Statens vegvesen CBR, California Bearing Ratio. Omfang. Referanser. Utstyr. Prinsipp. Beskrivelse. Definisjoner.

Transkript

1 Statens vegvesen 14.4 Løsmasser, fjell og steinmaterialer Komprimering side 1 av CBR, California Bearing Ratio Gjeldende prosess (nov. 1996): Omfang Prinsipp Metoden brukes for å bestemme relativ bæreevne CBR (California Bearing Ratio) for undergrunn og overbygningsmaterialer i tørr eller oppbløtt tilstand, ved stempelinntrengning i prøve som er komprimert til bestemt komprimeringsgrad. CBR for knust fjell, knust grus eller andre materialer til overbygning skal, dersom ikke annet er spesifisert, utføres som 3 punkts bestemmelse på prøver stampet inn ved optimalt vanninnhold til varierende komprimeringsgrad som spenner over det aktuelle bruksområdet (tørrdensitet i prosent av maksimum tørrdensitet ved Modifisert Proctor). Prøvene skal bløtes (neddykkes) i 4 døgn før selve penetrasjonsforsøket. Ved CBR-prøving av undergrunnsmaterialer må prøvenes vanninnhold og komprimeringsgrad relateres til Standard Proctor. Definisjoner CBR er uttrykt ved motstand mot stempelinntrengning 2,54 ev. 5,08 mm i en aktuell materialprøve med gitt komprimeringsgrad, i prosent av motstand mot samme inntrengning i prøve av et standardisert materiale som har tilsvarende komprimeringsgrad. Kommentar: Undersøkelse av CBR er aktuelt f.eks. for knust fjell eller knust grus til bærelag når kornkurven for materialet ikke er i samsvar med grensekurvene i vegnormalen og når øvrige krav til materialet er oppfylt. Beskrivelsen er primært tilpasset testing av overbygningsmaterialer, der komprimeringsgraden angis som prosent av maksimum tørrdensitet ved Modifisert Proctor-metoden. For de fleste granulære materialer er CBR-verdien sterkt avhengig av prøvenes komprimeringsgrad (antall slag pr. lag) og skal derfor fastlegges ut fra 3 punkts bestemmelse. CBR-undersøkelse med 1 punkts bestemmelse bør bare brukes for enklere kontroll av materialer der en på forhånd har fastlagt hvor mange slag pr. lag som kreves for å gi ønsket komprimeringsgrad, eller for kontroll av materialer der en har dokumentert at komprimeringsgraden eller antall slag pr. lag har mindre betydning for CBR-verdien. Referanser AASHTO Designation T (1986): The California Bearing Ratio Utstyr Beskrivelse - CBR-sylinder med innvendig diameter 152,4 mm og høyde 177,8 mm, tilhørende krave 50,8 mm høy og perforert bunnplate - en ekstra bunnplate, til bruk når sylinderen skal vendes etter innstampingen - avstandsskive 150,8 mm i diameter og 61,4 mm tykk, til innlegg i sylinderen ved innstamping (prøvens høyde blir da 177,8 mm 61,4 mm = 116,4 mm, og volumet blir 2,123 liter) - 4,8 kg stamper (håndstamper) eller automatisk stamper, f.eks. Veglaboratoriets modell. (For prøving av undergrunnsmaterialer kan det brukes 2,63 kg stamper) - stillbar stamme med perforert plate, stativ og måleur med avlesningsnøyaktighet 0,01 mm - lodd til belastning av prøven: plater av bly eller stål med ytre diameter 150 mm, sentrisk hull 54 mm og samlet vekt 4,54 kg, samt U-formede lodd, hver med vekt 2,27 kg, til plassering på prøven når penetrasjonsstempelet er oppsatt - penetrasjonsstempel med diameter 49,6 mm og minst 101,6 mm lengde - belastningsutstyr (CBR-presse), skrujekk eller andre arrangement, som kan presse stempelet ned i prøven med en hastighet av 1,27 mm pr. min. Utstyret bør kunne gi en maksimal kraft på minst 45 kn. Avlesningsnøyaktigheten bør være 44 N eller bedre. Påført kraft og stempelets inntrengning i prøven må kunne avleses/registreres kontinuerlig eller med gitte intervall - spade, blandekar - stållinjal - vekt 25 kg med nøyaktighet ± 1 g - vekt 1 kg, nøyaktighet ± 0,1 g - beholdere til tørking av materialprøver - varmeskap (tørkeskap) regulerbart C Vedlikehold Belastningsutstyret (CBR-presse e.l.) må være kalibrert slik at den avleste eller beregnede kraften blir korrekt. Det må tas forholdsregler mot overbelastning av målering eller andre sensitive deler av utstyret.

2 side 2 av 4 Kommentar: Beskrivelsen er basert på en direkte oversettelse av AASHTO T mht. dimensjoner og utforming av utstyret (sylindre, belastningsvekter, avlesningsintervaller). Det kan brukes utstyr med mindre avvik i dimensjoner og utforming dersom dette er hensiktsmessig, f.eks. ut fra tilgjengelighet på markedet. Utstyr til innstamping av prøvene er tilpasset norske forhold (4,8 kg fallhammer for Modifisert Proctor). Fremgangsmåte Forundersøkelser Før tillaging av prøver må materialets korngradering bestemmes. Dersom materialet inneholder stein større enn 19,0 mm, skal de videre undersøkelser foretas på materiale der stein større enn 19,0 mm er siktet fra og erstattet med tilsvarende mengde (masseprosent) av fraksjonen mellom sikt 4,0 mm og 19,0 mm som er utsiktet fra samme materialtype som skal undersøkes. Optimalt vanninnhold og maksimal tørrdensitet ved Modifisert Proctor undersøkes i hht Om ønskelig kan proctorundersøkelsen foretas ved stamping av prøver i CBR-sylinder med innlagt avstandsskive. Det er tilstrekkelig med 4-5 prøver med vanninnhold som spenner over ca. ± 2 % i forhold til antatt optimalt vanninnhold. Prøvene komprimeres i fem lag med 53 slag på hvert lag og fallhøyde 450 mm dersom CBR-sylinderen brukes (prøvens volum er 2,123 liter når 61,4 mm avstandsskive brukes). Dersom 2 liters sylinder brukes skal det brukes 50 slag på hvert lag, jf Kommentar: Ved prøving av materialer som skal komprimeres i hht. Standard Proctor stampes prøvene i 3 lag med 2,63 kg stamper og 300 mm fallhøyde. Antall slag pr. lag skal være som for Modifisert Proctor, dvs. 53 slag (CBR-sylinder med avstandsskive), ev. 50 slag (2 liters sylinder). Tillaging av CBR-prøver Før ifylling og innstamping skal sylinderen være montert sammen med bunnplaten og kraven. Avstandsskiven legges inn slik at den danner en falsk bunn i sylinderen under innstampingen. På skiven legges et grovt filterpapir eller en sikteduk. For hver prøve skal det lages i stand ca. 6,0 kg oppfuktet materiale. Det vil medgå ca. 5,5 kg tørt materiale. I tillegg til selve CBR-prøven skal dette gi ca. 0,5 kg til kontroll av vanninnholdet. Vannet tilsettes og materialet oppbevares tett tildekket i minst 12 timer før innstampingen. Vanninnholdet skal ikke avvike mer enn ± 0,5 % fra prøvenes tilsiktede vanninnhold, som vanligvis er materialets optimale vanninnhold (w opt ). Materialet stampes i fem like tykke lag i sylinderen som på forhånd er veid uten krave og avstandsskive, men med bunnplate nr. 2 (bunnplaten som danner ny bunn etter snuing av sylinderen). Hvert lag stampes med stamperen som faller fritt fra 450 mm høyde. Ved 3 punkts bestemmelse skal prøve nr. 1 ha 10 slag pr. lag, prøve nr. 2 skal ha 25 slag pr. lag og prøve nr. 3 skal ha 60 slag pr. lag. Slagene fordeles jevnt over flaten. Sylinderen skal under stampingen stå på et fast, plant underlag, f.eks. en betongblokk som veier minst 100 kg. Etter stampingen fjernes kraven, og overskytende masse strykes av med stållinjalen. Et grovt filterpapir eller en sikteduk plasseres på overflaten. En perforert bunnplate festes til toppen av sylinderen før sylinderen vendes opp-ned og den tidligere bunnplate fjernes. Avstandsskiven løftes ut og sylinderen med prøve og ny bunnplate veies, og våt densitet beregnes. Det tas en prøve av det gjenværende materialet i blandetrauet for kontroll av vanninnholdet og beregning av tørr densitet. Kommentar: De oppgitte antall slag pr. lag (10, 25 og 60) vil normalt bety at de tre prøvene får densiteter som spenner over et stort område, og slik at en gitt komprimeringsgrad (f.eks. 98 % Modifisert Proctor) faller innenfor dette området. Det er vanskelig å forutsi et visst antall slag pr. lag som skal resultere i en bestemt komprimeringsgrad. Ved prøving av materialer som skal komprimeres i hht. Standard Proctor stampes prøvene i 3 lag med 2,63 kg stamper og 300 mm fallhøyde. Neddykking av prøvene (bløting) Platen med den stillbare stammen plasseres på prøvens overflate. Ett eller flere ringformede lodd legges på for å belaste prøven tilsvarende vekten av overbygningen innenfor en toleranse på ± 2,27 kg. Vekten skal minst være 4,54 kg. Stativet med måleur monteres slik at spindelen på måleuret kan bringes i kontakt med stammen på platen som er plassert på prøvens overflate. Sylinderen og loddene skal stå neddykket i vann 96 timer (4 døgn) og ha fri adgang for vann både til topp og bunn av prøven. Kortere bløtingstid enn 4 døgn kan brukes dersom maksimalt vanninnhold (metning) åpenbart er oppnådd i løpet av denne tiden. Prøvens svelling finnes ved å foreta "null-avlesning" på måleuret straks prøven er satt ned i vannbadet, og ny avlesning ved slutten av bløtingsperioden. Svellingen bestemmes som prøvens utvidelse i prosent av prøvens høyde ved starten av bløtingsperioden. Prøven tas opp av vannbadet etter bløtingsperioden, fritt vann fjernes og prøven tillates å drenere ut nedover i 15 min. Pass på at prøvens overflate ikke ødelegges. Loddene og platen med målestammen fjernes og prøven veies. Penetrasjonsforsøket Før prøven plasseres i belastningsmaskinen skal det på prøvens overflate plasseres lodd som tilsvarer vekten av loddene som ble brukt under bløtingen. Dersom prøvene ikke har vært neddykket og/eller vekten av vegfundamentet og

3 side 3 av 4 vegdekket ikke er spesifisert annerledes, skal vekten av loddene være 4,54 kg. For å hindre opptrengning av materiale gjennom hullet i belastningsloddet, bør et av de ringformede loddene (2,27 kg) plasseres før penetrasjonsstempelet settes opp. Resten av vekten plasseres etter at stempelet er satt opp slik at det så vidt berører prøven. Penetrasjonsstempelet skal settes i kontakt med prøvens overflate med minst mulig kraft, ikke mer enn 44 N. Dette skal sikre tilfredsstillende kontakt mellom stempelet og prøven, og skal betraktes som nullbelastning ved bestemmelse av innpressings- og spenningsverdiene. Ved pålastning skal kraften på stempelet økes jevnt slik at stempelet trykkes ned i prøven med hastighet 1,27 mm pr. min. Kraften skal avleses ved inntrykking av stempelet, med intervaller som vist i nedenstående tabell. Avlesning skal foretas hvert 30. sek. inntil innpressingen er 5,08 mm - deretter avlesning hvert 2. min. inntil 12,7 mm penetrasjon er oppnådd. Ved manuelt betjent belastningsmaskin kan det være nødvendig å ta avlesninger med tettere intervaller for å kontrollere hastigheten på inntrykkingen. Ved meget sterke grusmaterialer kan innpressingen avsluttes tidligere (f.eks. ved 7,62 mm = 0,300 in.). Alternative avlesningsintervaller kan være 0,5 mm opp til 5 mm inntrengning, deretter 1 mm intervaller. Maksimal kraft og tilhørende innpressing noteres dersom kraft-deformasjonskurven har et maksimum ved innpressing som er mindre enn 12,7 mm (0,5 in.). Ved bruk av presse med målering avleses deformasjon for måleringen og deformasjon for prøven (stempelinntrengning). Kraften på måleringen er lineært avhengig av deformasjonen og bestemmes ut fra kalibreringsdiagram for den aktuelle måleringen, eller ved å multiplisere avlest verdi med en måleringkonstant. Kontroll av vanninnhold etter CBR Når belastningsforsøket er ferdig, bør en straks ta en kontrollprøve av vanninnholdet i det øverste laget av prøven. Dette gjøres ved å veie og tørke alt materiale i de øverste 25 mm av prøven. Dersom vanninnholdet for hele prøven ønskes, tas en gjennomsnittsprøve på 500 g dersom prøven består av grovere materiale, 100 g dersom prøven er en finkornig jordart. Resultater Beregninger Våt densitet etter innstamping beregnes for hver av de tre CBR-prøvene. Prøvenes tørre densitet beregnes på grunnlag av våt densitet og materialets vanninnhold ved innstampingen, jf De avleste verdiene for penetrasjonsforsøket tegnes opp i diagram med stempelinntrengning (i mm) langs den horisontale aksen og stempelkraft i kn (eller måleringavlesning i 1/1000 mm) langs den vertikale aksen. Kurven tegnes opp og korrigeres for eventuelle uregelmessigheter i prøvens overflate. Prinsippskisse er vist i figur Kraften leses av (ev. beregnes) ved korrigert stempelinntrengning 2,54 og 5,08 mm og divideres med en standard kraft for de respektive stempelinntrengninger (13,29 kn for stempelinntrengning 2,54 mm og 19,93 kn for stempelinntrengning 5,08 mm) og multipliseres med 100. Dette gir CBRverdi i % for henholdsvis 2,54 mm (CBR 2.5 ) og for 5,08 mm stempelinntrengning (CBR 5 ). CBR CBR kraft ved 254, mm inntrengning 13, 29 kn 25. = 5 kraft ved 508, mm inntrengning 19, 93 kn = Som materialets CBR-verdi regnes normalt CBR 2.5. Dersom CBR 5 er større enn CBR 2.5, skal det foretas ny undersøkelse. Dersom også den nye undersøkelsen viser at CBR 5 er høyere enn CBR 2.5, skal CBR 5 rapporteres som materialets CBRverdi. Resultatene for de tre prøvene kan tegnes opp på samleskjema med halvlogaritmisk diagram, der tørrdensiteten avsettes langs den horisontale, lineære aksen og CBR-verdien avsettes langs den vertikale, logaritmiske aksen. Alternativt kan tørrdensitet og CBR-verdi tegnes i diagram med vanlige, lineære akser. CBR leses av for materialets ønskede tørrdensitet (komprimeringsgrad). Prinsippskisse, se figur Materialets svelling pga. bløtingen beregnes slik: h1 h0 Svelling (%) = 100 % H hvor: Intervaller for avlesning ved penetrasjonsforsøket mm 0,64 1,27 1,91 2,54 3,18 3,81 4,45 5,08 7,62 10,16 12,7 in. 0,025 0,050 0,075 0,100 0,125 0,150 0,175 0,200 0,300 0,400 0,500

4 side 4 av 4 h 1 = måleuravlesning (i mm) ved slutten av bløteperioden h 0 = måleuravlesning (i mm) ved starten av bløteperioden H = prøvens høyde etter innstamping (116,4 mm) Kommentar: Det er viktig at maksimal tørrdensitet ved proctorundersøkelsen er bestemt skikkelig. CBR er sterkt avhengig av materialets densitet. Dette krever at man er nøye med innstamping av prøvene, slik at den oppnådde tørrdensiteten for de ulike prøvene i 3 punkts-bestemmelsen virkelig blir "spredt" over det ønskede området. Normalt vil tørrdensiteten for CBR-prøven med 60 slag pr. lag være så vidt i overkant av den maksimale tørrdensiteten for materialet (ca % Modifisert Proctor). Tørrdensiteten for prøven med 25 slag pr. lag vil normalt ha tørrdensitet tilsvarende ca % Modifisert Proctor, og prøven med 10 slag pr. lag vil ha tørrdensitet tilsvarende ca % Modifisert Proctor. De angitte verdier er erfaringstall fra et begrenset antall CBR-undersøkelser av grusmaterialer og må kun betraktes som veiledende verdier, for kontroll av at prøvetillagingen (CBR-prøvene) harmonerer med proctorundersøkelsen. Den oppnådde komprimeringsgraden for CBR-prøvene kan variere med materialtypen. Dersom det åpenbart er dårlig samsvar mellom materialets maksimale tørrdensitet og CBRprøvenes tørrdensitet, bør hele undersøkelsen gjøres på nytt (ny proctorundersøkelse og nye CBR-prøver). Rapportering Følgende arbeidsskjemaer er aktuelle: Blankett nr. 476: Bestemmelse av optimalt vanninnhold Blankett nr. 425: Bestemmelse av CBR Samlediagram for CBR som funksjon av tørrdensitet må eventuelt lages som halvlogaritmisk diagram (se ovenfor). Rapporten skal minst inneholde følgende opplysninger: - prøvingslaboratorium (navn og adresse) - ansvarlig for prøvingen - prøvingsmetode (denne beskrivelsens nr. og tittel) - materialtype - prøvetakingssted og identifikasjon av prøve - andel av materialet som er større enn 19,0 mm - maksimal tørrdensitet og optimalt vanninnhold bestemt ved Modifisert Proctor *) - tørrdensitet og vanninnhold ved innstamping av CBR-prøvene - bløtingstid for prøvene (vanligvis 4 døgn) - svelling - vanninnhold for de øverste 25 mm av hver prøve ved avsluttet penetrasjonsforsøk, og eventuelt gjennomsnittlig vanninnhold for hver prøve - diagram med innplottede verdier for stempelkraft og stempelinntrengning på hver prøve (blankett nr. 425) - samleskjema med oppnådde CBR-verdier (CBR 2.5 og CBR 5 ) for hver av de tre prøvene, som funksjon av prøvenes tørrdensitet - avlest CBR-verdi for tørrdensitet tilsvarende 93 %, 95 %, 98 % og 100 % Modifisert Proctor *) *) Dersom maksimum tørrdensitet og optimalt vanninnhold er bestemt med annen metode, f.eks. Standard Proctor, skal det fremgå av rapporten. Dersom det er benyttet utstyr eller fremgangsmåte som avviker fra ovenstående beskrivelse, skal dette angis i rapporten.

5 side 5 av 4 Figur Opptegning og tolking av CBR-kurve for enkelt prøve Figur Sammenstilling av resultater. CBR som funksjon av densitet