Samband mellan fält- och laboratoriemoduler

Nr 235 +- 1995

Samband mellan fält- och laboratoriemoduler

Safwat F. Said och Håkan Carlsson

Föredrag vid NVF-seminarium i Finland, 6-7 april 1994. Ad hoc-grupp för utmattning.

Väg- och transport-forskningsinstitutet

Nr 235 + 1995

Samband mellan fält- och laboratoriemoduler

Safwat F. Said och Håkan Carlsson

Föredrag vid NVF-seminarium i Finland, 6-7 april 1994. Ad hoc-grupp för utmattning. div Väg- och transport-forskningsinstitutet (d

Åforskningsinstitutet 1994-04-05 Sid 1 (12) Safwat F. Said

Håkan Carlsson/'GS

Samband mellan fält- och laboratoriemoduler

Inledning

Styvhetsmoduler eller E-moduler hos vägkroppens lager är viktiga parametrar vid dimen-sionering och tillståndsbedömning hos vägar. Nackdelen är att det finns flera metoder för bestämning av moduler och variationen mellan metoderna vid modulbestämning är ganska stor. Särskilt korrelationen mellan fält- och laboratoriemetoder är låg (Houston m m 1992).

Detta arbete är begränsat till jämförelse mellan E-moduler beräknade från fallviktsmät-ningar med datorprogrammet ITERCHEVRON och laboratorieundersökfallviktsmät-ningar med press-dragprovet. Två vägavsnitt, vardera 20 meter långa, har valts för undersökningen, varför variationen i lagertjocklekar och sammansättningar hos massabeläggningar inom ett och samma avsnitt är minimala. För att minska effekten av obundna lager på modulmätningar hos bundna lager valdes vägavsnitt med relativt tjocka bitumenbundna lager. Faktorer såsom belastningspuls och -tid samt temperaturvariationen i beläggningen har beaktats i undersökningen.

Fältmätningar

Mätplatser

Fältundersökningar har utförts på Rv 34 söder om Linköping, vägrenen på "flygrakan" och Rv 32 norr om Mjölby. Vägavsnitt med relativt tjocka bitumenbundna lager ingår i under-sökningen. Figur 1 visar de verkliga tjocklekarna hos asfaltlager och nominella tjocklekar på de obundna lagren. Beläggningarna vid Rv 34 och Rv 32 är utlagda 1983 respektive 1993. Det är 10 års skillnad i ålder mellan dem. Vägavsnitten är endast 20 meter långa. Skälet är att minimera effekten av variationerna i beläggningslagren på mätresultaten och därmed begränsa undersökningens omfattning som första etapp i det här arbetet. Vägav-snitten har delats in i 11 sektioner (10 respektive 11 mätpunkter).

: S B 5 2 m e 7 3 F u Q m 8 & E u S e

9999999999

äl,

M 1) 26 mm slitlager

[T 2) 47 mm AG 28

Åforskningsinstitutet 1994-04-05 Sid 3 (12) Safwat F. Said

Håkan

Mätutförande

Fältmätningarna utfördes med VTlIs S5-tons fallviktsutrustning kallad FWD 81. Belastningen var ca 50 kN och diametern på belastningsplattan var 300 mm. Deflektionerna på vägytan registrerades med 6 accelerometrar placerade på olika avstånd från belastningscentrum (Då) och upp till 1200 mm från belastningscentrum. FWD-mätning utfördes på Rv 34 i 10 mätpunkter och på Rv 32 i 11 mätpunkter, inom ett 20 m långt avsnitt på respektive väg. Vid 12 tillfällen under tiden 28 april kl 8.20 till 15 maj kl 15.15 1992 utfördes fältmätriingar på Rv 34 och under tiden 20 april kl 7.50 till kl 17.05

1993 utfördes 10 mätningar på Rv 32.

Registrering av beläggningstemperaturen vid fältmätningarna på Rv 34 gjordes i tre nivåer (2, 7 och 12 cm från ytan) och på Rv 32 i två nivåer (4 och 7 cm från ytan). Temperatur-registreringen genomfördes automatiskt var 15:de minut under hela fältmätningsperioden på respektive mätställe. Medeltemperaturen i beläggningen under mätperioden varierade på Rv 34 mellan 6,5 och 31,0%C. Motsvarande temperaturintervall för Rv 32 var 2,3-17,80C.

Analys av mätresultat

Resultaten från FWD-mätningarna samt uppgifterna om verklig beläggningstjocklek i varje mätpunkt och mättillfälle användes för att beräkna beläggningens E-modul med datorprogrammet ITERCHEVRON. Centrumdeflektionen (Dp) och deflektionen 300 mm från belastningscentrum (D399) användes för E-modulberäkningarna i ITERCHEVRON i en uppbyggnad med två lager (beläggningen och övriga lager). För Rv 34 beräknades också E-moduler utifråg, Dp och Dy4;9. Medelvärdet av beläggningens E-modul som funktion av beläggningstemperaturen för respektive mättillfälle redovisas i figur 2 och 3. En viss naturlig spridning i E-modulen inom mätplatsen förekommer, trots en kort mätsträcka.

Väg- och transport-Åforskningsinstitutet 1994-04-05 Safwat F. Said Hakan Carlsson/U$ 20000 18000 16000 14000 E-modu l (M Pa ) co ä n Q S 8 8 6000 Figur 2 20000 18000 16000 14000 E-mo du l(M Pa ) o 00 © © & 8 $ 3 3 4000 2000 Figur 3 s i s s d Le e i ad T T T T T T 1 L ]4 44 Sid 4 (12) | l JL H ] | ] T ] T T T T t T T T T f T T T f T T ig T T T T T T T ] 0 5 10 15 20 25 30 35 Beläggningstemperatur (C)

Rv 34, E-modul som funktion av beläggningstemperatur.

- T T % T T u T % T T T T % T T T T % T T T T % T T T % T T T %

0 5 10 15 20 25 30 35

Beläggningstemperatur (C)

,forskningsinstitutet

1994-04-05

Sid 5 (12)

Safwat F. Said

Hakan Carlsson/'Cs$

En skillnad i utseendet pa sambanden mellan beliaggningstemperatur och E-modul fran

mitningarna pa Rv 34 och Rv 32 kan utlasas. Se figur 2 och 3. Enkelt uttryckt kan sigas att

E-modulen pa beliggningen @r mindre temperaturkinslig pa Rv 34 an pa Rv 32. En orsak

till skillnaden i utseende pa sambanden kan vara belaggningarnas stora skillnad i alder.

E-modulerna pi Rv 32har en relativt stor spridning mellan mätpunkterna vid samma

mät-tillfälle, främst vid de låga beläggningstemperaturerna.

Modulbestämning

Två borrkärnor med 100 mm i diameter har tagits upp i fem mätsektioner per mätplats,

sammanlagt 20 st. Kontroll av lagertjocklekar och laboratorieundersökningar har utförts på

borrkärnorna. De på borrkärnorna uppmätta lagertjocklekarna redovisas, för respektive

sektion, i tabell 1.

Tabell 1

Tjocklek hos bitumenbundna lager.

Rv 34

Prov nr

0

4

8

14

18

Mdv

Std

V.koeff.

Slitlager (mm)

24

24

26

25

32

26

3

13

AG, överst (mm)

46

52

48

50

41

47

4

9

AG, under (mm)

44

40

43

54

45

45

5

12

Rv 32

*

Prov nr

2

6

10

14

18

Mdv

Std

V.koeff.

AG, överst (mm)

34

34

32

36

35

34

2

5

AG, under (mm)

56

62

68

61

66

63

5

8

Väg- och transport-Åforskningsinstitutet 1994-04-05 Sid 6 (12) Safwat F. Said Hakan Carlsson/'C> Kraf t

Modulbestimningar i laboratoriet har utforts enligt FAS 454. "Bestimning av styvhets-modul hos asfaltbetong genom pulserande pressdragprovning". Forkortas hir till PDP. Figur 4 illustrerar belastningspulsernas form fran FWD och PDP. Belastningspulsens lingd hos FWD ir i detta arbete 0,05 sek, medan hos PDP enligt FAS 454 ir belastningspulsen 0,1 sek. I den hir undersokningen har moduler i laboratoriet bestimts aven vid 0,05 sek 1 stillet for 0,1 sek belastningstid for belastningspulsen. Laboratorieundersokningar har ut-forts vid temperaturer motsvarande fialttemperaturerna vid fallviktsmitningarna.

2 PDP FWD Tid, sek Figur 4 Belastningspuls 're

Samband mellan falt- och laboratoriemoduler

Rv 34

Modulmiitningar hos beliaggningslagren fran 5 st borrkirnor har bestimts vid 6°, 10°, 22°

och 30°C. Samband mellan moduler och temperatur visas 1 figur 5 for beliaggningslagren.

Testtemperatur har bestimts m a p beliaggningstemperatur vid faltmitningar. Det Oversta

G Väg- och transport-forskningsinstitutet 1994-04-05 Sid 7 (12) Safwat F. Said Håkan Carlsson/C$ M r ( M Pa )

översta AG-lagret ofta har lägre hålrum, fastän det ofta har högre bindemedelshalt (nomi-nellt 0,3 % högre). 16000 -T & hg % -

O\\

Rv34

12000 -

B

_\_*

Belastningstid = 0.1 sek

m

&?

-

NN

AG undre lagret

2000 -

WN

~

/"

AG översta lagret

-

/-

Slitlager

3

" o _

4000 -

ser

Figur 5 E-modul som funktion av temperatur.

Jämförelsen mellan fält- och laboratoriemätningar har gjorts m a p temperaturen i belägg-ningslagren samt belastningspulsens tid. Moduler från laboratoriemätningar har bestämts från figur 5 vid respektive lagertemperatur vid FWD-mätningstillfället. Därefter har korre-lationer mellan fält- och laboratoriemätningar ritats in i figur 6 och 7. Bakåträkningar av moduler från fältmätningar har gjorts utifrån centrumdeflektion och deflektioner vid 300 mm respektive 450 mm. Laboratoriemätningar har utförts vid 0,05 sek och 0,1 sek be-lastningstid.Man kan säga att det är endast systematiska skillnader vid ändring av belast-ningstiden. Goda samband har erhållits vid samtliga jämförelser, med RZ större än 0,92. Figur 8 visar sambanden mellan laboratoriemoduler beräknade vid en medeltemperatur för hela beläggningen och moduler bestämda från fältmätning. Vid jämförelse mellan figur 7

och 8 konstateras att

hänsyn till temperatur i respektive lager vid laboratoriemätningar ger

liten skillnad i förhållande till en medeltemperatur för hela beläggningen. Största

skillnaden i temperaturen mellan lagren harvarit ca 12*C vid mättillfällena.

Väg- och transport-/Aforskningsinstitutet 1994-04-05 Sid 8 (12) Safwat F. Said Håkan Carlsson/U$ 10000 » 207 0 0 Q "" . _{d0-d45 - La *} © 2009 Y= 0.38 * X + 3889 __* "-" > R2 = 0.92 - # 30-050 Sör 7 _ 4 Y = 0.365 * X + 3416 Q _{& * S R2 = 0.95} 2 6000 sg s 2. o l T ~~% 5 7 - 7 pe,

å

4000

E/f

Belastningstid =- 0,05 sek

2000

0

4000

8000

12000

16000

Modul, PDP (MPa)

Figur 6

Samband mellan fält och laboratoriemoduler, Rv 34. Laboratoriemoduler

bestämda vid respektive lagertemperatur (2 AG + slitlager). Belastningstid

0,05 sek.

10000

2

d0-d45

29 7 0

Y=0.403X+4029!

9

29 7

©

8000

R2-=0.92

sn -

*

Q.

QO- l

d0-d30

2

-

.o. - (@

Y=0.396*X+3463

Q

, - 0

R2=0.95

=

6000

l

al

LL.

0

5 ~ %

2

st

=

4000

e

7

Belastningstid = 0.1 sek

2000

|

T

0

4000

8000

12000

16000

Modul, PDP (MPa)

Figur 7

Samband mellan fält och laboratoriemoduler, Rv 34. Laboratoriemoduler

bestämda vid respektive lagertemperatur (2 AG + slitlager). Belastningstid

0,1 sek.

Åforskningsinstitutet 1994-04-05 Sid 9 (12) Safwat F. Said Hakan Carlsson'C> 10000 do-d45

' oo *~

_|

Y=0.408X+4045

_o

oq - 7

2

>

_|

R2=0.92

, . " z*

C

8000

e_ "

#

Q

_Q

f/

i

oLs

d0-d30

5

-

6/

Y=0.392%X+3564

2

R2=0.95

=

4000

&

2

Belastningstid = 0.1sek

2000

Figur 8 Samband mellan fält och laboratoriemoduler, Rv 34. Laboratoriemoduler bestämda vid medeltemperatur i beläggningen (2 AG + slitlager). Belast-ningstid 0,1 sek.

Vid jämförelse mellan laboratorie- och fältmoduler konstateras att vid låga moduler (höga temperaturer) är fallviktsmoduler högre än laboratoriemoduler och vid höga moduler (låga temperaturer) är relationen vise versa.

Rv 32

Modulmätningar hos beläggningslagren från 5 st borrkärnor har bestämts vid 3, 10 och 20*C. Samband rgellan modul och temperatur visas i figur 9.

Samband mellan moduler från fält- och laboratoriemätningar visas i figur 10 med RZ = 0,98. Fältmoduler har beräknats utifrån Dp-D399. Laboratoriemätningar är utförda vid respektive lagertemperatur vid fallviktsmätningstillfällena. Laboratoriemätningar har ut-förts vid 0,1 sek och 0.05 sek belastningstid.

Väg- och transport-Åforskningsinstitutet 1994-04-05 Sid 10 (12) Safwat F. Said Håkan Carlsson/'C$ 16000 -- Rv32 E Belastningstid = 0. 1sek 12000 -e. - versta lagret f m

%-

3000 A

undre lagret

>

S

4000 -

>\\

0 ---

-t

-t-

o

-T

-T

--

T-T

--T

-I

0

10

20

30

40

Temperatur.(c)

Figur 9

E-modul som funktion av temperatur.

20000

-

Y=1.825*X¥1711

p ,~ 0,

~

R2=0.98

et

°

/

gl 16000

Beltid = 0.1 sek. ,

-& 12000

« "_

/Y=1..608*X+703

=>

or

LL

+ *

R2=0.98

_-

(|

_be "

Bel.tid = 0.05 sek.

3

₈₀₀₀

0 -*

₃

*

$

oad

->

-

@, t

h

4000

Figur 10 Samband mellan falt och laboratoriemoduler, Rv 32. Laboratoriemoduler

Åforskningsinstitutet 1994-04-05. Sid 11 (12) Safwat F. Said

Hakan Carlsson/'U$

Resultaten visar att faltmoduler ir storre an laboratoriemoduler med ca faktor 2. Minskning av belastningstiden fran 0.1 sek till 0.05 sek minskar skillnaden mellan falt- och labora-toriemoduler fran faktor 2 till 1.5. I det har arbetet har "instantaneous" modulen inte berik-nats, vilket skulle leda till mindre skillnad med beriiknade moduler fran fallviktsmitningar. Vid "instantanenous" modulen mits deformationen vid slutet av avlastningen (innan vilo-tiden, se figur 4) i stillet for pa slutet av vilotiden mellan pulserna, vilken ger nagot hogre modul, eftersom den resilienta deformationen blir mindre.

Aven vid det hir vigavsnittet har modulmiitningar i laboratorium vid en medeltemperatur for hela beliggningen givit en liten skillnad i forhallande till moduler dir hansyn till tempe-ratur i respektive lager har tagits vid modulbestimningar i laboratoriet. Detta beror pa att skillnaden i temperaturen mellan lagren var liten, ca 1°C. Se skillnaden i figur 10 och 11.

20000 i P - "~ O -z 16000 v = 1.83 * X + 1688 - " _. & -+ -R2=0.97 o ~

& 12000 Bel.tid = 0.1 sek. _-e

å

2

LL

2

6 447

_

8000

»"

2

g 7

>

₄₀₀₀

=

r

0

an

T

0

4000

8000

12000

Modul, PDP (MPa)

Figur 11

Samband mellan fält och laboratoriemoduler, Rv 32. Laboratoriemoduler

bestämda vid medeltemperatur i beläggningen (2 AG). Belastningstid

0,1 sek.

Väg- och

transport-&forskningsinstitutet 1994-04-05 Sid 12 (12) Safwat F. Said

Håkan

Slutsatser och diskussion

Goda samband har erhållits mellan E-moduler beräknade från fält- och laboratoriemät-ningar (RZ > 0.95) vid undersökning av varje vägavsnitt för sig. Något generellt samband mellan fält- och laboratoriemoduler för AG-lagren kunde inte tas fram i detta arbete, efter-som beläggningen på Rv 34 är styvare än beläggningen på Rv 32 enligt laboratorieunder-sökningar emedan det är tvärtom enligt fältmätningar. Laboratoriemoduler tros vara realis-tiska eftersom beläggningen på Rv 34 är 10 år äldre än beläggningen på Rv 32.

Moduler beräknade från fältmätningar påverkas av bl a beläggningens tjocklek och styvhet hos underliggande lager. Egentligen är styvhetsmodulen en fysikalisk egenskap hos mate-rialet, vilket innebär att den inte bör påverkas av konstruktionen. Rv 32 saknar slitlager i jämförelse med Rv 34. Bitumenbundna lager på Rv 32 är totalt 22 mm tunnare. För närvar-ande är ett slitlager utlagt på Rv 32, varför en ny mätning och modulbestämning med ett slitlager är möjligt att utföra som jämförelse med tidigare arbete.

Referens

Houston, W.N., Mamlouck, M.S. and

Perevr'a, R.W.: "Laboratory versus Non-destructive