Accelererad provning av vägkonstruktioner : med och utan polymermodifierat bitumen i bindlager

VTI rapport 576 Utgivningsår 2010

www.vti.se/publikationer

Accelererad provning av vägkonstruktioner

Med och utan polymermodifierat bitumen i bindlager

Utgivare: Publikation: VTI rapport 576 Utgivningsår: 2010 Projektnummer: 60897 Dnr: 2006/0731-29 581 95 Linköping Projektnamn:

Accelererad provning av vägkonstruktioner med HVS

Författare: Uppdragsgivare:

Leif G Wiman Vägverket

Titel:

Accelererad provning av vägkonstruktioner – med och utan polymermodifierat bitumen i bindlager

Referat (bakgrund, syfte, metod, resultat) max 200 ord:

Föreliggande rapport beskriver ett fullskaligt försök, SE09, som genomförts med accelererad belastning med HVS-utrustningen (Heavy Vehicle Simulator) i VTI:s provhallar. Fullskaliga vägöverbyggnader har byggts i dessa hallar på en undergrund av finkornig sand och utsatts för accelererad belastning med lastbilshjul. Totalt har sammanlagt 0,5 miljon belastningar genomförts vid tre olika beläggningstempe-raturer (+10°C, +20°C och +30°C) under perioden december 2004–mars 2005.

Syftet med försöket var att studera stabilitetsegenskaperna hos två konstruktioner med olika bindlager i relativt tjock asfaltbeläggning vid olika temperaturer. I den ena konstruktionen användes polymermodi-fierat bindemedel i bindlagret och i den andra ett konventionellt bindemedel (ABb 22, 70/100, enligt ATB Väg).

Konstruktionen med polymermodifierat bitumen i bindlagret visar som väntat mindre spårbildning på ytan. Efter de två första perioderna (med +10°C och +20°C i beläggningen) uppmättes spårdjupet på konstruktionen med polymermodifierat bindemedel i bindlagret till 13 mm, jämfört med 20 mm (+50 %) på referenskonstruktionen.

Under perioden med +20°C i beläggningen visar referenskonstruktionen upptryckningar vid sidan av spåret som tecken på att efterpackningen övergår i materialförflyttning i sidled medan detta inträffar först under perioden med +30°C i beläggningen för konstruktionen med polymermodifierat bindemedel i bindlagret.

Skillnaden i spårdjup på ytan kan bara till en del förklaras med skillnaden i deformation av själva bind-lagren. Efter de två första perioderna uppmättes 2,5 mm deformation i bindlagret med polymermodifierat bindemedel och 4 mm (+60 %) i referensbindlagret. I båda fallen utgjorde deformationen 20 % av spår-djupet på ytan. Främsta förklaringen till mindre deformation i bindlagret med polymermodifierat bitumen är den mindre fasvinkeln för detta material. Mindre fasvinkel innebär att de elastiska egen-skaperna är större och de viskösa mindre, fasvinkel 90° betyder rent visköst material och fasvinkel 0° rent elastiskt material. I det här fallet var fasvinkeln 17 % större för referensbindlagret vilket resulterade i 60 % större deformation efter de två första perioderna (+10°C och +20°C).

Nyckelord:

Accelererad provning, HVS, polymermodifierat bitumen, spårbildning, deformation, fasvinkel

Publisher: Publication: VTI rapport 576 Published: 2010 Project code: 60897 Dnr: 2006/0731-29

SE-581 95 Linköping Sweden Project:

Accelerated load testing of pavement structures

Author: Sponsor:

Leif G Wiman Swedish Road Administration

Title:

Accelerated load testing of pavement structures – with and without polymer modified bitumen in the binder course

Abstract (background, aim, method, result) max 200 words:

In this report, a full-scale test, SE09, is described. The test was performed through accelerated testing using the HVS (Heavy Vehicle Simulator) in the road laboratory at the VTI. Full-scale road structures were constructed in the laboratory on a sub grade of fine graded sand, and accelerated loading was carried on by the HVS using a truck wheel. Totally, together 0,5 million loadings were carried on in three different pavement temperatures (+10°C, +20°C and +30°C) under the period of December 2004– March 2005.

The aim of the test was to study the stability characteristics of two pavement structures with different binder courses in relatively thick bitumen pavements in different temperatures. In one of the structures, polymer modified bitumen was used in the binder course, and in the other a conventional bitumen (ABb22, 70/100, according to the Swedish ATB Väg).

The structure with the polymer modified bitumen in the binder course proves, as expected, less rutting on the surface. After the first two periods (with temperatures of +10°C and +20°C) the rutting was measured to be 13 mm, compared to 20 mm (+50%) in the reference structure.

Under the period when the temperature is +20°C, the reference structure proves upwards pressings along the rutting while this is the case first in the temperature of +30°C concerning the structure with polymer modified bitumen in the binder course.

The difference in rut depth on the surface can only partly be explained by the difference in the

deformation of the binder course itself. After the two first periods there was a 2,5 mm deformation in the binder course with the polymer modified bitumen and 4 mm (+60%) in the reference binder course. In both cases the deformation was 20% of the rut depth on the surface. The foremost explanation to less deformation in the binder course with polymer modified bitumen is the lesser phase angle of this material. Lesser phase angle implies that the elastic characteristics are greater and the viscous

characteristics are lesser, phase angle 90° implies merely viscous material and phase angle 0° implies merely elastic material. In this case the phase angle was 17% greater for the reference binder material, which resulted in 60% greater deformation after the two first periods (+10°C and +20°C).

Keywords:

Accelerated load testing, binder course, polymermodified bitumen, rutting, heavy vehicle simulator

ISSN: Language: No. of pages:

Förord

Föreliggande VTI rapport redovisar resultatet från ett accelererat fullskaleprov av två tjocka beläggningar med olika bindemedel i bindlagret, ett med konventionellt binde-medel och ett med polymermodifierat bindebinde-medel. Provet har genomförts i VTI:s provhallar med HVS-utrustningen (Heavy Vehicle Simulator).

Vägverket har finansierat projektet och kontaktman på Vägverket har varit Klas Hermelin.

Ett varmt tack framförs till alla som medverkat och speciellt till VTI-medarbetarna Håkan Carlsson, Tomas Halldin och Safwat Said. Gunilla Sjöberg, VTI, har slut-redigerat rapporten.

Linköping februari 2010

Kvalitetsgranskning

Intern peer review har genomförts 2010-02-11 av Safwat Said, VTI. Leif G Wiman, VTI, har genomfört justeringar av slutligt rapportmanus. Projektledarens närmaste chef, Gunilla Franzén, VTI, har därefter granskat och godkänt publikationen för publicering 2010-03-12.

Quality review

Internal peer review was performed on 11 February 2010 by Safwat Said, VTI. Leif G Wiman, VTI, has made alterations to the final manuscript of the report. The research director of the project manager, Gunilla Franzén, VTI, examined and approved the report for publication on 12 March 2010.

Innehållsförteckning

Sammanfattning ... 5 Summary ... 7 1 Inledning ... 9 2 Syfte ... 11 3 Testkonstruktion ... 12 3.1 Stabilitetstest SE09... 12 4 Allmänt om testmetoden ... 19

4.1 Testmetod vid SE09 försöket... 19

5 Resultat... 21

5.1 Provbelastning med fallvikt före försöket ... 21

5.2 Spårdjup på ytan... 21

5.3 Permanent deformation i beläggningslagren ... 25

6 Diskussion och slutsatser ... 32

Accelererad provning av vägkonstruktioner – med och utan polymermodifierat bitumen i bindlager av Leif G Wiman VTI 581 95 Linköping

Sammanfattning

Föreliggande rapport beskriver ett fullskaligt försök, SE09, som genomförts med accelererad belastning med HVS-utrustningen (Heavy Vehicle Simulator) i VTI:s provhallar. Fullskaliga vägöverbyggnader har byggts i dessa hallar på en undergrund av finkornig sand och utsatts för accelererad belastning med lastbilshjul. Totalt har

sammanlagt en halv miljon belastningar genomförts vid tre olika

beläggnings-temperaturer (+10°C, +20°C och +30°C) under perioden december 2004–mars 2005. Syftet med försöket var att studera stabilitetsegenskaperna hos två konstruktioner med olika bindlager i relativt tjock asfaltbeläggning vid olika temperaturer. I den ena

konstruktionen användes polymermodifierat bindemedel i bindlagret och i den andra ett konventionellt bindemedel (ABb 22, 70/100, enligt ATB Väg).

Konstruktionen med polymermodifierat bitumen i bindlagret visar som väntat mindre spårbildning på ytan. Efter de två första perioderna (med +10°C och +20°C i belägg-ningen) uppmättes spårdjupet på konstruktionen med polymermodifierat bindemedel i bindlagret till 13 mm, jämfört med 20 mm (+50 %) på referenskonstruktionen.

Under perioden med +20°C i beläggningen visar referenskonstruktionen upptryckningar vid sidan av spåret som tecken på att efterpackningen övergår i materialförflyttning i sidled medan detta inträffar först under perioden med +30°C i beläggningen för konstruktionen med polymermodifierat bindemedel i bindlagret.

Skillnaden i spårdjup på ytan kan bara till en del förklaras med skillnaden i deformation av själva bindlagren. Efter de två första perioderna uppmättes 2,5 mm deformation i bindlagret med polymermodifierat bindemedel och 4 mm (+60 %) i referensbindlagret. I båda fallen utgjorde deformationen 20 % av spårdjupet på ytan. Främsta förklaringen till mindre deformation i bindlagret med polymermodifierat bitumen är den mindre fasvinkeln för detta material. Mindre fasvinkel innebär att de elastiska egenskaperna är större och de viskösa mindre, fasvinkel 90° betyder rent visköst material och fasvinkel 0° rent elastiskt material. I det här fallet var fasvinkeln 17 % större för referensbind-lagret vilket resulterade i 60 % större deformation efter de två första perioderna (+10°C och +20°C).

Att förbättrade egenskaper hos bindlagret har betydelse för övriga materiallager i konstruktionen är sannolikt men kan inte tydligt visas med de mätningar som genom-förts. De egenskapsanalyser som gjordes i laboratoriet på borrkärnor från bindlagren visar dock att bindlagret med polymermodifierat bitumen har högre styvhets- och skjuvmodul vid höga temperaturer jämfört med bindlagret i referenskonstruktionen. Detta har sannolikt resulterat i mindre deformationer i underliggande materiallager (AG-lager och undergrund) för konstruktionen med polymermodifierat bitumen i bindlagret och därmed mindre spårbildning på ytan.

Accelerated load testing of pavement structures – with and without polymer modified bitumen in the binder course

by Leif G Wiman

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

Summary

In this report, a full-scale test, SE09, is described. The test was performed through accelerated testing using the HVS (Heavy Vehicle Simulator) in the road laboratory at the VTI. Full-scale road structures were constructed in the laboratory on a subgrade of fine graded sand, and accelerated loading was carried on by the HVS using a truck wheel. Totally, together 0,5 million loadings were carried on in three different pavement temperatures (+10°C, +20°C and +30°C) under the period of December 2004–March 2005.

The aim of the test was to study the stability characteristics of two pavement structures with different binder courses in relatively thick bitumen pavements in different

temperatures. In one of the structures, polymer modified bitumen was used in the binder course, and in the other a conventional bitumen (ABb22, 70/100, according to the Swedish ATB Väg).

The structure with the polymer modified bitumen in the binder course proves, as expected, less rutting on the surface. After the first two periods (with temperatures of +10°C and +20°C) the rutting was measured to be 13 mm, compared to 20 mm (+50%) in the reference structure.

Under the period when the temperature is +20°C, the reference structure proves up-wards pressings along the rutting while this is the case first in the temperature of +30°C concerning the structure with polymer modified bitumen in the binder course.

The difference in rut depth on the surface can only partly be explained by the difference in the deformation of the binder course itself. After the two first periods there was a 2,5 mm deformation in the binder course with the polymer modified bitumen and 4 mm (+60%) in the reference binder course. In both cases the deformation was 20% of the rut depth on the surface. The foremost explanation to less deformation in the binder course with polymer modified bitumen is the lesser phase angle of this material. Lesser phase angle implies that the elastic characteristics are greater and the viscous characteristics are lesser, phase angle 90° implies merely viscous material and phase angle 0° implies merely elastic material. In this case the phase angle was 17% greater for the reference binder material, which resulted in 60% greater deformation after the two first periods (+10°C and +20°C).

1 Inledning

Föreliggande rapport beskriver ett fullskaligt försök, (SE09), som genomförts med accelererad belastning med HVS-utrustningen (Heavy Vehicle Simulator) i VTI:s provhallar. Fullskaliga vägöverbyggnader har byggts i dessa hallar på en undergrund av finkornig sand och utsatts för accelererad belastning med lastbilshjul. Totalt har

sammanlagt en halv miljon belastningar genomförts vid tre olika beläggningstempera-turer (+10°C, +20°C och +30°C) under perioden december 2004–mars 2005.

HVS-utrustning är mobil vilket innebär att den kan användas både i speciella provan-läggningar och ute på befintliga vägar. Korta sträckor kan den förflyttas för egen maskin och längre sträckor som påhängsvagn till dragfordon.

Figur 1 HVS-maskin under pågående test i VTI:s provhall.

Figur 3 HVS vid transport med hjälp av dragbil.

2 Syfte

Syftet med försöket, SE09, var att studera stabilitetsegenskaperna hos två konstruk-tioner med olika bindlager i relativt tjock asfaltbeläggning vid olika temperaturer. I den ena konstruktionen användes polymermodifierat bindemedel i bindlagret och i den andra ett konventionellt bindemedel (ABb 22, 70/100, enligt ATB Väg).

3 Testkonstruktion

En beskrivning av de testade överbyggnadstyperna ges nedan. Lagertjocklekar, material och materialegenskaper samt instrumentering av testkonstruktionerna redovisas.

3.1 Stabilitetstest

SE09

I detta test undersöktes två överbyggnadskonstruktioner samtidigt. Konstruktionerna byggdes samtidigt i var sin halva av provhallen och var lika med avseende på lager-tjocklekar men olika med avseende på bindlagrens sammansättning. Ett bindlager med polymermodifierat bitumen och relativt goda stabilitetsegenskaper ingick i testkonstruk-tion 1 (modifierad) och ett konventestkonstruk-tionellt bindlager enligt Vägverkets ATB VÄG i testkonstruktion 2 (referens).

3.1.1 Lagertjocklekar

Undergrunden till testkonstruktionerna utgjordes av 2,5 m finkornig sand på betong-bottnen i provhallen.

Planerade och verkliga lagertjocklekar i överbyggnaderna i SE09 framgår av figur 4 och tabell 1. 39 35 84 82 79 81 197 198 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Modifierad Referens Krossat bärlager AG22 160/220 ABb 22, 70/100, (ATBVäg) ABb (Modifierat) Slitlager, ABT11 70/100

Figur 4 Testkonstruktioner och verkliga lagertjocklekar i SE09.

Tabell 1 Lagertjocklekar.

Lager Planerade tjocklekar Verkliga tjocklekar

Konstruktion 1 (modifierad) Konstruktion 2 (referens) Slitlager 40 mm 39 mm 35 mm Bindlager 90 mm 84 mm 82 mm Ag-lager 90 mm 79 mm 81 mm Beläggning totalt 220 mm 202 mm 198 mm Obundet bärlager 200 mm 197 mm 198 mm 3.1.2 Instrumentering

Under uppbyggnaden av testkonstruktionerna har givare successivt placerats i väg-kroppens centrumlinje. Följande givare har använts i SE09 testet:

• Induktiva spolar, (εMU-spolar), för registrering av vertikala deformationer och töjningar i asfaltlagren, både dynamiskt och statiskt

• Temperaturgivare på olika nivåer i beläggningen

• Horisontella töjningsgivare, (ASG), i underkant av beläggningen i längdled och tvärled

• Tryckgivare, (SPC), för registrering av vertikala spänningar i grusbärlagret • LVDT-givare för registrering av ytdeflektioner.

Figur 5 visar ett längdsnitt i centrumlinjen med givarnas placering.

ASG104 ASG101 ASG103 ASG57

ASG106 ASG102 ASG105 ASG 100

SPC239 SPC240 SPC242 SPC243 SPC245 SPC246 SPC201 SPC202 SPC203 SPC205 SPC206 SPC211 LVDT32 LVDT31 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Beläggningsyta Yta bindlager Yta AG Bärlageryta Terrassyta Asf.töjn tvärs, ASG Asf.töjn. längs, ASG Def. Beläggning (Emu-spolar) Vert.spänning, SPC Ytdeflektion(1) Ytdeflektion(2) Temperaturgivare Tvärprofiler Undergrund: Sand Bindlager: ATB Väg ABb 22 70/100

200 mm Bärlagergrus Gräns för 2 olika bindlagermaterial

40 mm Slitlager ABT12 70/100

90 mm Bindlager Bindlager: Modifierat ABb 22

90 mm AG22 160/220

Mätvärden från dessa givare har samlats in med belastningshjulet i centrumlinjen vid upprepade tillfällen under försökets gång.

3.1.3 Undergrund

Undergrunden i SE09 testet var densamma som vid tidigare tester i VTI:s provhallar. Dess sammansättning och egenskaper återges i figur 6 och tabell 2.

0.075 2 4 5.68 11.216 31.5 45 63 90 200 0.002 0.006 0.02 0.063 0.125 0.25 0.5 1 0.002 0.006 0.02 0.06 0.2 0.6 2 6 20 60

Clay Silt Sand Gravel

f ine medium coarse f ine medium coarse fine medium coarse

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Particle s ize, m m P e rc e nt a ge pa s s ing Sand, HVS

Figur 6 Kornkurva för sandundergrunden.

Tabell 2 Analys- och mätresultat för undergrunden.

Egenskap Sekt. 0-3 m (mod) Sekt. 3-6 m (ref)

Maximal torr skrymdensitet

enl. Modifierad Proctor 1,72 kg/dm

3

Optimal vattenhalt 14,4 %

Torr skrymdensitet in situ

Isotopmätning (medelvärde) 1,70 kg/dm 3 1,71 kg/dm3 Vattenhalt in situ Isotopmätning 10,0 % 8,9 % Packningsgrad 99,2 % 99,4 % Statisk plattbelastning, Ev1

Method: DIN18134. 36 MPa

Statisk plattbelastning, Ev2

Method: DIN18134. 107 MPa

Statisk plattbelastning, Ev2/Ev1

3,0 Method: DIN18134.

3.1.4 Obundet bärlager

Det obundna bärlagret var gemensamt för de båda testkonstruktionerna och utgjordes av krossat berg (granit) från Skärlunda. Sammansättning och egenskaper bestämda i

laboratoriet och på färdig yta redovisas i figur 7 och tabell 3.

Figur 7 Kornkurva för krossat bärlager, yta 1 = modifierad (sekt. 0–3 m), yta 2 = referens (sekt. 3–6 m). grov mellan fin grov mellan

fin 0,2 Sand 0,6 2 6 Grus 20 60

0,06 1 0,5 0,25 0,125 0,063 2 4 5,6 8 11,2 16 31,5 45 63 90 200 0,075 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Kornstorlek, m m P a sser an d e m än g d Bärlager Yta 1 Bärlager Yta 2 Bärlager, ATB VÄG 2003

Tabell 3 Analys- och mätresultat för krossat bärlager.

Egenskap Modifierad,

sekt. 0–3 m

Referens, sekt. 3–6 m Maximal torr skrymdensitet

enl. Modifierad Proctor 2,17 kg/dm

3

Optimal vattenhalt 4,7 %

Torr skrymdensitet in situ

Isotopmätning (medelvärde) 2,14 kg/dm 3 2,12 kg/dm3 Vattenhalt in situ Isotopmätning 6,1 % 6,2 % Packningsgrad 99 % 98 % Statisk plattbelastning, Ev1

Method: DIN18134 70 MPa 71 MPa

Statisk plattbelastning, Ev2

Method: DIN18134 162 MPa 159 MPa

Statisk plattbelastning, Ev2/Ev1

2,4 2,3 Method: DIN18134

Som framgår av tabellen ovan uppvisar det krossade bärlagret i de två konstruktionerna likvärdiga egenskaper.

3.1.5 Bitumenbundet bärlager

Det bitumenbundna bärlagret var också gemensamt för de två konstruktionerna (AG 22, 160/220) med följande egenskaper bestämda på borrkärnor i lab.

Tabell 4 Analysresultat för bitumenbundet bärlager.

Egenskap SE09, AG 22, 160/220 Obelastad yta Hålrum, % 7,1 Skrymdensitet, g/cm3 2,372 Kompacktdensitet, g/cm3 2,553 Styvhetsmodul, MPa Pressdragprov, +10°C 5 423 Skjuvmodul, MPa +10°C 2668 Skjuvmodul, MPa +20°C 1 386 Skjuvmodul, MPa +30°C 683 Fasvinkel, ° +10°C 22,1 Fasvinkel, ° +20°C 28,7 Fasvinkel, ° +30°C 31,3 16 VTI rapport 576

3.1.6 Bindlager

Egenskaperna för de båda bindlagertyperna, bestämda på borrkärnor i laboratorium, framgår av följande tabell.

Tabell 5 Analysresultat för bindlagren.

SE09 Bindlager, obelastad yta Egenskap Modiferat ABb 22, 70/100 Hålrum, % 6,1 6,0 Skrymdensitet, g/cm3 2,335 2,364 Kompacktdensitet, g/cm3 2,488 2,514 Styvhetsmodul, MPa Pressdragprov, +5°C 11 858 12 145 Styvhetsmodul, MPa Pressdragprov, +10°C 7962 7 837 Styvhetsmodul, MPa Pressdragprov, +20°C 3 849 3 214 Skjuvmodul, MPa +10°C 2 808 3 033 Skjuvmodul, MPa +20°C 1 764 1 818 Skjuvmodul, MPa +30°C 1 016 942 Fasvinkel, ° +10°C 15,2 17,2 Fasvinkel, ° +20°C 20,8 24,4 Fasvinkel, ° +30°C 24,8 28,9

Man kan konstatera att det modifierade bindlagret uppvisar högre styvhets- och skjuv-moduler vid högre temperaturer och samtidigt lägre fasvinkel, vilket tyder på bättre stabilitetsegenskaper. Fasvinkel 90° innebär fullt viskösa egenskaper och fasvinkel 0° innebär fullt elastiska egenskaper.

3.1.7 Slitlager

Slitlagret var gemensamt för de två konstruktionerna (ABT 11, 70/100) med följande egenskaper bestämda på borrkärnor i lab.

Tabell 6 Analysresultat för slitlagret.

Egenskap SE09, ABT 11, 70/100

Obelastad yta 3,0 Hålrum, % Skrymdensitet, g/cm3 2,380 Kompaktdensitet, g/cm3 2,453 Styhetsmodul, MPa Pressdragprov, +10°C 7 614 Skjuvmodul, MPa +10°C 2 697 Skjuvmodul, MPa +20°C 1 482 Skjuvmodul, MPa +30°C 688 Fasvinkel, ° +10°C 17,8 Fasvinkel, ° +20°C 27,5 Fasvinkel, ° +30°C 32,9 18 VTI rapport 576

4

Allmänt om testmetoden

De accelererade belastningsförsöken har utförts med HVS-utrustningen, (Heavy Vehicle Simulator), i VTI:s provhallar i Linköping. HVS-utrustningen belastar testkonstruk-tionen via ett ordinärt lastbilshjul som kan vara antingen singelhjul eller parhjul. Normalt inleds ett försök med en begränsad förbelastning som består av 20 000 över-farter med en låg hjullast (30 kN). Vidare genomförs i regel ett omfattande mätprogram innan själva huvudförsöket startas där mätdata från alla givare i instrumenteringen samlas in vid variation av belastningsparametrarna. Resultaten från dessa s.k. respons-mätningar lagras efter kvalitetskontroll i en Access-databas för senare analyser.

Exempel på kommande analyser är utvärderingar av olika väguppbyggnader, samband mellan belastningsparametrarna och påkänningar i vägkroppen, utveckling och valide-ring av teoretiska modeller etc.

Under huvudförsöket genomförs dessutom vid upprepade tillfällen en begränsad responsmätning med samma belastningsparametrar som används i huvudförsöket. 4.1 Testmetod vid SE09 försöket

SE09 försöket genomfördes på ett något annorlunda sätt jämfört med tidigare tester (Wiman, 2001; 2006). Förbelastningen med lägre hjullast slopades och responsmätning genomfördes med samma parametrar som huvudförsöket och enbart med belastning i centrumlinjen med första mätningen efter 20 000 överfarter vid respektive temperatur. Huvudförsöket genomfördes med följande parametrar:

• Hjultyp: singelhjul, dimension 425/65R22.5 • Hjullast: 60 kN

• Ringtryck: 900 kPa • Hastighet: 12 km/tim

• Tvärfördelning: Normalfördelat inom ±35 cm • Beläggningstemperatur: +10°C, +20°C och +30°C • Belastning i båda riktningarna.

Belastningens fördelning i tvärled kan väljas genom att ange antal belastningar (över-farter) i respektive sidoläge. Förflyttningen i sidled är 5 cm mellan två sidolägen och i detta test med singelhjul inom ±35 cm. Andel överfarter i respektive sidoläge för SE09 försöket anges i figur 8. En tvärfördelning omfattar i detta fall 250 belastningar.

1 4 5 10 15 25 40 50 40 25 15 10 5 ₄ 1 0 10 20 30 40 50 60 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 Sidoläge (cm) A n ta l ö ver far ter

Figur 8 Tvärfördelning för belastningar i SE09 försöket.

Tillståndsutvecklingen under huvudförsöket har följts genom upprepade mätningar av tvärprofiler för beräkning av spårbildningen på ytan i tre fixerade lägen på respektive testkonstruktion samt deformationsmätning av beläggningslagren i tre positioner per testkonstruktion. Mätningarna genomfördes tätare i början av respektive temperatur-period (3–4 mätningar per dag), därefter varje dag och i slutet av temperatur-perioderna varannan dag. Ett dygns belastning innebär ca 20 000 belastningar.

Beläggningstemperaturen höjdes stegvis under försöket från +10°C till +20°C och +30°C.

Totalt genomfördes 573 600 belastningar under 11 veckor (inklusive avbrott för temperering) varav 151 000 vid +10°C, 314 500 vid +20°C och 108 100 vid +30°C. Responsmätningar med samma belastning som under huvudförsöket (hjullast 60 kN, ringtryck 900 kPa) utfördes enligt tabell 7 med belastningshjulet i centrumpositionen.

Tabell 7 Genomförda responsmätningar under försökets gång.

Datum Ackumulerat antal

belastningar Temperatur i beläggningen

2004-12-06 21 800 +10°C 2004-12-13 112 600 +10°C 2004-12-15 150 900 +10°C 2004-12-22 189 100 +20°C 2005-01-14 336 700 +20°C 2005-01-21 465 500 +20°C 2005-02-01 500 530 +30°C 20 VTI rapport 576

5 Resultat

De resultat som redovisas i detta avsnitt är resultat från tvärprofilmätningar (spårdjup på ytan) och statiska εMU-mätningar (lagervisa permanenta deformationer) under för-sökens gång samt fallviktsmätningar före försöket. Resultaten från responsmätningarna (spänningar, töjningar och deflektioner) lagras i en Access-databas för senare analyser och sammanställningar.

5.1

Provbelastning med fallvikt före försöket

Innan HVS-maskinen ställdes på plats på försöksytan genomfördes provbelastning med fallviktsapparat av typen KUAB. Totalt genomfördes mätningar i 21 punkter i tre linjer, i centrum och ±0,5 m från centrumlinjen med tre olika laster 30 kN, 50 kN samt 65 kN. Mätningarna genomfördes 2004-11-15 vid en beläggningstemperatur av +11°C.

Resultatet från mätningen med belastningen 50 kN visas i figur 9 som medelvärden för respektive konstruktion. 229 192 168 138 112 75 51 240 202 177 146 118 78 53 0 50 100 150 200 250 300 0 20 40 60 80 100 120 140 Avstånd från belastningsplattan, cm Y td ef lekt io n , µ m Modifierad Referens

Figur 9 Medeldeflektioner vid belastning 50 kN och +11°C i beläggningen för de två konstruktionerna.

Skillnaden är liten mellan de båda konstruktionerna men konstruktionen med polymer-modifierat bitumen i bindlagret visar något mindre ytdeflektioner, vilket tyder på något högre styvhet hos denna konstruktion.

5.2 Spårdjup

på

ytan

Preliminära resultat från tvärprofilmätningarna och spårdjupsberäkningarna har redo-visats successivt under försökets gång. Den sista redovisningen i denna form (”Weekly report”) för SE09 försöket visas tabell 8.

Tabell 8 Preliminära resultat redovisade under försökets gång.

HVS Nordic weekly report

Test SE09 Test structure

Layer 1 40 mm Asphalt concrete, (ABT12,Pen 70/100) Layer 2, structure 1 90 mm Asphalt concrete,(Modified binder)

Main Test Parameters Layer 2, structure 2 90 mm Asphalt concrete, (ABb22, Pen 70/100) Tyre: Single Layer 3 90 mm Bit.Base, (AG22, Pen 160/220) Wheel load 60 kN Layer 4 200 mm Unbound base, (Chrushed rock) Tyre pressure: 900 kPa Layer 5 2500 mm Fine sand sub grade Speed: 12 km/h Rigid bottom Cement concrete Temperature: 10, 20, 30 C

Load direction Both Objective

To compare two different asphalt concrete intermedium layer material

Date Load Mean Rut depth Mean Rut depth Wheel load Pav.Temp Remarks repetitions Structure 1 Structure 2 kN ºC Structure 1 Structure 2

mm mm 2004-12-01 0 0,0 0,0 60 10 2004-12-02 660 0,5 0,7 60 10 2004-12-02 1180 0,3 0,8 60 10 2004-12-02 4900 0,9 0,9 60 10 2004-12-06 15460 1,2 1,8 60 10 2004-12-07 32100 1,9 2,3 60 10 2004-12-08 47400 2,1 2,9 60 10 2004-12-09 64550 2,5 3,4 60 10 2004-12-10 82750 2,6 3,7 60 10 2004-12-13 112560 3,0 4,2 60 10

2004-12-16 151000 3,4 4,4 60 10 Test stopped during heating 2004-12-20 151000 3,6 4,3 60 20 Test restarted at 20 C 2004-12-20 151550 3,9 5,0 60 20 2004-12-20 152080 4,1 5,5 60 20 2004-12-20 156070 5,4 6,9 60 20 2004-12-21 166100 6,7 8,8 60 20 2004-12-22 189080 8,2 11,5 60 20 2005-01-03 189080 8,4 11,5 60 20 2005-01-04 216000 9,0 12,7 60 20 2005-01-10 245860 10,3 14,2 60 20 2005-01-11 273550 10,8 14,6 60 20 2005-01-12 299695 11,2 15,6 60 20 2005-01-13 316938 11,5 15,9 60 20 2005-01-14 336700 11,7 16,2 60 20 2005-01-17 370730 12,4 16,8 60 20 2005-01-19 422730 12,9 17,9 60 20

2005-01-21 465500 13,4 18,8 60 20 Test stopped during heating 2005-01-26 465501 13,7 18,9 60 30 Test restarted at 30 C 2005-01-26 466050 13,2 18,9 60 30 2005-01-26 466560 13,4 19,1 60 30 2005-01-26 470650 14,2 20,1 60 30 2005-01-28 475950 15,4 22,3 60 30 2005-01-28 483350 16,5 23,9 60 30 2005-01-31 491550 17,9 26,1 60 30 2005-02-01 500530 18,8 28,3 60 30

2005-02-04 505300 #SAKNAS! #SAKNAS! 60 30 Technical problem 2005-03-08 505300 #SAKNAS! #SAKNAS! 60 30 Test restarted at 30 C 2005-03-08 510160 19,5 30,6 60 30

2005-03-09 532360 21,6 35,0 60 30

2005-03-11 573600 25,5 46,6 60 30 Test stopped

Cracking

nr / length Half of the testarea has a intermedium asphalt layer with modified binder and the other half a binder according to national specs.

Spårdjupstillväxten på ytan erhölls genom upprepade tvärprofilmätningar i tre förut-bestämda lägen på respektive testkonstruktion. Maximalt spårdjup bestämdes som största skillnaden mellan första tvärprofilmätningen (före första belastningen) och de efterföljande. Tvärprofilerna mättes med en rörlig laser på en referensbalk med mätpunktsavståndet 2,0 mm och med mätlängden 2,5 m.

Resultatet av spårdjupsmätningarna redovisas i figur 10. Efter 151 000 överfarter höjdes temperaturen i beläggningen från +10°C till +20°C och efter totalt 465 500 överfarter höjdes temperaturen ytterligare från +20°C till +30°C.

SE09 Spårdjup 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000

Totalt antal överfarter

S pårdjup (mm) Profil 1 Profil 2 Profil 3 Profil 4 Profil 5 Profil 6 Mv modifierad Mv ATB

Figur 10 Spårdjupsutveckling på ytan för de två konstruktionerna med och utan polymermodifierat bitumen i bindlagret vid beläggningstemperatur 10, 20 respektive 30°C.

Som framgår av figur 10 avviker spårutvecklingen i profilläge 4 från de övriga (5 och 6) på referenskonstruktionen (ATB Väg). En förklaring kan vara att läget för profil 4 är närmast konstruktionen med polymermodifierat bitumen i bindlagret (50 cm från gränsen mellan de två konstruktionerna) och att därmed spårutvecklingen där blivit påverkad av den stabilare konstruktionen med polymermodifierat bitumen i bindlagret (profil 1, 2 och 3).

SE09

Spårdjup (profil 4 ej medtagen)

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000

Totalt antal överfarter

S p å rdj up ( mm) Profil 1 Profil 2 Profil 3 Profil 5 Profil 6 Mv modifierad Mv ATB

Figur 11 Spårdjupsutveckling på ytan, profil 4 utesluten.

I figur 12 och figur 13 visas tvärprofilernas utseende då testet startade och i slutet av respektive temperaturperiod för de två konstruktionerna (profil 3 och profil 5).

HVS SE09 Profil 3 (Modifierad)

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 0 500 1000 1500 2000 2500 Tvärsektion (mm) P ro fil ( m m ) ₀ 151000 465500 573600

Figur 12 Tvärprofilmätning på konstruktionen med polymermodifierat bitumen i bindlagret. Tvärprofil före belastning och i slutet av respektive temperaturperiod, +10°C, +20°C och +30°C.

HVS SE09 Profil 5 ATB Väg -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 0 500 1000 1500 2000 2500 Tvärsektion (mm) P ro fil ( m m ) 0 151000 465500 573600

Figur 13 Tvärprofilmätning på referenskonstruktionen med normenligt bindlager (ATB Väg). Tvärprofil före belastning och i slutet av respektive temperaturperiod, +10°C, +20°C och +30°C.

Av figur 12 och 13 framgår att spårbildningen på ytan till en början beror på efter-packning eller volymminskning av underliggande lager. Under perioden med +20°C i beläggningen börjar dock valkar uppträda vid sidan av spåret på referenskonstruktionen, se figur 13, vilket tyder på materialförflyttning i sidled vilket sedan ökar under perioden med +30°C. För konstruktionen med polymermodifierat bitumen i bindlagret däremot ser man enbart en antydan till denna valkbildning först under perioden med +30°C, se figur 12.

5.3

Permanent deformation i beläggningslagren

Vertikala permanenta deformationer har registrerats med hjälp av induktiva spolar (

ε

MU-spolar) som installerats parvis. Genom att lägga spänning på den ena spolen skapas ett magnetfält som genererar en ström i den andra och den utgående spänningen omräknas till avståndet mellan spolarna via kalibreringsdata (Janoo et al.,1999,

Dawson, 1994). Genom upprepade mätningar under försökets gång har på detta vis den successiva permanent deformationen i de olika beläggningslagren dokumenterats. Figur 14 visar spolparens placering i respektive lager.

122M 121/122S 120M 119/120S 118M 117/118S 116M 115/116S 114M 113/114S 112M 111/112S 111M 106M 113M 107M 115M 117M 108M 119M 109M 121M 110M 109S 108S 107S 106S 105M 105S 110S -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 Beläggningsyta Yta bindlager Yta AG Bärlageryta

Def. Beläggning (Emu-spolar)

Bindlager enl. ATB Väg

200 mm Bärlagergrus

40 mm Slitlager ABT12 70/100

90 mm Bindlager Modifierat bindlager

90 mm AG22 160/220

Figur 14 Placering av induktiva spolar i testkonstruktionerna.

De översta spolarna placerades löst på slitlagerytan i markerade lägen vid respektive mättillfälle.

5.3.1 Slitlager

Nedan redovisas resultatet av mätningarna med EMU-spolarna av permanent deformation i slitlagren. -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 Antal belastningar D e fo rm a ti o n (m m ) Mv Referens EMU108 EMU109 EMU110

Figur 15 Uppmätt permanent deformation av slitlagret i ATB Väg konstruktionen. -2,0 -1,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 7,0 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 Antal belastningar D e for m a ti on ( m m ) Mv Modifierad EMU105 EMU106 EMU107

Figur 16 Uppmätt permanent deformation av slitlagret i den modifierade konstruk-tionen.

Av figurerna ovan (15 och 16) framgår att ett spolpar i varje slitlager gett tvivelaktiga resultat med negativa deformationer dvs. en ökning av avståndet mellan spolarna och med relativt stor spridning från ett tillfälle till nästa. Resultaten från spolarna EMU 106

och EMU 109 har därför uteslutits med motiveringen att de gett orimliga värden troligen pga. mätfel.

Nedan visas permanent deformation i slitlagren då dessa givare utesluts.

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 Antal belastningar D e fo rm a ti on ( m m ) EMU108 EMU110 Mv Referens

Figur 17 Permanent deformation av slitlagret i ATB Väg konstruktionen, då EMU 109 utesluts. -1 0 1 2 3 4 5 6 7 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 Antal belastningar D e fo rm a ti o n (m m ) Mv Modifierad EMU105 EMU107

Figur 18 Permanent deformation av slitlagret i den modifierade konstruktionen, då EMU 106 utesluts.

-1 0 1 2 3 4 5 6 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 Antal belastningar D e for m a ti o n (m m ) Mv Modifierad Mv Referens

Figur 19 Medelvärden för uppmätt permanent deformation i respektive slitlager då EMU 106 och 109 utesluts.

Figur 19 ovan visar en tydlig skillnad mellan uppmätt deformation av slitlagren i de två konstruktionerna även om uppmätta deformationer är små, 2,5 mm respektive 1,5 mm efter perioden med +20°C i beläggningen. Värden från EMU110 visar stor skillnad jämfört med EMU108 i referenskonstruktionen och är till största delen förklaringen till skillnaden i medelvärden för de två konstruktionerna. Till detta kan läggas att mätning-en av slitlagrets deformation innebär att dmätning-en mätning-ena spolmätning-en i spolparmätning-en läggs löst på ytan vid respektive mättillfälle, vilket gör mätningen något mindre säker jämfört med spolpar placerade inne i ett lager. Intuitivt kan man tycka att det inte borde vara någon skillnad mellan deformationerna i slitlagret hos de båda konstruktionerna.

5.3.2 Bindlager

Nedan redovisas resultatet av mätningarna med EMU-spolarna av permanent deforma-tion i bindlagren.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 Antal belastningar D e fo rm at io n ( mm) Mv Modifierad Mv Referens EMU111 Mod EMU113 Mod EMU115 Mod EMU117 Ref EMU119 Ref EMU121 Ref

Figur 20 Uppmätt permanent deformation i respektive bindlager.

Man kan konstatera att spridningen mellan enstaka värden är relativt liten och att skillnaden mellan medelvärde för den permanenta deformationen i bindlagren är tydlig. 5.3.3 AG-lager

AG-lagret var liksom slitlagret av samma typ i båda konstruktionerna och instrumente-rat med 3 givare (spolpar) i varje. Tyvärr visade det sig redan vid första responsmät-ningen att endast 2 givare fungerade och båda tillhörde konstruktionen med polymer-modifierat bitumen i bindlagret. Resultatet från dessa två givare visas nedan.

0 1 2 3 4 5 6 7 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 Antal belastningar D e fo rm a ti o n (m m ) Mv Modifierad EMU112 EMU114

Figur 21 Uppmätt permanent deformation av AG lagret i den modifierade konstruktionen.

5.3.4 Deformation i bindlagren jämfört med spår på ytan

Nedan görs en jämförelse mellan deformationen i respektive bindlager och spårbild-ningen på ytan. -5 0 5 10 15 20 25 30 35 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 Antal belastningar De fo rm a ti o n (m m ) Bindlager mod. Bindlager ref. Spår Modifierad Spår Referens

Figur 22 Spårdjup på ytan och deformation i bindlager.

Skillnaden i spårdjup på ytan kan bara till en del förklaras med skillnaden i deformation av själva bindlagren. Efter de två första perioderna (+10°C och +20°C) uppmättes 2,5 mm deformation i bindlagret med polymermodifierat bindemedel och 4 mm (+60 %) i referensbindlagret. I båda fallen utgjorde deformationen 20 % av spårdjupet på ytan.

6 Diskussion

och

slutsatser

Syftet med det accelererade fullskaleförsöket som genomförts var att studera stabi-litetsegenskaperna hos två konstruktioner med olika bindlager i relativt tjock asfalt-beläggning (200 mm) vid olika temperaturer (+10, 20 och 30°C). I den ena konstruk-tionen användes polymermodifierat bindemedel i bindlagret och i den andra ett konven-tionellt bindemedel (ABb 22, 70/100, enligt ATB Väg). I övrigt var konstruktionerna lika med avseende på material och lagertjocklekar.

Konstruktionen med polymermodifierat bitumen i bindlagret visar som väntat mindre spårbildning på ytan. Efter de två första perioderna (med +10°C och +20°C i belägg-ningen) uppmättes spårdjupet på konstruktionen med polymermodifierat bindemedel i bindlagret till 13 mm, jämfört med 20 mm (+50 %) på referenskonstruktionen.

Under perioden med +20°C i beläggningen visar referenskonstruktionen upptryckningar vid sidan av spåret som tecken på att efterpackningen övergår i materialförflyttning i sidled medan detta inträffar först under perioden med +30°C i beläggningen för konstruktionen med polymermodifierat bindemedel i bindlagret.

Skillnaden i spårdjup på ytan kan bara till en del förklaras med skillnaden i deformation av själva bindlagren. Efter de två första perioderna uppmättes 2,5 mm deformation i bindlagret med polymermodifierat bindemedel och 4 mm (+60 %) i referensbindlagret. I båda fallen utgjorde deformationen 20 % av spårdjupet på ytan. Främsta förklaringen till mindre deformation i bindlagret med polymermodifierat bitumen är den mindre fasvinkeln för detta material. Mindre fasvinkel innebär att de elastiska egenskaperna är större och de viskösa mindre, fasvinkel 90° betyder rent visköst material och fasvinkel 0° rent elastiskt material. I det här fallet var fasvinkeln 17 % större för referensbind-lagret vilket resulterade i 60 % större deformation efter de två första perioderna (+10°C och +20°C).

Att förbättrade egenskaper hos bindlagret har betydelse för övriga materiallager i konstruktionen är sannolikt, men kan inte tydligt visas med de mätningar som genom-förts. Mätningarna av deformationer av slitlagret, som var gemensamt för de två konstruktionerna, visar visserligen en liten skillnad (ca 1 mm) men mätningen av

slitlagrets tjockleksförändring är något mindre säker då den övre mätspolen placeras löst på ytan vid respektive mättillfälle. Som framgått tidigare kunde inte deformationen av det bundna bärlagret (AG) i referenskonstruktionen mätas pga. problem med givarna, varför någon skillnad i detta lager mellan de två konstruktionerna inte kan påvisas. De egenskapsanalyser som gjordes i laboratoriet på borrkärnor från bindlagren visar att bindlagret med polymermodifierat bitumen har högre styvhets- och skjuvmodul vid höga temperaturer jämfört med bindlagret i referenskonstruktionen. Detta har sannolikt resulterat i mindre deformationer i underliggande materiallager (AG-lager, bärlager och undergrund) för konstruktionen med polymermodifierat bitumen i bindlagret och därmed mindre spårbildning på ytan.

Referenser

Dawson, A. 1994. The E-mu System, Users Manual, 2nd

edition, University of

Nottingham, Nottingham, UK.

Janoo, V., Irwin, L., Knuth, K., Dawson, A. and Eaton, R. 1999. Use of inductive coils

to measure dynamic and permanent pavements strains. Accelerated Pavement Testing

Conference, Reno, Nevada, USA, 1999.

Wiman. L.G.: Accelerated Load Testing of Pavements – HVS Nordic tests in Sweden

1999. VTI rapport 477A, VTI (Statens väg- och transportforskningsinstitut), 2001.

Wiman. L.G.: Accelerated Load Testing of Pavements – HVS Nordic tests at VTI

www.vti.se vti@vti.se

VTI är ett oberoende och internationellt framstående forskningsinstitut som arbetar med forskning och utveckling inom transportsektorn. Vi arbetar med samtliga trafikslag och kärnkompetensen finns inom områdena säkerhet, ekonomi, miljö, trafik- och transportanalys, beteende och samspel mellan människa-fordon-transportsystem samt inom vägkonstruktion, drift och underhåll. VTI är världsledande inom ett flertal områden, till exempel simulatorteknik. VTI har tjänster som sträcker sig från förstudier, oberoende kvalificerade utredningar och expertutlåtanden till projektledning samt forskning och utveckling. Vår tekniska utrustning består bland annat av körsimulatorer för väg- och järnvägstrafik, väglaboratorium, däckprovnings-anläggning, krockbanor och mycket mer. Vi kan även erbjuda ett brett utbud av kurser och seminarier inom transportområdet.

VTI is an independent, internationally outstanding research institute which is engaged on research and development in the transport sector. Our work covers all modes, and our core competence is in the fields of safety, economy, environment, traffic and transport analysis, behaviour and the man-vehicle-transport system interaction, and in road design, operation and maintenance. VTI is a world leader in several areas, for instance in simulator technology. VTI provides services ranging from preliminary studies, highlevel independent investigations and expert statements to project management, research and development. Our technical equipment includes driving simulators for road and rail traffic, a road laboratory, a tyre testing facility, crash tracks and a lot more. We can also offer a broad selection of courses and seminars in the field of transport.

HUVUDKONTOR/HEADOFFICE

LINKÖPING BORLÄNGE STOCKHOLM GÖTEBORG

POST/MAIL SE-581 95 LINKÖPING POST/MAIL BOX 920 POST/MAIL BOX 55685 POST/MAIL BOX 8077

TEL +46(0)13 20 40 00 SE-781 29 BORLÄNGE SE-102 15 STOCKHOLM SE-402 78 GÖTEBORG