Friksjon på vegdekker Ivar Horvli NTNU Friksjon på vegdekker Innhold Bakgrunn Resultat fra SIV Andre resultat fra Norge Konklusjoner
Friksjon på vegdekker - definisjonar N V μ = F/N F = μ N F S F= Horisontalkraft som gir friksjonsmotstand N = Normalkraft som virker mot underlag μ = Friksjonskoeffisienten Friksjon på vegdekker Tilsynelatende og virkelig kontaktareal
Friksjon på vegdekker Slipphastighet s = ( (ω0- ω) / ω0 )*100% S = slipphastighet ω = vinkelhastigheten til det bremsende hjulet ω0 = vinkelhastigheten til det samme hjulet dersom det ruller fritt Friksjon på vegdekker Friksjonsforløp ved nedbremsing
Friksjon på vegdekker Friksjonsforløp ved nedbremsing Friksjon på vegdekker FA representerer adhesjonskreftene FH kalles friksjonens hysteresekomponent. Tilnærmet kan den totale Friksjonskraften skrives: F = FA + FH
Friksjon på vegdekker Makrotenstur uttrykt ved Mean Profil Depth, MPD Friksjon på vegdekker Enkle friksjonsmålarar
Friksjon på vegdekker Avanserte utstyr; ROAR Friksjon på vegdekker Friksjonsforbetrande tiltak Høytrykksspyling for å få vekk forurensninger "Heating" og avstrøing av dekket Fresing Blastring Rilling Bruk av steinmateriale med gode friksjonseigenskapar Redusert Dmax Blanding av sterkt og svakt tilslag god makrotekstur
Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker, SIV Medvirkande i SIV 2001-2005 Statens vegvesen NTNU Sintef NGU PGL Entrepenørar; NCC Roads AS, KOLO Veidekke AS, Feiring Bruk AS, Franzefoss Bruk AS. Pendelapparat / Friksjonstester Måling av poleringsmotstand på prøvestykker (PSV) Måling av friksjon på veg - Sleide -Referansestein
PSV Norske bergarter PSV - Mineralinnhold Devonsk sandstein
Forsøksfelt E6 - Klett TRONDHEIM Felt 6.2 Felt 6.1 Ska 16 4/16 mm Porfyr (Hadeland) Ska 16 0/16 mm Porfyr (Hadeland) + 0/4 mm Skjøla, 0/6 mm Heggberget + 0/6 mm Heggberget Felt 5 Ska 16 0/16 mm Jaspis (Halsetåsen) + 0/8 mm Ottersbo, 0/8 mm Søberg Felt 4.2 Felt 4.1 Ska 16 0/16 mm Kvartsitt (Kråkmo) Ska 16 0/16 mm Kvartsitt (Kråkmo) + 0/4 mm Skjøla, 0/6 mm Heggberget + 0/6 mm Heggberget Felt 3.2 Felt 3.1 Ska 16 4/16 mm Porfyr (Älvdalen) ABS 16 4/16 mm Porfyr (Älvdalen) + 0/4 mm Skjøla, 0/6 mm Heggberget + 0/6 mm Heggberget Felt 2.2 Ska 16 0/16 mm Gabbro (Vassfjell) + 0/6 mm Heggberget KLETT Pendelmålinger: Friksjon PSV
Målinger over tid - pendel Målt i spor, 04.2002 Målt "mellom" spor, 04.2002 Pendelverdi målt på veg 80 75 70 65 60 55 2.2 Vassfjell 3.1 Älvdalen 3.2 Älvdalen 4.2 Kråkmo 5 Halsetåsen 6.2 Hadeland Pendelverdi målt på veg 80 75 70 65 60 55 2.2 Vassfjell 3.1 Älvdalen 3.2 Älvdalen 4.2 Kråkmo 5 Halsetåsen 6.2 Hadeland 50 40 45 50 55 60 65 70 75 80 PSV målt på bergart 50 40 45 50 55 60 65 70 75 80 PSV målt på bergart Målt i spor, 04.2003 Målt "mellom" spor, 04.2003 Pendelverdi målt på veg 80 75 70 65 60 55 2.2 Vassfjell 3.2 Älvdalen 4.2 Kråkmo 5 Halsetåsen 6.2 Hadeland Pendelverdi målt på veg 80 75 70 65 60 55 2.2 Vassfjell 3.2 Älvdalen 4.2 Kråkmo 5 Halsetåsen 6.2 Hadeland 50 40 45 50 55 60 65 70 75 80 PSV målt på bergart 50 40 45 50 55 60 65 70 75 80 PSV målt på bergart Pendelverdi målt på veg Målt i spor, 09.2003 80 2.2 Vassfjell 75 3.2 Älvdalen 70 4.2 Kråkmo 5 Halsetåsen 65 6.2 Hadeland 60 55 50 40 45 50 55 60 65 70 75 80 PSV målt på bergart Pendelverdi målt på veg Målt "mellom" spor, 09.2003 80 2.2 Vassfjell 75 3.2 Älvdalen 70 4.2 Kråkmo 5 Halsetåsen 65 6.2 Hadeland 60 55 50 40 45 50 55 60 65 70 75 80 PSV målt på bergart Poleringseffekt over tid - pendel 75 70 Målinger i spor - Endring over tid? Pendelverdi (PV) 65 60 55 50 45 40 60 2.2 Vassfjell 3.2 Älvdalen 4.2 Kråkmo 5 Halsetåsen 6.2 Hadeland I spor - apr. 02 I spor - apr. 03 55 I spor - sep. 03 Pendelverdi (PV) 75 70 65 50 Målinger "mellom" spor - Endring over tid?? 45 40 2.2 Vassfjell 3.2 Älvdalen 4.2 Kråkmo 5 Halsetåsen 6.2 Hadeland Mellom spor - apr. 02 Mellom spor - apr. 03 Mellom spor - sep. 03
Oppsummering 1. Pendelmålinger på veg (E6 Klett) viser: Klar sammenheng mellom PSV og pendelverdi målt på samme grovtilslag (bergart) som i asfaltdekke. Samvariasjon med Viggomat målinger. Polering i slitesporet mellom vår og høst målingene (tilsvarende for Viggomat). Ingen påvist samvariasjon mellom pendelmålinger og makrotekstur eller friksjon (tilsvarende for Viggomat). Statusmøte SiV 28.11.2003 Eyolf Erichsen 2. Så langt viser dekketeksturen (makroteksturen) gitt ved sandflekkmetoden god samvariasjon med friksjonen. Ut fra dagens kunnskap kan vi ikke stille krav til PSV. Innføring av veiledende verdier til PSV (håndbok 018) OK. Krav til dokumentasjon av tilslagets poleringsegenskaper gjør at man på sikt kan få opparbeidet erfaring med PSV i forhold til målt friksjon. Videre FoU: Blanding av tilslag (høy/lav slitestyrke høy/lav PSV). Mørteltilslagets innvirkning. Flere forsøksfelt. Influence of Aggregates on the Frictional Properties of Asphalt Surfacing Mixtures I. Horvli, R.Garba and L.Uthus Department of Civil and Transport Engineering, Norwegian University of Science and technology E. Erichsen Norwegian Geological Survey
Objectives To find out if: PSV is a good parameter in selection of aggregates for surfacing mixtures Other criteria can be used in selection of aggregates Find ways of selecting aggregates that can meet the requirements with regard to both wear resistance and polishing Aggregate characteristics-psv Relative hardness 7,0 6,8 6,6 6,4 6,2 6,0 5,8 5,6 r = - 0.80 r = - 0.72 Granite Sandstone Trondhjemite % Mineral content 100 90 80 70 60 50 40 30 Feldspar Epidote 5,4 20 5,2 10 5,0 45 50 55 60 65 Polished stone value (PSV) 0 40 45 50 55 60 65 Polished stone value (PSV)
Friction measurement ROAR and British Pundulum were used ROAR used to measure the peak friction values Using 18% constant slip Friction curve Friction Mup 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Min verdi Max verdi 0 20 40 60 80 100 Slip-speed Friction measurement results Seasonal Variation-Lane 2 Friction 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 11-Apr 30-Apr 28-May 13-Jun Measurement day 27-Jun 4-Jul 16-Aug 10-Oct 29-Oct Gabbro Porphyry 1 Quratzite Quartzite/Jasper Porphyry 2
Friction measurement results July 04 2002 Firction 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 1 2 Lane Gabbro Porphyry 1 Quartzite Quartzite/Jasper Porphyry 2 Friction (BP) -PSV British Pendulum Value on road surface 80 75 70 65 60 55 Measured between wheel-path, 04.2002 Gabbro (49) Porphyry 1, ABS16 (47) Porphyry 1 (47) Quartzite (50) Quartzite/Jasper (51) Porphyry 2 (45) 50 40 45 50 55 60 65 70 75 80 PSV on aggregate British Pendulum Value on road surface 80 75 70 65 60 55 Measured in wheel-path, 04.2002 Gabbro (49) Porphyry 1 ABS16 (47) Porphyry 1 (47) Quartzite (50) Quartzite/Jasper (51) Porphyry 2 (45) 50 40 45 50 55 60 65 70 75 80 PSV on aggregate
Mineralogical and petrologic characteristics - Friction Microscopic analysis was conducted. Factors that have influence. Difference in hardness b/n minerals fine crystals crystal growth pattern crystal bond and slipping tendency micro-pores in the rock Pictures- Metagabbro
Pictures- Mylonite Pictures- Jasper
Conclusions No correlation seems to exist b/n PSV of rock aggregate and peak friction on pavements Factors related to mineral composition might be used to predict probable frictional properties More research is needed to utilize the mineralogical and petrologic characteristic The effect of macro texture on friction needs to be considered Aggregate Quality and the Influence on the Rutting in Asphalt Pavements Ivar Horvli, Norwegian University of Science and Technology, NTNU, Norway Einar Værnes, The Foundation of Scientific and Industrial Research, SINTEF, Norway
SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker Steinkvalitet og sporutvikling I vegdekker, SIV Feltforsøk 4 fylker 2 asfalttyper 16 asfaltresepter 2 bindemiddeltypar VTI ringbane 14 asfaltresepter 13 tilslagstyper (9 bergartstyper)
Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker, SIV Feltforsøk og ringbaneforsøk, bergartskarakteriastika Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker, SIV Feltforsøk E6 Klett Spesielt felt 4 og 6 ligger i kurve.
SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -Friksjonsmåling med Roar; E6 Klett Friksjonskoeffisient Friksjonens avhengighet av årstid, målt på bar veg 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 2-2 3-1 3-2 4-1 4-2 5-1 5-2 Friksjonskoeffisienter 6-1 6-2 målt med ROAR Sommerfriksjon 0.629 0.613 0.678 0.769 1.1 0.814 0.727 0.700 0.637 0.621 Vinterfriksjon 0.856 0.791 0.833 0.870 0.902 1.0 0.872 0.814 0.810 0.786 Forsøksfelt 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 Vinter 0.3 Sommer 0.2 2002-01-01 2003-01-01 2004-01-01 2004-12-31 Måletidspunkt Friksjonskoeffisient Forsøksfelt: 2-2 3-1 3-2 4-1 4-2 5-1 5-2 6-1 6-2 1 0 Piggdekkeffekt SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -Feltforsøk E6 Klett Friksjon målt med Roar Friksjonsreduksjon på grunn av polering fra trafikken sommers tid: Gabbro fra Vassfjell, porfyr fra Älvdalen, Stryken/Hadeland: 0,15-0,20 Kvartsitt fra Kråkmo og Jaspis fra Løkken -0,10-0,15
SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -Feltforsøk E6 Klett Makrotekstur uttrykt som MPD, målt med Alfred SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -Feltforsøk E6 Klett Sammenheng mellom Roar og Wiggomat
SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -Feltforsøk E6 Klett Poleringseffekt måle med British Pendulum SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -Feltforsøk E6 Klett Friksjon Det er ikke funnet noen sammenheng mellom makrotekstur og friksjon målt på vegen. Det er ikke funnet noen sammenheng mellom makrotekstur (MPD) og PSV. (Men relativt små variasjoner i PSV vanskeliggjør eventuell påvising av eventuell korrelasjon) Makrotekstur målt med ALFRED viste lavest verdi for felt 2 med Gabbro og størst for felt 3 med porfyr fra Älvdalen. God makrotekstur vil opplagt være en fordel for å drenere overflatevann og redusere faren for vannplanning.
Spordybde E6 Klett; Alfred og Sintef-bjelke Årlig slitasje pr. forsøksfelt målt ut fra høyde på ryggen mellom hjulsporene SINTEF ALFRED 5,0 Gabbro (Vassfjell) 4,5 Spor (mm) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 Porfyr (Alvdalen) Kvartsitt; (Kråkmo) Jaspis (Løkken) Porfyr (Hadeland) 1,5 1,0 0,5 0,0 Felt 2.2 Felt 3.1 Felt 3.2 Felt 4.1 Felt 4.2 Felt 5.1 Felt 5.2 Felt 6.1 Felt 6.2 SINTEF 4,6 3,6 2,5 3,1 2,6 2,2 1,5 3,1 4,1 ALFRED 3,2 2,1 2,4 2,4 1,8 2,1 1,1 2,8 2,4 SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker Spormålinger, E6 Klett Utviklingen av spordybde for slitasjefeltene tolket ut fra overflateprofil fra SINTEFs målinger
SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -Feltforsøk E6 Klett Mølleverdi og sporslitasje (piggdekklitasje) Ort. reg.lin. for SINTEF, fikserte endepunkter: Spordybde = 1.277 * mølleverdi + 1.498, R² = 0.92 SINTEF, rygg mellom spor Ort. reg.lin. for SINTEF, rygg mellom spor: Spordybde = 0.220 * mølleverdi + 3.405, R² = 0.47 ALFRED, rygg mellom spor Ort. reg.lin. for ALFRED, rygg mellom spor: Spordybde = 0.277 * mølleverdi - 0.385, R² = 0.58 15 3 10 2 5 1 0 0 3 Friksjon vegdekker Vegdrift 2006 Forsøksfelt E18 Vestfold Friksjon vegdekker Vegdrift 2006 5 7 Mølleverdi 9 11 Spordybde målt mellom spor (mm) SINTEF, fikserte endepunkter Spordybde målt med faste endepunkter, over hele kjørefeltet (mm) Sammenheng mellom målt mølleverdi og vintersporslitasje
SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -Sammenheng MPD og Sandpatch, E18 Vestfold SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -E18 Vestfold Makrotekstur for ulike resepter over tid
Friksjon på vegdekker E18 Vestfold Friksjon på vegdekker ROAR-målinger, E18 Vestfold Rett etter dekkelegging er det liten forskjell på friksjonen på de forskjellige vegdekkene. Etter to vintersesonger begynner forsøksfelt 2 med det svakeste steintilslaget å få vesentlig lavere friksjon enn de andre feltene. Høsten 2003 var friksjonskoeffisienten helt nede i 0,5. Dette er likevel over standardens krav som er minimum 0,4. Dekkene får en målbar poleringseffekt av trafikken i løpet av sommersesongen, i størrelsesorden 0,2 enheter forskjell fra vinter til sommer
Friksjon på vegdekker Wiggomat, E18 Vestfold Om våren gir Wiggomat i middel friksjonsverdier som er 87 % av verdiene målte med ROAR. Om høsten gir Wiggomat 2 % høyere verdier. Wiggomat gir med andre ord mindre forskjeller over året enn ROAR. Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker, SIV Sporutvikling, E18 Vestfold
Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker, SIV E18 Vestfold; Samanheng Total sporutvikling - Mølleverdi Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker, SIV E18 Vestfold; Samanheng Vinterslitasje - Mølleverdi
SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -KONKLUSJONER E18 (sporutvukling) Det er rimelig god sammenheng mellom total sporutvikling og mølleverdi for Ab-dekkene med polymermodifisert bindemiddel, men svak/dårlig korrelasjon mellom piggdekkslitasje/vinterslitasje og mølleverdi (R2 fra 0,4 til 0,6) Dette er noe overraskende, og må verifiseres ved videre oppfølging over flere år for å få et mer sikkert datagrunnlag. Deformasjonsmotstand Masser fra E18 Vestfold
SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -Ringbaneforsøk Foto 1 Provvägsmaskinen med laserprofilometern, VTI Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker, SIV -Ringbaneforsøk Ab11 med 100% av den aktuelle bergart Sammenhengen mellom sporslitasje i ringbane og mølleverdi Ortogonal regresjon: Mølleverdi = 1.689 * Ringbane + 0.013 Regresjonskoeffisient R² = 0.97 25 20 15 Ab8 Dekketype Materiale Ringbane Mølleverdi Ab11 Alvdalen 1.8 3.5 Ska11 Hadeland 2.1 4.5 Ab11 Hadeland 2.8 4.5 Ab11 Tau 3.4 6.8 Ab11 Hanekleiva 4.1 6.1 Ab11 Lierskogen 4.3 6.5 Ab11 Vassfjell 5.4 9.6 Ab8 Bremanger 8.2 20.5 Ab11 Hedrum 9.2 15.5 Mølleverdi = 10 Ska11 5 0 0 2 4 6 8 10 Spordybde i ringbane (mm)
Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker, SIV -Ringbaneforsøk Alle dekkeresepter Ab 8, Ab 11, ABS 16 -slitasje i ringbane som funksjon av sliteparameter Sliteparameter = (Steinkvalitet / Steinmengde) * 100 =(Mølleverdi/andelmatr.>4mm)*100 Sliteparameter som funksjon av slitasje ringbane 8 7 Relativ slitasje ringbane 6 5 4 3 2 1 Måledata "R2= 0,93 0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 Sliteparameter Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker, SIV Ringbaneforsøk, VTI En reduksjon av maksimal steinstørrelse fra 11 mm til 8 mm førte til dobbelt så storsporslitasje i det konkrete tilfellet i våre forsøk i ringbanen. Bruk av slitesterkt tilslag i finfraksjonen / materialet < 4 mm gav markert større slitestyrke (20 % mindre slitasje ved bruk av en ekstremt sterk bergart i mørtelfasen i en resept med svakt tilslag; 50 % større slitasje ved bruk av svak bergart i mørtelfasen i en resept med opprinnelig sterkt tilslag i det aktuelle tilfellet). Økning av mengden stein / bruk av mer steinrik resept gav markert større slitestyrke.
SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -KONKLUSJONER (sporutvukling 1) Stort potensiale i å oppnå vegdekker med lang levetid ved å velge slitesterke bergarter Det kan være en betydelig sporutvikling også sommers tid. Sporutviking sommers tid kan skyldes både etterkompaktering (1. år) og skjærdeformasjoner pga instabilitet Det er betydelig større friksjon vinters tid enn om sommeren pga poleringseffekt, og ulike bergarter har ulik tendens til polering. SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -KONKLUSJONER (sporutvukling 2) Kulemølletesten gir en god rangering av steinmaterialer med hensyn på motstand mot piggdekkslitasje. Slitasjen er svært avhengig av mengde stein større enn 4 mm. Reduksjon i største steinstørrelse i våre massetyper medfører at mørtelfasen får større betydning for slitasjen.
SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -KONKLUSJONER E18 (sporutvukling 3) Det er rimelig god sammenheng mellom total sporutvikling og mølleverdi for Ab-dekkene med polymermodifisert bindemiddel, men svak/dårlig korrelasjon mellom piggdekkslitasje/vinterslitasje og mølleverdi (R2 fra 0,4 til 0,6) Dette er noe overraskende, og må verifiseres ved videre oppfølging over flere år for å få et mer sikkert datagrunnlag. SIV - Steinkvalitet og sporutvikling i vegdekker -KONKLUSJONER (sporutvukling 3) Wheeltrack-forsøk indikerer et betydelig potensiale i å øke motstand mot plastiske deformasjoner ved bruk av polymermodifiserte bindemidler
Friksjon på vegdekker E18 Vestfold Rett etter dekkelegging er det liten forskjell på friksjonen på de forskjellige vegdekkene. Etter to vintersesongen begynner forsøksfelt 2 med det svakeste steintilslaget å få vesentlig lavere friksjon enn de andre feltene. Høsten 2003 var friksjonskoeffisienten helt nede i 0,5. Dette er likevel over standardens krav som er minimum 0,4. Dekkene får en målbar poleringseffekt av trafikken i løpet av sommersesongen, i størrelsesorden 0,2 enheter forskjell fra vinter til sommer Makrotekstur på vegdekker Feltforsøk E18 Vestfold Makrotekstur målt med ALFRED viste lavest verdi for felt 2 med mekanisk svakt tilslag av Larvikitt / anorthositt fra Hedrum pukkverk (dette tilslaget var benytta som representant for tilslag utafor spesifikasjonene i retningslinjene). God makrotekstur vil opplagt være en fordel for å drenere overflatevann og redusere faren for vannplaning. Det er noe usikkert hvordan dette slår ut med hensyn på støy
Friksjon på vegdekker -Feltforsøk E6 Klett Det er ikke funnet noen sammenheng mellom makrotekstur og friksjon målt på vegen. Det er ikke funnet noen sammenheng mellom makrotekstur (MPD) og PSV. (Men relativt små variasjoner i PSV vanskeliggjør eventuell påvising av eventuell korrelasjon) Makrotekstur målt med ALFRED viste lavest verdi for felt 2 med Gabbro og størst for felt 3 med porfyr fra Älvdalen. God makrotekstur vil opplagt være en fordel for å drenere overflatevann og redusere faren for vannplanning. Friksjon på vegdekker Konklusjon Det er behov for videre forsking for å forstå sammenhengen mellom ulike dekkeparametre og friksjon Det er behov for å finne gode kriterier for krav til friksjon på vegdekker