INNHOLDSFORTEGNELSE English summary...2 Innledning...4 Testmetoder og prosedyrer...5 Materialer...7 Kontroll av masseresept...9

Transkript

1

2

3

4 2 English summary This study is part of the PROKAS-project on design and control of asphalt pavements. This report presents results from investigations of asphalt-mix properties on laboratory mixed asphalt samples. The aim of the investigation was to examine how the binder properties influence on the deformations and stiffness properties of the asphalt mix. The same aggregate was used for all samples, but the stiffness of the binder varied. Gyratory compaction was used when producing the samples. To examine the stiffness and deformation properties, the Indirect Tensile Stiffness Modulus (ITSM) test and Indentation Repeated Load Axial Test (INDENT) on the Nottingham Asphalt Tester (NAT) was used. Main conclusions from the investigations are: Use of gyratory compactor gives the possibility to produce parallel samples with almost equal density. However density and void content seems to vary in height. E-modulus from repeated load tests on NAT show minor variations between parallel samples. Thus, NAT seems suitable for measuring E-modulus. The INDENT seems to rank asphalt mixes with the same aggregate and varying binder stiffness in a reliable way. These results seem to correlate well with a new suggested system for selecting binder based on local climate and traffic loadings. Before specifications regarding stiffness and deformations can be established, further laboratory testing on other types of mixes should be executed.

5 3 INNHOLDSFORTEGNELSE English summary Innledning Testmetoder og prosedyrer Standarder Densitet Tillaging av prøver i gyrator Elastisk stivhet (Indirect Tensile Stiffness Modulus, ITSM) Dynamisk kryp (Indentation Test, INDENT) Kondisjonering av prøver Elastisk stivhet Dynamisk kryptest Test prosedyrer Elastisk stivhet Dynamisk kryptest Ekstraksjon, gjenvinning og testing av bindemiddel Materialer Steinmaterialer og resept Bindemidler Kontroll av masseresept Generelt Marshallundersøkelse Gyratorundersøkelse Vurdering Tillaging av prøver i gyrator Resultater Prøvedata Elastisk stivhet (E-modul) Sammenstilling av resultater Sammenligning med feltprøver Dynamisk kryp Resultater for hver massetype Sammenstilling av resultater Sammenligning med feltprøver Ekstraksjon, gjenvinning og testing av bindemiddel System for valg av bindemiddel etter klima og trafikk Vurderinger Tillaging av prøver med gyrator Elastisk stivhet (E-modul) Dynamisk kryp Valg av bindemiddel etter klima og trafikk Krav til kryp i et dimensjoneringssystem Konklusjoner Referanser...38

6 4 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). Denne rapporten omhandler en undersøkelse for å se på bindemiddelets betydning for deformasjons- og stivhetsegenskapene. Det er tatt utgangspunkt i en Ab11-masse utlagt på Værnes flyplass i Resept og materialer fra denne massen er benyttet ved produksjon av prøver i laboratoriet. De undersøkelser som er gjennomført er syklisk stivhetstest og dynamisk kryptest på Nottingham Asphalt Tester (NAT). Rapporten beskriver og drøfter de framkomne resultatene.

7 5 2 Testmetoder og prosedyrer 2.1 Standarder Densitet Densitet, ρ d, ble bestemt ved bruk av metode Prøvens densitet; hydrostatisk overflatetørr i Statens vegvesen håndbok 014, Laboratorieundersøkelser. Spesifikk densitet for steinmaterialet ble bestemt etter metode Densitet for materiale mindre enn 4,0 mm i håndbok 014. Hulrom i hver enkelt prøve ble deretter beregnet Tillaging av prøver i gyrator Produksjon av asfaltmassen i laboratoriet ble utført etter metode i håndbok 014; Blanding av laboratorieprøver; varme masser (mars 2004). Prøvetillaging med gyrator ble utført i henhold til metode i håndbok 014; Prøvetillaging med gyratorisk kompaktor (november 2003) Elastisk stivhet (Indirect Tensile Stiffness Modulus, ITSM) For bestemmelse av elastisk stivhet ble undersøkelsen utført etter følgende forslag til standard: Pr EN 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 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". 2.2 Kondisjonering av prøver Elastisk stivhet - Etter tillaging og bestemmelse av romvekt ble prøvene lagt i klimarom ved 5 ºC. - Prøvene ble lagret enkeltvis på en plan horisontal benk (ikke oppå hverandre). - Før testing ble prøvene kondisjonert i klimakammer ved testtemperatur i minimum 4 timer. En kontroll-prøve med temperaturfølere på overflaten og i senter ble plassert ved prøvene, som ekstra temperatursjekk. - Prøvene ble merket med to diametrale linjer vinkelrett på hverandre Dynamisk kryptest - Etter tillaging, preparering og bestemmelse av romvekt ble prøvene lagt i klimarom ved 5 ºC. - Prøvene ble lagret enkeltvis på en plan horisontal benk (ikke oppå hverandre). - Før testing ble prøvene kondisjonert ved test temperatur i minimum 4 timer og ikke mer enn 7 timer. En kontroll-prøve med temperaturfølere på overflaten og i senter ble plassert ved prøvene, som ekstra temperatursjekk. - Prøvene ble smurt i hver endeflate med silikonfett.

8 6 2.3 Test prosedyrer Elastisk stivhet - Prøvene monteres i apparaturen med en av de diametrale linjer vertikalt. - Det påføres 10 kondisjonerende lastpulser for justering av lastens størrelse og form før selve forsøket starter. - Forsøket blir gjentatt ved å rotere prøven 90º. Stivhetsmodulen fra denne kjøringen skal i henhold til standarden ligge i området +10 % til 20 % av verdien funnet i første kjøring. Gjennomsnittsverdien av de to kjøringer angis som prøvens stivhetsmodul. Dersom forskjellen mellom de to kjøringer er større enn angitt over skal resultatet forkastes. Ny kjøring av prøven skal da ikke utføres før etter 24 timer. - Testing ble i dette tilfellet utført ved +10 ºC og +20 ºC (begge temperaturer er i siste forslag til standard (mai 2003) anbefalt som testtemperatur ved rutinetesting) Dynamisk kryptest - Prøven blir forbelastet med 10 kpa i 10 min. Etter forbelastningen starter den sykliske belastningen med en aksiell belastning på 100 kpa. Det kjøres totalt 3600 lastpulser. - Deformasjonen blir målt kontinuerlig under belastning. - Basert på målingene plottes deformasjonskurver mot antall lastsykler. - Testen ble i denne undersøkelsen gjennomført ved 40 ºC. 2.4 Ekstraksjon, gjenvinning og testing av bindemiddel Det er foretatt ekstraksjon, gjenvinning og testing av bindemiddel av en prøve fra hver prøveserie. 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 1. Figur 1 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).

9 7 3 Materialer 3.1 Steinmaterialer og resept Steinmaterialene som ble brukt i undersøkelsen var de samme steinmaterialer som ble brukt under legging av nytt dekke på Værnes flyplass i Ved analyse av prøver tatt ut i felt viste det seg at disse prøvene hadde et noe høyt hulrom. Etter samtale med utførende entreprenør ble det opplyst at entreprenøren også hadde fått tilsvarende resultater under sin oppfølgingskontroll, og hadde derfor endret resepten ved å tilsette 1 % mer fremmedfiller. Denne justeringen hadde redusert hulromsnivået noe. På denne bakgrunn ble også resepten i denne lab-undersøkelsen endret noe fra den opprinnelige. Kontroll av resepten er beskrevet i kapittel 4. Tabell 1 viser oversikt over de steinmaterialer som inngikk i opprinnelig resept og den resepten som ble benyttet i denne undersøkelsen. Tabell 1 Data for steinmaterialer og sammensetning av Ab11-masse. Tilslag Opprinnelig resept (%) Justert resept benyttet i laboratorieundersøkelsen (%) Maksimum densitet (g/cm 3 ) Fossberga ,703 Fossberga ,688 Forness ,856 Fr.filler 5 6 2,740 Bindemiddelinnhold 5,5 5,6 3.2 Bindemidler Bindemidlene som er benyttet i denne undersøkelsen er levert av Shell. Følgende bindemiddelklasser har inngått: - B 35/50 - B 50/70 - B 70/100 - B 160/220 - B 330/430 - V Bindemiddelkvalitet 35/50 ble levert direkte fra Frankrike, mens de øvrige bindemidler ble blandet ut fra bindemiddelklassene 50/70 og V1500. Blandingsresepten for de ulike bindemiddelklasser er vist i tabell 2.

10 8 Tabell 2 Resepter for blanding av ulike bindemiddelklasser. Resept (vekt-%) Bindemiddelklasse V /70 70/ /220 22,3 77,7 330/430 35,8 64,2 V ,5 46,5 En kontroll av bindemidlenes penetrasjon og viskositet (V12000) er vist i tabell 3, hvor også mykningspunktet er angitt. Tabell 3 Kontroll av bindemidler benyttet i laboratorieundersøkelsen. Bindemiddelklasse Penetrasjon (0,1 mm) Viskositet, 60 ºC Mykningspunkt (ºC) (mm 2 /s ) 35/ ,1 50/ ,4 70/ ,2 160/ ,5 330/ ,9 V ,1

11 9 4 Kontroll av masseresept 4.1 Generelt Det ble valgt å gjøre noen innledende undersøkelser som kontroll på at den justerte masseresepten tilfredsstilte kravene til en Ab11, herunder en kontroll av Marshall-verdiene. I den innledende undersøkelsen inngikk både den opprinnelige resepten (A) og den justerte resepten (B) som vist i tabell 4. Tabell 4 Data for prøver ved kontroll av masseresept. Tilslag Massetype A (%) Massetype B (%) Fossberga Fossberga Forness Fr.filler 5 6 Bindemiddelmengde 5,5 5,6 Bindemiddel 160/ /220 Det ble videre foretatt en innkjøring av reseptene på gyrator, og hulrommet i 10 cm høye prøver med diameter 150 mm ble beregnet etter gyrering. Prøvene ble kappet til en høyde på 6 cm og hulrom for disse prøveklossene ble så beregnet. 4.2 Marshallundersøkelse I Marshallundersøkelsen var blandingstemperaturen 150 ºC mens innstampingstemperaturen var 140 ºC. Data for Marshallprøver og resultater fra Marshallundersøkelsen er vist i henholdsvis tabell 5 og 6. Tabell 5 Data for Marshallprøver. Prøve Densitet (g/cm 3 ) Maksimum densitet (g/cm 3 ) Bindemiddelinnhold (%) Hulrom (%) A1 2,459 2,495 5,5 1,4 A2 2,461 2,495 5,5 1,4 A3 2,458 2,495 5,5 1,5 B1 2,454 2,490 5,6 1,4 B2 2,455 2,490 5,6 1,4 B3 2,460 2,490 5,6 1,2 Tabell 6 Resultater fra Marshallundersøkelsen, Ab 11. Prøve Flyt (mm) Stivhet (N/mm) Stabilitet (N) A1 3, A A2 3,7 3, A3 3, B1 5, B B2 3,9 4, B3 4, Krav* ) 1,5-4,6 (1,5-4,0) Min 1100 (2150) Min 4000 (5500) * ) Kravene som er angitt gjelder for ÅDT < 5000, mens tall i parentes gjelder for ÅDT > 5000.

12 10 Som det framgår av tabell 6 er kravene til stabilitet og stivhet tilfredsstilt med god margin for begge massetyper. For massetype A er også kravet til flyt godt oppfylt mens verdien for masse B er på grensen. 4.3 Gyratorundersøkelse Temperatur ved blanding av massen var 150 ºC mens temperaturen ved gyrering var 130 ºC. Ved kontroll av masseresepten ble det lagt inn følgende begrensninger: - antall gyreringer ikke over densitet massetype A ikke over 2,433 kg/m3 - densitet massetype B ikke over 2,428 kg/m3. Disse densiteter tilsvarer et hulrom på 2,5 %. Resultatene fra gyratorundersøkelsen med de densiteter og hulrom som der framkommer er vist i tabell 7. Tabell 7 Resultater fra gyratorundersøkelsen. Prøve Maksimum densitet (g/cm 3 ) Antall gyreringer Gyratordensitet (g/cm 3 ) Gyrator hulrom (%) A1 2, ,370 5,01 A2 2, ,384 4,45 B1 2, ,408 3,29 B2 2, ,430 2,45 Densitet og hulrom på ferdige gyratorprøver er vist i tabell 8 (beregnet etter Hb 014, metode ). Tabell 8 Beregnet densitet og hulrom på gyratorprøver. Prøve 10 cm prøver Saget prøver (6 cm høye) Densitet (g/cm 3 ) Hulrom (%) Densitet (g/cm 3 ) Hulrom (%) A1 2,405 3,6 2,432 2,5 A2 2,418 3,1 2,439 2,2 B1 2,419 2,9 2,439 2,1 B2 2,448 1,7 2,465 1,0 Som det framgår av tabellene er hulrommet som beregnes ved hjelp av metoden , hydrostatisk overflatetørr (tabell 8), vesentlig lavere enn hulrommet som beregnes i programvaren for gyratoren (tabell 7). Hulrommet er også lavere for den sentrale 6 cm høye delen saget ut for testing sammenlignet med hele prøven. 4.4 Vurdering På bakgrunn av den gjennomførte Marshall- og gyratorundersøkelsen ble massetype B valgt i den videre undersøkelsen. Dette til tross for at flytverdien var noe lav. Verdien for stivhet og stabilitet var imidlertid godt innenfor kravene.

13 11 5 Tillaging av prøver i gyrator Sammensetning og planlagte densiteter til prøver i gyrator er vist i tabell 9. Tabell 9 Sammensetning av gyratorprøver. 150 mm prøver 100 mm prøver Mengde steinmateriale 4154 g 1200 g Mengde bindemiddel 246 g (5,6 %) 71,2 g (5,6 %) Maksimum densitet 2,490 kg/m 3 2,490 kg/m 3 Densitet ved 4,0 % hulrom 2,390 kg/m 3 Densitet ved 3,5 % hulrom 2,402 kg/m 3 Merking av prøver og blandings- og produksjonstemperatur for prøver med ulik bindemiddeltype er vist i tabell 10. Tabell 10 Produksjon og merking av prøver. Bindemiddel 35/50 50/70 70/ / /430 (B40) (B60) (B85) (B180) (B370) V12000 Blandingstemp 160 ºC 150 ºC 145 ºC 135 ºC 125 ºC 115 ºC Produksjonstemp 160±10 ºC 150±10 ºC 140±10 ºC 130±10 ºC 120±10 ºC 110±10 ºC Antall 150 mmprøver 5 stk. 5stk. 5 stk. 5 stk 5 stk. 5 stk. 150 mm-prøver merkes: A11-A15 A21-A25 A31-A35 A41-A45 A51-A55 A61-A65 Antall 100 mmprøver 5 stk. 5 stk. 5 stk. 5 stk. 5 stk. 5 stk. 100 mm-prøver merkes: B11-B15 B21-B25 B31-B35 B41-B45 B51-B55 B61-B65 *) Etter gyrering ble 100 mm prøvene påført en statisk last på 8 kn for at endeflatene på prøvene skulle være parallelle. I figurene 2-5 er hele prosedyren vist med henholdsvis blanding, gyrering, etterkomprimering og utpressing av en 100 mm prøve.

14 12 Figur 2 Blanding av masse til 100 mm prøver (manuell håndblanding). Figur 3 Gyrering av prøve.

15 13 Figur 4 Etterkomprimering av prøve. Figur 5 Utpressing av prøve. I figur 6 vises blanding av masse for 150 mm prøver. Hver enkelt prøve ble blandet separat med bruk av en liten asfaltblander (Sundby). Figur 6 Blanding av masse til 150 mm prøver.

16 14 Gyratoren ble innstilt slik at de densiteter som er angitt tabell 9 ble oppnådd under kompakteringen. Antall nødvendige gyreringer for å oppnå tilsiktet densitet er vist i tabell 11 og 12 for henholdsvis 100 mm og 150 mm prøver. Tabell 11 Antall gyreringer for prøver med diameter 100 mm. Prøve Gyreringer Bindemiddel Enkeltpr. Serie Antall Middel Min. verdi Max. verdi B11 75 B12 48 B13 B1 35/ B14 56 B15 69 B21 77 B22 68 B23 B2 50/ B24 67 B25 43 B31 49 B32 66 B33 B3 70/ B34 79 B35 44 B41 44 B B43 B4 160/ B44 77 B45 46 B51 41 B B53 B5 330/ B54 64 B55 38 B61 69 B62 41 B63 B6 V B64 61 B65 44

17 15 Tabell 12 Antall gyreringer for prøver med diameter 150 mm. Prøve Gyreringer Bindemiddel Enkeltpr. Serie Antall Middel Min. verdi Max. verdi A A12 33 A13 A1 35/ A14 65 A15 66 A21 31 A22 32 A23 A2 50/ A24 69 A25 95 A31 68 A32 40 A33 A3 70/ A34 46 A A A42 57 A43 A4 160/ A44 47 A45 47 A A52 50 A53 A5 330/ A54 70 A55 53 A61 64 A62 68 A63 A6 V A64 40 A65 61 For testing av deformasjonsegenskapene ble de midterste 6 cm av prøvene saget ut som vist i figur 7. Øverste og nederste 2 cm kappes fra slik at gjenstående prøvekloss får en høyde på 6 cm.

18 16 Figur 7 Preparering av prøve for testing av deformasjonsegenskaper. Øverste og nederste 2 cm kappes fra slik at gjenstående prøvekloss får en høyde på 6 cm.

19 17 6 Resultater 6.1 Prøvedata Data for prøver med diameter 100 mm er vist i tabell 13. Tabell 13 Data for prøver med diameter 100 mm. Serie Bindemiddeltype Prøve merket Høyde (mm) Diameter (mm) Hulrom (%) B11 66,69 99,99 1,6 B12 66,95 100,06 1,7 B1 35/50 B13 67,62 99,87 2,2 B14 67,01 100,01 1,6 B15 66,42 100,13 1,4 B21 66,37 100,6 1,0 B22 67,22 100,35 1,5 B2 50/70 B23 66,56 100,19 1,3 B24 67,45 100,32 1,7 B25 67,55 100,17 1,8 B31 67,83 100,30 2,0 B32 67,20 100,15 1,1 B3 70/100 B33 67,10 100,14 1,6 B34 67,85 100,32 1,5 B35 67,75 100,23 1,6 B41 66,90 99,91 1,7 B42 67,43 100,20 1,9 B4 160/220 B43 67,85 100,13 2,1 B44 67,78 99,97 1,8 B45 67,47 99,99 1,8 B51 67,13 100,09 1,7 B52 67,29 100,25 2,2 B5 330/430 B53 66,50 99,91 1,3 B54 66,35 99,98 1,3 B55 66,88 99,97 1,9 B61 67,06 99,74 1,7 B62 67,36 99,64 1,7 B6 V12000 B63 67,30 99,69 2,1 B64 66,27 99,68 1,2 B65 66,67 99,62 1,5 I tabell 14 og figur 8 er hulromsdata for 150 mm-prøver gitt. Det er angitt data for hulrom beregnet i gyrator, hulrom beregnet etter metode i håndbok 014 for 10 cm høye prøver og preparerte prøver med høyde 6 cm.

20 18 Tabell 14 Hulrom i prøver med diameter 150 mm. Hulrom (%) Prøve I gyrator 10 cm prøver 6 cm prøver A11 4,0 2,9 2,2 A12 4,0 2,6 1,8 A13 4,0 2,3 1,6 A14 4,0 2,8 2,1 A15 4,0 2,5 2,0 A21 4,0 2,3 1,4 A22 4,0 2,3 1,7 A23 4,0 1,5 0,9 A24 4,0 2,8 1,9 A25 4,0 2,7 2,0 A31 4,0 2,6 1,9 A32 4,0 1,5 0,8 A33 4,0 2,5 1,5 A34 4,0 2,2 1,4 A35 4,0 2,6 1,8 A41 4,0 1,1 0,6 A42 4,0 2,7 1,6 A43 4,0 3,3 2,0 A44 4,0 2,2 1,5 A45 4,0 2,9 2,6 A51 4,0 2,7 2,5 A52 4,0 2,3 1,7 A53 4,0 2,9 1,9 A54 4,0 2,8 1,9 A55 4,0 2,6 1,9 A61 4,0 2,7 2,4 A62 4,0 2,6 1,9 A63 4,0 2,5 1,9 A64 4,0 2,9 2,5 A65 4,0 2,7 2,1

21 19 Hulrom i prøver I gyrator 10cm prøver 6 cm prøver 4,0 3,5 3,0 Hulrom (%) 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 A11 A12 A13 A14 A15 A21 A22 A23 A24 A25 A31 A32 A33 A34 A35 A41 A42 A43 A44 A45 A51 A52 A53 A54 A55 A61 A62 A63 A64 A65 Figur 8 Grafisk framstilling av hulromsverdier i prøver, hhv beregnet i gyrator, målt på 10 cm høye prøver og målt på preparerte prøver (6 cm). I gjennomsnitt er det en forskjell på ca 1,5 % mellom hulrommet som beregnes i gyrator og hulrommet målt på ferdig komprimert prøve ved hjelp av metode i Statens vegvesen håndbok 014. Hulrommet reduseres videre i gjennomsnitt med ca 0,7 % når endeflatene kappes av og man får fram testprøve med høyde 6 cm. 6.2 Elastisk stivhet (E-modul) Figur 9 viser utstyret som er benyttet i undersøkelsen.

22 20 Figur 9 Testing av elastisk stivhet i NTNU/SINTEFs NAT-utrustning Sammenstilling av resultater Grunnlagsdata for prøvene er gitt i tabell 13 foran. E-modulen er beregnet ved 10 ºC og 20 ºC. En sammenstilling av resultatene er vist i tabell 15. Grafisk presentasjon av enkeltresultater er vist i figur 10 og 11 for henholdsvis 10 ºC og 20 ºC.

23 21 Tabell 15 Resultater for enkeltprøver etter testing av elastisk stivhet (E-modul), MPa. Temp. 10 ºC Temp. 20 ºC Serie Bindemiddeltype Prøve merket Middelverdi for prøve Middelverdi for serie Middelverdi for prøve Middelverdi for serie B B B1 35/50 B B B B B B2 50/70 B B B B B B3 70/100 B B B B B B4 160/220 B B B B B B5 330/430 B B B B6 B B V12000 B B B

24 22 E-modul 10ºC /50 50/70 70/ / /430 V12000 MPa B1 B2 B3 B4 B5 B6 Figur 10 Resultater fra testing av elastisk stivhet (E-modul) ved 10 ºC for hver enkelt prøve. E-modul 20ºC MPa /50 50/70 70/ / /430 V12000 B1 B2 B3 B4 B5 B6 Figur 11 Resultater fra testing av elastisk stivhet (E-modul) ved 20 ºC for hver enkelt prøve. Figur 12 viser en sammenstilling av middelverdier, mens figur 13 viser forskjellen mellom 2. og 1. testing av E-modulen for hver enkelt prøve.

25 23 E-modul for Ab11 - middelverdier 10ºC 20ºC MPa /50 50/70 70/ / /430 V12000 Bindemiddelklasse Figur 12 Middelverdier av elastisk stivhet (E-modul) for Ab11 med ulike bindemiddelklasser ved 10 ºC og 20 ºC. Differanse mellom 2. og 1. testing av E-modul Øvre grense 5 Differanse i % /50 50/70 70/ / /430 V12000 Nedre grense 10ºC 20ºC Figur 13 Differanse mellom 2. og 1. testing av E-modul. Som det framgår av figur 13 er verdien på E-modulen hovedsakelig lavere ved 2. gangs testing bortsett fra for de stive bindemidlene. Bare én prøve, av totalt 60, kom utenfor kravene til differanse mellom 1. og 2. testing. Denne prøven skulle strengt tatt vært testet på nytt, men det

26 24 ble valgt å ikke gjøre det da middelverdien for prøven var i samme størrelsesorden som de øvrige prøver i prøveserien. Statistiske parametere etter testing av elastisk stivhet er vist i tabell 16 og 17 for henholdsvis 10 ºC og 20 ºC. Tabell 16 Testing av elastisk stivhet ved 10 ºC, statistiske parametere. Prøve nr. B11-B15 B21-B25 B31-B35 B41-B45 B51-B55 B61-B65 Bindemiddel 35/50 50/70 70/ / /430 V12000 Middelverdi St. avvik St. avvik/ middelverdi (%) Tabell 17 Testing av elastisk stivhet ved 20 ºC, statistiske parametere. Prøve nr. B11-B15 B21-B25 B31-B35 B41-B45 B51-B55 B61-B65 Bindemiddel 35/50 50/70 70/ / /430 V12000 Middelverdi St. avvik St. avvik/ middelverdi (%) Sammenligning med feltprøver En sammenligning med resultatene fra tilsvarende bestemmelse av E-modul på feltprøver [4] er vist i tabell 18. Prøvene er alle Ab 11 med bindemiddel 160/220. Tabell 18 E-modul for prøver fra felt og prøver produsert i laboratoriet, Ab 11 med bindemiddelklasse 160/220 (middelverdier). Prøver E-modul ved 10 ºC, MPa E-modul ved 20 ºC, MPa Feltprøver Lab-prøver Dynamisk kryp Resultater for hver massetype Resultatene for hver massetype er gitt i figurene Alle testene er foretatt ved 40 ºC.

27 25 35/50 Aksiell deformasjon, µstrain A11 A12 A13 A14 A Antall sykler Figur 14 Dynamisk kryp, Ab 11 med bindemiddelklasse 35/50. 50/ Aksiell deformasjon, µstrain A21 A22 A23 A24 A Antall sykler Figur 15 Dynamisk kryp, Ab 11 med bindemiddelklasse 50/70.

28 26 70/ Aksiell deformasjon, µstrain A31 A32 A33 A34 A Antall sykler Figur 16 Dynamisk kryp, Ab 11 med bindemiddelklasse 70/ / Aksiell deformasjon, µstrain A41 A42 A43 A44 A Antall sykler Figur 17 Dynamisk kryp, Ab 11 med bindemiddelklasse 160/220.

29 27 330/ Aksiell deformasjon, µstrain A51 A52 A53 A54 A Antall sykler Figur 18 Dynamisk kryp, Ab 11 med bindemiddelklasse 330/430. V Aksiell deformasjon, µstrain A61 A62 A63 A64 A Antall sykler Figur 19 Dynamisk kryp, Ab 11 med bindemiddelklasse V Sammenstilling av resultater I figur 20 er det foretatt en sammenstilling av de midlere verdier for de ulike blandingene.

30 28 Sammenstilling av middelverdier Aksiell deformasjon, µstrain /50 50/70 70/ / /430 V Antall sykler Figur 20 Dynamisk kryp - middelverdier; Ab 11 med ulike bindemidler. Som det framgår av figurene har enkeltprøver i noen av prøveseriene et avvikende kurveforløp sammenlignet med de øvrige. Dersom disse enkeltprøvene utelates fåes en sammensetning av middelverdier som vist i figur 21. Sammenstilling av middelverdier (uten ekstremalverdier) Aksiell deformasjon, µstrain /50 50/70 70/ / /430 V Antall sykler Figur 21 Dynamisk kryp middelverdier, avvikende enkeltprøver utelatt. Statistiske parametere etter testing av deformasjonsegenskaper er vist i tabell 19. Her framgår også utslaget av om man regner med de (tydelig) avvikende enkeltprøvene eller ikke.

31 29 Tabell 19 Testing av deformasjonsegenskaper ved 40 ºC, statistiske parametere. Prøveserie *) A1 A2 A3 A4 A5 A6 Alle Uten A11 Alle Alle Uten A35 Alle Uten A41 Alle Alle Uten A64 Middelverdi St. avvik St. avvik/ middelverdi (%) *) I hver prøveserie er statistiske parametere angitt for alle prøvene og når enkeltprøver med avvikende resultater er utelatt Sammenligning med feltprøver Figur 22 viser sammenstilling av laboratorieprøver og borprøver fra felt (Værnes) for den sammenlignbare massetypen Ab 11 med bindemiddel 160/220 (B180). Som figuren viser er det store forskjeller i deformasjonsegenskapene mellom laboratorieproduserte prøver og borprøver tatt ut i felt. Sammenstilling av data fra felt og lab, Ab11- Værnes Aksiell deformasjon, µstrain Lab.prøver Feltprøver Antall sykler Figur 22 Deformasjonsegenskaper til laboratorieproduserte prøver og borprøver fra felt for Ab 11 fra Værnes med bindemiddel 160/220 midlere kurveforløp er angitt for begge seriene. 6.4 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 20.

32 30 Tabell 20 Resultater fra ekstrahering, gjenvinning og analyser av gjenvunnet bindemiddel. Prøve Bindemiddel Originalt bindemiddel Gjenvunnet Bindemiddelmengde klasse bindemiddel (%) Pen Mykn.pkt. Pen. Mykn.pkt Tilsiktet Beregnet (1/10 mm) (ºC) (1/10 mm) (ºC) A13 35/ , ,4 5,6 5,34 A21 50/ , ,1 5,6 5,46 A34 70/ , ,3 5,6 5,37 A43 160/ , ,9 5,6 5,32 A54 330/ , ,1 5,6 5,34 A62 *) V ,1 27,4 5,6 5,38 *) For bindemiddelet brukt i prøve A62 ble viskositet målt ved 60 ºC på originalt bindemiddel. Det er ikke målt penetrasjon på dette bindemiddelet. Som det framgår av tabell 20 har bindemidlene herdet slik at gjenvunnet bindemiddel har lavere penetrasjonsverdi og høyere mykningspunkt enn originalt bindemiddel. De stiveste bindemidlene har relativt sett herdet mer enn de mykere, se tabell 21. En årsak til dette kan være at blandingsog kompakteringstemperaturen er høyere for de stive bindemidler, se tabell 10. Bindemiddelinnholdet er på samme nivå for alle blandingene, men noe lavere enn tilsiktet bindemiddelinnhold. Tabell 21 Verdier for penetrasjon og mykningspunkt for originalt og gjenvunnet bindemiddel. Penetrasjon (1/10 mm) Mykningspunkt (ºC) Prøve Pen. Pen. Endring i Endring Økning i Endring originalt gjenvunnet pen.verdi (%) Originalt Gj.vunnet mykn.pkt. (%) A ,1 58,4 5,3 10,0 A ,4 54,1 4,7 9,5 A ,2 48,3 3,1 6,9 A ,5 40,9 2,4 6,2 A ,9 34,1 1,2 3,6 A62 27,1 27,4 0,3 1,1

33 31 7 System for valg av bindemiddel etter klima og trafikk. Tidligere i PROKAS er det presentert en figur for valg av bindemiddel etter klima og trafikk [1, 6]. Denne er vist i figur 23. Systemet ble opprinnelig utviklet i samarbeidsprosjektet Ny asfaltteknologi og er nærmere beskrevet i rapporter fra dette prosjektet [2, 3]. Klimaklasse, C Maksimal penetrasjonsverdi med tanke på plastisk deformasjon Forutsetninger: 2 felts veg, hastighet 50 km/t Omregning fra 4 felts veg til 2 felts veg: ÅDT 2 felt = ÅDT 4 felt / 1,25 (40% i dim. felt) Omregning fra 6 felts veg til 2 felts veg: ÅDT 2 felt = ÅDT 6 felt / 1,67 (30% i dim. felt) Ved høyere hastigheter ( km/t) velg en lavere klimaklasse Ved lavere hastigheter (svært langsomtgående / stillestående trafikk) velg en høyere klimaklasse ÅDT 2 felt Figur 23 Foreslått system for valg av bindemiddel etter klima og trafikk [1]. Etterprøving av det foreslåtte systemet for valg av bindemiddel gjøres ved å lage prøver med samme steinmaterialer og variere bindemiddelstivheten. Det utføres så deformasjonsforsøk ved en bestemt temperatur. Etter et slikt forsøk vil man ha et sett med resultater hvor man kan presentere målt deformasjon som funksjon av antall sykler. Ved å velge en fast deformasjon, og se hvor mange sykler som er nødvendig for å oppnå denne deformasjonen for de ulike bindemiddelstivhetene, får man grunnlaget for å etterprøve systemet. Dette er prinsipielt vist i figur /50 70/ / /430 Figur 24 Bestemmelse av antall lastsykler til en gitt deformasjon for en asfaltmasse med ulike bindemiddelklasser. Det vil være nødvendig å kjøre tilsvarende forsøk for alle klimaklassene (40, 46, 52 og 58).

34 32 I denne PROKAS undersøkelsen er det utført deformasjonstesting av Ab 11-prøver med samme steinmateriale og forskjellig bindemiddelstivhet ved 40 ºC. For å evaluere systemet for valg av bindemiddel i figur 23 legges følgende forutsetninger til grunn: - Bruker ÅDT-skalaen for 40 ºC. - Setter likhetstegn mellom ÅDT og antall lastsykler. - Bruker kontrollerte penetrasjonsverdier fra tabell 3. - Plotter penetrasjon mot ÅDT (= antall lastsykler). - Benytter middelverdier uten ekstremalverdier fra deformasjonsmålingene (figur 20). Det viste seg at de laboratorietillagde prøvene var vesentlig sterkere enn feltprøvene, se figurene 21 og 22. For å få sammenlignet kurvene i figur 21 bedre var det derfor nødvendig å foreta en ekstrapolering av kurveforløpene som ble funnet under testing. Dersom vi velger å sammenligne ved aksiell deformasjon på 8000, og µstrain, og det foretas en ekstrapolering av kurveforløpet (benytter stigning mellom 3000 og 3600 sykler) for deformasjonskurvene, fås verdiene angitt i tabell 22. Tabell 22 Antall lastsykler for aksielle deformasjoner på 8000, og µstrain. Bindemiddelklasse 35/50 50/70 70/ / /430 V12000 Antall sykler ved 8000 µstrain Antall sykler ved µstrain Antall sykler ved µstrain I figur 25 er verdiene fra tabell 22 plottet i systemet for valg av bindemiddel.

35 33 Rød kurve angir aksiell deformasjon på 8000 µstrain, blå kurve angir aksiell deformasjon på µstrain og grønn kurve angir aksiell deformasjon på µstrain. Penetrasjonsverdi for V12000 er stipulert til 800. Figur 25 Sammenstilling av resultater fra testing av aksiell deformasjon i system for valg av bindemiddel.

36 34 8 Vurderinger 8.1 Tillaging av prøver med gyrator Ved bruk av gyratorisk kompaktor ved prøvetillaging er det mulig å produsere prøver med relativt like hulromsinnhold. Det synes imidlertid som at hulrommet varierer en del i prøvens høyde, noe som også er erfart i andre undersøkelser. Hulrommet som beregnes i gyratoren er større enn bestemt ut fra metode i håndbok 014, Laboratorieundersøkelser. Dette skyldes at gyratoren regner med hulrom i prøvens overflate. Forskjellen mellom densiteten som beregnes i gyratoren og etter metode vil trolig variere avhengig av massetyper, steinstørrelse i massen og prøvens størrelse. For denne aktuelle Ab 11- massen var midlere hulrom som angitt i tabell 23. Tabell 23 Midlere verdi for hulrom beregnet i gyrator og etter bestemmelse av densitet etter metode i håndbok 014. Prøvekloss Hulrom i Målt hulrom i Målt hulrom i preparert gyrator, % hel prøve, % prøve (6 cm), % E-modul (d=10 cm, h= 6cm) 3,5 1,65 Deformasjon (d=15 cm, h=10 og 6 cm) 4,0 2,5 1,8 Som det framgår av tabell 23 er det en forskjell på 1,85 % (E-modul prøver) og 1,5 % (deformasjonsprøver) mellom hulrom beregnet i gyrator og metode For deformasjonsprøvene fikk man en ytterligere reduksjon på 0,7 % etter preparering. Det er ikke foretatt noen beregning av hulrom i flere sjikt på deformasjonsprøvene, men ved kapping ble det visuelt registrert forskjeller i kornfordelingen mellom topp og bunn i flere prøver. Et eksempel på dette er vist i figur 26.

37 35 Figur 26 Forskjell mellom topp og bunn i prøve A12 produsert i gyrator. Det synes som at bunnen av prøven har et noe større innhold av grove steinkorn sammenlignet med den øvre del. En slik separasjon vil kunne føre til ulikt hulrom på forskjellige nivå i prøvens høyde. 8.2 Elastisk stivhet (E-modul) Forskjellene i E-modul mellom enkeltprøver er relativt små (se figurene 10 og 11, tabellene 15, 16 og 17). Forskjellene i E-modul mellom 1. og 2. testing ligger innenfor kravene for 59 av 60 prøver (figur 13). Det er foretatt en sammenstilling av resultatene mot feltprøver med den samme massen [4] (tabell 18). Her går det fram at den midlere E-modulen for feltprøver var 3090 MPa og 641 MPa ved hhv 10 ºC og 20 ºC, mens den for lab-prøvene var 3463 og 1100 MPa. Lab-prøvene har noe høyere E-modul, dette kan skyldes at de har lavere hulrom samt at de er tykkere enn feltprøvene. På denne bakgrunn synes denne metoden for bestemmelse av E-modul å være tilfredsstillende. 8.3 Dynamisk kryp Resultatene har vist at Indentation Test på Nottingham Asphalt Tester gir en god rangering av asfaltmasser med forskjellige bindemiddelstivheter, gitt samme steinmateriale. Resultatene i hver prøveserie er relativt jevne, med unntak av noen enkelte avvikere. Sammenlignes deformasjonsegenskapene til lab-prøvene med feltprøver [4] med tilsvarende bindemiddelstivhet, ser vi at de laboratorieproduserte prøvene er vesentlig sterkere (figur 22). Mulige årsaker kan være lavere hulrom i lab-prøver, og at feltprøvene var relativt tynne slik at det

38 36 var nødvendig å legge to prøver oppå hverandre under testing. At lab-prøver generelt blir sterkere enn feltprøver er også dokumentert i andre undersøkelser. 8.4 Valg av bindemiddel etter klima og trafikk En målsetting med denne undersøkelsen var å forsøke å verifisere et tidligere foreslått system i prosjektet Ny asfaltteknologi for valg av bindemiddel etter klima og trafikk. Prøvene fra denne undersøkelsen var så sterke at det for flere bindemiddelstivheter ble nødvendig å ekstrapolere deformasjonene. De ekstrapolerte verdier er plottet inn i systemet for valg av bindemiddel i figur 25. Det er her valgt tre deformasjonsnivå, 8000, og µstrain. Det framgår at disse nye Ab 11-kurvene har et noe annet forløp enn den opprinnelige kurven, men med økende tøyningsnivå ser det ut til at de nærmer seg hverandre. Det må presiseres at det her bare er utført deformasjonsmålinger ved 40 ºC og det bør helst utføres målinger ved både temperaturene 46 ºC, 52 ºC og 58 ºC for å få en fullstendig vurdering. Målinger ved høyere temperaturer vil trolig gi større forskjeller mellom massene med forskjellig bindemiddelklasse, noe som også vil gi et bedre grunnlag for verifisering av systemet. 8.5 Krav til kryp i et dimensjoneringssystem I et framtidig dimensjoneringssystem må det bestemmes hvilket tøyningsnivå som bør settes som kriterium ved valg av bindemiddel. I tabell 24 er det vist krav til en asfaltbetong som bindlag i Sverige. Tabell 24 Bindlag av asfaltbetong, ABb krav til stabilitet etter ATB Väg [5]. Krav til ÅDT k,tunge stabilitet Krypverdi i µε, lab-prøver, maks Krypverdi i µε, borprøver, maks Som det framgår av tabell 24 er det satt vesentlig strengere krav til lab-prøver enn til borprøver fra felt. Dette gjenspeiler det faktum at lab-prøver er sterkere enn feltprøver. Kravene til lab-prøvene er dobbelt så strenge som for feltprøvene. Figur 22 viser at feltprøvene fra Værnes, med samme bindemiddelstivhet som i denne undersøkelsen, har 3-5 ganger så stor deformasjon som lab-prøvene. Feltprøvene går til brudd, mens lab-prøvene viser god motstand mot deformasjon. Før man innfører krav knyttet opp mot dynamisk kryp/nat, må disse resultatene suppleres med flere erfaringer fra andre laboratorier og andre massetyper.

39 37 9 Konklusjoner Målsettingen med undersøkelsen var å se på bindemiddelets betydning for deformasjons- og stivhetsegenskapene. Det ble valgt en Ab 11-masse med samme steinmateriale som fra legging av denne massen på Værnes flyplass i Det ble foretatt en mindre justering av resepten ved produksjon i laboratoriet. Prøvene ble produsert ved gyratorisk kompaktering og det er gjennomført dynamisk kryptest og syklisk stivhetstest på Nottingham Asphalt Tester (NAT). Følgende hovedkonklusjoner kan framheves fra undersøkelsen: Gyratorisk kompaktering gir mulighet for kompaktering av prøver med tilnærmet lik densitet. Andre erfaringer med gyratorisk kompaktering er: Densitet bestemt i gyrator og etter metode vil avvike avhengig av blant annet prøvediameter, prøvehøyde, massetype og steinstørrelse. Densitet og hulrom varierer i prøvens høyde. Indikasjon (visuelt) på varierende kornfordeling i topp og bunn av prøve. Metoden for bestemmelse av elastisk stivhet med NAT synes tilfredsstillende for bestemmelse av E-modul. Det er relativt små variasjoner mellom enkeltprøver i samme prøveserie. Indentation test (INDENT) i NAT synes egnet til rangering av deformasjonsegenskapene til masser med varierende bindemiddelstivhet, gitt samme steinmateriale. Resultatene fra testing av deformasjonsegenskapene synes å passe relativt bra med det nye foreslåtte systemet for valg av bindemiddel etter klima og trafikk [1, 6]. Det kan være behov for en mindre justering av kurven i diagrammet. Det må imidlertid presiseres at det er nødvendig med testing av deformasjonsegenskapene til flere massetyper og ved flere temperaturer for en endelig verifisering av systemet. Generelt har undersøkelsen gitt et godt grunnlag for en endelig verifisering av system for valg av bindemiddel. Før det kan utarbeides krav til dimensjonering av dekketyper ut fra funksjonsegenskapene syklisk stivhet og dynamisk kryp, vil det være behov for opparbeidelse av erfaringer også med andre dekketyper.

40 38 10 Referanser [1] Andersen, Eivind Olav, PROKAS System for valg av bindemiddel etter klima og trafikk. PROKAS-notat datert [2] NY ASFALTTEKNOLOGI Tilpassing av Superpave bindemiddelteknologien til norske forhold. Prosjektrapport nr. 5, SINTEF-rapport STF22 A [3] NY ASFALTTEKNOLOGI Sluttrapport. Prosjektrapport nr. 7, SINTEF-rapport STF22 A [4] PROKAS Undersøkelse av variasjoner i materialegenskaper for asfaltdekker i felt. Prosjektrapport nr. 10, SINTEF-rapport STF22 A04341, [5] ATB VÄG 2003 (Sverige). [6] PROKAS Valg av råmaterialer ved asfaltproporsjonering. Prosjektrapport nr. 12, SINTEF-rapport STF22 A04343.