lnblandnmgav oljegrus vid cementstablllsermg "En laboratoneundersoknmg av Sven-Olof Hialf-marsisofnf

Transkript

1 Nr s F Statens väg- ochtrafikinstitut (VTl) : Linköping ISSN National Road& Traffic Research institute : $ Linköping- Sweden lnblandnmgav oljegrus vid cementstablllsermg "En laboratoneundersoknmg av Sven-Olof Hialf-marsisofnf

2 lr Statens väg- och trafikinstitut (VTI) Linköping isn National Road & Traffic Research Institute Linköping - Sweden lnblandning av ojegrus vid cementstabilisering En laboratorieundersökning 1 av Sven-Olof Hjalmarsson

3 FÖRORD Laboratorieprovningar av bundna vägbyggnadsmaterial avsedda att klarlägga materialens funktion vid utnyttjandet i vägen kan bestå antingen i spännings- och deformationsprovningar på tillverkade eller uttagna provkroppar eller i modellförsök där förhållandena på vägen så långt möjligt efterliknas. Det förstnämnda slaget av provningar har fördelen att vara förhållandevis enkla att genomföra och därför föga kostnadskrävande. Modellförsök av den typ som är vanlig inom vägmaterialforsk-i ningen är däremot kostnadskrävande. Beroende på svårigheterna att utföra meningsfulla analyser av erhållna provnings- och försöksresultat, som utmynnar i uppskattningar av materialens bärighetsmässiga "livslängd" vid praktisk användning, brukar undersökningarna ofta utföras jämförande, varvid den undersökta egenskapen hos det provade materialet relateras till egenskapen hos ett referensmaterial, välkänt från praktisk användning. Resultatet kan således snarast användas för en kvalitativ bedömning av det undersökta materialets egenskaper. Laboratorieundersökningen har i detta fall gällt hur egenskaperna påverkas hos ett cementstabiliserat grusmaterial, om det senare till viss, mindre del utgöres av oljegrus. Med undersökningen har det begränsade syftet varit att försöka klarlägga hur den s k bindningseffekten (karaktäriserad genom tryckhållfastheten) och draghållfastheten (karaktäriserad av spräckhållfastheten) har påverkats vid olika halt oljegrus i det cementstabiliserade materialet. Som referensmaterial har använts samma cementstabiliserade material utan tillsats av oljegrus. Andra tänkbara undersökningar av typen spännings- och deformationsprovning (som således ännu ej genomförts) är: V'T'T MFDDFTTANDFT 17?

4 - Bestämning på balkformiga provkroppar av böjdraghållfasthet och brottöjningsvärden samt (ur uppmätta nedböjningar) stat. E-modul vid böjning. - Bestämning av sambandet mellan tryckspänning och deformation vid upprepade snabba på- och avlastningar och triaxialt spänningstillstånd samt ev i samband härmed uppträdande utmattning (triaxialcell i MTSapparaten). Linköping i augusti 1979.J 4/49/1950?36%"4/ Björn örbom V'T'T' MPHHWT.ÅNHF. 17?

5 0 0 0 o U'l k) I N N E H Å L L S F Ö R T B C K N I N G Sid SAMMANFATTNING 1. INLEDNING 2. LABORATORIEUNDERSÖKNING ÖVER INVERKAN AV OLJEGRUSINBLANDNING VID CEMENT- STABILISERING N N N N Å 3 _-Å o 0 bd N -4 Utförda provningar och undersökningar Siktanalys Humusgradbestämning Bestämning av maximal skrymdensitet och optimal vattenhalt för material med cement och med olika halter av oljegrus inblandat Bestämning av tryckhållfastheten för provkroppar instampade enligt tabell 1 Bestämning av spräckhållfasthet för provkr0ppar instampade av blandningar enligt tabell Utförande och resultat Siktanalys Humus Maximal skrymdensitet och optimal vattenkvot Bestämning av tryckhållfastheten för provkroppar tillverkade enligt AASHO T180-metoden (tung instampning) med cement och med olika halter av oljegrus inblandat Bestämning av spräckhållfastheten för provkroppar tillverkade enligt AASHO T180-metoden (tung instampning) med cement och med olika halter av oljegrus inblandat Bestämning av ökning i cementbehov vid oljegrusinblandning och tryckhållfasthetskravet 5 MPa vid 7 dygn VTI MEDDELANDE 173

6 Inblandning av oljegrus vid cementstabilisering. En laboratorieundersökning. av Sven Olof Hjalmarsson Statens väg- och trafikinstitut (VTI) SAMMANFATTNING Avsikten med den utförda laboratorieundersökningen har varit att försöka klarlägga hur olika halter av gammalt oljegrus påverkar egenskaperna hos ett cementstabiliserat material av den typ som är vanligt på svenska grusvägar. Den egenskap som bedömts viktigast att undersöka i ett första studium är tryckhållfastheten hos provkroppar. Oljegrusets elastiska egenskaper har bedömts eventuellt kunna påverka cementstabiliseringen så att draghållfastheten blir högre. I syfte att på ett enkelt sätt få ett mått på detta har spräckhållfastheten bestämts med det s k Brasilianska spräckprovet. Undersökningen har utförts med en cementhalt (cementkvoten 5 vikt-%) och med två halter oljegrus (10 respektive 25 vikt-%) med max aggregatstorlek 20 mm. 25% oljegrus motsvarar ett ca 5 cm oljegruslager vid 20 cm total stabiliseringstjocklek. Hållfasthetsprovningarna har utförts på provkroppar instampade enligt metod tung instampning (närmast motsvarande AASHO TT80) vid optimal vattenkvot och därefter lagrade skyddade mot uttorkning i 7 respektive 28 dygn. Provkropparnas storlek har varit, höjd = 12,5 cm och diameter = TO cm. Resultaten visar att vid oljegrusinblandning med 10 vikt-% blev tryckhållfastheten ca 8% lägre på 7 dygnsprovkroppar och ca 25% lägre efter 28 dygn jämförda med

7 II prov utan oljegrus med samma ålder. Med 25% oljegrus blev tryckhållfastheten ca 5% lägre för 7 dygnsprov och ca 25% efter 28 dygn. Spräckhållfastheten förbättrades vid 10% oljegrusinblandning med ca 15% för 7 dygns-proven. Också med 25% oljegrus var spräckhållfastheten vid 7 dygn något högre (ca 4%) än för prov utan oljegrus. Efter 28 dygn hade dock proven utan oljegrus ökat betydligt mer i spräckhållfasthet. 10% oljegrusinblandning gav då ca 25% lägre och 25% oljegrus ca 27% lägre hållfasthet. Resultaten visar alltså att oljegrusinblandningen medförde lägre tryckhållfasthet både vid korttidslagring (7 dygn) och efter längre tid (28 dygn) medan däremot spräckhållfastheten genom oljegrusinblandningen till en början fick högre värden. Spräckhållfastheten ökade därefter snabbt för prov utan oljegrus men däremot betydligt långsammare för prov med oljegrus. Den praktiska betydelsen av oljegrusets inverkan kan inte helt påvisas med en så liten undersökning som denna och är dessutom begränsad till att gälla endast det undersökta materialet. Om man emellertid även vid oljegrusinblandning ställer samma hållfasthetskrav som vid cementstabilisering utan oljegrus kan troligen detta i de flesta fall tillgodoses genom ökad cementtillsats. Hur stor denna ökning behöver vara har i detta fall undersökts genom en kompletterande provning av provkroppar med högre cementtillsats. Resultaten visar att vid 10% oljegrusinnehåll behövdes ca 10% högre cementtillsats för att uppnå 7 dygns-hållfastheten 5 MPa vilket är ett vanligt hållfasthetskrav vid förprövning för cementstabilisering. Vid 25% oljegrusinblandning ökade cementbehovet med 50% för samma hållfasthetskrav. Den erforderliga cementkvoten ökade i det förra fallet från 4,8 vikt-% till 5,3 vikt-% och i det senare fallet från 4,8 vikt-% till 7,4 vikt-%. TNT'T ManDT ÄÅTTND 1 "71

8 1. INLEDNING Ett praktiskt problem som då och då uppkommer i samband med förstärkning av oljegrusbelagda grusvägar genom cementstabilisering med markblandningsmetoden är om bortrivning av befintligt oljegruslager först erfordras eller om oljegruset kan blandas in i grusvägens ytskikt och således komma att ingå i det senare cementstabiliserade skiktet. Det har därför ansetts angeläget att genom en laboratorieundersökning belysa hur olika halter gammalt oljegrus, sönderdelat i olika grad, påverkar egenskaperna hos ett cementstabiliserat material av den typ som är vanlig på svenska grusvägar. Vid Statens väg- och trafikinstitut har utförts en mindre laboratorieundersökning i.redovisas i denna rapport. detta syfte och resultatet Undersökningen har i första skedet begränsats till en sönderdelningsgrad av oljegruset (0-20 mm) och till en cementhalt (5 vikt-%). Undersökningen har bekostats med medel för VTI:s egen FoU-verksamhet. 2. LABORATORIEUNDERSÖKNING ÖVER INVERKAN AV OLJEGRUSINBLANDNING VID CEMENTSTABILISERING 2.1 Utförda provningar och undersökningar Utförda provningar och undersökningar framgår av följande rubriker ( ) âiäzêaêlzê äseuêsäêéêsêääuaåes VTI MEDDELANDE 173

9 2-1-3 ässsäga äszmés ;Es2_ i: mål-rä:eeaäslz_äê asé-9liäâ_êâ;es _âz_9l12952 _i älsa âs 2o1«4?å 2å l 9_â2_EEZSEêåll ê E E E_ÃêE_EEQY: E:922 :-2 Esaeaés-s li9:_:säsll_l Tabell 1. Grus Oljegrus Cement 0-20 mm vikt-% beräkn. på grus+oljegrus Vikt-% Vikt-% Vikt-% ês ä@2229_s2-22äsäbâlläsâääs2_ ê -e:92: E:992ê -29 2ê92ê -ê2_älê êai sêä_saliss Eêêsll_l 2.2 Utförande och resultat âiääêaslzê 'För undersökningen användes ett grusmaterial uttaget ur ytskiktet 0-15 cm på en grusväg i Y-län. Oljegruset är uttaget ur ytskiktet 0-5 cm på en oljegrusbelagd väg i E-län Före inblandning smulades oljegruset för hand och siktades på 20 mm sikt Varefter material <20 mm användes vid provningen. Materialets kornfördelning bestämd genom siktning, framgår av bilaga 1. wm? munnvrnmnw 171

10 Eventuell humusförekomst hos det uttagna grusmaterialet bestämdes enligt Abram-Harders metod. Provet är egentligen avsett att bedöma betongballasts lämplighet med hänsyn till humusföroreningar och går till så att en flaska med en rymd av ca 1/3 liter delvis fylls med grusmaterial och 3-procentig natronlut. Innehållet omskakas kraftigt varefter flaskan skall stå orörd ett dygn. Av natronlutens färg (skala Ow4) kan man sedan bedöma om gruset är lämpligt att användas tillsammans med cement. Ofärgad (humusgrad 0) eller svagt färgad (humusgrad 1) natronlut betyder normalt att gruset är lämpligt. Resultatet blev i detta fall humusgrad 1, alltså svagt färgad natronlut, vilket således skulle visa att materialet var praktiskt taget fritt från skadliga humusföroreningar. 2e2-3 Mariaêl_särzeésssi:s -99 _92 iaêl_zêeesqeyqe Maximal skrymdensitet och optimal vattenkvot undersöktes genom instampning enligt AASHO T180-metoden (tung instampning) dels på material med 5 vikt-% cement inblandat, dels på material med 5 vikt-% cement och 10 vikt-% oljegrus inblandat och slutligen på material med 5 vikt-% cement och 25 vikt-% oljegrus inblandat. 4 instampningar gjordes med 3, 4, 5 och 6 vikt-% nominell fuktkvot. Efter instampning och Vägning togs fuktprov, som torkades i torkskåp, för bestämning av den verkliga fuktkvoten. Resultatet av provningen framgår av diagram i bilaga 2. De maximala skrymdensiteterna var 2,27 kg/dm3, 2,31 kg/dm3 och 2,27 kg/dm3 och de Optimala vattenhalterna var 4,7 vikt-%, 4,7 vikt-% och 4,9 vikt-%. VTT MFDDPTANTUF'. 17?

11 2«2 4 âsâ ê 229- z_ zsääêllâêêääe2e2_ êä_e292: EEQEE _ illrêsäêée_ 2li92_êê 9-Elêgzmsäeéeg 1:229_iaêssmeaiaql_msé_9s@ 2_99 _msê_9lita äêl225_ 2_9l1s9: _italêaéêz Efter 7 respektive 28 dygn togs 3 provkroppar, h = 12,7 cm och d = 10,0 cm, ut från fuktrummet, varefter tryckhållfastheten bestämdes. Vid provningen anbringades 3 mm tjocka gummiplattor på tryckytorna som tryckutjämning. Deformationshastigheten vid provtryckningen var 1,25 mm/min. Resultaten av tryckhållfasthetsprovningen redovisas i bilaga 4, 5, 7 och 8. Dessa visar, att om man ökar tillsatsen oljegrus från 0 till 10%, så sjunker tryckhållfastheten med ca 5%. ökar man tillsatsen oljegrus ytterligare till 25%, så sjunker tryckhållfastheten med ca 25% äs Eä@e229-ê2_ erêsä êllâ Eê 2e2_2ê2_2292: EäQEEêE-ElliYêEäêéålêQååäE-êê 9- l 9: ê29ê 2 läeee- Q Eê EEåESL-Eêê_S E E_9 -Eê -9ååäê tältsärär-9lies 2 _iaälê êât ProvkrOpparna behandlades på samma sätt som provkropparna enligt ovan. Två provkroppar med olika halter av oljegrus inblandat uttogs för spräckhållfasthetsbestämning. Spräckhållfasthet (draghållfasthet) enligt det s k brasilianska provet utföres så, att den cylindriska provkroppen belastas längs två motstående generatriser. Belastningen verkar därvid i ett plan genom cylinderaxeln. Pressens tryckplattor måste vara noggrant plana och cylindern ha raka generatriser. För att ytterligare utjämna tryckfördelningen inlägges remsor av 3 mm träfiberskiva (ca 5 cm breda), mellan provkroppen och pressens tryckplattor. Vid denna provning utbildas brottytan så, att cylindern VTI MEDDELANDE 173

12 spjälkas diametralt i belastningsplanet genom de båda belastade generatriserna. Brottorsaken är den dragspänning, som uppstår vinkelrätt mot detta snitt. Endast i närheten av mantelytan råder tryckspänning i snittet. Spräckhållfastheten beräknas enligt formeln Kdzål_ H'd'L där P = brottbelastning i kp d = cylinderns diameter i cm L = cylinderns längd i cm Resultaten av spräckhållfasthetsprovningarna redovisas i bilaga 4, 6, 7 och 8. Resultaten visar att 7-dygnshållfastheten för provkropparna med oljegrustillsats var något högre än för dem utan oljegrustillsats. Mellan 7 dygns ålder och 28 dygn ökade hållfastheten med ca 70% för provkropparna utan oljegrus. För provkropparna med 10 resp 25% oljegrustillsats var motsvarande hållfasthetsökning betydligt mindre (ungefär 10 resp 20%). 2 2»6 äs 2ämaias_az- 2229_i-seessääeäez-zié-9li : gäss;sels 2229_92ä-22225äålläsâääeêêärêzsE _M2s_zi _z- zss För att undersöka hur mycket mera cement som behövde tillsättas, för att det Oljegrusinblandade materialet skulle uppfylla samma krav på.tryckhållfasthet vid 7 dygn som vid förprovning av material utan oljegrus, tillverkades ytterligare ett antal provkroppar men med olika cementhalter. För vardera oljegrushalten (10% respektive 25%) tillverkades och provtrycktes 3 provkroppar med cementtillsatser som valts så att cementbehovet för 5 MPa vid 7 dygn skulle kunna interpoleras. Resultatet har uppritats i diagram 1-3 i bilaga 8. VTI MEDDELANDE 173

13 Ur diagram 1 kan cementbehovet för varje blandning beräknas. I diagram 2 har uppritats erforderligt cementbehov i vikt-%. Som framgår var cementbehovet 4,8% respektive 5,3% och 7,4% vid oljegrushalterna 0%, 10% och 25%. I diagram 3 har den procentuella ökningen av cementbehovet uppritats. Som framgår har vid 10% oljegrus erfordrats 5,3% cement och vid 25% oljegrus har erfordrats 7,4% cement jämfört med 4,8% cement för gruset utan oljegrusinblandning. U'WT M'F'T'XnT-FTJXNITTD 1'7'2'

14 n: la nu nu Bilaga 1 Grusmaterialets leksfördelning kornstor-.0323:2 Basen. st lb få Od»b nu nu nu nu nu nu nu MW av M0 EGrcvmo // :orij K r 4 l r'1l r 1/r 1 rlj rl4'lr'j f 1 l\r 4 TH 0;: dlansand s 'ALN0 of.: Grovsand å. iiriaiir-4cira;iir-.-mv/[iirixiircliir-4siri4...irle Finqrus I 53 Ir 4 'Örl4 lirar] llr'1' r L l-i J. r 4 -' 1 / IIPi1 L igrus Grovqru: i 2b :Hariiiiriiiiriiiiri.iiriliiraiiariloiriLiir 4 -Örlulvø AJ_ STEN L L Oljegruset. Aggregatstorieksfördelning efter sönderdelning av det material som användes vid provningen.? Små? :5203.: av nu på nu ut nu 9» nu av nu 1 7, Y 'lill TTTI, [T i En ;01502, T 7 ill OJ25 QZS I rl4 llrljllrl4ilr01 isrui -irl-1 "rll -..Fin iiriliiril Q0! -irll irlll r 1 llrl4llrlg IGPIÅIQPDLOIPIA r 4 r 11 Y'Tj' I LJLS'Z 1511 iiriaiiriliiria lift; ilrl4iirl. lift; -Ir-'.51 iirilåsåib Wiriiniri411ru4 lift; iifli Itr L Ir 1Iir A xtra; IIFIA -

15 Bilaga 2 VOLYMVIKT KG I DM VATTENFYLLT HÅLRUM v0l.- /. 15 JO JS \20 \ 25 X I 1 >R K\ rñ *:::i \ \\\N <% \\ \ (v &\ å? få VATTENHALT (EFTER EV. BINDEMEDELS REAKI), VIKT- /. AV MA 'DBdS Na om SNyaasaNINuyw 53 PROV BINDEMEDELS- MAXIMAL OPTIMAL HA LT V0 LYMV l KT VATTEN HÅLT vikt- lo kg / dm3 volym - Io 5 Io CEMENT % OLJEGRUS ' 66 ' 2 sv. CEMENT , 10% OLJEGRUS 5 Io CEMENT % OUEGRUS ' 6 ' VTI MEDDELANDE l 7 3

16 Bilaga 3 Resultat från laboratorieprovningen.. Prov- Humus- Vatten- Cement- Olje- Torr Tryckhåll- Spräckhållkr0pp grad kvot vid kvot grus skrymufasthet fasthet nr instamp- densimprovnings- Provningsning tet ålder ålder 7 d [28 d 7 d 28 d vikto% Vikt-% vikt-% kg/dm3 MPa MPa 1! 1 4,7 5,0 0 2,30 5, ,7 5,0 0 2,30 4, ,7 5,0 0 2,30 5, ,7 5,0 0 2,29 0, ,7 5, , ,7 5,0 10,0 2,29 4, ,7 5,0 10,0 2,29 5, ,7 5,0 10,0 2,28 4, ,7 5,0 10,0 2,29 0, ,7 5,0 10,0 2,27 0, ,7 5,0 25,0 2,29 4, ,7 5,0 25,0 2,29 3, ,7 5,0 25,0 2,31 3, ,7 5,0 25,0 2,30 0, ,7 5,0 25,0 2,30 0, ,7 5,0 0 2,29 6, ,7 5,0 0 2,28 5, ,7 5,0 0 2,28 5, ,7 5,0 0 2,29 1, ,7 5,0 0 2,29 1, ,7 5,0 10,0 2,30 5, ,7 5,0 10,0 2,30 6, ,7 5,0 10,0 2,29 5, ,7 5,0 10,0 2,29 0, ,7 5,0 10,0 2,29 1, ,7 5,0 25,0 2,28 4, ,7 5,0 25,0 2,29 4, ,7 5,0 25,0 2,29 3, ,7 5,0 25,0 2,29 0, ,7 5,0 25,0 2,29 1,10 VTI MEDDELANDE l 7 3

17 Bilaga 4 TRYCKHÅLLFASTHET PROCENTUELL FORÄNDRlNG MED OLIKA HALTER AV 'lo OLJEGRUS INBLANDAT 100- ' DYGN 28 DYGN ] I I I i I I T F Grustillsats vikt. 0 10% 25% Oljegrustillsats 5% 5 /. 5% Cementtillsats VTI MEDDELANDE 173

18 Bilaga 5 Schematisk skiss väsande spräckprovets utförande Io A Sprückhållfcsthetens relativa R värde vid olika- halter olja-grus inblandat. 7 dygnshål-lfastheten med O l. oljegrustillscrts och 150._ 5 '1. cementtiilsats = 100 ' " 130" 28 DYGN DYGN " 80'* r 1.D Oljegrustillsats i vikt / Cementtillsats i vikt /. VTI MEDDELANDE 173

19 100 lo GRUS 5 lo CEMENT 100 lo GRUS 5 /o CEMENT 90 /o GRUS 10 /ooljegrus 5 locement 75 /.;_0Rus 10 /ooljegrus 5 locement 75 /o GRUS 25 /ooljeg. 5 Io CEM. Bilaga 6 TRYC KHALLFASTIGHETS PR OVNING TRYCKHALLF. 7D 28D?D SPRÄCK HALLF. MPO A 90 /o GRUS 10 /ooljegrus 5 Io CEMENT 7D 280 7D 28D VTI MEDDELANDE 173

20 f f T r r 1. v. 1 v T r 1' T t 1 I r 1 1 I I I Bilaga 7 Hållfasthet o Mpa Tryckhallfasthet 6.0 ". 0 /o OLJEGRUS /o OLJEGRUS W Spröckhâtlfasthet 4 0% OLJEGRUS 10_?0 /a OLJEGRUS \?i \25% OLJEGRUS 7 28 Antal lagringsdygn VTI MEDDELANDE l, 7 3

21 Bilaga 8 ÖKNING AV CEMENTBEHOV VID OLJEGRUSINBLANDNING MPQ x == 0 /. OLJEGRUS _ m0 d O=1Oo^ _ Q Diagram l. TRYC KHALLFASTHET *=25 h ' Tryckhållfasthet hos provkr0ppar. Diagram för beräkning av cementbehov för 5 MPa vid 7 dygn. 5,0 -_ ' _ -- _II-n _-a _ 0,, 0 5 D CEMENT VIKT - /o. A m Diagram 2. CEMENTKVOT VlKT- /o Erforderlig cementtillsats för tryckhâllfastheten MPa vid 7 dygn. 0 I I OLJEGRUS VIKT- /o m0 h PROCENTUELL ÖKNING AV ERFORDERLIG CEMENTKVOT Diagram 3. Procentuell ökning av cementbehov vid oljegrusin- 50 ' blandning och tryckhållfasthetskravet 5 MPa vid 7 dygn. 0 x. 0 D 25 OLJEGRUS VIKT - /o VTI MEDDELANDE 173

22