Förstärkning av vägkonstruktion med stålnätsarmering : 12 års uppföljning av väg E6 Ljungskile

www.vti.se/publikationer

Safwat F. Said Håkan Carlsson

Hassan Hakim

Förstärkning av vägkonstruktion med

stålnätsarmering

12 års uppföljning av väg E6 Ljungskile

Utgivare: Publikation: VTI rapport 820

Utgivningsår: Projektnummer: Dnr:

2014 200519 2012/0430-29

581 95 Linköping Projektnamn:

Armerad asfalt, Ljungskile

Författare: Uppdragsgivare:

Safwat F. Said, Håkan Carlsson and Hassan Hakim Trafikverket

Titel:

Förstärkning av vägkonstruktion med stålnätsarmering, 12 års uppföljning av väg E6 Ljungskile

Referat

En sträcka på 800 meter av motorvägen E6 söder om Ljungskile, öppnad för trafik 1991, uppvisade skador i form av längsgående sprickor i hjulspåren redan efter ca 5 års trafikering. Under år 2000 hade vägen omfattande längs- och tvärgående sprickbildning samt visade en omfattande spårbildning med ojämnheter. Sträckan förstärktes genom fräsning och påbyggnad. Inom vägavsnittet anlades tre provsträckor för undersökning av stålnätsarmeringens betydelse för upphöjning och förbättring av

bärigheten och motståndet mot sprickor och spår. Teststräckorna instrumenterades med töjningsgivare på den frästa ytan.

Syftet är att studera stålnätets förmåga att ge ökad bärighet i vägkroppen och motverka sprickor och spårbildning i beläggningsytan. Denna rapport redovisar resultat från uppföljning efter 12 års trafik. Efter att vägen har trafikerats i 12 år visar referenssträckan omfattande längsgående sprickor i hjulspår. Det förekommer inga tydliga bärighetsrelaterade sprickbildningar på de armerade sträckorna, utom en enstaka fin, längsgående spricka i en av de armerade sträckorna (sträcka 2) och ett par tvärgående, finare sprickor som kan härröra från skarvarna i stålarmeringen i sträcka 3. Det konstateras att armeringen har haft en signifikant effekt (10–15 %) på höjning av bärighet och begränsning av spårutveckling.

Omfattande stensläpp på slitlagret har förekommit på alla tre sträckor.

Nyckelord: förstärkning, vägkonstruktion, stålnät, armering, modellering, töjningsgivare

ISSN: Språk: Antal sidor:

Publisher: Publication: VTI rapport 820

Published: Projectcode: Dnr:

2014 200519 2012/0430-29

SE-581 95 Linköping Sweden Project:

Reinforced flexible pavement, Ljungskile

Author: Sponsor:

Safwat F. Said, Håkan Carlsson and Hassan Hakim Swedish Transport Administration

Title:

Rehabilitation of road structure with steel fabrics, 12-years follow-up of Road E6, Ljungskile

Abstract

A motorway road section of 800 metre long of the road E6 south of Ljungskile in the Southwest of Sweden was seriously damaged due to low bearing capacity. Longitudinal and transversal cracks were frequently observed after about five year’s traffic. The road section was rehabilitated by milling away 80 millimetre and paving with new bituminous layers. Three full-scale, 100-metre test sections were built. Two test sections were reinforced with steel fabrics and one section without reinforcement as a reference section. These sections are instrumented with strain gauges. The section’s performance have been tested by deflection, strain and rut measurements and manual distress surveys. Degradation behavior of the test sections were numerically analyzed.

This report presents pavement performance of the test sections after 12 years in-service. The reference section has shown extensive longitudinal cracks in the wheel paths. However, almost no cracks in the reinforced sections. It is concluded that the reinforcement had a significant influence (10–15%) in increasing the resistance of the test sections against fatigue cracking and in limitation of the rutting in pavement surface related to repeated-loading of the heavy vehicles.

Keywords: rehabilitation, Pavement, steel fabric, reinforcement, modeling, strain gauge

ISSN: Language: No of pages:

Förord

Föreliggande rapport redovisar, på uppdrag av Trafikverket, en utvärdering av stålarmerade konstruktioner vid förstärkning av vägar. Provvägen som omfattar tre instrumenterade provsträckor har följts upp i 12 år. Provvägens underhållsåtgärd med stålarmering ingick i EU-projektet Reflex (Reinforcement of Flexible Road Structures with Steel Fabrics to Prolong Service Life) och senare i EU-projektet Spens

(Sustainable Pavements for European New Member States) för uppföljning och

utvärdering av stålarmeringens effekt på nedbrytning av flexibla konstruktioner. Denna rapport är den slutliga utvärderingen av provvägen innan åtgärd 2013. Projektansvarig på Trafikverket har varit Carl-Gösta Enocksson.

Linköping, april 2014

Safwat Said Projektledare

Process för kvalitetsgranskning

Granskningsseminarium genomfört 1 oktober 2014 där Håkan Jansson, Trafikverket var lektör. Förste författaren, Safwat Said har genomfört justeringar av slutligt

rapportmanus. Projektledarens närmaste chef, Björn Kalman har därefter granskat och godkänt publikationen för publicering 22 oktober 2014. De slutsatser och

rekommendationer som uttrycks är författarnas egna och speglar inte nödvändigtvis myndigheten VTI:s uppfattning.

Process for quality review

Review seminar was carried out on 1 October 2014 where Håkan Jansson, Swedish Transport Administration reviewed and commented on the report. First author, Safwat Said has made alterations to the final manuscript of the report. The research director of the project manager Björn Kalman examined and approved the report for publication on 22 October 2014. The conclusions and recommendations expressed are the authors and do not necessarily reflect VTI’s opinion as an authority.

Innehållsförteckning Sammanfattning ... 5 Summary ... 7 1 Inledning ... 9 1.1 Bakgrund ... 9 1.2 Syfte ... 9

2 Förundersökningar och förstärkningsåtgärd ... 10

2.1 Tidigare utförda undersökningar ... 10

2.2 Fallviktsmätning och val av sträckornas placering ... 10

2.3 Förstärkningens utformning ... 11

2.4 Instrumentering ... 12

3 Provtagning ... 14

3.1 Lagertjocklekar och placering av stålnät och töjningsgivare ... 14

3.2 Analys av beläggningslager ... 16

4 Tillståndsuppföljning ... 17

4.1 Fallviktsmätningar ... 17

4.2 Töjningsmätning i väg ... 25

4.3 Modellering ... 29

4.4 Tvärprofilmätningar med Primal ... 36

5 Okulär tillståndsbedömning ... 41

6 Slutsatser ... 44

Referenser ... 46

Bilaga 1: Redovisning av fallviktsmätning på E6 vid Ljungskile, 1996 Bilaga 2: Skadeutredning E6 syd om Ljungskile, 1996

Bilaga 3: E6 Ljungskile, delen Bratteforsån – Lyckorna trafikplats, bärighetsdimensionering, diskussion, 1999

Bilaga 4: Töjningsgivarnas positioner Bilaga 5: Uppmätta lagertjocklekar

Bilaga 6: Styvhetsmodul och hålrumshalt från borrkärnor

Bilaga 7: Beräknade resultat från fallviktsmätningarna samt enskilda mätdata 2001, 2005 och 2012

Bilaga 8: Uppmätta och justerade töjningar

Bilaga 9: Tvärprofiler mätta med Primal 2000 och 2012 Bilaga 10: Inspektionsprotokoll från 2012 innan åtgärd

Förstärkning av vägkonstruktion med stålnätsarmering 12 års uppföljning av väg E6 Ljungskile

av Safwat F. Said, Håkan Carlsson och Hassan Hakim VTI, Statens väg- och transportforskningsinstitut 581 95 Linköping

Sammanfattning

En sträcka på 800 meter av motorvägen E6 söder om Ljungskile (Bratteforsån-Lyckorna), öppnad för trafik 1991, uppvisade skador i form av längsgående sprickor i hjulspåren redan efter cirka 5 års trafikering. En skadeutredning utfördes under 1996 och vägsträckan

underhölls genom en försegling av vägytan på de skadade avsnitten. Det var dock klarlagt redan då att det fanns ett förstärkningsbehov. Under år 2000 hade vägen omfattande längs- och tvärgående sprickbildning samt visade en omfattande spårbildning med ojämnheter. Under år 2000 förstärktes sträckan genom fräsning och påbyggnad. Inom vägavsnittet anlades tre provsträckor för undersökning av stålnätsarmeringens betydelse för upphöjning och förbättring av bärigheten och motståndet mot sprickor och spår. I samband med åtgärd instrumenterades provsträckorna med asfalttöjningsgivare placerade på den frästa asfaltytan i hjulspår för mätning av horisontella dragtöjningar. Ståltöjningsgivarna monterades på

stålnäten längs och tvärs färdriktningen. Denna rapport beskriver dessa sträckor samt

redovisar resultat från uppföljning efter 12 års trafik. Syftet med projektet i Ljungskile är att studera stålnätets förmåga att ge ökad bärighet i vägkroppen och motverka sprickor och spårbildning i beläggningsytan.

Uppföljning med fallviktsmätningar visar vissa skillnader mellan provsträckorna. Resultaten från töjningsgivarna i asfaltbeläggningen ger däremot stora skillnader i töjningsnivå mellan provsträckorna. De största töjningarna uppmättes på referenssträckan. De armerade sträckorna uppvisade betydligt lägre töjningar än referenssträckan. Efter att vägen har trafikerats i 12 år visar referenssträckan omfattande längsgående sprickor i hjulspår. Det förekommer inga tydliga bärighetsrelaterade sprickbildningar på de armerade sträckorna, utom en enstaka fin längsgående spricka i en av de armerade sträckorna (sträcka 2) och ett par tvärgående finare sprickor som kan härröra från skarvarna i stålarmeringen i sträcka 3.

Tvärprofilerna på vägytan visar att spåren huvudsakligen har orsakats av strukturell

nedbrytning av den tunga trafiken. De armerade konstruktionerna visar i genomsnitt 15–25 % lägre spårtillväxt per år.

Responsmätningarna visar tydligt att töjningar ökar i takt med att vägens nedbrytning fortskrider. Endast referenssträckan visar ett toppvärde på töjningsnivån redan efter 3–4 år. Det tyder på sprickutveckling i underkant beläggning. Töjningsutveckling i armerade sträckor har ökat hela tiden (ingen topp) som kan tyda på att sprickor inte har initierats än i någon större omfattning.

PMS Objekt för dimensionering och analys av vägkonstruktion med Reflex procedur för modellering av en armerad struktur användes vid utvärdering av provsträckorna.

Det konstateras från det här arbetet att armeringen har haft en signifikant effekt (10–15 %) på höjning av bärighet och begränsning av spårutveckling. Omfattande ytsönderfall med

Rehabilitation of road structure with steel fabrics, 12-years follow-up of Road E6, Ljungskile

by Safwat F. Said, Håkan Carlsson and Hassan Hakim

The Swedish National Road and Transport Research Institute (VTI) SE-581 95 Linköping

Summary

A motorway road section, 800 metre long, on the road E6 at south of Ljungskile

(Bratteforsån, Lyckorna) at the southwest of Sweden was seriously damaged due to its low bearing capacity after already 5 years of traffic. The road was opened for traffic in 1991. A damage assessment was conducted in 1996 and the road was maintained by the sealing of the road surface on the damaged sections. However, it was clear even then that there was a need for a rehabilitation. In 2000, the road had extensive longitudinal and transverse cracking and showed an extensive rutting.

In 2000 the road section was rehabilitated by milling away 80 millimetre and paving with new bituminous layers. Three full-scale, 100-meter test sections were built. Two test sections were reinforced with steel fabrics and one section without reinforcement as a reference section. These test sections are instrumented with strain gauges at the bottom of new laid asphalt layers and detached to the steel bars. This report presents pavement performance of the test sections after 12 years in-service. The objective is to evaluate the performance of rehabilitated road structures reinforced with steel fabric against fatigue cracking and rutting related to heavy traffic. The pavement performance of the test sections have been evaluated by

deflection measurements with Falling Weight Deflectometer, measurement of the pavement response using strain gauges and rut measurements performed periodically, together with manual distress surveys. Degradation behavior of the test sections were numerically analyzed. The Swedish Transport Administration (STA) software for pavement design and analysis of strains (PMS Objekt) with the Reflex procedure for modeling of a reinforced structure was used in evaluation of the test structures.

After 12-years traffic loading, the reference section has shown extensive longitudinal cracks in the wheel paths. However, almost no cracks in the reinforced sections. It is concluded that the reinforcement had a significant influence (10–15%) in increasing the resistance of the test sections against fatigue cracking and in limitation of the rutting in pavement surface related to repeated-loading of the heavy vehicles.

1

Inledning

1.1

Bakgrund

En sträcka på 800 m av motorvägen E6 söder om Ljungskile (Bratteforsån–Lyckorna), öppnad för trafik 1991, uppvisade skador i form av längsgående sprickor i hjulspåren redan efter ca 5 års trafikering. Trafikmängden i ÅDT på sträckan var 1991 totalt ca 7 000 fordon med ca 14 % tunga fordon och en trafikökning på ca 3 % per år. En skadeutredning utfördes under 1996 och vägsträckan underhölls genom en försegling av vägytan på de skadade avsnitten. Det var dock klarlagt redan då att det fanns ett förstärkningsbehov. Under år 2000 hade vägen omfattande längs- och tvärgående sprickbildningar samt visade en omfattande spårbildning med ojämnheter.

Under år 2000 förstärktes sträckan genom fräsning och påbyggnad. Inom vägavsnittet anlades tre provsträckor för undersökning av stålnätsarmeringens betydelse för upphöjning och

förbättring av bärigheten och motståndet mot sprickor och spår. Dessa sträckor ingick senare i EU-projektet Reflex (Gustafson et al 2002). Uppföljning och utvärdering av sträckornas nedbrytning med tiden ingick under 2006–2009 i EU-projekt Spens (Said et al 2009). Denna rapport beskriver dessa sträckor samt redovisar resultat från uppföljning efter 12 års trafik. Det här är det första svenska försöket med stålarmerad väg där uppföljningen skett med töjningsgivare i vägkonstruktionen.

Tidigare rapportering av provsträckorna finns i referenser Said m.fl. (2001, 2002a, 2002b, 2003, 2009a och 2009b).

1.2

Syfte

Syftet med projektet i Ljungskile är att studera stålnätets förmåga att ge ökad bärighet i vägkroppen och motverka sprickor och spårbildning i beläggningsytan.

2

Förundersökningar och förstärkningsåtgärd

2.1

Tidigare utförda undersökningar

Under åren 1996–1999 utfördes tre skadeutredningar rörande denna sträcka av E6 (Jansson 1996 bilaga 1, Enocksson 1996 bilaga 2, och Mårtensson 1999 bilaga 3). Dessa utredningar visade att vägen hade betydande skador med omfattande längs- och tvärgående sprickor i hjulspåren med krackeleringar samt regelbundet förekommande tvärgående sprickor mellan hjulspåren (Figur 1) och med en spårbildning på upp till 30 mm. Utredningarna visade att överbyggnadskonstruktionen på ca 900 mm med en asfaltbeläggning på ca 180 mm uppfyller i stort kraven enligt BYA 84 och anses vara godtagbar. Utredningarna konstaterade också att med hänsyn till undergrundens låga styvhet och vägens konstruktion är överbyggnaden underdimensionerad enligt VÄG 94. Därför utfördes en rejäl förstärkning av överbyggnaden.

2.2

Fallviktsmätning och val av sträckornas placering

Avsikten med fallviktsmätningen innan åtgärd var att använda mätresultatet som underlag för val av homogena provsträckor och så identiska förutsättningar som möjligt. Mätningen utfördes i höger hjulspår och på var 10:e meter enligt VVMB 112:1998. Belastningen var ca 50 kN och temperaturen vid mätningen var 18°C i luft och 21°C i beläggningsytan. Figur 2 visar deflektioner i belastningscentrum (D0) och 900 mm (D900) från belastningscentrum. Det

svaga avsnittet med stora deflektioner har valts ut för de tre provsträckorna. Inom provvägs-avsnittet är det en stor variation i D0 som indikerar sprickor och skador i de översta lagren

medan D900 visar jämnare deflektioner. Teststräckornas position har valts ut så att det är liten

variation inom sträckan och mellan sträckorna. Referenssträckan (sträcka 1) är placerad på ett avsnitt med mindre deflektioner än sträcka 2 och 3, vilket tyder på att det avsnittet var något starkare. Sträcka 2 har sämsta förutsättningarna med de största deflektionerna (Figur 2). Det bör noteras att de översta asfaltlagren frästes bort och skillnaderna mellan sträckorna blir därför mindre. Varje provsträcka är 100 m lång (Said och Carlsson m. fl. 2003).

Figur 2 FWD-deflektioner innan åtgärd och placering av provsträckor.

2.3

Förstärkningens utformning

Baserat på tidigare utredningar (Mårtensson 1999) bestämdes att de två översta lagren av HABD12 och HABD16 (totalt 80 mm) skulle fräsas bort och en påbyggnad inklusive stålnätsarmering skulle utföras. Provvägen omfattar tre provsträckor om vardera 100 m. Provsträcka 1 är en referenssträcka utan armering men i övrigt med samma uppbyggnad som provsträcka 2 och 3. I Tabell 1 redovisas de nominella tjocklekarna hos den befintliga konstruktionen och förstärkningsåtgärderna samt utförandeår.

Tabell 1. Överbyggnadskonstruktion och utförandeår

Lager Tjocklek, mm Utförande år Anmärkning

ABD 16 100/150-75 45 2012 kkv < 7 HABD 16/B85 45 Juli-aug. 2000 Bortfräst 2012 ABb 16/B85 50 Juli-aug. 2000

Stålnät #100 mm 6 mm Juli-aug. 2000 Justering (ABT 11/B180) varierande Juli-aug. 2000

HABD 16/B85 45 1991 Bortfräst 2000 HABD 12/B85 35 1991 Bortfräst 2000 AG 25/B180 50 1991 Helt/delvis bortfräst 2000 AG 25/B180 50 1990 Grusbärlager 70 1990 Förstärkningslager 110 1990 Berg 0-200 540 1990

Figur 3 Översikt av stålarmeringen på provsträckorna 2 och 3. (Foto: Håkan Carlsson). De översta dryga 80 mm av körbanorna, bestående av dränasfalt och viss del av asfalt-bärlager, frästes bort och den frästa ytan klistrades med bitumenemulsion BE50R. Som avjämningslager lades en tät asfaltbetong typ ABT11/B180, för att ge ett jämnt underlag för stålarmeringen. Stålnäten hade stångdiametern Ø 6 mm och rutstorleken var 100 x 100 mm. Näten lades med fingerskarvning i längdled, beskriven i referenser (Rätt och slätt 1996, Sandberg och Björnfot 2004). Provsträcka 2 har armerats endast i det högra körfältet, K1. På provsträcka 3 utfördes en heltäckande stålarmering över båda körfälten, K1+K2, illustreras i Figur 3. Avsikten med det är att se om det är tillräckligt att på en motorvägssektion armera endast långsamkörfältet (K1) vid bärighetsproblem. Det är också att se om det blir en spricka i längdled där nätet slutar mot K2. När näten var utlagda klistrades de med bitumenemulsion typ BE50R. På nätet lades ett ca 55 mm tjockt bindlager av typ ABb16 med polymerbinde-medel PMB20. Av miljöskäl lades ett ljuddämpande slitlager av dränerande asfaltbeläggning typ ABD16 med polymerbindemedel och tillsats av cement för att öka beständigheten. Tjockleken på slitlagret är ca 45 mm.

2.4

Instrumentering

I samband med förstärkningsåtgärden instrumenterades provsträckorna med asfalttöjnings-givare och ståltöjningsasfalttöjnings-givare. Tre stycken asfalttöjningsasfalttöjnings-givare per sträcka placerades i höger hjulspår vinkelrätt mot färdriktningen för mätning av horisontella dragtöjningar. De är placerade på den frästa asfaltytan under justeringslagret. Se Figur 4. Ståltöjningsgivarna monterades på stålnäten på sträcka 2 och 3. Givarna placerades parvis, 1 längs och 1 tvärs färdriktningen, i fem sektioner per sträcka, se Figur 5. Tre av paren är placerade i samma horisontella positioner som asfalttöjningsgivarna fast på nätet högre upp i konstruktionen. Den längsgående töjningsgivaren är monterad på undersidan av ståltråden i längdled. Den tvärgående töjningsgivaren är monterad på sidan av ståltråden i tvärled, som ligger mot underliggande lager. Detta för att skydda givarna vid utläggning och packningsarbetet. Totalt 9 stycken asfalttöjningsgivare och 20 stycken ståltöjningsgivare har installerats. Givarnas typ och positioner redovisas i bilaga 4.

Figur 4 H-typ asfalttöjningsgivare monterad före utläggning av justeringslager.(Foto: Håkan Carlsson).

3

Provtagning

Efter utförd förstärkningsåtgärd togs det borrkärnor för undersökning av lagertjocklekar, hålrumshalt och styvhetsmoduler. Undersökningarna syftade till att kontrollera att det inte finns signifikanta skillnader mellan motsvarande lager i de olika teststräckorna vid utförandet.

3.1

Lagertjocklekar och placering av stålnät och töjningsgivare

De uppmätta lagertjocklekarna illustreras i Figur 6 och redovisas i bilaga 5. Från dessa kan det konstateras att lagertjockleken på justeringslagret, ABT11/B180, blev betydligt tjockare än planerat pga. ojämnheter i underlaget. Från utmattningssynpunkt (risk för sprickor) är detta bra eftersom det är ett tjockt flexibelt lager med låg styvhetsmodul. Ur dimensionerings-synpunkt borde nätet ligga djupare för att ta upp de största töjningarna som inträffar i underkant av de bitumenbundna lagren, vilket motsvarar underkant av justeringslagret (det befintliga AG-lagret var redan sprucket i varierande grad). Borrkärnorna visar att den verkliga totala beläggningstjockleken exklusive gamla AG-lager (sprucken) är ca 158, 176 och 168 mm på sträcka 1, 2 respektive 3 samt att det är relativt stor variation i tjocklek ( cm), se bilaga 5. De installerade asfalttöjningsgivarna har hamnat på olika djup från ytan. De ligger på den frästa ytan som består av den gamla AG:n, visas i Figur 6 (de exakta positionerna i längdled visas i bilaga 4). Asfalttöjningsgivarna är placerade på ett djup av ca 160 mm från ytan på referenssträckan respektive stålarmerade sträckor. Placeringen av töjningsgivarna på olika djup av beläggnings-konstruktionen och skillnader mellan sträckornas

Figur 6 Lagertjocklekar och borrkärnornas positioner av överbyggnadskonstruktioner med illustration av stålnät och töjningsgivares placering i konstruktionerna samt medelvärden av uppbyggnadernas lagertjocklekar.

3.2

Analys av beläggningslager

Ett antal borrkärnor har analyserats i laboratoriet för att undersöka eventuella skillnader mellan utlagda beläggningar av samma typ tillhörande olika provsträckor och då i huvudsak det andra lagret som benämns bindlager. Skrymdensiteten har bestämts enligt FAS Metod 427-92 och styvhetsmodulen enligt FAS Metod 454. Tabell 2 visar att bindlagret från

referenssträckan, sträcka 1, har drygt dubbelt så hög hålrumshalt som de andra två sträckorna. Detta är troligen en anledning till den lägre styvhetsmodulen på bindlagret på sträcka 1 i jämförelse med armerade sträckor (2 och 3). Orsaken till den högre hålrumshalten på sträcka 1 är okänt. Denna skillnad i hålrumshalt och styvhetsmodul bör ha påverkat töjningsstorleken i underkant av beläggning. Styvhetsmodulen omräknad till att motsvara ett år gammal

beläggning enligt ATB VÄG 2002 redovisas i Tabell 2 och bilaga 6, för användning vid analytisk utvärdering och dimensionering. En styvare beläggning bör leda till mindre töjningar i underkant av beläggningen, bättre lastfördelning och lägre deflektioner vid fallviktsmätning. Högt hålrum i en beläggning kan leda till spårbildning pga. efterpackning under de första åren och lågt hålrum kan också ge upphov till spårbildning pga. stor risk för omlagring i bundna lager. Sammansättningen hos borrkärnorna kontrollerades inte med en djupare analys av skillnaderna mellan massabeläggningarna från olika sträckor. Enskilda värden på styvhetsmoduler och hålrumshalt redovisas i bilaga 6.

Tabell 2 Medelvärde av styvhetsmodul vid 10°C och hålrumshalt från borrkärnor år 2000.

Sträcka Asfaltbeläggning Styvhetsmodul, MPa Hålrum

vol-%

3 - 6 mån. gammal 1 år gammal

Sträcka 1 Bindlager (ABb16/B85) 4667 5096 4,1 Sträcka 2 Bindlager (ABb16/B85) 6708 7324 1,6 Sträcka 3 Bindlager (ABb16/B85) 5596 6111 1,3 Sträcka 1 - 3 Dränlager (ABD16/B85) 4203 4589

4

Tillståndsuppföljning

För att kunna se effekten av stålarmeringen i vägkroppen på tillståndsförändring med tiden har provsträckornas tillståndsförändring utvärderats vid ett antal tillfällen mellan år 2000 och 2012. Uppföljningen har främst skett ur bärighetssynpunkt genom fallviktsmätningar,

profil/spårmätningar och mätningar med installerade givare för asfaltstöjning och stålnäts-töjning. Vid främst senaste mättillfället gjordes också en okulär tillståndsbedömning av sträckorna med avseende på skador.

4.1

Fallviktsmätningar

Fallviktsmätningar har utförts vid följande 10 tillfällen: 1. 20 juni 2000, före åtgärd (tidigare redovisad) 2. 7 september 2000, strax efter åtgärd

3. 1 november 2000 4. 18 april 2001 5. 9 oktober 2001 6. oktober 2002 7. september 2003 8. november 2005 9. oktober 2007

10. juli 2012, strax innan underhållsåtgärd

Provsträckorna har provbelastats med VTI:s fallviktsapparat av fabrikat KUAB (Figur 7) och med belastningen 50 kN. Mätningarna har utförts i höger hjulspår, var 10:e meter och 10 mätpunkter per sträcka enligt VVMB 112. I Tabell 3 redovisas beläggningstemperaturen vid respektive mättillfälle för fallvikts- och töjningsmätningar.

Figur 7 Nedsjunkningsmätningar vid belastning med fallviktsapparat. .(Foto: Håkan Carlsson).

Tabell 3 Beläggningstemperatur vid fallvikts- och töjningsmätning. Mättillfälle Beläggningstemperatur °C Juni 2000 21 September 2000 21 November 2000 8 April 2001 7 Oktober 2001 12 Oktober 2002 8 September 2003 20 Oktober 2003 5 November 2005 10 Oktober 2007 14 Juli 2012 26

4.1.1 Analys av fallviktsdata enligt VVMB 114

Nedsjunkningstratten från mätningarna oktober 2001, november 2005 och juli 2012 illustreras som medelvärde för alla mätpunkter per sträcka i figur 8a. Data från enskilda mätpunkter från dessa mättillfällen redovisas i bilaga 7. Det kan konstateras att det har blivit en viss skillnad mellan sträckorna över tiden där sträcka 1 (referenssträcka) har något större deflektioner än sträcka 2 och ytterligare större än sträcka 3. D0 från alla utförda fallviktsmätningarna på

provsträckorna redovisas i figur 8b. Skillnaderna mellan sträckorna är mycket små men det finns en tendens till ökade skillnader mellan armerade och referenssträckan under senare år.

Figur 8b Nedsjunkning i centrum (D0) vid fallviktsmätningar.

Figur 9 Beräknad undergrundsmodul vid fallviktsmätning.

Nedsjunkningsprofilerna indikerar en liten skillnad i undergrundens styvhet genom att medeldeflektionen på avståndet 1 200 mm är något större på sträcka 1 (Figur 8a) än på de armerade sträckorna. I Figur 9 redovisas beräknade undergrundsmoduler enligt formel 4 baserad på deflektion D900 (VVMB 114). Det framgår att undergrundsmodulen genomgående

är något lägre på sträcka 1 än på de andra två sträckorna. Av Figur 9 framgår också att undergrundsmodulen innan förstärkning på sträcka 1 snarare var något högre än på de andra sträckorna medan den efter åtgärd är lägre än på de armerade sträckorna. Generellt är

styvheten på undergrunden väldigt låg på alla sträckor och vid alla tillfällen. Samtliga utförda fallviktsmätningarna på provsträckorna har inte heller visat på några tydliga skillnader i styvhet mellan sträckorna. Det är små skillnader mellan sträckor, som rör sig om upp till 2 MPa skillnad, vilket kan sägas ligga inom felmarginalen.

Beräkningen av differensen mellan D0 och D300, deflektionen i belastningscentrum och 300

mm från belastningscentrum, antas vara ett mått på översta lagrens styvhet och benämns Krökningsradie. De beräknade krökningsradierna redovisas i Figur 10. Observera att någon justering med hänsyn till temperatur inte är gjord. Ju högre styvhet desto större radie. Krökningsradien beräknades med hjälp av formel 7 i metodbeskrivning VVMB 114. Beläggningstemperaturerna vid mättillfällena varierade från 5°C upp till 26°C. Det är en faktor som måste beaktas när man jämför de olika mättillfällena.

Inom respektive mättillfälle är det ingen eller väldigt liten skillnad i temperatur mellan sträckorna. Det noteras att stålarmering inte har någon positiv effekt på krökningsradie (styvhetshöjande effekt på beläggning) vid jämförelse mellan sträckorna, trots att armerade sträckor i de flesta mätningarna visar något lägre D0 (figur 8). Observera att skillnaden i

nedsjunkningsformen mellan sträckorna leder till lägre krökningsradie (större skillnader mellan D0 och D300 för armerade sträckor trots att de visar lägre deflektioner (D0 och D300) än

referenssträckan) för armerade sträckor.

Notera också att krökningsradien från 2012 års mätningar visar att vägens tillstånd för alla sträckor är ungefär detsamma som innan åtgärd, vid jämförelse med mätningarna från juni 2000 (innan åtgärd). Det kan inte vara rimligt med avseende på skadekarteringen 2012 (redovisas i kap 5). Detaljerade fallviktsdata, beräknade töjningar och bakåträknade E-moduler redovisas i bilaga 7.

Figur 10 Medelvärden av beräknade krökningsradier, D0 / D300,vid aktuell temperatur. 4.1.2 Vidareanalys av fallviktsdata

Eftersom mätning med fallviktsapparat är en praktisk och en NDT (icke förstörande) metod utfördes en bredare analys utöver den rekommenderade proceduren i metodbeskrivningen VVMB 114. Flera enkla och praktiska parametrar rapporteras i litteraturen. En samman-fattning av parametrarna redovisas bl.a. av Kim et al (2001) för bedömning av vägars tillstånd från fallviktsmätningar. Beräkningen av differensen mellan D300 och D600, deflektioner i 300

mm och 600 mm från belastningscentrum, beskriver de obundna lagrens kondition och benämns BDI (Base Damage Index). (Kim et al 2001, Xu et al 2003) Ett högre BDI-värde tyder på svagare (sämre bärighet) obundet lager. Motsvarande mått för undergrunden är BCI

(Base Curvature Index) som anses vara en god indikator för undergrundens kondition (Kim et al 2001, Xu et al 2003). BCI värdet är skillnaden mellan D600 och D900 deflektioner. Figurer

11 och 12 illustrerar BDI och BCI utvecklingarna över tiden. En tendens till högre BDI och BCI för referenssträckan framgår vid de senaste mättillfällena i jämförelse med de armerade sträckorna. Det tyder på en snabbare nedbrytning av konstruktionen utan armering. Enskilda FWD-data från 2001, 2005 och 2012 presenteras i bilaga 7.

Figur 11 BDI (Base Damage Index) utveckling över tid.

Figur 12 BCI (Base Curvature Index) utveckling över tid.

Ytterligare jämförelser mellan sträckorna beräknades från fallviktsmätningarna; dragtöj-ningarna i underkant av de bundna lagren, trycktöjdragtöj-ningarna på obundna bärlagret och på terrassytan. Beräkningarna har utförts enligt formlerna framtagna inom The Asphalt Pavement Layer Condition Assessment Program (APLCAP) (Kim et al 2001, Xu et al 2003). Det gamla och mycket spruckna bundna bärlagret (AG) har här antagits som obundet bärlager, vilket kan ifrågasättas. Sambanden är enligt nedan:

Dragtöjning i underkant asfaltbeläggning:

Trycktöjning på obundet bärlager:

Log(abc) = 0,4976*log(SCI) + 0,2910*log(BDI) + 0,5316*log(Hac) – 0,0442*Hac + 2,1346

Trycktöjning på terrassytan:

Log(sg) = 0,2811*log(BDI) + 0,6788*log(BCI) – 0,0135*log(Hac) – 0,0123*Habc + 2,2083

E-modul för bundna lager:

ac dragtöjning i underkant asfaltbeläggning i mikrostrain

abc Trycktöjning på obundet lager i mikrostrain

sg Trycktöjning på terrassytan i mikrostrain

SCI (D0-D300 i mm), krökningsindex “surface curvature index” i 10-3 _{tum (mils)}

BDI (D300-D600 i mm), base damage index i 10-3 tum (mils) BCI (D600-D900 i mm), base curvature index i 10-3 tum (mils) Eac styvhetsmodul för asfaltbeläggning i ksi (= 6,895 MPa)

Hac bundna lagers tjocklek i tum

Habc obundna lagers tjocklek i tum

Figurer 13–15 visar de beräknade töjningarna i vägkroppen för jämförelse mellan sträckorna, baserade på fallviktsmätningarna över tiden från 2000 till 2012. De beräknade dragtöjning-arna i underkant på beläggningdragtöjning-arna och trycktöjningar på de obundna bärlagren (Figurer 13 och 14) visar ingen eller väldigt små skillnader inom respektive mättillfället.

Figur 15a illustrerar trycktöjningar på terrassytan där framgår det att stålarmering har en viss effekt på reducering av töjningsnivå. Effekten ökar i takt med att vägens nedbrytning har fortskridit från 2003 års mätningar och senare. Vid mätningen 2012 var trycktöjningen på armerade sträckor 10–15 % lägre i jämförelse med referenssträckan (Figur 15b). Observera att sträcka 3 har under alla år visat lägsta töjningarna. Denna skillnad i trycktöjning kan ha en signifikant effekt på nedbrytning av vägen, särskilt med hänsyn till den mycket låga styvhetsmodulen hos undergrunden (se Figur 8).

Sträcka 3 visar de lägsta töjningarna i jämförelse med sträcka 2 och 1 samt att sträcka 2 visar lägre töjningar än sträcka 1. Detta bör leda till längre livslängd hos de armerade sträckorna i jämförelse med referenssträckan utan armering. Det bör erinras att beläggningstjockleken är i genomsnitt 10 till 18 mm tunnare på referenssträckan än på sträcka 3 respektive sträcka 2 (se kap 3.1). Det har en mindre inverkan på påkänningarna på obundet lager och terrassen. Att armeringens effekt inte syns från dragtöjningen i underkant av beläggning och trycktöjningen i obundna lager tordes, bero på det spruckna gamla AG-lagret som påverkar mätningarna, dock behövs fler försök för att klarlägga och säkerställa orsaken.

Det kan också noteras att beräknade töjningar i underkant av beläggning enligt VVMB 114 och APLCAP metoderna visar en mycket god korrelation. Dock efter omräkning av

töjningarna till en temperatur på 10°C visar APLCAP metoden orimliga omräkningsvärden. Omräkningen enligt VVMB visar rimliga omräknade värden till 10 °C, se bilaga 7 för en djupare analys.

Figur 13 Medelvärden av beräknade asfalttöjningar underkant beläggning enligt APLCAP samband vid mättemperatur.

Figur 14 Medelvärden av beräknade trycktöjningar på bärlagret enligt APLCAP metoden vid mättemperatur. 60 80 100 120 140 160 180 200 21°C 8°C 5°C 12°C 5°C 19°C 10°C 14°C 25°C

sep-00 nov-00 apr-01 okt-01 okt-02 sep-03 nov-05 okt-07 jul-12

D rag töj n in g, m Lj1 Lj2 Lj3 80 180 280 380 480 580 680 21°C 8°C 5°C 12°C 5°C 19°C 10°C 14°C 25°C

sep-00 nov-00 apr-01 okt-01 okt-02 sep-03 nov-05 okt-07 jul-12

Try ck töjn in g, m Lj1 Lj2

Figur 15a Medelvärden på beräknade trycktöjningar på terrassen enligt APLCAP metoden vid mättemperatur.

Figur 15b Medelvärden av beräknad trycktöjning på terrassen i % av referenssträckans töjning vid mättemperaturer.

4.2

Töjningsmätning i väg

4.2.1 Asfalttöjningar

Mätning av töjningarna i asfaltbeläggningen och i stålarmeringen har utförts vid en

kontrollerad belastning med fallviktsapparat vid flera tillfällen, från september 2000 till juli 2012. Belastningen med fallvikt gjordes rakt över de monterade givarna med 3 olika

belastningsnivåer, 30 kN, 50 kN och 65 kN. Den tvärgående asfalttöjningen mättes i tre sektioner per sträcka. Töjningen i stålarmeringen på sträcka 2 och 3 mättes med givare monterade parvis, tvärs- och längsgående, i fem sektioner per sträcka varav 3 sektioner sammanfaller med asfalttöjningsgivarna. Se bilaga 4 för givarnas placering.

I Figur 16 redovisas enskilda uppmätta asfalttöjningarna (asfaltgivare) vid mättemperaturer på sträcka 1–3 under en fallviktsbelastning på 50 kN. Töjningsgivarna är belägna på den frästa ytan vid en djup på ca 160 mm och 170 mm i referenssträcka respektive armerade sträckor (Figur 6). Placering av töjningsgivarna på olika djup försvårar utvärdering av tillståndet och jämförelsen mellan sträckorna. I ett försök att ta hänsyn till skillnaderna i beläggnings-temperatur mellan de olika mättillfällena har de uppmätta asfalttöjningarna justerats till en

80 100 120 140 160 180 200 220 21°C 8°C 5°C 12°C 5°C 19°C 10°C 14°C 25°C

sep-00 nov-00 apr-01 okt-01 okt-02 sep-03 nov-05 okt-07 jul-12

Try ckt ö jn in g, m Lj1 Lj2 Lj3

referenstemperatur på 10oC. Medelvärden av de omräknade asfalttöjningarna redovisas i Figur 17. Omräkningen bör användas med försiktighet, vilket noterats tidigare och i bilaga 7. De enskilda uppmätta och justerade töjningarna redovisas i bilaga 8. APLCAP metodiken (Kim et al 2001, Xu et al 2003) har använts för justering av töjningarna till 10°C. Sambandet nedan har använts för bestämning av justeringsfaktor för omräkning av töjning till 10°C. ”b” i sambandet är lutningen för korrelation mellan log styvhetsmodul och temperatur baserad på modulvärden vid olika temperaturer enligt ATB väg (2005). Därefter justerades töjningarna till 10°C med justeringsfaktor () enligt samband:

Tr Tm b  



10



Samband mellan styvhet och temperatur enligt ATB väg 2005 är Ms = 1,54*104 * e(-0,065*T)

Log (Ms) = 4.27 – 0,02519 * T







Där

 är justeringsfaktor för töjning map temperatur Tr är en referenstemperatur, antagen 10°C

Tm är temperatur vid mättillfället med fallviktsmätning grader Celsius

Ms är styvhetsmodul för asfaltbeläggning, MPa T är temperatur, grader Celsius

b är materialkonstant (= 0,02519)







Mätningarna visar tydligt att töjningen ökar med tiden. Se Figurer 16 och 17.

Referens-sträckan visar en maxtöjning vid höstmätningen 2003. Därefter det är en tendens till minskade töjningar med en tydlig minskning vid 2007 års mätningar. Sektioner 1:2 och 1:3 visar en kraftig ändring, medan sektion 1:1 visar en måttlig utveckling. Det tyder på initiering av sprickor i sektion 1:2 och 1:3. När töjningar, i underkant beläggning, ökar under några år och sedan går ner tyder det på initiering av sprickor i underkant av beläggning. Det kan vara i närheten där givarna är placerade med konsekvensen att lastöverföringen i skiktet försämras. De armerade sträckorna visar en mycket låg utveckling i töjningarna och det är betydligt lägre töjningsnivåer än asfalttöjningar i referenssträckan (provsträcka 1). Skillnader i givarnas djupplacering från ytan kan till viss del försvåra jämförelsen mellan sträckorna, där

placeringen av givarna närmare ytan gynnar referenssträckan, i jämförelse med de armerade sträckorna. Samtidigt har referenssträcka något tunnare asfaltbeläggning än de armerade sträckorna. Den totala beläggningstjockleken exklusive gamla AG-lager (sprucken) är i genomsnitt 158, 176 och 168 mm  mm på sträcka 1, 2 och respektive 3, se Figur 6 och bilaga 5. Det föreligger även en skillnad mellan de två armerade sträckorna. Sträcka 2 med

endast armering på K1 visar något högre töjningar än töjningarna i provsträcka 3 med heltäckande stålarmering över båda körfälten, K1+K2. Orsaken till skillnaderna mellan de båda armerade sträckorna är oklar. Det framgår dock i Figur 2 att avsnittet där sträcka 2 ligger, visade sämre fallviktsdata (D0) än de övriga två sträckorna även innan åtgärd med

stålnät.

Det finns även en relativt stor spridning inom respektive mättillfälle som medför ytterligare en osäkerhet, vilket bl.a. kan bero på varierande skadegrad i det gamla AG-lagret. Även om det finns en osäkerhet i givarnas placering i beläggningen och i justeringen av töjningarna med hänsyn till temperaturen, ser det ändå ut att finnas en tydlig skillnad mellan referenssträckan och de armerade sträckorna. Med hjälp av responsmätningar (töjningsmätningar) konstateras tydliga skillnader mellan sträckorna i töjningsnivåerna och utvecklingen av töjningarna över 12 års tid under uppföljningen. Notera att båda armeringssträckorna visar fortfarande efter 12 års trafik endast en måttlig utveckling av töjningarna medan de tre givarna i referenssträckan kan tyda på att beläggningen är sprucken (jfr senare med skadekartering). Analysen visar att de båda stålarmerade sträckorna visar lägre töjningar, vilket betyder bättre motstånd mot sprickor än referenssträckan.

Utvecklingen och variationer i responsmätningarna kan delvis förklara svårigheten i analysen av fallviktsmätningarna och att det inte var några tydliga skillnader mellan sträckorna under de första åren efter förstärkning av vägen. Skillnaderna blev tydligare i takt med vägens nedbrytning. Rangordning av sträckorna i Figur 17 överensstämmer med rangordningen baserad på de flesta parametrarna från fallviktsmätningarna. Det konstateras också att de uppmätta töjningarna ligger lägre än de beräknade töjningarna från fallviktsdata i jämförelse med de båda analys metoderna VVMB 114 och APLCAP.

Figur 17 Medelvärde av responsmätningar per sträcka över tiden omräknade till 10°C . 4.2.2 Stålnätstöjningar

I Figur 18 visas ett exempel på de uppmätta töjningarna i asfalt och stålarmering från avsnitt med och utan armering vid ca 10°C. Avsnittet med stålarmering visar klart lägre asfalttöjning och dragtöjningar i stålnätet framgår i figuren. Det tyder på att stålnätet tar en del av

belastningen. Dragtöjningen i stålarmering tyder på att stålnätet fungerar som en integrerad del av den bundna konstruktionen. Både asfalt- och ståltöjningarna är låga.

För att ytterligare studera effekten av stålarmering har belastningen utförts vid tre olika belastningsnivåer, 30kN, 50 kN och 65 kN. I Figur 19 redovisas medelvärde på de uppmätta längs- och tvärgående töjningarna i stålnätet på provsträcka 2 och 3 från oktober 2001, vid en beläggningstemperatur på 12°C. De flesta ståltöjningsgivare slutade fungera efter några år. Det framgår i figuren att töjningar ökade ungefär proportionellt med ökad kraft. Det tyder på att nätet tar en del av belastningen och systemet med armerad asfalt fungerar tillfredställande. Provsträcka 3 visar lägre töjningar än provsträcka 2. Det är jämförbart med de uppmätta asfalttöjningarna och fallviktsmätningarna där sträcka 3 visade lägre asfalttöjningar än sträcka 2. Notera att storleken på de tvärgående töjningarna är lägre än längsgående töjningar.

Teoretiskt sett borde de vara lika stora under en fallviktsbelastning. Det kan bero på att längsgående töjningsgivaren är monterad på undersidan av ståltråden medan den tvärgående töjningsgivaren är monterad på sidan av ståltråden, se kapitel 2.4.

Det bör också noteras att töjningen i sträcka 2 är känsligare mot belastningen än töjningen i sträcka 3. Sträcka 2 har svagare underlag varför den kan bli känsligare för kraften och därmed bör nyttan med armering vara större. Generellt är ståltöjningsnivåerna mycket låga, liknande de låga uppmätta asfalttöjningarna.

Figur 18 Exempel på töjningar från armerade och icke armerade sektioner vid samma belastning.

Figur 19 Uppmätta töjningar i stålarmering vid en beläggningstemperatur på 12°C, oktober 2001.

4.3

Modellering

4.3.1 Reflex modell

För att undersöka effekten av stålarmeringen i en vägkonstruktion vid dimensionering har en flerskiktslinjär elasticitetsmodell använts. För att inkludera effekten av stålnätsförstärkning i denna modell har stålnätet ersatts med ett ekvivalent lager (EL) (Zarghampour et al 2002). Den grundläggande idén för EL-konceptet är att ersätta armeringen med ett skikt av en viss tjocklek och en genomsnittlig styvhetsmodul som representerar stålet och de omgivande materialegenskaperna. De nödvändiga parametrarna för modelleringen är tjockleken (antas vara 10 mm), elasticitetsmodulen och kontraktionstalet (0,35) för skiktet. Elasticitetsmodulen för EL beräknas med följande ekvation:

EL asfalt asfalt stål stål EL I I E I E E     I = a3. b/12 Där

EEL = styvhetsmodul av ekvivalenta lager, MPa

Estål = Styvhetsmodul av stålstången, MPa (210 GPa) Easfalt = styvhetsmodul av asfaltlager, MPa

Istål = tröghetsmoment av stålstång, mm4 Iasfalt = tröghetsmoment av asfaltlager, mm4

IEL = tröghetsmoment av ekvivalentlager, mm4

a och b = stångens tvärsektionsdimensioner, höjd respektive bredd, mm

Stålnäten hade en stångdiameter på 6 mm och rutstorleken var 100 x 100 mm. För beräkning av tröghetsmoment (I) omräknas stångens cirkulära area till ett fyrkantigt tvärsnitt enligt

._r2_=a._{b där r = 3 mm samt att a och b blir lika med 6respektive 4,7 mm. Styvhetsmodul för}

det armerade bindlagret är 6177 MPa (medelvärdet av styvhetsmodul hos bindlagren enligt Tabell 2) och stålstångens elasticitetsmodul antas vara 210 GPa. Styvhetsmodul av

ekvivalentlager (EEL) beräknas enligt samband;

Töjningsberäkningar gjordes med programmet PMS Objekt (www.trafikverket.se), där töjningen i underkant av justeringslager jämfördes med de uppmätta i respektive mätpunkt. Lageruppbyggnaderna av konstruktionerna i varje mätpunkt och styvhetsmodulerna till PMS-beräkningarna visas i Tabell 4.

Variationen i de uppmätta lagertjocklekarna redovisas i bilaga 5. Styvhetsmoduler på de översta asfaltlagren bestämdes på borrkärnor (Tabell 2). Styvheten på det som finns kvar av det gamla AG-lagret hämtades från Mårtenssons skadeutredning (bilaga 3). Egenskaperna på undergrunden och den obundna överbyggnaden beräknades från tidigare fallviktsmätningar. Styvhetsmodulen för det ekvivalenta lagret beräknades till 15 757 MPa vid 10°C enligt sambandet ovan. De beräknade töjningarna vid varje mätpunkt med PMS Objekt presenteras i Figur 20. Det framgår att de armerade sträckorna visar lägre töjning i underkant av beläggning än referenssträckan. I genomsnitt har armerade sträckor ca 15 % lägre töjning än

referenssträckan. 𝐸_𝐸𝐿 = 𝐸𝑠𝑡å𝑙∗ 63_{∗ 4,7} 12 + 𝐸𝑎𝑠𝑓𝑎𝑙𝑡∗6 3_{∗ (100 − 4,7)} 12 63_{∗ 100} 12 𝐸_𝐸𝐿 = 1 100∗ (𝐸𝑠𝑡å𝑙∗ 4,7 + 𝐸𝑎𝑠𝑓𝑎𝑙𝑡∗ 95,3)

I Figur 21 visas korrelationen mellan beräknade och uppmätta töjningar från oktober 2002 vid 8°C. Som synes är det stor skillnad i nivå mellan beräknad och uppmätt töjning. R2 är endast 0,72 utan ett extremt värde. Orsaken kan vara att det är få data och stor spridning i resultaten. Däremot är de beräknade töjningarna för stora i jämförelse med de uppmätta. Fler mätningar behövs för att generalisera detta samband under förutsättningen att konstruktionen är intakt. Notera att detta samband har begränsad praktisk användning eftersom töjningarna i en vägkonstruktion ändras med tiden.

Se fortskridning av nedbrytning som redovisas iFfigurer 16 och 17, vilken måste ha betydelse vid framtagning av korrelation mellan beräknade och uppmätta töjningar. Däremot

konstateras att modellering med ett ekvivalent lager för armering kan vara ett användbart sätt vid dimensionering av vägar som ett komplement till övriga utvärderingsmetoder och vid planering av underhållsåtgärd.

Tabell 4 Lageruppbyggnad, styvhetsmoduler hos borrkärnor, beräknade töjningar med PMS Objekt och uppmätta töjningar.

Figur 20 Beräknad beläggningstöjning med PMS Objekt med laboratoriemoduler vid 10C.

Styvhetsmodul, 10°C str1 p1 str1 p2 str1 p3 str2 p2 str2 p3 str2 p4 str3 p2 str3 p3 str3 p4 MPa Slitlager 50 50 45 50 50 45 48 50 45 4589 Bindlager 50 45 70 53 55 55 58 55 60 6177 Ekvivalentlager - - - 10 10 10 10 10 10 15757 Justeringslager 50 40 55 68 65 85 68 55 70 3000 AG-lager 88 90 55 83 85 95 93 90 85 650 Förstärkningslager 720 720 720 720 720 720 720 720 720 110 Undergrund 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 60

Beräknad töjning, PMS Obj, mS 193 208 191 170 169 155 162 173 165

Uppmätt töjning, mS 20 115 97 43,5 70 44,5 13 28 21,5 (okt 2002, 8°C) Lagertjocklekar, mm 100 120 140 160 180 200 220 str1 p1 str1 p2 str1 p3 str2 p2 str2 p3 str2 p4 str3 p2 str3 p3 str3 p4 Tö jn in g m S Mätpunkt

Figur 21 Korrelation mellan uppmätta (asfaltgivare okt 2002) och beräknade töjningar med PMS Objekt baserade på laboratoriemoduler och utan ett inringat extremt värde.

4.3.2 Töjningsprofiler

För att ytterligare analysera mätningen av töjningarna i asfaltbeläggningen beräknades teoretiska töjningsprofiler med BISAR-programmet i beläggningen. Syftet är också att verifiera Reflex-modellen. Från resultatet av 2005 års fallviktsbelastning med 50 kN i de instrumenterade sektionerna (samma belastning som åstadkommit de uppmätta töjningarna), bakåträknades E-modulerna för asfaltbeläggningen, obundna överbyggnaden och

undergrunden. Att 2005 års mätningar valdes för denna analys, beror på antagandet att konstruktionerna var så gott som hela utan sprickor enligt töjningsmätningar (Det konstaterades senare att en liten risk kan ha funnits för begynnelse av initialsprickor i referenssträckan sek 1:3 enligt Figur 16).

Konstruktionernas lageruppbyggnad och variationen illustreras i Figur 6. Genomsnittet av lagertjocklekar användes sedan vid bakåträkningen för att beräkna töjningsprofiler i

beläggningen. Notera från Figur 6 att bundna lager i stålarmerade konstruktioner är nästan 20 mm tjockare än i referenskonstruktionen. Effekten av stålnäten antas vara en del av de bundna lagren och bör påverka de beräknade styvheterna för de bundna lagren. I Tabell 5 redovisas bakåträknade lagermoduler, uppmätta och beräknade töjningar med avseende på placering av töjningsgivarna från ytan.

Tabell 5 Uppmätta (okt 2005) och beräknade töjningar med bakåträknade moduler från fallviktsmätningar. str1 p1 str1 p2 str1 p3 str2 p2 str2 p3 str2 p4 str3 p2 str3 p3 str3 p4 Bitumenbundna 4240 3270 4000 4020 4450 4410 4120 4340 5290 Obundna 114 132 126 110 97 103 153 148 92 Undergrund 46 46 51 52 54 51 49 50 53 Mättpunkt från ytan, m 0,150 0,135 0,170 0,171 0,17 0,185 0,174 0,16 0,175 (givarensplacering) Uppmätt töjning, mS 31,53 128,66 80,51 46,14 75,49 72,06 16,59 30,69 14,10 (okt 2005, 10°C)

Ber. Töjning BISAR, mS 44,17 33,82 57,36 43,56 43,56 51,09 41,69 35,16 41,69 Bakåträknade moduler , MPa

I Figur 22 redovisas de beräknade och uppmätta töjningar (okt 2005). Det är få värden och variationen är stor men töjningarnas storlek är ganska lika stora inom mätområdet utom ett extremt värde. Dock behövs fler undersökningar för att säkerställa sambandet.

Figur 22 Korrelation mellan uppmätta (asfaltgivare okt 2005) och beräknade (BISAR) töjningar BISAR programmet baserade på beräknade moduler från fallviksnedsjunkningar och utan ett inringat extremt värde.

För en tydligare jämförelse mellan konstruktionerna redovisas i Figur 23 de beräknade töjningsprofilerna som medelvärde per sträcka för 50 kN fallviktsbelastning i de tre mätpunkterna. Det är endast en liten skillnad mellan de beräknade töjningsprofilerna inom respektive provsträcka, vilket gör att medelprofilen får anses representativ för sträckan. Kurvorna visar på en viss skillnad i töjningsprofil mellan sträckorna där de största töjningarna beräknats på sträcka 1 och de lägsta på sträcka 3. I figur 24–26 redovisas den beräknade töjningsprofilen baserad på E-moduler från fallviktsmätningarna på respektive sträcka tillsammans med de uppmätta asfalttöjningarna i de tre punkterna.

Figur 23 Beräknad töjningsprofil i asfaltbeläggningen. Medelprofil per sträcka.

Töjningsgivarna är placerade under justeringslager, vilket betyder ca 160–170 mm från ytan. De uppmätta töjningarna har justerats i höjdled till att passa den beräknade töjningsprofilen. Givarnas verkliga exakta position i djupet kan inte fastställas pga. de stora variationerna i lagertjocklekarna, se Figur 6.

Resultatet av anpassningen av givarnas placering i förhållande till uppmätt töjning är att töjningsgivarna teoretiskt ska ligga på nivån 190 mm i genomsnitt på sträcka 1, vilket inte är så långt från den verkliga nivån som enligt borrkärnorna bör vara ca 170 mm. Det är dock en stor spridning i de beräknade nivåerna på sträcka 1, från 130 mm till 240 mm. På sträcka 2 är den teoretiskt beräknade nivån på töjningsgivarna i medeltal 200 mm, med endast en liten spridning (180–210 mm). Det stämmer relativt bra med den verkliga nivån som erhållits från borrkärnorna på i genomsnitt 190 mm från ytan ner till nivån med givarna. Den beräknade teoretiska nivån på sträcka 3 är i medeltal 130 mm (120–150 mm), vilket inte riktigt stämmer med den verkliga nivån som bör ligga på ca 175 mm enligt borrkärnorna.

Med utgångspunkt från de uppmätta töjningarna kan man säga att de uppmätta töjningarna på sträcka 1 och 2 i medeltal visar relativt god överensstämmelse mellan mätt och beräknad asfalttöjning, med möjligen något för låga beräknade töjningar. På sträcka 3 däremot ser de beräknade töjningarna ut att var för stora i jämförelse med de uppmätta.

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 -150 -100 -50 0 50 100 150 Horisontell töjning (µm/m) D ju p ( m ) Str1 Str2 Str3

Figur 24 Beräknad och uppmätt töjning på sträcka 1.

Figur 25 Beräknad och uppmätt töjning på sträcka 2.

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 -150 -100 -50 0 50 100 150 Horisontell töjning (µm/m) D ju p ( m ) Mv Ber töj 1;2;0 1;3;0 1;4;0 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 -150 -100 -50 0 50 100 150 Horisontell töjning (µm/m) D ju p ( m ) Mv Ber töj 2;2;0 2;3;0 2;4;0

Figur 26 Beräknad och uppmätt töjning på sträcka 3. 4.3.3 jämförelse mellan analysmetoder

Att utvärdera tillståndet med avseende på bärighet i en befintlig konstruktion med flera underhållsåtgärder under en relativ lång tid, är mycket komplicerad men det är ett vanligt förekommande fall och måste studeras. Baserad på fallviktsdata, töjningsmätningar och laboratorieundersökningar har tillståndet utvärderats på olika sätt i syfte att klarlägga effekten av stålarmering på bärigheten/nedbrytningen och verifiering av Reflex-modellen för praktisk användning.

Den ena metoden är användning av bakåträknade moduler från fallviktsmätningar och

uppmätta lagertjocklekar som har använts vid beräkning av töjningsprofiler, som en metod för tillståndsbeskrivning av en befintlig väg utan hänsyn till existens av stålnät i konstruktionen. Metoden är intressant och praktisk för tillståndsbeskrivning av befintliga konstruktioner. Det andra sättet är modellering av en armerad konstruktion genom ersättning av stålnätet med ett ekvivalent lager. Lagermoduler kan vara antagna eller bestämda i laboratoriet hos borrprov från beläggningar. Denna metod kan vara praktiskt vid dimensionering och val av

förstärkningsåtgärd av ett vägobjekt. Båda analysmetoderna visar samma rangordning av konstruktionerna.

Uppskattningsvis visar armerade konstruktion minst ca 10–15 % lägre töjningar än oarmerad konstruktion i underkant beläggning enligt detta arbete. Det är också en indikation på att Reflex-modellering ger en rimlig uppskattning av stålarmeringens effekt på töjning i underkant av en beläggning hos provvägen, vilket har stort betydelse för livslängden.

Validering av metodiken genom tillståndsuppföljning hos ytterligare provsträckor med olika konstruktioner och material kan vara värdefull.

4.4

Tvärprofilmätningar med Primal

Med VTIs tvärprofilmätare Primal (Figur 27) mättes 5 stycken tvärprofiler på varje sträcka i högra körfältet, K1. Vägens tvärprofil (K1) har mätts före förstärkningsåtgärden år 2000 och

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 -150 -100 -50 0 50 100 150 Horisontell töjning (µm/m) D ju p ( m ) Mv Ber töj 3;2;0 3;3;0 3;4;0

vid åtta tillfällen efter åtgärden fram till 2012. Spårbildningen innan åtgärd var väldigt kraftig med störst spår på avsnittet för sträcka 2 (detta avsnitt uppvisade också störst D0 vid

fallvikts-mätning 2000). Tvärprofilerna visade att spåren huvudsakligen orsakats av strukturell

nedbrytning av den tunga trafiken. Efter förstärkningsåtgärden har vägen en betydligt mindre spårbildning även om den ökat betydligt senaste åren, se Figur 28. Även om inte spåren är lika kraftiga som innan förstärkningsåtgärden 2000, har de under de 12 årens trafik ökat till närmare 20 mm i medeltal för referenssträcka 1 som har de djupaste spåren.

Figur 27 Tvärprofilmätning med Primal. .(Foto: Håkan Carlsson).

I bilaga 9 redovisas samtliga uppmätta profiler från första mättillfället efter åtgärden 2000 samt från senaste mättillfället 2012. Profilerna och spårens utseende är typiska för det högra körfältet på en motorvägssektion. Det vänstra spåret är något smalare och djupare medan det högra något bredare men grundare. I det vänstra spåret sammanfaller hjulspåret för person-bilstrafiken med slitage och lastperson-bilstrafiken med deformationer. Eftersom det är skillnad i spårvidd på trafiken blir det ett högerspår närmare mitten orsakat av personbilstrafiken och ett högerspår närmare kanten orsakat av deformationer av den tunga trafiken. Därav ett bredare högerspår.

Figur 28 Uppmätt spårdjup. Medelvärde av vänster och höger spår.

Fram till senaste profilmätningen har vägen trafikerats i ca 12 år. Spårdjupstillväxten under denna tid är ca 14–17 mm med en relativt linjär utveckling efter de första åren. Se Figurer 28 och 29. Utslaget på tiden sedan åtgärden 2000 betyder det ca 1,2–1,4 mm spårtillväxt per år, sammantaget av både slitage av dubbdäck och deformation av tung trafik. Någon mätning av slitaget (nötning av dubbdäck) har inte utförts på sträckorna men ett uppskattat dubbdäcks-slitage bör vara ca 0,5 mm spårdubbdäcks-slitage per år i genomsnitt och det bör vara likartat på alla tre sträckorna. Det betyder att ca 30–40 % av spårdjupstillväxten skulle utgöras av dubbdäcks-slitage och återstående del av deformation från den tunga trafiken

Spårdjupsökning på de olika provsträckorna i genomsnitt per år, från oktober 2001 till juli 2012, redovisas i Figur 30. För att minska effekten av efterpackningen vid jämförelse mellan sträckorna har deformationen under första året (september 2000–oktober 2001) inte räknats in i spårdjupsökningen. Spårdjupsökningen är för period från 2001 i genomsnitt 1,65, 1,40 och 1,23 mm per år för referenssträcka 1, sträcka 2 respektive sträcka 3. De armerade

konstruktionerna visar i genomsnitt 15–25 % lägre spårtillväxt per år efter den initiala spårbildningen första året.

Det finns en tydlig trend till skillnad i spårdjupsutveckling mellan sträckorna. Spårdjupet på referenssträckan, sträcka 1, tenderar att efter ett par inledande år öka något snabbare än på de båda stålarmerade sträckorna 2 och 3. En liknande utveckling kan också utläsas under de senaste åren för spårdjupsökningen på sträcka 2 och 3. Där framgår att spårdjupsökningen är något lägre på sträcka 3 med armering över hela vägbredden, än på sträcka 2 med armering bara i högra körfältet. Notera enligt ovan att spårdjupet på sträcka 2 innan åtgärd var väldigt kraftigt och uppvisade största D0.

Gränsvärde för spårdjup med mätbil enligt Trafikverkets Underhållsstandard (2011) är ≤ 13 mm för vägar med en ÅDT > 8000 och en skyltad hastighet på 110 km/h. Det kan vara osäkert att jämföra spårdjupa mätta med mätbil och Primal. Primal används på objektsnivå för högre noggrannhet. Vid 13 mm håller sträcka 3 minst 2 år längre än sträcka 1 under 11 år.

-35.0 -30.0 -25.0 -20.0 -15.0 -10.0 -5.0 0.0 M e d e ls p å rd ju p (m m ) Sträcka 1 Sträcka 2 Sträcka 3

Sträcka 2 håller nästan 1 år längre än sträcka 1 trots att sträcka 2 har betydligt sämre förutsättningar från början (kraftiga spår och störst D0).

Figur 29 Spårdjupsökning, medelvärde av vänster och höger spår.

Figur 30 Spårdjupsökning per år på provsträckorna.

För att ytterligare jämföra spårutvecklingen på de olika sträckorna beräknades skillnaden i spårdjupsökning på de båda armerade sträckorna (2 och 3) i förhållande till referenssträckan (1). Den relativa spårdjupsutvecklingen presenteras i Figur 31. Efter de första årens något varierande skillnader ser det ut som att det de senaste åren har stabiliserats så att de armerade sträckorna har ca 10–20 % mindre spårdjupsökning än referenssträckan utan armering. Det kan också uttryckas i tiden till nästa åtgärd. För att uppnå till 14 mm spårdjup tar det i genomsnitt ca 1,5 år längre tid för armerade sträckor.

1.00 1.10 1.20 1.30 1.40 1.50 1.60 1.70

Sträcka 1 Sträcka 2 Sträcka 3

Spå rd ju p sö kn in g m m /å r

Figur 31 Spårdjupsökning på armerade sträckor relativt oarmerad referenssträcka. -35% -30% -25% -20% -15% -10% -5% 0% 5% 10% 15% 20% 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 Ök ning re l. re fere ns År Sträcka 2 Sträcka 3

5

Okulär tillståndsbedömning

Vid senaste mättillfället 2012 utfördes också en okulärbesiktning av tillståndet på de tre provsträckorna. Inspektionsprotokollen från den okulärbesiktningen redovisas i bilaga 10. Samtliga sträckor hade ett omfattande stensläpp i slitlagret (Figurer 32–35) och var i behov av att åtgärdas. Detta gjordes också senare 2012 genom att befintligt slitlager frästes bort och ersattes med ny drän-beläggning.

Sträcka 1 (referens) hade kraftigt med stensläpp och slitlagret var i dåligt skick med tydliga brister i beständigheten. Avsnittet hade en kraftigt framträdande spårbildning. I vänster hjulspår fanns det en omfattande sprickbildning med längsgående sprickor. Även i höger hjulspår förekom en del längsgående sprickor. Det tyder på lastrelaterade sprickor. Den längsgående beläggningsskarven mellan K1 och K2 var i mycket dåligt skick och bitvis förseglad. Med hänsyn till den omfattande sprickbildningen var sträcka 1 (referens) i mycket sämre skick än de armerade sträckorna 2 och 3.

Figur 32 Skador på sträcka 1, oarmerade referenssträckan. .(Foto: Håkan Carlsson).

Sträcka 2 (armerad i K1) hade ett omfattande stensläpp i slitlagret, som var i dåligt skick. Det förekom ingen tydlig sprickbildning på sträckan, även om det fanns någon enstaka fin

längsgående spricka. Sträckan hade en framträdande spårbildning och det förekom ett par rostfläckar som kan härstamma från stålarmeringen. Beläggningsfogen mellan K1 och K2 var sprucken, även om den tidigare hade förseglats. Den var dock inte i lika dåligt skick som på sträcka 1.

Figur 33 Skador på sträcka 2, armerade K1 provsträcka. .(Foto: Håkan Carlsson).

Sträcka 3 hade en liknande skadebild som sträcka 2, med ett omfattande stensläpp i ett dåligt slitlager. På sträckan förekom dock ett par tvärgående finare sprickor som kunde härröra från skarvarna i stålarmeringen, vilket inte var synligt på sträcka 2. På sträcka 3 förekom det också rostfläckar (Figur 35) samt att beläggningsfogen mellan K1 och K2 var sprucken. Dock inte i samma omfattning som på sträcka 2 och främst på sträcka 1.

Den okulära tillståndbedömnigen visade sammantaget att sträcka 1(referens) hade en mer omfattande skadebild än sträckorna 2 och 3 med armering med avseende på sprickor som kan relateras till belastningen från den tunga trafiken. Det är samtidigt ingen tydlig skillnad mellan sträckorna med armering.

Figur 34 Skador på sträcka 3 med tvärgående spricka, armerad i K1+K2. .(Foto: Håkan Carlsson).

6

Slutsatser

Den här provvägen, E6 Ljungskile Bratteforsån–Lyckorna, har utförts i syfte att använda stålnät i bundna lager för att på ett kostnadseffektivt sätt öka bärigheten i vägkroppen och motverka sprickor och spårbildning i vägytan. En förstärkning har utförts av den svårt skadade vägen. Provvägen omfattar tre provsträckor med samma uppbyggnad fast med och utan armering genom inläggning av ett armeringsnät av stål som en del av de nya

beläggningslagren vid underhållsåtgärden. Vägen förstärktes hösten 2000 och har sedan följts upp under de 12 år som den hittills trafikerats med en ÅDT på ca 13 000 fordon 2012.

Provvägen har tre olika provsträckor:

 Provsträcka 1, referenssträcka utan armering

 Provsträcka 2, heltäckande stålarmering i K1 (mycket kraftigare spårbildning och D0 i

jämförelse med sträcka 1 och 3)

 Provsträcka 3, heltäckande stålarmering i K1 + K2

Uppföljningen och utvärdering har skett främst ur bärighetssynpunkt/tillståndsförändring genom fält- och laboratoriemätningar och analys av mätdata. Tillståndsutvecklingen har utvärderats genom fallviktsmätningar, spårdjupsmätningar och mätning av töjningar från asfalt- och stålstöjningsgivarna vid flera tillfällen.

Uppföljning med fallviktsmätningar under de första åren visar inga nämnbara skillnader mellan provsträckorna. Vare sig deflektionsbassänger, beräknade töjningar eller beräknade styvhetsmått såsom krökningsradie, BDI (Base damage Index) och BCI (Base Curvature Index) visade några tydliga skillnader mellan sträckorna. I takt med vägens nedbrytning över tid blev tendensen till skillnader mellan sträckorna tydligare, särskild under de senaste mättillfällena. Resultaten från analys av fallviktsmätningar under senare mättillfällen visar tydliga skillnader mellan sträckorna främst genom D0, BDI och BCI. De armerade

prov-sträckorna uppvisade 10–15 % lägre trycktöjningar på undergrunden och obundna lager. Töjningsutveckling i underkant av beläggning, från mätningarna med töjningsgivarna i asfaltbeläggningen, visar utvecklingen av nedbrytning i varje provsträcka.

Töjningsutvecklingarna visar tydligt när skillnader i töjningsgivarna har inträffat mellan provsträckorna. Mätningarna visar tydligt att töjningar ökar i takt med att vägens nedbrytning fortskrider. Endast referenssträckan visar ett toppvärde på töjningsnivån och som sedan fortsätter att minska i takt med tiden. Toppvärden från givarna noterades redan efter 3–4 års trafik. Det tyder på sprickutveckling i underkant av beläggningen. Töjningsutveckling i armerade sträckor har ökat hela tiden (ingen topp) som kan tyda på att sprickor inte har initierats än i någon större omfattning.

Mätningarna på töjningsgivarna på stålarmeringen visar generellt mindre töjningar på

provsträcka 3 än på provsträcka 2. Töjningarna är dock relativt små och bör främst antas vara ett tecken på att stålarmeringen tar upp en del av påkänningen i vägkroppen och att samverkan mellan stålarmeringen och asfaltbeläggningen fungerar i en stålarmerad asfaltskonstruktion. Det bekräftar att armeringens roll kan vara att ta en del av de påkänningar som uppstår i lagret vid en belastning.

För modellering av provsträckorna har teoretiska töjningar i underkantens beläggning beräknats och sedan jämförts med uppmätta töjningar under motsvarande belastning genom två lite annorlunda beräkningsmetoder. Vid det ena sättet beräknades töjningsprofiler under en standardlast. Lagermoduler för teoretiska beräkningar har beräknats från fallviktsmätning-arna med hänsyn till verkliga tjocklekar uppmätta på borrkärnor. Antagandet är att stålnätet direkt påverkar lagermoduler och någon mer hänsyn till stålnätet i konstruktionen behövs inte

göras. Rimlig överensstämmelse mellan mätt och beräknad töjningsprofil för asfalttöjning har konstaterats. Denna metod kan vara praktisk vid utvärdering av befintliga vägar.

Det andra sättet är vid dimensionering av en vägkonstruktion där nyttan av armering med avseende på vägens livslängd undersöks. Lagermoduler bestämdes hos borrkärnor från vägsträckorna. Armeringen representeras genom ett ekvivalent lager. I genomsnitt har de armerade sträckorna visat ca 15 % lägre töjning i underkantens beläggning än referens-sträckan. Effekten av det blir en förlängning av vägens livslängd med avseende på sprickor. Det kan konstateras att modellering med ett ekvivalent lager för armering kan vara ett

användbart sätt för praktisk verksamhet vid dimensionering av vägar som ett komplement till övriga utvärderingsmetoder och vid planering av åtgärd.

Tvärprofilerna på vägytan visar att spåren huvudsakligen har orsakats av strukturell

nedbrytning av den tunga trafiken. De armerade konstruktionerna visar i genomsnitt 15–25 % lägre spårtillväxt per år. Sträcka 2 med betydligt sämre förutsättningar tog nästan ett år mer för att uppnå 13 mm spårdjup medan sträcka 3 tog drygt två år mer för att uppnå 13 mm spårdjup än sträcka ett under observationstiden på 12 år. Eftersom sträcka 2 hade sämre förutsättningar kan slutsatsen vara att det tog ca 2 år för de armerade sträckorna att uppnå samma spårdjup som referenssträckan under en 12 års period.