Nr 29-1997 Utgivningsår: 1997 Titel: Fundamentala egenskaper hos skelettbeläggningar, Serie H1, H2 och H3 Författare: Safwat Said Verksamhetsgren: Projektnummer: Uppdragsgivare: Distribution: Konstruktion& Byggande 60347 Skanska, ATC Begränsad div Väg- och transport- # forskningsinstitutet
Fundamentala egenskaper hos skelettbeläggningar av Safwai Said VTI notat 29-1997
VTI notat 29-1997
p-tp_ Innehållsförteckning Sid Inledning Material Styvhetsmodul och hålrumshalt Utmattningsprovning Slutkommentarer Referenser UILJIOLJIUILII VTI notat 29-1997
VTI notat 29-1997
Fundamentala egenskaper hos Skelettbeläggningar, serie H1, H2 och H3 Inledning Tre massabeläggningar av skelettasfalter har undersökts med avseende på styvhetsmodul, utmattningshållfasthet och skjuvmoduler. Motsvarande provkroppar har undersökts av uppdragsgivaren, Skanska, ATC (Asfalttekniskt centrum i Farsta) m.a.p. draghållfasthet vid olika temperaturer, krypmotstånd och prallslitage. ATC undersökningar redovisas inte i det här arbetet. Målsättningen är att få en helhetsbild av funktionsegenskaper hosbeläggningarna. Material Mässorna tillverkades vid Skanska asfaltverk i Farsta. Utläggningen skedde i provhallen vid ATC. Borrkärnor med 100 mm och 150 mm i diameter upptogs från beläggningar. Massatyperna är skelettasfalt avsedda för slitlager. Största stenstorleken är 16 mm och bindemedelstypen är B 85. Korngradering och bindemedelshalter varierar något mellan massorna. Styvhetsmodul och hålrumshalt I tabell 1-3 redovisas hålrumshalt och styvhetsmodulmätningar hos borrade kärnor. I figur 1 visas korrelationen mellan hålrumshalt och styvhetsmoduler hos provkroppar med ø 100 mm. Hårumshalten hos de flesta av provkropparna ur serie H1 ligger mellan 2-4 %. Medelvärdet är 2,8 %. Hålrumshalten hos serie H2 varierar mellan 1,1 % och 2,3 %, med ett medelvärde på 1,6 %. Serie H3 har ganska stor variation i hålrumshalten. Den varierar mellan 1,4 % och ca 5 % med ett medelvärde på 2,8 %, men de flesta ligger under 2,4 %. Styvhetsmodulen brukar vara känslig för hålrumshalten, speciellt hos konventionella beläggningar. Detta är någorlunda tydligare hos H1. Serie H2 har liten variation i hålrumshalten och därmed liten variation i modulen också. Trots att serie H3 har relativt stor variation i hålrumshalten har modulen inte påverkats av hålrumshalten. Skelettbeläggningar bör inte var mycket känsliga för hålrumshalten. Provkroppar med ø 150mm har en klar tendens till högre styvhetsmoduler, speciellt vid strykning av extremvärden (provkroppar H2:34 och H3z26) enligt FAS 015-95. Detta kan vara realistiskt eftersom ju större volym desto bättre är hållfastheten. Med reservation för att antalet provkroppar med ø 150 mm är få och det är skillnad i hålrumshalten mellan ø 100mm och ø 150mm provkroppar speciellt hos serie H1. I praktiken innebär det att man måste ta hänsyn till provkropparnas storlek vid begagnande av styvhetsmoduler. I det här arbetet antas att styvhetsmoduler hosø 100 mm provkroppar är representativa till massorna eftersom vi har testat fler provkroppar med ø 100 mm och har begränsad erfarenhet av modulmätningar hos ;25 150 mm provkroppar. VTI notat 29-1997 5
Tabell 1 Styvhetsmodul och hålrumshalt hos serie H1. 1 PROV ihöjd DIAMETER SKHYM KOMPAKT HÄLRUM MR+1OC (mm) (mm) (g/cm3) (g/cm3) /o (MPa) H1211 64.7 100 2.362 2.4337 2.9 5035 H1:12 64.1 100 2.364' 2.4337 2.9 5145 H1:13 65.7 100 2.344 2.4337 3.7 3970 H1:14 62.7 100 2.397 2.4337 1.5 6066 H1:15 65.3 100 2.346 2.4337 3.6 4968 H1:16 65.5 100 2.354 2.4337 3.3 4103 H1:17 64.4 100 2.379 2.4337 2.2 4596 H1:18* 64.9 100 2.244 2.4337 7.8 2319 H1219 65.7 100 2.355 2.4337 3.2 4646 H1:20 63.9 100 2.347 2.4337 3.6 4117 H1:21 64.2 100 2.358 2.4337 3.1 4671 H1:22 64.2 100 2.366 2.4337 2.8 5475 H1:23 63.5 100 2.371 2.4337 2.6 5269 H1 :24 64.2 100 2.4 2.4337 1.4 5582 H1:25 64.7 100 2.375 2.4337 2.4 5406 mv 64.5 2.366 2.8 4932 sd: 0.9 0.018 0.7 616 cv%: 1.3 0.7 25.7 12 H1:23 66.9 150 2.378 2.4337 2.3 5325 H1:24 65.3 150 2.384 2.4337 2.0 5376 H1:26 64 150 2.387 2.4337 1.9 5399 H1230 61.6 150 2.384 2.4337 2.0 5728 mv 64.5 2.383 2.1 5457 sd: 2.2 0.004 0.2 183 cv%: 3.5 0.158 7.5 3 * ej räknad med medelvärde VTI netat 29-1997
Tabell 2 Styvhetsmodul och hålrumshalt hos serie H2. PROV HÖJD DIAMEFER SKRYM KOMPAKT HÅLRUM MR+10C (mm) (mm) (g/cm3) (g/cm3) % (MPa) H2:11 63.7 100 2.356 2.3843 1.2 3581 H2:12 64.7 100 2.354 2.3843 1.3 4279 H2:13 64.6 100 2.35 2.3843 1.4 4622 H2:14 65.5 100 2.35 2.3843 1.4 3852 H2:15 65.6 100 2.351 2.3843 1.4 4651 H2:16 64.2 100 2.349 2.3843 1.5 3578 H2:17 64.2 100 2.359 2.3843 1.1 4410 H2:18 62.2 100 2.329 2.3843 2.3 3403 H2:19 65.1 100 2.342 2.3843 1.8 3540 H2:20 64.1 100 2.342 2.3843 1.8 4084 H2:21 66.1 100 2.34 2.3843 1.9 4711 H2:22 64.4 100 2.329 2.3843 2.3 4209 H2:23 64.9 100 2.351 2.3843 1.4 3847 H2:24 63.7 100 2.351 2.3843 1.4 5240 H2:25 64.6 100 2.346 2.3843 1.6 4373 mv 64.5 2.347 1.6 4159 sd: 0.9 0.009 0.4 526 cv%: 1.5 0.376 23.4 13 H2:14 65.6 150 2.344 2.3843 1.7 4235 H2230 67.1 150 2.327 2.3843 2.4 4415 H2:34* 63.6 150 2.358 2.3843 1.1 3156 H2:35 66.8 150 2.343 2.3843 1.7 4521 mv 66.5 2.338 1.9 4390 sd: 0.8 0.010 0.4 145 cv%: 1.2 0.408 20.6 3 * utgårenligt FAS-015 VTI notat 29-1 997
Tabell 3 Styvhetsmodul och hålrumshalt hos serie H3. PROV HÖJD DIAMETER SKRYM KOMPAKT HÃLRUM MR+1OC (mm) (mm) (g/cm3) (g/cm3) /o (MPa) H3:11 551 100 2.368 2.41695 2.0 3349 H3:12 65.1 100 2.36 2.41695 2.4 3776 H3:13 55.1 100 2.359 2.41095 2.4 4624 H3:14 64.6 100 2.359 2.41595 2.4 3409 H3:15 65.5 100 2.373 2.41695 1.6 3300 H3:16 54.5 100 2.382 2.41695 1.4 3554 H3:17 64.6 100 2.379 2.41695 1.6 4201 H3:18 54.7 100 2.282 2.41695 5.6 3209 H3:19 54.9 100 2.353 2.41695 2.6 3577 H3:20 64.2 100 2.362 2.41595 2.3 3711 H3:21 65.3 100 2.374 2.41695 1.8 3334 H3:22 34.2 100 2.369 2.41695 2.0 3968 H3:23 65.2 100 2.3 2.41695 4.3 4352 H3:24 64.5 100 2.302 2.41695 4.3 4027 H3:25 64.5 100 2.321 2.41695 4.0 4290 mv 64.8 2.350 2.8 3779 sd: 0.4 0.032 1.3 443 cv%: 0.6 1.374 48.1 12 H3:26* 64.5 150 2.367 2.41695 2.1 3791 H3:28 64.6 150 2.335 2.41695 3.4 4371 H3:36 63.3 150 2.344 2.41695 3.0 5153 H3:49 63.8 150 2.332 2.41695 3.5 5199 mv 63.9 2.337 3.3 4908 sd: 0.7 0.006 0.3 455 cv%: 1.0 0.267 7.8 9 * utgårenligt FASO15 VTI notat 29-1997
Styvhetsmodul, MPa 0 serie H1 c serie H2 A serie H3 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 Hálrumshalt Figur 1 Korrelation mellan hålrumshalt och styvhetsmodul vid 1 0 C. Utmattningsprovning Utmattningsresistens har bestämst genom pressdragprovet enligt VTIs metod (Said, 1995). I figur 2-4 presenteras utmattningsresultaten för serierna. Regressionssambanden har beräknats mellan logaritmen av initial töjning (8) och logaritmen av antal belastningar till brott (Nf). Den matematiska formeln för regressionslinjen är: Nf=K(1/8)n Regressionskonstanterna K och n för varje massatyp och spridningsmåttet R2 redovisas i figurerna. Figur 5 presenterar en sammanställning av utmattningskriterier (regressionssambanden) för de undersökta skelettmassorna. Kriteriernas lutning (n) varierar mellan 3,17-3,89 och serie H2 och H3 korsar varandra varför en direkt jämförelse blir orealistisk, eftersom den tekniska livslängden är beroende av töjningsnivån. VTI notat 29-1997 9
Utmattning, Serie H1, ' r 4 A ' ' ' ' 4 i i i I i i. n = 3,89 1................A..._......._ K=3v9 E+13._ 1 g.. _..i Fia-:0,91..,;.A....ut......T= 10 C.. 1 i I.v " ' 0 Prover : _.å...... -Regressions-linje j.. ä i n Extremvärde H1:18i f 5 \ i ' V 4 1 00 1E+3 ie+4 '1E+5 1 E+6 Antal belastningar Figur2 Samband mellan initial töjning och antal belastningar till brott, serie H1. Utmattning, serie H2 1000 n = 3,57 K = 2,95E13 R2 = 0,79 3 T = 10 C.g - Prover.E E...Regressi0ns inje 100 1E+O3 1E+O4 1E+05 1E+06 Antal belastningar Figur3 Samband mellan initial töjning och antal belastningar till brott, serie H2. 10 VTI notat 29-1997
_ Utmattning, Serie H3 / n = 3,17 \ _.. i.....,a Razam _ 1000 i. _ i _ - :. K=4,1E+12 ; T=10 C?J 1 ;. g: 0 Prover 'E Regressions-Iinje :.72 '.ê 100 ' ' ' > ' 1E+4 1E+5 1E+6 Antal belastningar Figur4 Samband mellan initial töjning och antal belastningar till brott, serie H3. 1000.E E?5 9.9 E. 0).5.C :g.75 '.ê Utmattning, 10 C Serie H1 - - - Serie H2 Serie H3 100 1E+3 1 E+4 1 E+5 1 E+6 1 E+7 Antal belastningar till brott Figur 5 Utmattningskriterier vid +10 C. VTI notat 29-1997 11
Vid jämförelse mellan massatyperna bör den horisontella dragtöjningen i beläggningens underkant bestämmas från FWD-mätningar eller m.h.a. datorprogram (BISAR, Chevron mm.) för beräkning av påkänningar i en vägkonstruktion. Laboratoriebestämda styvhetsmoduler vid +10 C bör användas som ingångsdata till programmet. Antal belastningar till brott (N) hos massabeläggningarna beräknas från regressionssambanden enligt ekvation (l). Skillnaden i antal belastningar till brott motsvarar skillnaden i utmattningsresistens mellan massatyperna. Den tekniska livslängden (Nekv) kan beräknas hos beläggningarna enligt följande samband: Nekv = N x SF.(2) där NekV = ekvivalent standardaxlar N = antal belastningar till brott vid den kritiska initialtöjningen SF = Skiftfaktor = 9 (Said, 1995). Utomlands, när det saknas ett särskilt objekt, beräknas skillnaden i utmattningsresistens mellan massatyperna genom bestämning av den kritiska töjningen (8) vid en miljon belastningar (N = 106) enligt samband (3). Detta samband används för bestämning av den största tillåtna töjningen hos en beläggning vid förbestämt antal belastningar till brott. 8 - K'(-N-]_a (3) 106 där K = 10((6-logK)/-n) a: l/n Ju större den kritiska töjningen (vid N = 106) desto större är utmattningsresistensen hos massabeläggningen. De kritiska töjningarna för undersökta massor i mikrostrain vid N = 106 är följande: Serie Hl Serie H2 Serie H3 111 124 122 Vilket innebär att H2 och H3 har bättre utmattningsresistens än H1 med ca 12%. Det bör påpekas att 106 belastningar motsvarar 9*106 ekvivalenta standardaxlar som är ganska mycket för svenska vägar. Vid lägre antal belastningar kommer serie H3 bli klart bättre än H2 och H1. 12 VTI notat 29-1997
Skjuvmoduler Skjuvmoduler har bestämts på provkroppar med 150 mm i diameter och ca 40 mm i tjocklek med VTIs utrustning.tre provkroppar av varje massatyp har utsatts för sinusformiga belastningar vid fyra olika temperaturer (z +2, +15, +30 och +55 C) och flera frekvenser (0,05, 0,1, 1,5, 10 och 20 Hz). Masterkurvor har framtagits från mätningar enligt WLF-metoden. Figur 6 visar ett exempel på mätningar hos en provkropp. Masterkurvor som är medelvärde hos tre provkroppar från varje skelettasfalt presenteras i figur 7. Serie H1 visar största skjuvmodulen, oberoende av temperatur och frekvens. Detta är identiskt med slutsatserna från styvhetsmodulmätningar. Det Överensstämmer också med utmattningsresultaten. Ju styvare (= högre skjuvmodul) material desto sämre är utmattningshållfastheten vid en och samma töjningsnivå. 10000 ca D_ å 'ä 'O 0'1.5 1000 (5 100 10 0 0 1 10 100 Frekvens, Hz Figur 6 Skjuvmodulmätningar vid flera temperaturer och frekvenser hos en provkropp (H1:23). VTI notat 29-1997 13
A mmwmcø Masterkurvor hos massabeläggningar, serie H ' H stärker" ' Tszä '113 t: 0 A.5: '15 91-1 01 3 a G,NPa 1E+3-2.3 T I I I I I I I I] 20 CU SU T. 0 1E+2 ONOO - - - H1 H2..... -. H3-2 0 2 Log(aT.f) Figur 7 Masterkurvor hos beläggningar. 14 VTI notat 29-1997
Serie H3 visar den lägsta modulen vid höga frekvenser och låga temperaturer (högra sidan av masterkurvan) och har högre modul än serie H2 och nästan som serie H1 vid låga frekvenser och höga temperaturer (vänstra sidan av masterkurvan). Detta indikerar relativt lägre temperaturkänslighet. Det konstateras också vid jämförelser mellan masterkurvoma att H3 bör ha bättre resistens mot utmattning än H1 och H2 och vara stabilare än H2 och nästan lika stabil som H1. Vad gäller utmattningen är H3 klart bättre än H1 och är bättre än H2 vid vanligt förekommande töjningar i underkanten av bundna lager 150-300 us (Djärf, 1994). Krypförsök utförda vid ATC visar att H1 är betydligt stabilare än H2 och H3. Den största töjningen är hos H1 = 7900 ua, H2 = 11900 us och H3 = 11400 us. Detta överensstämmer inte med slutsatsen från masterkurvoma att H3 bör vara nästa lika stabil som H1. Slutkommentarer Det är självklart att ett enda test inte kan ge en helhetsbild av en massabeläggningsfunktion i verkligheten. Av den anledningen har dessa skelettasfalter undersökts med flera testmetoder inklusive ATC provningar. I viss mån har dessa provningar överlappat varandra. Det konstateras att serie H3 är bäst i utmattningsresistens och H2 är bättre än H1. Vidare slutsatser från masterkurvoma pekar på att H3 och H1 har ungefär samma stabilitetsegenskaper och är stabilare än H2. Krypförsök utförda vid ATC säger emot detta. I det här arbetet kan vi inte avgöra vilken metod som visar mest trovärdiga resultat utan vidare undersökningar. Generellt och utan koppling till särskilt objekt konstateras från masterkurvan att serie H3, gamla stabinor receptet, är den bästa optimeringen eftersom den lägsta modulen vid låga temperaturer och höga frekvenser och relativ hög modul vid höga temperaturer och låga frekvenser. Referenser Said, Safwat F.: Bestämning av utmattningshållfasthet hos asfaltbetong genom pulserande pressdragprovning. VTI notat Nr 38-1995. Said, Safwat F.: Bituminösa beläggningar: att bygga broar mellan teori och verklighet. VTI särtryck Nr 248-1995. Djärf, Lennart: Asfalttöjningskriterium baserat på fältstudier. VTI notat Nr V191-1994. VTI notat 29-1997 15