Asfaltbeläggningars vattenkänslighet : Inledande laboratorieundersökningar av trafikens inverkan på stripping-processen

VTlnotat

Nummer: V 117

- Datum: 1989-12-14

11tek ASFALTBELÄGGNINGARS VATTENKÄNSLIGHET

Inledande laboratorieundersökningar av trafikens inverkan på stripping-processen

Författare: Ulf Isacsson

Avdelning: Vägavde Iningen Projektnummer: 4203601-2

Projektnamn: Bituminösa material - Bituminösa massors egenskaper

Uppdragsgivare: VTl =

Distribution: begränsad /

Statens väg- och trafikinstitut

v, Veat- och Trafik-

Pa: 58101 Linköping. Tel. 013-204000. Telex 50125 VTISGIS. Telefax 013-14 1436 8

ASFALTBELÃGGNINGARS VATI'ENKÃNSLIGHET

Inledande laboratorieundersökningar av trafikens inverkan på strip-ping-processen

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

1 INLEDNING

2 PROVUTRUSTNING

3

UNDERSÖKNINGAR OCH RESULTAT

3.1 Förförsök i NES-utrustning

3.2 Försök i provvägsmaskin

3.2.1 Omgång 1 3.2.2 Omgång 2 3.2.3 Omgång 3

4 DISKUSSION OCH SLUTSATS

5 REFERENSER k a O o b øh -o b o b 10 12

1 INLEDNING

Närvaro av vatten i en vägkonstruktion kan på många sätt bidra till

förkortning av konstruktionens livslängd. Ett välkänt exempel är

sta-bilitet i bär- och förstärkningslager, som innehåller vattenkänsliga

komponenter. Ett annat välkänt exempel på Vägskador orsakade av vatten är de som följer av ojämna tjällyftningar.

Vatten kan också bidra till nedbrytning av en väg'genom.att tvätta

bort" bindemedel, som. håller samman stenarna i en asfaltbeläggning. Man talar i detta sammanhang om "stripping" i beläggningen. Fenomenet har varit känt alltsedan asfaltbeläggningar började användas.

Forsk-ning kring "stripping" i vägbeläggForsk-ningar startade exempelvis redan

1931 vid Statens väginstitut (1). Trots detta är kunskapen inom

mm-rådet klart otillräcklig. Detta indikerar ämnets komplexa natur. En

rad faktorer, såväl kemiska som fysikaliska, anses påverka strip-ping-processen (2).

En faktor som ofta nämns som väsentlig vid diskussionen av stripping i

asfaltbeläggningar är trafiken. Den kan genom sin "pumpande" verkan

tänkas påskynda stripping-processen (3). Trafikens roll kan också vara

att mekaniskt slita bort bindemedelsfilmen, som spontant lossnat från stenmaterialets yta, och därmed förhindra självläkning (4).

Experimentella undersökningar av trafikens inverkan på stripping i asfaltbeläggningar har inte påträffats i litteraturen. Skälen till detta förhållande är sannolikt flera. För att studera trafikens

in-verkan måste försökssträckor iordningställas i fält. Detta är kostsamt

och dessutom kan en rad andra faktorer än "stripping" vara orsak till nedbrytningen av beläggningen. Ett "halvt steg ut på vägen" är studier i en provvägsmaskin. Även om sådana undersökningar inte är helt "verk-lighetstrogna" har de uppenbara fördelar. Kostnaden per provyta i en

sådan anläggning är t ex låg jämfört med motsvarande provsträckor i fält. Olika parametrar som kan påverka resultatet är också lättare att

kontrollera i en provvägsmaskin än ute på vägen.

Provning av material, av vilket slag det vara må, är förknippad med

osäkerhet. Detta gäller i allra högsta grad bituminösa material, bl a

ma-terialtyp är mycket svåra att tillverka.

Funderingar av ovan beskrivet slag ligger bakom de undersökningar vid VTI som beskrivs i detta Notat.

2 PROVUTRUSTNING

8 provhållare ("celler") för marshallprovkroppar har tillverkats. Cellerna har monterats i VTI:s provvägsmaskin. En principskiss av

utrustningen ges i figur 1.

Varje provhållare, som är tillverkad av rostfritt stål (SIS 2333),

sitter monterad i en "låda". Denna provhållarlåda är i sin tur

pla-cerad i ett segment i VTI:s provvägsmaskin (se figur 1).

Genom ett vertikalt rör (ø 6 mm) strömmar vatten till provkroppen.

Vattenflödet delas upp på 4 längsgående spår och från dessa fortsätter

vattnet genom 16 kärl till provkroppens mantelyta. Ytterligare 4 kärl

(ø 3 mm) försörjer provkroppens botten med vatten. 6 st O-ringar av

gummi (ca 60 shore) förhindrar vattnet att fritt strömma ut genom gummi- och tryckplattan (se nedan) och håller samtidigt provkroppen på plats. Tryckplattan med pålimmad gummirondell är perforerad med 4 st

hål (ø 6 mm).

Provkroppen kan justeras i höjdled med en skruv (M 20), som verkar på undersidan av kolven (se figur 1).

Hastigheten i provvägsmaskinen är max 70 km/h. Vertikala lasten på hjulen kan regleras upp till ca 15 kN. Däcken som används i de ak-tuella undersökningarna är konade och släta (9.00-20). Ringtrycket är ca 700 kPa. Provvägsmaskinen är byggd för maximalt sex hjul, men i de försök, som beskrivs i avsnitt 3, används fyra hjul.

TRYCKPLATTA GUMNHPLATTA O-RING ROMKROPP KOLV JUSTERSKRUV CYUNDER ROVHÃLLARLÅDA

VATTEN

Flggr 1 _{Schematisk bild av provhållare för studier av "stripping" i}

3 UNDERSÖKNINGAR ocn RESULTAT 3.1 Förförsök i Mrs-utrustning

En av cellerna, som beskrivits i avsnitt 2, placerades med marshall-provkropp i en NES-utrustning. Provkroppen utsattes för upprepad be-lastning.

Tre försöksserier utfördes. I den första användes provkroppar, som

blivit över i ett annat projekt. Tyvärr är provkropparnas

samman-sättning okänd. Stenmaterialet i de två övriga serierna utgjordes av

skärlundagranit resp. gabbro (Kallax) och sammansattes till en "öppen" kurva (se figur 2). Bindemedlet var B180 från Nynäs Petroleum och bindemedelshalten 5.4 vikt-%.

Provkropparnas draghållfasthet bestämdes vid 10°C genom s k

press-dragprovning (5). Dessförinnan behandlades provkropparna på olika sätt

(vattenmättning vid undertryck, vattenlagring och/eller dynamisk be-lastning), se tabell 1.

Resultaten är svårtolkade. Försöksserie 1 (1A och 18 i tabell 1) an-tyder stor vattenkänslighet hos beläggningsmaterialet ifråga (okänd

sammansättning) medan detta ej är fallet i serie 2 och 3.

Beskriva försök i MTS-utrustningen är tidskrävande (dynamisk

belast-ning av en provkropp tar ca 1 dygn), vilket är orsaken till att inte

fler försök utförts.

3.2 Försök i provvägsmaskin

Ett stenmaterial (skärlundagranit) med tre olika

kornstorleksför-delningar (se figur 3) användes. Halten bindemedel (8180) var

genom-gående 5.8 vikt-%. Eftersträvad hålrumshalt hos marshallprovkroppar

tillverkade av de tre massorna var 5, 7.5 resp 10 vol-%.

3.2.1

ngågg_1

Tio marshallprovkroppar tillverkades av recept A (hålrumshalt ca 5 vol-%). Provkropparna behandlades enligt tabell 2, som också ger

drag-Po

ss

er

an

de

mo

nq

d,

vi

kt

pr

oc

cn

f

hållfastheter hos provkropparna före resp efter behandlingen. Försöken gav vissa praktiska erfarenheter:

slits ner mekaniskt av hjulen om skyddslock saknas. - provkropparna

Denna effekt är betydligt större vid 60 än vid 40 km/h (jfr

prov-kropp 7 och 8 med provprov-kropp 1 och 2)

- skyddslock minskar den "nedbrytande" effekten av vatten påtagligt

8.

0

-2

3

2

8

0 5 ₀

50

s

ååå

O

(jfr provkropp 3 och 4 med provkropp 1 och 2).

.O N 9 0! N . O N _{N O} '1 " ₁

t8

_ _ 1 _ -1 , _ _ _ 1 "1 _-4

L L I- . T' i-n .- F _ 1- y_ : I_ 1-. l - F' I - p r:- i I-;- p :- n : I- ;- i- - I- I; r- r- :- I- 7-- p- h- i. ' b I- . I- I- ' h- !- . i- !- !- p '-I- I- - 7- r- r- r- r- - P- - b :- p.: r I- _ r - h- - p :- i- :- T F. F. '-' I- ;- . P- I- ' P- !- r- .' n- _ I- 1 p.. b I-.- _ P- I- i; p I- .- I- I- :- p- .- I-I- p- !- I- I- I- . I- - r- r- I-:- _ I- I- ' I- ;- r- -. p ;- I- 1. p :-p Ir p- _ _ p. l- b_ I- I- I- ;- _ I-. i- :- | r- r- ' I- I- :- .. :- u- v- ' _ .. I-I I- I- I ;- _ I r- _ r- .. r- r- :- T .- .. I-P- II: I. i. I.. I. I- :- r- - I: I. I i. l- 1 i. I- c I. _ y- :' i- - .- ' .- : .-F P. D - - b I- I. _- p. b I-' I- I- ' I. - r- r- r- .. F- I- b l- a- 7-_ - I :- I .- r- .- u' p :- I- I r_ ;- :-n :- .- l 1-. ' !- r- ;- p. !- ;- i. :I: - P-I- I- I- b :- » E i- _ p- !- I P I- I-_ ua .J ;- p- r- :- ;- b i_ '- h- .- I-I- I- I- I- ;- D I- I- .-' P- I'- 5 r- a- , - p .- n. : I- l - .. r-' _- ,- l :- : l :- :- p .-1 .- c I .- .- 7-I- - I- I- I- :- h- :- '- I- '-.- ._ T :- !- 7_ h ;- ha i- .- : F l- i- .-b I- ' I- I- ' .- y- :- r- r- :- .-a i. i- : I- I- _ n- 0 .- ,. l l- _ .. _- p I. - :- i- I- I- I. |- :- l i- -n . i- r- r- i- I- I- :- l- _ I-I i. .- r- a- .- . .- .- - ._ .. I b I- .. ' #- h- ' - I- ' - .- un P.: I- ;- p p p II- _ T I. c I h- :- 1- p' .- r- - f b I_ ,-| _ p ' -I I I_ I. il- l.: - _ .- .- - p .- .- 1- E I- I- I- I- I- - .- i I; r- :-I- b 1-- ;- I- I-' I- I- _ r-' !- |- | i- : i i. I- i- l- _ I- i. I- i- I-- b I- _ p b I. i- r.- g.. l ha i-. i- v- . I'- - I- .- I- I.. :- p- .- n- = _ I.. i. - l- l i.. :- - I' i- l- '- ' I_ I- i-' I- - I 7-- i- I p_ - nu F- F'- IB I b- I- I-. .. .. l h h- ' r- - 7- - r- a- -s i- r-r- » r- '- i- I- i' i- '- - | I- I- r-I- I- - I- I- '- - I- I-' I- _ ' I- i- . w .- :- p- _ .- p- ;-I- .- I- I- .. I. 1 E 1.. ,. I ,. ,- F. .- - I- I- F- I- - i- I- i-p- .. ' .. - I .. .. O - pl - .. .T I L- » .. i I- r- r F- _ l _ I- , -' P1 P- _ b- T I- I- .-' .i .- . I- ;- l I- P P, i- g.: h. i- b i- :- I- I- I_ I. I- I- _- : i :- h- :-'- i- I- I- I- '- I- I- I- - p. i-_ iu - I. - I- i. :- p- .. h _ .p .. ' I- p. , r- .- 1 '-0 in 1-. i- _ 1- l i- '- I-I- - - - I- 7 0 i_ i' h- :- p. I- I- _ l l- - I I. F I nu I _- F" 7- I- I- I P- P' I-' I' .- l *- r- . I- I- I- - p- _- l - I- -I_ - p- : - 7- lII' p- b- .. b 7- p 4 1-. p - I-H._{. P}E I.._. .J_' ;-_'- .J_' 0 I._{1- 7-,}-- _P-_- _{_}LT. _pI. J _:-.. _P-.- T_ I-;- - u- .. u- - ._ p. I p. I. .-i b .. 1 p- . .- 1-1 - -o i- ' 7-» i- I-_ r- --S , .- ;- i. _ i.. n- i- .-F- 5 P7 F- F- ' I-. 4 1/ l : -J - .. , L' - c '3 O ' ' * P ' L: ' ' t . . 1- p r- i- i-I- I- I- p- b I l F: | P_ ,_2 __ r' I __ E __ l 0 ;:_ I b" I-"'« '- E . II l 7-" I-*- I I

llTrlTllllTlI'TI f 0 T tai 1 I 2 lins.||nlIT F | r Ii I lr FT:.IHF{ T T 00 T

i 8 11,3 16 2025 0.: N 2 4 5,6 .-5 " 0 . 0.074 0.125 Kornsforiek, mm

Kornstorleksfördelning hos stenmaterialet (omgång 1).

Figur 2

U

(omgång 2 och 3).

Fi ur 3 Kornstorleksfördelning hos stenmaterialet i tre olika massor

0074 0325 025 05 10 4 5,6 8 11.2 16 20 32 50 64 C: ) A C: ) N O Pa ss er an de män gd , vi kt pr oc en t D J _C:)

8;

(1 1 C: ) (7 \ C: ) N (Z) (1 ) C: ) \( > C: ) ._ L C: ) (2 ) I -. . F -c . -. .1 . -_ _ F . _ . a _ . _ . F . _ . _ . . . 1 . . . -F -% -. . 1 . -. . . I -. . -. . F -_ _ F _ 1 ll ll l II I 11 11 11 11 1 ll ll ll ll l I T T I I I I I I F I I I I I I I I I I I T I I I I I 11 11 11 11 1 ll ll ll ll l I I I I I I I T T I T I III I I I Illlllllllll ll ll ll II .. -1 .. . 1 H H H H _ _ L . . _ . ll ll ll ll l __ _L.. __ I II TT TI II _ _ L . . _ _. _. L -_ ul llll ll l _ _1 -. ._ -_ L _ _ Il ll ll ll l _ _ L -. _ II II II I1 I __ L_ _1 l l l l l l l l l . _ _ L _ _ Il ll ll ll 1 11 11 11 1

1

I I I T I I I I I ll ll ll ll l II II 1T II I TI TT TI 1I I 1111 11 11 1 11 11 11 11 1 11 11 11 11 111 11 11 11 1 T _T Il ll ll ll l _ _ L -. _ 1 Il ll ll .- --4 11 11 11 11 L _ _ .1 .1 11 11 1 . . -1 . -.1 11 11 11 1 _ _ L . . _ I l l l r l l l l _ _ L -. Il ll ll ll l -. .L .. .. I I I I I I I I I _ _ L . . _ . I n uun _. .. L. ._ _ I l l l l l 1 l l _ . _ . L _ _ T41417 11 I] II II IIII I F 1 ' 11 11 11 r\ _' ,ør " 11 11 11 .1 1 I I I I I I I I I / ]> ll ll ll ll l l l l l l l l l l II II II II I l l l l l T T T T T I T I I I I I l 1 11 11 11 11 1 l 11 11 11 11 1

/

CD

l [ 1 1 1 1 1 1 1 1

/E

I 11 11 !! ! I Il ll ll ll l

\

l I I I I I I I I I l II II II II I l lI lI II Il I I I I I I I I I I T s T I I I I II

I l l l l l l l l ll ll ll ll l l l l l l l e l l l l l l l l l II I L1 11 ] Il ll Ll ll l I l l l i l l l Ii ll ll ll l I I I I I I T I T I I I I I III I II II II II I [1 11 11 11 1 I l l l l l l l l 11 11 '1 11 1 _ _ _ L . . _ -1

ll ll ll ll l Il ll ll ll I I I I I I I I I I |l l l l l f l l I I I I I ITI U II II il II I I I I I l l l l l T T 1 I I |I I I Il ll ll ll l Il ll ll ll l T l 1 l l l l l l II 11 Till 1 l l l l l l l l l : -L -. . 1. .. .. I I II I I I I I . _ _ L .._ I 1 I l |l l l l _ _ L . . _ _ I I T I I T T I T . _ _ L . . _ II II 1I II I .. ._ _L .. _ Il llll ll l . _ _ L _ _ Il ll ll lll _ _ L . -_ T I 1 I T T I I I __ L. ._ .. ll ll ll ll l -_ L _ _ II II II II I _ _ L _ T I I I 1 1 F I I I I III I I I T T I I I I I I I T I I I I III 1r 11 11 11 1 Il ll ll ll l l l l l l l I T T Il ll ll ll l

IIII Il lI I 11 11 11 11 1

II I I I I I I T _. .T

Tabell 1 Resultat vid förförsök i MTS-utrustning (medelvärden med fet

stil).

Prov nr Behandlings- Draghållfasthet (MPa)

sätt ***) Försöksserie nr 1A lB *) 2 3 1 **) 1.35 1.49 0.97 1.06 2 **) 1.25 - 1.16 1.03 1.30 1.06 1.04 3 A n - 1.08 1909 4 - - 1.13 1.10 1.10 1.10 5 B 0.59 - 0.97 1.11 - 0.57 0.94 1.01 0.96 1.06 7 A, C w 0.77 0.75 0.91 m - 0.94 1.11 0.84 1.01 9 A, C, B 0.25 - 0.95 0.89 10 - 0.29 - 0.94 0.92

*) Lagrade i rumstemp. ca 1 år. Paraffinrester från

skrymden-sitetsbestämningen **) Torra provkroppar

***) A: Vattenmättning vid 20 mm Hg under 3 timmar

B= Dynamisk belastning (50000 belastningar om vardera 0.15,

vilo-tid 1.4 s, kontakttryck 0.66 MPa) i cirkulerande vatten (40°C) C= Vattenlagring 72 timmar vid 40°c.

Tabell 2 Resultat vid försök i provvägsmaskin (omgång 1).

Provkrcpp nr Behandling Draghållfasthet vid 10°C

(kPa) 1 40°C, 60 km/h, 1060 8000 överfarter 1220 1140 3 40°C, 60 km/h, 1840 50000 Överfarter 1660 skyddslock på provet 1750 vattenmättning vid 1950 20 mm Hg 1790 1870 7 40°C, 40 km/h 1630 8 25000 Överfarter 1600 Inget skyddslock på provet 1620 9 Ingen 2020 10 -"- 1960 1990

3.2.2

ngång_2

Massa A användes. 6 provkroppar instampades. Två av dessa undersöktes "obehandlade" (torra) med avseende på draghållfasthet (provkropp nr 1

och 2). Två provkroppar (nr 3 och 4) utsattes för vattengenomströmning

under 30 timmar (vattnets temperatur 40°C) utan belastning från

rul-lande hjul. De två återstående provkropparna utsattes dessutom för

"trafik" (90000 överfarter) under 30 timmar (skyddslock). Resultaten ges i tabell 3.

Om dessa resultat är representativa skulle huvuddelen av draghållfast-hetsminskningen få tillskrivas det genomströmmande vattnet och endast

en mindre del trafikens pumpande effekt".

Tabell 3 Resultat vid försök i provvägsmaskin (omgång 2).

Provkropp nr Behandling Draghållfasthet vid 10°C (kPa)

1 Ingen (torra prov- 1830

2 kroppar) 1830 1830 3 Vattengenomströmning, 1110 4 30 h vid 40°C 1170 1140 5 Vattengenomströmning, 940 6 30 h vid 40°C, 90000 960 överfarter, 40 km/h 950

3.2.3

gmgång_3

Vid beskrivna försök utförda i provvägsmaskinen (avsnitt 3.2.1 och

10

snabbare tillverkades ytterligare 6 celler, som monterades i prov-hållarlådan (se avsnitt 2).

Ett större antal marshallprovkroppar tillverkades av massorna A, B eller C (se avsnitt 3.2). Provkropparna placerades i cellerna, 8 st i varje omgång, och utsattes för vattengenomströmning (40°C) upp till 20

h. Efter 5, 10, 15 och 20 timmar togs 2 provkroppar ut och

draghåll-fastheten bestämdes vid 10°C.

Resultaten lär mycket "risiga", vilket framgår av figur 4. Någon

ten-dens till avtagande draghållfasthet med genomströmningstid kan inte avläsas. Förklaringen till denna anomali kan vara att mängden genom-strömmat vatten varierar från cell till cell och att denna variation har större betydelse för draghållfastheten än tiden för vattenbe-handlingen. I figur 4 finns endast en resultatkurva (CS + pvm) där trafikbelastning (jfr avsnitt 3.2.2) av provkropparna skett.

Resul-tatet denna gång är mer "trovärdigt" (minskad draghållfasthet med

tiden), men kan vara "en ren tillfällighet". Det skall dessutom på-pekas att punkterna i figur 4 är medelvärden beräknade ur enskilda värden, som ofta varierar kraftigt.

4 DISKUSSION OCH SLUTSATS

Resultaten av de inledande försök, som beskrivits i avsnitt 3, är

mycket svårtolkade. Någon entydig tendens till minskning i

draghåll-fasthet med tiden vid vattenbehandling av cellkropparna har inte kun-nat utläsas. Detta delproblem. måste först lösas innan en eventuell effekt av "trafiken" kan studeras. Volymen vatten per tidsenhet måste vara densamma kring varje provkropp. Detta borde kunna åstadkommas med reduceringsventil vid resp cell.

Sedan detta och eventuellt andra "apparatproblem" bemästrats kan de egentliga försöken starta. En rad parametrar som kan påverka

resul-tatet bör studeras, t ex:

- typ av bindemedel och stenmaterial - bindemedelshalt

11

- beläggningstyp

- temperatur

belastningens storlek

inverkan av vidhäftningsmedel

Det inses lätt att undersökningar, som.skall belysa dessa och andra parametrar blir mycket tidskrävande och därmed kostsamma. Detta i kombination med hittills erhållna, föga uppmuntrande resultat, skulle

kunna ge "pessimisten råg i ryggen". Ur flera aspekter är det dock för tidigt att "kasta yxan i sjön". Förhållandevis stora resurser har

re-dan nedlagts i framtagningen av beskriven utrustning, vars använd-barhet därför bör ytterligare undersökas. Ett annat väsentligt skäl för fortsatta undersökningar är den, även i ett internationellt per-spektiv, totala bristen på kunskap inom det aktuella området. VTI bör därför med egna och/eller externa medel fortsätta den beskrivna forsk-ningen åtminstone ytterligare ett par år. v

INDIREng

DRAGHALL-FASTHET

'

2100

(kPa)

1700

1300

900

0

5

10

13

20

GENOMSTRÖMNlNGSTID (rimmar)

Figur 4 Draghållfasthet vid 10°C hos marshallprovkroppar som vattenbehandlas (40°C) under olika långa tidsperioder

12

REFERENSER

U. Isacsson, "Bituminösa beläggningars vattenbeständighet - en kort redogörelse för svenska erfarenheter. Rapport till utskotts-mötet på Färöarna den 30 juni 1986" VTI Notat nr 21 (1987).

U. Isacsson, "Vidhäftning i bituminösa beläggningar. En littera-turutredning" VTI Meddelande nr 6 (1976).

C. Mack, "Physical Chemistry" Chap. 2 in Hoiberg, A.J., ed., "Bi-tuminous materials: Asphalt, Tars and Pitches". Vol. I, pp.

25-123, Interscience, NY (1964).

D.H. Mathews, Adhesion of bituminous Road Materials: A surwey of

present Knowledge". J. Inst. Petrol. 44 (1958) 423.

U. Isacsson och T. Jörgensen, "Laboratory methods for deter-mination of the water susceptibility of bituminous pavments. Experience gained in the Nordic countries" VTI Rapport 324A.