Knust betong som forsterkningslag på E6 Melhus

Transkript

1 STF50 A05060 Åpen RAPPORT Knust betong som forsterkningslag på E6 Melhus Resultater fra felt- og laboratorieundersøkelser Joralf Aurstad SINTEF Teknologi og samfunn Veg- og jernbaneteknikk August 2005

2

3

4 2

5 3 English summary In Norway, recycled concrete aggregate has recently been introduced in design codes for road construction, including material specifications. A number of field projects have revealed good functional properties (proven suitability), despite the fact that the mechanical properties of the materials in many cases do not comply with specifications concerning mechanical strength. Many traditional test methods for mechanical properties are clearly not suitable for this kind of materials. A proper evaluation should therefore be based on performance-related (functional) tests. This report discusses these field-lab contradictions with reference to a field trial at highway E6 south of Trondheim. There crushed concrete is used as sub-base layer in a pavement designed for rather heavy traffic (ADT > 10000). Several field and laboratory tests have been conducted before, during and after construction, and the report is focusing on comparing field tests with both empirical (old) and functional (new) laboratory tests, including a large-scale cyclic triaxial test apparatus. The road was constructed , and will be followed up by frequent bearing capacity (FWD), rutting and evenness (IRI) measurements. These data and results, both from field and laboratory investigations, will give valuable inputs to new Norwegian pavement design standards. This should encourage further use of recycled/secondary materials.

6 4

7 5 INNHOLDSFORTEGNELSE English summary Bakgrunn Litt om forsøksfeltene Litt om utgangsmaterialet Dokumentasjon av feltegenskaper Utleggingsegenskaper Komprimeringsegenskaper Bæreevne og stivhetsegenskaper Dokumentasjon av laboratorieegenskaper Basisundersøkelser Siktekurver Densitet og vannabsorpsjon Optimalt vanninnhold (Proctor-forsøk) Mekanisk styrke Fallprøve Los Angeles Gyratorisk kompaktor Funksjonelle styrkeegenskaper (bæreevne, stivhet, stabilitet) CBR-forsøk Stor treaks Liten treaks Sammendrag og konklusjoner...26 Referanser...28 Vedlegg 1 Vedlegg 2 Vedlegg 3 SINTEF Notat Gjenbruksprosjektet; feltforsøk Melhus Storskala treaksialforsøk på knust betong SINTEF Notat Gjenbruksprosjektet; feltforsøk Melhus Treaksialforsøk på knust betong (liten treaksrigg) Statens vegvesen Notat Falloddsmålinger og spor-/jevnhetsmålinger Knust betong på Melhus

8 6

9 7 1 Bakgrunn Som et ledd i Gjenbruksprosjektet ble det høsten 2003 lagt ut knust betong som forsterkningslag på en nybygd E6-parsell ved Melhus i Sør-Trøndelag. To ulike varianter av knust betong ble utprøvd, en fraksjon mm og en fraksjon mm. Forsøksfeltene ble fulgt opp med målinger på vegen under og etter utlegging, i regi av Statens vegvesen Region Midt. I tillegg ble det gjort en forholdsvis omfattende laboratorieundersøkelse av materialene, dette hovedsakelig i regi av SINTEF. Denne rapporten summerer opp resultatene fra laboratorieundersøkelsene og vurderer disse opp mot erfaringene fra felt Litt om forsøksfeltene Omlegging av E6 forbi Melhus sentrum (totalt 8 km ny veg) har vært et forholdsvis omfattende prosjekt som har bydd på flere utfordringer, også rent anleggsmessig. Vegen er dimensjonert for en trafikkmengde på ÅDT = Standard konstruksjonsoppbygging er vist i figur 1. Lag Slitelag: Bindlag: Øvre bærelag: Forkiling, avretting: Ska16, 4 cm Ab16, 4 cm Ag16, 4 cm Mager Eg/Sg, 3 cm Nedre bærelag: Pukk mm, 20 cm 35 Pukk mm, 65 cm Pukk mm, 45 cm Forsterkningslag (vist for to forskjellige undergrunnstyper) 80 Grus, sand, morene, T2 100 Silt, leire, T4, s u 25 Fiberduk kl. 3 Figur 1 Prosjektert vegoverbygning på E6 Melhus På en parsell ca midt på strekningen (sør for Melhus sentrum) ble det lagt inn en alternativ konstruksjon hvor man byttet ut forsterkningslaget av pukk med tilsvarende lagtykkelse av ubundet knust betong. Parsellen ble delt i to felt, hver på ca 80 m, for å kunne sammenligne de to forskjellige betongfraksjonene. På felt 1 (sør) la man inn fraksjon mm, på felt 2 (nord) benyttet man fraksjon mm. For å se nærmere på komprimeringsegenskapene til materialet var planen videre å bruke to forskjellige typer vals; hhv lett (6-7 tonns vibrovals) på venstre side og tung (15 tonns vibrovals) på høyre side, som skissert i figur 2.

10 8 Venstre side (liten vibrovals) Høyre side (stor vibrovals) Felt 1 (0-100 mm Gjb) Felt 2 ( mm Gjb) Referanse (pukk) Profil (meter) Figur 2 Skisse av forsøksfelt med knust betong, E6 Melhus 3 Litt om utgangsmaterialet Betongmaterialet som ble brukt stammer fra fabrikkbetong (vrakede betongelementer), samlet i lager hos Franzefoss Pukk (Lia Pukkverk), se figur 3. Figur 3 Utgangsmaterial for gjenbruksbetongen brukt på Melhus Materialene ble kuttet opp og kjørt gjennom et mobilt knuseverk. Det meste av armeringen ble fjernet med magnetbånd (figur 4). Materialet ble deretter grovsiktet til de to aktuelle fraksjonene, mm og mm, og transportert ut på vegen (figur 5). Figur 4 Materialproduksjon; knusing og fjerning av armering

11 9 Figur 5 Materialproduksjon; utsikting og transport På vegen ble materialet vannet og jevnet ut med doser (figur 6). Forsterkningslaget ble lagt ut og komprimert i to lag á ca 30 cm (figur 7). Figur 6 Vanning av betongmaterialet på vegen og utlegging med doser Figur 7 Utlegging og komprimering i 30 cm tykke lag, her material mm

12 10 4 Dokumentasjon av feltegenskaper I Norge har vi fortsatt begrensede anleggstekniske erfaringer med denne typen gjenbruksmaterialer. En viktig del av prosjektet var derfor å se hvordan betongmaterialene var å legge ut og komprimere sammenlignet med vanlig pukk. Kort oppsummert ønsket man å se på følgende i felt: Utleggingsegenskaper, bearbeidbarhet; inkl effekt av vanning Komprimeringsegenskaper; sammenligning av stor og liten vals Bæreevne, stivhet; platebelastningsforsøk og falloddsmålinger Disse målingene ble utført av Statens vegvesen og resultatene finnes i egen datarapport [1]. Her gis noen generelle, supplerende kommentarer: Utleggingsegenskaper Den stedlige entreprenøren (Mesta) hadde ingen erfaringer med disse materialene på forhånd og de var naturlig nok litt usikre vedrørende utstyrsvalg, prosedyrer osv. Bl a var man spent på hvor mye materialet ville knuses ned under utleggingen. Fra andre prosjekter er det påpekt viktigheten av rikelig vanning av betongmaterialet før utlegging. Dette både for å gjøre massen generelt mer motstandsdyktig mot nedknusing og for å lette omlagringen ( smøring ) ved valsing. Massen ble derfor påsprøytet vann fra enn vannvogn ute på forsøksfeltet etter at den var tippet fra lastebilen, jfr figur 6. Dette viste seg å ha god effekt også her. Massen ble lett og fin å arbeide med under utdosingen, og man observerte i liten grad nedknusing av materialet. Et uforutsett problem meldte seg imidlertid; fordi man ikke klarte å fjerne all armeringen fra betongen ved knusing/sikting i verket, ble det med en del stål ut på vegen som resulterte i flere punkteringer på lastebilene (figur 8). For å unngå for store problemer måtte man derfor raskt gå i gang og plukke stålbiter fra vegbanen manuelt. Viktigheten av å arbeide med rene gjenbruksmaterialer ute på vegen ble godt demonstrert! Figur 8 Rester av stålarmering kan skape problemer for anleggstrafikken

13 Komprimeringsegenskaper Som vist på figur 2 ønsket man å prøve ut to ulike valsestørrelser, en lett (6-7 tonn) og en tung (15 tonn) vibrovals. Statens vegvesen utarbeidet et detaljert valseprogram for dette, hvor man bl a med hjelp av platebelastningsmålinger ønsket å kartlegge densitets- og stivhetsutvikling i massen som funksjon av antall valseoverfarter. Nedknusing ble også undersøkt gjennom uttak av prøver for sikteanalyser. Det ble valset med lav amplitude for å skåne materialene mest mulig. Følgende valser ble benyttet: Bomag BV145 vekt 6 tonn - linjelast 18 kg/cm Dynapac CA512D vekt 15,5 tonn linjelast 47,4 kg/cm SINTEF foretok densitetsbestemmelse i felt ved bruk av sandvolumeter-metoden, jfr figur 9 og tabell 1. Figur 9 Bestemmelse av densitet i felt på ferdig komprimert forsterkningslag Tabell 1 Resultater komprimeringskontroll Melhus, ferdig komprimert forsterkningslag Våt densitet (kg/dm 3 ) Tørr densitet (kg/dm 3 ) Vanninnhold (%) Felt 1, venstre side (liten vals) Felt 1, høyre side (stor vals) Felt 2, venstre side (liten vals) 1,940 1,835 5,7 Felt 2, høyre side (stor vals) 1,913 1,817 5,3 Felt 1 ble ikke komprimert som forutsatt og målingene utsatt. Dessverre ble feltet overlagt før nye målinger kunne gjøres. Målingene på den grove massen (felt 2) indikerer best komprimering på den delen der det ble brukt liten vals, dvs ingen selvsagt gevinst med å bruke tungt komprimeringsutstyr. Dette underbygges også av vegvesenets bæreevnemålinger. Dessverre kunne ikke tilsvarende vurderinger gjøres på den finere massen (felt 1), da overliggende lag av pukk (nedre bærelag, jfr figur 1) ble lagt ut før man rakk å gjøre flere målinger. Mer detaljert opplegg og resultater framgår av Statens vegvesens rapport [1].

14 Bæreevne og stivhetsegenskaper Det ble gjort platebelastningsforsøk og falloddsmålinger på topp avretting og på topp asfaltdekke (bindlag), jfr figur 1. Formålet med disse målingene var å sammenligne konstruksjonene og se på det bæreevnemessige bidraget fra laget av knust betong i forhold til standard pukk. Man ønsket også å se om man kunne måle forskjeller mellom feltene med tett og åpen gradering på betongen (0-100 mm kontra mm). Mer detaljert opplegg og resultater fra målingene framgår av Statens vegvesens rapport [1]. Bæreevnemålinger på vegen skal etter planen utføres periodisk videre framover for å se eventuell utvikling/endring i bæreevne og stivhet i konstruksjonene over tid. Det samme gjelder for spor og jevnhet. Statens vegvesen har etterregnet E-moduler fra falloddsmålinger utført på strekningen i april 2005, dvs ca 1,5 år etter utlegging. De foreløpige resultatene for forsterkningslagenes del er vist i tabell 2. Tabell 2 E-moduler på forsøksfeltene bestemt ut fra falloddsmålinger (april 2005) Etterberegnet E-modul (MPa) Venstre side Høyre side Gj.snitt Felt 1 (Gjb 0-100) Felt 2 (Gjb ) Referanse (knust fjell/pukk) Målingene viser tydelig at feltene med knust betong er sterkere enn den ordinære overbygningen. Det synes også som at strekningen med Gjb er vesentlig sterkere enn strekningen med Gjb Verdiene på venstre side av vegen er gjennomgående høyere enn høyre side. Venstre side ble komprimert med liten vals og høyre side med stor (figur 2). Disse resultatene underbygger dermed det man har sett tidligere med at det ikke er noen fordel med svært tungt komprimeringsutstyr på denne typen masser. Flere og mer detaljerte resultater fra både falloddsmålinger og spor-/jevnhetsmålinger kan leses i eget notat fra Statens vegvesen [4] (Vedlegg 3 i denne rapporten). 5 Dokumentasjon av laboratorieegenskaper For å få en best mulig dokumentasjon av betongmaterialene er det gjort et forholdsvis omfattende arbeid i laboratorium. Materialegenskapene er søkt kartlagt gjennom bruk av både tradisjonelle (empiriske) og nyere (funksjonelle) målemetoder. Laboratoriearbeidene har vært delt mellom Statens vegvesen (SVV) og SINTEF. Når det gjelder sikteanalysene tok både vegvesenet og SINTEF prøver fra verk. På Melhus tok Statens vegvesen ut prøver i forbindelse med platebelastningsforsøkene og SINTEF i forbindelse med feltdensitetsmålingene. Følgende lab-undersøkelser er gjennomført: Sikteanalyser; prøver uttatt på verk (SVV, SINTEF) Sikteanalyser; prøver fra veg (SVV, SINTEF) Densitet og vannabsorpsjon (SINTEF) Komprimeringsforsøk; Modifisert Proctor (SVV) Komprimeringsforsøk; gyrator (SINTEF) Mekanisk styrke; fallprøve (SINTEF)

15 13 Mekanisk styrke; Los Angeles (SINTEF) Mekanisk styrke; nedknusing i gyrator (SINTEF) CBR (SVV) Liten treaks, standard komprimering i gyrator (SINTEF) Stor treaks (SINTEF) 5.1 Basisundersøkelser Det ble innledningsvis gjort noen grunnleggende undersøkelser mhp materialkarakterisering; kornkurver, densitet, vannabsorpsjon og optimalt vanninnhold. Dette var nødvendig også for å kunne forberede den senere funksjonelle testingen i treaks og CBR Siktekurver Prøver uttatt av SINTEF på verket fra ferdig knust og fraksjonert material ga kornkurver som vist i figur 10. For å se på variasjonene ble det siktet 5-6 prøver av hver fraksjon. Den tykke heltrukne kurven angir middelkurven, denne ble brukt som grunnlag ved sammensetning av material til de senere treaks-forsøkene (se kap 5.3.2). Krav til siktekurve, graderingstall m m for forsterkningslag etter nye Håndbok 018 (2004) er vist i tabell 3. Gjennomgang masseprosent a) b) ,0 2,0 4,0 8,0 11,2 16,0 31,5 63,0 75,0 0 1,0 2,0 4,0 8,0 11,2 16,0 22,4 31,5 63,0 Figur 10 Sikt (mm) Sikt (mm) Siktekurver for knust betong uttatt på verk, fraksjon mm og mm

16 14 Tabell 3 Kornfordeling for Melhus-materialene sammenlignet med krav i Håndbok 018 FINSTOFFINNHOLD Finstoff (< 0,075 µm) av total kurve Finstoff (< 0,063 µm) av material < 20 mm Krav i h h t Håndbok 018 (2004) Material mm 2,8 % 6,2 % maks 8 % (utlagt) Material mm 0,8 % - Ingen krav for åpne matr. GRADERING (Cu) Material mm Cu = 44 Material mm Cu = 2,5 Krav til Gjb: Cu > 15 for øvre forst.lag Cu > 5 for nedre forst.lag MAKS STEINSTØRRELSE Material mm Material mm d max = 100 mm d max = 100 mm Krav til Gjb: d max < 120 mm I forbindelse med komprimeringskontrollen (figur 9) ble det tatt ut prøver for vekt-/ volumbestemmelse (material mm). Som en ekstra sjekk ble disse prøvene også siktet for å se kornsammensetningen i ferdig komprimert lag. Disse siktekurvene er vist i figur 11. a) b) Gjennomgang masseprosent Gjennomgang masseprosent Figur 11 0,075 0,125 0,250 0,500 1,0 2,0 4,0 8,0 11,2 16,0 22,4 31,5 Sikt (mm) 63,0 100,0 0,075 0,125 0,250 0,500 1,0 2,0 4,0 8,0 11,2 16,0 22,4 31,5 Siktekurver for knust betong uttatt på veg, material mm ferdig komprimert a) tung vals b) lett vals 0 Sikt (mm) 63,0 100,0

17 15 Forskjellen mellom figur 10 b) og figur 11 gir dermed en indikasjon på nedknusing i forbindelse med utlegging og komprimering av materialet mm. (Mangler tilsvarende sammenligning for material mm.) Densitet og vannabsorpsjon Betongens porøsitet skiller disse materialene fra normale tilslagsmaterialer og vil innvirke på egenskapene. Vannabsorpsjon er således en viktig parameter som må tas hensyn til når man arbeider med materialene både i felt og i lab. Vannopptaket vil være forskjellig i finfraksjonen (mer mørtel, sement) kontra grovfraksjonen (mer stein), og standardene foreskriver derfor testing både på fin og grov fraksjon. Resultater for Melhus-materialene framgår av tabell 4. Tabell 4 Densitet og vannabsorpsjon, knust betong Melhus (EN ) Fraksjon Partikkeldensitet, tilsynelatende (g/cm 3 ) Partikkeldensitet, ovnstørket (g/cm 3 ) Partikkeldensitet, overflatetørr (g/cm 3 ) Absorbert vann (%) 0,075-4 mm 2,76 2,40 2,53 5,5 4 31,5 mm 2,78 2,51 2,61 3,9 Resultatet forteller at man må forvente at 4-6 % vann kan/vil forsvinne inn i tilslaget ved oppfukting, før man får en effektiv vannfilm på utsida. Dette må det tas hensyn til både ved komprimering i felt og ved prøvetillaging og testing i laboratoriet Optimalt vanninnhold (Proctor-forsøk) Det faktum at ca 5 % av vannet absorberes i selve tilslagskornene vil naturlig høyne optimalt vanninnhold tilsvarende. For å få gode komprimeringsegenskaper kreves derfor en vesentlig høyere vanntilsetting enn det man er vant med fra vanlig sand/grus/pukk (jfr figur 6). Bestemmelse av optimalt vanninnhold utføres normalt med et Modifisert Proctor-forsøk på material 0-19 mm ( i Håndbok 014). I dette prosjektet ble det prøvd to varianter av forsøket; SVV foretok forsøk med vanlig innstamping mens SINTEF gjorde tilsvarende forsøk med bruk av gyrator som komprimeringsmetode (ikke standard!). Hensynet til porøsiteten ble ivaretatt ved at tørket material først ble tilsatt 6 % vann. Materialet fikk deretter stå i 3 døgn for vannutjevning/vannopptak før videre forsøk etter vanlig prosedyre ble igangsatt. Resultater framgår av tabell 5. Tabell 5 Komprimeringsforsøk (Proctor) på knust betong Melhus, testfraksjon 0-19 mm Maks tørrdensitet (g/cm 3 ) w opt (%) Modifisert Proctor, normal innstamping 1,983 14,0 Modifisert Proctor, gyrator-innstamping 1 2,142 9,5 1 Diam 150 mm, standard arbeidstrykk og vinkel (400 kpa, 1 ), 50 sykler pr prøve, prøvestørrelse ca 6500 g Vi ser at de to forsøkene ga store avvik i resultater, prosedyrene er jo også svært forskjellige. Gyratorisk komprimering synes mest effektiv når det gjelder å øke densiteten, her kreves også

18 16 mindre vann til smøring. Men forskjeller i materialene kan også spille inn, disse testene ble gjort på to forskjellige leveranser/prøveinnhentinger. 5.2 Mekanisk styrke Materialenes mekaniske styrke er undersøkt på tre ulike måter i lab; fallprøvetest, Los Angelestest og gyrator-forsøk Fallprøve Fallprøve (flisighet, sprøhet, steinklasse) er nå tatt ut som standard testmetode i Håndbok 018, og det stilles således heller ikke krav til disse parameterne lenger. Men da dette har vært så pass sentrale verdier tidligere, vil det for mange fortsatt være aktuelt/ønskelig å ha disse som et supplement til de nye EN-verdiene (Los Angeles, kulemølle m m) ennå en tid framover. Fallprøve-resultatene for den knuste betongen ble som vist i figur Korrigert sprøhetstall - s Kl. 5 Kl. 3 Kl. 2 Figur Kl. 1 Kl. 4 1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70 Flisighetstall - f Fallprøve-undersøkelse, knust betong Melhus (8-11,2 mm) Resultatene viser at betongen er av god kvalitet; steinklasse 3 og lav flisighet tilfredsstiller kravet til bærelag etter gamle Håndbok Los Angeles Denne metoden er nå europeisk standard når det gjelder mekanisk styrke av steinmaterialer. LA-verdiene for betongen er vist i tabell 6. Da man på Melhus opererer med til dels grove materialer er standardverdien for fraksjon mm supplert med testing også på den grovere fraksjonen 31,5-50 mm.

19 17 Tabell 6 Los Angeles-undersøkelse, knust betong Melhus (EN / i Hb 014) Material LA-verdi fraksjon mm LA-verdi fraksjon 31,5-50 mm Knust betong Melhus 27,3 25,7 Krav til forst.lag i Håndbok 018 < 35 (øvre) < 40 (nedre) Krav til bærelag i Håndbok 018 < 35 Los Angeles-verdiene tilfredsstiller både kravene til forsterkningslag og bærelag i nye Håndbok 018 (juni 2004) Gyratorisk kompaktor Bruk av gyrator til mekanisk testing av granulære vegbyggingsmaterialer har vært prøvd i noen prosjekter, med lovende resultater. Bl a EU-prosjektet ALTMAT ( ) anbefalte i sin sluttrapport at det burde arbeides videre med prosedyrer for gyratorisk kompaktor som funksjonell mekanisk testmetode i lab, og at det burde knyttes sammenhenger mellom metoden og oppførsel i felt. I Norge har metoden vært utprøvd ved NTNU i forbindelse med en dr.ing-avhandling på alternative testmetoder (Jon Natvik 1998). I lys av dette ble det derfor gjennomført en gyratorundersøkelse på Melhus-materialet. Man ønsket å se hvordan ulike variable knyttet til materialer og prosedyre påvirker densitetsutvikling, skjærmotstand og nedknusing. Nedknusingen ble vurdert gjennom å sammenligne siktekurver før og etter gyratorforsøk. Et prøveprogram ble satt opp der følgende variable inngikk: Gradering; tett kurve kontra åpen kurve. Gyratoren er ikke stor nok til å teste de aktuelle fraksjonene mm/ mm direkte, materialene ble skalert ned slik at undersøkelsen omfattet fraksjonene 0-25 mm og mm. Vanninnhold; tørt material kontra material oppfuktet til w opt. Tilnærmet optimalt vanninnhold ble valgt ut fra Proctor-resultatene (tabell 4), dvs w = 10 % for fraksjon 0-25 mm og w = 6 % (anslått optimalt) for fraksjon mm. Komprimeringsenergi; 50 sykler kontra 250 sykler. Det ble kjørt med standard innstilling på gyratoren; arbeidstrykk 400 kpa og vinkel 1. Testprogrammet framgår for øvrig av tabell 7. Det ble som man ser kjørt to parallelle prøver av hver variant. Tabell 7 Mekanisk testing med gyrator, prøveprogram Matr A (10-25 mm) Matr B (0-25 mm) w = 0 % w = 6 % w = 0 % w = 10 % 50 sykler 250 sykler 50 sykler 250 sykler 50 sykler 250 sykler 50 sykler 250 sykler A-0-50 I A I A-6-50 I A I B-0-50 I B I B I B I A-0-50 II A II A-6-50 II A II B-0-50 II B II B II B II Resultater fra kjøringene finnes i tabell 8. Nedknusing er uttrykt som gjennomgang på utvalgte sikt før og etter forsøk.

20 18 For det åpent graderte material A (10-25 mm) ble det målt på siktene 16 mm, 10 mm og 1,6 mm. For å ha noen verdier å sammenligne med ble det kjørt samme opplegg for to pukkmaterialer mm; Askøy og Sveberg. For det tett graderte material B (0-25 mm) ble det benyttet en annen siktesats, best mulig sammenligning med A fikk man her på siktene 16 mm, 11,2 mm og 2 mm. I tillegg ble gjennomgangen på sikt 0,5 mm registrert. Tabell 8 Nedknusing i gyratorisk kompaktor, knust betong Melhus Prøver Nedknusing på sikt, endring i % (før-etter forsøk) Gyratordensitet (g/cm 3 ) 16 mm 10 mm 1 1,6 mm 2 0,5 mm 50 sykl 250 sykl A ,3 6,9 1,1-1,46 - Tørre A ,1 13,0 2,1-1,46 1,54 A ,2 10,0 1,3-1,62 - Våte A ,2 14,8 2,2-1,59 1,66 Askøy Tørre 3,1 2,9 0,5 - Sveberg Tørre 3,6 5,7 0,8 - B ,3 0,1 1,1 1,6 1,94 - Tørre B ,4 0,9 1,8 1,9 1,92 1,98 B ,1 0,6 1,6 1,7 2,14 - Våte B ,5 0,8 2,6 1,9 2,12 2,24 Alle verdier er gjennomsnitt av to enkeltprøver, jfr tabell 6 1 B-prøvene siktet på 11,2 mm i stedet for 10 mm 2 B-prøvene siktet på 2,0 mm i stedet for 1,6 mm Av tabell 8 kan bl a følgende leses: - Vedrørende gradering; A-materialet med åpen kurve knuses vesentlig ned på de groveste kornene (sikt 10 og 16 mm), for B-materialet er nedknusingen her marginal. Samtidig ser vi at generert finstoff målt på 1,6 (2,0) mm siktet er omtrent det samme for de to materialene. Det synes altså som at nedknusingen av de grove partiklene resulterer i flere smågrove partikler, det gir seg ikke nevneverdig utslag i mer finstoff. Material B med tett gradering bygger som ventet opp høyere densitet enn material A ved samme mengde komprimering. - Vedrørende vanninnhold; sammenligning tørre-våte prøver avdekker ingen nevneverdige forskjeller i nedknusing. For noen prøver/sikt er det faktisk målt størst nedknusing for de fuktige prøvene. (Men her vil nok komprimeringsnivået spille inn, se nedenfor.) De oppfuktede prøvene får høyere densitet målt i gyratoren. Men korrigert for vanninnholdet har de tørre og våte prøvene tilnærmet samme tørrdensitet. - Vedrørende komprimeringsenergi; prøvene får bare 3-5 % økning i densitet når man øker fra 50 til 250 sykler, derimot blir nedknusingen vesentlig større. Det er derfor god grunn til å sette spørsmålstegn ved gevinsten av tung komprimering på disse materialene. (Se også feltregistreringene, pkt ) Økningen i nedknusing fra 50 til 250 sykler er gjennomgående størst for de tørre prøvene. Spesielt for det åpne A-materialet ser man her en klar gevinst av å sette til vann til materialet.

21 19 En absolutt vurdering av materialenes mekaniske egenskaper ut fra gyrator-resultatene kan vanskelig gjøres, det er ikke etablert kriterier for dette a la Los Angeles etc. Men disse undersøkelsene bidrar i hvert fall til å øke erfaringsgrunnlaget og kan evt suppleres senere. 5.3 Funksjonelle styrkeegenskaper (bæreevne, stivhet, stabilitet) For at laboratorieforsøk skal være mest mulig relevante i forhold til feltforhold bør materialene testes som en lagpakke og påkjenningene være noenlunde sammenlignbare med de som opptrer ute på vegen. Dette benevnes ofte som funksjonsbaserte (funksjonelle) målemetoder til forskjell fra de enklere erfaringsbaserte (empiriske) metoder. I dette prosjektet er det gjort tre ulike undersøkelser i lab knyttet til bæreevne, stabilitet etc; CBR-forsøk, stor treaks og liten treaks CBR-forsøk CBR-forsøk er ikke ekte funksjonell testing i den forstand at innbygging og belastning ligner på reelle feltforhold, men testen gjøres iallfall på en lagpakke og ikke på enkeltkorn. Materialet er også komprimert til realistisk densitet. Forsøkene utført av Statens vegvesen er rapportert i egen rapport [1]. Høsten 2004 ble det også gjort tilsvarende forsøk ved NTNU på de samme materialene i forbindelse med studentøvinger (ekstraundersøkelser i NTNUs egenregi, ikke belastet prosjektet). Prøvene ble komprimert med Proctor-stamper etter vanlig prosedyre, 50 slag/lag. Resultatene er vist i tabell 9. Tabell 9 Resultater av CBR-forsøk knust betong 0-19 mm, NTNU ( ekstraøvelse ) CBR 0,1 CBR 0,2 Prøve Prøve Resultatene viser en største CBR-verdi (CBR 0,2 ) i området Dette er tilnærmet identisk med SVVs resultater [1] Stor treaks En viktig del av lab-undersøkelsene har vært testingen i NTNU/SINTEFs store treaks-apparatur. I dette forsøket påføres sykliske belastninger som reelt tilsvarer belastningen materialet vil ha som forsterkningslag i vegkroppen. Fra resultatene kan man utlede både elastisk stivhet og motstand mot permanente deformasjoner. Prøvestørrelsen i stor treaks (d = 30 cm, h = 60 cm) gjør det mulig å teste materialer med kornstørrelse opp til ca 60 mm. For å se på forskjellene mellom tett og åpen kurve for Melhusmaterialet ble det testet to ulike graderinger; 0-63 mm velgradert material (2 prøver) mm grovt material (2 prøver)

22 20 I forhold til materialene utlagt på Melhus med d max = 100 mm (figur 10) er forskjellen at material > 63 mm ble frasiktet og erstattet med material mm. Dermed ble bare den aller groveste fraksjonen forandret, kurven for material < 30 mm ble ikke berørt. Før forsøkene ble satt i gang ble feltdensiteten til det grovkornige materialet bestemt som beskrevet foran (figur 9, tabell 1). Treaks-prøvene med grovkornig ( åpent ) materiale ble deretter komprimert til denne feltdensiteten ved hjelp av en vibrasjonshammer. For å få homogen prøve ble materialet pakket i 5 like lag. For de velgraderte materialene kunne dessverre ikke feltdensiteten måles. Man valgte da å legge seg på samme lab-komprimering (antall lag, kraft osv) som for det grove materialet. Tabell 10 viser oppnådde densiteter. Det var relativt liten forskjell mellom de parallelle prøvene. Tabell 10 Komprimering av prøver for stor treaks, knust betong Melhus Prøve Densitet (kg/dm 3 ) Vanninnhold (%) Velgradert 1 2,171 7,8 Velgradert 2 2,160 7,8 Åpent material 1 1,812 4,9 Åpent material 2 1,818 4,9 Selve testapparaturen er vist i figur 13. Nærmere detaljer om utstyr, prosedyre m m kan leses i eget notat fra forsøkene [2] (Vedlegg 1 i denne rapporten). Figur 13 Stor treaks, prinsippskisse og foto av prøve med Melhus-material montert

23 21 Elastisk stivhet Elastisk stivhet (resilientmodul) og avledet lastfordelingskoeffisient er sammenstilt for alle prøvene i tabell 11. Tabell 11 Resilientmodul og lastfordelingskoeffisient for prøver av knust betong Melhus, testet i stor treaks Prøve Testfraksjon E-modul 1 Lastford.- (MPa) koeff. a Velgradert mm 350 Velgradert mm 450 Gjennomsnitt 400 1,26 Åpen mm 400 Åpen mm 650 Gjennomsnitt 525 1,38 1 middelspenning 200 kpa Stivheten ligger høyere enn det man normalt kan forvente for et granulært forsterkningslag. I den nye Håndbok 018 Vegbygging (juni 2004) er det angitt følgende normalverdier for forsterkningslag; a grus = 1,00 a pukk = 1,10 a Gjb = 1,00 Deformasjonsmotstand Treaks-forsøk kan brukes til å karakterisere materialenes motstand mot permanente deformasjoner. Dette gjøres ved å beregne henholdsvis Elastisk grenselinje (bestemt av vinkelen ρ) som avgrenser området for elastisk oppførsel. Bruddlinje (bestemt av vinkelen Ф) som definerer grensen for bruddtilstand, dvs store plastiske deformasjoner. Figur 14 viser beregnede grenselinjer for Melhus-materialene funnet i stor treaks Deviatorspenning (kpa) Gjb "Åpen" bruddgrense Gjb "Åpen" elastisk grense Gjb "Velgradert" 500 Askøy pukk Figur 14 Sidetrykk (kpa) Motstand mot permanente deformasjoner for de utførte forsøkene i stor treaks

24 22 Verdier for et tradisjonelt pukkmaterial (Askøy pukk 0-22 mm) er lagt inn for sammenligning. Heltrukne linjer angir grense for inkrementelt brudd, stiplede linjer angir elastisk grense. Grensevinklene er oppsummert i tabell 12. Merk: Det angitte referansematerialet av pukk i figur 14 er her i fraksjon 0-22 mm, det er ikke testet pukk med d max = 63 mm. Tabell 12 Elastisk vinkel og bruddvinkel for prøver av knust betong Melhus, testet i stor treaks Prøve Testfraksjon Grensevinkel elastisk oppførsel Sin(ρ) Grensevinkel inkrementelt brudd Sin(φ) Velgradert mm 0,63 > 0,70 Velgradert mm 0,67 > 0,75 Gjennomsnitt 0,65 > 0,72 Åpen mm 0,50 * 0,65 * Åpen mm 0,78 > 0,87 Gjennomsnitt 0,78 > 0,87 * Avviker vesentlig, kvaliteten på forsøket er vurdert bare som fair. Verdiene er derfor ikke tatt med i gjennomsnittet. Både bruddgrensen og grensen for elastisk oppførsel er svært høy sammenlignet med normale ubundne bære- og forsterkningslagsmaterialer. Det betyr at disse knuste betongmaterialene, i den tilstand de her er testet under, synes å være spesielt motstandsdyktige overfor permanente deformasjoner og skal gi liten sporutvikling ved normal belastning. Nedknusing gjennom forsøket Siktekurvene for hele treaks-prøvene ble bestemt både før og etter forsøket. Resultatene for to av prøvene er vist i figur 15. Åpen 1 Velgradert Gjennomgang masseprosent Gjennomgang masseprosent ,075 0,125 0,250 0,500 1,0 2,0 4,0 8,0 11,2 16,0 22,4 31,5 63,0 0 0,075 0,125 0,250 0,500 1,0 2,0 4,0 8,0 11,2 16,0 22,5 31,5 63,0 Etter test Sikt (mm) Før test Sikt (mm) Etter test Før test Figur 15 Siktekurver for material før og etter forsøk i stor treaks (hhv prøve Åpen 1 og Velgradert 1 ) Figur 15 er interessant å sammenligne med siktekurvene fra ferdig komprimert material i felt (figur 11). Vi ser at siktekurvene for det grove/åpne materialet er nesten sammenfallende (figur 11 figur 15a). Det synes som at treaks-forsøket har gitt tilnærmet samme nedknusing av materialet

25 23 som utleggingen og komprimeringen ute på vegen. I tillegg har man som nevnt søkt å tilnærme samme densitet og vanninnhold. Materialegenskapene bestemt i stor treaks bør dermed gi et rimelig bra bilde av egenskapene til materialet ute på vegen. (Tilsvarende sammenligning for material mm mangler.) Liten treaks Forsøk med stor treaks er forholdsvis arbeidskrevende, krever mye materialer og setter store krav til prøvetillagingsutstyr, belastningsrigg, detektorer m m. Dette er således ingen metode for driftsrettet, rutinepreget testing. Litt enklere er det å bruke normalt treaksutstyr, selv om heller ikke det er standardutrustning på veg- og asfaltlaboratoriene. Men det finnes en del slike enheter rundt om, og det er langt lettere å arbeide med disse enn med den store apparaturen. Ved NTNU/SINTEF er det gjort mange forsøk med liten treaks, på mange ulike materialer, og det er gjennom dette bygd opp en god erfarings-/databank også på granulære materialer. Utstyret er vist i figur 16. Detaljert prosedyre m m for dynamisk testing i liten treaks er beskrevet i eget notat [3] (Vedlegg 2 i denne rapporten). Confining pressure actuator Deviatoric load cell Chamber Membrane Confining pressure load cell Deviatoric load actuator Figur 16 Dynamisk treaks (liten), prinsippskisse og foto av montert prøve I en liten treaks (prøvediameter 150 mm, prøvehøyde ca 220 mm) må prøvematerialet skaleres ned når det er snakk om grove materialer. I praksis vil d max her kunne ligge på mm. På Melhus-materialet er fraksjonen 0-25 mm testet, tilsvarende material B i gyrator-forsøkene (jfr tabell 7). Treaks-prøvene ble laget ved hjelp av gyratorkompaktor (ICT 150 RD). Man fulgte samme prosedyre som er benyttet ved tidligere forsøk på granulære materialer; - Vertikalt arbeidstrykk 400 kpa - Gyratorvinkel 1.0 o rotasjoner

26 24 Ut fra tidligere erfaringer har denne innstillingen gitt en komprimering tilnærmet lik Modifisert Proctor. Tabell 13 Komprimeringsdata for prøver i liten treaks; knust betong Melhus 0-25 mm Prøve Densitet Vanninnhold (kg/dm 3 ) (%) Melhus 2 2,002 10,0 Melhus 4 2,010 10,0 Melhus 5 2,011 10,0 Melhus 6 2,025 10,0 Av prøvene i tabell 13 ble to prøver (nr 2 og 5) testet i fersk tilstand, dvs umiddelbart etter prøvetillaging. De to andre prøvene (nr 4 og 6) ble testet etter en tids kondisjonering ( herding ) i lab (hhv 45 og 100 døgn, innpakket i plast ved romtemperatur). Som for stor treaks kan både elastisk stivhet og deformasjonsmotstand avledes av forsøket. Elastisk stivhet Elastisk stivhet (resilientmodul) og avledet lastfordelingskoeffisient er sammenstilt for alle prøvene i tabell 14. Tabell 14 Resilientmodul og lastfordelingskoeffisient for prøver av knust betong Melhus, testet i liten treaks Tabell 13 viser de oppnådde densitetene. Det var relativt små forskjeller mellom parallellprøvene. Prøve Testfraksjon E-modul 1 Lastford.- (MPa) koeff. a Melhus mm 345 1,20 Melhus mm 320 1,17 Gjennomsnitt fersk 333 1,19 Melhus 4 (45 dager kondisj.) 0-25 mm 480 1,34 Melhus 6 (100 dager kondisj.) 0-25 mm 880 1,64 1 middelspenning 200 kpa De to prøvene som er testet før herding viser godt sammenfallende resultater. Verdiene er noe lavere enn det som ble målt i stor treaks, men stivheten ligger innenfor det man normalt kan forvente for et granulært bærelagsmaterial. Man kan registrere en betydelig økning i den elastiske stivheten når materialet får herde. Denne økningen samsvarer godt med tidligere gjennomførte forsøk på knuste betongmaterialer. Merk: Denne stivhetsøkningen må ikke brukes som absolutt verdi generelt, det var bare to prøver som ble testet og det var også fysiske forskjeller mellom dem. Selve herdeprosessen kan også forløpe ulikt i ulike prøver i tillegg til at de rent måleteknisk er vanskeligere å håndtere fordi deformasjonene blir mindre.

27 25 I den nye Håndbok 018 Vegbygging (juni 2004) er det angitt følgende normalverdier for forsterkningslag; a grus = 1,00 a pukk = 1,10 a Gjb = 1,00 Deformasjonsmotstand: Som for stor treaks kan også forsøkene i liten treaks brukes til å karakterisere materialenes motstand mot permanente deformasjoner ved å beregne elastisk grenselinje (bestemt av vinkelen ρ) og bruddlinje (bestemt av vinkelen Ф). Figur 17 viser grenselinjene som er kommet som resultat fra disse forsøkene. Verdier for et tradisjonelt sterkt pukkmaterial er lagt inn for sammenligning (Askøy 0-22 mm). Heltrukne linjer angir grense for inkrementelt brudd, stiplede linjer angir elastisk grense. Grensevinklene er oppsummert i tabell Askøy brudd 700 Deviatorspenning (kpa) Askøy elastisk Gjb herdet Gjb fersk Figur Sidetrykk (kpa) Motstand mot permanente deformasjoner for de utførte forsøkene i liten treaks (knust betong Melhus, 0-25 mm) Tabell 15 Attraksjon, elastisk vinkel og bruddvinkel for prøver av knust betong Melhus, testet i liten treaks Grensevinkel for elastisk oppførsel Sin(ρ) Grensevinkel for inkrementelt brudd Sin(φ) Prøve Testfraksjon Attraksjon (kpa) Melhus mm 40 0,35 0,45 Melhus mm 40 0,27 0,36 Gjennomsnitt fersk 40 0,31 0,41 Melhus 4 (45 dager kondisj.) 0-25 mm 60 0,42 0,49 Melhus 6 (100 dager kondisj.) 0-25 mm 100 0,42 0,50

28 26 Inkrementell bruddgrense og grensen for elastisk oppførsel er vesentlig lavere enn det som ble målt i den store treaksialriggen (tabell 12) og også noe lavere enn for normale ubundne bærelagsmaterialer. Tendensen til relativt høy tilsynelatende attraksjon viser at materialet oppnår god indre sammenbinding i forhold til tradisjonelle bærelagsmaterialer. Diskusjon: Årsaker til forskjellene i forhold til stor treaks ligger sannsynligvis i ulik kornfordeling og i den kompakteringsenergien som er tilført. Ulikheter i materialsammensetning (f eks 0-25 mm kontra 0-63 mm) vil ha større innvirkning på deformasjonsegenskapene enn på elastiske egenskaper (Emodul, lastfordelingskoeffisient). Det er et poeng å få testet materialet så likt det virkelige utlagte som mulig. Eksempelvis; er det utlagt material 0-25 mm kan både stor og liten treaks gi realistiske resultater. Men er det som på Melhus utlagt 0-100/ mm, vil stor treaks være mye mer relevant da testfraksjonene 0-63 mm/20-63 mm er nærmere opp til felt. Viktig: Det må alltid anngis hvilket material, dvs testfraksjon, de ulike laboratorieforsøk er basert på! 6 Sammendrag og konklusjoner Generelt Som et ledd i Gjenbruksprosjektet ble det høsten 2003 lagt ut knust betong som forsterkningslag på en nybygd E6-parsell ved Melhus i Sør-Trøndelag. To ulike varianter av knust betong ble utprøvd, en fraksjon mm og en fraksjon mm. Forsøksfeltene ble fulgt opp med målinger på vegen under og etter utlegging, i regi av Statens vegvesen Region Midt. I tillegg ble det gjort en serie laboratorieundersøkelser på materialene, dette hovedsakelig i regi av SINTEF. Statens vegvesen konsentrerte sine undersøkelser om platebelastnings- og falloddsmålinger for å se på eventuelle forskjeller i bæreevne/bæreevneutvikling mellom feltene. Ytterligere feltregistreringer, bæreevnemålinger m m vil bli foretatt i tiden framover for å følge med på utviklingen. Resultatene fra vegvesenets arbeid så langt er rapportert i egne notater [1], [4]. SINTEF har forsøkt å karakterisere materialene mhp mekanisk styrke samt forventet stivhet og deformasjonsmotstand. Laboratorieundersøkelsene kan summeres opp som følger: Mekanisk styrke Det aktuelle betongmaterialet er av god kvalitet. Los Angeles-verdi og fallprøveresultater tilfredsstiller kravene til både bære- og forsterkningslag (fallprøve etter gamle Håndbok 018). Nedknusing under komprimering er undersøkt i lab ved bruk av gyratorisk kompaktor. Resultatene indikerer at nedknusingen primært skjer med spalting av grove korn, noen stor økning i finstoffandelen er ikke påvist. [Finstoffandelen og dens betydning for teleegenskaper m m studeres nærmere i egne undersøkelser.] Betongmaterialenes porøsitet gjør at optimalt vanninnhold blir vesentlig høyere enn for naturlige materialer. Rikelig tilsetting av vann ved utlegging og komprimering er viktig av flere hensyn; oppnå god bearbeidbarhet, god densitetsutvikling samt unngå unødig nedknusing.

29 27 Bæreevne Det er gjort bæreevneforsøk i laboratoriet i form av CBR-forsøk. Resultatene viser at materialet (testfraksjon 0-19 mm) har gode skjærstyrkeegenskaper; CBR = Elastisk stivhet Det er gjort undersøkelser både i stor og liten treaks. Dette er belastningsforsøk hvor man påfører materialene dynamiske påkjenninger tilsvarende de aktuelle trafikkbelastningene i felt. Testprøvene er komprimert til tilnærmet samme densitet som i felt, og med tilnærmet samme vanninnhold. I stor treaks er testet fraksjonene 0-63 mm og mm, i liten treaks fraksjonen 0-25 mm. I liten treaks er det gjort en sammenligning av nytillagede prøver og prøver som har stått en tid til lagring ( herding ) før testing. Resultatene viser at stivhetsverdiene er høye sammenlignet med ordinære grus-/pukkmaterialer. For prøver testet umiddelbart etter komprimering ligger verdiene for elastisk stivhet ved 200 kpa middelspenningsnivå i området E = MPa (høyest verdi for grovmassen mm). Uttrykt som lastfordelingskoeffisient tilsvarer dette a = 1,2-1,4. For prøver lagret en tid etter komprimering (fra døgn) øker stivheten målt i liten treaks fra E = 330 MPa (initialverdi) til E = MPa. Uttrykt som lastfordelingskoeffisient tilsvarer dette a = 1,34-1,64. Deformasjonsmotstand Treaksforsøkene gir også data om prøvenes evne til å motstå permanente deformasjoner. Resultatene fra stor treaks viser at både bruddgrensen og grensen for elastisk oppførsel er svært høy sammenlignet med normale ubundne bære- og forsterkningslagsmaterialer. Dette indikerer god stabilitet og stor motstand mot permanente deformasjoner, sporutvikling etc. Også her oppviser det grove materialet (testfraksjon mm) de høyeste/beste verdiene. Resultatene fra liten treaks (material 0-25 mm) er ikke så gode. Her ligger både bruddgrense og elastisk grense vesentlig lavere enn i stor treaks, og også lavere enn tilsvarende målinger på gode pukkmaterialer. Men her begynner også forskjellen til felt (0-100 mm) å bli forholdsvis stor. Det mest interessante er kanskje å se på eventuelle effekter av etterherding. Også når det gjelder deformasjonsmotstand ser man en markant økning for prøvene som har vært lagret en tid før testing. Dette indikerer at både stivhet og stabilitet for forsterkningslaget vil øke i tiden etter utlegging og komprimering. Relasjon til felt En sjekk på kornkurven for det grove materialet mm etter testing i stor treaks viser at denne er nær sammenfallende med kurven for material mm uttatt på vegen etter komprimering (når man ser bort fra maksstørrelsen). Dette, sammen med øvrige forsøks-betingelser som densitet og vanninnhold, burde tyde på at de utførte treaksforsøkene (spesielt stor treaks) er så nært feltforhold som det er mulig å komme i laboratoriesammenheng. Komprimeringsforsøkene i lab (gyrator) viste liten gevinst i form av densitetsøkning ved å øke fra 50 til 250 rotasjoner. Dette samsvarer bra med komprimeringsforsøkene i felt. Det er der påvist marginale forskjeller mellom bruk av liten og stor vals (både feltdensitet og bæreevne/e-modul er målt). Bæreevnemålinger utført av Statens vegvesen har påvist en fasthetsøkning for betongfeltene

30 28 etter at vegen ble anlagt, spesielt gjelder dette feltet med material mm. Dette forsterkningslaget har etter 1,5 år i felt fått målt en E-modul på MPa, noe som er godt samsvarende med det som ble påvist i lab på herdede prøver av materialet 0-25 mm. Tilsvarende lab-forsøk med etterherding av åpen kurve hadde også vært interessant, men er så langt ikke utført. Men alt i alt tyder alle resultater på at forsterkningslaget av knust betong skal tåle godt de belastninger det vil bli utsatt for i vegkonstruksjonen på Melhus. Figur 18 Ny E6 Melhus, høsten 2004 Referanser [1] Gjenbruksvegen E6 Melhus Datarapport Rapport nr 01 Oppdragsnr UD800E, Statens vegvesen Region midt [2] Gjenbruksprosjektet; feltforsøk Melhus Storskala treaksialforsøk på knust betong SINTEF Notat datert [3] Gjenbruksprosjektet; feltforsøk Melhus Treaksialforsøk på knust betong (Liten treaksrigg) SINTEF Notat datert [4] Falloddsmålinger og spor-/jevnhetsmålinger Knust betong på Melhus Statens vegvesen Notat datert

31 Vedlegg 1 SINTEF Notat Gjenbruksprosjektet; feltforsøk Melhus Storskala treaksialforsøk på knust betong

32

33 NOTAT GJELDER Gjenbruksprosjektet; feltforsøk Melhus SINTEF Bygg og miljø Veg og samferdsel Postadresse: 7465 Trondheim Besøksadresse: Klæbuveien 153 Telefon: Telefaks: Foretaksregisteret: NO MVA Storskala treaksialforsøk på knust betong GÅR TIL Gjenbruksprosjektet DP 3.2 Gordana Petkovic Dag Atle Tangen BEHANDLING x UTTALELSE ORIENTERING x x ETTER AVTALE ARKIVKODE GRADERING Prosjektintern ELEKTRONISK ARKIVKODE I:\pro\223192\Notat resultat fra stor treaks.doc PROSJEKTNR. DATO SAKSBEARBEIDER/FORFATTER ANTALL SIDER Inge Hoff og Joralf Aurstad 14 sider inkl bilag 9 sider 1 Bakgrunn På forsøksstrekningen på nye E6 ved Melhus er det lagt ut forsterkningslag av knust betong i to ulike varianter; mm og mm. For å gjøre en evaluering og sammenligning av disse materialene er det i tillegg til oppfølging i felt planlagt et undersøkelsesopplegg i lab. Dette notatet behandler resultater fra prøver testet i såkalt stor treaks (d = 30 cm, h = 60 cm). 2 Treaksialtesting Et syklisk treaksialforsøk er en funksjonstest som gir informasjon om materialenes elastiske stivhet (resilient modul), og deres motstand mot permanente deformasjoner. Materialene utsettes for en serie forskjellige belastninger som skal simulere belastningen som materialet opplever på forskjellige steder i vegkroppen. Testen blir utført i henhold til den nye standarden NS-EN En mer detaljert beskrivelse av metode og utstyr er gitt i bilag A. 3 Materialer Prøvestørrelsen i stor treaks (d = 30 cm) gjør det mulig å teste materialer med kornstørrelse opp til 60 mm. For å se på forskjellene mellom tett og åpen kurve for Melhus-materialet er det derfor testet på følgende graderinger: 0-60 mm "velgradert material" (2 prøver) mm "grovt material" (2 prøver) Dette notatet inneholder prosjektinformasjon og foreløpige resultater som underlag for endelig prosjektrapport. SINTEF hefter ikke for innholdet, og tar forbehold mot gjengivelse.

34 2 I forhold til materialet utlagt på Melhus med d max = 100 mm er forskjellen at material > 60 mm er frasiktet og erstattet med material mm. Dette for at kurven mellom lab og felt skal være mest mulig sammenfallende, den er ikke "løftet" eller "senket" for materialene < 30 mm (bare grovfraksjonen er justert). 4 Prøvetillaging Før forsøkene ble satt i gang ble feltdensiteten til det grovkornige materialet bestemt. Prøvene med grovkornig materiale ble kompaktert til denne feltdensiteten i 5 like lag ved hjelp av en egenbygd vibrasjonshammer, se bilag A. For de velgraderte materialene har feltdensiteten ikke vært tilgjengelig. Men ut fra en antagelse om bruk av samme type vals og like mange overfarter i felt, ble det brukt den samme energien til å kompaktere også disse prøvene. Tabell 1 viser de oppnådde densitetene. Det er relativt liten forskjell mellom de parallelle prøvene. Tabell 1 Kompakteringsdata Prøve Densitet (kg/dm 3 ) Vanninnhold (%) Velgradert Velgradert Grovt materiale Grovt materiale Testprosedyre For å bestemme både elastisk stivhet og motstanden mot permanente deformasjoner ble det valgt å benytte Multistage prosedyren beskrevet i den nye europeiske standarden. Denne prosedyren er forholdsvis lik prosedyren som ble benyttet ved NTNU/SINTEF tidligere, for eksempel i Inge Hoffs dr. avhandling / 1 /. Siden disse materialene er meget sterke ble tabellen for high stress brukt. Belastningstrinnene for denne er vist i tabell A-2 i bilag A. 6 Resultater De permanente deformasjonene som utvikler seg i et normalt dimensjonert bærelag per kjøretøyoverfart er vesentlig mye mindre enn de elastiske deformasjonene. Det er derfor hensiktsmessig å behandle elastisk stivhet separat fra utviklingen av permanente deformasjoner. 6.1 Elastisk stivhet Som for alle ubundne granulære materialer er resilientmodulen i stor grad spenningsavhengig. Stivheten øker merkbart når sidetrykket øker. Det gir derfor ingen mening å snakke om et materials E-modul uten samtidig å definere hvilken spenningstilstand materialet skal brukes under. For konstant sidetrykk kan resilientmodulen beregnes etter følgende formel: M r σ d = ε a 1 Hoff, Inge Material Properties of Unbound Aggregates for Pavement Structures Dr.ing. avhandling, NTNU 1999

35 3 der σ d er syklisk påført deviatorspenning og ε a er syklisk elastisk tøyning i aksiell retning. Den elastiske stivheten, resilientmodulen, er sammenstilt for alle prøvene i figur 1. Stivheten ligger innenfor det en normalt kan forvente seg for et granulært bærelagsmaterial. Merk: Prøvene viser en del forskjeller, for å forbedre påliteligheten av undersøkelsene kunne det vært nyttig å supplert med flere forsøk Resilientmodul (MPa) Velgradert 1 Velgradert 2 Åpen 1 Åpen Figur Maksimal middelspenning (kpa) Resilientmoduler avhengig av spenningsnivå Tidligere / 2 / har vi benyttet stivheten ved 200 kpa middelspenning som utgangspunkt for å beregne lastfordelingskoeffisienter slik det blir beskrevet i Håndbok 018. Dette gir da verdier som vist i tabell 2. Tabell 2 Resilientmodul og lastfordelingskoeffisient for prøver av knust betong (Melhus) E-modul (MPa) ved 200 kpa middelspenning Lastford.- koeff. a Prøve Velgradert Velgradert Gj.snitt Velgradert Åpen Åpen Gj.snitt Åpen Hoff, Inge og Bakløkk, Leif Materialegenskaper for grus- og pukkmaterialer Delprosjektrapport KPG 18, 1998

36 4 6.2 Motstand mot permanente deformasjoner Det finnes flere måter for å karakterisere motstanden mot permanente deformasjoner i granulære materialer. Den prosedyren vi har benyttet belaster den samme prøven med forskjellige spenningstilstander i trinn på pulser. For å karakterisere materialet ser vi på utviklingen av permanente deformasjoner per sykel i gjenomsnitt for de siste pulsene. Vi plasserer oppførselen i tre kategorier for hvert trinn, se bilag B: - Tilnærmet elastisk oppførsel: tøyningshastighet < /sykel (grønn firkant) - Stabiliserende oppførsel: tøyningshastighet < /sykel (gul trekant) - Inkrementell bruddtilstand: tøyningshastighet > /sykel (rød sirkel) Etter at hvert trinn er plassert i en av de tre kategoriene, kan disse skilles ved å legge inn grenselinjer definert med attraksjon og grensevinkler. Disse grensevinklene er angitt for hver enkelt prøve i bilag B. Tabell 3 oppsummerer grenseverdiene for alle forsøkene. Tabell 3 Attraksjon, elastisk vinkel og bruddvinkel for prøver av knust betong (Melhus) Attraksjon Grensevinkel for elastisk oppførsel Sin(ρ) Grensevinkel for inkrementelt brudd Sin(φ) Prøve Velgradert >0.70 Velgradert >0.75 Gj.nitt Velgradert >0.72 Åpen * 0.65* Åpen >0.87 Gj.snitt Åpen >0.87 * Disse verdiene avviker vesentlig fra de andre forsøkene og kvaliteten på forsøket er bare vurdert som fair. Disse verdiene er derfor ikke tatt med i gjennomsnittet. I figur 2 er grensene mellom de forskjellige typene av deformasjonsutvikling vist for de utførte forsøkene. Vi har også lagt inn verdier for et tradisjonelt pukkmaterial (Askøy 0-22 mm) for sammenligning.