Metoder för mätning och analys av sprickor i asfaltvägar

Transkript

1 Svensk sammanfattning av doktorsavhandling Metoder för mätning och analys av sprickor i asfaltvägar Petra Offrell petra.offrell@scc.se

2 Sida 2 (17) Förord. Konstruktiv utformning av vägar, registrering av tillstånd hos vägar, nedbrytning av vägkroppen och drift och underhåll av vägkonstruktioner har under flera år varit föremål för forskning såväl nationellt som internationellt. Vid avdelningen för Vägteknik vid KTH har flera projekt bedrivits med denna inriktning, ofta i form av doktorandprojekt. Sprickbildning och sprickutveckling i beläggningen är en typ av nedbrytning som har stor betydelse för vägens livslängd och framtida tillståndsutveckling. Även om de sällan har någon större betydelse för trafiksäkerheten utgör sprickorna en försvagning av vägkonstruktionen och leder till att vatten kan tränga in i vägkroppen med minskad bärförmåga och risk för ytterligare skador som följd. Insamling om data om sprickor har hittills huvudsakligen skett mer eller mindre manuellt, vilket både begränsat mängden data som samlats in och möjligheterna att bedriva forskning inom området. Under senare år har dock utvecklingen inom både mätteknik och datateknik avsevärt förbättrat dessa möjligheter. Syftet med detta projekt har varit att utvärdera befintlig teknik för datainsamling och analys av sprickor och att identifiera möjliga förbättringar både med avseende på de sprickor som syns i ytan och de sprickor som finns inne i beläggningslagren. Undersökningarna har varit inriktade på asfaltbeläggningar i nordiskt klimat. Projektet har bedrivits som ett doktorandarbete vid avdelningen för Vägteknik på KTH. De resultat som här redovisas grundar sig på en doktorsavhandling som lades fram i juni Projektet har finansierats med medel från Vägverket. Vid KTH har projektet administrerats av Centrum för utbildning och forskning inom drift och underhåll av infrastrukturen, CDU. Projektet har tillhört programområde Teknik, Tema Vägunderhåll. Projektet har utförts i samarbete med bl.a. University of California at Berkeley, Väg- och transportforskningsinstitutet (VTI) i Linköping, Linköpings universitet, Vägverket, OPQ Systems AB, Scandiaconsult och Högskolan Dalarna. Till projektet har varit knutet en styr- och referensgrupp med följande medlemmar: Hans Cedermark KTH Ulf Isacsson KTH Thomas Wahlman Scandiaconsult Lennart Djärf VTI Lars-Göran Wågberg VTI Leif Sjögren VTI Rune Fredriksson Vägverket Klas Hermelin Vägverket Johan Lang Vägverket Åsa Lindgren Vägverket Niclas Odermatt Vägverket Hans Wirstam Vägverket Rolf Magnusson Högskolan Dalarna Borlänge Rolf Magnusson

3 Sida 3 (17) 1 Inledning Sprickor uppstår i vägytan till följd av påkänningar orsakade av trafik och klimat. I många fall samverkar trafik- och klimatbelastningen och påskyndar nedbrytningsförloppet. Med undantag av mycket breda sprickor, t.ex. sådana som är orsakade av tjäle, har sprickor inte någon direkt inverkan på trafiksäkerhet och åkkomfort. Indirekt påverkar sprickor ändå vägens funktionella egenskaper eftersom sprickbildning inverkar negativt på vägens bärighet. Vatten kan tränga ner i vägkonstruktionen genom sprickorna och minska de obundna konstruktionslagrens bärighet, vilket resulterar i en accelererad nedbrytning av hela vägkonstruktionen. Syftet med avhandlingen var att: Utvärdera befintlig teknik för sprickdatainsamling Utveckla nya, mer objektiva metoder och tekniker Utveckla metoder för sprickanalys inuti asfaltbeläggningen Studera sprickutveckling inuti asfaltlager Utveckla en forskningsmetod för att studera sprickor på ytan av vägar i drift Analysera utvecklingen av tunna sprickor på vägytan Utvärdera en ny teknik för snabb automatisk insamling av sprickdata på vägytan samt föreslå förbättringar Föreslå nya mått för att beskriva och analysera sprickor på asfaltvägar I studien beskrevs och utvärderades metoder för sprickmätning och sprickanalys både på ytan och inuti asfaltbeläggningar. Vid studier av sprickor inuti asfaltbeläggningen användes provkroppar medan sprickor på vägytan studerades på befintliga vägar i drift. I utvärderingen diskuterades metodernas praktiska tillämpning såväl som möjliga förbättringar. Resultaten visade påverkan av belysning, textur, väder och vald metod. Sprickutveckling från en fyra år lång fältstudie och nya sprickmått som kan användas i Pavement Management System (PMS) föreslogs och diskuterades. Tidigare forskning beskrevs i en litteraturstudie som i huvudsak begränsades till sprickor som förekommer i asfaltvägar i nordiskt klimat och som beror på tung trafikbelastning. Vidare beskrevs olika sprickstudier samt bildanalyseringsmetoder för att mäta och utvärdera sprickor ur fotografier och videofilm. Avhandlingen är en sammanläggningsavhandling som består av fem artiklar: I. Offrell, P., Harvey, J., Scheffy, C., "Crack geometry analysis in asphalt samples obtained from a Heavy Vehicle Simulator test site." 9 th International Conference on Asphalt Pavements ISAP Copenhagen August II. III. Offrell, P., Magnusson, R., "Computerised Tomography as a tool for crack analysis in asphalt layers." International Journal of Road Materials and Pavement Design - Volume 3 - Issue 1/2002, pp Offrell, P., Magnusson, R., "In situ photographic survey of crack propagation in flexible pavements." Submitted for publication in The International Journal of Pavement Engineering. IV. Offrell, P., Sjögren, L., "Validation of an Automatic Crack Data Collection System." Submitted for publication in ASCE J of Transportation Engineering. V. Offrell, P., Sjögren, L., "Repeatability in Crack Data Collection on Flexible Pavements A Comparison between Surveys using Video Cameras, Laser Cameras and a Simplified Manual Survey. " Submitted for publication in ASCE J of Transportation Engineering. Projektet finansierades av Vägverket via Centrum för forskning och utbildning i drift och underhåll av infrastruktur (CDU). En del av studien (Artikel I) utfördes i samarbete med University of California at Berkeley, USA (US Berkeley). Denna sammanfattning är uppdelad i tre huvuddelar som var och en beskriver en metod för sprickanalys, erhållna resultat från studier av metoden samt möjlig implementering av metoden. De tre delarna behandlar sprickanalyser inuti en beläggning, sprickutveckling i vägytan och metod för automatisk sprickdatainsamling.

4 Sida 4 (17) 2 Sprickanalyser inuti asfaltbeläggningen (Artikel I, II) 2.1 Metoder I en förstudie provades sågning av asfaltprovkroppar för att detektera sprickor på olika djup i en asfaltbeläggning (Artikel I). Det huvudsakliga syftet var att utveckla och utvärdera en metod för sprickanalys inuti asfaltlager samt att studera vertikal sprickpropagering i asfaltprovkroppar vid accelererad nedbrytning. En förbättrad metodik för markering av sprickor och insamling av sprickdata utvecklades i projektet. De rektangulära provkropparna, som bestod av tre asfaltlager, sågades ut ur en vägkonstruktion som belastats med en Heavy Vehicle Simulator (HVS). Provkropparna delades för hand där bindningarna mellan två asfaltlager var lösa och sågades isär där bindningarna var hårda. Vidare var avsikten att skiva upp provkropparna i skivor parallella med ytan så att sprickor på olika djup skulle kunna detekteras. Alla sprickor detekterades och markerades manuellt. De bredaste sprickorna var endast 0.2 mm varför förstoringsglas måste användas. I den nya metoden ingick markering av sprickorna med fluorescerande färg och efterföljande fotografering av ytan i UV-ljus för att öka kontrasten och därmed förenkla analysen av sprickdata. Sågningen visade sig förstöra alla spår av sprickor. Därför söktes en ickeförstörande provningsmetod. Datortomografi (Artikel II) har tidigare använts för att t.ex. studera luftporers geometri och fördelning i asfaltprovkroppar samt stenmaterialets strukturförändring vid packning och belastning. Inga tidigare försök att analysera sprickor i asfalt kunde dock återfinnas i litteraturen. I datortomografistudien undersöktes provkroppar från en vägsektion i fält. Vägsektionen ingår i den svenska långtidsstudien av nedbrytning av vägkonstruktioner och har omfattats av årliga manuella sprickbesiktningar sedan Provkropparna utgjordes av cylindriska borrkärnor och togs i eller i nära anslutning till hjulspår från tung trafik. De valdes utifrån synliga sprickor i vägytan för att garanterat innehålla minst en spricka. De flesta sprickorna var mycket tunna eftersom det visade sig att provkroppar med bredare sprickor föll sönder. Sjutton provkroppar bestående av tre asfaltlager undersöktes med datortomografi (Figur 1). Figur 1 Provkropparna bestod av tre asfaltlager. Observera att asfaltytan är nederst. Utrustningen som användes var en mikrotomograf placerad på Linköpings Tekniska Högskola. Provkroppen placerades mellan en röntgenkälla och en detektor. Detektorn mätte hur mycket av röntgenenergin som absorberades av den del av provkroppen som belyses (Figur 2). Ett röntgenspektrum fick genomlysa varje provkropp från 1000 olika vinklar över halva provkroppens omkrets och den linjära attenuationskoefficienten mättes. Luft, sten och bitumen släpper igenom olika mycket energi och kontrasterna kunde ytterligare Figur 2 En principskiss av datortomografiutrustningen. ökas genom olika filter som placerades mellan röntgenkällan och provkroppen. I varje test kunde högst 2,5 cm av provkroppshöjden genomlysas i tio olika tvärsnitt. Borrkärnan flyttades därefter i höjdled och en ny provning startades till dess att hela den önskade provkroppshöjden hade undersökts.

5 Sida 5 (17) De erhållna resultaten bildade en matris av värden. Ett rekonstruktionsprogram transformerade de detekterade värdena på attenuationskoefficienten till bilder av inre plan i asfaltprovkroppen. Bildernas kontrast förbättrades med hjälp av bildanalys och därefter kunde inre sprickytor visualiseras och vidare analyseras (Figur 3). I bilden syns tydligt skillnaden mellan sten, bitumen och luft. Sprickbilden från varje tvärsnittsyta analyserades och jämfördes med övriga ytor. 2.2 Resultat Avbilderna från inre plan i provkroppen visar att sprickorna återfinns i bituminet längs kanterna på stenarna (Figur 3). Provkropparna uppvisar olika sprickmönster; några sprickor är synliga i samtliga tvärsnittsytor från en asfaltprovkropp medan i andra provkroppar syns sprickorna endast i ett fåtal av tvärsnittsytorna. Resultaten kan delas in i fyra huvudkategorier baserade på huruvida sprickor är synliga i samtliga tvärsnitt eller i vissa av tvärsnitten, och huruvida det är en och samma spricka som återfinns i de olika tvärsnitten: 1. Spricka synlig endast i ytan 29 % 2. Spricka synlig i ytan och på olika djup men ej på alla djup 12 % 3. Spricka synlig i ytan och i samtliga tvärsnitt i hela provkroppen 24 % 4. Olika sprickor synliga i ytan och på olika djup i provkroppen 35 % Borrkärnornas läge i förhållande till hjulspårsområdena uppmättes med hjälp av en profilmätare (Primalen). Ingen korrelation kunde påvisas mellan de olika kategorierna och provkroppens placering relativt hjulspårsområdet. Emellertid återfanns provkroppar i kategori 3 endast innanför hjulspårsområdet. Provkroppar i de övriga grupperna återfanns både i och utanför hjulspårsområdet. Inga sprickor återfanns i det gamla slitlagret utom i provkroppar i grupp 3. Det finns två möjliga förklaringar till varför det inte fanns några sprickor i det lagret; det finns en spricka som är för tunn för att den ska synas i datortomografibilderna eller det finns ingen spricka. Figur 4 visar fördelningen av tvärsnittsytor över en provkropp från kategori 3. Snitt 1-12 återfinns i det nya slitlagret, i det gamla och snitt i det bundna bärlagret. Sprickmönstret genererat från de uppmätta värdena på attenuationskoefficienten från olika höjder på provkroppen visas i Figur 5. Vissa sprickmönster kunde tydligt urskiljas medan andra krävde att kontrasten i bilden förbättrades med bildanalys. Detta beror på fel i gränsytorna uppkomna på grund av att röntgenstrålens form. Bäst resultat återfinns i mitten av röntgenspektrat. Ett återkommande mönster kan anas trots att sprickorna verkar befinna sig över större delen av ytan. Figur 3 En genererad bild av ett inre plan i en borrkärna. Figur 4 Fördelning av belysta tvärsnitt över en provkropp från kategori 3. För att illustrera dessa mönster tydligare delades tvärsnittsbilderna upp i olika grupper från närbelägna djup. Då visar sig tydliga mönster (Figur 6). En och samma spricka återfinns i alla tvärsektioner. Sprickan förgrenas i närheten av asfaltprovkroppens underkant, i tvärsnitt 34. Detta kan möjligen bero på att materialet i det undre asfaltlagret, som består av bundet bärlager (AG), är mindre sammanhållande.

6 Sida 6 (17) Figur 5 Sprickor från olika tvärsnitt i en asfaltprovkropp Figur 6 Sprickmönster från tvärsnitt i grupper från närbelägna djup. 2.3 Diskussion Datortomografimetoden visade sig mycket lämplig för att analysera inre sprickstrukturer i asfaltprovkroppar. Det är en oförstörande metod vilket innebär att tomograferade provkroppar kan användas i andra laboratorieförsök. Metoden begränsas idag av vald tomografiutrustning, t.ex. är mekaniken i den använda utrustningen begränsad till att hantera en provkropp på maximalt 2 kg. Den minsta spricka som kan upptäckas beror av detektorns känslighet och röntgenkällans styrka. Det beror också av var provet placeras i förhållande till detektorn. Med den provkroppsdiameter som användes i testerna, 100 mm, är utrustningen begränsad till att fånga sprickor med en bredd lika med 0,2 mm eller större. Sprickorna i provkropparna från vägsektionen i fält var alla bredare än 0,2 mm i ytan. Det är dock möjligt att de är smalare längre ner i beläggningen och att de då inte syns i tvärsnittsbilderna. Figur 7 Provkroppens placering i förhållande till röntgenkälla och detektor avgör hur stor yta som kan belysas. Noggrannheten kan förmodligen ökas genom att använda en kraftfullare tomografiutrustning. En annan möjlighet att öka upplösningen är att minska provkroppsdiametern eller att endast undersöka en del av provkroppen (Figur 7). Testerna är tidskrävande. Att genomlysa en provkropp, från 1000 vinklar, på tre olika höjdpositioner, tar minst ett dygn och då täcker tvärsnittsytorna endast maximalt 75 mm av provkroppshöjden.

7 Sida 7 (17) 2.4 Slutsatser Datortomografi är en metod som gör det möjligt att analysera inre sprickstrukturer i asfaltprovkroppar. Det är en oförstörande metod vilket innebär att provkropparna kan återanvändas i andra laboratorieförsök. Testerna är dock mycket tidskrävande. Med den provkroppsdiameter som användes i testerna, (100 mm), är den aktuella utrustningen begränsad till att fånga sprickor med en bredd lika med 0,2 mm eller större. Sprickorna i provkropparna från vägsektionen i fält var alla bredare än 0,2 mm i ytan. Det är dock möjligt att de är smalare längre ner i beläggningen och att de då inte syns i tvärsnittsbilderna. Studier av sprickmönster visar att sprickorna normalt finns längs med stenarna snarare än genom stenarna. Sprickmönstren är mycket lika på olika höjder i asfaltprovkroppen. I en del fall förgrenar sig sprickorna då de närmar sig bärlagrets underkant. Förmodligen beror detta på bärlagrets lägre hållfasthet. I fem av de sjutton undersökta provkropparna återfinns sprickor endast i ytan. Dessa sprickor antas därför ha initierats i ytan. I åtta av provkropparna finns sprickor synliga på olika djup men ej i det gamla slitlagret. Det är därför mycket som talar för att sprickorna i det nya slitlagret har initierats i ytan. Det kan dock inte uteslutas att en mycket tunn spricka, mindre än 0,2 mm, förenar sprickorna i ytan med dem återfunna i det bundna bärlagret. 2.5 Framtida forskning och arbete Studierna som beskrivits i denna artikel är utförda på ett begränsat antal provkroppar och innehåller mycket tunna sprickor. För att vidare utvärdera användbarheten av datortomografi för vertikal sprickanalys bör ett större antal provkroppar undersökas. Det bör undersökas om detekterbarheten av smala sprickor kan ökas antingen genom att minska provkroppsdiametern eller genom att endast undersöka en del av provkroppen. En annan möjlighet är att använda en datortomografiutrustning med högre upplösning. Provkroppar som utsatts för varierande antal belastningscykler kan också undersökas med datortomografi. Det är dessutom viktigt att undersöka betydelsen av mycket tunna sprickor för vägens nedbrytning och var på djupet sprickor initieras. 2.6 Implementering Datortomografi skulle kunna komplettera idag använda laboratorieundersökningsmetoder och därmed ge ökad kunskap om vad som sker inuti asfaltprovkroppen både för forskningsändamål och vid produktionsoch funktionsuppföljning. Metodens enda begränsning är egentligen provkropparnas storlek och eftersom denna begränsning är mekanisk betingad bör den kunna lösas tämligen enkelt. 3 Studie av sprickutveckling på vägytan (Artikel III) Syftet med studien var att utveckla en fältmetod för att analysera sprickutveckling av fina sprickor på vägytan på trafikerade vägar. 3.1 Utrustning och metod En ny metod för sprickdatainsamling utvecklades i studien. Eftersom trafikerade vägar användes kunde inte ljusförhållandena kontrolleras med hjälp av artificiell belysning. Yttre ljus måste därför skärmas av. Metoden bestod av en hopfällbar tältkonstruktion som skärmade av omgivande ljus. Den fotograferade ytan var 1.0 x 0.7 meter. En digital kamera med en upplösning av 1280 x 960 pixlar användes, vilket resulterade i en upplösning på mindre än 1 millimeter per bildelement. I varje hörna fanns en delbar stolpe som sträckte ut tältduken och som höll kameran på plats. En blixt användes för att tillföra kontrollerad belysning från en konstant vinkel. Figur 8 visar utrustningen. Hjul monterades på två av sidorna och utrustningen kompletterades med handtag för att underlätta förflyttningen mellan olika ytor. Ytornas läge markerades med bultar i asfalten och på utrustningen fanns metallringar monterade för att återfinna önskad position, dvs. bultarna, på vägytan.

8 Sida 8 (17) Två serier med foto togs på de valda ytorna; den första på ytan i befintligt skick och den andra efter att de urskiljbara sprickorna markerats med en krita. Ytorna fotograferades årligen under en fyra år lång försöksperiod. En modifierad version av ett Kamera bildanalysprogram som har utvecklats vid Högskolan Dalarna användes för att Fotograferad yta Figur 8 En tältkonstruktion användes för att skärma av omgivande ljus. extrahera sprickinformationen från bilderna. Med den upplösning som fanns på digitalkamerorna i början av studien visade det sig vara omöjligt att extrahera sprickor från de befintliga ytorna utan att sprickorna markerats. Därför användes bara de bilder där sprickorna markerats innan fotografering i denna studie. Sprickorna markerades med en vit krita och är därmed vita i bilderna. Ett antal automatiska bildanalysprocesser applicerades på bilderna för att förbättra kontrasten mellan spricka och bakgrund och för att ta bort brus och störningar i bilden. För att urskilja sprickorna från asfaltbakgrunden användes en fördefinierad sekvens av bildanalysalgoritmer, programmerade i ett bildanalysprogram: DIP. Algoritmerna optimerades för några av bilderna på objekt Målilla. Samma sekvens användes på samtliga bilder för att möjliggöra jämförelser mellan bilder från en och samma yta vid olika mättillfällen. När bilderna hade förbättrats beräknades kvoten mellan vita sprickpixlar och svarta asfalt-pixlar. Kvoten fick representera hur mycket av ytan som bestod av spricksegment. Sprickpropageringen definierades som ökningen i kvoten mellan vita och svarta pixlar mellan olika mätningar. Emellertid bestod de vita pixlarna i bilden inte bara av spricksegment utan även av brus som inte eliminerats i bildanalysprocessen. Dessutom var det sannolikt att några spricksegment missades och att spricklängden minskades något i bildanalysprocessen. Det var omöjligt att helt undvika detta, men processen valdes så att förlusterna skulle minimeras. I några bilder spårades och markerades sprickorna manuellt för att kontrollera dels valt mått och dels vald bildanalysprocess. Dessa bilder bestod därefter av enbart bakgrund och spricka utan brus. Dessa bilder kördes därefter genom samma process som de vanliga bilderna för att få fram kvoten mellan vita och svarta pixlar. Resultatet från kontrollbilderna jämfördes med de automatiskt behandlade bilderna. Den manuella bildbehandlingen var mycket tidskrävande och utfördes därför endast på ett fåtal bilder. Vi den manuella behandlingen krävdes vissa subjektiva beslut som också påverkar resultaten. 3.2 Provvägar och provningsprogram Alla sprickstudier i projektet utfördes på trafikerade vägar. Fem vägarsträckor valdes från de vägsträckor som ingår i den svenska långtidsstudien (LTPP). Vägarna har medelhög trafik och visade viss sprickbildning redan i starten av projektet. Provningsprogrammet omfattade årliga inspektioner med fotografering av utvalda ytor. Varje år, i slutet av maj eller början av juni, fotograferades exakt samma ytor och jämfördes med sprickbilderna från föregående år. Ett undantag gjordes med en mätning i april eftersom vägen skulle läggas om. Ett år gjordes extra mätningar i september för att undersöka inverkan på spricklängd av mätningar vid olika klimat och olika tidpunkter på året samt för att undersöka om sprickläkning förekom under sommaren. Vid det tillfället återstod endast två av de fem provsträckorna, Målilla och Skeda Udde. Övriga tre hade fått ny beläggning under testperioden.

9 Sida 9 (17) 3.3 Resultat och diskussion Intentionen var att använda foton utan att sprickor markerades. Vid de första mätningarna fotograferades markerade sprickor enbart för referensbilder och för att det fanns misstankar om att det kunde finnas svårigheter att extrahera sprickdata från omarkerade bilder. En av nackdelarna med att använda en vit krita är att den vita färgen ibland är svår att urskilja från en asfaltyta med stor färgvariation och många ljusa stenar. Det är tänkbart att en krita med en färg som inte återfinns i asfaltytor kunde gett ett bättre resultat. Ett skifte av färg under studien skulle emellertid ha ändrat förutsättningarna och resulterat i att bilder från olika tidpunkter ej kunnat jämföras. Andra nackdelar med att markera sprickorna är inslaget av subjektivitet (personlig uppfattning), väderleksförhållanden och, ljusförhållanden. Ett starkt solljus från rätt vinkel kan kraftigt öka sprickornas synbarhet och förenkla detekterings- och markeringsprocessen, medan framförallt fina sprickor kan vara svåra att detektera en molnig dag. Det stora antalet bilder gjorde det nödvändigt att välja en sprickparameter som kunde beräknas automatiskt. Två olika parametrar undersöktes. Först undersöktes möjligheten att mäta spricklängd. Detta visade sig vara både komplicerat och tidskrävande då vissa av sprickbilderna innehöll många små spricksegment. Den andra parametern som undersöktes var andel sprucken yta, definierad som andelen vita pixlar dividerat med det totala antalet pixlar i ytan. Denna parameter kunde enkelt beräknas med automatik. Båda parametrarna påverkades av brus och oregistrerade spricksegment, men vid den manuella beräkningen av spricklängd kunde förmodligen mer brus ha tagits bort. Andel sprucken yta valdes dock p.g.a. det stora antalet bilder. Ökningen i andel sprucken yta beräknades för varje enskild yta och därefter beräknades medelvärdet av intilliggande ytor. Figur 9 visar ökningen i andel sprucken yta (relativt andelen sprucken yta vid studiens start 1998) för mätningar utförda under våren på två olika vägobjekt. Increase in cracked area [%] Mean value for different measurement points at Målilla 50% 40% 30% 20% 10% 0% % % Year when measurements were performed Increase in cracked area [%] Mean value for different measurement points at Skeda Udde 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% -10% % Year when measurements were performed Figur 9 Ökning i andel sprucken yta i procent för mätningar utförda på våren på vägobjekt Målilla (till vänster) och Skeda Udde (till höger). Båda vägobjekten uppvisade en stor minskning i sprucken yta år Samma minskning visar sig i nästan alla ytor. Möjliga förklaringar skulle kunna vara olika fältassistenter som hjälpte till att markera sprickor, olika väderleksförhållanden, läkning eller problem med utrustningen. De manuella kontrollbilderna visade att sprickbildningen faktiskt var mindre i bilderna från maj Den mest troliga förklaringen borde därför vara att vissa av sprickorna läkt ihop efter en speciellt varm sommar år 2000, men temperaturmätningar från SMHI bekräftar inte denna hypotes. I kontrollbilderna fanns inget brus varför variationen i sprucken yta var mindre än mellan bilder som analyserats helt automatiskt. Figur 10 visar exempel från automatiskt analyserade bilder jämfört med motsvarande manuellt analyserade bilder. I båda bildserierna kunde samma sprickmönster urskiljas, men de bilder som analyserades automatiskt innehöll väsentliga mängder brus.

10 Sida 10 (17) Figur 10 Bilder från samma yta i Målilla efter helt automatisk analys (vänster) respektive manuell analys. Färgerna är inverterade av trycktekniska skäl och sprickorna är därför svarta. Sprickutvecklingen i Målilla var relativt likformig medan, i Skeda Udde, varierade sprickutvecklingen på olika ytor längs vägobjektet. En förklaring kan vara att den automatiska analysen optimerades för bilder från det mera spruckna vägobjektet i Målilla. Det innebar troligtvis att bruset i bilderna hade en högre inverkan på resultaten från Skeda Udde som hade en generellt lägre sprucken yta. När sprickorna var färre, med färre vita markeringar i ytan, bestod resultatet av en större andel brus. Observationer gjorda av VTI bekräftar att sprickutvecklingen vid Målilla hade varit väsentligt högre än vid Skeda Udde. Extra mätningar utfördes i september 2001 för att undersöka om sprickorna läkts p.g.a. den oväntade minskningen i sprucken yta under våren. Det är svårt att dra några slutsatser från resultaten. Vissa ytor visade en minskning av sprucken yta mellan vår och höstmätningar 2001 medan de flesta ytorna påvisade en ökning. Generellt fanns det en liten ökning i sprucken yta mellan höstmätningarna och vårmätningarna efterföljande år. Eftersom använd utrustning inte möjliggjorde att bilder utan sprickmarkeringar analyserades blev datainsamlingen både tidskrävande och subjektiv. Endast en person krävdes för att hantera utrustningen, men för att justera in utrustningen i rätt position på asfaltytan och för att utföra mätningarna någorlunda effektivt krävdes två personer vid mätningarna. Utrustningen var enkel att vika ihop och transportera. Det största problemet med fältstudier över en lång tidsperiod är att teststräckorna riskerar att förses med ny beläggning. Det uppstår också ofta andra mindre problem. Även om dessa kan lösas under testperioden är det ofta nödvändigt att fortsätta med den testuppställning som användes vid första mättillfället för att resultat från olika tidpunkter ska vara jämförbara. Detta medför att nyutvecklad teknik inte alltid kan utnyttjas. Till exempel har utvecklingen av digitalkameraupplösning varit mycket snabb (ca 1 miljon pixlar per år) under de senaste åren. Inom en snar framtid borde bilder med omarkerade sprickor vara detekterbara, åtminstone då ytans textur och belysning är gynnsam, d.v.s. homogen färg och belysning från en lämplig vinkel. Ett av syftena med fältstudien var att utveckla sprickutvecklingsmodeller. Med anledning av underhållsåtgärder fanns endast två av de fem utvalda sträckorna kvar vid testperiodens slut. Testperioden verkade också vara allt för kort för upprättandet av modeller. Det avvikande resultatet från 2001 års

11 Sida 11 (17) mätningar influerade kraftigt på utfallet i utförda analyser. Då materialet endast innehöll mätningar från 5 år är mätningarnas omfattning begränsad och mätningar från ett år kan inte åsidosättas. 3.4 Slutsatser Några av de valda sträckorna hade en mycket grov beläggning vilket försvårade detektering, märkning och dataextraktion. Med den aktuella utrustningen kunde hårfina sprickor endast detekteras om dessa markerats i bilderna. Markering av sprickor med en vit krita och fotografering utan blixt hade väsentligt ökat kontrasten mellan sprickor och bakgrund och förenklat analysen. På grund av det stora antalet bilder måste analysen automatiseras. Den valda fördefinierade sekvensen av bildanalysalgoritmer visade sig vara mera lämplig på bilder från vägobjekt med större andel spricksegment. Analysen borde därför ha optimerats för varje enskild vägobjekt. Den valda sprickparametern (sprucken yta) kunde beskriva sprickutvecklingen på ytor med sprickor bestående av många olika spricksegment, d.v.s. förgrenade sprickor. På ytor med färre sprickor skulle förmodligen en annan sprickparameter, t.ex. spricklängd, beskriva sprickutvecklingen bättre. Spricklängd kunde dock inte beräknas automatiskt med det valda analysprogrammet. Sprickutvecklingen från automatiska beräkningar stämde väl överens med manuellt beräknad sprickutveckling men hade större variation. Mellan maj 2000 och maj 2001 återfanns en kraftigt minskad sprickutveckling på nästan alla ytor. Denna skulle kunna bero på sprickläkning, men även till viss del på metod och utrustning liksom väderleksförhållanden. Sprickutvecklingshastigheten varierade väsentligt mellan olika år. Längre testperiod än fem år behövs förmodligen för att utveckla sprickpropageringsmodeller. 3.5 Implementering Metoden är främst lämplig för forskningsändamål och skulle kunna användas för att följa enskilda ytor under en längre tid med syfte att visa sprickutveckling. Metoden skulle också kunna användas t.ex. på flygfält där olika ytor fotograferas för att visa nedbrytningen av ytan och risk för stensläpp. Vid ett sådant användande rekommenderas att en kamera med högre upplösning används och att markerade sprickor fotograferas utan blixt. 4 Utvärdering av en snabb automatisk metod för sprickdatainsamling på vägytan (Artikel IV, V) 4.1 Metod och utrustning Sprickdatainsamling med video I studien utvärderades ett system för automatisk sprickdatainsamling, PAVUE, som består av ett bildinsamlingsfordon samt en analysstation för bearbetning av videobilderna. Vägytan filmas med analoga videokameror och sparas på videokasettband med hjälp av fyra videobandspelare (VCR) med ca 2.2 mm upplösning. Videobilderna bearbetas i analysstationen för att generera sprickdata, vilket i sin tur presenteras på sprickkartor i form av koordinatbestämda polygoner. Från dessa polygoner kan de olika spricksegmentens egenskaper såsom t.ex. längd, riktning etc. beräknas och sparas. De fyra kamerorna täcker 3.2 meters vägbredd och 1.0 meters väglängd Figur 11. Figur 11 PAVUE sprickdatainsamlingsutrustning

12 Sida 12 (17) Datainsamling kan ske i normal trafikhastighet upp till 90 km/h. En speciellt tillverkad blixtljusbalk möjliggör mätning i varierande ljusförhållanden. Vid efterbearbetningen av videobilderna tas icke-spruckna områden (s.k. brus) bort. Olika typer av inställningar kan användas för olika typer av analyser beroende av vägytans textur och färg och sprickornas storlek. Varje analystyp motsvarar en viss precision och bör väljas med omsorg för att få med så många sprickor och så lite brus som möjligt. I valideringen av PAVUE (Artikel IV) provades två olika parameterinställningar medan i repeterbarhetsstudien (Artikel V) användes en inställning som höll brusnivån låg. Därmed förlorades viss del av sprickinformationen från fina sprickor. Vid utvärderingen av validitet och repeterbarhet (Artikel IV) gjordes både visuella och kvantitativa jämförelser mellan PAVUE och två referensmetoder. De kvantitativa jämförelserna gjordes genom att vägen delades in i fem zoner tvärs vägen varefter antalet spruckna 1-meterssektioner längs vägen beräknades. I den andra studien av repeterbarhet (Artikel V) beräknades spricklängd och antalet spruckna 1-meterssektioner längs vägen utan att den delades in i zoner. Parametrarna ackumulerades över rapportintervallet 100 meter och korrelationen beräknades med linjär regressionsanalys. 4.2 Referensmetoder Traditionell manuell okulärbesiktning Den första jämförelsen gjordes mot traditionell manuell okulärbesiktning. En person promenerade längs vägen samtidigt som längdpositionen mättes med mäthjul. Spricktyp, svårighetsgrad och position tvärs vägen noterades i ett protokoll Harpan En mera detaljerad manuell sprickbesiktning gjordes på 20 meter av väglängden. Ett nät Harpan bestående av rutor (233 x 250 mm) placerades över vägen och de sprickor som upptäcktes skissades in i ett protokoll med motsvarande rutnät. Därefter flyttades nätet framåt till dess att 20 meter hade mätts. Harpan är en subjektiv metod men eftersom den utförs på en begränsad yta kan den ändå räknas som mycket detaljerad och noggrann jämfört med traditionell okulärbesiktning. Metoden är dock mycket långsam och kan därför endast användas på korta sträckor Sprickdatainsamling med laserbaserad mätteknik Sex laserkameror monterade på PAVUE användes för att med hjälp av avståndsmätning registrera sprickor baserat på LaserRST-teknik. En spricka definierades som en hastig ökning av uppmätt avstånd till vägytan. Två olika parametrar, djup och utbredning (längs vägen), registrerades i totalt 256 kategorier. Laserkamerorna var monterade i 6 positioner tvärs vägen. Varje laserkamera mätte 0.5 mm bredd, kontinuerligt längs vägen. Det innebar att endast en liten del av vägytan mättes och att en längsgående spricka som återfanns mellan två laserkameror inte registrerades. Resultaten presenterades som antalet sprickregistreringar i varje kategori ackumulerad över 100-meters rapportintervall och korrelationen bestämdes med linjär regressionsanalys Sprickdatainsamling med förenklad okulärbesiktning Den förenklade okulärbesiktningen utfördes samtidigt med video och lasermätningarna av en medföljande passagerare. När passageraren såg en spricka genom framrutan tryckte han/hon ner en knapp och när inga sprickor längre var synliga släpptes knappen. Resultaten registrerades som antalet markerade 1- meterssektioner, vilka sedan även ackumulerades till 100meters-värden. Tre olika inventerare användes vid besiktningarna. Korrelationen mellan olika besiktningar med en och samma person såväl som mellan de tre olika inventerarna beräknades med linjär regressionsanalys.

13 Sida 13 (17) 4.3 Provvägar och provningsprogram Alla sprickstudier i projektet utfördes på trafikerade vägar Provväg i validitetsstudien (Artikel IV) Två vägarsträckor valdes från typiska svenska vägkonstruktioner med asfaltbetongbeläggning. De två vägarna hade en maximal stenstorlek på 12 respektive 16 mm och olika yttexturer. Ytan på vägsektionen i Skeda Udde bestod av många ljusa stenar, vilket resulterade i en icke homogen bakgrundsyta. Detta försvårade analysen av de insamlade videobilderna eftersom sprickor definieras som kanten mellan ljust och mörkt i bilden. Yttexturen på vägobjektet på Lambohovsleden var mera homogen. Alla sektioner kontrollerades med okulärbesiktning samt mättes med automatisk sprickdatainsamling med PAVUE. På 20 meter av ett av vägobjekten gjordes en detaljerad okulärbesiktning med Harpan Provväg i repeterbarhetsstudien (Artikel V) En 10 km lång vägsträcka belägen mellan Björnlunda och Stjärnhov valdes ut p.g.a. sitt varierande sprickinnehåll. Vägsträckan varierade också i hastighet och bredd och var relativt kurvig och backig vilket ytterligare ökade svårigheten att mäta. Vägsträckan mättes 10 gånger i båda riktningarna. Alla tre sprickmätningsmetoderna, laserbalk, förenklad okulär besiktning och PAVUE, utfördes samtidigt. Samma person körde vid alla tillfällen medan 3 olika personer utförde den förenklade okulärbesiktningen. 4.4 Resultat Brus från textur och ojämn belysning I den första studien (Artikel IV) upptäcktes att kamerorna var bristfälligt ljuskalibrerade. Skillnaden i ljussättning gjorde att det uppstod en förhöjd brusmängd i skarven mellan kameror och mellan kamerapar. Denna förhöjda brusmängd försvann nästan helt efter att en ny ljuskalibreringsmetod hade utvecklats (Artikel V). I den andra studien var en av orsakerna till brus att körbanan var mycket smal på delar av vägsträckan. I dessa delar fanns vägmarkeringar med i bilderna och eftersom dessa markeringar var gamla och slitna uppfattades de i några fall som spricksegment. Därför användes bara 2.4 m i mitten av vägen Validitet (Artikel IV) En visuell jämförelse mellan de tre metoderna, okulärbesiktning, PAVUE och Harpan, visas i Figur 12. Sprickorna är markerade med gult för att förhöja synbarheten. Sprickkartorna visar att i princip samma sprickor detekteras även om de uppfattas som kontinuerliga sprickor i de manuella metoderna och som spricksegment i den automatiska metoden. Den kvantitativa korrelationen mellan den automatiska metoden och den traditionella okulärbesiktningen var som förväntat dålig. Detta beror sannolikt på det olika sätten att detektera, beskriva och beräkna sprickor med de två metoderna. Metoderna har också olika mätnoggrannhet.

14 Sida 14 (17) Okulärbesiktning PAVUE rep 1 PAVUE rep 2 PAVUE rep 3 PAVUE rep 4 HARPAN Figur 12 Jämförelse mellan sprickkartor från traditionell okulärbesiktning, 4 repetitioner med PAVUE och Harpan på vägsträcka i Skeda Udde Repeterbarhet (Artikel IV, V) Visuell jämförelse (Artikel IV) mellan sprickkartor från upprepade mätningar med den automatiska metoden visade god repeterbarhet. Även vid kvantitativ jämförelse av repeterbarheten erhölls goda resultat. Jämförelserna gjordes över 20- respektive 100-meters sektioner. Resultaten från den första studien indikerade således att PAVUE kunde användas för snabb automatisk sprickdata insamling. Dock var antalet sträckor i den första studien lite för få för att några signifikanta slutsatser skulle kunna dras. I en ny studie jämfördes repeterbarheten hos PAVUE med repeterbarheten hos 2 andra metoder: förenklad okulärbesiktning och sprickdataregistrering med laserteknik (Artikel V). Repeterbarheten för videometoden visas i Figur 13. I den vänstra figuren definieras sprickor som ackumulerad längd och i den högra som antalet spruckna 1-meters sträckor. Samtliga staplar avser mätningar längs hela provsträckan (10330 meter). Repeterbarheten är bäst för de första 5 mätningarna. Vid visuell betraktelse av sprickkartorna upptäcktes en lätt förhöjd brusnivå inom ett område på videobanden från de sista fem mätningarna. Accumulated crack length of entire section Number of cracked sections over entire road object from PAVUE Accumulated crack length [m] No. of cracked sections Run no Run no. Figur 13 Repeterbarhet för ackumulerad spricklängd respektive antal spruckna sektioner över hela sträckan mellan Björnlunda och Stjärnhov.

15 Sida 15 (17) I Tabell 1 visas medelvärden, standardavvikelser och varians från de olika metoderna. Tabell 1 Jämförelse av repeterbarhet för tio mätningar mellan tre olika sprickdatainsamlingsmetoder. Metod Sprickparameter Medelvärde Standard-avvikelse Variationskoefficienten PAVUE Spricklängd PAVUE Antal spruckna sektioner Laser Antal sprickregistreringar Manuell Antal spruckna sektioner Därefter delades vägen in i 100-meterssektioner och ackumulerad spricklängd samt antalet spruckna 1- meters sektioner beräknades. Korrelationskoefficienten (R) mellan två upprepade mätningar beräknades med linjär regressionsanalys och är generellt hög. Även beräknat över 20-meterssektioner är korrelationskoefficienten hög. Korrelationen för samtliga metoder beräknat över 100-meterssektioner visas i Tabell 2. Båda automatiska metoderna har hög korrelation medan den manuella metoden har mycket låg korrelation. Korrelationen är även låg mellan två upprepade mätningar med samma person. Tabell 2 Jämförelse av korrelationskoefficienten mellan de tre metoderna för 10 repeterade mätningar. Metod Sprickparameter R medel R min R max PAVUE Spricklängd PAVUE Antal spruckna sektioner Laser Antal sprickregistreringar Manuell Antal spruckna sektioner Sprickmått (Artikel V) Ofta styrs valet av mått av begränsningar hos metoden för sprickdata-insamling. Genom övergång från manuella till automatiska metoder öppnar sig möjligheten att använda en stor mängd nya mått. Möjligheten att använda de traditionella sätten att beskriva sprickor med gradering av svårighetsgrad kan dock till viss del försvåras eftersom det bygger på subjektiva bedömningar. Utbredning, position tvärs och längs vägen, och även klassificering baserad på form, riktning och placering kan dock fortfarande göras genom att regler och gränser definieras. Det är viktigt att ifrågasätta om traditionella mått bör användas. Kan de traditionella måtten beskriva vägens status och kan de användas för att prediktera framtida nedbrytningshastighet och vara en grund till beslut om val av lämplig underhållsåtgärd? De nya automatiska metoderna skulle kunna visa sig ge mer lämpliga sprickmått. Sådana mått skulle kunna vara: Procent sprucken yta. Spricklängd (utan hänsyn till svårighetsgrad och spricktyp). Ackumulerad sprickutbredning längs och tvärs vägen. Form och riktning. Position.

16 Sida 16 (17) Olika mått skulle kunna användas för olika ändamål, t.ex. för prediktering av sprickutveckling eller som underlag för underhållsplanering. Automatisk sprickinsamling resulterar normalt i en sprickbild där enskilda sprickor består av många kortare spricksegment. De enskilda sprickornas längd kan adderas för jämförelse med t.ex. manuellt insamlade spricklängder eller för att beskriva vägens tillstånd. I denna studie ackumulerades spricklängder över 100-meterssektioner. Ytterligare ett sätt att beskriva vägens sprickighet är att klassa bitar av vägen i spruckna och ospruckna ytor. Ytan delas då in i ett antal lika långa sektioner. Dessa måste vara tillräckligt små för att inte alla sektionerna ska uppfattas som spruckna. I studien delades vägsträckan in i 1-meterssektioner. Genom att välja 1-meterssektioner kunde också jämförelser göras med manuell registrering av sprickor. Spruckna och ospruckna ytor ger lägre precision än ackumulerad spricklängd, men genom att dela in vägen i kortare sektioner kan noggrannheten i det första måttet ökas. Ytterligare uppdelning skulle kunna göras tvärs vägen, genom att dela in vägen i ett rutnät. Fördelar med den indelningen, förutom att noggrannheten ökas, är att detta mått ger information om sprickornas placering tvärs vägen, vilket i sin tur kan bidra till information om spricktyp och orsaken till sprickornas uppkomst. Vid beräkning av ett eventuellt sprickindex skulle sprickorna kunna få olika vikt beroende på om de finns i eller utanför hjulspårsområdet. Svårighetsgrader skulle kunna baseras på spridningen av de spruckna ytorna tvärs och längs vägen. En indelning av vägen i små ytor, t.ex. 20 x 20 cm, skulle också kunna bidra till att filtrera bort förekomster av brus på vägen. Detta görs enklast genom att man jämför varje ruta med de närliggande rutorna och om en enda ruta är sprucken kan den definieras som brus och filtreras bort medan om två eller flera intilliggande rutor är spruckna så behålls informationen. För produktionsmätningar på nätverksnivå är detta förmodligen ett lämpligt mått. 4.6 Slutsatser Visuell jämförelse visar god överensstämmelse mellan sprickkartor från upprepade mätningar med PAVUE. Även visuell jämförelse mellan sprickkartor från PAVUE och traditionell manuell besiktning visar god överensstämmelse? Några skillnader i resultaten finns men generellt registreras sprickor av de högre svårighetsgraderna med båda metoderna. Jämförelser mellan referensmetoden HARPAN, traditionell manuell besiktning och den automatiska metoden PAVUE visar att i princip samma sprickor upptäcks men att det finns vissa skillnader i presentationen av resultatet. Sprickorna på sprickkartorna från PAVUE består av flera kortare spricksegment som i viss utsträckning kan förbindas genom att ändra inställningarna i analysen. Detta skulle troligen innebära en ökad mängd brus i resultatet. Ett annat sätt är att använda klassificering baserad på avståndet mellan olika spricksegment i en efterbearbetning av data. Med den manuella metoden registreras sprickor endast i hela meter. Ackumulerad spricklängd och längsgående sprickutbredning från mätningar med PAVUE jämfördes med ackumulerad spricklängd av sprickor med svårighetsgrad 2 och 3 från manuell kartering med generellt dålig överensstämmelse. En möjlig förklaring kan vara att sätten att beräkna spricklängd är principiellt olika för de båda metoderna. Repeterbarheten hos de båda automatiska metoderna var mycket hög medan repeterbarheten för den förenklade manuella metoden var mycket låg. Användandet av manuella metoder måste därför ifrågasättas. De två automatiska metoderna mäter helt olika sprickparametrar. Grovtexturig yta visade sig vara ett problem vid detekteringen av sprickor med laserkameror, troligen med av en överregistrering av sprickor som följd. Repeterbarheten av spruckna sektioner från olika mätningar var god. Automatiska metoder öppnar möjligheten till att använda många nya sprickmått som kan användas i t.ex. PM-system. Sprucken yta och dess fördelning baserat på automatisk mätning med videokameror föreslås som lämpligt mått vid framtida mätningar och analyser av sprickor på vägnätsnivå.

17 Sida 17 (17) 4.7 Framtida forskning och arbete Automatiska sprickmätningar på vägytan kan redan idag göras både effektivt och med hög repeterbarhet med befintliga metoder. Fortsatta studier om lämpliga mått och deras användbarhet kan ytterligare öka nyttan med övergången till automatiska sprickmätningsmetoder. 4.8 Implementering Genom att implementera den automatiska metoden för sprickmätning på vägytan kan insamling av sprickdata utföras på vägnätsnivå i Sverige och övriga Norden. Detta innebär att befintliga Pavement Management System och vägdataregister kompletteras med sprickinformation för förbättrade analyser av vägnätets status och i förlängningen ett förbättrat beslutsunderlag för val av beläggningsåtgärder och underhållsintervall. En mera fullständig bild av vägens tillstånd erhålls därmed. 5 Referenser i urval Chong, G.J., Phang, W.A. and Wrong, G.A. (1989). "Manual for condition rating of flexible pavements: Distress manifestations." Ontario Ministry of Transportation Sp-024, Downsview, Ont. COST 324 (1997). "Long Term Performance of Road Pavements Final Report of the Action." European Commission Directorate General Transport. COST 325 (1997). "New Pavement Monitoring Equipment and Methods Final Report of the Action." European Commission Directorate General Transport. Daleiden, J.F., Simpson, A.L. (1994). "Evaluation of SHRP LTPP Distress Data Collection Procedures." Transport Research Board 73rd Annual Meeting, Paper No Göransson, N-G., Wågberg, L-G., (2002). "Long-term Pavement Performance (LTPP) Study of Swedish In-service Pavement Test Sections, status report " (In Swedish). VTI notat , Swedish Road and Transport Research Institute (VTI), Linköping. Jämsä, H. (2000). "Crack initiation models for flexible pavements." Ph. D thesis, Helsinki University of Technology, Civil and Environmental Engineering, Highway Engineering, TKK-R-A51, Helsingfors. PARIS (1999). "PARIS: Performance Analysis of Road Infrastructure." Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities. Rada, G. R., Bhandari, R. K., Elkins, G. E., and Bellinger, W. Y. (1997). "Assessment of LTPP Manual Distress Data Variability." Transport Research Board 76th Annual Meeting, Preprint No , Washington DC. SHRP, (1993). "Distress Identification Manual for the Long-Term Pavement Performance Project." SHRP- P-338. SHRP, Washington Shashidhar N., (1999) "X-ray tomography of asphalt concrete." Transportation Research Record No. 1681, pp Synolakis C.E., Leahy R.M., Singh M.B., Zhou Z., Song S.M., and Shannon D.S., (1993) "Development of an Asphalt core Tomographer." Strategic Highway Research Program, SHRP-A-656, National Council, Washington, D.C. Uhlmeyer, JS, Willoughby, K., Pierce, L.M., Mahoney, J.P. (2000). "Top-down Cracking in Washington State Asphalt Concrete Wearing Courses." Paper no for presentation at the 2000 TRB Annual Meeting. Wang, K.C.P. (1998). "Automated Systems for Pavement Surface Distress Survey: A Historical Perspective on Design and Implementation." Transport Research Board 77th Annual Meeting, Preprint. Wågberg, L-G. (2001). "Development of deterioration models Crack initiation and crack propagation." (In Swedish). VTI notat 916. Swedish Road and Transport Research Institute (VTI), Linköping.