Jämförelse mellan Los Angeles-värde och nedbrytning från hjullast

VTI notat 4-211 Utgivningsår 211 www.vti.se/publikationer Jämförelse mellan Los Angeles-värde och nedbrytning från hjullast Håkan Arvidsson

Förord Detta projekt har finansierats av Trafikverket (från början Vägverket) med Klas Hermelin som kontaktperson. Klas Hermelin och Karl-Johan Loorents från Trafikverket samt Urban Åkesson, ursprungligen CBI numera Trafikverket, och Fredrik Hellman, VTI, har fungerat som referensgrupp. Hjälp med att förbereda HVS-ytor och riggning har utförts av Tomas Halldin och Romuald Banek, VTI. Håkan Carlsson, VTI, har varit med och tagit fram belastningsnivåer och styrfiler för HVS. Linköping mars 211 Håkan Arvidsson VTI notat 4-211 Dnr 29/425-29

Kvalitetsgranskning Extern peer review har genomförts 211-3-22 av Karl-Johan Loorents, Trafikverket. Håkan Arvidsson har genomfört justeringar av slutligt rapportmanus 211-4-8. Projektledarens närmaste chef, Gunilla Franzén, har därefter granskat och godkänt publikationen för publicering 211-4-26. Quality review External peer review was performed on 22 March 211 by Karl-Johan Loorents, the Swedish Transport Administration. Håkan Arvidsson has made alterations to the final manuscript of the report. The research director of the project manager, Gunilla Franzén, examined and approved the report for publication on 26 April 211. VTI notat 4-211

Innehållsförteckning Sammanfattning... 5 Summary... 7 1 Bakgrund... 9 2 Syfte, målsättning och begränsning... 1 3 Metodik... 11 3.1 Provberedning... 11 3.2 Riggning... 13 3.3 Nedbrytande hjullast... 15 3.4 Provtagning... 17 3.5 Bedömning av nedbrytning... 17 3.6 Andra tester... 17 4 Material... 19 5 Resultat... 21 5.1 Packning... 21 5.2 Spårbildning... 22 5.3 Kornkurvor... 23 5.4 Samband mellan nedbrytning och stenkvalitet.... 28 6 Diskussion... 33 6.1 Fortsatt arbete... 36 7 Slutsats... 37 8 Litteratur/Referenser... 38 Bilaga A Profillinjer VTI notat 4-211

VTI notat 4-211

Jämförelse mellan Los Angeles-värde och nedbrytning från hjullast av Håkan Arvidsson VTI 581 95 Linköping Sammanfattning Krav på obundet bärlager har sedan 24 bland annat ställts angående motstånd mot fragmentering, Los Angeles-värde, LA. Detta krav, LA 4, är ett lågt krav, eventuellt för lågt. För att studera hur nedbrytning från trafiklast (byggtrafik) påverkas av motståndet mot fragmentering har i detta projekt fem material med olika LA-värde utsatts för hjullast alstrad av VTI:s Heavy Vehicle Simulator (HVS). Nedbrytningen från hjullasten har studerats genom att jämföra kornstorleksfördelning före och efter test. Olika mått har beräknats från kornstorleksfördelningarna bland annat som ökning av finkornhalt (material <,63 mm), areor under kornstorleksfördelningskurvorna och differensen av summering av passerande halter mellan före och efter nedbrytning från hjullast. Dessa mått har beräknats för att lättare kunna jämföra kornfördelningen med LA-värden. Nedbrytning från hjullast i obundet bärlager med HVS är tydlig. Det är dock svårt att hitta ett tydligt samband mellan denna nedbrytning och motstånd mot fragmentering, Los Angeles-värde. Därför är det efter denna undersökning inte heller möjligt att rekommendera en ny kravnivå för LA-värde på obundet bärlager. Den viktigaste slutsatsen i detta projekt är att metodiken fungerar för att studera nedbrytning och omlagring från hjullast i obundna materiallager. VTI notat 4-211 5

6 VTI notat 4-211

Comparison between the Los Angelesvalue and degradation from traffic load by Håkan Arvidsson VTI (Swedish National Road and Transport Research Institute) SE-581 95 Linköping Sweden Summary Since 24 the Swedish Road Administration has had requirements on unbound base layer concerning the resistance to fragmentation, the Los Angeles-value. To study how degradation from traffic load is affected by resistance to fragmentation five materials with different Los Angeles-values were tested in VTI s Heavy Vehicle Simulator (HVS). The degradation from the wheel load has been recorded by comparing the grain size distribution before and after the HVS test. Some values from the grain size distribution have been used or calculated to easier compare the grading curves with the Los Angeles-value, e.g. content of fines (material <.63 mm) or the area under the grain size distribution curve. There is a clear degradation from the wheel load of the HVS in unbound base layer materials. There is, however, not a clear connection between this degradation and the resistance to fragmentation, Los Angeles-value. Therefore it is not possible from this investigation to recommend a new level or category of requirements concerning the resistance to fragmentation on unbound base layer material. The most important conclusion is that the method that has been used in this project is working to study the degradation and particle relocation in unbound layers. VTI notat 4-211 7

8 VTI notat 4-211

1 Bakgrund I samband med europaharmonisering för provning och produkter av obundna vägmaterial 24 införde Vägverket (numera Trafikverket) bland annat ett krav på motstånd mot fragmentering, Los Angelesvärde (LA). Kravet sattes till LA 4 för obundet bärlager. Vilket får anses som ett relativt lågt ställt krav då tester utförda på VTI väldigt sällan (i princip aldrig) diskvalificerar något material utifrån det kravet. Ju lägre värde desto större motstånd mot fragmentering. Nedbrytning av obundna material kommer från bearbetning (utläggning och packning) samt trafiklast. Trafiklasten överförs till materialet via hjulen från i huvudsak tung trafik. På obundna lager är troligtvis byggtrafik en direkt orsak till nedbrytning och omlagring då belastningen sker direkt på förstärknings- och bärlager. För att simulera hjullast planerades det för antingen (eller både och) laboratorienivå eller kontrollerad fullskala. På laboratorienivå tänktes användning av VTI:s Wheel Tracking Tester (WTT), som är en stor sådan utrustning i asfaltssammanhang. I kontrollerad fullskala ansågs Heavy Vehicle Simulator (HVS) som lämplig. VTI notat 4-211 9

2 Syfte, målsättning och begränsning Syftet med detta arbete är att söka samband mellan motstånd mot fragmentering (LA) och nedbrytning från hjullast. Målsättningen med projektet är att framställa ett empiriskt underlag för att pröva tillämpligheten av kravnivån LA 4 för valda bergkrossmaterial. Vidare ska, om så visas, underlaget användas vid trimning av kravnivån LA 4. Försöken utfördes på fem granitiska bärlagermaterial från krossat berg med HVS. Där ett av delmålen var att se om man kan detektera nedbrytning från tung hjullast. Ett annat delmål var att se om man sedan kan göra en koppling av denna nedbrytning och till Los Angelesvärde (eller möjligen micro-deval). (Wheel Tracking Tester valdes bort pga. tekniska problem vid aktuell tid för tester.) 1 VTI notat 4-211

3 Metodik Fem material med olika LA men av snarlik bergartstyp testades med avseende på nedbrytning från hjullast. Hjullasten genererades med hjälp av HVS. Samtliga material testades samtidigt i varsin provyta placerade i linje under HVS:ens belastningshjul. 3.1 Provberedning Provmaterialen har undersökts med avseende på vissa standardanalyser där Los Angelestest var det viktigaste. Materialen har proportionerats till samma kornstorleksfördelning. 3.1.1 Dokumenterande analyser Dokumenterande analyser har gjorts på utsiktade fraktioner från bärlagermaterialen. I Tabell 1 redovisas i projektet utförda standardanalyser. Tabell 1 Dokumenterande analyser. Egenskap Metod Metodreferens Fraktion Motstånd mot fragmentering Los Angelesvärde, LA SS-EN 197-2 1/14 mm Motstånd mot nötning Micro-Devalvärde, M DE SS-EN 197-1 1/14 mm Kornform FlisighetsIndex, FI SS-EN 933-3 4/32 mm (med vald fördelning) Partikeldensitet För-torkad, ρ p SS-EN 197-6 Ca 8/16 mm Kornstorleksfördelning Siktning SS-EN 933-1 /Tot Motstånd mot fragmentering (LA) och kornstorleksfördelning är de vitala analysmetoderna för projektet. Kornstorleksfördelning utförs för att bestämma före-kurvan och för att detektera nedbrytningen efter test i HVS. Vid bestämning av kornkurvan torrsiktas allt material i grovsiktningsutrustning från 31,5 ned till 8 mm, på material < 8 mm sker neddelning och tvättsiktning. På det stora provet för förekurvan (tot. 14 kg) delades material < 8 mm ned till ¼. För delproverna efter test som var relativt små (tot. ca 2 4 kg) delades material <8 mm ned till hälften. 3.1.2 Kornstorleksfördelning En likartad kornstorleksfördelning på samtliga material var önskvärd för att minimera resultatskillnader pga. differenser i kornkurvan. Val av önskad kornkurva gjordes efter följande kriterier: Kraven i VVTBT Obundna lager 9 för bärlager till belagda vägar, deklarerat material /31,5 mm. Låg finkornhalt (halten <,63 mm: 2,5 %) för att lättare upptäcka uppkomst av nedbrutet finmaterial. Utformning som en s.k. Fullerkurva: [andel passerande = (aktuell sikt/största sten) n ] VTI notat 4-211 11

För att uppfylla dessa kriterier valdes n=,593 (exempel: passerande,63 = (,63/31,5),593 = 2,5 %). Vald kornstorleksfördelning redovisas i Figur 1 och Tabell 2.,6,2 Sand,6 2 6 Grus fin mellan grov fin mellan 1% 2 grov 6 9% 8% 7% Förslag Fullerkurva Bärlager /32 VV TBT 29, dekl mtrl Passerande mängd 6% 5% 4% 3% 2% 1% %,63,125,75,25,5 1 2 4 5,6 Kornstorlek, mm 8 11,2 16 31,5 45 63 9 2 Figur 1 Diagram för önskad kornstorleksfördelning. Tabell 2 Kornstorleksfördelning, önskad Fullerkurva samt Deklarerat obundet bärlager VVTBT Sikt, mm Önskad kurva Max VVTBT Min VVTBT 31,5 1 % 99 % 85 % 22,4 82 % 16 67 % 7 % 58 % 11,2 54 % 8 44 % 51 % 39 % 5,6 36 % 4 29 % 38 % 26 % 2 2 % 28 % 17 % 1 13 % 21 % 11 %,5 9 % 15 % 5 %,25 6 %,125 4 %,63 2,5 % 7 % 2 % 12 VTI notat 4-211

3.1.3 Förberedelse av testmaterial Materialen delades upp i fraktioner så att de kunde proportioneras till samma kornstorleksfördelning (/,75 mm;,75/1; 1/4; 4/8; 8/16 och 16/32). Kornstorleksfördelning bestämdes för varje fraktion och provmaterialen proportionerades till önskad kurva (se 3.1.2). Mängden för proverna bestämdes med antagen packad torr densitet, 2,1 Mg/m³, och volymen för respektive materials provyta, 1 x 1 x,8 m, vilket ger totalt 168 kg. Av praktiska skäl (hanterbarhet) gjordes valet att dela upp materialet i 12 delprover vilket gav 14, kg styck. På ett proportionerat prov på 14 kg bestämdes kornstorleksfördelningen som kontroll av proportioneringen och för att användas som före test kurvan. Tolv delprover à 14 kg sattes ihop med recept från proportioneringen för varje material. Varje delprov blandades homogent med 2,5 % vatten och slogs ihop två och två. För varje provmaterial blev det 6 stycken 28 kg-prover med 7 g vatten. Totalt 3 delprover för de 5 materialen. Vatten blandades in för att: Minimera damning (arbetsmiljöskäl och minimera finmaterialförluster) Underlätta den okulära bedömningen av homogen blandning Förberedelse för packning. 3.2 Riggning En tidigare HVS-konstruktion, SE11 (Wiman, 21), utnyttjades som underlag för detta försök, SE12, se även 3.3. Asfaltsbeläggningen (tjocklek 12 cm) från föregående försök togs bort i belastningsspåret. För att rädda givare med kablage från asfaltslagret togs även asfalten bort från spåret till ena kanten på provanläggningen. Längsgående begränsningar för de fem provytorna utgjordes av beläggningskant på ena sidan och en regel på den andra. Den längsgående regeln var permanent stöttad på utsidan och temporärt på insidan. Tvärgående avgränsning mellan material under test och packning utgjordes av masonit som inte påverkar spårbildning och hjulbelastning. Den temporära stöttan på insidan togs bort direkt efter fyllning av material. Figur 2. VTI notat 4-211 13

Figur 2 Förberedelser av provytor. Parallellt med spåret på ca,5 m avstånd placerades asfaltsplattor för att fungera som körbana för HVS:en vid inkörning i provhallen och som fundament för fixar till tvärprofilsmätning. De tomma ytorna utanför belastningsspåret, och runt asfaltsplattorna, fylldes med förstärkningslagermaterial. Ytorna i ändarna av belastningsspåret utanför provytorna fylldes med bärlagermaterial. Fyllningsmaterialet var överskott från tidigare HVS-försök. Figur 3. Figur 3 Utlagt utfyllnadsmaterial. Delproverna från varje provmaterial fylldes i respektive fack i sex parallella limpor tvärs mot belastningsriktningen. I princip placerades materialen ut slumpmässigt till respektive fack. Nerifrån räknat i Figur 3 och Figur 4 (väst till öst) i ordningen H, V, S, F och K, se även kapitel 4, Material. Varje yta jämnades till och sågs okulärt till att bli homogen (Figur 4). Materialet packades i tre omgångar: 14 VTI notat 4-211

1. Packning gjordes med s.k. trottoarvält, ca 8 överfarter (Figur 5) 2. Extra vattning och packning med vält, ca 8 släta överfarter + 4 vibroöverfarter 3. Packning med HVS:en, Förbelastningsprogrammet (se även 3.3.1) Efter varje packningsomgång mättes densitet och vattenkvot med isotopmätare i ytläge (backscatterläge) i två punkter på varje provyta. Packningsmätning gjordes enligt VVMB 65. Figur 4 Utjämning av material. Figur 5 Packning med vält. 3.3 Nedbrytande hjullast För att skapa hjullasten som ska generera nedbrytning av materialet användes VTI:s HVS (Heavy Vehicle Simulator). HVS:en använder riktiga lastbilshjul och kan generera realistiska laster (hjullast 3 11 kn vilket motsvarar axellaster 6 22 ton). I HVS-sammanhang fick detta försök benämningen SE 12 (det 12:e svenska försöket). Figur 6 HVS ute på gården före inkörning i testhallen. VTI notat 4-211 15

3.3.1 Testparametrar vid SE12-försöket Belastningen från HVS var i tre varianter, förbelastning till packning av materialen och två varianter i huvudförsöket. Sidlägesfördelningen på förbelastningen gjordes så bred det gick utan riskera skador på däcket vid avgränsningarna (beläggningskant och längsgående regel). Huvuddelen av huvudförsöket gjordes med sidlägesförskjutning av testhjulet för att slippa risken av materialtransport och uppbyggnad av vallar. I detta försök användes ett s.k. Super singelhjul med däcksbredden 3 mm. Sidförskjutning på ± 15 cm ger ett belastningsspår på 6 cm. Förutom Super singelhjul finns möjligheten att använda parhjul men den konfigurationen kunde ha gett svårtolkade effekter i mellanrummet mellan hjulen. Figur 7 HVS på testytorna. Figur 8 Testhjulet. Ytorna observerades okulärt mer eller mindre kontinuerligt för att kunna avgöra längden (dvs. antalet överfarter) av försöket. Viss kompletteringsvattning gjordes också efter okulära observationer. Vattning gjordes då ytorna torkat ut något för att minimera risken för damning och transport av finmaterial via belastningshjulet. För att eventuellt accelerera nedbrytningen ytterligare något efter 23 överfarter kördes det bara i centrumpositionen och i 8 km/h. Totalt gjordes 25 överfarter. Det totala antalet överfarter bestämdes av: att spårdjupsutvecklingen hade avtagit att 25 axelöverfarter antogs vara ett högt antal för byggtrafik tillgången på resurser okulära bedömningar. För att även kunna studera spårdjup mättes tvärprofilen före huvudförsöket och sedan vid var 5 :e överfart plus vid 23 och efter testet. De belastningsparametrar som användes vid försöket redovisas nedan. Förbelastning - Singelhjul, 3 kn - Ringtryck, 8 kpa - Hastighet, 4 km/tim 16 VTI notat 4-211

- Lufttemperatur - Belastning i båda riktningarna - Antal belastningar, 54 (1 vändor) - Jämn fördelning i tvärled + 25 cm, 4 passager i varje position/vända. Huvudförsöket Överfart 23 : - Singelhjul, 6 kn - Ringtryck, 8 kpa - Hastighet, 6 km/tim - Lufttemperatur - Belastning i båda riktningarna - Normalfördelning i tvärled + 15 cm, 6, 12, 18, 24, 18, 12, 6 passager (24 passager i centrumläget och 6 i ytterlägena). Överfart 23 25 : - Singelhjul, 6 kn - Ringtryck, 8 kpa - Hastighet, 8 km/tim - Lufttemperatur - Belastning i båda riktningarna - Endast i centrumläget. 3.4 Provtagning Provtagning på varje testyta kom att utföras med 3 prover mitt i belastningsspåret med uppdelning i en övre och en undre del. Ytan på varje provgrop var ca 2 x 2 cm. Hela lagertjockleken provtogs. Prover utanför spåret togs också för att bedöma packningens inverkan på nedbrytningen. Två provgropar per material. I längdled placerade ungefär mitt på. I tvärled från ytterkant in till kanten på belastningsspåret. 3.5 Bedömning av nedbrytning Bedömning av storleken på nedbrytningen gjordes genom att jämföra kornstorleksfördelning på de provtagna proverna från testytorna med före-kurvan. Delprover togs i 2 lager x 3 provgropar mitt i spåret i varje yta. Dessa delprover har analyserats var för sig och summerats (för varje grop, skiktvis och totalt). 3.6 Andra tester I samband med detta test gjordes även försök som kommer att presenteras i samband med redovisningen av respektive projekt. Ostörda prover för mikroskopering; teleskopiska cylindrar fylldes med respektive testmaterial och placerades i förlängningen av testytorna. Dessa cylindrar utsattes för belastningen från HVS. Parallellt placerat fanns tvillingcylindrar som endast utsattes för packning, ej HVS-belastning. Cylindrarna impregneradess med epoxi för planslipstillverkning lämpliga för mikroskopistudier (Hellman, 211). VTI notat 4-211 17

Responsmätning. Då större delen av konstruktionen från SE 11 med instrumentering var kvar utfördes efter SE 12 (detta test) s.k. responsmätning. Under vissa belastningar (förutsättningar) samlas data in från spännings- och deformationsgivare placerade i lagren under testmaterialen från detta test. [Sigurdur Erlingsson, VTI] 18 VTI notat 4-211

4 Material Till försöken valdes 5 material med granitisk sammansättning och med viss variation på LA-värden. Materialen är från krossat berg och producerat som bärlager (/32 mm). LA-värdena finns i spannet från drygt 2 upp till nästan 4, med övervikt i övre delen (Tabell 4). För att inte peka ut vissa täkter eller materialleverantörer betecknas materialen med kodbokstäver. Viss variation i de olika testmaterialens delfraktioner gav något olika recept vid proportioneringen (Tabell 3). Fullständigt identisk kornstorleksfördelning för de olika testmaterialen uppnåddes inte, men med acceptabel variation (Figur 9 och Tabell 5). Tabell 3 Recept för respektive material enligt proportionering. Fraktion H V S F K /,75 mm 1,8 % 1, % 2, % 2,4 % 1,8 %,75/1 mm 1, % 11,6 % 1,1 % 9,9 % 1, % 1/4 mm 17,% 16,8 % 17, % 16,9 % 16, % 4/8 mm 14, % 13,8 % 14,4 % 13,9 % 15,5 % 8/16 mm 24,3 % 24,1 % 25,6 % 24,2 % 25,7 % 16/32 mm 32,9 % 32,7 % 3,9 % 32,8 % 31,1 % Resultat för varje materials egenskaper (Tabell 1) med kodbetäckning (kodbokstav) redovisas i Tabell 4, Figur 9 och i Tabell 5. För detaljerad petrografisk beskrivning se Hellman 211. Tabell 4 Materialegenskaper. Beteckning LA M DE FI ρ p Bergart H 36 8 14 2,63 Medelkornig granit, röd-grå (röd BL-mix) V 28 16 21 2,8 Glimmerrik gnejs (m. fältspatögon), grå (mörkgrå BL-mix) S 21 5 27 2,64 Fin- medelkornig granit, grå-röd F 38 9 17 2,64 Fin- medelkornig granit, röd-grå (inslag av grått mer vittrat berg) (röd BL-mix) K 34 1 16 2,69 Ortognejs (granitisk), grå-svart-vit (mörkgrå BL-mix) BL-mix = packad fuktig bärlagersortering VTI notat 4-211 19

Passerande mängd,6,2 Sand,6 2 6 Grus fin mellan grov fin mellan 1% 2 grov 6 Bärlager /32 VV TBT 9, dekl mtrl 9% H 8% V S 7% F 6% K 5% Önskad Fullerkurva 4% 3% 2% 1% %,63,125,25,5 1 2 4 5,6 Kornstorlek, mm 8 11,2 16 31,5 45 63 9 2 Figur 9 Kornstorleksfördelning för samtliga proportionerade material. Tabell 5 Passerande halter för önskad kurva och för respektive material före test. Sikt (mm) Önskad Fullerkurva H V S F K 31,5 1 % 1 % 1 % 1 % 1 % 1 % 22,4 82 % 88 % 84 % 83 % 79 % 8 % 16 67 % 68 % 68 % 69 % 67 % 69 % 11,2 54 % 55 % 51 % 54 % 51 % 53 % 8 44 % 44 % 44 % 44 % 43 % 44 % 5,6 36 % 34 % 36 % 33 % 34 % 33 % 4 29 % 29 % 29 % 28 % 29 % 27 % 2 2 % 22 % 2 % 2 % 19 % 19 % 1 13 % 12 % 12 % 12 % 12 % 12 %,5 9 % 9 % 9 % 9 % 9 % 9 %,25 6 % 6 % 6 % 6 % 6 % 6 %,125 4 % 4 % 4 % 4 % 4 % 4 %,63 2,5 % 2,6 % 2, % 3, % 2,7 % 2,5 % 2 VTI notat 4-211

5 Resultat I detta kapitel redovisas resultat från de mätningar som gjorts i samband med försöket. De resultat som anses som materialparametrar och resultat före test redovisas i kapitel 4, Material. 5.1 Packning Packning av ytorna kontrollerades med isotopmätare i backscatterläge, utan att föra ned sonden med strålningskällan i materialet. Mätningen utfördes vid fyra tillfällen. Tre av dem redovisas i Tabell 6 och Figur 1. Tabell 6 Packning. Datum Packning Torr skrymdensitet medel alla ytor 27 okt Trottoarvält 8 överfarter, fuktigt. 1,95 Mg/m³ 9 nov Trottoarvält efter vattning + 8 släta + 4 vibro vältöverfarter 17 nov Förbelastning med HVS 54 överfarter, 3 kn 2,1 Mg/m³ 2,5 Mg/m³ Försök att mäta packning efter testet (det 4:e mättillfället) gav lägre och ej relevanta värden. Svårigheten att mäta berodde på något ojämn och konkav yta som gav för stora luftspalter. I normala fall skall ytan avjämnas med sand i fall som dessa. För att inte störa kommande provtagning avsandades inte ytorna. Torr densitet 2,25 2,2 2,15 2,1 2,5 2, 1,95 1,9 1,85 1,8 1,75 H (36) V (28) S (21) F (38) K (34) 27 okt 9 nov 17 nov Figur 1 Packningsutveckling för varje material (LA inom parentes). VTI notat 4-211 21

5.2 Spårbildning För att studera spårdjup mättes tvärprofilen före huvudförsöket och sedan vid var 5 :e överfart plus vid 23 och efter testet. Tvärprofiler mättes med laserbalk framtagen för HVS-försök. Laserbalken mäter profilen av en 2 5 mm lång linje. Profiler mättes i två linjer per material. Exempel se Figur 11 och Figur 12. Varje mätning redovisas i Bilaga A. Höjdläge, mm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Sidläge, mm 5 1 15 2 25 5 1 15 2 23 25 Figur 11 Tvärprofiler för andra profillinjen i material V. En linje per mättillfälle. Vertikala delarna vid sidläge 9 och 1 9 är sargkanter vid utsidan av provytan. 6 85 15 125 145 165 185 65 7 75 8 85 5 23 25 9 95 1 Figur 12 Tvärprofiler för andra profillinjen i material V. In zoomad del av Figur 11, sidläge 9 1 9. 22 VTI notat 4-211

Spårdjup har beräknats som största skillnad i profillinjerna för respektive mättillfälle jämfört med mätning före test ( passager), ungefär mitt i spåret. Spårdjupsutvecklingen för respektive material redovisas i Figur 13. Spårdjup, mm 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 Antal passager 5 1 15 2 25 3 8 1 11 12 18 Spårdjup K (34) Spårdjup F (38) Spårdjup V (28) Spårdjup S (21) Spårdjup H (36) Figur 13 Utveckling av spårdjup för respektive material. Medelvärde av två profiler. (LA inom parentes.) 5.3 Kornkurvor Utvärdering av nedbrytningen från hjullasten gjordes genom att bestämma kornstorleksfördelning på testmaterialen efter test. I Figur 14 till Figur 18 redovisas kornkurvorna efter test för respektive material jämfört med före-kurvan. Kurvorna efter test är beräknad på summaprov efter provtagning (allt provtaget material på hela provgropsdjupet, hela tjockleken), se även kapitel 3.4 Tjockleken på hela lagret är 8 cm för material H, V, F och K. För material S var lagret 8,5 cm. Medeltjocklekarna för övre lagret var ca 4 cm (varierade från 2,5 6 cm). Total provmängd för tre provgropar i varje material var 16 18 kg. Delproverna (övre eller undre del för varje provgrop) varierade i vikt i spannet 1,5 4,5 kg. VTI notat 4-211 23

Figur 14 Material K (LA 34, M DE 1). Kornkurvor före och efter test. Figur 15 Material F (LA 38, M DE 9). Kornkurvor före och efter test. 24 VTI notat 4-211

Figur 16 Material S (LA 21, M DE 5). Kornkurvor före och efter test. Figur 17 Material V (LA 28, M DE 16). Kornkurvor före och efter test. VTI notat 4-211 25

Figur 18 Material H (LA 36, M DE 8). Kornkurvor före och efter test. Beräknar man kornkurvor för övre och undre skikten visar det sig att det undre skiktet är finare än eller i stort lika med det övre för samtliga material. Se exempel i Figur 19. Figur 19 Material S. Övre och undre skikt. Skillnaden mellan undre och övre skiktet för samtliga material redovisas i Figur 2. Material H har störst skillnad men det beror delvis på att kornkurvan för övre skiktet är till och med något grövre än före test-kurvan. 26 VTI notat 4-211

14% Skillnad pass % 12% 1% 8% 6% 4% 2% Mtrl H (LA36) Mtrl V (LA28) Mtrl S (LA21) Mtrl F (LA38) Mtrl K (LA34) % 2%,625,125,25,5 1 2 4 8 16 32 Korntorlek, mm Figur 2 Skillnaden mellan undre och övre skiktet. Positivt värde innebär att det undre skiktet är finare. 5.3.1 Skillnad mellan före och efter. Differensen mellan före test och efter HVS redovisas för varje material i Figur 21. Differensen är beräknad för varje sikt på summaprov efter HVS. Skillnad pass % 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% Mtrl H (LA36) Mtrl V (LA28) Mtrl S (LA21) Mtrl F (LA38) Mtrl K (LA34) %,625,125,25,5 1 2 4 8 16 32 Kornstorlek, mm Figur 21 Differens mellan före test och efter HVS. Störst differens är generellt i spannet 4 16 mm. 5.3.2 Kontroll av kornstorleksfördelning utanför belastningsspåret För att kontrollera nedbrytning från packning eller omlagring under test bestämdes kornstorleksfördelning på material utanför belastningsspåret, Figur 22. VTI notat 4-211 27

Passerande 1% F utanför spår, efter HVS 9% H utanför spår, efter HVS 8% K utanför spår, efter HVS 7% S utanför spår, efter HVS 6% V utanför spår, efter HVS 5% Förslag Fullerkurva 4% 3% 2% 1% %,625,125,25,5 1 2 Kornstorlek, mm 4 8 16 32 Figur 22 Kornkurvor utanför spåret. 5.4 Samband mellan nedbrytning och stenkvalitet. Olika mått har beräknats och testats för samband mot stenkvalitet. Med stenkvalitet menas här i första hand motstånd mot fragmentering (LA) men i vissa fall även motstånd mot nötning (M DE ). För att enkelt kunna jämföra förändringar av kornkurvan med andra egenskaper, t.ex. Los Angelesvärde, kan det vara en fördel att beskriva kornkurvan med någon form av mått angivit med ett siffervärde. Olika mått har beräknats, dels mått för respektive kornkurva men även med hänsyn till skillnaden, differenser, mot före-kurvan : Ändring av finkornhalt (mtrl <,63 mm) Summa av differensen för alla siktar, Summa av differensen för siktar 1 mm Area under kurvan Differensen mellan areor. 5.4.1 Ändring av finkornhalt Ändringen av finkornhalt är helt enkelt skillnaden vid sikt,63 mm mellan förekurvan och kurvan efter HVS-test. Totalt summaprov samt summaprov före övre och undre skikt har studerats, Figur 23. 28 VTI notat 4-211

Ändring vid,63 pass % 1,8% 1,6% 1,4% 1,2% 1,%,8%,6%,4%,2%,% 2 25 3 35 4 LA Diff,63 Diff,63 övre Diff,63 undre Figur 23 Ändring vid,63 mm som funktion av LA. Inget samband mellan LA och ändring av finkornhalt kan utläsas ur diagrammet ovan. Ett svagt samband (R 2 =,39) mellan micro-deval och differensen för undre skiktet finns, se Figur 24. Ändring vid,63 pass % 1,8% 1,6% 1,4% 1,2% 1,%,8%,6%,4%,2%,% R² =,39 5 1 15 2 Mde Diff,63 Diff,63 övre Diff,63 undre Figur 24 Ändring vid,63 mm som funktion av micro-deval. 5.4.2 Summa av differensen för siktar Summering av differensen för passerande halter har gjorts för: alla siktar, alla siktar exklusive mellansiktar (5,6; 11,2 och 22,4 mm) alla siktar 1 mm. VTI notat 4-211 29

I princip likartade mönster erhålls om de plottas som funktion av LA, Figur 25. Ett samband fås för tre av fem material, de tre med lägst LA-värden (21, 28 och 34). 7% 6% 5% 4% 3% 2% Summa diff alla siktar. Summa (exkl mellansiktar) Summa 1mm 1% % 2 25 3 35 4 LA Figur 25 Summering av differens för siktar kontra LA. 5.4.3 Areor under kurvan. Arean under kurvan för siktkurvorna är beräknade som summan av ett antal rektanglar. Bredden på varje rektangel är det logaritmiska avståndet (med basen 2) mellan två närliggande siktar. Höjden på varje rektangel är medelvärdet av de två närliggande siktarnas passerande mängder. Se exempel i Tabell 7. Tabell 7 Beräkning av area. Exempel från målkurvan för proportionering Sikt,63,125,25,5 1 2 4 5,6 8 11,2 16 22,4 31,5 Pass-% 2,5 3,8 5,7 8,6 12,9 19,5 29,4 35,9 44,4 54,2 66,9 81,7 1, Log(sikt)/ log(2) 3,99 3, 2, 1,, 1, 2, 2,49 3, 3,49 4, 4,49 4,98 Log avstånd,99 1, 1, 1, 1, 1,,49,51,49,51,49,49 Medel pass-% 3,1 4,7 7,1 1,8 16,2 24,5 32,7 4,2 49,3 6,6 74,3 9,9 Area 1,31,47,71,18,162,245,16,25,242,39,364,445 Summa area 2,389 Beräknade areor för kurvor före test och summa prover efter HVS samt målkurvan för proportioneringen (Fullerkurva, n=,593) redovisas i Figur 26. Skillnaden mellan areorna illustreras tydligare i Figur 27. Arean under kurvorna har ökat i medel med 12 % (6 17 %) efter HVS-test. 1 För passerande % används decimalform, 3,1 % =,31 3 VTI notat 4-211

3, 2,5 2, 1,5 1, Area före Area efter Målkurva, Fuller,5, S (21) V (28) K (34) H (36) F (38) Figur 26 Areor under kurvan för före och efter test samt målkurvan för proportioneringen. På x-axeln materialbeteckning (med LA).,45,4,35,3 Area diff,25,2,15,1,5, S (21) V (28) K (34) H (36) F (38) Figur 27 Differens av arean mellan före och efter test för varje material, beteckning (med LA). Med god vilja kan man hitta ett samband mellan areadifferensen för undre skiktet och Los Angelesvärde för fyra material, de lila kryssen med den lila streckade linjen i Figur 28, R 2 =,75. För summerade totalprov hamnar tre av fem material på linje, den gröna heldragna. För micro-deval finns endast svaga korrelationer (som inte förstärks av att ta bort något material). VTI notat 4-211 31

Area diff,45,4,35,3,25,2,15,1,5, R² =,22 R 2 =,75 R² =,21 undre skikt(mde) summa prov(mde) undre skikt(la) summa prov(la) 1 2 3 4 M DE eller LA Figur 28 Areadifferenser som funktion av micro-deval eller Los Angeles. 32 VTI notat 4-211

6 Diskussion Några starka samband mellan nedbrytning (förändring av kornkurvan) och stenkvalitet, LA (fragmentering) eller M DE (nötning), har inte påvisats i stycke 5.4 ovan. I Figur 29 ser man att det även är svårt att hitta starka samband mellan förändring av kornkurvan och kombinationen av fragmentering och nötning (LA x M DE ). Lägger man till kornform, FI, ökar sambandet endast marginellt, Figur 3.,5,4 R² =,15 Area differens,3,2,1 R² =,1 R² =,6 Summa(LA x Mde) Övre(LA x Mde) Undre(LA x Mde), 1 2 3 4 5,1 LA x M DE Figur 29 Förändring av kornkurva i jämförelse med LA x M DE (kombinerat). I Figur 29 och Figur 3 visas förhållandet mellan areadifferenser för respektive materials kornkurva för hela lagret (Summa) samt övre och undre skiktet.,5,4 R² =,9 Area differens,3,2,1 R² =,22 R² =,15 Summa(LA x Mde x FI) Övre(LA x Mde x FI) Undre(LA x Mde x FI),,1 2 4 6 8 1 LA x M DE x FI Figur 3 Förändring av kornkurva i jämförelse med LA x M DE x FI. VTI notat 4-211 33

En observation som gjordes efter test var att stenskelettet (de grövre kornen) stack upp som åsar i provytan (Figur 31). Samtidigt kunde en tunn hinna av finmaterial anas i matrixen mellan åsarna. Denna finmaterialshinna var så tunn att den är svår att dokumentera med foto (Figur 32) och i praktiken omöjlig att provta och analysera på laboratoriet. Figur 31 Yta med tydligt stenskelett. Figur 32 Schaktvägg från provgrop. Förutom nedbrytning har även omlagring skett. Finmaterial har kunnat vandra nedåt i de hålrum som finns i det relativt öppna bärlagermaterialet. Vilket även konstaterats i försök på 197-talet (Höbeda, 1977 och Höbeda et al., 1979). Omlagring visas genom ett klart samband mellan spårdjup och skillnaden mellan skikten (differens i areor för övre och undre skikt) i Figur 33. I försöken från 197-talet uppstod problem med utvärdering på grund av separationer. Dessa problem minimerades i detta försök genom att provvolymen var begränsad vilket gjorde det möjligt att väldigt noggrant hantera det proportionerade materialet. 2 15 R² =,97 Spårdjup 1 5,1,1,2,3,4,5,6 areadiff (Undre Övre) Figur 33 Samband mellan spårdjup och skillnad mellan övre och undre skikt. Viss separation kan ses i detta försök på vissa ytor genom att materialet utanför belastningsspåret intill kanterna är (något) grövre vilket även synts okulärt och genom provtagning (Figur 22). Det är relativt smala stråk av material utanför spåret så totala 34 VTI notat 4-211

påverkan bedöms som liten/ringa. Medelkurvor (med lika viktning) av utanför och mitt i spåret ger totalt (något) finare material efter testet. Egenskapen motstånd mot fragmentering, LA, speglar troligtvis i huvudsak ökningen av grövre material medan egenskapen motstånd mot nötning, M DE, speglar ökningen av finkornhalt. Absolutvärdet av ökningen är störst i spannet 4 16 mm vilket då skulle visa att LA har ett samband med nedbrytning från hjullast. Relativa ökningar ger en jämnare spridning (Figur 34). Studier av relativa ökningen gör ingen stor skillnad mot andra samband som sökts i detta arbete då ursprungsmaterialen var så lika. Relativ skillnad pass % 45% Mtrl H 4% Mtrl V 35% 3% Mtrl S 25% Mtrl F 2% Mtrl K 15% 1% 5% % 5%,625,25 1 4 16 Kornstorlek, mm Figur 34 Relativ skillnad mellan före och efter HVS. Efter 23 överfarter ändrades belastningen, i de sista 2 överfarterna kördes det bara i centrum och hastigheten ökades till 8 km/h. Förhoppningen var att se om nedbrytningen kunde accelereras ytterligare. I princip ökade inte spårdjupet efter denna åtgärd. Ökning av spårdjupet avtog generellt efter ca 1 överfarter. Den högre hastigheten, 8 km/h, är troligtvis närmare den reella hastigheten för byggtrafik. Ökade problem med till exempel materialtransport observerades inte vilket till viss del befarats. Att sambanden i denna studie är svaga mellan LA-värde och nedbrytning beror förhoppningsvis på ett litet urval av material. Orsaker till att resultaten inte visar på tydliga samband kan bero på petrografiska och mineralogiska egenskaper, detta till trots att valda material utgörs av bergarter av granitisk sammansättning. Mineralogiska, petrologiska och mikrostrukturella egenskaper som bedöms påverka resultatet är bl.a: mineralsammansättning, mikrosprickor och kornfogning. VTI notat 4-211 35

6.1 Fortsatt arbete För fortsatt arbete finns det två spår. De spåren är de två alternativ som diskuterades i början av projektet: HVS och/eller WTT. Båda spåren parallellt kan vara att föredra, se även 6.1.1 och 6.1.2. Fortsatt arbete innebär test av fler material, andra kornkurvor av samma material och utveckling av testvarianter. Petrografi är lämpligt att bestämma på testade material. 6.1.1 HVS För att kunna öka det statistiska underlaget och studera repeterbarheten bör flera försök göras i HVS:en. Vid försök med nya material bör ett till två material vara med som referens. Fördel: Flera material kan testas samtidigt under identiska förhållanden. Fullskala med avseende på laster (inklusive hjul) och verklig konstruktion. Nackdel: Provning är komplex. Minst 4 5 längdmeter ( 4 5 st.) testmaterial per försök. Tids- och kostnadskrävande om inte lämplig konstruktion finns att utnyttja. 6.1.2 WTT Ett sätt att göra testet mer hanterbart är att flytta in det i laboratoriet. Här ska man då utnyttja WTT-utrustningen. Till att börja med utnyttja samma material som i denna rapport. Fördel: Vid enstaka nya material eller materialvarianter är det lätt att utföra testet. Behöver inte samköras med andra. Mindre materialåtgång, ca 1/3 mot HVS. Nackdel: Bra packningsnivå eller -metod behöver fastställas. Vissa belastningsbegränsningar vad gäller sidläge och hastighet jämfört med HVS. 36 VTI notat 4-211

7 Slutsats Man kan skapa nedbrytning från hjullast i obundet bärlager med HVS. Det är dock svårt att hitta ett tydligt samband mellan denna nedbrytning och motstånd mot fragmentering, Los Angelesvärde, med de material som testats i detta projekt. Därför är det efter denna undersökning inte heller möjligt att rekommendera en ny kravnivå för LA-värde på obundet bärlager. Den viktigaste slutsatsen från detta projekt är att metodiken fungerar för att studera nedbrytning och omlagring från hjullast i obundna materiallager. VTI notat 4-211 37

8 Litteratur/Referenser Metodreferenser SS-EN 933-1, Ballast Geometriska egenskaper Del 1: Bestämning av kornstorleksfördelning Siktning. SS-EN 933-3, Ballast Geometriska egenskaper Del 3: Bestämning av kornform Flisighetsindex. SS-EN 197-1, Ballast Mekaniska och fysikaliska egenskaper Del 1: Bestämning av nötningsmotstånd (micro-deval). SS-EN 197-2, Ballast Mekaniska och fysikaliska egenskaper Del 2: Metoder för bestämning av motstånd mot fragmentering. SS-EN 197-6, Ballast Mekaniska och fysikaliska egenskaper Del 6: Bestämning av korndensitet och vattenabsorption. VVMB 65 Bestämning av densitet och vattenkvot med isotopmätare. Vägverket Publikation 1993:26. VTI-referenser Höbeda, P. 1977. Nedbrytningsbenägenheten hos bärlagergrus fältförsök på provbanan vid Tystberg, 1975. VTI Meddelande 63. Höbeda, P., Bünsow, L., Viman, L. 1979. Försöksytor Fjugesta-Lanna 1974 Undersökning av bärlagergrus med olika petrografisk beskaffenhet. VTI Meddelande 162. Wiman, L. G. 21. Accelererad provning av vägkonstruktioner. Referensöverbyggnad enligt ATB VÄG. VTI Rapport 628. Hellman, F. 211(?). Rapportering av projektet: Energieffektivt utnyttjande av bergmaterial i väglinjen. Trafikverket VVTBT 29. Obundna lager. Trafikverket (Vägverket) publikation 29:117. 38 VTI notat 4-211

Bilaga A Sid 1 (1) A. Spårbildning Spårbildningens utveckling redovisas i denna bilaga för varje linje, två för varje material. Se även 5.2. A.1. Material K 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 5 1 15 2 25 3 5 1 15 2 23 25 Material K, linje 1_1, hela profilen. 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 5 1 15 2 25 3 5 1 15 2 23 25 Material K, linje 1_2, hela profilen. VTI notat 4-211

Bilaga A Sid 2 (1) 6 85 65 15 125 145 165 185 7 75 8 85 9 5 23 25 95 1 Material K, linje 1_1, in zoomad del, sidläge 85 1 9. 6 85 15 125 145 165 185 65 7 75 8 85 5 23 25 9 95 1 Material K, linje 1_2, in zoomad del, sidläge 85 1 9. Passager 1 2 3 Spårdjup, mm 2 4 6 8 1 1_1 1_2 Spårdjup K Material K, Spårdjupsutveckling, enskilda linjer och medelvärde VTI notat 4-211

Bilaga A Sid 3 (1) A.2. Material F 2 2 4 6 8 5 1 15 2 25 3 5 1 15 2 23 25 1 Material F, linje 2_3, hela profilen. 2 2 4 6 8 5 1 15 2 25 3 5 1 15 2 23 25 1 Material F, linje 2_4, hela profilen. VTI notat 4-211

Bilaga A Sid 4 (1) 6 85 65 15 125 145 165 185 7 75 8 85 9 5 23 25 95 1 Material F, linje 2_3, in zoomad del, sidläge 85 1 9. 6 85 65 135 185 7 75 8 85 9 5 23 25 95 1 Material F, linje 2_4, in zoomad del, sidläge 85 1 9. Passager 1 2 3 Spårdjup, mm 2 4 6 8 1 12 2_3 2_4 Spårdjup F Material F, Spårdjupsutveckling, enskilda linjer och medelvärde. VTI notat 4-211

Bilaga A Sid 5 (1) A.3. Material S 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 5 1 15 2 25 3 5 1 15 2 23 25 Material S, linje 3_5, hela profilen. 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 5 1 15 2 25 3 5 1 15 2 23 25 Material S, linje 3_6, hela profilen. VTI notat 4-211

Bilaga A Sid 6 (1) 5 85 55 135 185 6 65 7 75 8 5 23 25 85 9 Material S, linje 3_5, in zoomad del, sidläge 85 1 9. 5 85 55 135 185 6 65 7 75 8 85 5 23 25 1 15 2 9 Material S, linje 3_6, in zoomad del, sidläge 85 1 9. Passager 1 2 3 2 Spårdjup, mm 4 6 8 1 12 3_5 3_6 Spårdjup S 14 16 Material S, Spårdjupsutveckling, enskilda linjer och medelvärde VTI notat 4-211

Bilaga A Sid 7 (1) A.4. Material V 1 5 1 15 2 25 2 3 4 5 6 7 8 5 1 15 2 23 25 9 1 Material V, linje 4_7, hela profilen. 2 2 4 6 8 1 5 1 15 2 25 3 5 1 15 2 23 25 12 Material V, linje 4_8, hela profilen. VTI notat 4-211

Bilaga A Sid 8 (1) 6 85 65 135 185 7 75 8 85 5 23 25 9 95 1 Material V, linje 4_7, in zoomad del, sidläge 85 1 9. 6 85 65 15 125 145 165 185 7 75 8 85 9 5 23 25 95 1 Material V, linje 4_8, in zoomad del, sidläge 85 1 9. Spårdjup, mm 2 4 6 8 1 12 14 Passager 1 2 3 4_7 4_8 Spårdjup V Material V, Spårdjupsutveckling, enskilda linjer och medelvärde. VTI notat 4-211

Bilaga A Sid 9 (1) A.5. Material H För andra linjen (5_1) på yta H var nollmätningen misslyckad. Nollan för den beräknas så att samma skillnad mellan passager och 5 passager fås för båda linjerna. 2 2 4 6 8 5 1 15 2 25 3 5 1 15 2 23 25 1 Material H, linje 5_9, hela profilen. 2 2 4 6 8 5 1 15 2 25 3 5 1 15 2 23 25 1 Material H, linje 5_1, hela profilen. VTI notat 4-211

Bilaga A Sid 1 (1) 6 85 65 135 185 7 75 8 85 9 5 23 25 95 1 Material H, linje 5_9, in zoomad del, sidläge 85 1 9. 6 85 65 135 185 7 75 8 85 9 5 23 25 95 1 Material H, linje 5_1, in zoomad del, sidläge 85 1 9. Passager 1 2 3 Spårdjup, mm 5 1 15 2 5_9 5_1 Spårdjup H 25 Material H, Spårdjupsutveckling, enskilda linjer och medelvärde. VTI notat 4-211

www.vti.se vti@vti.se VTI är ett oberoende och internationellt framstående forskningsinstitut som arbetar med forskning och utveckling inom transportsektorn. Vi arbetar med samtliga trafikslag och kärnkompetensen finns inom områdena säkerhet, ekonomi, miljö, trafik- och transportanalys, beteende och samspel mellan människa-fordon-transportsystem samt inom vägkonstruktion, drift och underhåll. VTI är världsledande inom ett flertal områden, till exempel simulatorteknik. VTI har tjänster som sträcker sig från förstudier, oberoende kvalificerade utredningar och expertutlåtanden till projektledning samt forskning och utveckling. Vår tekniska utrustning består bland annat av körsimulatorer för väg- och järnvägstrafik, väglaboratorium, däckprovningsanläggning, krockbanor och mycket mer. Vi kan även erbjuda ett brett utbud av kurser och seminarier inom transportområdet. VTI is an independent, internationally outstanding research institute which is engaged on research and development in the transport sector. Our work covers all modes, and our core competence is in the fields of safety, economy, environment, traffic and transport analysis, behaviour and the man-vehicle-transport system interaction, and in road design, operation and maintenance. VTI is a world leader in several areas, for instance in simulator technology. VTI provides services ranging from preliminary studies, highlevel independent investigations and expert statements to project management, research and development. Our technical equipment includes driving simulators for road and rail traffic, a road laboratory, a tyre testing facility, crash tracks and a lot more. We can also offer a broad selection of courses and seminars in the field of transport. HUVUDKONTOR/HEAD OFFICE LINKÖPING BORLÄNGE STOCKHOLM GÖTEBORG POST/MAIL SE-581 95 LINKÖPING POST/MAIL BOX 92 POST/MAIL BOX 55685 POST/MAIL BOX 872 TEL +46()13 2 4 SE-781 29 BORLÄNGE SE-12 15 STOCKHOLM SE-42 78 GÖTEBORG www.vti.se TEL +46 ()24344686 TEL +46 ()8555 77 2 TEL +46 ()317526