VTI särtryck. Stenmaterialets betydelse för funktionen hos asfaltbeläggning - svenska förhållanden

Transkript

1 VTI särtryck Nr Stenmaterialets betydelse för funktionen hos asfaltbeläggning - svenska förhållanden Peet Höbeda Föredrag vid konferensen "Stein i vei arrangerad av Pukk og grusleverandorenes landsforening's Servicekontor och Asfaltindustriens laboratorium, Holmenkollen Park Hotel Rica, Oslo, 2 3 februari 1995 Väg- och transportlfarskningsinstitutet

2

3 VTI särtryck Nr Stenmaterialets betydelse för funktionen hos asfaltbeläggning - svenska förhållanden Peet Höbeda Föredrag vid konferensen Stein i vei arrangerad av Pukk og grusleverandorenes Iandsforening's Servicekontor och Asfaltindustriens laboratorium, Holmenkollen Park Hotel Rica, Oslo, 2 3 februari 1995 ISSN X Omslagsbild: VT/ db Väg-och transport- 'farskningsinstitutet

4 Samhall Klintland AB. Grafiska Linköping 1995

5 Stenmaterialets betydelse för funktionen hos asfaltbeläggning -svenska förhållanden. P.Höbeda 1. Inledning. En mycket omfattande litteratur föreligger om egenskaperna hos asfaltbetong och de inom beläggningstekniken utvecklade metoderna och erfarenheterna gäller också för detta material. Funktionen hos denna massatyp bestäms i hög grad av kohesionen, som beror på bruksegens kapema, men också av den inre friktionen, som beror på egenskaperna hos det packade stenskelettet.nya beläggningstyper som skelettasfalt och dränasfalt har dock till skillnad från asfaltbetong stenarna i direktkontakt efter vältningen och då får i stället friktionskrafterna mellan de grova stenarna störst betydelse. Tillsatsmedel av olika slag används i regel för att förhindra avrinning av varm bitumen från stenarna vid tillverkning, transport och utläggning, men också för att öka kohesionen i massan. Ökningen av bitumenhalt möjliggör även ökad beständighet. Detta är särskilt nödvändigt vid dränasfalt med högt hålrum och ringa specifik yta hos stenen, något som medför bitumenavrinning ovanför en viss halt. I det följande görs ett försök att beskriva stenmaterialets betydelse antingen på beläggningens funktion eller också på funktionsrelaterade testmetoder. Betydelsen av stenmaterial på slitstyrka är väl känd, kanske också på stabilitet, medan erfarenheterna från en del andra egenskaper är mer begränsade. Ibland kan det också finnas tveksamhet om laboratorieresultat verkligen representerar funktionen i praktiken. Testning av stenmaterial har diskuterats i annat sammanhang (Höbeda 1995). 2. Slitstyrka. Betydelsen av det grova stenmaterialets kvalitet för motståndskraften mot dubbdäcksslitage är numera väl undersökt och även allmänt accepterat. Detta har inte minst påvisats vid det finska ASTO-programmet. Nötningsmotståndet hos stenmaterialet har visat sig vara av avgörande betydelse samt testmetoder som kulkvarns- och slipvärde tillåter prediktering av slitstyrkan hos olika beläggningstyper (tabell 1). För att kunna jämföra olika beläggningstyper måste dock också andra parametrar, främst stenhalt (> 4 mm) och maximal stenstorlek, vara kända.

6 Stenhalten har en avgörande betydelse för beläggningsslitaget och en beläggning av typ asfaltbetong kan inte innehålla en tillräckligt hög halt av grov sten. Tidiga, bl a norska försök, har visat att slitaget ökar fomen viss halt, tydligen beroende på stensläpp pga dåligt bruk (figur 1). När skelettasfalt senare färdigutvecklats och produktionstekniken börjat fungera, har användningen av beläggningstypen också snabbt ökat. Undersökningar, gjorda bl a vid VTI, så väl med hjälp av provvägsmaskin som provplattor "implanterade" i vägen för slitagemätningar, har visat på beläggningstypens mycket goda slitstyrka (figur 2 och 3). Provvägsmaskinen har gett överraskande god korrelation med väglitaget (r=0,96 O,98) och kan i slitagesammansättning mycket väl ersätta kostsamma och tidsödande vägförsök (Jacobson 1992). Provvägsmaskinen har även lämnat underlag för den slitagemodell som är under utveckling vid VTI. Med kännedom om kulkvarnsvärde, stenhalt, maximal stenstorlek, men också väg- och trafik parametrar, kan slitageutvecklingen predikteras. Lättviktsdubbar tar även över allt mer av marknaden, något som betyder minskat slitage. En slitagemodell kan användas t ex vid funk tionsupphandlingar. För en fullständig spårutvecklingsmodell krävs även kunskap om efterpackning och plastisk deformation. Det är känt att våt beläggning slits mer än en torr, men undersökningarna i provvägsmaskin har visat att skillnaden i slitage är mycket liten för skelettasfalt, utförd med högvärdigt sten material (figur 4). Inverkan av maximal stenstorlek är också tydlig och sten mindre än ca 12 mm slits särskilt snabbt. Sämre stenmaterial, men också hög bruksandel ökar skillnaden mellan våt- och torrslitage. Vidhäftningsbefrämjande medel, liksom modifierade bindemedel, ger rent allmänt ett förbättrat bruk och även mindre vattenkänslighet, men det grova stenmaterialet spelar fortfarande en avgörande roll på slitagets storleksordning. Insikter om stenmaterialets stora betydelse för slitstyrka har gjort att slitstarka stenmaterial (t ex porfyrer och kvartsiter) kommit att transporteras över långa sträckor till de mest högtrafikerade vägarna, ofta belägna i tätortsregioner. Detta har i regel varit väl motiverat från ekonomisk synpunkt. Försök i provvägsmaskin har visat på effekten av inblandat "hårdmaterial" i lokalt stenmaterial (figur 5). Det är dock viktigt att lokala material utnyttjas maximalt och att finare sorteringar (främst stenmjöl), som tenderar att bli över, utnyttjas t ex i lågtrafikerade vägar, gator och planer. Kubiseringskrossning möjliggör en förbättring av slitstyrkan inom vissa gränser, allt efter bergartens kvalitet och homogenitet (figur 6). Det är intressant att konstatera att den slitage-

7 förbättring, som man vid vägförsök erhåller för skelettasfalt vid användning av ett kubiserat stenmaterial i stället för ett okubiserat, procentuellt sett mycket väl stämmer överens med för bättringen av kulkvarnsvärde. En annan sak är att det bildas ett överskott på oönskat finmaterial, innehållande dåliga beståndsdelar med försämrad massa och även problem med avyttringen av stenmjölet som resultat. För stenmaterial till asfaltmassa under slitlagret behöver man inte ställa höga krav på stenmaterialets slitstyrka om man har en välgraderad sammansättning, d v s stenarna skyddas väl av omgivande bruk. Mycket slitstarka stenmaterial kan t o m ha en ogynnsam yttextur från stabilitetssynpunkt (mom 3). Använder man sig av en öppen makadamkonstruktion måste man dock se till att stenmaterialet inte bryts ned eftersom kontaktpunktema mellan stenarna blir färre och påkänningarna därmed ökar. Inverkan av fina partiklar, mindre än ca 4 mm, och filler är normalt mycket ringa på slitstyrka, förutsatt att ett bruk med god kohesion bildas. Vidhåftningsegenskaperna blir här av stor bety delse och detta gäller särskilt för beläggningar med högt hålrum (mom 8). Har massan dålig vattenbeständighet sker slitaget snabbt genom att stenen släpper från det "upplösta" bruket. Vid flygfältsbeläggningar föreligger inget dubbslitage, men vinterväghållning (plogning, borstning, ureaanvändning) innebär dock en märkbar, men hittills föga undersökt slitage påkänning. Flygfältsbeläggningar förefaller få finare yttextur än vägar där dubbarna nöter fram stenen. 3. Motståndskraft mot plastisk deformation. Bitumen är ett mjukt ämne (egentligen trögflytande vätska) vid höga funktionstemperaturer under sommaren och det framgår med all tydlighet att det är främst stenskelettets uppgift att ge den nödvändiga stabiliteten. Kraven på denna egenskap har även ökat på senare år p g a högre däcktryck, singelhjul i stället för parhjul, men också europaanpassningen har gett högre drivaxel- och boggietryck. Utvecklingen av nya beläggningstyper, storstensbärlager, styvare bärlagermassor, har inneburit att asfaltöverbyggnader med hög stabilitet numera kan utföras. I Frankrike används to m bitumen med penetration 10/20 i bärlager. Beläggningar, där stabiliteten erhålls genom den inre friktionen hos stenskelettet, kan dock få missvisande värden vid konventionell provning.

8 _ Användningen av helkrossat material eller väl krossat naturgrus, men också ökat kvalitetsmedvetande, har gjort att problemen med plastisk deformation numera inte är särskilt stora i Sverige. Detta har f ö kunnat konstateras under den extremt varma julimånaden Förutsättningen är då att massan inte är felproportionerad. Gatukors och busshållplatser med stillastående eller långsam trafik kan dock utgöra specialfall eftersom asfaltbeläggningen har svårt att tåla den typen av belastning beroende på dess viskösa egenskaper vid höga temperaturer. Från stenmaterialsynpunkt utgör komformsegenskapema med all sannolikhet den mest väsentliga parametern vid sidan av maximal stenstorlek (som ska vara så stor som möjligt men anpassad till lagertjocklek) för beläggningar med maximal stabilitet. Med komform menas här kombinationen av krossytegrad, flisighet, stänglighet och yttextur. Komformens betydelse är dock avhängig av graderingen och den är maximal vid massatyper som dränasfalt och skelett asfalt, d v s beläggningar med den grova stenen i direktkontakt. Helkrossat stenmaterial ger god stabilitet och massan är inte så känslig för bitumenhalt såsom är fallet med naturgrus som lagrar sig tätare (lägre VMA). Provning av Marshallstabilitet hos asfaltbetong, där sten större än 4,8 mm sorterats bort visuellt efter kornforrn, framgår av figur 7. En egenskap som troligen underskattas utgör yttexturen och den är dålig vid rundat, avnött naturgrus. Mycket finkorniga, slitstarka bergarter får även släta ytor och extremt slitstarka stenmaterial är därmed inte optimala från stabilitetssynpunkt. Samtidigt får inte stenmaterialet vara så svagt att det bryts ned vid utläggning och under trafik. Vid svenska förhållanden har dock de kristallina bergarterna mestadels en ganska gynnsam, skrovlig yttextur. Inverkan av halten krossat material i rundat naturgrus vid statiskt krypförsök framgår av figur 8 samt vid spårbildningstest ("wheel tracking") av figur 9 och 10. Motståndskraften ökarmed halten krossat material. Man kan också använda hårt bitumen, tillsätta polymerer eller naturasfalt för att i varje fall delvis få en viss kompensation för ett dåligt stenskelett. Det gäller således att öka kohesionen i massan när den inre friktionen är otillräcklig. I regel beaktar man komformens inflytande enbart hos det grova stenmaterialet, men speciellt för tät asfaltbetong är egentligen komforrnen hos sandfraktionen av ännu större betydelse. Rundad natursand i asfaltbetong har, ofta i kombination med dålig packning, varit huvudorsaken till många stabilitetsproblem utomlands, trots användning av hårda bitumensorter. Sand

9 fraktionen i svenska isälvsavlagringar verkar dock inte vara så väl rundad som i en del utländska avlagringar, som också kan ha annat mineralinnehåll (t ex kalkstensfragment). Vattenkänsligheten hos asfaltmassan är även kopplad till motståndskraften mot plastisk de formation. Sker det en försvagning genom fuktinverkan (minskning av kohesionen) ökar också benägenheten till spårbildning kraftigt (mom 8). Stabilitet och packningsegenskaper står i visst motsatsförhållande, i varje fall för asfaltbetong. Det är därför inte ovanligt att man utomlands tillsätter en viss halt natursand till ett krossmaterial för att underlätta packning, något som kan vara motiverat om trafikbelastningen inte är alltför hög. Rundad sand i alltför hög halt har dock samtidigt varit huvudorsaken till många instabila beläggningar. God packning är särskilt nödvändig vid beläggningar med hög stenhalt där den inre friktionens andel är av stor betydelse. Ett starkt förstyvande ller kan förbättra motståndskraften mot plastisk deformation.men samtidigt vålla utläggningsproblem, speciellt om fillerhalten är hög. Vissa svagare stenmaterial kan ge ett särskilt förstyvande egenfrller, beroende på innehåll av omvandlingsprodukter, glimmer m m. Samtidigt föreligger det också risk för dålig vattenbeständighet vid den typen av stenmaterial (mom 8). 4. Friktion På en torr, ren vägbana utgör friktionen inget problem. Egenskaperna hos en våt vägbeläggning beror både på ytans makro- och mikrotextur. lbland lägger man gränsen mellan dessa vid 0,5 mm. Makrotexturen bestämmer vägytans dräneringsförmåga i kontaktytan med bildäcket och därmed också friktionens hastighetsberoende. Den beror på beläggningstyp, maximal stenstorlek, stenkvalitet, dubbslitagets intensitet m m. Dubbslitaget innebär en förbättring av makrotexturen genom att det grova stenmaterialet slits fram i vägytan. Nötningsresistent sten ger bra makrotextur, medan dålig sten kan nötas ned under brukets nivå. Uppkomna dubbspår kan samtidigt ha en negativ inverkan på trafiksäkerheten genom att bidra till vattenplaning. Mikrotexturen, Som är avgörande för väggreppet vid låga hastigheter, beror däremot i första hand på stenmaterialets yttextur, som mer eller mindre påverkas av trafikens polering, en egenskap som uppmärksammats mycket på sina håll utomlands. Stenarna orienterar sig gärna

10 med flatsidan uppåt vid vältning. I mikroskopet kan man se att poleringen utgör en slags "mikroplastisk deformation" av ytlagret hos mineralen (figur lla). Poleringsmotståndet är starkt avhängigt av bergarters mineralogiska sammansättning. Tyvärr är de mest poleringsresistenta bergarterna samtidigt lättavnötta och detta beroende på petrografiska faktorer som förekomst av mjuka mineral såsom kalcit (utan samtidigt innehåll av hårdare komponenter), dålig komfogning, porositet, inhomogeniteter m m. Dessa kan därför inte kommai fråga för slitstarka beläggningar. Naturgrus med rundad partikelform och avnötta ytor är även ofördelaktigt från poleringssynpunkt. Dubbslitaget har en gynnsam inverkan på mikrotexturen. Stenytoma ruggas nämligen upp vintertid och uppkomsten av ett polerat ytlager förhindras. Därmed förbättras förutom makrotexturen också mikrotexturen. De slitstarka stenmaterialen, som i laboratoriet har dåliga poleringsvärden, hinner under sommaren inte få en höggradig polering annat än på stentoppar, något som t ex är fallet vid homogena, lättavnötta kalkstenar (jfr figur llb). Även finkorniga, sega bergarter (t ex basalt), som allmänt används i Europa, kan ha dåliga poleringsegenskaper eftersom nötningsmotståndet är bristfälligt. Utomlands används ibland kombinationer av stenmaterial med olika poleringsmotstånd i asfaltmassan för att bättra på friktionsegenskaperna. Förmodligen är även beläggningstypen av betydelse i sammanhanget och i England, där kraven på poleringsresistens hos stenmaterialet är som strängast, används "hot rolled asphalt", en beläggningstyp med särskilt hög bruksandel. Det invältade stenmaterialet ger upphov till nödvändig makrotextur, men stenarna kommer ofta att sitta ganska glest. Förmodligen måste stenmaterialet i stället ha synnerligen god mikrotextur som kompensation. Beläggningar med hög stenhalt som dränasfalt och skelettasfalt får däremot god makrotextur, något som även gäller för ytbehandlingar. En vägbeläggning bör ha god dränerande förmåga för att motverka vattenplaning. Dränasfalt har därför utvecklats, men numera används den också ofta för sin bullerdämpande förmåga (jfr mom 10). Beläggningen har hålrum på upp till 20% och ibland mer samt hålrummen står dessutom i förbindelse med varandra, något som ger upphov till en permeabilitet i horisontell led. Det ställs stora krav på god stenmaterialhållfasthet eftersom stenarna inte skyddas av ett omgivande bruk. Dessutom bör vidhäftningen till bitumen vara god eller kompenseras genom tillsatser. God hållfasthet och gott nötningsmotstånd är dock svåra att kombinera med hög

11 poleringsresistens hos stenmaterialet. Beläggningen gynnas dock av den goda makrotexturen, speciellt vid snabb trafik. Vissa friktionsproblem har dock konstaterats utomlands, särskilt innan de ganska tjocka bitumenfilmerna på stenytoma slitits bort av trafiken. Dränasfaltens funktion försämras genom tilltäppning av hålrummen. En hög maximal: stenstorlek ger grövre porer som inte täpps till så lätt. En maximal stenstorlek på 20mm har därför använts på engelska flygfält. En intressant aspekt är konsekvenserna av ett eventuellt svenskt dubbförbud, även om ett sådant är föga sannolikt på grund av slitagets minskande betydelse. Skulle så bli fallet, kullkastas de flesta tidigare erfarenheterna, gjorda med slitstarka beläggningar. Förmodligen skulle täkterna med de mest slitstarka stenmaterialen överges, dels beroende på höga produktionsoch transportkostnader, dels på otillfredställande motståndskraft mot polering vid förändrade trafikförhållanden. 5. Styvhet och hållfasthet. Beläggningens lastbärande förmåga är avhängig av dess styvhet. Det kan diskuteras om styvheten verkligen utgör en "fullvärdig" funktionsrelaterad egenskap, bl a beroende på att denna har så olika inverkan vid hög resp. låg temperatur. Beläggningen bör ha tillräckligt'hög styvhet vid höga sommartemperaturer för att inte deformeras, men tillräckligt låg styvhet under vintern för att undvika temperatursprickor. Styvhet påverkas mest av bitumenhårdhet och därmed spelar också temperaturen en huvudroll. Stenskelettets sammansättning och hålrum i beläggningen verkar däremot vara av underordnad betydelse. Kohesionen, som främst beror på bitumenhalt och bitumenegenskaper, är därmed starkt temperaturberoende, till skillnad från den inre friktionen, som främst beror på 'stenskelettet. För att få med stenmaterialets bidrag behövs egentligen triaxialförsök, särskilt vid stenrika massatyper. Därmed är också kornformsparametrarna viktiga för styvheten vid höga temperaturer. Enligt figur 8a kan t o m stenmaterial med innehåll av viss halt rundade partiklar ge en massa med högre styvhet (vid rumstemperatur) än ett helkrossat material. Detta beror i det senare fallet förmodligen på en ökad "fjädring" vid de många små kontaktytorna mellan partiklarna i ett krossmaterial, medan rundade partiklar i naturgrus ger större kontaktytor och därmed högre styvhet vid de små töjningar som det är fråga om. Motsvarande effekt har ibland också konstaterats vid provningar av obundet material såvida sidotrycket är till

12 räckligt högt. Skillnader i hålrum försvårar dock alltid relevanta jämförelser när stenmaterialet varieras i asfaltmassa. Man måste vara försiktig med att grunda materialbedömningar på laboratorieresultat av en egenskap som styvhet utan hänsyn måste även tas till andra egenskaper och inte minst till erfarenheterna från praktiken. Försök har gjorts utomlands att öka styvheten hos beläggningar genom hårdare bitumen, högre fillerhalt, men också genom grövre stenskelett med hög inre friktion (t ex storstensbärlager). Samtidigt erhålls också en beläggning med bättre motståndskraft mot plastisk deformation. Hållfasthets- och styvhetsegenskaper, bestämda vid en viss temperatur, står i ganska gott samband vid asfaltbetong, den massatyp som är mest undersökt. Hållfastheten bestäms vanligen som indirekt draghållfasthet. Om testning utförs vid låg temperatur kan man ofta observera att brottet går genom stenen. Det är dock inte säkert att man alltid får en speciellt "stark" massa med slitstarkt stenmaterial utan andra faktorer, som mer har att göra med komform och yt egenskaper, spelar en viktig roll. Mer begränsade erfarenheter föreligger från skelett- och dränasfalt än från asfaltbetong. Som alltid,» när det gäller mekaniska egenskaper, försämras både styvheten och hållfastheten om massan är vattenkänslig och bestämning av "vidhäftningstal" grundar sig också påjämfö rande provningar av torr och våtlagrade massaprovkroppar. 6. Utmattningsmotstånd Denna egenskap är viktigast vid bär- och bindlager. Utmattningsmotstånd kan, till skillnad från t ex slitstyrka och motståndskraft mot plastisk deformation, i princip förbättras genom ökning av lagertjockleken. Bitumenegenskaper och bitumenhalt samt hålrumshalt i belägg ningen är viktiga, medan stenmaterialets roll är svårare att bedöma från litteraturuppgifter. Man kan dock förmoda att ett krossmaterial med skrovlig yttextur ger gott utmattningsmotstånd under förutsättning att massan är rätt proportionerad och tillverkad. En huvudförutsätt ning är bra vattenbeständighet, speciellt om massatypen har högt hålrum och här har stenmaterialet en huvudroll. Stenmaterialet får inte brytas sönder under trafik, vittra eller vara vattenkänsligt. Vid tungt trafikerade vägar är det sannolikt i stort sett samma parametrar som bestämmer utmattningsegenskaper som styvhet och stabilitet. Det är också svårt att prova asfaltmassor där stenens inre friktion är avgörande på laboratorium, främst beroende på avsak-'

13 naden av sidospänning (som föreligger i vägen och uppkommer vid vältningen av asfaltmassa. Ett intressant exempel utgör dränasfalt, bitumenet försprödas nämligen snabbt, men utmattningssprickor uppstår inte som i en tät asfaltbetong. Förmodligen bildas det dock mikrosprickor mellan stenarna och stensläpp uppkommer så småningom (förmodligen ganska plötsligt efter hård vinterpåkänning). Vid sekundära vägar med dålig bärighet kan däremot ett lager med låg styvhet (med mjukt bitumen) ge bästa funktion beroende på den större flexibiliteten. Vid svenska förhållanden förekommer också utmattningsproblem speciellt på den typen av vägar. Tj ällossningsperioden är särskilt kritisk med styv beläggning vid låg temperatur, med upptinade och vattenanrikade obundna lager. 7. Lågtemperaturegenskaper Man är ganska enig om att det är egenskaperna hos bitumenet, snarare än hos stenmaterialet, som avgör motståndskraften mot köldsprickor hos asfaltbeläggningar. Bitumenet krymper nämligen avseevärt mer än stenskelettet vid avkylning. Vid finska försök har man också funnit goda samband mellan massatypens motståndskraft mot sprickbildning samt Fraass brytpunkt hos bitumenet, men också med pressdraghållfastheten hos asfaltmassa vid -4 C. Man har även kommit till ganska likartade slutsatser inom SHRst asfaltprogram. Problemen med lågtempe ratursprickor har hittills varit ganska små vid svenska förhållanden i jämförelse med vad som rapporterats från utlandet. Detta beror troligen på en välkontrollerad, ganska konstant bitu menkvalitet och ett klimat med inte alltför häftiga temperaturväxlingar. 8. Vattenkänslighet. Det har hävdats att problem med bristande vidhäftning i närvaro av vatten utgör i första hand ett stenmaterialproblem, även om man inte kan bortse från bitumenets roll i sammanhanget. Vissa kombinationer av stenmaterial och bitumen kan vara särskilt ogynnsamma och vice versa."man kan också notera att problem med s k stripping" verkar förekomma mycket mer frekvent i USA än i Europa, förmodligen beroende på större variationer i både stenmaterialoch bitumenkvaliteter, men också i utförandekvalitet (större hålrum p g a otillräcklig packning). "Stripping" har påvisats ske vid många olika klimatförhållanden, även om riklig nederbörd 0ch frost är två oförmånliga faktorer i sammanhanget. Mycket forskning har gjorts inom

14 10 detta område under flera årtionden, men kunskapen om denna process är fortfarande bristfällig. Provningsmetoder, som har en säker relation till vägförhållanden, saknas ännu. Det verkar också som man inte riktigt lyckats inom SHRst asfaltprogram. Man skiljer mellan aktiv och passiv vidhäftning, d v s benägenheten för fuktig sten att täckas med bitumen, resp förmågan hos bitumenklädd sten att senare stå emot angrepp av vatten. Förutom avlossning av bitumenfllmen genom rent vidhäftningsbrott kan man snarare få en kohesionsförlust i massan genom att bitumenet uppmjukas av vatten eller t o m emulgerar i detta. Av betydelse i sammanhanget är både stenmaterialets mineralogiskt-kemiska sammansättning, men också dess yttextur. En allmän uppfattning, som stöds av enkla vidhäftningstester av typ rull aska eller kokförsök med bitumenöverdragen sten, är att "sura" stenmaterial är hydrofila ("vattenälskande") och därmed har dåliga egenskaper, till skillnad från de "basiska" som är hydrofoba (vattenfrånstötande), jfr figur 12. Samtidigt kan man dock hävda att "sura" material i regel också har glattare ytor än,"basiska" varför det kan vara svårt att helt hålla isär samverkande faktorer. Denna inverkan av stenmaterial verkar särskilt tydlig vid testning med bitumen som har högt syratal, d v 5 den bitumentyp som normalt används i Sverige. (Det har t om hävdats i USA att mineralytors ålder är av" betydelse i sammanhanget och att nykrossade ytor kan vara oförmånliga p g a initialt höga, ogynnsamma elektriska ytladdningar). Speciellt kalifältspat (som ofta dominerar i "sura" hydrofila bergarter som granit och porfyr) är oförmånlig från vidhäftningssynpunkt. En förklaring kan vara att mineralytan avger alkalijo ner (K, Na) i kontakt med fuktighet, som med sura komponenter från bitumenet bildar vattenlösliga föreningar ("tvålar"), d v 5 man får en icke vattensäkra mineral-bitumenbindningar i asfaltmassan. Mineral från "basiska" bergarter, som avger jordalkalijoner (d v s Ca, Mg) eller metalljoner (främst Fe, Mg), ger däremot upphov till vattenbeständiga föreningar i gränsfasen mineral-bitumen. Hydrofila stenmaterial kan förbättras genom olika vidhäftningsbefrämjande tillsatser, t ex flytande ämnen (främst aminer) eller också mineraliska tillsatser som släckt kalk och cement. thodifiering av stenmaterialet kan utföras före torkning och blandning med bitumen. I Sverige är de till slitlager använda, mest nötningsresistenta stenmaterialen som regel "sura" och hydrofila. Trots detta så har man i regel inte haft några påtagliga vidhäftningsproblem vid

15 11 användning av sådana stenmaterial i täta beläggningar av typ asfaltbetong eller skelettasfalt och detta utan att något vidhäftningsmedel tillsatts. Vid vidhäftningsförsök på provkroppar av asfaltmassa brukar man inte heller få fram så tydliga skillnader mellan asfaltmassor med "sura" och "basiska" stenmaterial som vid enklare tester som rullflaskeförsök, koktest m m. Vid dränasfal t finns anledning att vara försiktig med val av stenmaterial eftersom denna beläggningstyp är permeabel och kan vara vattenhållande på ett annat sätt än en tät massa. Laboratorieförsök indikerar att vattenkänsligheten kan minska om hålrummet är högt, förmodligen beroende på bättre dränering. Vattenkänsligheten beror här bl a på bitumenfilmemas tjocklek och dessa kan ökas (och beständigheten därmed förbättras) genom tillsatser som t ex fibrer och polymerer. Detta är svårare att göra med asfaltbetong som har en kontinuerlig kornkurva. Tillsatser används även i skelettasfalt för att förhindra bitumenavrinning från den grova stenen vid tillverkning och transport. AG-massa kan vara vattenkänslig p g a relativt ringa bitumenhalt och under vissa förhållanden finns det to m risk för instängt vatten och snabb förstörelse av lagret. Dålig vidhäftning hos främst asfaltbetong kan också bero på finmaterial av ogynnsam sammansättning, Stenmjöl (t ex < 4 mm) eller ller, jfr Höbeda (1994). Krossarman omvandlade eller vittrade bergarter, anrikas de ogynnsamma, vattenkänsliga beståndsdelarna i finmaterialet. Vidhäftande beläggningar av t ex lermineral m m på stenen kan även öka vattenkänsligheten. Omvandlade bergarter brukar dessutom få ytor, täckta med ett vidhäftande dam, som försvagar bindningen till bitumen. Funktionstestning av asfaltmassa med avseende på vattenkänslighet kan avslöja ogynnsamma stenmaterialkvaliteter, men många olika parametrar som håliumshalt, vattenmättnadsgrad i provet, lagringstemperatur, lagringstid m m spelar stor roll för resultatet. Även saltlösning eller frys-töcykler kan tillgripas vid den typen av försök för att öka påkänningen. 9. Ljusreflektionsegenskaper och färg. 'Ljushet och färg hos asfaltbeläggning beror i första hand på stenmaterialet, i varje fall sedan dubbarna vid tillräckligt hög trafik nött fram detta efter ganska kort tid första vintern. Ljusa slitlager hade hög prioritet för ett tjugotal år sedan, innan intresset mer fokuserades på dubbslitaget. Energibesparing är möjlig med ljus vägyta vid stationär belysning och hinder

16 12 upptäcks i regel lättare på ljusa vägbanor vid landsvägskörning i mörker. Det är också viktigt att man får god optisk ledning samt kontrast mot vägmarkeringar och vägrenar, något som dock kan vara svårt vid alltför ljusa beläggningar. Rent vita bergarter har i regel dålig slitstyrka, ett svenskt exempel är urbergskalksten (marmor). En norsk bergart, anorthosit, som består huvudsakligen av omvandlad, kalkrik fält spat, har tidigare importerats till Sverige. Den vita pigmenteringen utgörs av omvandlingsprodukter (zoisit mm). Kvartsit är en slitstark bergart som dock inte är rent vit utan vanligen skiftar i gult eller grått pga små halter av föroreningar. Vita, syntetiska stenmaterial, i regel importerade från Danmark, förekom tidigare i Sverige men hade vissa svagheter, bl a mikrosprickor uppkomna vid tillverkningen p g a avkylning av upphettat material (flinta) eller vid framställning från smälta. Det mycket finkorniga och to m glasiga materialet fick därmed ganska dålig slitstyrka. Vidhäftningen till bitumen var dålig och tjärbränning, som numera är förbjuden, utfördes i regel. De syntetiska stenmaterialens ljusreflektionsegenskaper påverkades dock föga av fuktighet i jämförelse med naturmaterial och dessa hade även liten benägenhet att smutsas ned i vägytan under trafik. Ofta blandade man in en viss halt av ett ljust stenmaterial i ett lokalmaterial för att förbättra beläggningens ljusreflektionsegenskaper. Färglöst, pigmenterbart bitumen förekommer på marknaden och kan användas för att förstärka bergartens färgeffekt. Den ökade bitumenkostnaden kan dock vara motiverad endast t ex till tunnelbeläggningar och vissa andra specialapplikationer, t ex för ökad estetik eller vägledning i tätorter. Lj ustekniska mätningar utförs främst på vägmarkeringar, men metoderna är även i princip tillämpbara på beläggnings- eller stenmaterialprov. Ett exempel på mätningar i samband med körning i VTI:s provvägsmaskin ges i figur 13, dock endast på torra provytor. Belysningsgeometrin kan anpassas för att simulera stationär belysning eller mörkerkörning och man bör också beakta inverkan av fuktighet. En tysk metod förekommer för att mäta ljusreflektion hos stenmaterial, dock avsedd endast för fina fraktioner. Färgen hos stenmaterial bestäms sällan. Rent subjektivt ger dock rödaktiga vägbeläggningar, t ex utförda med porfyr, ett estetiskt tilltalande intryck och en god kontrast, såväl till vägmar-

17 13 keringar som mot omgivande natur och detta gäller både vid sommar- och vinterförhållanden. Från ljushetssynpunkt är dock kvartsit överlägsen (figur 13). 10. Buller Den bullerdämpande förmågan hos slitlagret bestäms främst av beläggningstypen och den maximala stenstorleken i denna, medan stenmaterialkvalitetens betydelse är underordnad (även om egenskaper som hållfasthet, nötningsmotstånd och kornform också indirekt bestämmer yttextur). Beläggningen ska antigen ha hög halt av sammanhängande hålrum eller också ha mycket ringa maximal stenstorlek. Det senare är orealistiskt från både slitage och friktionssynpunkt. Dränasfalt med icke alltför hög maximal stenstorlek utgör en lämplig beläggning från bullersynpunkt, men måste ha lämpligt stenmaterial för god hållbarhet. Bitume net i Skelettasfalt försprödas tämligen snabbt och sammanhållningen i stenskelettet är av avgö rande betydelse. Ett hålrum på drygt 20% (fullgod packning förutsätts) är gynnsamt, men svårt att kombinera med god beständighet. Tyvärr täpps även porerna i beläggningen lätt till och den bullerreducerande förmågan försämras ganska snabbt. Detta gäller särskilt för dränasfalt med liten maximal stenstorlek, gynnsam från bullersynpunkt. Skelettasfalt har en öppnare yttextur än tät asfaltbetong och är därmed förmodligen till fördel från bullersynpunkt. Ytbehandlingar bullrar däremot särskilt mycket eftersom stentoppama sticker upp ooh bildar en "positiv" yttextur, medan drän- och Skelettasfalt i stället får en gynnsam "negativ" yttextur, d v 5 en ganskajämn yta men med håligheter i förbindelse. 11. Avslutning. Sverige, liksom övriga Norden, är gynnad av goda stematerialförekomster som sällan bjuder på några större överraskningar. Utan något dubbslitage hade problemen varit få och testning av stenmaterialkvalitet också ganska enkel när det gäller antal provningar. Inom nuvarande GEN-arbete för Europastandarder förekommer däremot specialtester för polering, beständighet, "finmaterialkvalitet" m m. Som regel har dessa tester föga relevans för våra stenmaterial, även om undantag alltid kan förekomma. Figur 13 och 14 ger således exempel på stenmaterial som använts i asfaltmassa, men vittrat i flygfältsbeläggning resp sönderfallit vid upphettning i torktrumma. Dessa stenmaterial har dock samtidigt dåliga kulkvarnsvärden och skulle därmed inte vara aktuella vid nuvarande trafikförhållanden. Kornformen utgör dock en viktig egen

18 14 skap som sannolikt mer än någon annan påverkar massaegenskaperna och relevanta provningsmetoder behöver utvecklas. Slitaget av asfaltbeläggning är numera i stort sett under kontroll på svenska vägar tack vare kombinationen av stenrika beläggningstyper och om nödvändigt också höggradigt slitstarkt stenmaterial, men också allt större användning av lättviktsdubbar. Man har även kommit långt beträffande slitageegenskaper. Betydelsen av andra beläggningsegenskaper är dock mindre väl kända och bättre tester, som relaterar till funktionen i vägen, måste utvecklas. Testning av asfaltmassa, där stabiliteten främst beror på den inre friktionen hos stenskelettet, är problematisk. Man saknar särskilt bra testmetoder för att testa beständigheten hos asfaltmassa, hur denna påverkas av bitumenåldring och dess samtidiga inverkan på vattenkänslighet. 12. Referenser. Fenz,G, m. Priifung der Verformungsverhalten von Rund-; Kant- und Brechkörnungen im Spurrinentest. Bundesministerium fiir Wirtschaftliche Angelegenheiten. Strassenforchung Heft 390, Hode-Keyser,J, Thurmann-Moe,T. Eigenschaften verschleissfester bituminöser Beläge. Strasse und Verkehr nr 9, Höbeda,P. Inverkan av llerpå egenskaper hos asfaltbetong. VTI Meddelande nr 739, Höbeda,P. Hålrummets och stenhaltens betydelse förfunktionen hos asfaltrnassor. VTI Notat Höbeda,P. Europastandarder för stenmaterial till asfaltbeläggningar. En lägesrapport kompletterad med diskussion avegenskaper hos stenmaterial, föreslagna testmetoder och konsekvenser för svenskt vidkommande. VTI Notat Jacobson,T. Asfaltbeläggningars nötningsegenskaper. Försök i VTI:s provvägsmaskin och laboratorieprovning enligt Tröger och PWR. VTI Notat V197, Marks,V, mfl. Effects of crushed particles in asphalt mixtures. Transportation Research Record 1259, Stephens,],E. Effects of aggregate shape on bituminous mix character. Final Report, JHR Project University of Connecticut, Civil Engineering Department, 1974.

19 V. a... "'f'n'j är Provvaosmasen'-vagen.». gå..-;;." Trogervagen " PWR-vaselr -,ftpiailvacen., = bhpvardevaoen. Kulkvarntraven. ; - ' W.; "-.';~l-\. -*...a inn Jo. _.. Aga ;. f" y r, o. ~~~~~~ :[ ro68-o99 ro88097» mr ; » r093-0,94" -l-\ i. - &..-, _:.:. & -: -_,._ -... _ '.!-T.-... _. 1._ A x_f, vf;..... \ It -_... L - h/f. I!. Tabell 1 Samband mellan vägslitage och testmetoder för asfaltmassa (Tröger, PWR, _ Prall) och stenmaterial (Jacobson 1994).

20 S av "machete nuna acne:m mono: mo _- x chlnloluh mil!. vek! - g 160 \ r & \ (E.; - / 120 '- \ \ / too, \ / \ / ao. \ / \. 5 " o 1 ; 4. L L 4.o o m _D so so Ano! avmommy namn-nuo om & ov tout Gunno "Now Figur la. Inverkan av stenhalt på dubbslitage av asfaltbetong resp. topeka enligt försök i provvägsmaskin av Hode-Keyser och Thurmann-Moe ( 1972).

21 14 " 12 '- Stenoartikler storre-enn 5 mm, asiat-(betong 73. Stenoartlkler._>_ 8 storre enn 10 mm, 5 mocks O a: 6 h- % over ow dekkm med nmpaniklor (ca) _ SO % grove stenmaterialer Figur 1b. Inverkan av procentuell stenhalt på slitstyrka för asfaltbetong med två stenmaterial (som har olika max. stenstorlek) enligt försök i provvägsmaskin av Hode-Keyser och Thurmann Moe (1972).

22 H 350 Figur2 Inverkan av stenkvalitet och max stenstorlek vid försök i VTI:s provvägs- maskin på skelettasfalt och asfaltbetong (Jacobson 1992). Inverkan av maximal stenstorlek 2.5 _ 2 & " 1.: 1,5. a! ;>: 1 2:5 1 'ö' Podyf Kvonsii 1 0 Re! HABS HABS Hus HABS Mas HABS HABT HABT HABT HABT a a Figur 3 Inverkan av maximal stenstorlek i skelettasfalt och asfaltbetong med två stenmaterial på relativt slitage vid försök i VTI:s provvägsrnaskin (Jacobson 1992).

23 - stone - mostix asphalt. illnill/!!!!! IHH!!!,,,IIIIIHIIUIHIIIUHI'NII I!!!!!! Will/1m!!! mumi!!! HUN HÅBTlö, Vlocoloplé, Vlocoioplö, Sloblnonö, Sloblnorl 6. porphyry, Quonzue Porphyry PO'PthY Quartile relerens Figur4 Slitageundersökning i provvägsmaskin varvid körning gjorts i både torrt och vått tillstånd med skelettasfalter och asfaltbeton som refere opublicerade resultat). g ( acobson 1994, _ ns J i 3,5 2,5 N ww 'JoeM 1.5

24 Inblandning av högkvalitativ sten 2.5? kvomtt+grann 2 Q ev I an = ::: 1.5! a E ; E I 3 I 0,5 t I o _ - - Rel. mm scr/. sov. av. too-,. sm. sov. o-z. Figur 5 Slitageundersökning i VTI:s provvägsmaskin varvid två stenmaterial blandats med ortens material (granit), Jacobson 1992.

25 Inverkan av kubisering laboratorieprovning - kulknm Kulkvarnsvärde u, 'å'ktckm! 8.mm J M_J Inverkan av kubisering 10, Dubbavnötning på vägen 1 E a [E lcko kubborct T E 7 - =S E 6 : =E? 5 5.a 4 * Q) "å 3 2 -w 1 o Kubuntu Figur 6 Inverkan av kubiseringskrossning, effekt dels på kulkvarnsvärde, dels på dubbavnötning av skelettasfalt i Vägen med stenmaterialet i fråga (Jacobson 1992).

26 A-4 A-6 A-1 h 35-1 A-3.(>?,.» 1 _ " f :::.) 30 %&'MCO/r vd??; BLEND ' % Flat 3 Regular 1, 25 _ x, A-l A A-S _ A A-3 o 100 3; 15 ", I. 7; P 37 l w 10 * r r 1 f I r l l I T T I T T I} 6 6 ASS-WU CONTENT, % Figur 7 Marshallstabilitet hos asfaltbetong i relation till bitumenhalt varvid stenmaterialet sorterats i kubisk och flisig andel (Stephens m fl 1974).

27 .. + CR. GRAVEL 600 _s- CR. UMESTONE,/ - x- CR. OUARTZITE /Ä a g soo- // / / D _. - // I // l : _,/ f A g soo // I ; / m. / u a:..-.0'.... uc'. """ N OO [ so 4'o so so 70 so go we : CRUSHED AGGREGATE CREEP RESISTANCE FACTOR 1oo b CR. GRAVE. I 7 QOE- CR. LIMESTONE T,, 80 x- CR. OUARTZITE 70 / 60 / 50 / 4-0 J Ä )( Z 10 o.... l :* r f(r r r i F O SO ' Z CRUSHED AGGREGATE O f Figur s. Samband mellan halten krossmaterial av tre bergarter, tillsatt naturgrus, i asfaltmassa med 5,0% bitumen samt a) styvhetsmodul och b) resultat från kryptest (Marksmfl 1990).

28 I -El 18 l 25 Spurrinnentest N O ooooooooooooooooo Spurrinnentiefe in mm _ 01 _.L 0 l/d oooooooooooooo oooooooooooooooooo c QJ - Bindemittelgehalt 20 oooooooooooooooooo... ooooooooooooooooooooooooooooooooooo Spurrinnentiefe in mm 15i uuuuuuuuuuuuuu oooooooooooooo.. oooooooooooooooo..... uni-.a 3 ot Hohlraumgehaft des Mineralger sts HMbit in % 17 Figur 9 Spårdjup som funktion av a) bitumenhalt och b) hålrum i stenskelettet vid asfaltbetong, framställd av stenmaterial med olika komform (KK = helkrossat, RK = rundat, KR : 50% krossat + 50% rundat, KK = delvis krossat). Fenz mfl (1991).

29 Spurrinnentest i. I & s RK! 25" a : j.. é g. 5 KR 20, * ;. ; I ; ---å--. '! O s KK E (L : f _ "" f. 'A ' BK 3 a.9 15?» E f 0) C.Eh L 3 m Q. : g ] 7 Hohlraumgehalt am Marshallkörper in % Figur 10. Samband mellan hålrum i asfaltbetong (mätt på Marshallprovkropp) och spår bildning på plattor med motsvarande hålrum enligt wheel-tracking test. Korn formen (jfr figur 9) har varierats genom handsortering. Fenzm (1991).

30 ? :..:- _.::. 31 ' t a'. :* : o" l \ p. '?_.. ',; Figur 11 Svepelektronbilder i hog forstoring av stenyta (kvartsit) som utsatts for tra k, a) sommarpolerad stentopp, b) brottmönster åstadkommen av dubbslitage. Forstoring ca 5000 gånger.

31 Täckningsgrad% U"! C) l f %» \ QQ» /\,\ B SBASISKAG XQ&T 4TF/vw 885 Nynäs \ BIOTJTGNEJS X \ / //,x : ESX ZS \ \\/K~.575? _, fx ; X \ \ I/XZIS/ // /: //\I \\,\ ',// 1/1, L \\ \\ ' i QÅX \ \ r L» A x_ \\ \ X ;, \-_" SURA 951 " \\ \x \,? _"_ & J Rulltid, Tim Figur 12 Resultat av rullflaskförsök med olika venezuelaasfalt. Högbasisk kalksten och övriga basiska och sura stenmaterial ordnar sig i separata fält. (Tillsats av Vidhäftningsbefrämjande amin minskar skillnaderna enligt figuren).

32 ff] & å cocoa. (vent! Vioco'oo Menno. vi (mm!) Wocobo. röd inom summer.m(ha Figur 13. Resultat av mätningar av re ektans i torrt tillstånd på nylagd och insliten skelettasfalt, a) normalbeläggning och b) specialbeläggning med färglöst bitumen. Vitt eller rött pigment tillsatt vid kvartsit resp. porfyr. Jacobson 1994, opubl. resultat.

33 Figur 14. Exempel på vittrande stenmaterial. Sönderfall har skett efter frys-töförsök i svag saltlösning, a) granitiskt grus innehållande omvandlad komponent i låg halt och b) kalksten innehållande vittringsbenägen märgelsten. Båda stenmaterialen har vållat stensläpp i flygfältsbeläggningar.

34 Figur 15. Tunnslip av en bit asfaltmassamed stenmaterial (marmormed svaga mineralfogar) som sönderfallit vid upphettningen i torktrumma. Bitumen har sugits in efter spaltplan som spruckit upp.

35

36