STATENS VÄG- OCH TRAFIKINSTITUT Natinal Swedish Rad and Traffic Research Institute STENMATERIALETS BETYDELSE I VÄGBELÄGGNINGAR av Peet Höbeda Särtryck ur Väg- ch vattenbyggaren nr 5 1975
' Stenmaterialens betydelse i vägbeläggningar Peet Höbeda* 9. Vad sm ppulärt kallas asfalt består till ca 95 viktprcent av stenmaterial m man räknar med även sådana mineraliska kmpnenter sm sand ch filler. I denna uppsats behandlas dck främst de grövre stenarnas egenskaper. Stenmaterialet bör vara så mtståndskraftigt att det inte sönderfaller vid asfaltmassans framställning i verk eller utläggning samt genm senare påverkan av trafik ch klimat. Vidhäftningen till bindemedel måste vara tillfredsställande för beläggningens hållbarhet. Vidare får stenytrna inte glattpleras under trafik så att risk för en i vått tillsånd slirig vägyta föreligger. Det har till senare år förelegat en tendens att yundervärdera stenmaterialets, betydelse i beläggningssammanhang, till str. del berende på den i allmänhet gda tillgången på kvalitativt naturgrus ch makadam inm landet. De gelgiska förutsättningarna är gynnsamma i Sverige från vägmaterialsynpunkt i jämförelse med vad sm är fallet i många andra länder [1]. Intresset har därför varit större att undersöka andra beläggningsfaktrer sm stenmaterialets krnkurva, bindemedlets halt ch egenskaper, i vägen uppnått hålrum i massan mm. Under de första årtindena av seklet var slitaget på vägbeläggningar strt genm påkänningarna av hästhvar, järnhjul ch massiva gummidäck. Ett intresse för stenmaterialets kvalitetsegenskaper kan knstateras från den tiden [2]. Sedan följde en perid, då frdnen hade luftgummidäck ch beläggningsslitaget var praktiskt taget befintligt. När skadr uppstd berdde det huvudsakligen på den tillräck- * 1 :e frskningsingenjör Statens Väg- ch Trafikinstitut (VTI) Fack, 58101 Linköping Tel 013-11 52 00 liga bärigheten hs lagren under beläggningen. Då dubbade vinterdäck under 1960-talet började användas medförde detta ett starkt ökat beläggningsslitage. Olika åtgärder har prvats för att öka beläggningars lisvlängd. Ett av de mest lvande sätten är att använda sig av grvt, extra slitstarkt stenmaterial. Stenhalten i beläggningen är även av betydelse, den måste vara så pass hög att ett sammanhängande stenskelett kan bildas. Flera av de tidigare använda beläggningstyperna har visat dålig slitstyrka, till str del berende på alltför låg stenhalt. Försök har även gjrts att välta ner (grv sten i den, nylagda ytan av beläggningsmassa med låg stenhalt. Under de "senaste årtindena har man ckså strävat efter att framställa ljusa vägbeläggningar, speciellt i kmbinatin med statinär belysning. Detta åstadkms i första hand genm användning av ljust stenmaterial eller genm inblandning av vit knststen (imprt från Danmark) i det lkala stenmaterialet. Det är viktigt att stenmaterialet bibehåller gd ljusreflexin även i vått tillstånd_ vissa naturstenar försämras i alltför hög grad vid vätning. Det ljusa stenmaterialet måste ckså ha gd slitstyrka så att en skrvlig beläggningsyta med uppstickande stenar bibehålles under trafik. Den vattenhinna sm uppstår vid regnväder måste kunna punkteras av stentppar för att undvika ttalreflexin ch den spegling sm kan blända bilföraren. En vägbeläggning måste ha gda friktinsegenskaper i regnväder (här brtses från vinterväglag). Stenmaterialet måste därför ha gd slitstyrka så att beläggningsytan får tillräcklig, skrvlig struktur. En sådan vägyta är dränerande ch bidrar tillsammans med däcksmönstret till vattenavledningen från kntaktytan mellan vägyta ch bildäck. Detta är särskilt viktigt vid vägar för höga hastigheter. De djupa, spårbundna rännr, sm förrsakas av dubbdäcken innebär ett särskilt prblem eftersm vattenplaning kan uppstå. Vissa stenmaterial ten-derar ckså att pleras under trafiken smmartid, så att en i fuktigt tillstånd slirig vägyta kan uppkmma. Detta har varit ett mycket uppmärksammat prblem i vissa länder, speciellt m lätt plerbara bergarter sm vissa kalkstenar ch basalter måste användas. Naturstenens egenskaper har inte alltid visat sig räcka till i speciellt utsatta ställan såsm rndeller, kurvr ch stppställen. Försök görs därför bla i England, Frankrike ch USA att framställa särskilt pleringsbeständiga knststenar även utan krav på ljus het. Pleringsprblemet har dck ringa aktualitet vid svenska trafik- ch klimatförhållanden. Det har således visats att de av dubbdäcken plerade stenpartierna ruggas snabbt upp under vinterhalvåret när däckdubben används [3]. Det är ckså svårt att hitta kmbinatinen gd slitstyrka ch hög pleringsbeständighet hs ett ch samma stenmaterial. Prvning av stenmaterial i Sverige Under 1920- ch 1930-talen förmärktes sm nämnts ett intresse för prvning av stenmaterial i Sverige. Flera från utlandet hämtade metder fanns således vid Statens Prvningsanstalt [2]. Undersökningarna gjrdes dck sm regel på prvkrppar i frm av utbrrade bergartscylindrar ch inte på färdiga vägprdukter. Under 1930-talet utvecklades dck nya prvningsmetder vid statens väginstitut (föregångaren till VTI) för undersökning av krnfrm (flisighetstal) ch hållfasthet (sprödhetstal) hs krsspr-
dukter. Krav på kmpakt kubisk krnfrm är nödvändig, då lämplig krssning kan försämra ett annars gtt utgångsmaterial. Krnfrmen bestämmes genm siktning av en prvfraktin (ftast 8,0 11,2 mm), först på kvadra- tiska, sedan på spaltfrmiga öppningar, varvid krnen klassificeras apprximativt efter bredd ch tjcklek. Flisighetstalet anger således det genmsnittliga breddtjckleksförhållandet för krnen i prvet. Sprödhetstalet bestämmes genm att samma prvfraktin utsättes för upprepade slag i en standardiserad fallhammare ch den uppkmna nedkrssningen bestämmes därefter genm upp-siktning. Sprödhetstalet är berende av flisighetstalet ch kmpakta kubiska partiklar får således bättre hållfasthet än flisiga. I utlandet framtgs ungefärligen samtidigt prvningsmetder varvid slag- eller tryckhållfastheten för krssprdukter bestämmes. Mångfalden av lika apparatknstruktiner försvårar tyvärr internatinella jämförelser. Försök med ytbehandlingssten gjrdes bl a på Äkeshvsprvvägen i Stckhlm, byggd i slutet av 1930-talet, varvid tillfredsställande samband mellan prvningsmetder ch hållbarhet i vägen knstaterades [4]. Flisighets- ch sprödhetsbestämningen har wcepterats sm prvningsmetder av vägverket ch användes för att bedöma den s k styrkegraden enligt verkets byggnadsanvisningar. Undersökningar vid V'" av beiäggningsstens slitstyrka Sedan de dubbade däcken varit i bruk någn tid kunde det bserveras att vissa stenmaterial, sm var gdkända enligt nrmerad prvning, _slets tämligen snabbt i vägbeläggningar. Orsaken antgs kunna vara den att stenmaterialets nötningsmtstånd, sm rimligen bör vara av str betydelse i sammanhanget, inte påverkar resultatet av styrkegradsprvningar. Extremer sm mjuk kalksten ch hård kvartsit kan således erhålla samma prvningsresultat. VTI fick i uppdrag av vägverket att försöka ta fram en lämplig, kmpletterande nötningsmetd. Det visade sig vid litteraturundersökning (1969) att nötningsprblemet ännu inte uppmärksammats utmlands i sådan mfattning att relevantutveeklingsarbete med prvningsmetder pågick. En nötningsmetd Aggregate Abrasin Value enligt B S 812 fanns dck redan tidigare nrmerad i England. Denna metd avsåg emellertid inte undersökning av stenmaterials mståndskraft mt slitage genm dubbade däck. Den ansågs emel lertid vara värd ett närmare studium. Vid prvningen användes små prvplattr (med ca 50 cm2 yta), innehållande stenmaterialet sm en slags msaik. Dessa plattr nötes på en gjutjärnsskiva vid tillförsel av slipsand, varefter den prcentuella viktförlusten bestämmes. Det brittiska försöket mdifierades emellertid vid VTI. Den föreskrivna natursanden har således utbytts mt aluminiumxid (nr 60), sm bättre mtsvarar däckdubbens hårdhet. Prv- fraktinen bestämdes till 8,0 11,2 mm ch slipmedelstillförseln minskades att göra försöket hanterligare. Belastningen på varje prvplatta (två nötes på samma gång) har varit 2,5 kg. Vidare underlättades försöksförfarandet genm att uträkna viktförlusten per ytenhet (mgm?). Detta värde har kmmit att kallas sliptalet. Det visade sig att sliptalet för lika stenmaterial varierade inm vid gränser. De bästa resultaten (sliptal ner till 40) har erhållits för vissa kvartsit- ch prfyrmaterial, även m betydligt sämre varianter av dessa bergarter kan förekmma. Vanliga beläggnirngsmaterial sm granit ch gnejs intar i regel en mellanställning (sliptal ftast kring 100). Glimmerrika gnejser kan dck ibland erhålla värden över 200. Sedimentära mjuka bergarter eler marmr kan ibland få sliptal större än 5400. För naturgrus (krssade ytr har undersökts) erhålls inte så extremt stra variatiner, då det här är fråga m blandningar av bergartsfragment med lika egenskaper. Grus, rika på kvartsit eller prfyr, framträder dck genm låga sliptal, medan grus innehållande exempelvis glimmerrik gnejs får dåliga värden. Sliptalsmetden är bäst lämpad för undersökning av hmgena, krssade ergmaterial, medan den lämpar sig mindre väl för prvning av hetergena naturgrusmaterial. För dessa kan det nämligen vara svårt att framställa helt representativa prvplattr. Strax efter det att denna sliptalsmetd utvecklats gjrdes i institutets prvvägsmaskin försök att jämföra resultaten från labratrieförsök med slitaget av dubbade persnbilsdäck [5]. Prvvägsmaskinen består av en cirkulär bana med 5 m diameter, sm trafikeras av hjul anbringade på en gemensam vertikal axel. Varje hjul drives av en separat elektrisk mtr. En viss exenterrörelse föreligger så att hjulspåren överlappar varandra. Belastningen har varit 500 kg på varje hjul ch hastigheten vid försöket 35 kmh. Temperaturen låg strax över 0 C ch banan utsattes för ständig vattenbegjutning. Fjrtn lika stenmaterial med välkända egenskaper undersöktes. För att rendla försöksbetingelserna studerades ytbehandlingssten. Prvfraktin var i samtliga fall 11,2 16,0 mm ch för att underlätta materialjämförelser hölls krnfrmen knstant (flisighetstal 1,2). Sm bindemedel användes epxiharts, då stensläpp befarades vid klistning med bitumen på grund av starka vridkrafter i maskinen. Slitaget mättas med jämna mellanrum genm prfilering. Det visade sig dck vara svårt att erhålla fullgd reprducerbarhet på de grva ytbehandlingarna. Det största slitaget uppkm vid försökets början, då skarpa kanter avbröts ch defekta stenar sönderslets. Stenar av slitstarka bergartsmaterial antg dck så småningm väl rundade frmer med släta ytr, de bästa prven på verkades knappast av dubbarna efter detta stadium. Efter 200000 varv var de sämsta materialen helt nednötta, fta under bindemedlets nivå, ch försö- ket avbröts. Stensläpp bserverades enbart i första början av försöket. Jämfördes dubbdäcksslitaget i prvvägsmaskin med resultaten av labratriemetder framkmmer det att någt samband med sprödhetstalet, bestämt vid enhetlig krnfrm, inte föreligger (fig 1). Däremt kan urskiljas en tydlig tendens till rätlinjig krrelatin med sliptalet (fig 2). De slitstarkaste materialen i prvvägsmaskin har varit kvartsit, prfyr ch diabas, medan granit ch gnejs intagit melanställningar. Glimmerrik gnejs ch kalksten har nednötts snabbt. Vita knstmaterial har ckså givit mindre gda resultat, men dessa prösa material har inte varit avsedda att användas i ytbehandlingar. Sliptalsmetden km tämligen snabbt i bruk för kvalitetsbedömning av beläggningsmaterial, då tydligen behv av en relevant, styrkegraden kmplet terande prvningsmetd förelåg. Övre gränsvärde för sliptal har således uppställts av vägverket under senare år vid upphandlingar av stenmaterial till kvalitativa vägbeläggningar. Vidareutveckling av Sliptalsmetden har utförts i visst samarbete med andra nrdiska väglabratrier. Det har bla visat sig att stenmaterials mekaniska egenskaper kan försämras av fuktighet [6], varför stenmaterialprvningar -speciellt på kända material egentligen brde utföras på fuktlagrade prv. Belastningen verkar även vara i minsta laget vid sliptalsbestämningen, studier i svepelektrnmikrskp [3] avslöjade således att en viss plering av stenytr ibland kunde förekmma vid försöket. Pleringen kan betraktas sm en mikrplastisk defrmatin av mineralytr sm mtverkar nötning. Resultat av ett mdifierat sliptalsförsök, varvid prvplattrna nötes vid vattentillförsel ch under 12,5 kg belastning (0,25 kpcm'2), har jämförts med slitaget från tidigare körning i prvvägsmaskinen. Vidare har värdena krrigerats med avseende på stenmaterialens varierande kmpaktdensiteter. Det visar sig att sambandet (fig 3) blir bättre än vad sm tidigare erhölls för ur-
Sprödhetstal 50 -l.. Avnötning mgcm? 200 45 _ 40 _l 150 0 35 _. 100 _.. 30 I. 50 25 l ] I. I... 1,0 1,5 2,0 2,5 3.0 3,5 4,0 4,5 5,0 ' Medelavnötning, mm 1,0 1 5 ' l l ' j 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Medelavnötning, mm Fig ]. Samband melan medelavnötning efter 200000 varv vägsmaskin ch sprödhetstal vid flisighetstal 1,2 Fig 2. Samband mellan medelavnötning efter 200000 varv i prvvägsmaskin ch sliptal Avntmng mgcm: 8 600 500 400 300 _ Å. - 200 _.1 100 _.ÅO'... r 1 i w (» 4 5 Prvvägsmaskin, medelavnötnmg i Fig 3. Samband mellan medelavnötning i prvvägsmaskin ch md. sliptal spnungligt sliptal. Ett av prvmaterialen bryter sig dck markant ur sambandet. Det är emellertid här fråga m ett vitt knstmaterial sm är rikt på sfäriska hålrum. Slitaget skedde här annrlunda än för naturstenarna, då prsiteten gjrde att ganska stra krnfragment kunde lssbrytas vid dubbpåkänningar, speciellt i försökets början. Nämnas bör att de sliptalsbestämningar, sm utförts av VTI åt lika uppdragsgivare, gjrts enligt ursprungligt förfarande. Mer. erfarenhetsmaterial behövs innan prvningsmetden kan bli definitivt fastställd. Jämförelse av labratrielörsök ch väglörhållanden Den funna, gda överensstämmelsen mellan dubbslitage ch labratrieförsök innebär tyvärr inte att en i alla avseenden tillämpbar prvningsmetd är funnen. Systematiska studier med lika stenmaterial har än så länge enbart gjrts med ytbehandlingssten ch mm i prvi prvvägsmaskin sm icke helt ch hållet mtsvarar vägförhållanden. Resultaten från ytbehandlingssten trde dck i hög grad,: vara tillämpbara även på massabeläggningar då det grva stenskelettet även i det senare fallet utgör det huvudsakliga slitmaterialet. En körning i prvvägsmaskin pågår f n ch preliminära resultat verkar verifiera det van sagda. Systematiska studier med flera lika stenmaterial i en ch samma fullskaleprvväg har ännu inte kunnat göras vid VTI. En stenmaterialprvväg planeras att utföras år 1976 på uppdrag av vägverket. Undersökningar på prvväg har dck gjrts i Stckhlms stad i samarbete med Nynäs vägservicelabratrium med ett begränsat antal sten materialet [7]. Slitagebilden verkar därvid bli ganska likartad med den sm knstaterats i prvvägsmaskinen. De enstaka stenarna blir nämligen allt flisigare genm dubbslitaget ch nedkrssningen av stenar verkar vara en mindre väsentlig faktr. Stenmaterial med lågt sliptal ch gd styrkegrad (i första hand kvartsit) har visat den bästa mtståndskraften. Nämnas bör att Slitagebilden kan bli en helt annan under trafik av dubbade lastbilsdäck sådana förekmmer huvudsakligen i nrra Sverige. Belastningen kan därvid bli sådan att dubbarna tenderar att snarare krssa än nöta ner de enskilda stenarna. Vid sådana förhållanden kan hållfastheten hs stenmaterialet förmdas vara en Viktigare faktr än nötningsmtståndet. Ytbehandlingar ch andra öppna, hålrumsrika beläggningstyper är ckså mer känsliga för sådan nedkrssning än täta beläggningar, där de enskilda stenarna kmmer att bli bättre skyddade av bruket. Det framgår av det sagda att det är mycket svårt att på ett enkelt sätt föreskriva gränsvärden för stenmaterials hållfasthet ch nötningsmtstånd. Dessa värden blir berende av faktrer sm trafik- ch klimatförhållanden samt beläggningstyp. Extremt slitstarkt stenmaterial (sm dessutm helst bör vara ljust) finns att tillgå endast på ett relativt fåtal ställen i Sverige ch fta ganska långt från de största tätrterna varför transprtkstnaderna kan bli höga. Framställningen av sådana stenmaterial är även dyrbar då de sliter hårt på brrstål, krssplattr mm. Speciell siliksrisk föreligger även hs kvartsit, inkapsling av utrustning är dck numera föreskriven vid större krssanläggningar. Det är angeläget att ytterligare utreda i vilken ut sträckning uppkmna extrak stnader uppvägs genm ökad livslängd ch - speciellt vid ljusa stenmaterial även ökad trafiksäkerhet hs beläggningar med slitstarkare stenmaterial. [: Referenser [1] Knutssn, G: Aktuella grusförsörj ningsfrågr i Sverige. Svenska Vägföreningens Tidskrift nr 1 ch 8, 1974 [2] Schlyter, R: Metder för ch resultat av bergbestämningar för vägändamål. Svenska Väginstitutet, Meddelande nr 8, 1928 [3] Höbeda, P: Nö'tning ch plering av stenmaterial en studie i svep elek trnmikrskp. Statens Väg- ch Trafikinstitut. Rapprt nr 26, 1973 [4] vn Matern, N Hjelmér, A: Försök med pågrus. Statens Väginstitut. Meddelande nr 65, 1943 [5] Höbeda, P: Dubbdäckssli'tage på sten material. En undersökning i prvvägsmaskin. Statens Väginstitut. Internrapprt nr 25, 1971 [6] Höbeda, P: Fuktighetens inverkan på stenmaterials hållfasthets- ch nötnizngsegenskaper Statens Väg- ch Trafikinstitut. Rapp rt nr 42. 1974 [7] Sillén, B: Ballastmaterial ch däcksdubbar. Föredrag på Ballastdagar den 21 22 januari 1975, arrangerade av Svenska Gruvföreningen