VTI särtryc r 248 ' 1995 ituminösa beläggningar: att bygga broar ellan teori och verklighet afwat F. Said idrag till NVF:s utskottsmöte, Asfaltbeläggningar, åröarna, den 8 21juni 1995 Väg- och transportforskninysinstitutet
VTI särtryck Nr 248 ' 1995 Bituminösa beläggningar: att bygga broar mellan teori och verklighet Safwat F. Said Bidrag till NVF:s utskottsmöte, Asfaltbeläggningar, Färöarna, den 18 21juni 1995 ISSN 1102-626X (db Väg-och transport- 'farskningsinstitutet
Samhall Klintland AB. Grafiska Linköping 1995
Väg- och transport- 'farskningsinstitutet 1995-O8 10 Sid 1 (9) Vägteknik/Asfaltbeläggning S Said/GS Bituminösa beläggningar: att bygga broar mellan teori och verklighet Inledning Anvisningar som bygger på empiriskt framtagen kunskap har visat stora brister vid anpassning till ständigt ökande trafikmängd, axellaster, ringtryck och före komsten av nyutvecklade massabeläggningar. Trots det används empiriska anvis ningar fortfarande mest inom vägbyggnad, på grund av brist på praktiska och analytiska metoder. Önskan är att utvärdera massabeläggningar genom dess mekaniska egenskaper, vilka är lämpliga som ingångsdata för mekanistiska modeller. Elasticitetsteorin har utnyttjats mest vid beräkning av påkänningar i överbyggnadslagren. Visko elasticitetsteori och den senaste utvecklingen i inriktningen med partikelteori har också använts inom forskningen för Vägteknik. Steget mellan forskning och verklighet är ganska stort och implementering av forskningsresultat är nödvändig. Rutinmässiga provningar För att kunna utnyttja analytiska modeller vid vägdimensionering behövs rutin mässiga mätmetoder för bestämning av mekaniska egenskaper hos bitumenbundna beläggningar. Avancerade mätmetoder kräver speciell kompetens och dyra utrustningar och kan endast användas vid forskningsinstitutioner. Enkla och snabba metoder är nödvändiga för rutinprovningar men dess begränsningar måste vara kända. Styvhetsmodul Styvhetsmodul är en grundegenskap hos asfaltbeläggningar som behövs vid bärig hetsanalys och tillståndsbedömning. Den beskriver beläggningars lastfördelnings och flexibilitetsförmåga. Styvhetsmodulen, enkelt definierad, är förhållandet mellan spänning och töjning vid belastning av en asfaltbeläggning. FoU-verksamheten på 1980 talet vid KTH och VTI inriktades bland annat på metodutveckling för bestämning av styvhetsmodul genom pressdragprovet för rutinmätningar [l, 2], vilken blev underlagsmaterial för standardisering av FASmetod 454-91 för bestämning av styvhetsmodul. Pressdragprovet, figur 1, är rela tivt enkelt och snabbt. Provkroppar kan tillverkas på laboratoriet eller uttas ur en beläggning genom borrning. Metoden är lämplig för både proportionering av asfaltmassor och vid tillståndsbedömning samt kvalitetskontroll hos befintliga be läggningar. Som exempel kan nämnas, att vid en skadeutredning på en vägsträcka på E4 [3], där spårbildning uppstod direkt efter trafikpåsläpp vid utläggning av ett nytt slitlager, konstaterades med hjälp av BlSAR-programmet för beräkning av på känningar i beläggningslagren, att det gamla slitlagret egentligen orsakade spår bildningen och inte det nya. En förutsättning för tillämpning av BISAR programmet i det här fallet var tillgång till de verkliga styvhetsmodulerna hos
Sid 2 (9) beläggningslagren som bestämdes på borrkärnor m.h.a. pressdragprovet. Utborrning av prov utfördes med relativt liten trafikstörning och låg kostnad. Figur 1 Pressdragprovet Ett generellt problem vid bestämning av mekaniska egenskaper hos asfaltmaterial är spridningen i mätvärden. Testvariabler som har stor betydelse vid modulmät ningar genom pressdragprovet har utforskats under senare år [4]. En ringanalys på modulmätningar har visat god överensstämmelse mellan laboratorierna [5]. Ett tiotal laboratorier från Sverige och Finland deltog i undersökningen. Precisionen hos mätmetoderna är en nödvändighet för en lyckad prognosmodell. Styvheten kan bestämmas med olika metoder. Det finns stora skillnader mellan modulvärdena beroende på testmetoden. Dilemmat är att analytiska modeller bygger normalt på vissa förutsättningar, t.ex. Shells dimensione ringsmetod bygger på antagandet att styvhetsmoduler är bestämda enligt böjprov med balkar. Användning av styvhetsmodulerna bestämda med annan metod (t.ex. pressdragprovet) kan ge upphov till orealistiska resultat. Styvhetsmoduler i förhållande till varandra har belysts i ref 6. Samband mellan fält- och laboratoriemoduler är också intressanta eftersom proportionering av massor utförs på laboratoriet medan man uppskattar dess funktion i vägen. Ett försök att jämföra moduler beräknade från fallviktsmätningar och laboratoriemätningar pågår. Preliminära resultat har presenterats i ett NVF seminarium [7]. En databas om mekaniska egenskaper hos massatyper (motsvarande produktblad) är nödvändigt underlagsmaterial vid dimensionering av överbygg nader, proportionering och kvalitetsstyrning av asfaltmassor. Figur 2 illu strerar ett exempel på sambandet mellan styvhetsmodul och temperatur hos borrkärnor från bärlager av typ AG22. Borrkärnorna uttogs från ett tiotal vägsträckor spridda över landet. De var ca 2 år gamla. Variationen i mätvär dena är ganska stor. Av den anledningen måste variationen beaktas vid tillståndsbedömning eller dimensionering av beläggningar för att säkerställa en viss kvalitet på beläggningsfunktionerna. Variationen beror i huvudsak på sammansättningen och utförandet. Figur 2 Visar också regressions samband, 90 % konfidens och prognosintervall [8] som är praktiskt vid dimensionering och proportionering, speciellt med avseende på kvalitetsstyrning.
Sid 3 (9) Styvhetsmodul, MPa 25000 20000 _L 01 o O0 10000 5000 AG22 = 1,54x10"4 * exp(-0,065t) Temperatur, C Figur 2 Samband mellan styvhet och temperatur med 90 % konfidens och prognosintervall. Utmattningsmotstånd Sammansättningen hos asfaltmaterial har stor betydelse på utmattningsmotstånd hos bituminösa beläggningar. Utmattningskriterier hos massabeläggningar är nödvändiga ingångsdata till prognosmodeller för uppskattning av livslängden med hänsyn till trafikbelastning. Utmattningsförsök i laboratorium underskattar normalt antal belastningar till brott i verkligheten. Av den anledningen används skiftfaktorer för korrelation mellan fält- och lab.kriterier. Utmattningskriterier framtagna från laboratorie undersökningar har visat bra korrelation med fältbaserat kriterium [9, 10] hos bär lager av typ AG22. Figur 3 visar korrelationen med en faktor på 9 (skiftfaktor). Utmattningssamband för ett antal massabeläggningar visas i figur 4. Töjning (Hg) 4! 'Fält (ref. 9) n=2,4 ; Xl k=1,1e11 3 ].. Lab '. n=2,8 ' k=9,1e10 '.! l I l 3 **"Bäriager AG22, 10 C \ '. nme-h.. _.,? 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 Antal belastningar (N) Figur 3 Jämförelse mellan fält- och laboratorieutmattningskriterier.
Sid 4 (9) 1000 - _ E _ E ;;; _ 1 D3.; _C 5 + _ AG25EVA AG25C-C HABT16 / HABS16 / HABZS 100 _ \,..,.. _ \ "t I l I HIH' "I IIHHI' l'm'l "I'lll'll" ' T *I Illlll l'l ll'lll'l 1E+2 1E+3 1E+4 1E+5 1E+6 1E+7 Antal belastningar Figur 4 Utmattningskriterier hos några massabeläggningar. Utmattningshållsfasthet beskrivs med följ ande samband: Nf : K(1/ )n Nf = antal belastningar till brott 8 : töjning i underkant av beläggning K och n : materialkonstanter Utmattningssamband är nödvändiga vid överbyggnadsdimensionering av nya vägar, tillståndsbedömning hos befintliga beläggningar och vid jämförelse mellan olika massabeläggningar med avseende på belastningar från trafiken. En stor del av spridningen i utmattningshållfasthet hos massabeläggningen (10- dekadsvariation är normal) beror på variationen i sammansättning. Att klarlägga effekten av dessa variationer kommer att leda till bättre kvalitetsstyrning och öka precisionen hos prognosmodeller för bärighetsanalys. Exempelvis effekten av hålrumshalt och bitumenhalt presenteras i figur 5 resp 6. Variationen i hålrumshalten har åstadkommits genom varierande packningsarbete.
Töjning, mikro mm/mm Sid 5 (9) Töining (mikro mm/mm) 1000 100 1 0 10000 100000 1000000 10000000 Antal belastningar FigurS Effekten av hålrumshalt på utmattningsmotstånd hos AGZZ Vid + 100C. 1000 100 1000 10000 100000 1000000 10000000 Antal belastningar Figur6 Effekten av bitumenhalt på utmattningsrnotstånd hos AG22 vid + 10 C. Regressionssambandet i figur 7 är särskilt intressant Vid proportionering av asfaltmassor. Livslängden kan uppskattas med avseende på massabel'aggningars komponenter.
Sid 6 (9) Long = 18-3,56*LogTöj - 1,79*Long + 0,023*bfh 7 R2 = 0,88 900/o-prognosintervall 6 %...:.. iv/0: "? n go,-':'..: *"..» n..,.» J 9 5?" # j r. 1 : 00,0. 0 ' '$. Z ;0 o. &.,: s 4 ". ** s av J.- $.. ;>. lst ' 0,,- ".... f 0 0.. 0 0,-. 3 e e;,. " 2 2 3 4 5 s 7 Log Nf (beräknad) Figur 7 Korrelation mellan mätta och beräknade livslängder (massavariabler: töjning, styvhetsmodul och bitumenfyllt hålrum). För att kunna korrelera utmattningsresultat mellan Nordiska länder har korrelationssamband tagits fram inomad hoc gruppen för utmattning [11]. Plastiska deformationer Spårbildning orsakad av den tunga trafiken, så kallade plastiska deformationer, har alltmer beaktats under senare år. Ökad trafikmängd, axellast och ringtryck har påskyndat spårbildningen. En indirekt orsak är att idag håller slitlagren betydligt bättre mot dubbdäcksslitage, vilket har lett till längre tid mellan underhållsåtgärder och därmed upphov till andra skadetyper i beläggningar såsom plastiska deforma tioner. Två mekanismer sker vid plastiska deformationer, dels en efterpackning (volymminskning) och dels en omlagring (skjuvning) i beläggningen. Omlagringar/flyttningar inträder då skjuvpåkänningar överstiger ett kritiskt värde som är karaktäristiskt för varje massabeläggningstyp. Skjuvmotstånd hos massabeläggningar Kryptest Kryptest [12] har använts i stor omfattning på laboratorium de senaste årtiondena för bestämning av stabiliteten hos beläggningar. Skjuvpåkänningar introduceras indirekt i provkroppen genom axialbelastning (figur 8).
Sid 7 (9) Figur 8 Kryptest för stabilitetsundersökning. Tät asfaltbetong har visat sig mindre känslig för sidotrycket (63) vid laboratorieprovningar, men sidotrycket har däremot stor betydelse för hålrumsrika och skelettbeläggningar. För att åstadkomma ett sidotryck på ett enkelt sätt vid labora torieprovning modifierades testet. En provkropp med 0150 mm belastas med en stämpel 0100 mm. Resultaten av denna modifiering illustreras i figur 9. Deformationsmotståndet ökar signifikant hos skelettmassa, men icke signifikant för tät massa. 12000 11000 10000 SMAlOO/IOO Töjning (pe) 9000 8000 7000 4000 Tid (sek) Figur 9 Effekt av sidostöd vid statisk kryptest. Skjuvtest Fördelen med skjuvprovning är att provet utsätts för renodlad skjuvning emedan det vid kryptest är indirekt skjuvning. En skjuvapparat har nyligen utvecklats vid VTI (figur 10). Cylindriska provelement med de verkliga beläggningstjocklekarna kan undersökas. Målsättningen är att metoden ska kunna användas med enklare testsystem, t.ex. pneumatiska apparater. Figur 10 illustrerar masterkurvor, som är ett sätt att karaktärisera material. Effekten av temperatur och belastningshastighet på skjuvmodulen kan bestämmas från kurvan. Effekten av dessa faktorer är viktig
Sid 8 (9) Vid utvärdering av massabeläggningar. Massabeläggningens viskositet kan också beräknas från förhållandet mellan skjuvmodul och frekvensen. Viskositeten hos bituminösa beläggningar behövs för prognosmodeller som bygger på viskoelasticitetsteori. l! Log (at) c x \ \ 'N cu * -4 4 ' CL o 20 å r; : g _ > _.:. E- _ (I) I _ - AB16/B85 1E+2 _; AB16/B180 I I I I _ -6-4 -2 O 2 4 Figur 10 Masterkurva hos massabeläggningar. Kommentarer Utvärdering av massabeläggningar och prognosmodeller för tillståndsändring hos bituminösa beläggningar, har tagit en stor del av forskningsresurser med stor framgång under de sista årtiondena i Norden och övriga industriländer. Enkla och praktiska rutinmetoder för bestämning av mekaniska egenskaper hos beläggningar är nödvändiga för att kunna tillämpa forskningens utfall i verkligheten. Kännedom om variationen i beläggningsegenskaper är också viktig för att för bättra tillförlitligheten hos utvärderingsmodeller för asfaltbeläggningar. I det här arbetet presenteras några rutinmetoder och variationen hos belägg ningsegenskaperna har beaktats. Förhoppningen är att minska språnget mellan teori och verklighet vid vägföretag.
Sid 9 (9) Referenser [ll S.F.Said; Tensile and fatigue properties of bituminous mixtures using indirect tensile test. KTH, Bulletin 89:2. [2] [3] [41 [5] [6] [7] [8] [9] [10] [111 [12] S.F.Said; Resilient modulus by indirect tensile test. Rilem 1990. S.F.Said; Plastiska deformationer på Väg E4 mellan Tvärbäcken Skillingaryd. VTI Notat V138, 1991. S.F.Said; Bestämning av styvhetsmodul hos asfaltbetong genom pressdragprovet. NVF Internrapport nr 5/1995. L.Viman och S.F.Said; Ringanalys på styvhetsmoduler. VTI. Ej publicerat. S.F.Said; Test and design parameters of elastic stiffness and pavement deformation. Course on bituminous pavements. Uleåborg 1995. S.F.Said och H.Carlsson; Samband mellan f'alt- och laboratoriemodu ler. NVF Internrapport nr 5/1995. M.Wiklund och S.F.Said; Statistisk bearbetning av modulm'atningar. VTI. Ej publicerad. L.Djärf; Asfalttöjningskriterium baserat på fältstudier. VTI Notat V191, 1994. L.Djärf och S.F.Said; Laboratory fatigue properties compared with field performance. 5th Eurobitume Congress 1993. _, Utmattningskriterier för asfaltbeläggningar. NVF rapport nr 7, 1992. S.F.Said och L.Karlsson; Krypbenagenhet hos asfaltbetong genom enaxialprovning modulbeskrivning. VTI Notat 41, 1994.