Transkript

1

2

3

4

5 2 English summary This report presents results from investigations on asphalt-mix properties of field samples. Elastic modulus and deformation properties have been measured on core samples. Methods used in the analyses are Indirect Tensile Stiffness Modulus (ITSM) test and Indentation Repeated Load Axial Test (INDENT) on the Nottingham Asphalt Tester (NAT). Main conclusions from the investigations are: Precision is of vital importance when field samples are collected. It is difficult to collect field samples with standardized geometry from thin asphalt pavements. Measuring E-modulus using repeated load pulses on NAT seems to give a reasonable ranking of asphalt mixes. There are great variations in the results from deformation tests using INDENT on NAT. Questions could be raised if the method for measuring deformation properties has to be adjusted, or if another method has to be chosen. The results from these investigations have given some useful experience regarding the material properties of different asphalt mixes. However, further laboratory testing on field samples has to be conducted before specifications are established.

6

7 3 INNHOLDSFORTEGNELSE English summary Innledning Omfang Metoder og standarder Densitet Elastisk stivhet (Indirect Tensile Stiffness Modulus, ITSM) Dynamisk kryp (Indentation Test, INDENT) Prosedyrer for preparering og testing Preparering av prøver Generelt Elastisk stivhet Dynamisk kryptest Kondisjonering av prøver Elastisk stivhet Dynamisk kryp Test prosedyrer Elastisk stivhet Dynamisk kryp Ekstraksjon, gjenvinning og testing av bindemiddel Resultater Densitet Elastisk stivhet Samlede resultater Vurdering av faktorer som har betydning for E-modulen Dynamisk kryp Resultater for hver dekketype Samlede resultater Ekstraksjon, gjenvinning og testing av bindemiddel Funksjonskrav til asfaltdekker i Sverige Generelt Deformasjonsmotstand (stabilitet) Slitelag Bindlag Bærelag Stivhet (E-modul) Eksempel på krav gitt i typeblad Vurderinger Konklusjoner Referanser...35

8 4 Bilag 1 Bilag 2 Bilag 3 Bilag 4 Resepter. Data for enkeltprøver: - E-modul-prøver - Deformasjonsprøver Resultater for enkeltprøver; E-modul ved 10 ºC. Resultater for enkeltprøver; E-modul ved 20 ºC.

9 5 1 Innledning Spordannelser i asfaltdekker skyldes i hovedsak piggdekkslitasje og deformasjoner. I de senere år er det utviklet asfaltdekker som er mer bestandige mot piggdekkslitasje, samtidig som det i de største byene også er innført ordninger som skal gjøre det mer attraktivt å kjøre piggfritt. Det trengs imidlertid mer forskning for å utvikle asfaltdekker som har bedre deformasjonsegenskaper. I PROKAS-prosjektet er målsettingen å finne bedre metoder for å bestemme materialegenskapene til asfalt. Arbeidsgruppen for deformasjon/stivhet har hatt som målsetting å finne nye metoder til å bestemme materialenes elastiske stivhet (E-modul) og motstand mot permanente deformasjoner (plastisk deformasjon som medfører spordannelse). PROKAS har gjennomført en undersøkelse for å se på variasjoner i materialegenskaper for asfaltdekker i felt. Prøvene er vurdert ved bruk av syklisk stivhetstest og dynamisk kryptest på Nottingham Asphalt Tester (NAT). Formålet er å bygge opp erfaring og få oversikt over materialegenskapene til norske massetyper testet med NAT. Denne rapporten beskriver resultatene fra denne undersøkelsen.

10 6 2 Omfang Undersøkelsen tok utgangspunkt i ulike asfaltdekker utlagt sesongen Det ble tatt ut prøver til både testing av elastisk stivhet og syklisk kryp, dvs. at det ble tatt ut prøver med diameter på både 10 og 15 cm. Det var en målsetting at dekketykkelsen skulle være minimum 3,5 cm og helst minst 4,0 cm, da prøvene skulle kappes i begge endeflater før testing. En oversikt over planlagt omfang av undersøkelsen er gitt i tabell 1. Tabell 1 Oversikt over planlagt omfang av undersøkelsen. Prøve nr. *) Dekketype Entreprenør Sted 1 20, A, B, C Ab 11 KoLo Veidekke Værnes flyplass A, B, C Ab 16 Oslo Vei E6 Klemetsrud A, B, C Ska 11 Oslo Vei Fagerheimsgata A, B, C Ska 16 Nordasfalt Narviktunnelen A, B, C Ab 11 L ***) Lemminkäinen Tønsberg A, B, C Agb 11 Lemminkäinen Fv A, B, C Ma 11 MESTA Fornes **) A, B, C Ma 16 MESTA Anfinnslett A, B, C Agb 11 m/gja MESTA Støren A, B, C Ab 11 m /Gja MESTA Støren A, B, C Ab 16 MESTA Støren *) Prøver merket A ble benyttet ved testing av elastisk stivhet, mens prøver merket B og C ble benyttet ved testing av syklisk kryp. **) Prøver fra Anfinnslett utgikk fra undersøkelsen. ***) L angir at det er benyttet 20 % Edelsplitt som er en lys steinsort og dermed gir en noe lysere asfaltmasse. Resepter for alle massetyper er gitt i bilag 1. I bilag 2 er det gitt en detaljert oversikt over data for hver enkelt prøve.

11 7 3 Metoder og standarder 3.1 Densitet Romvekt, ρ d, ble bestemt ved bruk av metode i Statens vegvesen håndbok 014, Laboratorieundersøkelser, Prøvens densitet; hydrostatisk overflatetørr. Spesifikk densitet ble bestemt ut fra arbeidsresept. Hulrom i hver enkelt prøve ble beregnet. 3.2 Elastisk stivhet (Indirect Tensile Stiffness Modulus, ITSM) For bestemmelse av elastisk stivhet ble undersøkelsen utført etter følgende forslag til standard: PrEN 12697, Bituminous mixtures - Test methods for hot mix asphalt Part 26: Stiffness (desember 2003). Her ble følgende metode benyttet: Annex C Indirect tension test on cylindrical specimens. 3.3 Dynamisk kryp (Indentation Test, INDENT) For bestemmelse av deformasjonsmotstand ble undersøkelsen utført etter følgende forslag til standard: Pr EN Bituminous mixtures - Test methods for hot mix asphalt - Part 25 "Cyclic compression test" (august 2003). Her ble følgende metode benyttet: "Test method A - Uniaxial cyclic compression test with confinement".

12 8 4 Prosedyrer for preparering og testing 4.1 Preparering av prøver Generelt Feltprøvene ble sendt til SINTEF for preparering. Prøvene ble saget på 2-bladet sag som vist i figur 1. Figur 1 Saging av prøver. Ved analysering av feltprøver er det av stor betydning at uttaket av prøvene er nøyaktig utført. Resultatene er veldig avhengige av kvaliteten på prøven som analyseres. Prøvene i dette prosjektet var tatt ut på ulike kanter av landet, og uttaket ble utført av forskjellige personer og utstyr. Kvaliteten på de uttatte prøver har derfor variert. Ett eksempel på unøyaktig prøveuttak er vist i figur 2. Vi ser at hele prøven er skjev. I dette tilfellet vil det være vanskelig å preparere en prøve som har parallelle endeflater og rette sider.

13 9 Figur 2 Skjev borprøve. Figur 3 og 4 viser også eksempler på prøver som vanskelig lar seg preparere slik at de får riktig form etter standardiserte krav til prøvegeometri. Prøvene er boret ut på en unøyaktig måte og har trolig blitt deformert etter uttak. Figurene viser også at dekkene delvis er for tynne til å få tatt ut gode prøver til testing.

14 10 Figur 3 Tynn og deformert borprøve (diameter 10 cm). Figur 4 Tynn og deformert borprøve (diameter 15 cm).

15 Elastisk stivhet - Det ble benyttet 5 parallelle prøver av hver massetype, bortsett fra dekket på Værnes, hvor det ble tatt ut 20 parallelle prøver. - Prøvene ble saget i begge ender slik at hver prøve fikk to plane flater. Etter saging ble prøvene tørket i romtemperatur (ikke over 25 ºC). - På den ene flate siden ble prøvene merket med to diametrale linjer vinkelrett på hverandre Dynamisk kryptest - Det ble benyttet 5 parallelle prøver av hver massetype, bortsett fra dekket på Værnes, hvor det ble tatt ut 20 parallelle prøver. - Prøvene skulle ha en diameter på 148+/-5 mm og en høyde på 60+/-2 mm. Da tykkelsen av borprøvene var under 60 mm ble to prøver på 30 mm lagt oppå hverandre under testing. - Prøvene ble saget i begge ender slik at hver prøve fikk to plane flater. Etter saging ble prøvene tørket i romtemperatur (ikke over 25 ºC). - Endeflatene på prøvene ble polert med slipepapir (Struers p 220). Til slutt ble støv fjernet fra flatene med børste. - Ved testing hadde alle prøver samme side opp. Siden som vendte opp i felt vendte også opp ved testing. 4.2 Kondisjonering av prøver Elastisk stivhet - Etter preparering og bestemmelse av romvekt ble prøvene lagt i klimarom ved 5 ºC. - Prøvene ble lagret hver for seg på en plan horisontal benk. - Før testing ble prøvene kondisjonert i klimakammer ved aktuell testtemperatur i minimum 4 timer. For å sikre riktig temperatur, ble en kontroll-prøve med temperaturfølere på overflaten og i senter plassert sammen med de øvrige prøvene Dynamisk kryp - Etter preparering og bestemmelse av romvekt ble prøvene lagt i klimarom ved 5 ºC. - Prøvene ble lagret hver for seg på en plan horisontal benk. - Før testing ble prøvene kondisjonert ved testtemperatur i minimum 4 timer og ikke mer enn 7 timer. - Prøvene ble smurt med silikonfett på hver endeflate (ikke flatene mellom prøvene). 4.3 Test prosedyrer Elastisk stivhet - Prøvene ble montert i apparatur med en av de diametrale linjer vertikalt. - Det ble påført 10 kondisjonerende lastpulser for justering av lastens størrelse og form. - Aktuell belastning ble påført med en frekvens på 10 Hz. - Forsøket ble gjentatt ved å rotere prøven 90º. Dersom stivhetsmodulen fra kjøring nr. 2 var i området +10 % til 20 % av verdien funnet i første kjøring, ble gjennomsnittsverdien av de to kjøringer angitt som prøvens stivhetsmodul. Dersom forskjellen mellom de to kjøringer var større enn angitt overfor skulle resultatet forkastes. Ny kjøring av prøven skulle ikke utføres før etter 24 timer. - Testing ble utført ved +10 ºC og +20 ºC (begge temperaturer er i siste forslag til standard (desember 2003) anbefalt som testtemperatur ved rutinetesting).

16 Dynamisk kryp - Prøven ble forbelastet med 10 kpa i 10 min. Etter forbelastningen startet den sykliske belastningen med en aksiell belastning på 100 kpa og en frekvens på 0,5 Hz. Det ble kjørt totalt 3600 lastpulser. - Deformasjonen ble målt kontinuerlig under belastningen. - Basert på målingene ble det tegnet deformasjonskurver mot antall lastsykler. - Testen ble gjennomført ved 40 ºC. 4.4 Ekstraksjon, gjenvinning og testing av bindemiddel Det er foretatt ekstraksjon og gjenvinning av bindemiddel fra utvalgte feltprøver. Ekstraksjonen er foretatt etter sentrifugemetoden (metode Bindemiddelinnhold og korngradering, sentrifugemetoden i Håndbok 014) og gjenvinning av bindemiddelet er foretatt ved bruk av rotasjonsfordamper (metode Gjenvinning av bitumen med rotasjonsfordamper i Håndbok 014). Rotasjonsfordamper er vist i figur 5. Figur 5 Rotavapor for gjenvinning av bindemiddel (Büchi 011). På gjenvunnet bindemiddel er det utført testing av penetrasjon (metode i Håndbok 014) og bestemmelse av mykningspunkt (metode i Håndbok 014).

17 13 5 Resultater 5.1 Densitet Spesifikk densitet for de ulike massetyper er beregnet ut fra reseptene og vist i tabell 2. Tabell 2 Spesifikk densitet for de undersøkte massetyper. Prøve nr. Dekketype Sted Spesifikk densitet (g/cm 3 ) 1 20 Ab 11 Værnes flyplass 2, Ab 16 E6 Klemetsrud 2, Ska 11 Fagerheimsgata 2, Ska 16 Narviktunnelen 2, Ab 11 L Tønsberg 2, Agb 11 Fv 353 2, Ma 11 Fornes 2, Agb 11 m/gja Støren 2, Ab 11 m /Gja Støren 2, Ab 16 Støren 2, Elastisk stivhet Som nevnt tidligere var det ikke mulig å preparere alle uttatte prøver for testing i laboratoriet. De prøver som lot seg preparere for bestemmelse av E-modul er gitt i tabell 3. Tabell 3 Data for massetyper analysert mhp elastisk stivhet (E-modul). Prøve nr. Dekketype Bindemiddeltype Bindemiddelmengde (tilsiktet i %) 1A 20A Ab /220 (B180) 5,5 21A 25A Ab 16 70/100 (B85) 5,1 26A 30A Ska 11 70/100 (B85) 5,8 31A 35A Ska 16 70/100 (B85) 5,9 36A 40A Ab 11 L 70/100 (B85) 5,5 41A 45A Agb /220 (B180) 5,7 56A 60A *) Agb 11 m/gja 160/220 (B180) 5,8 61A 65A Ab 11 m /Gja 70/100 (B85) 5,7 66A 70A Ab 16 70/100 (B85) 5,7 *) Prøve 58 og 59 var for smale for testing ved 20 ºC. Utstyret ble senere modifisert slik at de kunne testes ved 10 ºC. Figur 6 viser testing av E-modul i NTNU/SINTEFs NAT-utrustning.

18 14 Figur 6 Testing av E-modul i Nottingham Asphalt Tester (NAT) Samlede resultater Detaljerte data fra testingen av E-moduler er gitt i bilag 3 og 4 for henholdsvis 10 ºC og 20 ºC. Figur 7 og 8 viser midlere E-modul for de ulike massetyper ved henholdsvis 10 ºC og 20 ºC.

19 15 Midlere E-modul for massetyper, 10ºC MPa Ab 11 Ab 16 Ska 11 Ska 16 Ab 11L Agb 11 Agb 11 m/gja Prøve nr Ab 11 m/gja Ab Figur 7 Midlere E-modul ved 10 ºC. Midlere E-modul for massetyper, 20ºC MPa Ab 11 Ab 16 Ska 11 Ska 16 Ab 11L Agb 11 Agb 11 m/gja Prøve nr Ab 11 m/gja Ab Figur 8 Midlere E-modul ved 20 ºC. Figur 9 viser at variasjonen mellom de ulike enkeltprøver er relativt lik for bestemmelse av E- modul ved 10 ºC og 20 ºC.

20 16 E-modul, 20ºC E-modul, 10ºC MPa 4000 MPa A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A 10A 11A 12A 13A 14A 15A 16A 17A 18A 19A 20A 21A 22A 23A 24A 25A 26A 27A 28A 29A 30A 31A 32A 33A 34A 35A 36A 37A 38A 39A 40A 41A 42A 43A 44A 45A 56A 57A 58A 59A 60A 61A 62A 63A 64A 65A 66A 67A 68A 69A 70A Figur 9 E-modul for hver enkelt prøve ved 10 ºC og 20 ºC. Statistiske vurderinger fra analysen av de ulike masser er vist i tabell 4. Tabell 4 Statistiske verdier etter bestemmelse av elastisk stivhet ved 10 ºC. Prøve nr Massetype Ab 11 Ab 16 Ska 11 Ska16 Ab11L Agb 11 Agb 11 m/gja Ab 11 m/gja Ab16 Middelverdi St.avvik St.avvik/ middelverdi, % 12,9 8,0 12,7 21,7 2,4 5,1 8,6 14,1 10,6 Som det framgår av tabell 4 har Ska 16 (prøve 31-35) den største verdien på forholdet mellom standardavvik og middelverdi, mens Ab 11L (prøve 36-40) har den minste. Ut fra figur 9 ser vi at prøve 31 bidrar til den store verdien for Ska 16, med en svært lav E-modul verdi. De øvrige prøvene innenfor denne prøveserien har relativt like verdier. Ab 11L-massen har like verdier for alle prøvene. For de øvrige prøveseriene ligger forholdet mellom standardavvik og middelverdi området 5,1 % til 14,1 % Vurdering av faktorer som har betydning for E-modulen Prøvetykkelse: I forslag til standard (pren , des. 2003) er det satt som krav at tykkelsen på prøvene skal ligge mellom 30 mm og 75 mm. I denne feltundersøkelsen har det vist seg problematisk å ta ut prøver som tilfredsstiller kravene til standarden når de er ferdig preparerte. I figur 10 er resultatene fra bestemmelse av E-modul ved 10 ºC satt opp mot tykkelsen på de enkelte prøver.

21 17 Prøvehøydens betydning for E-modulen, 10ºC E-modul Prøvehøyde MPa A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A 10A 11A 12A 13A 14A 15A 16A 17A 18A 19A 20A 21A 22A 23A 24A 25A 26A 27A 28A 29A 30A 31A 32A 33A 34A 35A 36A 37A 38A 39A 40A 41A 42A 43A 44A 45A 56A 57A 58A 59A 60A 61A 62A 63A 64A 65A 66A 67A 68A 69A 70A mm Figur 10 Prøvehøydens betydning for E-modulen ved testing i NAT. Ut fra figur 10 er det vanskelig å kunne påvise noen direkte sammenhenger mellom tykkelsen på prøven og E-modulen. Prøveserier som har jevntykke prøver synes imidlertid å kunne gi noe jevnere resultater. Eksempler på dette er prøveserie (Ab 11L) og (Agb 11). Disse prøveseriene hadde også de laveste verdiene på forholdet mellom standardavvik og middelverdi på hhv 2,4 og 5,1 (se tabell 4). Det må imidlertid presiseres at prøvene i denne undersøkelsen er relativt tynne og at det er relativt små forskjeller i tykkelse mellom prøvene. Hulrom: Figur 11 viser sammenhengen mellom hulrom i prøvene og E-modulen ved 10 ºC. MPa Hulrommets betydning for E-modulen, 10ºC E-modul Hulrom 9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 % 0 1A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A 10A 11A 12A 13A 14A 15A 16A 17A 18A 19A 20A 21A 22A 23A 24A 25A 26A 27A 28A 29A 30A 31A 32A 33A 34A 35A 36A 37A 38A 39A 40A 41A 42A 43A 44A 45A 56A 57A 58A 59A 60A 61A 62A 63A 64A 65A 66A 67A 68A 69A 70A 0,0 Figur 11 Hulrommets betydning for E-modulen ved testing i NAT.

22 18 Som det framgår av figur 11 er det heller ikke noen entydig sammenheng mellom hulrommet i prøven og E-modulen. Det er imidlertid en tendens til høyere E-modul ved lavere hulrom for enkelte prøveserier, eks. prøve 13 og 15 i prøveserie 1-20, 63 og 64 i prøveserie og 67 i prøveserie Bindemiddelstivhet: I figur 12 er bindemiddelklassen satt opp mot E-modulen for hver enkelt prøve. Bindemiddelets betydning for E-modulen, 10ºC E-modul Bindemiddelstivhet MPa A 2A 3A 4A 5A 6A 7A 8A 9A 10A 11A 12A 13A 14A 15A 16A 17A 18A 19A 20A 21A 22A 23A 24A 25A 26A 27A 28A 29A 30A 31A 32A 33A 34A 35A 36A 37A 38A 39A 40A 41A 42A 43A 44A 45A 56A 57A 58A 59A 60A 61A 62A 63A 64A 65A 66A 67A 68A 69A 70A Penetrasjonsverdi Figur 12 Bindemiddelstivhetens betydning for E-modulen. Som figur 12 viser så er det klare sammenhenger mellom bindemiddelklassen og E-modulen til prøvene. Stivere bindemiddel gir høyere E-modul. 5.3 Dynamisk kryp De prøver som lot seg preparere for testing av dynamisk kryp er vist i tabell 5. Tabell 5 Data for massetyper analysert mhp dynamisk kryp (deformasjonsegenskaper). Prøve nr. Dekketype Bindemiddeltype Bindemiddelmengde (tilsiktet i %) 1A 20A *) Ab /220 (B180) 5,5 21A 25A Ab 16 70/100 (B85) 5,1 31A 35A Ska 16 70/100 (B85) 5,9 66A 69A **) Ab 16 70/100 (B85) 5,7 *) Prøve 12 inngår ikke i resultatene, da det oppsto feil under testing. **) Prøve nummer 70 var for tynn for testing. Figur 13 viser oppsett for testing av dynamisk kryp.

23 19 Figur 13 Testing av dynamisk kryp i Nottingham Asphalt Tester (NAT) Resultater for hver dekketype Ab 11, Værnes: Resultater for prøvene fra Ab 11-dekket på Værnes er vist i figur 14. Ab11 - Værnes Aksiell deformasjon, µstrain Antall sykler Prøve 1 Prøve 2 Prøve 3 Prøve 4 Prøve 5 Prøve 6 Prøve 7 Prøve 8 Prøve 9 Prøve 10 Prøve 11 Prøve 13 Prøve 14 Prøve 15 Prøve 16 Prøve 17 Prøve 18 Prøve 19 Prøve 20 Figur 14 Testing av dynamisk kryp Ab 11- Værnes.

24 20 Figur 14 viser at det er store forskjeller i deformasjonsegenskapene for prøvene som er testet fra Værnes. Figur 15 viser hvordan 2 forskjellige prøver har blitt ulikt deformert. Prøve 11 fikk store deformasjoner med oppsprekking av prøven, mens prøve 6 fikk relativt små deformasjoner og få sprekker. Figur 15 Deformasjon av 2 forskjellige prøver fra samme dekke, Ab11 Værnes. For å se nærmere på hva som kan bidra til de store variasjonene i deformasjonsegenskapene er hulrommet i prøvene satt opp mot aksiell tøyning ved 2400 lastsykler i figur 16.

25 21 Hulrom - deformasjon Deformasjon Hulrom Aksiell deformasjon, µstrain Prøvenr Hulrom, % Figur 16 Aksiell tøyning sammenlignet med hulrom i prøver Ab 11 Værnes. Som det framgår av figur 16 er det en tendens til at prøver med høyt hulrom gir større aksiell deformasjon. Ab 16, Klemetsrud: Figur 17 viser resultatene for Ab 16 fra E6 på Klemetsrud. Ab16 - E6 Klemetsrud Aksiell deformasjon, µstrain Prøve 21 Prøve 22 Prøve 23 Prøve 24 Prøve Antall sykler Figur 17 Testing av dynamisk kryp Ab 16 - E6 Klemetsrud.

26 22 Figur 17 viser at 4 av prøvene gir like resultater, mens en prøve (prøve 23) gir noe høyere deformasjonsmotstand. Ska 16, Narviktunnelen: Resultatene for Ska 16 fra Narviktunnelen er vist i figur 18. Ska 16, Narviktunnelen Aksiell deformasjon, µstrain Prøve 31 Prøve 32 Prøve 33 Prøve 34 Prøve Antall sykler Figur 18 Testing av dynamisk kryp Ska 16 Narviktunnelen. Figur 18 viser at det er relativt store forskjeller i målte deformasjonsegenskaper for de ulike prøvene fra Ska 16-massen. Ut fra data for de ulike prøver, gitt i bilag 2, er det vanskelig å påvise noen årsaker til de store variasjonene i resultatene. Ab 16, Støren: I figur 19 er vist resultater fra testing av Ab 16 fra Støren.

27 23 Ab 16, Støren Aksiell deformasjon, µstrain Prøve 66 Prøve 67 Prøve 68 Prøve Antall sykler Figur 19 Testing av dynamisk kryp Ab 16- Støren. Figur 19 viser at 3 av prøvene gir relativt like resultater mens den siste prøven, prøve 69, gir noe avvikende resultat. Data for prøvene i bilag 2 viser at prøve 69 har relativt høyt hulrom sammenlignet med de andre prøvene. Prøve 66, 67 og 68 har hulrom på hhv 3,3-3,6 og 3,2 % mens prøve 69 har et hulrom på 4,9 %. Høyere hulrom i prøve 69 kan derfor være en mulig årsak til at denne har dårligere deformasjonsegenskaper enn de øvrige Samlede resultater I figur 20 er midlere deformasjonsegenskaper for de ulike massetyper framstilt.

28 Aksiell deformasjon, µstrain Ab 11 Værnes Ab 16 Klemetsrud Ska 16 Narvik Ab 16 Støren Antall syker Figur 20 Testing av dynamisk kryp sammenstilling av middelverdier for feltprøver. Det man spesielt merker seg er den store forskjellen i midlere aksiell deformasjon mellom de to Ab 16-massene, selv om det er brukt samme bindemiddelklasse (70/100). Massene har imidlertid relativt store forskjeller i bindemiddelinnhold (5,1 % i massen fra Klemetsrud mot 5,7 % i massen fra Støren). 5.4 Ekstraksjon, gjenvinning og testing av bindemiddel Det er foretatt en kontroll av bindemiddelinnhold, samt bestemmelse av penetrasjon og mykningspunkt for gjenvunnet bindemiddel. Resultatene fra undersøkelsen er vist i tabell 6. Tabell 6 Resultater fra ekstrahering og analyser av gjenvunnet bindemiddel. Prøve Massetype Bindemiddelklasse Gjenvunnet bindemiddel Bindemiddelmengde (%) Pen. Mykn.pkt Tilsiktet Beregnet (1/10 mm) (ºC) 2 Ab /220 (B180) ,3 5,5 *) 6 Ab /220 (B180) ,2 5,5 *) 11 Ab /220 (B180) ,8 5,5 *) 13 Ab /220 (B180) ,3 5,5 5,69 16 Ab /220 (B180) ,8 5,5 5,50 21 Ab 16 70/100 (B85) 52 50,7 5,1 5,02 22 Ab 16 70/100 (B85) 49 51,0 5,1 4,69 31 Ska 16 70/100 (B85) 67 47,5 5,9 6,53 32 Ska 16 70/100 (B85) 61 48,3 5,9 6,25 34 Ska 16 70/100 (B85) 61 49,2 5,9 6,15 67 Ab 16 70/100 (B85) 72 46,2 5,7 5,54 68 Ab 16 70/100 (B85) 89 45,1 5,7 5,63 *) Bindemiddelinnholdet er ikke bestemt for disse prøvene, men bindemiddelinnholdet er bestemt for prøve 1 og 15 og gav et bindemiddelinnhold på hhv 5,37 % og 5,44 %. Disse prøvene hadde tilnærmet samme deformasjonsforløp som prøve 6 (15) og 11 (1).

29 25 Tabell 6 viser at herdingen av bindemiddelet kan være noe forskjellig innen et område. For Ab 11-dekket på Værnes har gjenvunnet bindemiddel penetrasjonsverdier i området Det er også relativt store forskjeller mellom dekker lagt i ulike prosjekter, som i utgangspunktet har samme bindemiddelklasse. Gjenvunnet bindemiddel fra to Ab 16-dekker med samme bindemiddelklasse, men forskjellige prosjekter, viser relativt store forskjeller i bindemiddelhardhet for gjenvunnet bindemiddel (prøveserie og 66-70). Det registreres også avvik i beregnet bindemiddelinnhold sammenlignet med tilsiktet bindemiddelinnhold. Det er også variasjoner i bindemiddelinnholdet mellom enkeltprøver fra samme dekke. I tabell 7 er resultater fra gjenvinning sammenstilt med resultater etter testing av elastisk stivhet og deformasjon. Tabell 7 Resultater fra testing av gjenvunnet bindemiddel sammenstilt med resultater fra testing av E-modul og deformasjon. Bindemiddel E-modul (MPa) Deformasjon (µstrain) Prøve Pen. originalt *) Pen. gjenvunnet Innhold (%) 10 ºC 20 ºC 1400 sykler 3600 sykler **) **) **) Brudd , , , , , , , , Brudd , Brudd *) Det forefinnes ikke data for penetrasjon for originalt bindemiddel. Verdien som er angitt er midlere verdi for bindemiddelklassen. **) Bindemiddelinnholdet er ikke bestemt for disse prøvene. Ut fra tabell 7 og figur 21 er det ingen entydig sammenheng mellom penetrasjonsverdi for enkeltprøver og de målte verdier for E-modul og deformasjon. Men man ser generelt at masser med stivere bindemiddel får høyere E-modul og bedre deformasjonsegenskaper. Det er forskjeller mellom ulike massetyper med samme bindemiddelklasse. Dette skyldes at det er flere faktorer som virker inn på stivhets- og deformasjonsegenskapene, så som korngradering, andel knust materiale, bindemiddelinnhold og hulrom.

30 26 Bindemiddelhardhet mot deformasjon Deformasjon Pen. gjenvunnet bindem. Deformasjon (µstrain) Ab 11 Ab 16 Ska 16 Ab 16 Prøve Penetrasjon (1/10 mm) Figur 21 Penetrasjonsverdi for gjenvunnet bindemiddel sammenlignet med resultater fra dynamisk kryp (deformasjon).

31 27 6 Funksjonskrav til asfaltdekker i Sverige 6.1 Generelt Krav til asfaltdekker i Sverige er nedfelt i ATB Väg 2003 [1]. For enkelte dekketyper settes det krav til funksjonsegenskaper. Tabell 8 gir en oversikt over de funksjonsegenskaper det stilles krav til. Tabell 8 Funksjonskrav for beläggningslager og vägyta [1]. Beläggningslager 1) Vägyta 2) Nötningsresistens Deformationsresistens (stabilitet) Flexibilitet Styvhet Utmattningsmotstånd Vattenkänslighet Täthet Friktion Homogenitet Jämnhet Tvärfall Textur Buller Stensläpp 1) Med beläggningslager menes ferdig dekke utlagt på veg eller laboratorietillaget prøve. 2) Med vägyta menes overflaten til ferdig utlagt dekke når arbeidet er avsluttet. I det følgende er det sett litt nærmere på de krav som settes til stivhet (E-modul) og deformasjonsmotstand (stabilitet). 6.2 Deformasjonsmotstand (stabilitet) Deformasjonsmotstanden skal normalt måles på prøver boret ut fra ferdig dekke i felt. Testingen skal utføres etter FAS metod 468, som tilsvarer pren (som er benyttet i PROKASprosjektet). Testingen utføres tidligst en uke etter utlegging og senest 4 uker etter utlegging. Middelverdien av en prøveserie kan avvike maksimalt 20 % fra angitte kravverdier gitt i typeblad for det aktuelle dekket Slitelag For dekker med tykkelse mindre enn 25 mm stilles det ingen krav. For dekker med tykkelse mm utføres testingen på laboratorieprøver i de tilfeller bestilleren anser det nødvendig. Krav til stabilitet for slitelag framgår av tabell 9. Tabell 9 Krav til stabilitet for slitelag [1]. Trafikk ÅDT k,stab Ved ekstrem last Dynamisk kryptest på borprøver (mikrostrain, µε) < < < < < Dynamisk kryptest på lab.prøver (mikrostrain, µε) < <

32 Bindlag Krav til stabilitet for bindlag framgår av tabell 10. Tabell 10 Krav til stabilitet for bindlag [1]. Trafikk ÅDT k,stab Ved ekstrem last Dynamisk kryptest på borprøver (mikrostrain, µε) < < < < < Bærelag Krav til stabilitet for bærelag framgår av tabell 11. Tabell 11 Krav til stabilitet for bærelag [1]. Trafikk ÅDT k,stab Ved ekstrem last Dynamisk kryptest på borprøver (mikrostrain, µε) < < < < < Stivhet (E-modul) Krav til E-modul for slitelag, bindlag og bærelag er gitt i tabell 12. Tabell 12 Krav til stivhet (E-modul) ved 10 ºC (MPa) [1]. ÅDT k,tunge Lag < > 2000 Slitelag < Bindlag > Bærelag <

33 Eksempel på krav gitt i typeblad Tabell 13 angir deformasjonskrav som er gitt for bindlag av asfaltbetong. Tabell 13 Bindlag av asfaltbetong, ABb krav til stabilitet [1]. Krav til ÅDT k,tunge stabilitet Krypverdi i µε, lab.prøver, maks Krypverdi i µε, borprøver, maks

34 30 7 Vurderinger I PROKAS-prosjektet er målsettingen blant annet å finne bedre metoder for å bestemme materialegenskapene i felt. Denne feltundersøkelsen har hatt som formål å få oversikt over materialegenskapene til norske massetyper testet med NAT. Undersøkelsen omfattet i utgangspunktet 11 dekker, men omfanget ble redusert noe underveis. Noen av dekkene var for tynne og unøyaktighet i prøveuttak gjorde det vanskelig å preparere prøver fra enkelte dekker. Denne undersøkelsen har vist at legging av tynne dekker gjør det vanskelig å ta ut prøver som er tykke nok for testing etter standardiserte prosedyrer på NAT. For å få prøver som er tykke nok kan det derfor være nødvendig at det legges ut tykkere dekke på korte strekninger. Undersøkelsen har også vist at nøyaktighet ved uttak av prøver fra felt er av stor betydning. I en vitenskapelig undersøkelse er det viktig at prøveuttaket skjer med stor nøyaktighet. For at prøvene skal få samme form, bør man eliminere variasjoner knyttet til utstyr osv. Det optimale ville være at samtlige prøver ble tatt ut med samme utstyr og av samme personell. Elastisk stivhet (E-modul): Ved testing av elastisk stivhet skal det foretas to testinger på hvert prøvestykke. Etter at prøven er testet én gang skal prøven roteres 90º og testes på nytt. Verdien etter 2. test skal være mellom +10 % og -20 % av verdien fra 1. test. I figur 22 ser vi at samtlige prøver ligger innenfor disse grenser ved testing ved 10 ºC. Vi ser også at 2. testing i de fleste tilfeller gir en noe lavere E- modul enn ved 1. testing (differansen er < 0). 20,00 % avvik mellom 2. og 1. test 15,00 10,00 5,00 0,00-5,00-10,00-15,00-20,00-25,00-30,00 Øvre grense Nedre grense Prøve Figur 22 Differanse mellom 2. og 1. testing av E-modul ved 10 ºC. Variasjoner innen de enkelte prøveserier er vist tidligere gjennom figur 9 og tabell 4. Det framgår at enkelte prøveserier har relativt like verdier, mens det for andre serier er større variasjoner. Det er sett litt på ulike faktorer som kan ha betydning for den målte E-modulen; prøvens høyde, hulrom og bindemiddelklasse. Det er vanskelig å påvise noen sammenheng mellom prøvens høyde og E-modulen. Prøveserier som har jevntykke prøver synes imidlertid å gi jevnere resultater. Ellers er alle prøvene i denne undersøkelsen relativt tynne og det er relativt små forskjeller i tykkelse mellom prøvene. Det er heller ingen entydig sammenheng mellom hulrommet i prøven og E-modulen. Det er imidlertid en tendens til at høyt hulrom gir en lavere E-modul.

35 31 Sammenhengen mellom bindemiddelklasse og E-modul er imidlertid klar. En masse med et stivt bindemiddel gir klart høyere E-modul enn en masse med et mykere bindemiddel. Når det gjelder massetypene sett under ett, viser figur 7 og 8 at de antatt dårligste massene Agb 11 og Agb 11 m/gja gir de laveste E-moduler. E-modulen til Ab-massene og Ska-massene varierer en del steder. For Ab 16-massene har massen fra Klemetsrud tilnærmet dobbelt så høy E-modul som massen fra Støren, til tross for at bindemiddelklassen er den samme. Penetrasjonsverdier fra gjenvunnet bindemiddel viser imidlertid at bindemiddelet brukt i dekket på Klemetsrud er noe stivere enn i bindemiddelet i dekket fra Støren. I tillegg kan både ulike bindemiddelinnhold og hulrom ha slått ut. Støren-massen har både vesentlig større hulrom og bindemiddelinnhold. Deformasjonsmotstand: Testing av deformasjonsegenskapene har avdekket store forskjeller mellom de enkelte prøver i en prøveserie. Dette er spesielt tydelig for Ab 11 fra Værnes, som vist i figur 14 og figur 15. Det er en tendens til lavere deformasjonsmotstand ved høyere hulrominnhold, selv om denne sammenhengen ikke er entydig. Deformasjonsmotstanden er forskjellig for samme massetype uttatt på forskjellig sted, som vist i figur 20. Ab-massen fra Støren har vesentlig dårligere deformasjonsmotstand enn Ab-massen fra Klemetsrud. Sammenlignes hulromsnivået i prøvene (bilag 2) ligger hulrommet i prøvene fra Støren mellom 3,2 % og 4,9 % mens i prøvene fra Klemetsrud er hulromsnivået mellom 1,6 % og 2,4 %. Penetrasjonsverdier fra gjenvunnet bindemiddel viser at bindemiddelet brukt i dekket på Klemetsrud er noe stivere enn i bindemiddelet i dekket fra Støren. Dette kan være medvirkende årsaker til forskjellen i deformasjonsegenskapene. Dessuten kan nok ulikt bindemiddelinnhold (5,1 mot 5,7 %, tabell 5) virke i samme retning. Gjenvinning av bindemiddel: Testing av penetrasjonsverdi på gjenvunnet bindemiddel viser at herdingen av bindemiddelet kan være noe forskjellig innen et område og at det kan være relativt store forskjeller mellom dekker lagt på ulike steder, som i utgangspunktet har samme bindemiddelklasse. Det foreligger ikke penetrasjonsverdier for originalt bindemiddel og det er derfor ikke mulig å si noe om den eksakte stivhetsøkningen for hver masse. Bestemmelse av bindemiddelinnholdet har også vist at det er en del avvik i forhold til tilsiktet bindemiddelinnhold og at det er variasjoner mellom enkeltprøver fra samme dekke. Rangering : Resultatene fra syklisk kryp og elastisk stivhet kan sammenlignes i figurene 7, 8 og 20. Mht deformasjonsegenskaper er Ab 16 fra Klemetsrud best fulgt av Ska 16 fra Narvik, Ab 11 fra Værnes og Ab 16 fra Støren. Rangering mht elastisk stivhet viser at Ab 16 fra Klemetsrud har høyest E-modul fulgt av Ska 16 fra Narvik, Ab 16 fra Støren og Ab 11 fra Værnes. Sammenligningen er ikke entydig, men det er en tendens til at stivere masser har bedre deformasjonsegenskaper, noe som også er forventet. Sammenligning med svenske funksjonskrav: Ved en sammenligning av resultatene i denne undersøkelsen med de svenske kravene til stivhet for slitelag ved 10 ºC (figur 7 og tabell 12), får vi resultater som vist i tabell 14.

36 32 Tabell 14 Beregnet E-modul for feltprøvene sammenlignet med svenske funksjonskrav. Dekketype Midlere E-modul ved 10 ºC (MPa) Tilfredsstiller svenske krav til trafikkmengde, ÅDT k, tunge Ab < 500 Ab < 500 Ska > Ska Agb < 500 Foretas tilsvarende sammenligning med de svenske kravene til stabilitet for slitelag (figur 20 og tabell 9), får vi resultater som vist i tabell 15. Tabell 15 Beregnet stabilitet for feltprøvene sammenlignet med svenske funksjonskrav. Dekketype Midlere aksiell deformasjon ved 3600 lastsykler, (µε) Tilfredsstiller svenske krav til trafikkmengde, ÅDT k, stab Ab < 450 Ab 16 (Støren) < 450 Ab 16 (Klemetsrud) Ska Ved utforming av funksjonskrav mht stabilitet og stivhet vil det være nødvendig å utarbeide generelle krav for de ulike lag i dekkekonstruksjonen. Videre vil det være ønskelig å utarbeide detaljblad for de ulike dekketyper der klassifisering kan gjøres f.eks mht trafikkmengde, klima og valg av bindemiddelklasse. Før funksjonskrav og detaljblad kan utarbeides må nødvendige erfaringer opparbeides for norske forhold. Erfaringer fra andre land: I denne undersøkelsen er det ikke foretatt noen vurderinger av egnetheten til de to benyttede laboratoriemetoder for bestemmelse av elastisk stivhet (E-modul) og deformasjonsegenskaper (stabilitet). Det finnes undersøkelser i andre land hvor man har sett på forskjellige testmetoders egnethet til blant annet å bestemme deformasjonsegenskapene. En undersøkelse i England [2] mener å påvise at testmetoder hvor prøvestykker testes uten sidetrykk kan rangere asfaltmasser med forskjellig bindemiddel, gitt samme sammensetning av tilslagsmaterialet. Disse testmetodene hevdes imidlertid å ikke kunne rangere asfaltmasser med forskjellig gradering og sammensetning av tilslagsmaterialet. I [2] er følgende testmetoder undersøkt: - Repeated Load Axial Test (RLAT) - Indentation Repeated Load Axial Test (INDENT)(Den samme testmetoden som er benyttet i PROKAS) - Vacuum Repeated Load Axial Test (VRLAT) - Wheel-Tracking Test (WTT) I denne undersøkelsen ble også følgende testvariable undersøkt: - Prøvehøyde - Stabling av to prøver i høyden - Polering av endeflater - Temperatur

37 33 Resultatene og konklusjonene fra undersøkelsen var: Sammenligning av testmetoder: Wheel-Tracking Test ble benyttet som referanse i undersøkelsen. For de undersøkte materialene viste det seg at WTT og VRLAT korrelerte godt og gav den samme rangering av materialene. RLAT og INDENT hadde en negativ korrelasjon med WTT, og hadde en tendens til å rangere materialene i omvendt rekkefølge. Det konkluderes med at testmetoder uten sidetrykk ikke er egnet til å bestemme deformasjonsegenskapene til asfaltmaterialer. VRLAT korrelerer best med WTT og anbefales for videre utvikling og undersøkelser. Det anbefales videre studier for å etablere testprosedyrer for VRLAT. Det gjenstår også omfattende sammenligninger av enkle laboratorietester og hvordan ulike asfaltmasser oppfører seg i felt. Prøvehøyde: De prøvehøyder som ble undersøkt var 30, 60 og 90 mm. Resultatene viste høyere tøyningsendring og total tøyning med en økning i prøvehøyden. Stabling av to prøver i høyden: Deformasjonen av to prøver med tykkelse 30 mm ble sammenlignet med én prøve på 60 mm. Alle endeflater ble polert. Resultatene var noe forskjellige avhengig av bindemiddelmengden i den undersøkte massen. Med lavt bindemiddelinnhold var forskjellen mellom en enkelt prøve og to stablede prøver liten. Forskjellen var imidlertid større ved høyt bindemiddelinnhold, de stablede prøvene deformerte da mindre enn den enkle prøven. Polering av endeflater: Resultatene viste en vesentlig høyere deformasjon hos prøvene som ikke var polert. Det antydes at årsaken er at ujevnheter på prøvene blir sammentrykt ved belastning. Temperatur: Prøvene ble testet ved 30 ºC og 45 ºC. Resultatene viste i hovedsak en høyere deformasjon ved høyere temperatur, noe som også var ventet. Siden deformasjon i dekket hovedsakelig oppstår på varme sommerdager anbefales det å øke testtemperaturen til 45 ºC for å få fram deformasjonsegenskapene til asfaltdekket.

38 34 8 Konklusjoner Masseegenskaper fra forskjellige asfaltdekker i felt er undersøkt ved at det er foretatt uttak av borprøver for testing av egenskapene elastisk stivhet (E-modul) og deformasjonsmotstand (stabilitet). De metoder som er benyttet er syklisk stivhetstest (Indirect Tensile Stiffness Modulus, ITSM) og dynamisk kryptest (Indentation Repeated Load Axial Test, INDENT) på Nottingham Asphalt Tester (NAT). Omfanget av undersøkelsen ble endret noe i forhold til opprinnelige planer. Dette skyltes i hovedsak at enkelte av prøvene ikke lot seg preparere slik at de kunne testes. Basert på arbeidet som er utført i undersøkelsen kan følgende hovedkonklusjoner framheves: Nøyaktighet ved uttak og håndtering av prøver fra felt er av stor betydning i forsøk som dette. Det er derfor viktig at prosedyrer ved uttak av prøver blir fulgt. Det optimale er at prøveuttak skjer med samme utstyr og blir utført av samme personale. Asfaltdekker legges så tynne i Norge at det er vanskelig å ta ut prøver som er tykke nok til å tilfredsstille standardiserte krav til prøvegeometri. Det vil derfor være nødvendig å foreta tilpasninger ved uttak av prøver. Dette kan være: Utlegging av tykkere dekke over en kort strekning. Sette sammen prøver ved testing (spesielt for stabilitet). Andre testmetoder. Bestemmelse av E-modul ved bruk av syklisk stivhetstest på NAT synes å gi en riktig rangering av de ulike massetyper. Det er imidlertid forskjeller i E-modul mellom samme massetype uttatt på forkjellige steder. Andre forhold ved testing av E-modul er: Akseptabel variasjon mellom testinger på samme prøve og mellom enkeltprøver i samme prøveserie. Tendens til høyere E-modul ved lavere hulrom i prøver. Klar sammenheng mellom bindemiddelklasse og E-modulen til prøvene. Stivere bindemiddel gir høyere E-modul. Bestemmelse av deformasjonsegenskapene viste at det kunne være store forskjeller mellom prøver i en prøveserie. Andre forhold ved testing av deformasjonsegenskapene er: Deformasjonsmotstanden er forskjellig for samme massetype uttatt på forskjellige steder. Dette bygger opp under dokumentasjon fra andre undersøkelser som viser at testing av deformasjonsegenskaper med enkle laboratoriemetoder uten sidetrykk ikke kan rangere mellom masser med ulikt tilslagsmateriale. Tendens til dårligere deformasjonsmotstand ved økende hulrom. Kan være nødvendig med justering av den benyttede testmetode for bestemmelse av deformasjonsegenskapene. Alternativt kan det være aktuelt å benytte annen metode. I den senere tid er det satt større fokus på funksjonsegenskaper til materialer som skal benyttes i asfaltdekker. I USA er det gjennom SHRP utviklet nye funksjonsbaserte krav og testmetoder for bindemidler. Det er også ønske om utvikling av funksjonskrav for asfaltmasser. Resultatene fra denne undersøkelsen har gitt et begrenset grunnlag for å evaluere deformasjonsog stivhetsberegninger av feltprøver på NAT. For å skaffe et bredere erfaringsgrunnlag vil det være nødvendig med mer testing av både laboratorieproduserte prøver og feltprøver. Et slikt grunnlag vil være nødvendig for å utforme funksjonskrav for norske dekketyper ved testing i NAT. Denne undersøkelsen har gitt et bredt grunnlag i kartlegging av utfordringer ved testing av feltprøver mht stivhet og deformasjonsegenskaper.

39 35 9 Referanser [1] ATB VÄG 2003 (Sverige). [2] Nunn, M.E., Brown and Lawrence, D., Assessment of practical tests to measure deformation resistance of asphalt, 3 rd European conference on performance and durability of bituminous materials and hydraulically stabilized composites. University of Leeds, Westwood Hall, Leeds 8 9 April 1999.

40

41

42

43

44

45

46

47

48

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

61

62

63

64