relativt skarvhylsans överkant. Mätningarna utfördes en gång per dygn när växlingen mellan frysning och tining skedde. För två av proven installerades en temperaturlogger under bottenplattan som var skyddad mot klimatet i det övriga skåpet genom att den var inbäddad i cellplast men som ändå hade direkt kontakt med bottenplattan. Eftersom bottenplattan var tillverkad i stål och således har en ganska hög värmeledningsförmåga så borde temperaturen på undersidan av plattan återspegla temperaturen på den nedersta delen av provkroppen. Tanken var då 26

38 Försöksuppställning att viktig information skulle kunna inhämtas, till exempel hur frys- och tiningsförloppet utvecklas för att bedöma huruvida det sker en endimensionell frysning samt om provkroppen blir helt frusen. En bild som visar en av de monterade givarna visas i Figur 11. Givarna monterades på provkroppar som var placerade på olika ställen i klimatskåpet för att undersöka skillnader mellan olika provkroppar och dess placering. Slutligen täcktes samtliga provkroppar in i plast enligt samma förfarande som använts vid vattenmättningen, för att förhindra att vatten kondenseras från provkropparna under försöket. Figur 11 En av de installerade temperaturgivarna monterad under bottenplattan. 27

39

40 Resultat 4 RESULTAT I resultatdelen beskrivs resultatet från de olika undersökningarna. Den första delen redogör för materialens ursprungliga egenskaper och de anpassningar som genomförts för de vidare studierna. Den andra delen beskriver resultatet från huvudundersökningarna och hur materialet har förändrats. Den tredje och sista delen tar upp speciella observationer som gjorts under laboratoriearbetet och som anses vara viktigt för de andra resultaten. 4.1 Materialanalyser Resultaten från de inledande materialanalyserna var mycket varierande både när det gäller den ursprungliga kornfördelningen och spridningen i den analyserade glimmerhalten. Följande resultat redovisas i detta kapitel: naturlig vattenkvot på anlänt material till laboratoriet, glimmerhalt, ursprunglig kornfördelning och mängden material som tillverkats enligt den optimala kornfördelningskurvan Material 1 Material 1 var ursprungligen krossat till ett 0-31,5mm material och materialleverantören angav att glimmerhalten ofta brukade ligga runt 50% eller strax under i 0,125-0,250mm fraktionen. Resultatet från glimmeranalysen redovisas i Tabell 2. 29

41 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Tabell 2 Sammanställning över resultaten från de glimmeranalyser som genomförts på material 1. Laboratorium NCC, Umeå Sveiva, Umeå GMV, Varberg Glimmerhalt 59% 45% 56% Den ursprungliga kornfördelningen klarade i stort sett begränsningslinjerna för kornfördelningen, övertrampen var mycket små. Kornfördelningskurvan tillsammans med begränsningslinjerna redovisas i Figur 12. Material 1 Passerande mängd [viktprocent] 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,063 0,63 6,3 63 Spaltbredd, sikt [mm] Verklig kornkurva Övre begränsningslinje Undre begränsningslinje Figur 12 Ursprunglig kornfördelning för material 1. Den naturliga vattenkvoten när materialet anlände till laboratoriet var 5,3% och efter att materialet normaliserats till den optimala kornfördelningskurvan så fanns det cirka 13kg material att tillgå Material 2 Material 2 var ursprungligen krossat till fraktion 0-31,5mm och materialleverantören angav att glimmerhalten vanligtvis brukar ligga kring 40-45% i 0,125-0,250mm fraktionen. Resultatet från glimmeranalysen redovisas i Tabell 3. 30

42 Resultat Tabell 3 Sammanställning över resultaten från de glimmeranalyser som genomförts på material 2. Laboratorium NCC, Umeå Svevia, Umeå GMV, Varberg Glimmerhalt 38% 38% 39% Materialet klarade inte begränsningslinjerna för kornfördelningen, materialet är för ensgraderat och saknar framförallt material i fraktionerna mellan 2mm till 16mm. Kornfördelningen redovisas i Figur 13 Material 2 Passerande mängd [viktprocent] 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,063 0,63 6,3 63 Spaltbredd, sikt [mm] Verklig kornfördelning Övre begränsningslinje Undre begränsningslinje Figur 13 Ursprunglig kornfördelning för material 2. Den naturliga vattenkvoten när materialet anlände till laboratoriet var 3,2% och efter att kornfördelningen normaliserats fanns cirka 11kg material att tillgå Material 3 Materialet var ursprungligen krossat till fraktionen 0-45mm och materialleverantören angav att glimmerhalten vanligen brukar vara 50- till 60% i 0,125-0,250mm fraktionen. Resultatet från glimmeranalysen redovisas i Tabell 4. 31

43 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Tabell 4 Sammanställning över resultaten från de glimmeranalyser som genomförts på material 3. Laboratorium NCC, Umeå Svevia, Umeå GMV, Varberg Glimmerhalt 51% 49% 32% Kornfördelningen klarade inte kraven för kornfördelningskurvan utan det var ett väldigt ensgraderat material med en låg finjordshalt och en stor andel material som var större än 16mm. Kornfördelningskurvan redovisas i Figur 14. Material 3 Passerande mängd [viktprocent] 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0,063 0,63 6,3 63 Spaltbredd, sikt [mm] Verklig kornfördelning Övre begränsningslinje Undre begränsningslinje Figur 14 Ursprunglig kornfördelning för material 3. Den naturliga vattenkvoten när materialet anlände till laboratoriet var 2,8% och efter att kornfördelningen normaliserats så fanns det cirka 12kg material att tillgå. 32

44 Resultat 4.2 Effekter av mekanisk bearbetning samt frys- och tiningsförsök Resultaten från den mekaniska bearbetningen och frysförsöken redovisas i detta kapitel. Inledningsvis presenteras resultaten från vattenmättningen Vattenmättning Resultatet från den kapillära vattenmättningen redovisas i Figur 15, Figur 16 och Figur 17 och fullständiga mätningar redovisas i Bilaga 1. Från diagrammen kan ingen tydlig trend observeras, den initiala ökningen i vikt beror på att filtret fuktas samt att den nedersta delen av provkropparna blöts ner. Över en längre tid observeras däremot ingen ökning av vikten för någon av provkropparna. Viktökningen för material 1,cylinder 2 samt material 3, cylinder 2 som verkar ske under de fyra första dygnen beror troligen på att luft ansamlats i systemet vid den första vägningen. Den andra vägningen skedde efter cirka 4 dygn och vid den tidpunkten hade luften tryckts ur. Material 1 Vikt cylinder [g] ,0 5,0 10,0 15,0 Tid från start [dygn] Cylinder 1 Cylinder 2 Figur 15 Resultaten från den kapillära vattenmättningen för material 1. 33

45 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Vikt provkropp [g] Material ,0 5,0 10,0 15,0 Tid från start [dygn] Cylinder 1 Cylinder 2 Figur 16 Resultaten från den kapillära vattenmättningen för material 2 Material 3 Vikt provkropp [g] ,0 5,0 10,0 15,0 Tid från start [dygn] Cylinder 1 Cylinder 2 Figur 17 Resultaten från den kapillära vattenmättningen för material 3. 34

46 Resultat Frys- och tiningsförsök samt proctorpackning Proctorpackningen visade sig ha en viss inverkan på kornfördelningen. Samtliga material visade generellt upp en större andel finmaterial vid siktanalysen som är utförd efter packningen. Ökningen var 2 till 3 procentenheter och detta påverkar även kornfördelningen i stort. Frysförsöken däremot verkade ha en mycket liten effekt på kornfördelningen eftersom kurvorna i stort sett är identiska mellan det frysta materialet och det packade materialet och detta samband gällde för samtliga undersökta material. Det finns dock en trend till en ökad finjordshalt efter frysförsöken. Kornfördelningskurvorna redovisas i Figur 18, Figur 19 och Figur 20. För detaljerade resultat hänvisas till Bilaga 2. Passerande viktprocent Material 1 100,0% 80,0% 60,0% 40,0% 20,0% 0,0% 0,063 0,63 6,3 63 Sikt [mm] Ursprunglig kornfördelning Efter proctorinstampning Efter frysning Figur 18 Kornfördelningen för material 1 vid olika tidpunkter i laboratoriearbetet. 35

47 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Passerande viktprocent Material 2 100,0% 80,0% 60,0% 40,0% 20,0% 0,0% 0,063 0,63 6,3 63 Sikt [mm] Ursprunglig kornfördelning Efter proctorinstampning Efter frysning Figur 19 Kornfördelningen för material 2 vid olika tidpunkter i laboratoriearbetet. Passerande viktprocent Material 3 100,0% 80,0% 60,0% 40,0% 20,0% 0,0% 0,063 0,63 6,3 63 Sikt [mm] Ursprunglig kornfördelning Efter proctorinstampning Efter frysning Figur 20 Kornfördelningen för material 3 vid olika tidpunkter i laboratoriearbetet. I Figur 21 visas finjordshaltens utveckling under försöken för respektive material och där kan det observeras att både packnings- och frysförsöken har bidragit till en ökad finjordshalt. 36

48 Resultat 9,0% 8,0% 7,0% 6,0% 5,0% 4,0% 3,0% 2,0% 1,0% 0,0% Finjordshalt Material 2 Material 1 Material 3 Ursprunglig kornfördelning Efter proctorinstampning Efter frysning Figur 21 Finjordshaltens utveckling under laboratorieförsöken. Provkropparna uppvisade inga skillnader på hur stora höjdförändringar som uppkom till följd av fryscyklerna. Samtliga provkroppar ökade sin volym under frysfasen genom en höjdökning och minskade volymen under tiningsfasen till följd av en höjdminskning. Storleken av denna volymförändring var ungefär lika stor oavsett material och dess glimmerhalt. Höjdförändringarna varierar inom intervallet ±0,4% av provhöjden. En trend som kan observeras är att de största fluktuationerna i höjdförändring verkar uppstå vid de första fryscyklerna för att sedan avta mot de sista cyklerna. I Figur 22 visas medelvärdet av den procentuella höjdförändringen för alla prover under försöket och där kan vi se att fluktuationerna verkar avta något mot slutet av frysförsöken. Det är noterbart att provkropparna i tiningsfaserna får en lägre höjd än i ursprungsläget och således även en mindre volym på provkroppen. Vid försökens slut kan ingen ackumulerad tjällyftning observeras för något av materialen. I Bilaga 3 redovisas exakta mätdata. 37

49 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Procentuell höjdförändring 0,20% 0,10% 0,00% 0,10% 0,20% 0,30% Medelvärdet för de procentuella höjdfluktuationerna Antal dygn vid frysförsöken Procentuellt medelvärde Figur 22 Procentuella höjdförändringen relativt provkroppens ursprungshöjd. Värdena avser ett medelvärde för samtliga provkroppar. I Figur 23 visas en översiktsbild över temperaturloggningen under fryscyklerna och i Figur 24 visas temperaturloggningen under den andra fryscykeln i detalj. Där kan vi se att temperaturen under provkropparna sjunker betydligt långsammare än temperaturen i klimatskåpet. En annan viktig observation är den karakteristiska platån som uppträder vid 0 C. Denna punkt representerar övergångsfasen när vattnet övergår från flytande till fast form. Eftersom denna övergångsfas befinner sig så långt in i fryscykeln så ger den en bra indikation på att frysningen åtminstone skett nära endimensionellt. 38

50 Resultat Figur 23 Översiktsbild över registrerade temperaturer i klimatskåpet. Y- axeln visar temperaturen i C. Röd och grön linje representerar de givare som var monterade på provkropparna medan blå och svart linje visar temperaturen i klimatskåpet. Figur 24 Detaljbild över fryscykel 2. Y-axeln visar temperaturen i C. Det finns en viss fördröjning i temperaturförändring för en av provkropparna som var placerad längre från cirkulationsfläkten. Grön och röd linje visar värden från de givare som var monterade på provkropparna. 39

51 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning 4.3 Observationer under laboratoriearbetet Under laboratoriearbetet gjordes en del observationer som troligen är av betydelse för resultatet. En viktig observation var att under normaliseringen av materialens kornfördelningar så torrsiktades materialet för att det material som var <0,063mm skulle kunna tillvaratas. Till följd av detta metodval så dammade mycket partiklar från de mindre fraktionerna mellan de olika siktarna. Det medförde att det troligen fanns partiklar som till exempel var <0,063mm men som fastnade på större partiklar i de andra siktarna. Eftersom de avslutande siktningarna genomfördes med metoden våtsiktning så tvättades sådana partiklar bort i de siktningarna. Detta har troligen medfört att den önskade normaliserade kornfördelningen inte helt uppfyllts. En annan observation är att det verkar finnas en trend för två av materialen som visar på att en del av vattnet i provkropparna har kondenserats eftersom de har en lägre vattenkvot efter frysförsöken. Det tredje materialet har istället en något högre vattenkvot efter frysförsöken vilket dock är orimligt, detta beror troligen på någon form av mätfel. En sammanställning av vattenkvoterna redovisas i Figur Utveckling vattenkvoter Fuktkvot [%] Naturlig fuktkvot Före proctorpackning efter fysning Material Figur 25 Utvecklingen av provmaterialens vattenkvoter under laboratoriearbetet. 40

52 Analys 5 ANALYS I det här avsnittet utvärderas resultatet från materialanalyserna, packningsförsöken samt frysförsöken. 5.1 Materialanalyser Den analyserade glimmerhaltens spridning är intressant. Även om flera av analysresultaten överensstämmer med varandra så är det högst anmärkningsvärt att det kan skilja så mycket som 19 procentenheter mellan ett och samma material när analysmetoden är standardiserad. En möjlig förklaring till en del av spridningen kan vara att efter framsiktningen av fraktionerna så lagrades materialen i plastpåsar när de skickades till de olika laboratorierna. Glimmerkornen har visat sig vara statiska i en mycket högre utsträckning än de övriga mineralkornen vilket medfört att många glimmerkorn fastnat i plastpåsarna till följd av statiska krafter. I Figur 26 visas en av påsarna som NCC i Umeå analyserat och där syns det hur mineralkornen sitter fast på insidan av påsen. När påsen studerades genom ett mikroskop så syntes det tydligt att huvuddelen av kornen var glimmerkorn. En lösning på detta problem är att alltid förvara materialen i papperspåsar eftersom de inte binder kornen statiskt. 41

53 Glimmerhaltens inverkan på kornfördelning och tjällyftning Figur 26 En av påsarna som materialet till glimmeranalysen förvarats i. De naturliga vattenkvoterna varierar en del mellan materialen men det är svårt att dra någon slutsats vad det beror på. De är inte krossade vid samma tidpunkt eller på samma ställe vilket medför att det inte finns någon rimlig möjlighet att dra någon slutsats gällande vad variationen beror på. Att kornfördelningen inte uppfyller kraven för två av materialen är inte speciellt konstigt med tanke på att de inte var avsedda för att användas som bärlager för belagda vägar. Det bör inte heller påverka resultaten i denna undersökning eftersom materialen normaliserades med avseende på kornfördelningen för att denna inte skulle ha någon inverkan på resultaten. 5.2 Effekter från mekanisk bearbetning och frysförsök Resultaten från vattenmättningen visar ingen skillnad mellan de tre olika materialen och det visar också att de inte skulle absorbera speciellt mycket vatten, inte rent kapillärt i alla fall. En möjlig förklaring till att inga skiljaktigheter uppträder skulle kunna vara att mätmetoden är för grov och att 42