VTlnotat Nummer: V Datum:

VTlnotat Nummer: V 117 - Datum: 1989-12-14 11tek ASFALTBELÄGGNINGARS VATTENKÄNSLIGHET Inledande laboratorieundersökningar av trafikens inverkan på stripping-processen Författare: Ulf Isacsson Avdelning: Vägavde Iningen Projektnummer: 4203601-2 Projektnamn: Bituminösa material - Bituminösa massors egenskaper Uppdragsgivare: VTl = Distribution: begränsad / Statens väg- och trafikinstitut v, Veat- och Trafik- Pa: 58101 Linköping. Tel. 013-204000. Telex 50125 VTISGIS. Telefax 013-14 1436 8 [ StiTufet Besök: Olaus Magnus väg37linköping

ASFALTBELÃGGNINGARS VATI'ENKÃNSLIGHET Inledande laboratorieundersökningar av trafikens inverkan på stripping-processen Ulf Isacsscn

INNEHÅLLSFÖRTECKNING 1 INLEDNING 2 PROVUTRUSTNING 3 UNDERSÖKNINGAR OCH RESULTAT 3.1 Förförsök i NES-utrustning 3.2 Försök i provvägsmaskin 3.2.1 Omgång 1 3.2.2 Omgång 2 3.2.3 Omgång 3 kaoobøh-obob 4 DISKUSSION OCH SLUTSATS 10 5 REFERENSER 12

1 INLEDNING Närvaro av vatten i en vägkonstruktion kan på många sätt bidra till förkortning av konstruktionens livslängd. Ett välkänt exempel är stabilitet i bär- och förstärkningslager, som innehåller vattenkänsliga komponenter. Ett annat välkänt exempel på Vägskador orsakade av vatten är de som följer av ojämna tjällyftningar. Vatten kan också bidra till nedbrytning av en väg'genom.att tvätta bort" bindemedel, som. håller samman stenarna i en asfaltbeläggning. Man talar i detta sammanhang om "stripping" i beläggningen. Fenomenet har varit känt alltsedan asfaltbeläggningar började användas. Forskning kring "stripping" i vägbeläggningar startade exempelvis redan 1931 vid Statens väginstitut (1). Trots detta är kunskapen inom mmrådet klart otillräcklig. Detta indikerar ämnets komplexa natur. En rad faktorer, såväl kemiska som fysikaliska, anses påverka stripping-processen (2). En faktor som ofta nämns som väsentlig vid diskussionen av stripping i asfaltbeläggningar är trafiken. Den kan genom sin "pumpande" verkan tänkas påskynda stripping-processen (3). Trafikens roll kan också vara att mekaniskt slita bort bindemedelsfilmen, som spontant lossnat från stenmaterialets yta, och därmed förhindra självläkning (4). Experimentella undersökningar av trafikens inverkan på stripping i asfaltbeläggningar har inte påträffats i litteraturen. Skälen till detta förhållande är sannolikt flera. För att studera trafikens inverkan måste försökssträckor iordningställas i fält. Detta är kostsamt och dessutom kan en rad andra faktorer än "stripping" vara orsak till nedbrytningen av beläggningen. Ett "halvt steg ut på vägen" är studier i en provvägsmaskin. Även om sådana undersökningar inte är helt "verklighetstrogna" har de uppenbara fördelar. Kostnaden per provyta i en sådan anläggning är t ex låg jämfört med motsvarande provsträckor i fält. Olika parametrar som kan påverka resultatet är också lättare att kontrollera i en provvägsmaskin än ute på vägen. Provning av material, av vilket slag det vara må, är förknippad med osäkerhet. Detta gäller i allra högsta grad bituminösa material, bl a av den anledningen att "identiska" provkroppar och -ytor av denna ma-

terialtyp är mycket svåra att tillverka. Funderingar av ovan beskrivet slag ligger bakom de undersökningar vid VTI som beskrivs i detta Notat. 2 PROVUTRUSTNING 8 provhållare ("celler") för marshallprovkroppar har tillverkats. Cellerna har monterats i VTI:s provvägsmaskin. En principskiss av utrustningen ges i figur 1. Varje provhållare, som är tillverkad av rostfritt stål (SIS 2333), sitter monterad i en "låda". Denna provhållarlåda är i sin tur placerad i ett segment i VTI:s provvägsmaskin (se figur 1). Genom ett vertikalt rör (ø 6 mm) strömmar vatten till provkroppen. Vattenflödet delas upp på 4 längsgående spår och från dessa fortsätter vattnet genom 16 kärl till provkroppens mantelyta. Ytterligare 4 kärl (ø 3 mm) försörjer provkroppens botten med vatten. 6 st O-ringar av gummi (ca 60 shore) förhindrar vattnet att fritt strömma ut genom gummi- och tryckplattan (se nedan) och håller samtidigt provkroppen på plats. Tryckplattan med pålimmad gummirondell är perforerad med 4 st hål (ø 6 mm). Provkroppen kan justeras i höjdled med en skruv (M 20), som verkar på undersidan av kolven (se figur 1). Hastigheten i provvägsmaskinen är max 70 km/h. Vertikala lasten på hjulen kan regleras upp till ca 15 kn. Däcken som används i de aktuella undersökningarna är konade och släta (9.00-20). Ringtrycket är ca 700 kpa. Provvägsmaskinen är byggd för maximalt sex hjul, men i de försök, som beskrivs i avsnitt 3, används fyra hjul.

TRYCKPLATTA GUMNHPLATTA O-RING ROMKROPP KOLV JUSTERSKRUV CYUNDER ROVHÃLLARLÅDA VATTEN Flggr 1 Schematisk bild av provhållare för studier av "stripping" i provvägsmaskin.

3 UNDERSÖKNINGAR ocn RESULTAT 3.1 Förförsök i Mrs-utrustning En av cellerna, som beskrivits i avsnitt 2, placerades med marshallprovkropp i en NES-utrustning. Provkroppen utsattes för upprepad belastning. Tre försöksserier utfördes. I den första användes provkroppar, som blivit över i ett annat projekt. Tyvärr är provkropparnas sammansättning okänd. Stenmaterialet i de två övriga serierna utgjordes av skärlundagranit resp. gabbro (Kallax) och sammansattes till en "öppen" kurva (se figur 2). Bindemedlet var B180 från Nynäs Petroleum och bindemedelshalten 5.4 vikt-%. Provkropparnas draghållfasthet bestämdes vid 10 C genom s k pressdragprovning (5). Dessförinnan behandlades provkropparna på olika sätt (vattenmättning vid undertryck, vattenlagring och/eller dynamisk belastning), se tabell 1. Resultaten är svårtolkade. Försöksserie 1 (1A och 18 i tabell 1) antyder stor vattenkänslighet hos beläggningsmaterialet ifråga (okänd sammansättning) medan detta ej är fallet i serie 2 och 3. Beskriva försök i MTS-utrustningen är tidskrävande (dynamisk belastning av en provkropp tar ca 1 dygn), vilket är orsaken till att inte fler försök utförts. 3.2 Försök i provvägsmaskin Ett stenmaterial (skärlundagranit) med tre olika kornstorleksfördelningar (se figur 3) användes. Halten bindemedel (8180) var genomgående 5.8 vikt-%. Eftersträvad hålrumshalt hos marshallprovkroppar tillverkade av de tre massorna var 5, 7.5 resp 10 vol-%. 3.2.1 ngågg_1 Tio marshallprovkroppar tillverkades av recept A (hålrumshalt ca 5 vol-%). Provkropparna behandlades enligt tabell 2, som också ger drag-

_-1,_ 1 t8 hållfastheter hos provkropparna före resp efter behandlingen. Försöken gav vissa praktiska erfarenheter: - provkropparna slits ner mekaniskt av hjulen om skyddslock saknas. Denna effekt är betydligt större vid 60 än vid 40 km/h (jfr provkropp 7 och 8 med provkropp 1 och 2) - skyddslock minskar den "nedbrytande" effekten av vatten påtagligt (jfr provkropp 3 och 4 med provkropp 1 och 2). 8.0-2.O N L 9 0! L N.. T' i-n.- F _ 1- y_ : I_ 1-. l - F' I - p r:- i ;- p :- n : ;- i- - I; r- r- :- 7-- p- h- i. ON '1" N O 1 1 "1 _-4 ' b. ' h-!-. i-!-!- p '- Posserande monqd, viktproccnf 328 05 0 50 sååå O - 7- r- r- r- r- - P- - b :- p.: r _ r - h- - p :- i- :- T F. F. '- ' ;-. P- ' P-!- r-.' n- _ 1 p.. b.- _ P- i; p.- :- p-.- p-!-. - r- r- :- _ ' ;- r- -. p ;- 1. p :- p Ir p- p. l- b_ ;- _. i- :- r- r- ' :-.. :- u- v- ' _.. I I ;- _ I r- _ r-.. r- r- :- T.-.. I i. l- 1 i. c I. _ y- :' i- -.- '.- :.- F P. D - - b I. _- p. b ' ' I. - r- r- r-.. F- b l- a- 7- _ - I :- I.- r-.- u' p :- I r_ ;- :- :-.- l 1-. '!- r- ;- p.!- ;- i. :I: - P- n :-» E i- _ p-!- P b I _ ua ;- p- r- :- ;- b i_ '- h-.-.j ;- D.- ' P- I'- 5 r- a-, - p.- n. : l -.. r- ' _-,- l :- : l :- :- p.-1.- c I.-.- 7- - :- h- :- '- '-.-._ T :-!- 7_ h ;- ha i-.- : F l- i-.- b ' '.- y- :- r- r- :-.- i. i- : _ n-.-,. l l- _.. a 0 _- p I. - :- i- I. - :- l i- -n. i- r- r- i- :- l- _ i..- r- a-.-..-.- -._.. b.. I I ' #- h- - -.- un P.: ;- p p p ' '.-.- 1- -.- I; r- :- E i b 1-- ;- ' _ r- i- v- I'-.- I.. :- p-.- n- _.. - = I.. i. - l- l i.. :- - I' i- l- '- ' I_ i- ' - I 7-- i- I p_ - nu I F- F'- IB b-..... l h h- ' r- - 7- - r- a- -s i- r- r-» r- '- i- i' i- '- - r- ' _ ' i-. w.- :- p- _.- p- ;-.-.. I. E 1..,.,.,- F. 1 I.- p- -.. '.. - I F-.... O - pl - -...T I i- L-» i-.. i r- r F- _ l _, -' P1 P- _ b- T.- '.i.-. ;- P P, i- g.: h. i- b l i- :- I_ I. _- :- h- :- : i '- i- '- - p. i- _ iu - I. - i. :- p-.. h _.p.. p. r-.- '-0 in 1-. i- _ 1- i- '- ', 1 l ' I'.- l *- r-. - p- _- l - - I_ - p- : - 7- lii' p- b-.. b 7- p 4 H. E I...J ;-.J 0 I. 1-. -- p _- LT. I. J -...- T_. P. ' '- ' 1-7-, P- _ p :- P- ;- - u-.. u- -._ p. I p. I..- i b.. 1 p-..- 1-1 - -o i- ' 7-» i- _ r- --S.- ;- i. _ i.. n- i-.-, F-. 4 51/ l : P7 -J F- - F-.. ', L' - c. '3 O ' ' 1- * p P r- ' L: i- ' i- ' t. I l F: P_,_2 r' I p- E b l 0 ;: _ I b" "'«'- E. I I l 7- " *- I I lltrltlllltli'ti f 0 T tai 1 I 2 lins. nlit F r Ii I lr FT:.IHF{ T T 00 T 0.074 0.125 Kornsforiek, mm.-5 "0. 2 4 5,6 8 11,3 16 2025 0.: N UI O i 64 Figur 2 Kornstorleksfördelning hos stenmaterialet (omgång 1).

lllllllll IIIIIII1I L.._. Illllllll 11111111 1 Illlll IIIIIIIII Illllllll Illlll1ll \(> C:) (1) C:) N (Z) (7\ C:)._L C:) (2) l l I I l l [11111111 IIII1IIII L.._.. 1... DJ (11 C:) 8; C:) N O Passerande mängd, viktprocent A C:) C:) -..1.--...- -..F- F_ -..F-c. -..1.-- F._.a _._.F._._...1... --F-% I lllll III 111111111 lllllllll ITTIIIIII FIIIIIIII IIITIIIII 111111111 lllllllll IIIIIIITT ITIIIIIII 1 ullllllll IIITTTIII lllllllll 1HHHH llllll II L..._.L - _1-.._ --_L L-. L 1. L L....-1... Illlllllllll IIITIIIII lllllllll IIII1TIII TITTTI1II 111111111 111111111 111111111 111111111 Illlllll 1 1111111 Inuun Illlrllll.1.111111.11111111 1 Illllllll _._.L _...L.. L.._. -..L... L-. L.._..-1.-- L.---4 L-._ T T lllllllll lllllllll IIIIIIIII llllltttt TITIIIIIl 111111.11 IIIIIIIII 1111 11r\ IIIIIIIII /]> _',ør" F1' T41417 11 I] liliiiili IIIIIIIII l IIIIIIIII Illllllll 1111!!! 111111111 1 111111111 \ / CD IIIIIIIII TsTIIIIII Illllllll lllllllll lllllle lllllllll /E 1111'1111 III L111] IlllLllll Illlilll L.._-1 Tl1llllll lllllllll Iilllllll IIIIIITIT IIIIIIIII IIIIIIIII [11111111 Illllllll IlllllllI IIIIIIIII lllllfll IIIIIITIU IIIIilIII IIIIlllll TT1II III Illllllll Illllllll IIIIIIIII L_T lllllllll TI1ITTIII Illllllll Illllllll IITIITTIT I1Il llll IIIIIIIII lllllllll - _ L L.- _. L... L.._. L.. L... L.._ :-L-.. II 11 Till 1 IIIIIIIII ITTIIIIII ITIIIIIII 1r1111111 Illllllll llllllitt Illllllll IIIIIllII 111111111 IIIIIIIIT _..T I I I 1 1 F 0 074 0325 025 05 10 4 5,6 8 11.2 16 20 32 50 64 Fi ur 3 Kornstorleksfördelning hos stenmat erialet i tre olika massor (omgång 2 och 3).

Tabell 1 Resultat vid förförsök i MTS-utrustning (medelvärden med fet stil). Prov nr Behandlings- Draghållfasthet (MPa) sätt ***) Försöksserie nr 1A lb *) 2 3 1 **) 1.35 1.49 0.97 1.06 2 **) 1.25-1.16 1.03 1.30 1.06 1.04 3 A n - 1.08 1909 4 - - 1.13 1.10 1.10 1.10 5 B 0.59-0.97 1.11-0.57 0.94 1.01 0.96 1.06 7 A, C w 0.77 0.75 0.91 m - 0.94 1.11 0.84 1.01 9 A, C, B 0.25-0.95 0.89 10-0.29-0.94 0.92 *) Lagrade i rumstemp. ca 1 år. Paraffinrester från skrymdensitetsbestämningen **) Torra provkroppar ***) A: Vattenmättning vid 20 mm Hg under 3 timmar B= Dynamisk belastning (50000 belastningar om vardera 0.15, vilotid 1.4 s, kontakttryck 0.66 MPa) i cirkulerande vatten (40 C) C= Vattenlagring 72 timmar vid 40 c.

Tabell 2 Resultat vid försök i provvägsmaskin (omgång 1). Provkrcpp nr Behandling Draghållfasthet vid 10 C (kpa) 1 40 C, 60 km/h, 1060 8000 överfarter 1220 1140 3 40 C, 60 km/h, 1840 50000 Överfarter 1660 skyddslock på provet 1750 vattenmättning vid 1950 20 mm Hg 1790 1870 7 40 C, 40 km/h 1630 8 25000 Överfarter 1600 Inget skyddslock på provet 1620 9 Ingen 2020 10 -"- 1960 1990

3.2.2 ngång_2 Massa A användes. 6 provkroppar instampades. Två av dessa undersöktes "obehandlade" (torra) med avseende på draghållfasthet (provkropp nr 1 och 2). Två provkroppar (nr 3 och 4) utsattes för vattengenomströmning under 30 timmar (vattnets temperatur 40 C) utan belastning från rullande hjul. De två återstående provkropparna utsattes dessutom för "trafik" (90000 överfarter) under 30 timmar (skyddslock). Resultaten ges i tabell 3. Om dessa resultat är representativa skulle huvuddelen av draghållfasthetsminskningen få tillskrivas det genomströmmande vattnet och endast en mindre del trafikens pumpande effekt". Tabell 3 Resultat vid försök i provvägsmaskin (omgång 2). Provkropp nr Behandling Draghållfasthet vid 10 C (kpa) 1 Ingen (torra prov- 1830 2 kroppar) 1830 1830 3 Vattengenomströmning, 1110 4 30 h vid 40 C 1170 1140 5 Vattengenomströmning, 940 6 30 h vid 40 C, 90000 960 överfarter, 40 km/h 950 3.2.3 gmgång_3 Vid beskrivna försök utförda i provvägsmaskinen (avsnitt 3.2.1 och 3.2.2) fanns endast 2 celler inmonterade. För att erhålla resultat

10 snabbare tillverkades ytterligare 6 celler, som monterades i provhållarlådan (se avsnitt 2). Ett större antal marshallprovkroppar tillverkades av massorna A, B eller C (se avsnitt 3.2). Provkropparna placerades i cellerna, 8 st i varje omgång, och utsattes för vattengenomströmning (40 C) upp till 20 h. Efter 5, 10, 15 och 20 timmar togs 2 provkroppar ut och draghållfastheten bestämdes vid 10 C. Resultaten lär mycket "risiga", vilket framgår av figur 4. Någon tendens till avtagande draghållfasthet med genomströmningstid kan inte avläsas. Förklaringen till denna anomali kan vara att mängden genomströmmat vatten varierar från cell till cell och att denna variation har större betydelse för draghållfastheten än tiden för vattenbehandlingen. I figur 4 finns endast en resultatkurva (CS + pvm) där trafikbelastning (jfr avsnitt 3.2.2) av provkropparna skett. Resultatet denna gång är mer "trovärdigt" (minskad draghållfasthet med tiden), men kan vara "en ren tillfällighet". Det skall dessutom påpekas att punkterna i figur 4 är medelvärden beräknade ur enskilda värden, som ofta varierar kraftigt. 4 DISKUSSION OCH SLUTSATS Resultaten av de inledande försök, som beskrivits i avsnitt 3, är mycket svårtolkade. Någon entydig tendens till minskning i draghållfasthet med tiden vid vattenbehandling av cellkropparna har inte kunnat utläsas. Detta delproblem. måste först lösas innan en eventuell effekt av "trafiken" kan studeras. Volymen vatten per tidsenhet måste vara densamma kring varje provkropp. Detta borde kunna åstadkommas med reduceringsventil vid resp cell. Sedan detta och eventuellt andra "apparatproblem" bemästrats kan de egentliga försöken starta. En rad parametrar som kan påverka resultatet bör studeras, t ex: - typ av bindemedel och stenmaterial - bindemedelshalt - hålrumshalt

' 11 - beläggningstyp - temperatur belastningens storlek inverkan av vidhäftningsmedel Det inses lätt att undersökningar, som.skall belysa dessa och andra parametrar blir mycket tidskrävande och därmed kostsamma. Detta i kombination med hittills erhållna, föga uppmuntrande resultat, skulle kunna ge "pessimisten råg i ryggen". Ur flera aspekter är det dock för tidigt att "kasta yxan i sjön". Förhållandevis stora resurser har redan nedlagts i framtagningen av beskriven utrustning, vars användbarhet därför bör ytterligare undersökas. Ett annat väsentligt skäl för fortsatta undersökningar är den, även i ett internationellt perspektiv, totala bristen på kunskap inom det aktuella området. VTI bör därför med egna och/eller externa medel fortsätta den beskrivna forskningen åtminstone ytterligare ett par år. v INDIREng DRAGHALL- FASTHET 2100 (kpa) 1700 1300 900 0 5 10 13 20 GENOMSTRÖMNlNGSTID (rimmar) Figur 4 Draghållfasthet vid 10 C hos marshallprovkroppar som vattenbehandlas (40 C) under olika långa tidsperioder (omgång 3).

12 REFERENSER U. Isacsson, "Bituminösa beläggningars vattenbeständighet - en kort redogörelse för svenska erfarenheter. Rapport till utskottsmötet på Färöarna den 30 juni 1986" VTI Notat nr 21 (1987). U. Isacsson, "Vidhäftning i bituminösa beläggningar. En litteraturutredning" VTI Meddelande nr 6 (1976). C. Mack, "Physical Chemistry" Chap. 2 in Hoiberg, A.J., ed., "Bituminous materials: Asphalt, Tars and Pitches". Vol. I, pp. 25-123, Interscience, NY (1964). D.H. Mathews, Adhesion of bituminous Road Materials: A surwey of present Knowledge". J. Inst. Petrol. 44 (1958) 423. U. Isacsson och T. Jörgensen, "Laboratory methods for determination of the water susceptibility of bituminous pavments. Experience gained in the Nordic countries" VTI Rapport 324A.