Permeabilitetsbestämning
på asfaltbeläggning
Författare
Fredrik Hornwall
FoU-enhet
Konstruktion och byggande
Projektnummer
12604
Projektnamn
Publicering nationellt
Uppdragsgivare
VTI
Distribution
Fri
Väg- och
Detta examensarbete handlar om permeabilitetsmätningar på asfaltbeläggningar med Concell permeameterutrustning. Arbetet som utfördes Vid Statens Väg- och transportforskningsinstitut har varit mycket spännande och lärorikt.
Jag skulle Vilja tacka en rad personer som har hjälpt mig igenom arbetet. Dessa är Leif Viman, VTI, som hjälpt till med prover och kommit med Värdefulla synpunkter på rapporten, Peet Höbeda, VTI, som hjälpt till med litteratur och annan information, Safwat Said, VTI, och min examinator Torgny Borg, ITU, som har hjälpt till med att granska rapporten.
Ett speciellt tack till Joakim Wahlström, VTI, som har handlett mig genom arbetet på sådant sätt att jag själv har haft mycket ansvar för mitt arbete.
Linköping, Juni 1997.
Fredrik Hornwall
Permeabiliteten är en egenskap hos asfaltsbeläggningar som har utforskats av många. På 1950-talet började permeabiliteten utforskas och forskare försökte konstruera en permeameter som kunde ge tillförlitliga värden på permeabiliteten. Utvecklingen stannade upp lite på 1970-, och 1980- talen för att på nytt bli aktuell under 1990-talet. Principen för de permeametrar som utvecklats är att med ett vakuum eller ett tryck försöka få en vätska eller gas att flöda genom ett asfaltprov.
Resultat från forskningen inom detta område har visat är att permeabiliteten hos asfalt beror av en mängd olika faktorer som till exempel bitumenhalt, temperatur, ålder och hålrumshalt. Fortsatt forskning inom området behövs och kommer med all sannolikhet att utföras.
Den utrustning som har använts vid detta arbete heter Concell- permeameterutrustning. Den är konstruerad för att uppñ/lla kraven för ASTM-standard D 5084- 90 som gäller för obundna material. Enligt tillverkaren av Concell- utrustningen ska prover av asfaltbeläggning kunna mätas. Standarden innefattar material med permeabiliteten lägre än 1x10'5 m/ 5 vilket kan betyda att genomsläppligare material inte kan mätas enligt standarden med Concellpermeametern. De asfaltmassor som i denna studie har testats i utrustningen är AG 22, Viacobind och Viacobase.
Concell- permeameterutrustning är lätt att lära sig att hantera och det är lätt att analysera resultaten från mätningar. Utrustningen behöver dock kompletteras med vissa tillbehör för att mätningar på tätare asfaltprovkroppar ska kunna utföras.
Resultaten från mätningarna gär trots att de är få att jämföra med resultat som tidigare forskare har kommit fram till. Dessa jämförelser har i arbetet begränsats till att jämföra permeabiliteten med asfaltens hålrumshalt. Likheterna i resultat ger stöd åt slutsatsen att Concell-permeameterutrustning går att använda vid mätning av asfaltbeläggningars permeabilitet. Resultaten visar att fler faktorer än hålrumshalten har inverkan på permeabiliteten. En massa med större hålrumshalt kan vara mer tät än en massa med lägre hälrumshalt.
The permeability on bituminous pavements is a characteristic that have been explored by many. In the 1950's the permeability began to bee explored and researchers tried to construct a permeameter which could give reliable values on the permeability. The development slowed down during the 1970's and l980's but came up again during the l990's. The principle of the permeameters that have been developed is that by a vacuum or a pressure try to get a liquid or a gas to flow trough a sample ofthe pavement.
The results that the research in this area has led to is that the permeability on bituminous pavements depend on many different factors like for example bitumen- content, temperature, age and void- content. Continued research in this matter is needed and will probably be done. The equipment used in this studie is the Concell- permeameterequipment. It is constructed to follow the ASTM- standard D 5084-90 which is for unbound materials. According to the manufacturer of the Concell- permeameter will the equipment be able to measure samples of bituminous pavements. The standard is valid for materials with permeability less than lxlO'5 m/ 5 which means that more permeable materials can not be measured according to the standard with the Concell- permeameter. The pavements tested in the equipment in this study
is AG 22, Viacobind and Viacobase.
The Concell- permeameter is easy to learn to operate and it is easy to analyse the results from the tests. The equipment needs to be completed with some accessories to make measurements of more massive samples of bituminous pavement possible.
The results from the measurements are, despite that they are few, comparable to results that
earlier researchers have come up with. These comparisons have in this study been limited to compare the permeability with the void content. The similarities in the results give support to the conclusion that the Concell- permeameter can be used to measure the permeability on bituminous pavements.
The testresults shows that more factors than the void- content has effect on the permeability. A bituminous pavement with a higher void- content can be less permeable than a pavement with a lower void- content.
1 INLEDNING 1 1.1 BAKGRUND 1 1.2 MÅL 1 1.3 METOD 2
2 FÖRTYDLIGANDEN
3
2.1 PERMEABILITET 3 2.2 PRINCIPEN FÖR PERMEABILITETSMÄTNINGAR 4 2.3 ASFALTBELÄGGNING 5 3 LITTERATURSTUDIE 6 3.1 ALLMÄNT 6 3.2 LUFTPERMEAMETRAR 6 3.2.1 1950-1960 6 3.2.2 1961-1970 9 3.2.3 1971-1980 12 3.2.4 1990-talet 14 3 .3 VATTENPERMEAMETRAR 15 3.3.1 1960-1970 15 3.3.2 1971-1980 1 7 3.3.3 1990-talet 183 .4 ÖVRIGA PERMEAMETRAR
20
3.4.1 Klimatpermeameter 203.5 JÄMFÖRELSE MELLAN PERMEAMETRAR 21
3.6 SLUTSATSER 23 4 CONCELL- PERMEAMETER 25 4.1 ALLMÄNT 25 4.2 FUNKTIONSSÄTT 27
5 BERÄKNINGAR
28
5.1 VIKT 28 5.2 HÖJD OCH DIAMETER 28 5.3 SKRYMDENSITET 29 5.4 KOMPAKTDENSITET 29 5.5 HÅLRUMSHALT 30 5.6 GRADIENT 31 5.7 PERMEABILITETSBERÄKNING 326 MÄTNINGAR
33
6.1 ALLMÄNT 33 6.2 PROVTYPER 33 6.3 MÄTNINGARNAS OMFATTNING 34 6.4 KOMMENTARER OM MÄTRESULTAT 34 6.5 KOMMENTARER OM MÄTUTRUSNINGEN 35 VTI Notat 17-19987.2.1 AG 22 36
7.2.2 Viacobind 39
7.2.3 Viacobase 40
7.2.4 Jämförelse mellan massorna 41
8 SLUTSATSER OCH DISKUSSION 43
8.1 PERMEAMETERN 43
8.2 MÄTRESULTAT 43
8.3 FORTSATTA MÄTNINGAR 44
9 LITTERATURFÖRTECKNING 45
Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur Figur bo o N Q M -k wl wk . Figur 10.' Figur 11.' Figur 12.' Figur 13.' Figur 14.' Figur 15.' Figur 16.' Figur 1 7.' Figur 18.' Figur 19.' Figur 20.' Figur 21.' Figur 22.' Figur 23.' Figur 24: Figur 25.' Figur 26.' Figur 27 .' Figur 28.' Figur 29.' Figur 30.' Figur 31.' Figur 32.' Figur 33.' Figur 34.' Figur 35.' Figur 36.' Figur 37.' Figur 38.' Figur 39.' VTI Notat 17-.' Mätprincip i allmännhet. 4 .' Utrustningför mätning av luftpermeabilitet. 7 .' Apparatur för in- situmätningar av luftpermeabilitet. 8 .' Provkroppsadapterför mätningar påprovkroppar. 9 .' Luftkammaren som sluts till beläggningsytan. 9 .' Schematisk bild av mätutrustningen. 10 .' Mätutrustningför att mäta små tryckdijjferentialer. 12 .' Gummitätning i makro-, och mikroperspektiv. 13 .' Färdiglimmadprovkropp redo förprovning. 13 Schematisk bild avfunktionssättet. 15 Skiss av permeabilitetsutrustning. 16 Permeabilitetsapparaten nedmonterad resp. ifunktion. 1 7 Mätutrustning enligt BST- standardförslag. 19 Skiss av enkel utrustningför att mäta vattengenomsläpplighet. _20 Mätutrustning där olika klimat simuleras. 21 Vallerga. 22 Idaho. 22 Idaho. 22 Soiltest. 22 Zube. 22 Ontario. 22 Mätcell. 25 Provcell. 25 Tryckregulator. 26 Concell- permeametern. 27 Beskrivning av var provkroppar mäts. 28 Provets volym- bindvolym och stenvolym. 30 Exempel på hur resultaten varierade vid upprepad mätning. 34 Sammanställning av provkroppsinformation. 35 Hålrum/ permeabilitetför AG 22. 3 7 Förhållandet mellan hålrum och permeabilitet. 37 AG 22- hålrum/permeabilitet. 37 Diagram k/ (100- hålrumshalt) för AG 22. 38 Förhållandet luftflödeshastighet/ (1- hålrumshalt). 38 Hålrum/permeabilitetför Viacobind. 39 Permeabilitet/ (100- hålrumshalt) för Viacobind. 40 Jämförelse mellan AG 22 och Viacobind. 41 Omarbetat hålrum/permeabilitetför AG 22 och Viacobind. 42 Permeabilitet/ hålrum enligt McLaughlin och Goetz. 42
Bilaga 2: Härledning av ekvationen för permeabilitetsbestämningen.
Bilaga 3: Protokoll från permeabilitetsmätningar för AG 22, Viaeobind och Viacobase.
Bilaga 4: Diagram för hur mätningarna varierade vid upprepad mätning på samma provkropp.
Bilaga 5: Sammanställning av information om borrkärnorna som användes i undersökningen.
1.1 Bakgrund
Asfaltbeläggningar förekommer i många olika utföranden och har många olika egenskaper varav en är permeabiliteten. Permeabilitet är ett uttryck som anger hur genomsläppligt ett material är för vätskor och gaser. Metoder finns för att bestämma permeabiliteten hos obundna material men för bestämning av permeabiliteten hos asfaltbeläggningar finns för närvarande inte många kända bra metoder som är allmänt använda.
Beläggningslagren i en vägkonstruktion skai princip fungera som ett tak och skydda vägkonstruktionen mot inträngande vatten. Bind-, och bärlager har en lastfördelande funktion. Vattentätheten eller permeabiliteten är normalt inte en kritisk faktor på Vägnätet eftersom vägkonstruktionen oftast är byggd med bra material som står emot vatten och med relativt tjocka beläggningslager [1]. Tätheten på asfaltbeläggningar är däremot en egenskap som prioriteras på vägar som är byggda med lite sämre material och har vattenkänsliga material nära beläggningsytan. Vattnet kan i dessa konstruktioner leda till finmaterialtransport bort ifrån vägbanken och därmed äventyra vägens stabilitet. Vattentätheten kan också vara en högprioriterad egenskap för beläggningar på broar, i tunnlar och på parkeringsdäck.
VTI i Linköping har erbjudits att köpa en utrustning för att kunna bestämma permeabiliteten på bundna material som asfalt. Permeametern som heter Concell och levereras av PETECH Oy i Finland använder sig av lufttryck för att trycka vatten genom ett prov som placerats i utrustningen.
De provkroppar som testades i mätutrustningen kommer från en sträcka på E6 mellan Fastarp-Heberg i Halland och det fanns indikationer på att vatten trängde ner genom beläggningslagren, särskilt bindlagret.
1.2 Mål
Målet med examensarbetet är att få en uppfattning om hur utrustningen för permeabilitetsmätningar fungerar. Detta ska ske genom att:
- Genom litteratur studera andras erfarenheter av permeabilitetsmätningar - Montera utrustningen och färdigställa den för användning _
- Genom försök på provkroppar försöka skapa en gradering för tätheten på olika asfalttyper
Resultaten av dessa undersökningar ska sammanställas så att de kan användas som handledning för mätutrustningen.
1. Litteraturstudie.
2. Mätningar på provkroppar.
3. Analys avresultat och sammanställning av rapporten.
Rapperten består av två huvuddelar. Den första delen är en litteraturstudie om permeabilitetsmätningar på asfalt som jag genomförde för att kunna få en uppfattning om hur permeabilitetsmätningar går till, se hur andras erfarenheter på området har utvecklats genOm åren samt att se om några av resultaten från tidigare permeabilitetsmätningar går att använda för att bekräfta de mätresultat erhålls med C0ncell- permeametern.
Den andra delen av rapporten handlar om Concell- permeametern och mätningarna med den. En manual till permeametern som ska kunna användas som en instruktionsbok för permeabilitetsmätningar med utrustningen ska biläggas.
2.1 Permeabilitet
Med permeabilitet menas ett materials förmåga att släppa igenom en gas eller vätska. Det finns två olika sätt att beräkna permeabiliteten. Här nedan beskrivs de båda kortfattat.
Permeabilitet
Enligt Wyckof [2], är permeabiliteten (K) ñödesvolymen (Q)av en vätska med viskositeten (11) som under ett tidsförlopp (At) flödar genom en area (A) av ett poröst medium med längden (L) under påverkanav entryckskillnad (Ap).
KZM (m2)
eller %=_9M_
(m)
AxAprt AxAprt
Permeabiliteten är ett kännetecken för strukturen hos det porösa materialet och är därför oberoende av egenskaperna hos vätskan och systemets absoluttryck.
Permeabilitetskoefñcienten
Enligt Darcy's lag är permeabilitetskoefñcienten (k), tlödeshastigheten (q) genom ett prov med arean (A) av ett poröst material under inverkan av enhydraulisk gradient (i) [2].
q
k: m/s A><i ( )
Det bör påpekas att permeabilitetskoefñcienten inte bara är en funktion av egenskaperna hos det porösa materialet utan också av egenskaperna hos vätskan. Vidare gäller Darcy's lag
endast om materialet är till 100% mättat med vätska, om flödet är stabilt och laminärt och om
inga volymförändringar hos provet inträffar under mätningamas gång. Förhållande mellan permeabiliteten och permeabilitetskoefñcienten
Det finns ett samband som visar att permeabiliteten (K) och permeabilitetskoefñcienten (k) är relaterade till varandra [2].
K = k lu- där u = vätskans viskositet
7a)
Ya): vätskans densitet
genomsläpplighet för gas och vätska.
2.2 Principen för permeabilitetsmätningar
För att läsaren av rapporten ska kunna tillgodogöra sig innehållet kan det vara Värt att förklara principen för permeabilitetsmätningar. Olika varianter förekommer men det som beskrivs nedan är de huvudsakliga förutsättningarna för att en permeabilitetsmätning ska kunna utföras. Det övergripande förfarandet vid en permeabilitetsmätning är att få en vätska, oftast vatten, eller en gas att flöda igenom det prov som ska permeabilitetsbestämmas. För att ett mätbart flödet ska uppkomma genom provet, behövs i de flesta fall ett tryck i den vätskan som används. Trycket kan skapas genom att använda en vattenyta belägen högre än provet som ska mätas eller att skapa ett slutet system och med hjälp av lufttryck öka trycket i vattnet på samma sätt som man ökar vattentrycket i ett hydroforsystem. Det förekommer också ibland att ett vakuum bildar ett undertrka på ena sidan av provet och därmed suger igenom vätskan eller gasen. _ r_
ç- -; . ' :i J* . , . _
v
-. . Job..
- sag-.L- ; , ' .p . :,,-Figur 1.' Mätprincip i allmänhet
Figur 1 [26] visar denna mätprineip schematiskt. Genom att notera värden på tryck, flöde, tid och provegenskaper kan sedan permeabiliteten beräknas på olika sätt. Oftast sker beräkningen utifrån Darcy's lag.
En asfaltbeläggning består i huvudsak av stenmaterial, bindemedel och ibland eventuellt något tillsatsmedel. Bitumen är det svarta klistret som håller samman stenarna i beläggningen. Bitumen utvinns genom destillation av råolja och är den restprodukt som blir kvar efter destillationen av olika olj efraktioner [1]. Detta bitumen förädlas sedan till det som används på våra vägar.
Bitumen beskrivs bäst som ett viskoelastiskt material. Det betyder att det har två sätt att deformeras vid påfrestningar, det kan fjädra som en gummiboll eller flyta som en olja. Det som bestämmer vilken typ av deformation som sker är temperaturen och hur långvarig belastningen är.
Bitumenets fysikaliska egenskaper är de utan jämförelse viktigaste egenskaperna både vid hantering och blandning av asfaltmassa och i den färdiga beläggningen. Bitumen är ett termoplastiskt material. Det betyder att det mjuknar vid uppvärmning och hårdnar vid avkylning. I den färdiga vägbanan bestäms flera viktiga egenskaper av bitumenets flytegenskaper och temperaturkänslighet.
Stenmaterialet är dock viktigast när det gäller slitage till följd av dubbade däck och även motståndskraft mot plastisk deformation. Med plastisk deformation menas en deformation som blir kvarstående efter belastning.
3.1 Allmänt
Under årens lopp har många försökt konstruera en permeameter för att mäta permeabiliteten * på asfaltbeläggningar. Många har också försökt att finna samband mellan permeabiliteten på
asaltbeläggningar och dess många andra egenskaper.
I litteraturstudien som gjordes för att skapa en uppfattning om hur olika permeametrar fungerar och vilka som har använts genom åren förekommer många olika typer av permeametrar. De har delats in i två grupper nämligen de som använder sig av vatten som genomträngningsvätska och de som använder gas ( luft ). Dessa grupper har sedan i rapporten delats in i 10- årsintervall för att ge en överblick om när olika förändringar inträffade. Eftersom ingen litteratur om permeabilitetsmätningar på talet har hittats är inte 1980-talet redovisat i litteraturstudien.
Sist i litteraturstudien kommer de permeametrar som inte passar in i dessa två grupper ovan, liksom jämförelser mellan olika permeametrar.
3.2 Luftpermeametrar
3.2.1 1950-1960
J .F. McLaughlin och W.H. Goetz [3]utförde 1955 en undersökning där de skulle utveckla en permeameter för permeabilitetsmätningar av bituminösa blandningar. Undersökningens syfte var att kontrollera om det fanns något samband mellan hålrumshalt, mått på hur länge asfalten var tj änlig och permeabilitet för bituminösa beläggningar.
När de skulle bygga permeametern var de först tvungna att välja om det skulle vara en vatten eller gaspermeameter. Efter att de studerat andras erfarenheter i litteraturen ansåg de att användandet av gas gav många fördelar, bland annat lättheten att få mätbara flöden utan att använda höga tryck. De bestämde sig för att använda torr luft som gas. De skulle också om möjligt göra oberoende mätningar med vattenpermeameter för att kontrollera mätutrustningens tillförlitlighet.
Principen för mätningarna var att med hjälp av ett lufttryck pressa luft genom en provkropp och sedan mäta tryckskillnaden på respektive sida på provkroppen, se figur 2. De mätte också flödet genom provkroppen. Genom att tillämpa Darcy's lag kunde de sedan räkna fram permeabiliteten.
Denna undersökning ledde bland annat till slutsatsen att luftpermeameterns mätvärden överensstämde ungefär med vattenpermeameterns. De fann också att ett förhållande mellan hålrumshalten och permeabiliteten rådde, vilket stämmer med försök som gjorts tidigare med andra material som till exempel jord. Detta förhållande mellan hålrumshalten och permeabiliteten visade sig också påverkas av bitumeninnehållet.
W.H. Ellis och RJ. Schmidt [4] konstaterade 1960 att permeabiliteten på asfaltbeläggningar verkade vara en primär faktor för att kontrollera en beläggnings livslängd. De tyckte att om permeabiliteten är så viktig av så många anledningar och kan kontrolleras med hjälp av blandningsproportioner och konstruktiv utformning så var det värt att undersöka vidare.
De utvecklade en ny metod att mäta permeabiliteten som kombinerade fördelarna med de metoder som tidigare använts med de fördelar som denna utrustning medförde. De fördelar som tas upp är att utrustningen är bärbar, den är snabb och volymen luft som strömmar upp genom beläggningen under påverkan av ett vakuumtryck mäts. Ytterligare en fördel äratt det går att mäta både provkroppar och in-situ.
+Vent to Atmosphere 3-Woy Slopcock _
Sensitive Monomeler Calibraled ' Pipe!
4 in. diamGloss Dome
3- Way Stopcock
Sealiant
Vent toAtmosphere Gas Sompling Bulb
\ ' m... Woler Reservoir
Figur 3.' Apparatur för in- situmätning av luftpermeabilitet
Glaskupolen fasts och tåtas till beläggningen med hjälp av vax eller polyethylen. Båda dessa tåtningsmaterial fungerar bra, men polyethylen kan tas loss från en kall beläggning när mätningarna är klara. Tåtningsmaterialet smålts och penslas på belåggningen och på undersidan av glaskupolen. För att få en riktigt bra tätning värms sedan glaskupolen med en gasollåga så att den smälts fast mot underlaget. Vid in-situmätningar kom de fram till att det var ovåsentligt hur långt från glaskupolen belåggningen tåtades för att undvika läckage från omgivande asfaltyta.
Ett hål i kupolen fasts med hjälp av en slang till en manometer. Det andra hålet i kupolen fasts med en slang till toppen av glaspipetten som skapar vakuumtrycket. För att göra en mätning öppnas kranen i botten på pipetten och vatten kan rinna ut och skapa ett vakuum under glaskupolen, se figur 3. Kranen justeras så att vakuumet som syns på manometem är konstant på önskad nivå. Då detta inträffar år volymen av vattentlödet från pipetten lika med volymen luft som kommer genom provet. Genom att mäta tiden på vattenilödet mellan två kalibrerade märken på pippetten erhålls luftflödeshastigeten.
. gåâakwhläiåä
;en . l bygget: I.. få \ *Mila, . . _ t v.
:ös:Enav.:äc-:iratitörw-:zzåäbå'L' < g V. . .v v ...__
a I
jä'F-SüFämfäfüäüü_ . :rs:
-Figur 4: Provkroppsadapterför mätningar på provkmppar_
För mätning av asfaltprovkroppar i laboratoriet visas utförandet i figur 4. Tätningen utförs här med en så kallad gummihandske. Mätningsförfarandet av luftflödeshastigheten utförs sedan på samma sätt som för in-situmätningar.
3.2.2 1961 -1 970
T.C. Hein och R.J. Schmidt [5] var 1961 med och utvecklade en luftpermeameter för användning vid mätning i fält under pågående asfaltläggning. Eftersom permeabiliteten ansågs bero av packningsgraden skulle det med denna utrustning kunna gå att avgöra om asfaltmassan var tillräckligt packad. Packningsgraden i sig har ett förhållande till hålrumshalten.
Metoden bygger på samma princip som Ellis och Schmidt's men är mycket enklare att både använda och flytta.
Figur 5.° Luftkammaren som sluts till beläggningsytan.
I utvecklingen av denna apparat ingick också att visa hur generellt användbar utrustningen år. De kom fram till att med denna permeameter kunde permeabiliteten i fält mätas medan asfalten fortfarande var varm och kunde därigenom avgöra om asfalten var tillräckligt vältad eller om den behövde ytterligare packning. Genom mätning av permeabiliteten kunde då onödig vältning och en större kostnad undvikas.
W.J Kari och L.E Santucci [6] genomförde 1963 en undersökning om huruvida det skulle gå att kontrollera asfaltläggning med hjälp av en luftpermeameter. Permeametern som användes var av samma typ som den Ellis och Schmidt utvecklade, se figur 6.
Mätförfarandet utförs genom att en smörjpistol-liknande sak tätas vid asfalten. Tätningen är snabbt tillverkad genom att smörjfett pressas ut runt luftkammaren. Två slangar går in i luftkammaren varav den ena används för att mäta lufttrycket med hjälp av enmanometer. Den andra används till att tillföra luft. Luftflödet uppkommer från ett lufttryck som skapas genom att sänka vattenytan i pipetten och därmed öka trycket i vattentanken. Storleken på pipetten beror av porositeten på asfaltytan som ska mätas.
_ Mmmm :
_f'çarçcéecjmama " ' 'gj 'gravar-:'12:- : °
;j :3: F I
' fana» ' 8153528: Figur 6.' Schematisk bild av mätutrustningen.
I fält flyttas apparaten från plats till plats med hjälp av enhanddragen kärra. Normalt skulle ungefär 6 mätningar per timma kunna utföras.
Slutsatserna av undersökningen var att permeabiliteten kunde användas för att vägleda vältningen och försäkra sig om att asfaltmassan blir tillräckligt packad eftersom permeabiliteten nu kunde bestämmas under pågående arbete.
För att försöka klarlägga förhållandet mellan packningsgraden och luftpermeabiliteten hos bituminösa blandningar, genomförde D.B Warner och F. Moavenzadeh [7] 1964 en undersökning. Proven utfördes i ett laboratorium på laboratorietillverkade provkroppar. På grund av att beläggningar tillverkade i laboratorium och de tillverkade i fält skin er sig en del i utförandet, går inte resultaten av undersökningen att tillämpa direkt i fält. Permeametern som användes var av den typ som Ellis och Schmidt utvecklade 1960.
Resultaten av undersökningen var bland annat att det verkade finnas ett förhållande mellan relative density , som motsvarar 100-hålrumshalten, och permeabiliteten. Vidare visade undersökningen att resultaten av permeabilitetsmätningarna var reproducerbara och de flesta variationerna i resultat kan rättas till med rätt korrektionsfaktor för de rådande omständigheterna, till exempel temperaturen som påverkar asfaltbeläggningens egenskaper. När Joseph F. Goode och Lawrence A. Lufsey [8] omkring 1950 gjorde en studie om hålrumshaltens och permeabilitetens betydelse för asfaltens hårdnande användes en permeameter som skilde sig lite i utförande från den som Ellis och Schmidt utvecklade 1960. Principen är dock samma, det vill säga att luft sugs med hjälp av vakuum igenom en provkropp medan en manometer mäter trycket och en flödesmätare mäter luftflödet. Denna metod använder sig inte av en fallande vattenyta som bildar vakuumtrycket utan använder en vakuumpump för att skapa ett luftflöde.
Tätningen utfördes på liknande sätt som Ellis och Schmidt's permeameter. Som tätningsmaterial mellan provkroppen och permeametern användes först paraffin som dock visade sig sätta igen porerna i asfalten. Då använde de sig av våt lera istället men det gav också fel värden på permeabiliteten på grund av att fukt hade gått in i porerna och blockerat dessa för luften som annars skulle kunna ha passerat där.
Undersökningen resulterade bland annat i slutsatsen att luftpermeabiliteten beror av både kornstorleksfördelningen och asfaltytans hålrumshalt.
J.K Davies och R.N. Walker [9] genomförde en undersökning av luftpermeabiliteten hos asfaltblandningar 1969. Vid tester av provkroppar med relativt hög permeabilitet upptäcktes att små värden på tryckskillnaden över provkroppen skapade relativt höga luftflödeshastigheter och det var nödvändigt att ha en apparat som kunde mäta dessa små värden, se figur 7.
l -Provbehållare 6 -Luftreservoar
2 -Flödesmätare 7 -Kran för kontroll av inflöde
3 -U- manometer 8 -Kran för att kunna reducera trycket 4 -Fotpump 9 -Intag av luft
5 -Tättryckmätare
Figur 7.' Mätutrustningför att mäta små tryckdzferentialer.
Provkropparna placerades i en form som tätades i botten och toppen med plattor. Tryckluft från en reservoar tilläts flöda genom provet. Tryckskillnaden mellan toppen och botten på provkroppen kontrollerades och mättes med hjälp av enU-manometer. Flödeshastigheten mättes med en flödesmätare. För att förhindra luft att läcka mellan formen och provkroppen tätades mellanrummet med hjälp av ett gummimembran som fylldes med luft och därmed pressade mot provkroppen och yttercylindern. För att få riktigt tätt vaxades också mantelytan på provkroppen.
Av resultaten från mätningarna drog de bland annat i slutsatsen att asfaltens permeabilitet beror av packningsgraden, bitumeninnehåll och kornstorleksfördelningen.
3.2.3 1971 -1 980
Arun Kumar och WH. Ggoetz [10] uppmärksammade i en undersökning 1977 att många permeametrar visade felaktiga resultat på grund av att tätningen mellan asfaltprovkroppen och mätutrustningen var otillfredsställande. De ansåg att de permeametrar som då fanns där tätning skedde med ett så kallat gummimembran fungerade i ett makroperspektiv. Men i ett mikroperspektiv så skulle inte gummimembranet hålla tätt utan det skulle ge ett litet läckage mellan provkroppen och gummimembranet, se figur 8.
-- Mamman:
. a' ?får ..0' er .i :i :av m' 47-9' :i ., Z; ?i i:33;V. ... Mg_ ia#§' i: Sam-22mm v 2* .i e i' a' ,J 3 ,1. .r ..- 26 du Jag -. ' ,.ç; _ _ _ _ "" g ' enahale .Hiawamqaräm Makroperspekiv Mikroperspektiv
Figur 8.' Gummitäming i makro- och mikroperspektiv
De utvecklade en metod som enligt dem skulle eliminera dessa tätningsproblem. Utförandet av metoden är att pensla på ett enkomponents silikonlim på sidorna av provkroppen. Ett tätt lock och en genomtränglig botten limmas samtidigt fast i provkroppen. På locket finns två hål varav det ena är till att ansluta en vakuumpump och en tlödesmätare, se figur 8. Det andra är till för att ansluta en manometer för att läsa av den uppkomna tryckskillnaden i provkroppen. Luft sugs med hjälp av vakuumpumpen genom provkroppen samtidigt som luftflödeshastigheten noteras vid olika tryckskillnader.
Figur 9.' Färdiglimmadprovkropp redo för provning.
Tätningsmetoden visade sig vara bra, bland annat på grund av att limmet var lätt att ta bort från provkroppen samtidigt som det inte blev några limrester kvar i provkroppen.
3.2.4 1990-talet
Cabrera och Hassan [l 1] beskriver 1996 en luftpermeameter som är tillverkad för försök i laboratorium eller för kontroll av kvaliteten och homogeniteten av bituminösa lager i en beläggning under läggning.
Leeds air permeameter (LAP) som permeametern heter är tillverkad i Leeds och är baserad på samma princip som den permeameter som en gång tillverkades av Ellis och Schmidt. Luftkammaren är här byggd för att tryckas ned minst 4 mm i asfalten medan Ellis och Schmidt's permeameter fästs direkt på beläggningsytan. Den är lätt att bygga och lätt att använda.
De slutsatser som drogs av tester med denna utrustning var bland annat att porositeten och bindemedelshalten var faktorer som påverkade permeabiliteten. Fältmätningar av luftpermeabiliteten visade accepterbara repeterbarheter, men de fältresultat som erhölls var högre än de resultat som erhölls genom laboratoriemätningar. Detta beror på att flödesvägen i provkroppen begränsas till att bara vara vertikal vid laboratorieprovning. Vid fältmätningar kan luften flöda även från omkringliggande beläggning.
3.3 Vatten permeametrar
3.3.1 1960-1970
Vallerga och Hicks [12] utvecklade 1968 en permeameter som uppfyllde de 4 kraven för Darcy's lag. Dessa fyra krav är laminärt flöde genom provet, stabila flödesförhållanden, att provet är mättat och att provet inte volymändras under mätningens gång.
afe+ F I 1 ti I r--*-*1 I sin du l t x _ i
3
.in
T
daYRECTIGN ur FLOH
FN\ ASPHALT cowcaare SPECIMEN ' »SI
Figur 10.' Schematisk bild avfunktionssättet
Genom att prova tre provkroppar i tre olika permeametrar av samma typ och låta proven utföras av olika operatörer kunde de visa att inga stora skillnader i permeabiliteten hade blivit uppmätta i de olika permeametrarna. Av detta drog de slutsatsen att repeterbarheten och reproducerbarheten var bra.
En mätmetod för att bestämma permeabiliteten för bituminösa lager utvecklades av J .K Brown [13] 1969. Utförandet av denna metod är att en provkropp med diametern 150 mm skärs ut från vägytan. Sedan tätas provkroppens sidor mot en stålcylinder med hjälp av paraffinvax. Cylindern sluts i topp och botten med lock och vatten sätts till och hålls vid ett jämnt tryck genom att hålla en vattenyta på konstant höjd. Genom att mäta utflödet ur asfaltprovkroppen kan man räkna ut permeabiliteten ur Darcy's ekvation. Provet utförs i 20° C på grund av att vattenflödet genom asfaltprovkroppen varierar med temperaturen.
Constant ' i: head tank
I" - I
"
Perspex
v
cone
Wax seal Aluminium SUPPOVtmg cylinder ringFigur 11.' Skiss avpermeabilitetsutrusming.
Tester med apparaten visade att den var mycket användbar men vid prover med provkroppar med öppna strukturer kan det uppstå ett turbulent flöde genom provkroppen, vilket medför att Darcy's lag inte gäller. Detta i sin tur leder till felaktiga resultat på permeabiliteten.
För att få en bättre uppfattning om förhållandet mellan permeabilitet och andra faktorer som hålrumshalt och packningsgrad i asfaltbeläggningar utförde G. Lees med flera [ 14 ] 1969 en undersökning på området. För permeabilitetsmätningarna användes en permeameter som arbetade med en sjunkande vattenyta det vill säga att tiden för hur långt vattenytan sjönk från ett ursprungligt läge mättes.
Undersökningen som utfördes ledde till slutsatserna att för samma packningsgrad minskar hålrumshalten med ökat bitumeninnehåll. Vidare visade undersökningen att för samma hålrumshalt och bitumenhalt i en provkropp ger olika kornstorleksfördelningar olika värden på permeabiliteten.
3.3.2 1971 -1980
Ett försök gjordes att utveckla en näst intill impermeabel asfalt 1976 [15]. Asfalten skulle användas vid ett dammbygge för avloppsvatten från ett koleldat kraftverk i Nevada, USA. Det valda flödet genom asfalten som kunde tillåtas valdes efter noggranna överväganden, bland annat med avseende på klimatet, till 1 kubikfot/ kvadratfot på 25 år, vilket motsvarar en permeabilitet på ungefär 3,8X 10'10 m/s.
På grund av att det var nödvändigt att mäta låga permeabiliteter utvecklades en permeameter som skulle kunna använda höga tryck vid mätning av permeabiliteten.
Apparaten bestod av enpermeameter som arbetade med ett konstant tryck och försågs med tryckkapslar där provkropparna skulle placeras, se flgur 12. Dessa tryckkapslar skulle kunna klara ett tryck av 138 kN/ m2 (ca 14 m v p). Vid högre tryck kunde tätningen mellan provkapseln och asfaltprovkroppen förstöras.
Figur 12.' Permeabilitetsapparaten nedmonterad resp. ifunktion
Provkropparna som tillverkades i en Marshall- stamp i ett laboratorium var 100 mm i diameter och 25 till 50 mm höga. Tätningen mellan provkapseln och asfaltprovkroppen utfördes med hjälp av flytande bitumen.
Tillförlitligheten för denna utrustning för så låga värden på permeabiliteten ifrågasattes, men tillräckligt många prov visade liknande resultat så resultaten av permeabilitetsmätningarna godtogs. Asfalten visade 6 månader efter att den hade lagts på plats inga tecken på att spricka eller släppa igenom någon vätska.
3.3.3 1990-talet
A S T M, Amerikan Society for Testing and Materials, publicerade 1990 [16] ASTM standard 5084- 90 som i USA betraktas som standard för att mäta permeabiliteten i vattenmättade porösa material med en permeameter som kallas flexible wall permeameter. Provningarna utförs i laboratorier och standarden är främst för obundna material. Metoden går att använda på material som har en permeabilitetskonstant mindre eller lika med 1X10'5 m/s. Metoden använder sig av destillerat vatten som permeametervätska.
Förhållandet mellan resultat med denna metod och fältmätningsmetoder har inte helt undersökts. Erfarenheter visar att flödesmönstren i små provkroppar inte nödvändigtvis överensstämmer med de egentliga flödesmönstrena i en beläggning på plats. Därför ska resultaten med denna metod tillämpas i fält med försiktighet.
Olika mätutrustningar av samma typ kan användas under förutsättning att de uppfyller de krav som ställs i standarden.
Haiping Zhou med flera [17] utförde 1993 en undersökning där dränerande asfaltmaterial skulle undersökas. Otillräcklig dränering har av många ansetts som en av de viktigaste orsakerna till att beläggningen spricker och slits fortare. Vid bra dränering ska asfaltbeläggningen inte släppa igenom något vatten.Under många år har forskare haft teorier om att förbättrad beläggningsdränering skulle kunna eliminera många beläggningsproblem och öka livslängden hos en beläggning.
I undersökningen ingick att med hjälp av enpermeameter bestämma permeabiliteten på olika asfaltprovkroppar. För dessa mätningar användes en permeameter utvecklad av Oregon State Highway Division, OSHD. Permeametern kunde användas till både constant head- och falling head- försök. Constant head- metoden innebär att mäta tiden för provkroppen att släppa igenom en känd volym vatten under påverkan av en konstant vattenyta. Permeabiliteten beräknas sedan genom en speciell ekvation. Falling head-mätningar innebär att mäta tiden för en vatten yta som angriper provkroppen att sjunka från en nivå till en annan.
Provresultaten visade att för de olika provprocedurerna så skilde sig värdet på permeabiliteten avsevärt. Variationen i permeabiltet för samma sorts asfalt kan bero på olikformigheten i de olika provkropparna, medan variationerna mellan mätmetoderna kan bero på de Olika sätten som vattnet används under mätningarna. Det konstaterades också att det var svårt att hålla ett konstant vattenflöde genom asfaltprovkroppen när de använde sig av eonstant head-metoden. Den huvudsakliga slutsatsen som drogs var att procentandelen krossytor på stenmaterialet i Öppna asfaltstrukturer hade en avsevärd inverkan på permeabiliteten.
Byggstandardiseringen, BST, har i en remiss [18] om ett förslag till svensk standard 1996 föreslagit en metod för att mäta vattenpermeabiliteten på ytor som används för idrottsutövning. Förslaget tar upp utförandet av permeabilitetsmätningar på bland annat bundna material.
f
.l
V
L
lillflllllflllmlll I HIIHHIIHUIHHHHUHIIHIHHHEJ[Hmmm]u
1 -Yttercylinder 3 -Graderad mätsticka 2 -Innercylinder 4 -Vattenyta
Figur 13.' Mätutrustning enligt BST-standardförslag.
Apparaturen består av 2 metallcylindrar med olika storlekar, se figur 13. Mätprincipen är att vatten pumpas i de 2 cylindrarna som ska tätas till eller slås ned i underlaget i ytan som ska mätas.Vattnet fylls på tills vattenytorna är lika höga i både ytter och innercylindern. Den yttre cylindern är till för att förhindra flöde i sidled från den inre cylindern och det är därför viktigt att vattenytorna i de båda cylindrarna hålls jämna så att flödesriktningen inte ändras. Vatten får endast tillföras till den yttre cylindern under mätningensgång. Vattenytans sjunkning mäts sedan under en viss tid varvid infiltrationstiden erhålls.
I samband med en undersökning om bindemedelsförsegling av åldrad asfalt som utfördes på Strängnäs flygfält 1992-96 [19] skulle bland annat vattentätheten efter försegling utvärderas. Eftersom någon etablerad och välfungerande mätmetod inte fanns, konstruerades på VTI en enkel apparat som trots sin enkelhet gav värden om tätheten på asfaltytan. Försöken utfördes på borrkärnor i ett laboratorium, se figur 14.
Borrkärnan som var rumstempererad placerades i försöksutrustningen. En given mängd vatten hälldes på borrkärnans yta samtidigt som ett undertrka skapades på borrkärnans underyta. Den mängd vatten som tas upp av eller passerar genom provkroppen mäts samtidigt som den tid då undertrycket påverkar borrkärnan avläses. Metoden ger inga direkta värden på permeabiliteten utan ger ett värde på en faktor som benämndes vattenflöde.
Talllât " '_U 'Vatten
Distanshâalêlare
mhar
I
Luftventil ...u-...l
Figur 14.' Skiss av enkel utrustning för att mäta vattengenomslápplighet.
Metoden att mäta vattengenomsläpplighet visade sig fungera, men ansågs behöva utvecklas ytterligare för att ge ett bestämt mätvärde.
3.4 Övriga permeametrar
3.4.1 Klimatpermeameter
1995 utvecklades en permeameter vid DGCB, the Department of Civil Engineering and Building, i Frankrike [20]. Den skulle användas till att undersöka asfaltens egenskaper under olika förhållanden. Permeametern kunde användas till att mäta permeabiliteten vid minusgrader. Den korroderar inte vid användning avsådana vätskor som används på Vägarna under vintern, till exempel saltlösningar. Permeametern kan användas kan användas vid flöden från 100 ml/ min till 2000 ml/ min och i temperaturintervallet -20° C till +30° C.
Principen för mätningen är att den cirkulära asfaltprovkroppen placeras i permeametern som sluts igen och en vätska, saltvatten eller annan, tillåts passera under tryck genom provet, se figur 15. Flödeshastigheten genom provet mäts och permeabiliteten beräknas genom att tillämpa Darcy's lag.
*
,. ' j ' g' eenâmt '
' , . :gnäll. mn *
Figur 15.' Mätutrustning där olika klimat kan simuleras.
Vid tester med permeametern visade resultaten att permeabiliteten i hög grad beror av temperaturen. Slutsatsen att in-situmätningar av permeabiliteten ger stora skillnader beroende på att samma temperatur inte har förekommit vid olika mätningar drogs.
3.5 Jämförelse mellan permeametrar
På grund av behovet av enstandardiserad testmetod för bestämning av permeabiliteten hos bitumenösa blandningar, utfördes en undersökning av Pierre Gillbert och J. Hode Keyser 1973 [2]. Meningen med undersökningen var att identifiera apparater som då användes för permeabilitetsmätningar, att bestämma för-, nackdelar och begränsningar hos några av de mest använda apparaterna. De försökte också få en uppfattning om utrustningamas repeterbarhet och reproducerbarhet och skapa en korrelation mellan permeabilitetsmätningar utförda med olika typer av mätutrustning. Permeabilitetsfunktionen hos dessa utrustningar beskrivs på nästa sida.
Verkningssätt Fördelar Nackdelar Begränsningar
' ' ;... *i 5- W?) Fig. 16.' Vallerga (vatten)
-Mäter den sanna permeabiliteten. ODarey's lag kan kontrolleras om Ap är konstant.
.Dyr utrustning. .Erfarenhet krävs. -Graf behövs för att erhålla K.
.Volymförändringar kan inträffa vid täta
material.
Fi
.Enkel att använda. .Inget vatten används
Provets egenskaper oförändrade
-Dyr utrustning. .Erfarenhet krävs. .Graf behövs för att erhålla K.
-Endast öppna
material kan mätas.
.Precisionen begränsas av manometern.
' Fig. 18.' Idah (luft)
.Inget vatten används -Oförändrade
provegenskaper.
-Dyr utrustning.
-Graf behövs för att erhålla K. oPrecisionen. .Fungerar ej vid öppna material. Fig. Sailfest
oMäter den sanna
permeabiliteten.
OK kan avläsas.
-Enkel att manövrera.
oTätning av fett. .Trycket är begränsat.
.9 LN 1 K »az- c Mb_ . ,
a'la-9. 12%.
EF; .ut . 3:934' 'i'
Fig. 20.' Zube (vatten)
oBillig.
.Enkel att manövrera.
.Mäter vatten-flödeshastigheten -Empiriskt värde.
-Avdunstning vid
varma ytor.
.Ej vid blött väder. .Ej lutande yta.
.... .. ,
Fig. 21.' Ontario (vatten)
-Billig
.Mäter vatten-flödeshastigheten oEmpiriskt värde. oProblem med tätningen..Ej lutande yta. .Begränsat vattenflöde.
Kontroll av kapaciteten att uppfylla Darcy's lag utvärderades på basis av fyra villkor. Dessa villkor är:
1: laminärt flöde genom provkroppen 2: stabila flödesförhållanden
3: provkroppen måste vara mättad med mätvätskan 4: provkropppen får inte volymändras under provets gång
Av de 6 permeametrar, se figur 16- 21, som undersöktes för de fyra kraven var det endast 2 som klarade att uppfylla alla. Det var den som kallades California-Vallerga och den som
kallades Soiltest.
Undersökningen visade att syftet med valen av permeameter klart måste framgå på grund av att utrustningarna mäter permeabiliteten på så olika sätt och att kraven att uppfylla Darcy's lag sällan är helt uppfyllda. Undersökningen visade också att korrelationen mellan apparaterna i allmänhet är god. En bra korrelation observerades också mellan den mätta permeabiliteten och provkroppens hålrumshalt. Vidare konstaterades att ytterligare undersökningar för att bestämma precisionen för olika metoder behövs.
3.6 Slutsatser
Under många år har forskare kämpat med att utveckla en metod som kan mäta permeabiliteten på bundna material som asfalt. På 1960- talet var det många som ansåg att utvecklingen av dessa metoder var viktig för att det antogs att permeabiliteten var en faktor som spelade en stor roll för bland annat asfalten åldringsbeständighet. De som på 1960- talet var mest framstående var till exempel Ellis och Schmidt [4] som utvecklade en utrustning för permeabilitetsmätningar som kom att vara utgångspunkten för många andra mätutrustningar. Längre fram i tiden hamnade asfaltens permeabilitet i skuggan. Utvecklingen mot tätare beläggningar med hålrumshalt under ungefär 5% gjorde att permeabilitetsmätningar inte längre fungerade så väl. På senare tid har permeabiliteten kommit fram igen och även denna gång är frågan om den är en viktig egenskap hos asfalten.
De länder som har varit mest framstående är USA och Kanada men några få utrustningar har konstruerats i Europa i länder som England och Frankrike. Inga standarder för permeabilitetsmätningar på asfaltbeläggningar har påträffats. Däremot har en standard för obundna material berörts.
Litteraturstudien antyder att permeabiliteten hos asfalt är beroende av enrad faktorer såsom hålrumshalt , bitumenhalt, temperatur och ålder. Ingen har dock ännu lyckats fastställa dessa förhållanden klart och tydligt.
De problem som under alla tider har gäckat de som utvecklar dessa mätutrustningar är hur tätningen mellan asfaltytan eller provkroppen och utrustningen ska utformas. Många olika material har använts till exempel silikonlim, fett, gummi och till och med lera. Det har dock visat sig att de lösare av dessa ämnen till exempel lera kan täppa till flödesvägar i asfalten och därmed leda till fel värden. De fastare till exempel gummi kan ifrågasättas när ett mikroperspektiv betraktas då det är svårt att avgöra om tätningen är tillfredsställande.
Vidare så har forskare varit tvungna att välja om de ska använda vatten eller luft som genomsströmningsmedium. Båda har sina fördelar. Luft är bra om mätningen ska utföras på ett tätare material. I dessa kommer luften att flöda lättare genom provet än vatten och mätningen tar inte så lång tid. Vatten är bra när lite öppnare asfalttyper ska mätas eftersom luften då kommer att flöda för snabbt genom provet och då ge ett turbulent flöde. Ett turbulent flöde gör att Darey's lag inte kan användas.
Syftet med permeabilitetsmätningar har tidigare varit att använda värdena på permeabiliteten till att bedömma uppnådd packning vid utläggning eller bedömmning av beläggningens hålrumshalt. Numera är syftet att se om vissa beläggningar släpper igenom vatten. Traditionella beläggningar betraktas som täta men de nya stenrika beläggningarna är osäkrare. Dessa används både som slitlager, bindlager och bärlager.
4 Concell- permeameter
4.1 Allmänt
Concell forskningsapparat är en vattenpermeameter som kan användas för bestämning av permeabiliteten enligt ASTM 5084 - 90 metoden ( Standard Test Method for Measurement of Saturated Porous Materials Using Flexible Wall Permeameter) [16]. Denna standard är dock för obundna material men enligt tillverkaren av utrustningen går asfaltprover att mätas. Concellpermeametern tillverkas och marknadsförs av PETECH Oy i Finland. De har levererat utrustningen till bland annat Åbo universitet, Finska Vägverkets Geocenter och Lapplands vägdistrikt.
Permeametern består av tre olika celler och en tryckregulator. Två av cellerna är så kallade mätceller där man på en graderad skala kan avläsa olika vattenhöjder, se flgur 22. I toppen av mätcellerna anslutes en slang från tryckregulatorn. Av mätcellerna så är den ena förtryckcell, dvs den cell där vattnet befinner sig innan det har passerat provkroppen, och den andra baktryckcell, där vattnet samlas upp efter att det passerat provet. Mätceller kan fås med diametrarna 30, 100 och 140 mm beroende på hur porösa material som ska mätas. Den tredje cellen är den så kallade provcellen där själva provkroppen ska vara placerad, se flgur 23. Provkroppar med diametern 50- 150 mm och höjden 25- ca100 mm ska kunna provas i utrustningen. Även provcellen ansluts till tryckregulatorn i toppen.
Fi 22.' Mätcell igur 23.' Provcell
Tryckregulatorn är den enhet som styr trycket i mätcellerna och provcellen, se figur 24. Med den kan man ställa in lufttryck med noggrannheten 0,01 bar. Tryckregulatorn kan använda tryck mellan 0,1- 2,5 bar. En tryckluftkälla ansluts med en slang till kranen på sidan och de tre kranarna på andra sidan ansluts till de olika cellerna.
Figur 24.' Tryckregulator
Vid extremt tä a material kan det behövas en bubbelmätare som endast har en diameter på 3 mm. Bubbelmätaren är ett litet graderat glasrör som en liten luftbubbla kan tryckas ned i med hjälp av en spruta. Den ansluts mellan provcellen och baktryckcellen. Bubbelmätaren fungerar då som baktryckcell och även små vattenflöden kan registreras. Avläsningar hur mycket bubblan rör sig i glasröret görs.
Tillsammans med mätutrustningen levereras också ett EXCEL- baserat protokoll där observationerna förs in och permeabiliteten beräknas. Kalkylarket är inte helt anpassat för asfaltprover utan för obundna material som till exempel lera. Därför har inte det kalkylarket använts utan ett eget EXCEL-protokoll för permeabilitetsmätningarna har upprättats.
Den mätutrustning som har levererats till VTI består av tryckregulator, 2 st ø 30 mätceller, provcell med utrustning till att mäta provkroppar med diametern 100 och 150 mm och kalkylarket för permeabilitetsberäkning. Mätutrustningen som utnyttjas i denna studie saknar bubbelmätare.
4.2 Funktionssätt
Principen för mätningarna är att provkroppen placeras på provbordet i provcellen och omsluts av ett gummimembran. På provcellen läggs ett lock som skruvas fast och provcellen fylls sedan med vatten. Sedan sätts ett lufttryck till provcellen. Gummimembranet tätar då genom att det trycks mot sidorna av provkroppen. Till provkroppen är slangar kopplade genom provbordet från för- och baktryckcellen som är fyllda med destillerat vatten. Genom att sätta till ett större lufttryck i förtryckcellen än i baktryckcellen fås vattnet att flöda genom provkroppen. Vattnet flödar från botten på provbordet och uppåt genom provkroppen som figur 25 visar. Genom att notera vattenflödet, trycken och tiden som passerar under en mätning kan sedan permeabiliteten beräknas med hjälp av Darcy's lag. Helheten på utrustningen visas i figur 25.
--- H
Figur 25.' Concell- permeametern
Pilarna vid slangarna som löper från tryckregulatorn till tryckcellernas topp betyder luftflöden. Pilarna mellan cellerna och inom provcellen visar vattenflödet. En manual som är gjord som handledning till Concell- permeametern visas i bilaga 1.
Concellpermeametern ska klara de fyra kraven som avgör om permeabiliteten kan beräknas enligt Darcy's lag, eftersom den är konstruerad att följa ASTM standard [16]. Ett sätt att utvärdera om kraven uppfylls beskrivs i ASTM standarden.
5 Beräkningar
5.1 Vikt
Vikten av provkropparna ska användas i olika sammanhang, bland annat för skrymdensitetsberäkningen. Bestämningen sker enligt FAS metod 427-94. Enligt FAS [21]ska vikten mätas med en noggrannhet på 0,1 g vid de olika beräkningarna. ASTM standarden [16] för permeabilitetsförsöken kräver dock bara en noggrannhet på 1,0 g för provkroppar med större massa än 1000 g.
5.2 Höjd och diameter
Provkropparnas höjder och diametrar bestämdes enligt FAS metod 448-87 [21].
Mätförfarandet är att diametern mäts på 2 ställen på provkroppens ovansida och på 2 ställen på dess undersida. Höj den mäts på 4 ställen jämnt fördelade runt provkroppen.
Det beräknade medelvärdet av höjd respektive diameter används sedan. Figur 26 visar var diameter och tjocklek ska mätas på provkroppen.
10-20 10-20
1 10-20 A
E
I 10-20
Figur 26: Beskrivnig av var provkroppar mäts.
Mätningarna utfördes med ett skjutmått med klackar som gick att avläsa på 0,1 mm när.
5.3 Skrymdensitet
Skrymdensiteten har bestämts på alla prover enligt FAS metod 427-94 [21].
Skrymdensiteten bestäms genom att först väga provkroppen i luft varefter den ställs ned under vatten i 3 till 5 minuter. Därefter tas provkroppen upp ur vattenbadet och placeras omedelbart i ett annat vattenbad där det finns en väg som väger provkroppens vikt under vatten. När vikten under vatten är noterad tas provkroppen upp och torkas yttorr och vägs ytterligare en gång. Avläsning på vågen sker med en noggrannhet på 0,1 g. Skrymdensiteten beräknas sedan enligt följ ande.
Skrymdensitet = w ( g/ cm3 ) m7 - 1118
där
m4 = provets torrvikt i luft ( g ) m7 = det yttorra provets vikt i luft ( g) mg = det vattenlagrade provets vikt under vatten ( g) pW = vattnets densitet vid provningstemperatur ( g/ cm3 )
För dricksvatten vid provningstemperaturen 20-25 °C kan pw sättas till 0,998 g/ cm3 .
5.4 Kompaktdensitet
Kompaktdensiteten är förhållandet mellan provkroppens vikt och kompaktvolym. Kompaktdensiteten beräknades enligt FAS metod 425- 91 [21]. Metoden utförs enligt följande resumé.
Provkroppen sönderdelas och torkas i ett torkskåp tills dess att viktändringen är mindre än 0,1 % under ett torkningsintervall på minst 2 timmar. Därefter får provet svalna och det placeras sedan i en pyknometer som har kalibrerad vikt och volym. En pyknometer är en bägare som kan evakueras pä luft. Pyknometern fylls med destillerat vatten så att provet täcks. Vattnet har en temperatur på 27 0C. Därefter evakueras pyknometern pä luft genom att ansluta ett vakuum samtidigt som pyknometern skakas. Efter evakueringen fylls pyknometern med 25 gradigt vatten. Sedan vägs den fyllda pyknometern. Kompaktdensiteten beräknas sedan enligt nedan.
vikten m2 - m1 _ kompaktvolymen _ Vp _ m3 - m2
,ow
där
p = provets kompaktdensitet ( g/ cm3 ) m2 = vikt av pyknometer+ prov ( g ) m1 = vikt av pyknometer ( g ) Vp= pyknometerns volym ( cm3 ) m3= vikt av pyknometer+ prov+ vatten ( g) pw= vattnets densitet vid 25 °C =0,9971 ( g/ cm3 )
5.5 Hålrumshalt
Med provets hälrumshalt menas den mängd luft som finns i provkroppen. Innan hälrumshalten kan beräknas mäste skrymdensiteten och kompaktdensiteten vara känd. Hälrumshalten beräknas enligt FAS metod 448-87 [21].
VOLYM LUFI'
VOLYM BINDEMEDEL
VOLYM STEN
Figur 27.' Provets volym- bindvolym och stenvolym.
Hb= 100(Pb "Yb )/ Pb
där Hb= hålrumshalt i vol-% pb= provets kompaktdensitet i g/ cm37b: provets skrymdensitet i g/ cm3
VTI Notat 17- 1 9985.6 Gradient
Med gradienten eller den hydrauliska gradienten menas tryckförändring per längdenhet som uppstår när provkroppar av varierande höjd utsätts för olika tryck i topp och botten [26]. Gradienten kan sägas vara ett mått på hur mycket en provkropp belastas. När permeabiliteten mäts på provkroppar är det Önskvärt med mätningar vid olika värden på gradienten. Det finns ett tak för hur stora gradienter bör användas eftersom allt för stora gradienter kan leda till att bitumenbroarna mellan stenmaterialet bryts sönder och ett missvisande värde på permeabiliteten erhålls. Gradienten beräknas enligt följande [22]:
Apxg
h
Gradient = där
Ap = förtryck - baktryck (bar)
h = provkroppens höjd
( m)
g = tyngdaceelerationen
The American Society for Testing and Materials, ASTM, anger i sin standard [16] en rekommendation för användandet av gradienter vid mätning av permeabilitet med liknande mätutrustningar. Eftersom inga andra uppgifter om rekommenderade gradienter har påträffats användes ASTM standardens rekommendationer i undersökningen.
Permeabilitetskoefñeient Rekommenderad maximal
m/ 3 hydraulisk gradient
1x10'5 till 1x10'6
2
1x10'6 till 1x10'7
5
1x10'7 till leO'8
10
1x10'8 till 1x10'9
20
mindre än 1 x 10'9 30 VTI Notat 17- 1 9985.7 Permeabilitetsberäkning
Concell- permeametern använder sig av följande beräkning för permeabiliteten [22]. Formeln kan härledas ur Darcy's lag och energiekvationen, se bilaga 2.
k ___ L >< Ao >< Ah (1)
ApXAtX(f-b)Xg
där
k = permeabiliten vid rumstemperatur ( m/ s ) L = provkroppens höjd ( m ) Ac = mätcellens area ( för- och baktryckcellen) ( m2 ) Ah = Baktryckcellens vattenhöj dförändring mellan avläsningarna ( m ) Ap = provkroppens area (m2 ) At = tiden mellan avläsningarna ( s ) f, b = förtryck, baktryck ( bar) g = gravitationskonstanten (m/ s2 ) Formeln ovan är i stort sett identisk med ASTM standardens formel [16]som används vid permeabilitetsberäkningar där liknande mätmetoder använts. Formeln lyder:
Q><L
A >< t >< h (2) där
k = permeabiliteten vid rumstemperatur ( m/ s) Q: flödesmängden, medelvärdet av in och utflödet ( m3 ) L= provkroppens höjd ( rn) A= provkroppens area (m2 ) t = tidsintervallet då Q beräknas ( s ) h = Skillnad i hydrauliskt tryck genom provkroppen ( rn v p )
Det erhållna k-värdet är inte det värde på permeabiliteten som ska användas. Eftersom mätningarna ofta utförs i olika temperaturer och eftersom permeabiliteten visat sig bero av
temperaturen måste k- värdet korrigeras med korrektionsfaktorn RT till ett karakteristiskt
värde vid +20 °C enligt samband (3). Korrektionsfaktorn kan hämtas ur tabell för vattnets viskositet vid olika temperaturer eller beräknas ur en formel [16].
k20= k X RT där
k20= permeabiliteten vid +20 c)C ( m/ 3 )
k = Den beräknade permeabiliteten enligt samband (l).
RT = korrektionsfaktor för vattnets viskositet vid olika temperaturer RT = (-0,02452 x T + 1,495 ) där T är temperaturen i oC
6 Mätningar
6.1 Allmänt
Mätningarna som utfördes med Concell- permeametem tog ganska lång tid och det var svårt att i förhand bedöma om en provkropp skulle ta lång eller kort tid att mäta. Den första av de fyra veckor som mätningarna pågick användes för att försöka förstå hur permeametern fungerade, att skissa på en handledning för mätningarna, samt att försöka få ett stabilt värde på permeabiliteten. De första dagarna gav mätningarna inte ett jämnt värde på permeabiliteten. Det visade sig bero på att för stor gradient använts och därmed trycktes provkroppen sönder efterhand som mätningarna pågick. När sedan rätt rekommenderad gradient användes erhölls jämnare värden på permeabiliteten.
Det tog ungefär en halv dag i genomsnitt att genomföra mätningar på en provkropp och på grund av att mätningarna tog så lång tid kunde inte så många provkroppar som egentligen borde ha undersökts mätas. Förhoppningen var att kunna erhålla något resultat av de mätningar som hann att genomföras.
6.2 Provtyper
Det bör poängteras att de prover som valdes för undersökningen inte enbart valdes för att erhålla ett samband mellan permeabiliteten och hålrumshalten hos dessa massor, utan främst för att få erfarenhet på hur mätutrustningen fungerade. Mätresultaten som erhölls användes som ett stöd till att verifiera att mätutrustningen fungerade.
Provkropparna som testades var borrkärnor med diametern 150 mm. De kommer från ett projekt i Halland där NCC har lagt sina massor utifrån funktionskrav. Ett funktionskrav kan till exempel vara att slitlagret inte får slitas mer än ett visst antal mm per år. På grund av detta kan inte dessa massor beskrivas speciellt mycket eftersom massorna är framtagna av NCC och recepten ej är tillgängliga.
De massor som testades var beläggningstyper av massorna AG 22, Viacobind och Viacobase. Alla provkropparna kommer från ett projekt på E6 mellan Heberg och Fastarp i Halland. AG 22 är en blandning av stenmaterial med kontinuerlig kornstorlekskurva och låg andel finmaterial och har låg halt av bitumen [23]. AG massor kan användas till bärlager på alla typer av objekt och underlag och tål att läggas i tjocka lager. Viacobind är ett bindlager och har en annorlunda kornstorleksfördelning jämfört med AG 22. Bindlager används mellan slitlagret och bärlagret i en vägkonstruktion. Viacobasemassan kan närmast jämföras med AG 22 massan, men Viacobase har något större stenmaterialandel.
AG 22 massan fungerar som referensmassa i undersökningen eftersom AG 22 är allmänt känd.
6.3 Mätningarnas omfattning
Mätningar utfördes på samma provkropp i omgångar där olika gradienter användes. Mätningen på varje provkropp omfattar 5 omgångar och varje omgång omfattas av 6 till 8 avläsningar av vattenhöjder och tryck. Varje provkropp har därför provats minst 30 gånger och högst 40 gånger där permeabiliteten har kunnat beräknas. Någon enstaka provkropp har på grund avmisstag under mätningarnas gång givit ett missvisande värde på permeabiliteten och därför har permeabilitetsresultaten efter misstaget på den provkroppen strukits.
6.4 Kommentarer om mätresultat
Mätningarna noterades på EXCEL- protokoll som räknar ut permeabiliteten. På grund av att många mätningar genomfördes på samma provkropp blev det så många protokoll att bara protokollen från en provkropp av varje massatyp redovisas, se bilaga 3.
För att konstatera hur permeabiliteten varierar mellan mätomgångarna på samma provkropp vid upprepad mätning valdes uppställningen med ett diagram som visar hur permeabiliteten varierar mellan de olika mätomgångarna, se flg 28. Större avvikelser i diagrammet beror troligen på att ett fel gjorts under mätningen. Mindre avvikelser i diagrammet förekommer genomgående och det beror på att vattnet kan antas flöda olika vägar genom provet vid olika mätomgångar. Diagram från samtliga mätningar finns i bilaga 4.
EXEMPEL
1,00E-05
9,00E-06
8,00E-06
7,00E-06
6,00E-06 5,00E-06 4,00E-06 O 1 2 3 4 5 6 Test nr.Figur 28.' Exempel på hur resultaten varierade via' upprepad mätning.
Svaga avvikelser mot lägre- och högre permeabilitet förekommer i testresultaten. Att kurvan avviker mot lägre permeabilitet kan bero på att löst finmaterial samlas i flödesvägarna och täpper till dem ju fler mätomgångar som genomförs. Avvikelsen mot högre permeabilitet kan bero på motsatsen till det ovannämnda, det vill säga att flödesvägarna i provkroppen sköljs rena under mätningens gång. En annan orsak till avvikelse mot högre permeabilitet kan också vara att bitumenbindningarna mellan stenmaterialet i asfalten kan brytas sönder om mätningen sker nära eller över den rekommenderade maximala gradienten. VTI Notat 17- 1 998
Några av pr0vkr0pparna var för täta för att mäta någon permeabilitet på med den utrustningen som användes. Det var pr0vkr0pparna av typ Viaeobase som inte kunde mätas. Dessa provkroppar hade sannolikt kunnat mätas om en bubbelmätare hade använts.
För att räkna ut medelpermeabiliteten för en provkropp beräknas medeltalet av de 5 mätomgångarnas beräknade permeabilitet. En sammanställning av de pr0vkr0ppar som permeabiliteten har uppmätts på och de värden som har använts vid analysen av mätresultaten visas i flgur 29. Komplett sammanställning av pr0vkr0pparna visas i bilaga 5.
Viacobase
2,404 '
2,440
1,5
tät
Viacobase
2,411
2,420
0,4
tät
AG 22
2317
2,470
6,2
6,99E-06
AG 22
2,344
2,456
4,6
4,83E-O7
AG 22
2,320
2,484
6,6
7,32E-06
AG 22
2,343
2,465
4,9
3,68E-O7
AG 22
2,336
2,464
5,1
1,97E-06
AG 22
2,333
2,465
5,4
8,64E-O7
AG 22
2,377
2,465
3,6
1,23E-O7
AG 22
2,364
2,416
1,3
2,77E-O8
Viacobind
2,347
2,430
3,4
1,01 E-05
Viacobind
2,341
2,436
3,9
1,14E-05
Viaoobind
2,313
2,437
5,1
1,15E-O5
Viacobind
2,296
2,443
5,9
1,27E-O5
Viaoobind
2,377
2,416
1,6
2,19E-06
Figur 29.' Sammanställning av pr0vkr0ppsinf0rmati0n.
Figur 29 visar att AG 22 är tätare än Viaoobind trots att AG 22 i stort har en högre
hålrumshalt än Viaoobind. Det borde vara tvärt om. Det måste finnas fler faktorer än
hålrumshalten som har betydelse för permeabiliteten.
6.5 Kommentarer om mätutrusningen
Det är lätt att lära sig att använda Conoell- permeametern. Från början kan tyckas att det är väldigt många kranar att hålla reda på men när mätningarna kommer igång upptäcks att många av kranarna på utrustningen inte behöver användas vid mätningarna.
Permeametern har några små fel som säkert inte är svåråtgärdade. Det ena är att graderingen på avläsningsstickan på för-, och baktryckeellen är bristfällig. Det är på vissa ställen svårt att göra säkra avläsningar eftersom 5 mm graderingen inte stämmer överens med 1 mm graderingen. Det andra felet är att det ibland är svårt att ställa in små tryckskillnader mellan för-, och baktrycket på tryckregulatorn eftersom visaren på barometern verkar vara lite trög. En komplettering som skulle behöva göras om tätare massor ska kunna mätas är att skaffa en bubbelmätare till utrustningen. Då skulle de tätare proverna kunna mätas snabbare och proverna behöver inte utsättas för höga tryck för att få ett mätbart vattenflöde. Ytterligare en komplettering kan vara att skaffa en storlek större för-, och baktryckceller så att baktryekcellen inte behöver tömmas lika ofta.
7 Resultatanalys
7.1 Allmänt
Eftersom permeabilitet inte finns som en känd egenskap hos asfalt och någon gräns för var en massa blir genomsläpplig eller tät, visar inte resultaten om permeabiliteten för dessa massor är bra eller dålig och hur massorna fungerar i praktiken. För att detta ska kunna bedömas behövs ytterligare forskning inom området.
De resultat som har erhållits vid mätningarna med Concell- permeametern är inte tillräckliga för att kunna dra några säkra slutsatser om permeabiliteten i asfalt. Mätningarna genomfördes i första hand för att få erfarenhet av mätutrustningen. För att säkra slutsatser om permeabilitet ska kunna dras måste fler prover testas så att säkerheten i diagrammen ökar. Mätresultaten är inte helt oanvändbara utan kan användas för att kunna se en tendens hur asfaltens permeabilitet förhåller sig till t. ex. hålrumshalten hos de mätta massorna.
Mätresultaten kan också användas till att kontrollera om permeametern ger liknande förhållanden mellan hålrumshalten och permeabiliteten som de andra permeametrar som har använts. De resultat som har förekommit vid andra permeabilitetsmätningar kan närmast jämföras med AG 22- massan eftersom den är en vanligt förekommande massa. Resultaten för Viacobindmassan måste jämföras mot andra undersökningar med försiktighet eftersom receptet ej är tillgängligt och den kan innehålla ämnen som påverkar permeabiliteten. Viacobasemassan gick inte att mäta.
7.2 Asfalttyperna
7.2.1 AG 22
För AG 22- massan kan förhållandet mellan hålrumshalten ställas upp enligt figur 30. Diagrammet visar att permeabiliteten ökar när hålrumshalten ökar. Detta förhållande kan anses vara logiskt eftersom ökat hålrum leder till att vatten lättare kan flöda genom provkroppen. Kurvans utseende kan vara lite osäkert eftersom få provkroppar har testats.
AG 22 K I hålrum hål rum (% ) 1 0
0,005+00 1,00E-06 2,00E-06 3,00E-06 4,00E-06 5,00E-06 6,00E-06 7,00E-06 8,00E-06 k20 (ml 3)
Figur 30.' Hålrum/permeabilitetför AG 22
Trots att massatyperna är olika så visas ett liknande förhållande mellan permeabilitet och hålrumshalt i en Kanadensisk rapport [24] där en undersökning om permeabilitetsmätning på asfalt utfördes. Förhållandena kan ses i diagrammen i flgur 31 och 32. I diagrammet till höger för AG 22- massan har x-, och y- axlarna kastats om för att kunna jämföras. Observera också att enheten på permeabiliteten är annorlunda. Formen på kurvan i diagrammet för AG 22 är mycket lik den som redovisas i den Kanadensiska rapporten.
WE
' ?r i
, l' 8,00E-06 '. i-igá 7,00E-06 ?i 4:; i _ - _ij ; - 6,00E-06 , _. ' ; * r 5,00E-06 5-6.. få" V L ' V ?[7m
* :
'
å 4,00E-06
m:- '7 i v ' O .i j . 3,00E-06 äga-su : i . än _ s i . , ' 2,00E-06 1 ,OOE-06 0,00E+OO O 2 4 6 8 hålrum (%) :ai-'§33 *5951 i U, :ML 5,5' ?(1 i; . g 7 .KH'L'UkEiJilESt .-i. %_ VFigur 31.' Förhållandet mellanhålrum Figur 32.' AG 22- hålrum/permeabilitet
och permeabilitet.Om diagrammet omarbetas lite så att permeabiliteten sätts på x- axeln med log- skala och hålrumshalten görs om till lOO-hålrumshalten fås ett diagram som visas i flgur 33. Uttrycket ZOO-hålrumshalterz är detsamma soml'relative density som ibland används istället för
hålrumshalten utomlands.
AG 22 Kl 100-hålrum 1,00E-O4 1,00E-05 1 ,OOE-OG k2 0 (m l 3) lo g-sk ala 1,00E-O8 93 94 95 96 97 98 99 100-hålrum (%)
Figur 33.' Diagram k/ (1 OO-hålrumshalt) för AG 22
Detta utseende på diagrammet kan jämföras med ett diagram från en undersökning som Kari och Santucci [6] utförde 1963 där tvåolika asfaltbelåggningar testades, se figur 34. I detta diagram motsvaras permeabiliteten av luftflödeshastigheten. I båda diagrammen syns att permeabiliteten minskar när IDO-hålrumshalten (relative density) ökar.
... > ' sig I' ' .43 i. .. "4-, .F':\.' ._ 3-' na. .4. le. A ' e. ?3. i , . _11 'åh-,E gift-5% ' 'I ' I . . 4,9_ . _115. < _: §25 :g is sa " 't uf fa §4 ü! . .t . "2-" . - i 1 = . :
F 3.' Förhållandet luftflödeshásüghet/ (100- hålrumshalt)
Diagrammen Visar ett så tydligt samband att ett förhållande mellan permeabiliteten och hålrumshalten kan anses förekomma. Likheterna i diagrammen kan också tolkas som ett stöd för att permeabilitetsmätningar går att utföra med Concell- permeametern.
7.2.2 Viacobind
Viacobindmassan, vars recept ej är tillgängligt, gav ett något annorlunda samband mellan permeabiliteten och hälrumshalten, se figur 35. Den används här därför inte till att jämföras med andra resultat från tidigare undersökningar. Observera också att antalet mätningar gör att kurvans form är ganska osäker. Den regressiön som använts antas vara samma sem för AG 22. Det skulle behövas ett antal ytterligare mätningar i hälrumsintervallet 2-3 % för att kurvans form ska kunna fastställas. Även här ökar permeabiliteten med ökad hålrumshalt i
provet. Bind kl hålrum hål rum (% ) 00 0
0,005+00 2,00E-06 4,00E-06 6,00E-06 8,00E-06 1,00E-05 1,20E-O5 1,40E-05 k20 (ml 5)
Figur 35.' Hälrum/permeabilitetför Viacobind.
