Luleå tekniska universitet Institutionen för samhällsbyggnad Centrum för bergmaterialforskning KOMPLETTERANDE UNDERSÖKNING AV FRI GLIMMERS SPECIFIKA VATTENUPPTAGNINGSFÖRMÅGA Luleå 2009-05-28
Förord Föreliggande kompletterande utredning genomfördes på vägverkets uppdrag och finansierades av FuD fonden. Projektet genomfördes av Centrum för bergmaterial forskning, LTU, i samarbete med Ekovision (statistisk utvärdering). Projektledare och handledare var professor Karel Miskovsky. 2(10)
Sammanfattning I syfte att förtydliga de i tidigare utredningar uppnådda resultaten (Bäckström & Andersson 2007, Kondelcuk m.fl 2008) utfördes en kompletterande selektiv provtagning av sju prov åtföljda av vattenupptagningsförsök. Metodiken för provbehandling, bestämning av fri glimmerhalt och testning av provens vattenupptagningsförmåga var de samma som i de tidigare försöken. Utvärdering av resultaten från båda utredningarna visar klart att finfraktionens (< 0,5 mm) vattenupptagningsförmåga ökar exponentiellt med ökande glimmerhalt. Brytpunkten ligger under 30 % gränsen. Resultaten visar att vid glimmerhalter på 0-25% stiger den specifika vattenupptagningsförmåga med ca 12 ml/kg medan den ökar med 40 ml/kg mellan 25-40% d.v.s. mer än tredubblas. Med hänsyn till utredningarnas resultat rekommenderas att gränsvärdet för glimmerhalt i bärlagrets finfraktion bör sättas vid eller under 30 procent. Det idag tillämpade gränsvärdet på 50 procent (om bärlagret inte trafikeras) bör inte gälla. För att underbygga kommande beslut rekommenderas testning av provsträckor med bärlager innehållande fri glimmerhalt, under och över den föreslagna gränsen, inom regioner med svåra klimatologiska förhållanden. 3(10)
Innehåll 1 Inledning... 5 2 Metod... 5 3 Resultat... 5 4 Utvärdering och diskussion... 9 5 Referenser... 10 4(10)
1 Inledning Våren 2009 presenterades en undersökning med titeln Free mica in fine fraction and its influence on the quality of aggregate products (Kondelchuk m fl, 2008) med resultat gällande fri glimmers specifika vattenupptagnings förmåga. Undersökningen visade att finmaterialets vattenupptagningsförmåga ökade exponentiellt med ökande halt av fri glimmer. Eftersom undersökningens resultat kan användas som underlag för kommande bestämmelser för tillåten halt av fri glimmer i bärlagrets finfraktion och vid produktion av bituminösa beläggningar fick Centrum för bergmaterialforskning LTU uppdrag att utföra en kompletterande undersökning. Syftet var att närmare identifiera brytpunkten för den kritiska halten av fri glimmer. 2 Metod Sju selektivt utvalda bärlagerprov med fri glimmerhalt varierande mellan 0.5-7, 23-29, 37-50, 35-59, 44-50, 43-54 och 54-61 (%) siktades i fraktioner <0,063, 0, 063-0,125, 0,125-0,25 och 0,25-0,5 (mm). Varje fraktion torkades och vägdes. Därefter mättades proven med vatten under 2 veckor. De vattenmättade proven dekanterades på överskottsvatten och vägdes på nytt. Differensen mellan vattenmättat och torrt prov x 1000/torrvikt ger provets specifika vattenupptagningsförmåga i ml/kg. Resultat av den tidigare utförda utredningen (serie 1, 2007) kompletterades med resultaten från 2009. Totalt gav detta 44 prov. Vid statistiska test har ickeparametriska metoder används genomgående. Anledningen till detta är främst att dessa metoder inte kräver att data (i detta fall glimmerhalt angiven i %) transformeras. För analys av samband har Sperman s rangkorrelation används och för variansanalys Kruskall-Wallis One way analysis of Variance (för beskrivning av dessa metoder se t.ex. Zar 1996). För statistiska test användes SYSTAT 12 (Systat software inc). Signifikansnivån sattes till p < 0,001. 3 Resultat Den kompletterande undersökningens grundresultat presenteras i tabell 1. Grafisk och statistisk utvärdering av tidigare och kompletterande data visas i fig. 1-3. Tidigare resultat (Kondelchuk m fl 2008 samt Bäckström &Andersson 2007) indikerade att vattenupptaget i finfraktion från olika bergarter ökade med minskande kornstorlek. Vattenupptaget i föreliggande material visade inga påtagliga skillnader mellan olika fraktioner (Figur 1). Kruskall-Wallis test visade inte heller på några skillnader (KW test statistic = 0,44, n = 44, p = 0,98). 5(10)
400 390 Gnomsnittlig vatttenabsorption (ml/kg) 380 370 360 350 340 330 320 1 2 3 4 5 Figur 1. Genomsnittlig specifik vattenabsorption för olika fraktioner. Data från serie1 2007 och den kompletterande undersökningen 2009. Totalt 44 observationer. 1= <0,063, 2 = 0,063-0,125, 3 = 0,125-0,25 4 = 0,25-0,5 och 5=0,5-1 mm. 6(10)
Tabell 1. Numerisk presentation av erhållna resultat på det kompletterande materialet som testades 2009. Fraktion Glimmer (%) Torrvikt (g) Vattenmättad (g) V -T ( g) 7(10) Specifikt vattenupptag (ml/kg) Prov 1 <0,063 49,5 40,379 54,761 14,383 356,19 Prov 1 0,063-0,125 47,0 44,59 60,29 15,7 352,09 Prov 1 0,125-0,25 44,0 47,208 63,907 16,7 353,75 Prov 1 0,25-0,5 50,0 45,307 63,655 18,348 404,98 Prov 2 <0,063 54,0 41,557 55,276 13,719 330,12 Prov 2 0,063-0,125 42,0 46,406 61,538 15,132 326,07 Prov 2 0,125-0,25 50,0 46,211 61,504 15,293 330,93 Prov 2 0,25-0,5 43,0 47,763 63,026 15,263 319,55 Prov 3 <0,063 7,0 30,544 37,797 7,2528 237,46 Prov 3 0,063-0,125 3,0 50,498 62,58 12,082 239,26 Prov 3 0,125-0,25 6,0 52,985 64,826 11,842 223,49 Prov 3 0,25-0,5 0,5 53,712 69,179 15,467 287,96 Prov 4 <0,063 50,0 42,164 54,372 12,208 289,54 Prov 4 0,063-0,125 39,0 44,964 61,741 16,778 373,13 Prov 4 0,125-0,25 43,0 44,546 62,381 17,835 400,38 Prov 4 0,25-0,5 37,0 46,944 64,157 17,213 366,67 Prov 5 <0,063 39,0 44,088 60,191 16,103 365,24 Prov 5 0,063-0,125 35,0 44,796 62,397 17,601 392,90 Prov 5 0,125-0,25 44,0 45,523 64,107 18,585 408,25 Prov 5 0,25-0,5 59,0 44,564 63,716 19,152 429,77 Prov 6 <0,063 61,0 37,514 50,841 13,327 355,25 Prov 6 0,063-0,125 58,0 41,782 56,512 14,731 352,57 Prov 6 0,125-0,25 54,0 43,959 58,084 14,125 321,31 Prov 6 0,25-0,5 61,0 47,167 61,829 14,662 310,85 Prov 7 <0,063 29,0 42,988 54,785 11,797 274,43 Prov 7 0,063-0,125 23,0 46,83 60,474 13,644 291,36 Prov 7 0,125-0,25 23,0 49,96 62,824 12,864 257,49 Prov 7 0,25-0,5 24,0 49,581 64,585 15,004 302,61
Den specifika vattenabsorptionen i förhållande till glimmerhalt visas i figur 2 och 3. Figur 2 visar resultaten som erhölls 2007 och figur 3 resultat för hopslagna data från serie 1, 2007 och kompletterande data för 2009. Statistisk analys visade att i alla serier var det ett mycket starkt positivt samband mellan glimmerhalt och vattenabsorption (Sperman s rangkorrelation, rs = 0,71-0,91, p<0, 001 i samtliga fall). Exponentiella och polynomiala regressionsmodeller visade mycket stor överensstämmelse med data i alla serier (R 2 > 0,8). I praktiken innebär detta att det specifika vattenupptaget till största del (ca. 80%) kan förklaras av glimmerhalten i materialet. Resultaten visar att vid glimmerhalter på 0-25% stiger den specifika vattenupptagningsförmåga med ca 12 ml/kg medan den ökar med 40 ml/kg mellan 25-40% d.v.s. mer än tredubblas. 800 Vattenabsorption (ml/kg) 700 600 500 400 serie1 2007 Serie2 2007 Poly. (serie1 2007) Poly. (Serie2 2007) y = 0,0437x 2-0,5871x + 308,13 R 2 = 0,90 y = 0,0646x 2-2,6113x + 344,07 R 2 = 0,89 300 200 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Fri glimmer (%) Figur 2. Specifik vattenabsorption i förhållande till halt av fri glimmer. Resultaten från två serier på material som testades 2007. Kurvorna visar resultatet av polynomial regression på data, samt regressionskoefficient. 8(10)
Vattenabsorption (ml/kg) 800 700 600 500 400 2007 & 2009 Poly. (2007 & 2009) y = 0,0414x 2-0,1156x + 271,83 R 2 = 0,82 Figur 3. Specifik vattenabsorption i förhållande till halt av fri glimmer. Resultat från serie 1 som testades 2007 och den kompletterande serien 2009. Kurvorna visar resultatet av polynomial regression på data, samt regressionskoefficient. 4 Utvärdering och diskussion Den statistiska utvärderingen av resultaten visar på ett tydligt positiv samband mellan innehåll av fria glimmerpartiklar och ökande vattenabsorption. Sambandet var inte linjärt utan snarare exponentiellt (figur 2 och 3). Resultat av den kompletterade provserien i kombination med tidigare data (fig.3) indikerar att fri glimmerhalt i bärlagrets finfraktion (<0,063 0,5 mm) bör understiga 30 % för att undvika problem med tjälskador. Detta med speciell hänsyn till regioner som har hög frekvens av frysnings och upptinings cykler. För att underbygga kommande beslut rekommenderas testning av provsträckor med bärlager innehållande friglimmerhalter under och över den föreslagna gränsen inom regioner med svåra klimatologiska förhållanden. 9(10)
5 Referenser Novikov E., Arvidsson H., Lorrents K-J., Miskovsky K. The behavior of mica-rich base-course aggregates under freezing-thawing conditions. Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydro- geology. Novikov E., Miskovsky K. The capillarity of mica-rich base- course aggregates. Journal of Materials Engineering and Performance. Kondelchuk D., Novikov E., Lorrents K-J., Miskovsky K., Löfgren O. Mica - water absorption and retaining capacity. Submitted to Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology. -Bäckström, F; Andersson M. 2007. En studie om glimmers förmåga att absorbera och kvarhålla fukt genom kapillära krafter i jämförelse med finfraktion utan glimmer samt glimmers kohesiva egenskaper. Luleå tekniska universitet, Y-uppsats. -Zar J. H. 1996. Biostatistical analysis. 3;e upplagan, Prentice & Hall 1996. 10(10)