Halkfält Linköping 1976 : Utredning av halkuppkomst och halkfrekvens vid olika överbyggnader. 2. Halkundersökningar februari till april 1977

Statensväg- och trafikinstitut (VTI) - Fack - 58101 Linköping

National Road & Traffic ResearchInstitute (Fack - S-58101 Linköping - Sweden

Halkfält Linköping 1976

Utredni ngav halkuppkomst och halktrekvens

= 6

_->

11. Halkundersökningar februari till april 1977

av Kent Gustafson

:ens väg- och trafikinstitut (VH) o Fack - 581 01 Linköping

:nal Road & Traffic Research Institute - Fack - 5-58101 Linköping - Sweden

Halkfält Linköping 1976

Utredning av halkuppkomst och halkfrekvens

vid olika vägöverbyggnader

.

II. Halkundersökningar februari till april 1977

,6

av Kent Gustafson '

FÖRORD

Halkfältet Linköping 1976 och de undersökningar som där sker har presenterats i Meddelande nr 27 från Sta-tens Väg- och trafikinstitut. Vid halkfältet finns representerat såväl Värmeisolerade som icke isolerade vägöverbyggnader. Under 1978 kommer fältet att utökas med ytterligare provytor för undersökning av andra överbyggnadskonstruktioner och beläggningstyper.

Undersökningarna vid halkfältet har pågått sedan feb-ruari 1977 och är planerade att fortgå under de

när-maste åren. Ansvarig för undersökningarna är Kent Gus-tafson, som i föreliggande rapport redogör för halkunu dersökningar utförda under februari - april 19770

?T

nalkfältet bedrivs som egen forskning med bidrag från Statens vägverk.

Linköping i januari 1978

Rune Gandahl

VTI

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

SAMMANFATTNING SUMMARY

INLEDNING

HALKFÄLTETS UPPBYGGNAD OCH INSTRU-MENTERING

Uppbyggnad

Instrumentering

HALKA PÅ VÄGBANOR UNDER KALL ÅRSTID Olika former av Vintervägshalka Rimfrosthalka

Snöhalka Ishalka

Strålningsbalans

överbyggnaders Värmetekniska egen= skaper MÄTNINGAR VÅREN 1977 Inledning Rimfrost, friktion Isoleringslagrets läggningsdjup Isoleringslagrets tjocklek

Materialet i lagren ovanför isole-ringen

Isolerad bergbitumenöverbyggnad Ytbehandling

Oisolerad överbyggnad med tjockt BG-lager

ISOLERADE SEKTIONER - KONVENTIO NELLA OISOLERADE SEKTIONER. EN SAMMANFATTNING LITTERATURFÖRTECKNING BILAGOR MEDDELANDE 56 Sid XI K J Q W W U T W N 10 13 18 18 19 23 25 26 28 29 30 31

Halkfält Linköping 1976

Utredning av halkuppkomst och halkfrekvens vid olika vägöverbyggnader

II. Halkundersökningar februari-april 1977 av Kent Gustafson

Statens Väg- och trafikinstitut (VTI) Fack

581 01 LINKÖPING

SAMMANFATTNING

Värmeisolering av vägar har provats med goda resultat

i Sverige under flera år. Stätenstväg+;octhrafikinStitut

(VTI) har sedan 1966 byggt provvägar med

Värmeisoleran-de material, bl a cellplast och lättklinker. Genom att

bygga in ett värmeisolerande skikt i öVerbyggnaden kan tjälen hindras från att tränga ned i tjälfarlig under-grund. Värmeisolering av vägar har emellertid även

Vi-sat sig ha en ur frafiksäkerhetssynpunkt negativ effekt. Det värmeisolerande skiktet medför att vägens yttempe-raturförhållanden ändras och risken för differentiell

halka blir Större.

Vid VTI byggdes under hösten 1976 ett provfält, Halk-fält Linköping l976, med syfte dels att allmänt

stude-ra halka och dels att speciellt undersöka skillnader i halkgrad, halkfrekvens etc mellan olika

överbyggnads-typer, både oisolerade och isolerade. Vid halkfältet

provas också två relativt nya isoleringsmaterial,

sva-velskum - och -slaggpeuéts :uppdrag

.respektive

tillverkare.rResuItáfêE:åVEáeäsafPrQVnihgârlredQVisas

inte i denna rapportÅ:Ã' W i

i

'

bmw .

Halkfältet består av 58 sektioner, alla med en yta av ca 1,5 m2. I halkfältet finns representerat konventio-nella isolerade överbyggnader såväl som cellplastiso-lerade överbyggnader av olika typer. Fältet har

dess-utom fått en sådan utformning att det senare kan byggas

om eller utökas med ytterligare provsektioner för

II

dersökning av andra överbyggnadskonstruktioner eller

prov av nya isoleringsmaterial. En kort sammanställning

av sektionerna följer nedan och i figur 1 finns sektion nerna 1-34 uppritadeo Sek l- 4: 5m14: 15-22: 23m28: 29w302 31-33: 34: 35-36: 37-38:

Oisolerade, konventionella sektioner

Cellplastisolerade sektioner där isole= ringens läggningsdjup varieras

Cellplastisolerade sektioner där isOlem ringens tjocklek varieras

Cellplastisolerade sektioner där materia" let i bärlagret varieras

Isolerade bergbitumenöverbyggnader

Sektioner med ytbehandling, Yl

Oisolerad sektiOn med tjockt BGálager

Svavelskumisolerade sektioner

Slaggpelletsisolerade sektioner

ÖVERBYGGNADSTYPER VID' HALKFÄLT LINKÖPING 1976. 9 IKonventionella överbyggnader. l_.

70 . 9 . ' . m Cel,1p1ast1.soler1ng .Varlerandeç I l_ Y , . . , ., ° . 0 9 o ° o

24 7 V? vil 4170 qvV VV G V' 44 7 p? 7

29

._ fl'jfT

30 '3 '(1 'I '. M*

17 to.. III

11 12.12.".

18

mCell lastlsolerlng.Var1erande ballaåermatdeñlaol

4,7_ .I'll

5 .

'26

Cellplast o' bergkrøss.m Ytbehandling.

_l _ ' 4

1.' -' '.'.'

o . ' 0 a , a 0 0 O ° 0 ' I 1 cellplasttjocklek. _* ' _2 15.4 i' '4 .' O 19.

Cellplastisplering i n. varierande läggninngj up Z o _{. .} o uuuuunulm _ ' '.^.'41'. III/Ilmumll \ 'm 'I'IMIHUIII' O

20 _\ 4 4 '4 A; 28 mHB-överb .

Figur 1. Överbyggnadstyper vid halkfält Linköping 19769

VTI MEDDELANDE 56

Ej BG

Bär1.gruá

E Makadam 4

Bergkross Sand Cellplast '

IV

Halkfältet har instrumenterats för mätning av yttempe-raturer på alla sektioner, tempeyttempe-raturer i överbyggnaden för vissa sektioner, lufttemperatur, luftfuktighet och nettostrålning. Registrering av mätdata sker på

hålrem-sa med ett automatiskt datainhålrem-samlingssystem.

Hålremsor-na bearbetas och utvärderas på VTI:s dator. Vid till-fällen då halka föreligger mäts friktionen med frikø tionspendel (Portable skid resistance tester, Road Re-search Laboratory).

Mätningar har utförts vid halkfältet under tiden 1977_

02-02--04001, och har omfattat sex perioder. De fyra första mätperioderna föregicks av artificiell uppvärmw ning av sektionerna. Ett tält placerades över ytorna och uppvärmning skedde med varmluft. Då temperaturföra hållandena i sektionerna var av "höstkaraktär" och

vä-derleken var lämplig, drogs tältet bort och mätperioden

inleddes. Före de två sista mätperioderna var väderle_

ken sådan att någon konstgjord uppvärmning inte behöva

des för att uppnå höStlika förhållanden.

I föreliggande rapport redovisas de utförda mätningarna

och observationerna. Det bör dock påpekas att de

hit-tills utförda mätningarna varit av mindre omfattning

och det är därför för tidigt att dra några heltsäkra slutsatser utifrån dessae Nedan följer en

sammanfatt-ning av mätresultat och några kommentarer till dessa.

a) Konventionella oisolerade överbyggnader: Halkfältet innehåller fyra konventionella oisolerade sektioner. se

figur le Skillnaderna i yttemperatur mellan dessa

oiso-lerade sektioner har blivit klart markerade. De högsta

temperaturerna har nattetid registrerats på grusupp-byggda sektion l, något lägre yttemperatur på sektion

2 och ytterligare något lägre på sektion 3. De markant

lägsta temperaturerna uppmättes på bergbitumenuppbyggda

sektion 4.

Rimfrost har vid några tillfällen bildats på sektioner

vid halkfältet. Bergbitumenuppbyggda sektion 4 har där-vid i allmänhet haft ett relativt tjockt lager rimfrost och friktionen har varit mycket nedsatt. Sektionerna 2

och 3 har i några enstaka fall haft ett mycket tunt

rimfrostlager medan sektion 1 inte i något fall täckts

av rimfrost.

Resultatet visar att belägggningens yttemperatur för oisolerade vägsektioner är starkt beroende av överbygg-nadskonstruktionen. Främst bergbitumenöverbyggnader, men även grusbitumenöverbyggnader med lager av bitume-niserat grus (BG) uppvisar lägre yttemperaturer, vilket också indikerar halkrisk, än grusbitumenöverbyggnader utan BG-lager.

b) Isolerade överbyggnader med varierande

läggnings-djup förisoleringslagret: Isoleringslagrets place*

ring i överbyggnaden är en faktor som påverkar

yttem-peraturen och därmed halkrisken. Vid halkfältet har isoleringslagrets läggningsdjup varierats mellan 4 om under beläggningsytan och 70 cm under ytan för sektio-ner utan BG-lager och mellan 13 cm och 65 om för sek-tioner med BG-lager.

Yttemperaturförloppet under tiden 1977-03-29--04-01 för oisolerade sektion 1 och de isolerade sektionerna 5

(5 cm cellplast 4 cm under ytan) och 8 (5 cm cellplast

50 om under ytan) visas i figur 2. Av figuren framgår att den markant lägsta nattemperaturen registrerats på den tOppisolerade sektionen 5. Yttemperaturen på den relativt djupt isolerade sektionen 8 är klart högre och den högsta yttemperaturen har ivdetta fall uppmätts

på oisolerade och grusuppbyggda sektion l.

VI 30 . I'. f') m *7 $ 1 5 8 .4 0.0,.5':.'. '. c \ l 2 1 ,vvr ._.I. .I A a: 32 lä CJ 16 0. ] ?R I! " Al fa . . ' V , r r ,i 1 . ç' 1 ;1. \ n 1' . a . mä ; C! i Vu' h .45' ._{» 02L31}a _g ,B 3i 6,

å

_J

P5 # i <i 8 ;" 57.1 få ?4 . L A L -1 6 03 45 .0 3 42 .2 3 4. 33

15m Im 2232 WS '§53 m 1033 1333 :sno :saa 2263 [03 m 783 sam i'm 3588 HBG 223: ms W '78: 8?

HQLKFHLT VTI.HÅTNING 1977=03°29°<$0L§nGLYTTEHPEHQTUHER ?Ai SEKTIUN:

4.9... 1 #19 5

...4.3 8 .

Figur 2. Yttemperaturen på sektionerna 1,5 och 8 under

tiden 1977-03-29- a04-m01o

VII

Sammanfattningsvis kan det konstateras att

isolerings-lagrets läggningsdjup har stor inverkan på

yttempera-turen. AV de redovisade mätningarna har framgått att i stort sett ökar yttemperaturen med större läggnings-djup. De klart lägsta yttemperaturerna har registrerats på toppisolerade sektioner, vilket bl a återspeglats i den kraftiga rimfrostbildning som vid några

tillfäl-len förevarit på dessa. Sektioner isolerade på större djup (omkring 50 cm under ytan) har däremot inte

uppvi-sat yttemperaturer som skiljer sig markant från de som uppmätts på de konventionella oisolerade sektionerna.

c) Isolerade överbyggnader med varierande'isolerings-I tjocklek: Vid halkfältet har isoleringslagrets tjock-lek varierats (3, 5 och 8 cm) för några olika lägg-ningsdjup. AV mätningarna har framgått att skillnaderna i yttemperatur är relativt små för sektioner isolerade

på samma djup, men med olika isoleringstjocklek. En

svag tendens till att yttemperaturen är något lägre för tjockare isolering har dock märkts.

d) Isolerade överbyggnader med varierande bärlagerma-terial: Tidigare undersökningar har visat att materia-let i lagret eller lagren ovanför isoleringen har in-verkan på yttemperaturen. Detta förhållande har även framkommit av mätningarna vid halkfältet, där isolerade överbyggnader med olika bärlagermaterial (sand, bärla-gergrus, bitumeniserat grus (BG), makadam, bergkross)

ingår.

De högsta yttemperaturerna nattetid har registrerats på sektion 27, som har ett finkornigt sandlager med

hög vattenhalt, och de klart lägsta har uppmätts på

sektioner med makadam eller bergkross. Yttemperatur-skillnaderna mellan sektioner med olika bärlagergrus har varit mindre, men i allmänhet har överbyggnader med grovkornigare, och därmed också mindre vattenhål-lande bärlagergrus, haft något lägre yttemperatur.

VIII

Likaså har det visat sig att ett BG-lager i

överbygg-naden medför en sänkt yttemperatur i förhållande till grusuppbyggnader utan BG-lager.

Sammanfattningsvis har det alltså visats

att.halkris-ken är större för isolerade sektioner, som har torra och grovkorniga material (makadam, bergkross, grovkor-nigt bärlagergrus) i lagret ovanför isoleringen, än för isolerade sektioner med finkornigt och vattenhål-lande bärlagermaterial.

e) Oisolerad överbyggnad med tjockt BG-lager: Vid

halk-fältet har byggtswen oisolerad sektion med mycket

tjockt BG-lager (AB+BG = 22 cm). AV de redovisade

mät-ningarna har det kunnat konstateras att en GB (grus-bitumen)-överbyggnad med tjockt.BG-lager är sämre än oisolerade grusöverbyggnader och relativt djupt isole-rade överbyggnader ur halkrisksynpunkt. Jämfört med bergbitumenöverbyggnader och i högt läge isolerade överbyggnader synes halkrisken.vara'mindre.'

f) Oisolerade - isolerade överbyggnader, en jämförelse:

Avslutningsvis skall här några resultat och synpunkter ges angående jämförelse mellan oisolerade och isolera-de överbyggnaisolera-der. Yttemperaturskillnaisolera-derna mellan oiso-lerad och isooiso-lerad väg är beroende av en rad faktorer.

Oisolerade överbyggnader.har olika

yttemperaturförhål-landen, beroende på bl a bärlagermaterial och

uppbygg-nad. Likaså är isolerade vägars yttemperatur beroende

av främst läggningsdjupet på isoleringen och materialet i lagret ovanför isoleringen, men även av isolerings-tjocklek m m..I figur 3 visas yttemperaturförloppet för tiden 1977-03-29--04-01 för de oisolerade

sektio-nerna 1 och 4 och för den på 50 cm djup isolerade

sek-tion l4. I figuren ses att den grusuppbyggda seksek-tion 1 har klart högre nattemperatur än de två jämförda sek-tionerna. Skillnaderna mellan den bergbitumenuppbyggda sektionen och den isolerade är små.

IX aa OJ H L 0 O .J C 55 C' H 3; :

:658 man 2223 183 m 783 maa um [608 man 2232 mn HCG ?en mm 1303 1600 1908 ?233 183 #83 'M0 0:

HQLKFäLT VTI .HñTNING 1877-03-290-0'4-01.YTTEHPERQTUHER Pâ SEKTIGN: '

men 1 '

u-ap-a W

mäw- 3* t

Figur 3. Yttemperaturen på sektionerna l, 4 och 14

under tiden 1977-03-29--04n01.

Resultaten av de första inledande mätningarna vid halk-fält, Linköping 1976, har visat att de lägsta yttempe-raturerna Uppkommit på tOppisolerade sektioner. Något högre temperaturer har uppmätts på djupare isolerade överbyggnader och på bergbitumenöverbyggnader, både oisolerade och isolerade. De högsta yttemperaturerna

har förekommit på oisolerade sektionerwmed'grquärlager

och på djupast isolerade sektioner med grusbärlager.

Mätningarna Vid halkfältet, Linköping 1976, kommer att fortsättas fr 0 m september 1977 och ett mera omfattan-de datamaterial kommer därmed att insamlas. De

fort-satta mätningarna är planerade att pågå under de

när-maste åreno

XI

Test field Linköping 1976. Investigation of the occu-rence of icing and the frequency of icing on different roadbases.

NII. Investigation of icing February to April, 1977 by Kent Gustafson

The National Swedish Road and Traffic Research

Insti-tute (VTI) Fack

S=581 01 LINKÖPING

SUMMARY

For many years thermal insulation of roads has been tes-ted with good results in Swedenr Since 1966 the National

Swedish Road and Traffic Research Institute (VTI) has

been constructing test roads with heat-insulating ma-terials, for instance polystyrene foam and expanded burned clay. By placing a layer of thermal insulation into the roadbase the frost can be prevented from pene-trating into the subgrade. Considering the traffic

safety, thermal insulation of roads has, however, also proved to have a negative effect. The layer of thermal insulation causes the surface temperature conditions of the road to change and the risk of differential icing to increase.

During the autumn of 1976 a test field, Linköping 1976,

was built on the one hand generally With the aim Of

studying icing, and on the other particularly with the aim of investigating differences in the degree of icing, the frequency of icing etc between different types of roadbases, both uninsulated and insulated ones. At the request of the producers two relatively new insulating materials, sulphur foam and pelletized slag, are also tested at the test field. The result of these tests is not accounted for in this report.

The test field consists of 38 sections, which all have a surface area of approximately 1.5 mg. In the test field

XII

conventional, insulated roadbases as well as roadbases of different kinds insulated with plastic foam are represented. Furthermore, the test field has been con-structed in such a way that, later on, it can be re-built or extended by additional test sections for the purpose of investigating other roadbase constructions or for the purpose of testing new insulating materialso A short specification of the sections follow below and

in figure 1 the sections 1-34 are plotted.

Sections l» 4: Uninsulated, conventional sections

5=l4: Sections insulated with polystyrene

foam where the depth of the

insula-tion is varied

15m22: Sections insulated with polystyrene

fêam where the thickness_ofthe.iné sulation is varied

23=282 Sections insulated with polystyrene

foam where the material in the base course is varied

29m30: Insulated sections with crushed stone

31w33: Sections with surface treatment, YI

34: Uninsulated section with a thick layer of bitumen bound gravel

35w36: Sections insulated with sulphur foam

37w38: Sections insulated with pelletized slag

XIII

;Conventional roadbases ._{_\ _} ° _{1 ,} u _l ' u Varying depths of insulation_{1 .}

,. _..'.' I i .' . 4 u . 4.3,-, ...1. V ".I_ 2. ,6..'...ø.4. A A p - 'nunnnuum . 0 a '0. o ... .0. ' ' .o . 0 ' A 2 .-0. ' , ' . : ' A 7 o .' , 2 - .. ;... 5 6 3 4 h h... :gi §,",_" . . .Å. _. _ . O _ 'inr-(4: ""' -'i 10 thicknessesnof insulation_{FI . _'} '22:14. 1212.1.

n

' m

urse mate;åals "I ,

' ' ,"IAfU'I '752522 '4 '45

'-.'3'\ .3-1501 ..a°.9 .,." °.- Uninsulated section 23 24 25 26 28 .with a thick layer of 'gCrushed stone _{IISurface treatment ynbitumen'boundfgraVel}

9' v 2'

4 vv»

»'3'3'4

M41

-'P

_{4 V 7 q}

v 9

_{9 i ° , t 9 o}

5.431!

_{...9. .}

4 A - 7 P V V I °.°e°.4 _ M .0. .

... .': g.|... o I :32.0 . ...0.

29

₃₀

34

:Il Asphalt concrete :[[Crushed stone

ll! Bitwmen bound gravel

unüPlastic foam

Ez: Base course gravel

Figure 1. Roadbase types at the test field Linköping 1976

XIV

The test field has been instrumented for the purpose of measuring surface temperatures on all sections, tempe-ratures in the.roadbase for some sections, air tempera-ture, air humidity and net radiation. The recording of data is made on paper tape by a data aquisition

sys-tem. The tapes are evaluated on a Nord 10 computer at

VTI. When differential icing occurs the skid resistance is measured by a portable skid resistance tester

(Road ResearchrLaboratoryl..

At the test field measurements were carried out for six periods between February 2nd, 1977 and April lst, 1977,

Artificial heating of the sections preceded the first

four periods of measurement. A tent was placed over the field and heating was performed by hot air. When the temperature conditions in the sections had an "autumn character" and the weather was favourable, the tent

was removed and the period of measurement was initiated. Before the last two periods of measurement the weather was such that artificial heating was not needed to

reach autumnal conditions.

In this report the measurements and the observations carried out are shown. It should, however, be observed that the measurements made so far have not been so exw tensive that reliable conclusions can be drawn from them, A summary of the results and some comments follow

below°

a) Conventional, uninsulated roadbases;

The test field contains four conventional, uninsulated sections, see figure 1. The differences in the surface temperature between these uninsulated sections have Clearly been marked. The highest temperatures at night were recorded on section l, constructed of gravel, some-what lower surface temperatures on section 2 and still

XV

somewhat lower on section 3. The markedly lowest

tem-peratures were measured on section 4, constructed of

crushed stone.

On some occasions hoar-frost was formed on sections at

the test field. As a rule section 4 had on these

occa-sions a relatively thick layer of hoar-frost and the skid resistance was very much reduced. The sections 2 and 3 had in a few isolated cases a very thin hoarêfrost

layer whereas section l was never covered with

hoar-frost.

The result shows that for uninsulated sections the sur-face temperature is strongly dependent on the roadbase

construction. Principally roadbases of crushed stone,

but also roadbases with a layer of bitumen bound gravel,

show lower surface temperatures, which also indicates '

a risk of icing, than roadbases without a layer of bi;

tumen bound gravel.

b) Insulated roadbases with varying depths of the insu-lating layer:

The position of the insulating layer in the roadbase is

a factor that influences the surface temperature and in

that way also the risk of icing. At the test field the depth of the insulating layer has been varied from 4 cm below the pavement surface to 70 cm below the surface for sections without layers of bitumen bound gravel and

from 13 to 65 cm for Sections with layers of bitumen

bound gravel.

The surface temperaturefcburserbetween Märbh 29th,;l977

'

and.April.lst,/l977 for thenuninSulatedLSectionwl,and the.

insulated sections 5 (5 cm of plastic foam 4 cm below

the surface) and 8 (5 cm of plastic foam 50 cm below

the surface) are shown in figure 2. In this figure it

'E ma cs "2 % CS 27 .9 3 IL

can be seen that the markedly lowest night temperature

was recorded on top-insulated section 5. The surface

temperature on the relatively deep insuiated section 8 is definitely higher and the highest surñace

tempera-ture was measured on the uninsulated section l.

-. ' B l ' a 1 lZ .3 Q 85 31 lê. 03 2F .3 8 A 9 93 5 2? A 3-4 2 6 8 ?i 3 94 8 '?1 8 :§4

2%

?i 8.

:i

am ms: 22:: m was an mo me .1603 wc.: 22:: ;se »223 'm 'man :3:: :se: :52: m wa ac: m

HQLKFALI VTI.MäTNING 3977-n3o29»«04=01.YYTEMPEHQTUREH PA SEKTIDN:

__(5._. i .

...h 5

.=_4P__. G

tFigure 26 The surface temperature on the.sections 1,15i

'.and'8 between March 29th, 1977 and April lst, °

1977 '

VTI MEDDELANDE 56

XVII

To sum up it may be pointed out that the depth of the insulating layer has a great influnce on the surface temperature. From the measurements accounted for it appeared that on the whole the surface temperature in-creases as the depth of the thermal insulation becomes greater. The definitely lowest surface temperatures were recorded on toP-insulated sections, which was

re-flected among other things by the great hoar-frost for-mation that was found on these sections on certain occa-sions. Sections insulated at a greater depth (about

50 cm below the surface) did not, however, show any surface temperatures that markedly differ from the ones

that were recorded on uninsulated sections.

c) Insulated roadbases with varying thicknesses of in-f sulation:

At the test field.the thickness of the insulating layer has been varied (3, 5 and 8 cm) for some different

depths of insulation. From the measurements it appeared that the differences in the surface temperatures are relatively small for sections insulated at the same depth but with different thicknesses of the insulating layer. A weak tendency towards a somewhat lower surface temperature for thicker insulating layers was, however,

.notedo

d) Insulated roadbases with'varying'baseécourse

mate-rials:

Previous investigations have shown that the material in the layer or the layers above the insulation have an in-fluence on the surface temperature. This relation was also found from the measurements at the test field, which contains insulated roadbases with different base course mateirals (sand, base course gravel, bitumen

XVIII

bound gravel, macadam, crushed stone).

The highest surface temperatures at night were recorded on section 27, which has a fine-grained sand layer with a high water content, and the definitely lowest ones were measured on sectiøns with macadam or crushed stone. The differences of surface temperatures between sections with different kinds of base course gravel were smaller, but roadbases with more coarse-grained base course gra-vel, and at the same time also less water-containing base course gravel, generally had a slightly lower sur-face temperature. It also appeared that the use of a layer of bitumen bound gravel in the roadbase results in a reduced surface temperature compared with gravel constructions without a layer of bitumen bound gravel.

To sum up it has been demonstrated that the risk of differential icing is greater for insulated sections that have dry and coarse-grained materials (macadam, crushed stone, coarse-grained base course gravel) in the layer above the insulation than for insulated sec tions with fine-grainedand water-containing base courSe

materials.

e) Uninsulated roadbases with a thick layer of bitumen bound gravel

At the test field an uninsulated section with a thick

layer of bitumen bound gravel (22 cm) has been construcw

ted. As a rule this section had lower surface temperan tures, which also indicates a greater risk of icing, than the uninsulated sections constructed without

bi-tumen bound gravel. In comparison with roadbases of

crushed stone and roadbases insulated close to the sur» face the risk appears to be somewhat smaller°

XIX

f) Uninsulated - insulated roadbases, a comparison

To conclude some results and VieWpoints will be given as to the comparison between uninsulated and insulated roadbases. The differences of surface temperatures bete ween uninsulated and insulated roadbases depend on a

number of factors. Uninsulated roadbases have different surface temperature conditions depending among other things on the base course materials and the road struc-ture° The surface temperature of insulated roads depends likewise primarily on the depth of the insulation and on the material in the layer above the insulation, but also on the insulating thickness etco In figure 3 the surface temperature course between March 29th, 1977 and April lst, 1977 for the uninsulated sections 1 and 4

and for section l4 insulated at a depth of 50 cm is

shown. In the figure it can be seen that section l, constructed of gravel, has definitely higher night tem-peratures than the two sections compared. The differen-ces between the section constructed of crushed stone

and the insulated one are smalle

The results of the first preliminary measurements at

the test field, Linköping 1976, showed that the lowest surface temperatures occured on tOp-insulated sections. Somewhat higher temperatures were redorded on deeper insulated roadbases and on roadbases of crushed stone, both uninsulated and insulated ones 0 The highest sur-face temperatures were found on uninsulated sections with base course gravel.

The measurements at the test field, Linköping 1976, will be continued as from September 1977 and a more compre-hensive recorded material will then be collected. The continuous measurements are planned to go on for the next few years.

T O M (ut 3 -E .O C -3 .2 2 1 A_ b l a .H b -a z 23 -9 22 1583

XX_

19.:: 22:2 :3:: set: 7:: 13::'13'23 100:. mm 2222 :ca tm 1a: 15:3 :ac: :en 19.:: 22:: m »ma ?en 1:*

HQLKEêLT VTI.HIâTNING 1977-03-29-øüq-01.YTTEHPEHQTUHER på SEKT)0N'$°

men 1 ° ' '

.na-a *5

a+w 3*

Figure 3. The surface temperature on the sections l, 4

and 14 between March.29th, 1977 and April lst,

1977

1. INLEDNING

Värmeisolering av vägar för att begränsa tjälens skade-verkningar har i Sverige provats med goda resultat se-dan mitten av 1960-talet och tjälisolering med cell-plast finns nu normerat i Statens Vägverks byggnadstek-niska anvisningar (BYA). Värmeisolering av Vägar har

emellertid i vissa fall visat sig ha en ur

trafiksäker-hetssanunkt negativ effekt; RiSken för halka, främste*

Underlhösten;kan'under'vissalomStändigheterDvara'större

på en iSOlerad väg p g a att det

värmeisolerande-lagret-avskärmar jordvärmeströmningen nedifrån, Vilket i sin tur leder till att beläggningens yttemperatur blir lägree

Ett mindre halkfält anlades hösten 1974 vid Statens

Väg-och trafikinstitut (VTI), Stockholm, som ett.förförsök

och med syfte att få fram underlag för bedömningar av

fortsatta försök vid ett större halkfält. Resultatet av halkundersökningen har redovisats i VTI internrapport

nr 213, Gandahl och Ljungel974°

Under hösten 1976 byggdes ett större halkfält vid VTI i

Linköping. Målsättningen med projektet "Halkfält

Linkö-ping 1976" är dels att allmänt studera halka i olika former och dels att speciellt undersöka skillnader i

halkgrad, halkfrekvens etc mellan olika vägöverbyggnader, både oisolerade och isolerade.

"Halkfältet" består av ett stort antal provsektioner, som representerar såväl värmeisolerade som icke isole-rade Vägöverbyggnader. Huvuddelen av sektionerna är iso-lerade med cellplast och i övrigt förekommer konventio-nella oisolerade uppbyggnader samt sektioner som isole-rats med de relativt nya isoleringsmaterialen svavel-skum och slaggpellets° Fältet är så utfört att det sena-re kan utökas med ytterligasena-re provsektioner för under-sökning av andra överbyggnadskonstruktioner eller prov av nya isoleringsmaterial.

Halkfältet är rikligt instrumenterat för automatisk re-gistrering av storheter som exempelvis yttemperatur, lufttemperatur och luftfuktighet. Mätningar har utförts under tiden 1977-02-02--04-01, och i denna rapport redo-visas och kommenteras de resultat som framkommit. Resul-taten från undersökningarna med svavelskum och slagg-pellets har rapporterats till respektive uppdragsgivare

och redovisas därför inte här.

Förutom resultaten ingår i denna rapport ett avsnitt om

vintervägshalka. Olika former av vinterhalka, något lite

om energiutbytet, främst in- och utstrålning, mellan vägyta och atmosfär, och slutligen några olika överbygg-naders värmetekniska egenskaper behandlas i denna rap-portdel.

Mätningarna vid halkfältet Linköping 1976 kommer att fortsättas fr 0 m september 1977 och ett mera omfattan-de datamaterial kommer därmed att insamlas. De fortsatta

mätningarna är;élâherade_ att pågå under de närmaste åren.

2. ' HALKFÄLTETS UPPBYGGNAD OCH INSTRUMENTERING

2°l Uppbyggnad

Halkfältet, som är beläget vid VTI's provvägshallar enl karta i bilaga 1, har beskrivits i en tidigare rapport

från VTI, Gustafson 19770 I detta avsnitt skall endast

en kortfattad beskrivning av uppbyggnad och instrumen-tering ges.

Fältet består för närvarande av 38 olika sektioner, men kan senare komma att utökas. I bilaga 2 redovisas upp-byggnaden av alla sektioner med material- och måttan-givelser. Halkfältet omfattar ett stort antal olika

överbyggnadstyper, som kan sammanfattas enligt följande:

Sektion 1-4 : Konventionella, normenliga och oisolera-de sektioner

Sektion 5-14 Cellplastisolerade sektioner där isole-ringens läggningsdjup varieras

Sektion 15-22: Cellplastisolerade sektioner där isole-ringens tjocklek varieras

23-28: Cellplastisolerade sektioner där mate-här

rialet i bärlagret varieras

Sektion 29330: Cellplastisolerade sektioner med bergbiø tumenöverbyggnad

Sektion 31w33: Sektioner med beläggning av typ ytbehandw ling (YI)

Sektion 34 : Oisolerad sektion med tjockt BGwlager

Sektion 35_36: Sektioner isolerade med svavelskum

Sektion 37-38: Sektioner:isoleradegmed7slaggpellets

Halkfältet har utförts med en asfaltbeläggning av typ Ab 12t° Beläggningen har därefter sandblästrats för att erhålla en yta som efterliknar en vägbaneyta som varit utsatt för trafikbelastning.

202 Instrumentering

Halkfältet har försetts med en riklig instrumentering för registrering av olika parametrar såsom lufttempera-tur, yttemperalufttempera-tur, temperaturer i vägöverbyggnaden, luftfuktighet och nettostrålning. I fig 1 beskrives in_ strumenteringen schematiskt.

Figur 1. Halkfält Linköping 19760 Instrumentering°

Beläggningens temperatur (l) mäts på alla sektioner

med resistiva temperaturgivare (Pt 100) som klistrats till ytan. Temperaturen på olika nivåer i överbyggnaden

(2) uppmäts i flera sektioner med resistiva temperatur-givare (Pt 100)° Lufttemperaturen (3) mäts på nivåerna 0,1 m och 2 m över vägytan med Philips lufttemperaturw givare (Pt lOO)° Relativa luftfuktigheten (4) mäts för närvarande med en hygrometer av fabrikat Lambrecht plan

cerad 2 m Över vägytan. Till kommande säsong har yttern ligare en luftfuktighetsmätare installerats, vilken är

placerad 0,1 m över vägytan. Nettostrålningen (5), d v 5

skillnaden mellan inkommande och utgående strålning oavm

sett våglängd, mäts över beläggningen med en strålningen

balansmätare av typ CSIRO, netradiometer.

Mätning och registrering av storheterna sker med ett automatiskt datainsamlingssystem (6) och data läggs

på hålremsa. Bearbetning och utvärdering av datamatew

rialet sker sedan på inStitutets dator med hjälp av

datorprogram som färdigställts.

Vid tillfällen med halka, främst då p g a rimfrost, har

friktionen uppmätts med friktionspendel (PÖItabie,$kidx_

resistance tester, RoadvResearch Laboratory). Vid time_.

frostfall har en okulär bedömning gjorts av rimfrost-lagrets tjocklek.

3a HALKA PÅ VÄGBANOR UNDER KALL ÅRSTID

391 Olika former av Vintervägshalka

Halka kan uppträda i ett flertal olika former under vinterförhållanden. Vatten, snö eller is på vägbanan

medför alltid en friktionsnedsättning, vars storlek är

beroende av halkans art. Olika väderleksförhållanden

och andra Yttre faktorer gör att de olika typerna av

halka blir många och skiftande. I de följande avsnitten

ges en kort beskrivning av *hailkformer .som kan

uppkom-ma på Vintervägar. Vintervägshalkan kan indelas utifrån

flera olika grunder, exempelvis bildningssätt, halkgrad etc. I den följande framställningen har indelning hu-vudsakligen skett efter bildningssätt och hur trafikan-ten uppfattar halkan (väglaget). Tre huvudtyper kan därvid särskiljas

l. Rimfrosthalka 20 Snöhalka

3u Ishalka

301.1

gimfro§thalkg

Rimfrost på en vägbana består av diskreta ispartiklar

som är relativt löst bundna till ytan. Tjockleken på rimfrostlagret är beroende av bl a hur kraftigt ned-kyld vägytan är ooh väderleksbetingelserna. Rimfrost-lagret är från början vitt men genom trafikens inverkan övergår det till att bli mörkare och mindre synligt

7 för trafikanten.

Atmosfärisk luft kan betraktas som en blandning av torr luft och vattenånga. Vattenångan och den torra luften utövar var för sig ett partialtryck, som för vattenångan

kallas ångtryck e. För varje temperatur kan luften inne-hålla en bestämnd mängd vattenånga i

fortvarighetstill-stånd (stabilt tillfortvarighetstill-stånd), vilket också innebär att det för varje temperatur finns ett mättnadsångtryck em.-Reu

lativa luftfuktigheten R definieras som R = 100 e 2 (%),

och om luften är mättad på vattenånga är alltså relatiw

va luftfuktigheten lOO %.

Ngn,... - r 7..c ., ._7.. > > _ ...m -- - > ' ' A A rw-w-.u '....mwdlg-n .

Den lufttemperatur för vilken det rådande ångtrycket är

lika med mättnadsångtrycket anges av daggpunkteno Om

temperaturen på en yta (ex vägbeläggning), Som är i konm takt med luften, faller under daggpunkten kommer vatten ånga att kondenseras på ytan. Om yttemperaturen är po-sitiv sker kondensation i form av dagg, medan det vid negativa yttemperaturer sker direkt sublimation av lufw tens vattenånga i form av iskristaller, rimfroste Rim-frost bildas därför i allmänhet vid tillfällen då lufta fuktigheten är hög (ca 80-100 %) och vägbeläggningens

yttemperatur är lägre än luftens daggpunktstemperatur. Detta kan bl a inträffa.vid utstrålningssituationer,

exempelvis en kall och klar natt. Vägytans strålningen

balans är då negativ och värme strålar ut från ytan,

som därmed avkyls. Rimfrost kan också uppstå om varmaø re luft blåser in över en kall vägyta. Den varma lufv

ten avkyls vid kontakt med den kalla vägbeläggningen

och luftens vattenånga utfälls då på ytan i form av

rimfrost.

Rimfrost på vägytan nedsätter friktionen och storleken på

friktionstalet beror av rimfrostmängden. Är

rimfrostlag-ret tunt är friktionsförsämringen måttlig, medan thCkare lager ger lägre friktionstal. Storleken beror även av i

vilken utsträckning rimfrostlagret polerats av trafiken. På grund av bilhjulens tryck och den friktionsvärme som bildas i kontaktytan mellan bildäck och vägbeläggning kommer rimfrostlagret, som från början består av

diskre-ta iSpartiklar, att övergå till en tunn ishinna genom att ispartiklarna smälter och därefter åter fryser till is. Friktionen, som från början är relativt låg på en

rimfrostbelagd yta, blir därför ytterligare något lägre då rimfrosten polerats till isbeläggning åáe även

av-snitt 4.2).

Rimfrosthalka kan uppträda mycket lokalt utefter vägen på grund av olikheter i yttemperaturen. Olikheterna bes ror exempelvis på skillnader i material och

överbygg-nadskonstruktioner, men även i abeläggningens färg, vä-gens läge i terrängen, lokalklimat etc inverkar. Även

om rimfrosthalka kan uppträda överraskande utefter

vä-gen, så uppkommer den i allmänhet långsammare än fler-talet övrigap former av halka. Ett relativt tjockt rim-frostlager har uppkommit först några timmar efter det

att yttemperaturen sjunkit under daggpunkteno

3.1.2 Snöhalka

Snö kan uppträda i ett flertal former beroende på

luft-temperatur, vatteninnehåll, packningsgrad m m. På vägar förekommer snön i huvudsak som

a)lössnö

b)hårdsnö (packad snö) c)snöslask

d)snömodd

Förutom dessa mer eller mindre renodlade former kan det

även förekomma väglag som ligger mellan eller är en blandform av de ovan uppräknade.

Snö bildas genom att vattenånga kondenseras och bildar

iskristaller. En förutsättning för att snö skall bildas är att lufttemperaturen är negativ. Luftens temperatur

inverkar också på snöns karaktär. Snö, som faller vid låga lufttemperaturer är "torr" och fastnar inte nämn-värt vid Vägytan, utan ligger löst ovanpå och yr omkring bl a av fartvinden från fordon. Vid något högre tempe-raturer (omkring OOC) fäster snön bättre och den ligger

därför kvar på vägytan där den kan sammanpackas under

trafikens inverkan.

Lössnöhalka är oftast en övergångsform som uppkommer i samband med snöfall, och något senare då snön samman-packas till ett hårdsnölager blir halkan av en annan

art. Vid låga temperaturer blir det sammanpackade snö-lagret mycket tunt, medan det vid kramsnö i allmänhet

uppkommer ett hårdsnölager, som är tjockare. Den packa-de snön har mer eller mindre is-karaktär och i vissa

fall kan denna form rubriceras som ishalka, se avsnitt

3.1.3.

Genom bl a mekanisk bearbetning och kemisk behandling (saltning) kan snökristallerna fås att bli mera rundade

och de förlorar delvis sin förmåga att häfta samman.

Denna form av snö kallas snömodd och karakteristiskt är att den sammanpackas inte nämnvärt av trafiken. Om temperaturen är tillräckligt hög smälter snömodden och vi får i stället snöslask.

Snöslask uppstår genom att snö smälter och det bildas en blandning av snö och vatten. Denna form av halka är

oftast inte av allvarligare karaktär vid måttliga has-tigheter, men kan vid högre hastigheter vara svår (jfr vattenplaning).

Friktionsnedsättningen vid snöhalka är starkt beroende

av väglaget. Mycket låg är friktionen främst då det förekommer ett tunt kramsnölager på vägen eller då

lössnö ligger på en istäckt vägyta. Likaså är friktionen

låg vid andra former av snöhalka, exempelVis då lössnö

eller snöslask täcker vägytan.

3 . l . 3

_;säalkâ

Ett isskikt på vägytan kan ha mycket olika karaktär och utseende främst beroende på uppkomstsätt. Isskiktet

kan exempelvis vara mycket tunt och följer vägytans

makrotextur. Detta benämnes vänligen isbark och man kan

därvid tala om isbarkhalka. I andra fall kan isskiktet variera i tjocklek, färg, strävhet etc°

Isbark bildas genom att a) underkylt regn faller på en vägyta som är omkring OOC eller att b) regndroppar vars temperatur är nära OOC faller på envägyta som är under

OOC, Isbark kan också bildas då c) vägbanan är fuktig och därefter avkyls så att en tunn ishinna bildas.

Väg-banan kan exempelvis ha blivit fuktig genom att

vatten-ånga kondenserats på denna, se Rimfrosthalka.

Vid underkylt regn är regndropparnas temperatur lägre

än OOC och då de faller på en yta vars temperatur är

omkring OOC eller lägre, fryser de nästan momentant

till'is° På grund.av det snabba

kristallisationsför-loppet kommer dropparna att behålla sin nästan sfäriska form i stället för att Spridas ut över ytan.

På liknande sätt bildas isbark då regn, vars tempera= tur är något över OOC, faller på enyta som är nedkyld.

Vid kontakt med den kalla vägytan avkyls regndroppen

och kristalliseras till is. Beroende på hur kraftigt

nedkyld vägytan är, kommer kristallisationen att ta

olika lång tid. Vid mycket kall vägyta sker

isbild-ningen omedelbart och medför en liknande isbark som vid underkyltregn.

Isbarken uppkommer mycket snabbt och uppträder därför

lO

mycket överraskande för trafikanterna.

Friktionsned-sättningen är också i allmänhet mycket kraftig på den

karakteristiskt litet skrovliga och tunna isglasyren.

Tjockare isskikt kan bildas på ett flertal olika sätt

och uppkomsten skiljer sig från det som beskrivits för isbark. Bildningssätten kan sammanfattas enligt följanm de:

a) Regnvatten eller snöblandat regn på vägytan fryser till iso

b) Packad snö blir på grund av trafikens påverkan mer

och mer isliknande.

c) Smältvatten som fryser bildar ett mycket halt skikte Smältvattnet kan antingen komma från snölager liggan-de på vägen eller rinna in från vägrenarna. Det se-nare är mest aktuellt på våren.

d) En något ovanligare form av ishalka uppstår p g a svallis som bildas genom att grundvattnet tränger

upp och rinner ut på en nedkyld vägbana°

Ishalkan kan ha mycket skiftande utseende och uppkomst, vilket framgår av sammanställningen ovan. Friktionsnedw

sättningen är därför också varierande p g a olikheter i isskiktets temperatur, strävhet etc, men också bero-ende av om vatten.finns på isen. Lägst är friktionen i allmänhet då isens yttemperatur är omkring OOC och

den är högre vid yttemperaturer lägre än OOC.

3,2 Strålningsbalans

Energiutbytet mellan en vägyta och atmosfären innehål-ler finnehål-lera komponenter varav strålningen är den

ll

rande. In mot vägytan faller solstrålning, antingen som direkt strålning eller som diffus strålning, vilken

upp-kommer genom passage genom bl a moln. Av den inkommande

solstrålningen reflekteras en del tillbaka ut i

atmos-fären, medan resten absorberas och omvandlas till värme.

Hur stor del som reflekteras beror på.ytans

reflektions-förmåga eller albedo, som definieras som kvoten mellan reflekterad strålningsenergi och infallande strålnings-energi. Nedan i tabell 1 visas exempel på några olika ytors albedo.

Tabell 1. Några ytors reflektionsförmåga (albedo) i pro-cent för kortvågig strålning, våglängder <4 pm

Nyfallen snö .i 75-95

Vitmålad beläggning 80-90

Gammal snö 40-70

Torr betong 17-27 Svart beläggning 5-10

Av tabellen framgår eXempelvis att en svart

vägbelägg-ning endast reflekterar 5-10 % av inkommande solstrål-ning och således absorberar 90-95 %, medan en Vitmålad

beläggning endast absorberar 10-20 %. Den solstrålning som faller in mot jordytan ligger i våglängdsområdet ca 0,3-4 um med intensitetsmaximum vid ca 0,5 um

.(1 um = 10-6m)o MaXimum ligger inom den synliga delen av

solspektrum och reflektionsförmågan blir därför av

avgö-rande betydelse för en ytas färg, d v 3 ljusa ytor

re-flekterar mer än mörka.

Skillnaden i strålningshänseende mellan olika vägbe-läggningar gör att yttemperaturen blir olika, eftersom den absorberande strålningen omvandlas till värmee En svart asfaltbeläggning absorberar mera strålning, och får därmed högre yttemperatur, än en asfaltbeläggning med mycket vit sten eller en ytbehandling med kvartsit,

Skillnaden i yttemperatur resulterar i att halka

upp-träder tidigare på en ljus beläggning än på en mörk

12

beläggning om förhållandena i övrigt är lika. Det är

också fallet att exempelvis tunn is, rimfrost etc lig-ger kvar längre på en ljusare beläggning, som ju reflek-terar en större del av solinstrålningen, än på en mörk beläggning.

Jordytan är inte endast mottagare av kortvågig

solstrål-ning, utan sänder också ut (emitterar) långvågig värme_

strålning. Jordytans utstrålning kan beräknas enligt

Stefan-Bolzmans lag E = 05T45 där 0 StefanuBolzmans konstant = 5,67'10'8Wm°2K°4 emissionsfaktorn: 0) H T = absoluta temperaturen 1 (K)

Intensiteten av den långvågiga utstrålningen från en

Vägyta beror m a 0 av ytans emissionsfaktor och yttem-peraturen. Emissionsfaktorn är omkring 0,90 för olika typer av vägbeläggningar, och den emitterade strål-ningen ger därför inte upphov till några större skill* nader i yttemperatur mellan olika typer av beläggningar.

Samtidigt som jordytan emitterar värmestrålning mottar

den värmestrâlning E_A från atmosfären. Det betyder att

man kan definiera en effektiv värmestrålning

__u 4_ . o .

Eeff -wodgp EA och slutligen en stralningsbalans EB enligt

där A = albedo

globalstrâlning, direkt och diffus solstrål=

6) I!

ning

En positiv strålningsbalans innebär att markytan har en strålningsinkomst och därmed uppvärms och en nega-tiv balans innebär strålningsförluster.

13

Om man endast ser till strålningens inverkan på yttem-peratur och halkrisk, är det sammanfattningsvis så att en mörk beläggning är mera fördelaktig än en ljus be-läggning på grund av den senares betydligt sämre

absorp-tionsförmåga för instrålning.

3.3 överbyggnaders värmetekniska egenskaper

Genom undersökningar vid bl a provvägarna Edsvalla 1966 och 1967, Lasele 1972 och 1973 och Brännland 1974, har

skillnader i halkrisk påvisats mellan isolerade och

oisolerade vägsträckor. Skillnaderna i halkrisk har varit mest framträdande under höst och förvinter, men

differentiell halka har dock även förekommit vid några fåtal tillfällen under vinter och vår p 9 a olikheter

i yttemperatureno Som tidigare sagts spelar yttempera-turen hos beläggningen en avgörande roll vid uppkomsten

av halka.

Yttemperaturen på beläggningen är beroende av ett fler-tal faktorer. överbyggnadskonstruktionen har en domine-rande betydelse, och detta beror på skillnader i värme-kapacitet och värmeledningsförmåga hos olika material.

Ett fuktigt och finkornigt material har exempelvis större värmekapacitet än ett torrt och grovkornigare material° För isolerade vägar har överbyggnadskonstruk-tionen ännu större inverkan på yttemperaturen. Det vär-meisolerande lagret avskärmar värme från underliggande

lager och lagren ovanför isoleringen får därför en av»

görande betydelse för yttemperaturen och därmed för

halkrisken.

Den volymetriska värmekapaciteten C ges av formeln

c = C'p (J/m3K = ZCipini (J/m3K

<1)

14

där c. = specifikt värme för beståndsdel i

(J/kgK

= densitet för beståndsdel i (kg/m3) ni = volymandel av beståndsdel i

= volymetrisk.värmekapacitet för

bestånds-delarna is, vatten och fast material

(J/m3K)

Vid en temperatursänkning under fryspunkten kommer en del av vattnet i materialet att frysa och frige latent värme. Till den volymetriska värmekapaciteten enligt formel (1) kan det frigivna latenta värmet tillfogas

och Vi får därmed en "skenbar" volymetrisk

värmekapa-citet enligt följande

C = Å 5 9d åxå_ + 2 ci'pini(J/m3K) (2)

där

Å

= frysvärme för vatten, 333 (kJ/kg)

åá = materialets torra densitet (kg/m3) wu = viktandel ofruset vatten

v. = temperatur (OC)

Med hjälp av formel (2) kan den energimängd Q (J), som åtgår för att sänka temperaturen hos materialet från

+4°c till -4°c med åtföljande frysning, beräknas.

Ne-dan i tabell 2 återges beräkningsresultat för de fyra

konventionella, oisolerande sektionerna och för sektion

34o Energimängden, i (kJ), har beräknats för två fall,

nämligen de översta 20 cm och för 70 cm av överbyggna-den. Beräkningen har skett per cmze

15

Tabell 2. Energimängd som åtgår för att sänka tempera-turen från +4°C till -4OC med åtföljande frysa

ning för oisolerade sektioner vid Halkfält,

Linköping 1976.

Energimängd (lOBkJ) Sektion 20 cm djup 70 cm djup

1 7,59 34,82

2 5,99 33,22

3 5,06 31,47

4 3,33 15,45

34 3,33 26,50

För de isolerade sektionerna har den energimängd som åtgår för att kyla lagren ovanför isoleringen beräk-nats, I tabell 3 återges de beräknade energimängderna.

- u»rvp - qç-.p-øø- -men . a-'I-"

_Av de i formel (2) ingående parametrarna_ger andelen

vatten det klart dominerande bidraget till värmekapa-citeten. Sektion 1 kan exemplifiera detta. AV

Q = 34,82 (103kJ) härrör 26,04 - (103kJ) = 75 % från

vattnets frysvärme och endast 7,69 ° (lOBkJ) = 22 % från de torra materialens värmekapaciteter°

Av tabell 2 framgår att "värmekapaciteten" för sektio-nerna l, 2 och 3 är mer än dubbelt så stor som för sektion 4. Av de tre grusbitumen-överbyggnaderna l, 2 och 3, har sektion 1 högst "värmekapacitet" och den lägre kapaciteten för sektionerna 2 och 3 beror på BG-lagret i dessa sektioner.

16

^ ; J

Tabell 3. Energimängd som åtgår för att sänka tempera-turen från +4°C till -4OC med åtföljande frysning för de ovanför isoleringen liggande

lagren hos några isolerade sektioner vid

Halkfält, Linköping 1976. Inom parentes anges

cellplastens läggningsdjup = tjockleken av

ovanför liggande lager.

'Sektion

A

.Energimängd (l03le.. . . ..

5

0,74

(4 cm)

6

.7,59

(20 cm)

7

15,70

(35 cm)

8 23,90 .(50 cm)

10

2,41 _wm(13 cm).

»11 "m

'

6,96

(25 cm)*

12

20,57

(50 cm)

14

22,41

(50 cm)

27

9,45

(20 cm)

28

3,33

(20 cm)«n

-Ett isolerande lager i Vägöverbyggnaden avskärmar

värmeströmning från lägre liggande lager och det är

för isolerade sektioner därför mest intteSsant att.

jämföra värmekapaciteten för lagren ovanför isoleringeno

I tabell 3 ses att "värmekapaciteten" ökar kraftigt då

isoleringslagret placeras djupare ner i överbyggnadeno

Det framgår också av tabellen att "kapaciteten" är högre för mera "vattenhållande" material, exempelvis sand (sektion 27) än för "torrare" material som makan dam (sektion 28)°

En jämförelse mellan isolerade och oisolerade sektioner kan göras på något olika sätt. Om energimängderna i tabell 2 (för 70 cm djup) exempelvis jämförs med de i

tabell 3 beräknade energimängderna, ser man att det

17

för de tre oisolerade grusbitumenöverbyggnaderna l, 2 och 3 krävs de klart största energimängderna för att kyla ner dessa konstruktioner. Av de isolerade sektio-nerna uppvisar sektioner med lägst placerad isolering

(50 cm djup) de största energimängderna, men dessa är ändock mindre än 2/3 av de oisolerade grusbitumenöver-byggnadernas. Det är slutligen också att märka att den oisolerade bergbitumenöverbyggnaden 4 enligt detta resonemang har ungefär samma "värmekapacitet" som en isolerad sektion med isoleringslagret placerat 35 cm under beläggningen.

En annan faktor som har stor betydelse för

yttempera-turen, och som delvis hänger sammanmed

"värmekapaci-teten", är ledningsförmågan ,hos olika material. Nedan

i tabell 4 visas medelvärden för några vägbyggnadsmam

terial. Tabellvärdena är hämtade ur "Frost i Jord"

nr 17, 1976,

Tabell_4. Densitet och värmeledningsförmåga hos några

mineraliska material

Material Densitet kg/dm3 Värmeledningsförmåga (W/mK)

,Å ofruset, Åfruset

Bergkross

1,65 i 0,15

1,1 - 0,4

0,95

0,35

Grus, medel

1,95 i 0,15

1,5 i 0,5

1,25 i 0,55

Sand, medel

1,85 i 0,15

1,65: 0,55,

1,3 i 0,5

Som framgår av tabellen ovan är ledningsförmågan lägre

för bergkross än för grus och sand. Den lägre ledningsu

förmågan beror främst på bergkrossens lägre densitet. Ledningsförmågan beror även på materialets vatteninne-håll° Större vatteninnehåll ger ökad ledningsförmåga, vilket också bidrar till grusets bättre

18

måga i förhållande till bergkross.

Sammanfattningsvis kan man därför säga att vid nedkyl-ningsförhållanden kommer en grusöverbyggnad att avkylas

långsammare och mindre än en bergbitumenöverbyggnad.

Detta beror på att grus och sand har högre värmekapaci-tet ("värmeinnehåll") än bergkross. De har också bättre

värmeledningsförmåga, som gör att värme lättare leds

till ytan och där upprätthåller energibalansen.

H. ... g.: ' 7.3_ __"';_!"q..r._.,w- .

49 MÄTNINGAR VÅREN 1977

401 Inledning

Mätningar har gjorts vid halkfält,Linköping 1976 under tiden 1977m02002a«04=01. Observationerna har omfattat sex perioder enligt följande:

ozmozum02004

Mätperiod

02»09»u02«11

Mätperiod

OZ-lswmozølB

Mätperiod

02w28-°03«03

Mätperiod

03m22-°03-25 Mätperiod

03m29u-04_01

Mätperiod

m m p r H

Mätperioden lm4 föregicks av artificiell uppvärmning. Ett tält placerades över ytorna och uppvärmningen gjorm des med varmluft° Då sektionerna antagit temperaturer som råder under höstförhållanden drogs tältet bort och observationsperioden inleddes. Mätperioderna 5 och 6 föregicks inte av uppvärmning.

Det tält som använts vid vårens mätningar har tyvärr

inte täckt hela halkfältet. Under de fyra första mät» . perioderna har därför några sektioner ej kunnat uppvärw mas och de har då ej heller medtagits i observationerna,

Detta gäller sektionerna 5, 6, 7, 15, 16, 19, 20 och 230

19

Resultat från vårens mätningar vid halkfältet redoviê sas i detta och följande kapitel. Det bör påpekas att

de hittills utförda mätningarna varit av mindre omfatta

ning och det är därför för tidigt att dra några helt

säkra slutsatser utifrån dessa. Senare under projekt

tets gång kommer de utförda mätningarna tillsammans

med ytterligare mätmaterial, att användas för en dju= pare utvärdering av samband mellan olika parametrar

och uppkomsten av halka.

'

402 Rimfrost, friktion

Under vårens mätperioder har frimfrost uppkommit vid

flera tillfällenø I bilaga 3:1»6 redovisas diagram

över hur lufttemperaturen, luftfuktigheten (bilaga

3:1-4), nettostrålningen (bilaga 3:5-6) och några sek-tioners yttemperatur varierat under mätperioderna. På diagrammen har också de tidpunkter markerats då rim» frost förekommit på halkfälteto

Som ses i bilaga 3 är temperaturförlOppet.något olika under de sex mätperioderna. De fyra första mätperioder-na föregicks av uppvärmning och när denmätperioder-na upphörde och tältet drogs bort var lufttemperaturen mycket låg. Des_ sa mätperioder återspeglar därför ett mycket markant avkylningsförIOpp, som ger en bild av hur snabbt och

hur kraftigt de olika sektioerna avkyls. De två sista mätperioderna föregicks inte av artificiell

uppvärm-ning och temperaturförloppet kan sägas vara "vår"-likt, dvs kraftig instrålning på dagen och utstrålning på

natten, se bilaga 3:5a6. P g a den kraftiga

instrål-ningen varierar yttemperaturen på de olika sektionerna med större amplitud än under de tidigare perioderna.

I bilaga 3:6 redovisas nettostrålningen tillsammans

,I

/

20

med lufttemperaturer och yttemperaturer för perioden

1977-03-29--04-01. Av bilagan framgår mycket klart vil-ken inverkan strålningen har på Vägbeläggningens

yttem-peratur. Vädret var under denna period klart och strål-ningsbalansen var därför negativ,ca -lOOW/mz, under nätterna. P 9 a den negativa balansen skedde en avkyl-ning av sektionerna, vilket återspeglas i att yttempe-raturen blir allt lägre under nattens lopp. Under dagen är instrålningen kraftig och det kan ses att-yttempera= turen mycket väl följerförloppet hos strålningen, men

att temperaturkurvorna ligger några timmar efter

strål-ningsbalanskurvano

I diagrammen i bilaga 3 har rimfrosttillfällen marken rats och det framgår därav att rimfrost inte

förekom-mit (sektion 5 undantaget) under mätperioderna 2,3 och

6. Under dessa tre perioder har lufttemperaturen va-rit lägre än yttemperaturerna och:daggpunkten har

där-med inte underskridits. I enlighet där-med vad som beskrivs om rimfrosthalka har det därför inte heller blivit nå-gon rimfrost på halkfälteteünder övriga perioder har

yttemperaturen på vissa sektioner varit klart lägre än lufttemperaturen under delar av dygnet och rimfrost-bildning av varierande omfattning har observerats.

Rimfrostgraden, dvs mängden av rimfrost, har varierat

beroende på hur starkt nedkylda ytorna varit. Vid de tillfällen då ?rimfrost förelegat har mängden

uppskat-tats okulärt enligt skalan 0=4, där 0 = ingen rimfrost, 1 = mycket tunt (fläckvis) lager, 2 = synligt (medel-tjockt) lager och 3 = tjockt lager. I bilaga 4 redo-visas de rimfrostfall som varit under vårens mätningar.

I sambandjméd.att rimfrost förekommit på fältet har

friktionen på alla de rimfrostbelagda ytorna.

Friktionen uppmättes däremot inte på alla ytor som saknade rimfrost, p g a att det därvid kan bli en

alltför stor uppvärmning i gummiklossen på

21

raten, vilket kan inverka på mätresultatet. Det bör också eftersträvas att inte Sprida ut mätningarna

.tiÖSmäSSigthåpdetfi Sådant fall kan ske'förändringarJ

i väderlek och väglag mellan mätningens början och slut° Resultatet av friktionsmätningarna redovisas i bilaga 4 och finns uppritade i bilaga 5. Friktionsvärdena är beräknade som medelvärdet av pendelutslag ll, 12 och 13. Dvs l3 pendlingar gjordes med pendelapparaten och medelvärdet är beräknat för de tre sista utslagen. Med

detta förfarande efterliknas väglagsförhållandena på

en trafikerad rimfrostbelagd väg, vilket även beskrives något senare i detta avsnitt. Nedan kommenteras de

redo-visade rimfrostfallen.

1977-02-04 kl 8.30, Efter en klar natt hade rimfrost bildats på flera ytor (se foton, bilaga 14). Tjockast lager förekom på sektionerna 10 och 28 (rimfrostgnad 3) medan sektionerna 4, 29, 30 hade något.tunnare

la-ger och sektionerna ll, 33 och 34 hade ett mycket tunt lager° Friktionen.var nedsatt på de rimfrosttäckta ytorna och friktionstalets storlek berodde på mängden av rimfrost som fanns på beläggningsytan. Som framgår av ovanstående är det två högt isolerade sektioner och alla med bergkross uppbyggda sektioner, såväl iso-lerade som oisoiso-lerade, som i detta fall har täckts med rimfrost. Det bör påpekas att det för denna tidpunkt saknas några sektioner i observationsmaterialet (se avnsitt 4.1)°

1977-03-02 kl 08,15. Efter en klar natt var flertalet

sektioner rimfrosttäckta och endast sektionerna l, 8,

24, 25 och 27 saknade rimfrost helt; vilket delvis framgår av foton i bilaga 14. Liksom tidigare var det

främst på högt isolerade och bergkrossuppbyggda

sek-tioner som friktionen var kraftigt nedsatt.

1977-03-03 kl 08.00. Denna morgon var rimfrostbild-ningen av mindre omfattning och förklaringen kan ses

Q

22

i bilaga 3:4, där det framgår att lufttemperaturen

le-gat lägre än yttemperaturerna under större delen av

natten. Liksom tidigare förekom rimfrosten på högt iso-lerade sektioner och sektioner med bergkross.

1977-03-23 kl 06.00. Tältet var borttaget sedan mer än

en vecka och vid mätperiodens början var temperature förhållandena av höstkaraktär för alla sektioner. På morgonen den 23 mars förekom rimfrost på några ytor, ånyo främst på högt isolerade sektioner och bergbituw menöverbyggnader. Inte förvånande var rimfrostbildw ningen markant kraftigast på den toppisolerade sektion 50

1977-03_24, 25, 30, 31. Dessa morgnar förekom rimfrost

enbart på sektion 5, och förklaringen är att denna sekm tion avkyls mycket kraftigt vid utstrålningssituationere

Detta behandlas mera i avsnittet 4.3, där inverkan av

isoleringslagrets läggningsdjup_diskuteras.

Som framgått av sammanställningen ovan har rimfrost

uppstått vid tillfällen med relativt hög luftfuktighet

och på de sektioner där yttemperaturen varit lägre än

lufttemperaturen. Friktionen har varit nedsatt på de ,sektioner som varit rimfrosttäckta och i stort sett ,har den varit omvänt proportionell mot rimfrostgraden,

dvs mera rimfrost ger sämre friktion.

Vid uppmätning av friktionen har det kunna konstateras att för varje uppmätning varierar friktionstalet under uppmätningens gång, beroende på mängden av rimfrost som finns på ytan. I bilaga 6 exemplifieras detta för tre olikasektioner mgdwyarierande mängd rimfrostf

Vid mätning 1977-01-02 kl 08.15. Sektion 1 saknaag

rimfrost helt och pendelutslaget är därför stort från

början och det ökar något vartefter mätningen pågår,

._

p g a att eventuell smuts på ytan slås bort genom

- ,_...1... -. -__11 _.,Aw-

23

pendlingarna. Utslaget stabiliseras sedan kring ett värde som är något större än initialvärdet. På sektion 9 förekom ett mycket tunt lager rimfrost och

uppmät-ningsförloppet skiljer sig något från det ovan

beskriv-na. Vid de första pendelslagen är friktionen något ned-satt p 9 a rimfrosten, men redan efter några pendel-slag börjar friktionen öka beroende på att rimfrosten nöts bort. Även i detta fall blir friktionen efter en tid av samma storleksordning som vid mätning på torr beläggning. I det tredje fallet, som exemplifieras av

sektion 10, är rimfrosten tjockare och mätförloppet

blir här helt annorlunda° Friktionen är från början

relativt låg och vid upprepade pendelslag poleras

rim-frosten till ett tunt isskikt som medför att

friktio-nen blir ännu något lägre. Efter ett antal slag stabi-liseras därefter friktionen kring ett lågt värde.

De mätförlOpp som här beskrivits, återger till stor del vad som händer då rimfrost finns på en vägyta. Om

rimfrosten är mycket tunn, kommer den att nötas bort av trafiken och friktionsnedsättningen blir inte allt-för stor. Om det däremot allt-förekommer ett tjockt

rim-frostlager på vägen är friktionen låg i början, men

den avtar därefter ytterligare allteftersom trafiken. polerar rimfrosten till tunn is.

Vid friktionsmätningarna på halkfältet har det också framgått hur ljusheten på rimfrostbeläggningen

föränd-ras vid polering. Rimfrosten är från början mer eller mindre vit och kan därför observeras bra° Efter pole-ring blir den mörkare och genomskinlig, och den blir därmed av iskaraktär och svårare att upptäcka.

403 Isoleringslagrets läggningsdjup

Isoleringslagrets placeringsdjup i överbyggnaden är en faktor som inverkar på halkrisken. Vid halkfältet har

24

läggningsdjupet varierats i sektionerna 5-9 (utan BG)

och i sektionerna lO-l3 (med BG). I bilaga 7:1-4

åter-ges yttemperaturer för mätperioderna l, 2, 3 och 5 för oisolerade sektion 3 och de isolerade sektionerna 10-14 och i bilaga 7:5-6 visas yttemperaturförloppet för mät-perioderna 5 och 6 för oisolerade sektion 1 och de iso-lerade sektionerna 5-9. Läggningsdjupets betydelse för halkrisken kan även ses i tabellen över rimfrosttill-fällen i bilaga 4°

För sektionerna 5-9 saknas mätvärden för de fyra första mätperioderna p 9 a orsaker som.omtalats tidigare. Jäm-förelse mellan dessa sektioner kan därför endast ske för perioderna 5 och 6, se bilaga 7:5-6. Som framgår av dessa delar av bilagan ligger yttemperaturerna mar-kant lägst för den högt isolerade sektionen 5 och det-ta återspeglas även i det-tabellen i bilaga 4, där det kan konstateras att kraftig rimfrostbildning förekommit vid

flertal tillfällen (03-23, 03-24, 03-25, 03-30 och 03-31). De övriga sektionerna (6"9) har klart högre

yttemperaturer, som är av ungefär samma storlek eller endast något lägre än för den jämförda konventionella

sektion l. Något förvånande har sektionerna 8 och 9 lägre yttemperaturer än de två högre isolerade 6 och 7, med detta förhållande bör ha sin förklaring i olika

försöksbetingelsero 6 och 7 täcktes ej av tältet under uppvärmningarna och det har därmed uppkommit skillnader

i temperaturförhållanden i överbyggnaderna mellan

sek-tionerna 6 och 7 och seksek-tionerna 8 och 9.

Jämförelse mellan sektionerna lO-13 ger kanske en bätt-re bild av läggningsdjupets betydelse för halkuppkom-sten. Bilaga 7:1-4 Visar att den kraftigaste avkyl-ningen sker på sektion 10 som är högt isolerad, medan övriga, sektion ll delvis undantagen, inte skiljer sig nämnvärt från den konventionella sektion 3. Kraftig

rimfrost har vid några tillfällen uppkommit på sektion

10, medan den har varit av mindre omfattning eller

25

saknats helt på de övriga ytorna, se bl a foton i

bi-laga 14.

I bilaga 8 redovisas i tabellform minimivärden för alla sektioners yttemperatur under de sex mätperioderna. Ta-bellen visar att lägst yttemperatur när det gäller

sek-tion 10-13 företrädesvis uppkommit på seksek-tion 10.

Sek-tion ll uppvisar några grader högre

yttemperaturmini-mum och sektionerna 12 och 13 ytterligare något högre.

Vid jämförelse med de konventionella sektionerna kon-stateras att i allmänhet har sektion 10 lägre tempera-tur än de konventionella. Sektion 11 har högre än sek-tion 4, men lägre än de tre övriga konventionella, och att sektionerna 12 och 13 har ungefär samma som

konven-tionella sektion 3. De oisolerade 1 och 2 har de högsta

yttemperaturerna.

Sammanfattningsvis kan det konstateras att isolerings-lagrets läggningsdjup har stor inverkan på halkrisken. Av yttemperaturmätningarna, som även är en indikation

på halkrisk, har framgått att.i stort sett ökar

yttem-peraturen med större läggningsdjup. De klart lägsta

yttemperaturerna har uppmätts på de i högt läge

isole-rade sektionerna 5 och 10, medan de djupare isoleisole-rade sektionerna (exempelvis 8, 9, 12, 13, 14) uppvisar tem-peraturförhållanden som inte skiljer sig markant från de konventionella sektionerna, främst sektion 4.

4.4 "Isoleringslagret 'tjocklek

Isoleringslagrets tjocklek har vid halkfältet varierats för några olika läggningsdjup. Tre isoleringstjocklekar har använts, nämligen 3, 5 och 8 cm. Isoleringstjock-lekens inverkan på halkfrekvens etc kan studeras genom att jämföra följande fyra kombinationer av sektioner,

som är isolerade på samma djup och i övrigt lika upp-byggda, men med olika tjocklek på cellplastlagrete