Beständighet hos asfaltbetong : En litteraturstudie av materialtekniska faktorer som påverkar vatten- och frostbeständighet hos massabeläggning samt möjliga testmetoder

VTInotat

Nummer:

v 151

Datum: 1991-07-05

Titel:

BESTÄNDIGHET HOS ASFALTBETONG

_{- En litteraturstudie av materialtekniska}

faktorer sompåverkar vatten- och

frost-beständighet hos massabeläggning samt möj-

_{liga testmetoder}

Författare: Peet Höbeda

Avdelning:

Vägavdelningen

Projektnummer: 4238007-1

Projektnamn: Massabeläggningars klimatbeständighet

_{och åldringsegenskaper}

Uppdragsgivare: Vägverket

Distribution: Begränsad

dh) &

>

Statens väg- och trafikinstitut

w Veatg-och Trafik-

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

BESTÃNDIGHET HOS ASFALTBETONG

- en litteraturstudie av materialtekniska faktorer som påyerkar vatten- och frostbeständighet hos massabeläggning samt möjllga testmetoder.

Sammanfattning. 1. Inledning.

2. Inverkan av några materialtekniska faktorer. . 2.1. Stenmaterial.

2.2. Hâlrum.

2.3. Åldring.

2.4. Återläkning.

3. Inverkan av några provningstekniska faktorer. 3.1. Vattenabsorption och vattenmättnadsgrad. 3.2. Svällning.

3.3. rys-tö-växling. 3.4. Saltlösning.

3.5. Provning av mekaniska egenskaper efter klimatpåkänning. 3.6. Simulering av trafikpåkänning.

3.7. Några samband mellan olika testmetoder. 4. Slutsatser och rekommendationer.

5. Referenser.

Bilaga 1a. Bestämning av vidhäftningen mellan sten och vatten i närvaro av vatten enligt rullflaskemetoden.

Bilaga 1b. Metodbeskrivning - bestämning av bituminösa beläggningars

Bilaga 2.

vattenkänslighet med pressdragprovning.

Utdrag (tabeller) från SHRP:s "Summary Report on

beständigheten hos asfaltbeläggning (motståndskraften mot "stripping"), men

trots detta återstår många olösta problem. En egenskap som

frostbeständig-het -också vid närvaro av vägsalt- har däremot beaktats endast i ringa

omfattning. Den bör dock vara av betydelse särskilt vid svenska

klimatför-hållanden. En genomgång av litteratur -som mestadels visat sig vara

ameri-kansk -har gjorts av ett antal viktiga parametrar som påverkar beständig-heten hos asfaltbeläggningar med målsättning att komma fram till en lämplig provningsmetod. Stenmaterialets petrografi och ytegenskaper spelar en

viktig roll i sammanhanget och en stor del av de i Sverige använda stenmaterialen är av ogynnsam sammansättning från "strippingsynpunkt".

Hålrummet i beläggningen är av avgörande betydelse och beständigheten för-sämras i princip med ökande hålrum. Slitlagermassa med lågt hålrum visar sällan dålig beständighet, såvida tex inte bruket blivit dåligt pga olämp-ligt stenmjöl (jfr VTI Notat V 73). AG-massa har dock hålrum som ligger inom ett kritiskt område och måste därför skyddas för vatten. Vid dräneran-de asfaltbetong måste särskilda åtgärdräneran-der vidtagas för att förhindra "strip-ping".

Asfaltbeläggning åldras under sin funktion, främst pga förändringarna av själva bindemedlet. Förloppet är dock även här avhängigt av hålrumshalten och ökar med ökande värde på denna. Ett problem är att i laboratoriet ny-tillverkade provkroppar är hydrofoba och inte nödvändigtvis representativa för beläggningen vid vägförhållanden. Det är tex svårt att få in vatten i provet och för att testa beständighet på ett meningsfullt sätt måste vattenmättnadsgraden i provet vara tillräckligt hög.

Vattenkänsligheten hos asfaltbeläggning undersöks fn genom två metoder i Sverige, dels rullflaskeförsöket, utfört på asfaltklädda stenar av en

bestämd analysfraktion, dels vidhäftningstalet, som går ut på en jämförelse av pressdraghållfastheten hos provkroppar av vatten- resp. torrlagrad asfaltmassa. Marshallprovkroppar utförs i det senare fallet med en bestämd "öppen" gradering för att få ett tillräckligt högt hålrum så att vatten-mättning är möjlig. Viktiga parametrar som hålrum och vattenmättnadsgrad defineras dock inte vid försöket.

Rullfaskförsöket ger tydliga utslag för stenmaterialegenskaper.

material-beständighet och effekt av vidhäftningsbefrämjande åtgärder. En sådan

behandling verkar också relevant vid svenska klimatförhållanden. Påkän-ningen på beläggPåkän-ningen ökar med vattenmättnadsgraden i denna och minskande ytspänning i vattnet. Vatten som ansamlas på vägen får således nedsatt ytspänning. Lösningar av halkbekämpningsmedel minskar även beständigheten.

Som resultat av litteraturstudien skissas pgiggipg:gg_för en ny testmetod,

avsedd för massabeläggning. Hänsyn tas bla till den påkänning som främst bindemedlet blir utsatt för vid massatillverkning, men även genom långtids-åldring i vägen. Detta sker genom att både opackad asfaltmassa och färdig provkropp värmelagras bestämda tider. Massasammansättningen bör vara den-samma som i vägen. Packningsmetodiken bör förändras från Marshallpackning, som ger provkroppar med ett tätt ytlager som förhindrar vattenmättning. Lämpligt förfarande är fortfarande under diskussion; provkroppar med större diameter än vad som testas kan utföras och slutgiltig provkropp erhålls sedan genom utborrning.

Packnigsinsatsen varieras, samtidigt som hälrummet i proven kontrolleras. Vid slitlagermassa måste även prov med hålrum högre, än i anvisning godkänt värde, studeras. En renodlad finktionsprovning är därmed svår att utveckla för slitlagermassa, en överdriven påkänning är nödvändig för materialjäm-förelser. Provkropparna utsätts först för vacuummättning i svag saltlösning

(som förväntas ge tydligare utslag än vatten) till en bestämd mättnadsgrad och sedan för frys-tö-växling. Ev. svällning kontrolleras vid försöket. Nedsättningen av de mekaniska egenskaperna avläses sedan vid ett bestämt hålrum genom interpolation, något som möjliggörs genom att provkroppar med olika hålrum tillverkats. Mätning av deformationsförloppet vid brott kan ge viktiga upplysningar, men har hittills föga beaktats. Resilientmodulvärdet kan även bestämmas som komplement för torrt och vattenkonditionerat prov. I princip kan även borrkärnor från vägen undersökas genom en sådan metod.

Som ett komplement till beständighetsundersökningen kan även återläknings-förmågan hos de testade provkropparna studeras genom att dessa lagras under belastning och förhöjd temperatur under en viss tid före förnyad undersök-ning av de mekaniska egenskaperna.

En relevant testmetod för beständighet blir ganska komplicerad och därför föga lämplig för rutinbetonade analyser. Det är dock fn alltför tidigt att

att kraven i byggnadsanvisningarna är uppfyllda. NVF Utskott 33 (1985)

behandlar materialegenskaper och funktionskrav hos asfaltbetong samt under

rubriken "övrig nedbrytning" nämner man:

- stenmateriazets v:ttring genom frost-tö-växlingar - stenmaterza.ots vzttring genom salt

- stenmaterza.o's :omiska vittring

- vidhäftrznesro'2read nedbrytning, som kan bero dels på ytkemiska faktorer, 2..: ;A olämpliga volymsproportioner (för tunna

"binde-medelshin' r'

- bindemec.o's 1.:';nø\.

- termxaut to'1nao: sprickbildning (vid låga temperaturer).

Nedorytninç ax §°I.va stenmaterialet är sällsynt i Sverige såvida man inte använder sig av ca.:ga sedimentära bergarter eller också starkt omvandlade

sådana 23:' n'beza 2981). Mineral som magnetkis kan tex i sällsynta fall

förorsaka vztt'1ng (Nieminen 1991). Frys-tö-växling och salt kan dock

påverka Själva beläggningen, dvs kompositen. Av särskilt intresse i samman-hanget är den vxdnäftningsbetingade nedbrytninge, men även dess beroende av åldringen. som tas upp till diskussion i föreliggande arbete. Den termiskt betingade nedbrytningen, som yttrar sig i uppsprickning och främst beror på bindemedelsegenskaper, ligger utanför ramen av denna studie.

Inom Nordiska Vägtekniska Förbundets Utskott 33 har man gjort försök att ta fram testmetoder och har utarbetat ett metodförslag för rullflaskeförsök

(asfaltklädda stenar 5,6-8,0mm testas) och för vidhäftningstal enligt

pressdragmetoden (NVF 1983), se bilagor 1a och b. Dessa metoder ger inte alltid tillförlitliga resultat.

Maupin (1989) ger en principskiss hur en beläggnings hållfasthet utvecklas med tiden (figur 1:1). I "idealtillståndet" förväntar man en tillväxt,

främst beroende på åldring och förhårdning av bindemedlet (hänsyn har här inte tagits till utmattningen genom trafik). "Strippingen", dvs avloss-ningen av bindemedel från stenen genom vattenpåverkan, ger däremot upphov till en hållfasthetsnedsättning. Oxiderat bindemedel blir mer polärt och kan därmed lättare ta upp vatten (Robertson 1991). Olika typer av vidhäft-ningsskador (detachment, displacement, Spontaneous emulsification, pore pressure, hydraulic scoring mm) har beskrivits av bla Tarrer och Wagh

(1991). Mikrober, härstammande från tex matjord, kan tom påskynda förstö-relsen (Brown mfl 1990), men omfattningen av en sådan process är mycket oklar. De olika processerna kan vara mycket svåra att skilja från varandra. I viss mån är "strippingen" en reversibel process om vattnet får möjlighet

att avdunsta.

Beläggningen utsätts dock inte bara för fuktighet utan även för frysning, i regel i närvaro av saltlösning (halkbekämpningsmedel). Inverkan av dessa faktorer är lite undersökta i asfaltsammanhang. Beläggningen åldras dess-utom i vägen genom fysikaliska och kemiska processer och får med tiden förändrade egenskaper. Därtill kommer påfrestningen av trafik. Åldringens

betydelse beaktas vanligen inte vid undersökning av mekaniska egenskaper

hos asfaltbetong.

Klimatiskt sett förekommer strippingproblem över hela världen, från länder med kallt klimat, särskilt ommånga frys-tö-växlingar förekommer, till varmt ökenklimat, där plötsliga översvämningar vållar problemen (jfr

Shihata och Aburzaiza 1988).

Beständighetsproblemet bedöms ej vara så allvarligt i Sverige som i vissa andra länder, med dåliga tillgångar på goda stenmaterial, men även vid mer varierande asfaltkvaliteter. Samtidigt är stenmaterialen som används över-vägande hydrofila (dvs vattenälskandeu i förhållande till asfalt, jfr mom 2.1). Detta gäller speciellt för de slitstarkaste stenmaterialen, något som innebär större vattenkänslighet. Även frys-tö växling och halkbekämpning innebär ökad påfrestning på beläggningarna. Konstruktioner, där vatten av någon anledning kan stängas in, är särskilt känsliga för sådana skador som beror på "stripping" (Jfr också Wiman 1981).

Hålrumsrika AG-lager är särskilt känsliga och strippingen kan i vissa fall börja i beläggningens nedre del genom att vatten sugs upp kapillärt eller i ångfas och i andra fall från vägytan. Olika typer av "stripping-processer" illustreras schematiskt i figur 1:1. Enligt Lottman (1978) är skador vanligare i den undre delen av en asfaltbeläggning än i den övre. "Stripping" acceleras av trafikpåkänningar, som förorsakar porvattentryck, men kan också vara icke trafikbetingad. Kandahl mfl (1989) anser att man ofta negligerat undergrundens och dräneringens betydelse vid "stripping-studier". Skador kan uppstå under ett tätt slitlager då vatten kondenseras under detta nattetid och genom uppvärmningen på dagen kan sedan ett

kan brytas ned av trafikbelastningen. Christensen (1977) har således påvisat "stripping" i den undre delen av helbituminösa konstruktioner,

speciellt på vattenkänsliga lerundergrunder.

Den litteratur som behandlar vattenkänslighet är till övervägande del

amerikansk. I USA har man hävdat att den allt ökande

"strippingbenägen-heten" hos asfaltbølaggningar egentligen främst beror på att dessa numera

utsätts för al;: nagra skjuvningspåkänningar pga ökande däckstryck och

fordonsvikter Invit 1986). Skjuvhållfastheten i asfaltmassan räcker inte till och struntdruçpluckringar och tom ökning av hålrummet kan ev. ske i

samband med sujuvzoncr en bit under vägytan. "Strippingen" är i så fall en sekundär ft.§ü;'@:lit Det har även konstaterats samband mellan

"stripping-benägenhet' toa! splrbildning eller utmattningsskador (Lottman och Breje

1990. Krut: 0:? Stroup-Gardiner 1990). Ökade krav måste därvid ställas

inte enbart pa materialkomponenterna utan också på proportioneringen av

asfaltmassan metoder som Marshall- och Hveemförfaranden räcker inte länge till för dagens trafik. Det sker fn på sina håll en utveckling mot bärlager innehållande grövre sten av den anledningen.

Man kan dock inte helt jämföra förhållandena i USA med dem i Sverige. Förutom att de geologiska och klimatiska förhållandena är annorlunda,

använder man 615 i det förstnämnda landet av hålrumsrikare beläggningar,

även i slitlager. än vad som är praxis i Sverige och även övriga Europa. Tydligen vill man på så sätt säkerställa tillräcklig motståndskraft mot plastisk deformation, men också få en vägyta med god friktion. Trumbland-ningsverk är också vanliga i USA, något som kan innebära högre restfukt-halter i asfaltmassan än vid satsblandning och därmed även större problem med vattenkänslighet. Stenmaterialen är ofta porösa och kan suga både asfalt och vatten, något som behandlats i en SHRP-studie (Lee mfl 1990).

Resultaten av vid VTI påbörjade försök att studera vatten- och frostbestän-dighet (jfr Jacobson 1991) har visat på nödvänfrostbestän-digheten av en systematisk litteraturstudie för att undvika dyrbara misstag. Under den senaste tiden har det också kommit fram en mängd information inom det amerikanska SHRP-projektet, bla en "Summary Report on Water-sensitivity (Terrel och Shute

1989), som är av särskilt intresse i detta sammanhang. Man ställer upp kriterier för och värderar olika existerande testmetoder för provning av vattenkänslighet samt bedömer deras relevans (tabellformade sammanfatt-ningar ges i bilaga 2). Dessutom listas kriterier för vattenkänslighet och

de olika testmetoderna, som används i USA:s delstater, i bilagan. En annan, bredare upplagd "state-of-the-art" rapport har redovisats av Stuart (1990). Föreliggande studie har lagts upp som en diskussion av några viktiga

para-metrar som bestämmer beständigheten hos asfaltbetong. De olika kapitlen har

skrivits oberoende av varandra, därav den något krångliga numreringen och

vissa upprepningar har inte kunnat undvikas. Av materialtekniska faktorer

behandlas inte bindemedlets inflytande eftersom undersökningar av detta bedrivs i annat projekt (av Liliane Berglund).

Inverkan av vidhäftningsbefrämjande medel på asfaltbeläggningens bestån-dighet tas inte upp till diskussion för att begränsa omfattningen av redovisningen. En litteraturstudie har nyligen presenterats inom SHRP-programmet (Curtis 1990).

UNSTRlPPED

S

T

H

E

N

G

T

H

Figur 1:1. Principbild av hållfasthetsutveckling hos asfaltbeläggning i "normalt" tillstånd och efter "strippinginverkan" (Maupin 1989).

(A) Aged, ,Wheel load (d)

l

l

Put m I lx dc mcth ,ng g'gjiu': :äâ'çaäj-'áaåt :ff-'ms layer "I"

Parmlly detachcd layer Detached layer

'

Water

(C)

Pumull) detachcd layer Deuched law:

Figur 1:2. Schemátisk illustration av några strippingprocesser", A-B visar vatten somtränger uppifrån in i en porös,

vatten (Mise me 1982).

áldrad beläggning,

Stenmaterialet utgör en av de viktigaste faktorerna, som bestämmer

asfalt-beläggningars hållbarhet, även om det ekonomiskt sett utgör en mindre

kost-nadskrävande komponent än asfaltbindemedlet och därmed också är mindre undersökt. Enligt pågående finskt ASTO-projekt (Saarela 1991) "förklarar" således stenmaterialkvaliteten hela 55% av beläggningens slitstyrka och faktorer i samband med proportionering ytterligare 30%. Dessa värden

grun-dar sig dock främst på laboratoriestudier av motståndskraften mot dubbav-nötning. Intressant nog har motsvarande siffror i delstaten Quebec, Kanada, har befunnits vara 40 och 35% (Laforte 1990). Dubbdäck är förbjudna i

del-staten och därmed vinner även andra stenmaterialfaktorer än nötningsmot-ståndet i betydelse. De kanadensiska värdena grundar sig på fältundersök-ningar.

Inverkan av mineral- och bergartstekniska faktorer på vidhäftningen sten-asfalt i närvaro av vatten har behandlats av flera forskare och ett försök till en sammanställning ges av Höbeda (1988). Nyare forskningsrön har till-kommit, men den senaste "state-of-the-art" rapporten (Stuart 1990) visar dock att att mycken kunskap ännu återståratt inhämta. Stenmaterialets kvalitet anses vara av större betydelse än asfaltbindemedlets. Robertson

(1991) behandlar bindemedelsegenskaperna fråm kemisk synpunkt. Stenmaterial har starkt polära ytor, vattnet är polärt och bitumen (särskilt åldrat sådant) innehåller polära substanser varför interaktionen blir komplicerad. Vatten kan även tas upp i bindemedlet som ett "lösningsmedel" och mjuka upp detta samt därmed nedsätta massans mekaniska egenskaper. Även inom SHRP-projektet (SHRP 1990) har man insett att ännu mer resurser måste sättas på undersökningar av stenmaterialets ytegenskaper. En färsk litteraturstudie har publicerats av Tarrer och Wagh (1991). En viss försiktiget är dock nödvändig vid granskning av utländska resultat, de svenska stenmaterialen är således föga porösa och ovittrade.

Stenmjölet från krossning kan dessutom ha stor inverkan på beläggningens kvalitet, men detta försummas ofta (jfr Höbeda 1988). Enligt Stolle (1990) verkar det också oftast som det är det finare stenmaterialet som ofta

för-orsakar "stripping" i asfaltbetong och i detta fall är inverkan av

vidhäft-ningsbefrämjande medel ringa. Eppensteiner mfl (1979) visar således genom

försök med Trögerapparat att vid stenstorlekar större än 5mm, dominerar inverkan av materialhårdhet, vid storlekar <5mm är däremot vidhäftningen

för att sedan, beroende på den dåliga vidhäftningen, "plockas bort" av

dubbarna (Höbeda 1984).

Stuart (1990) klassificerar vidhäftningsegenskaperna hos olika mineral och bergarter (insamlade litteraturuppgifter) i tabell 2:1. Samma bergart kan således ha mycket olika egenskaper, även om en viss trend föreligger att "basiska" sådana (med låg halt 8102) är de bäst lämpade (Anm. I vissa fall

kan också fin- och grovandelen ha olika egenskaper). De i regel goda

erfa-renheterna med "basiska" stenmaterial har även bekräftats av finska under-sökningar (Kellomäki, Pylkkänen, 1989 och 1991, figur 2.1:1) och egna

resultat (figur 2.1:2). Enligt de finska försöken, som gjorts inom

ASTO-programmet, kan granitiska bergarter ha särskilt dålig vidhäftning. I

Ontario, Kanada, har man även konstaterat speciella problem i områden med granitisk berggrund (Stolle 1990). Cawsey och Wang (1991) har vid försök

enligt "immersion wheeltracking test" (mom 3.6) funnit att granit och

kvartsit ger särskilt vattenkänslig beläggningsmassa.

Det framkommer dock av VTI:s försök att vidhäftningsbefrämjande medel (som

diamin) kan utjämna skillnaderna mellan "sura" och "basiska bergarter

(figur 2.1:3). Undantag är dock två stenmaterial med glatta och "feta" ytor, nämligen Synopal (en vit, keramisk produkt) och gångkvarts. Detta gäller särskilt för asfalt med högt syratal och polaritet.

I sammanhanget är det också intressant att konstatera att en av orsakerna till konstaterad minskad hållbarhet hos danska beläggningar anses vara användningen av vita, syntetiska stenmaterial (jfr Nielsen 1991). SynOpal är en representant för sådana hydrofila stenmaterial. I Danmark har man -inom ett SHRP-kontrakt -satt i gång med mikroskopiska undersökningar av tunnslip och planslip av beläggningsprov. Impregnering med kontrastmedel

möjliggör studier av svagheter som bla uppkommit genom den bristande

vidhäftningen mellan sten och bindemedel (Eriksen 1990).

Pylkkänen (1989) har för venezuelabitumen funnit en ganska god korrelation mellan olika vidhäftningstester och den sk hydrofilitetskoefficienten hos

stenmaterialen, definerad som adsorberat vatten/spec. yta varvid

vattenupp-tagningen mäts vid 100% rel. luftfuktighet för kornstorlek 0,075-125mm och

beläggningar med stenmaterialen i fråga. Dukatz (1989) nämner att kalk-stenar kan lämna särskilt avvikande resultat och att stenmaterialen i en asfaltbeläggning kan "åldras" på så sätt att vidhäftningen förbättras.

(Anm. en annan förklaring till den dåliga överensstämmelsen kan vara att

stenmaterialen vid laboratorieförhållanden utsätts för mycket hög

tempe-ratur i torktrumman under kort tid och att de därvid kan få modifierade

ytegenskaper. Vid kalksten kan man tom tänka sig en termisk nedbrytning av

karbonat till CaO i ytskiktet). Eppensteiner (1974) visar således att vidhäftningsegenskaperna hos olika bergarter förbättras efter genomgång av

torktrumma.

Även värmelagring vid lägre temperaturer ger positiva effekter. Tarrer (1987) konstaterar att vidhäftningen hos stenmaterial enligt koktest förbättras efter värmelagring vid 26000. Augustin och Kral (1986) har funnit att värmelagring av stenmaterialet vid 30000 förbättrar frys-tö-beständigheten hos asfaltbeläggning. Nordiska försök, gjorda enligt rull-flaskemetoden, har också visat att vidhäftningen förbättras efter

upphett-ning till 40000 i stället för de normala 15000 vid försöket (NVF 1983). Den senare temperaturen har dock tagits in i metodanvisningen av praktiska skäl.

Upphettning av asfaltmassa med mikrovågor har påvisats ha en speciellt gynnsam effekt på beständigheten mot fukt (Al-Ohaly och Tarrer 1988). Tänk-bara processer illustreras i figur 2.1:5. Bindemedlet förmår genom viskosi-tetsändringen lättare tränga in i stenporer och polarisationseffekten av mikrovågorna ger en ökad interaktion i kontaktfasen mellan de motsatta laddningarna på stenyta och bindemedel.

Ardebrandt (1990) har vid grundforskningsbetonade försök (kontaktvinkel-mätning) konstaterat en hydrofobiering av kvartsyta efter uppvärmning till temperaturer >250°C, medan snarare motsatt effekt konstaterades med några andra mineral och bergarter. En sådan termiskmodifiering bör också gälla för finandelen i stenmaterialet och vattenkänsligheten hos lermineral bör således minska efter värmepåkänning (jfr nedan). Några undersökningar är

dock inte kända. Även värmelagring av asfaltmassa förbättrar vidhäftningen,

troligen beroende på att ett förkoksat ytlager bildas på stenen genom asfaltens polymerisation (Waugh och Tarrer 1990).

utsätts för tillräckligt hög temperatur vid laboratorieförsöket.

Upphett-ning av stenmaterialet före blandUpphett-ningen i laboratoriet kan ge bättre överensstämmelse. Å andra sidan får inte temperaturen vara så hög eller upphettningstiden så lång att stenmaterialet bötjar spricka sönder (jfr

HÖbeda 199 .

Yoon och Tarrer (1990), som inom SHRP-projektetstuderat vidhäftningen hos fem stenmaterial genom "koktest", har utgått från tre hypoteser, nämligen graden av a) "mekanisk låsning", b) ytenergiförhållanden och c) kemisk bindning. De har funnit ett komplicerat växelspel och menar att en enda hypotes inte räcker till som förklaring (jfr även Stuart 1990). De fåtal studerade stenmaterialen och den "primitiva" koktesten för bedömning utgör

dock begränsande faktorer vid undersökningen.

Den mekaniska läsningen" mellan sten och bindemedel anses bero på faktorer

som stenmaterialets yttextur och porositet; det är dock svårt att jämföra

olika bergarter med varandra då andra faktorer samtidigt kommer att

inverka. En viss porositet kan vara till fördel, eftersom bindemedlet får bättre fäste, men förekomst av mycket fina porer kan å andra sidan göra att stenmaterialet blir svårt att torka och fuktighet kan byggas in i asfalt-massan och senare ge upphov till strippingskador . Parker och Brown (1991) beskriver således effekter av fuktighet i porösa stenmaterial. De större stenarna hinner inte bli tillräckligt varma för att vattnet i porerna ska kunna avdunsta. Vid blandningen med varmt bindemedel sker sedan förångning och den kondenserade ångan kan skada asfaltmassan. Tarrer och Wagh (1991) går in på detta område inom en annan litteraturstudie inom SHRP-programmet. Enligt Harmelink och Hunt (1990) får man speciellt goda asfaltmassor genom varm återanvändning av gammal asfaltmassa eftersom porerna i porösa

stenmaterial tilltäppts och stenytorna hydrofobierats. Man har försökt

förbättra stenmaterial genom olika slag av förbehandling, dock utan att ha

funnit en ekonomisk process.

En hög asfaltabsorption kan dessutom ge tunna och ojämna asfaltfilmer på

stenytorna, något som kan resultera i beständighetsproblem. Dukatz (1989) uppskattar asfaltabsorptionen till 40-60% av vattenabsorptionen, som

bestäms enligt vissa utländska normer. Enligt Lee mfl (1990), som gjort en

litteraturstudie inom SHRP-programmet, kan asfaltabsorptionen vara 26-88% av vattenabsorptionen. Båda två är tidsberoende och kan fortgå under lång

Inverkan av restfukt på asfaltbeläggningens beständighet är dock omdisku-terad, Hermannsson mfl (1986) nämner således att 0,5 till 3% restfukt i stenmaterialet ansetts som tolerabel i olika delstater av USA. Förmodligen kan så höga ha.!er tolereras vid tillverkning av asfaltmassa i trumbland-ningsverk e°°ø's;t etenmaterialet ska vara fuktigt för att underlätta

blandningar met :znaemedel (jfr Parker och Brown 1991). Kim mfl (1985), som i labora°c'.v' ' 'a§ut studera inverkan av restfukt, konstaterar tom för-bättrade menn':suo egenskaper hos beläggningsprov med fuktigt stenmaterial, förmodligen te'-on:o på att asfaltabsorption förhindrats (och även

bland-ningen 0:: to I'.'ton underlättats?). Även Kennedy och Huber (1985) som

studerat :'vv'aa' av restfukt har inte kunnat finna några indikationer på MEKBEÅSRO var'ânniø' eller motståndskraften mot "stripping". Förmodligen utgör intvcat 0a.: OCKSå den största risken vid ett klimat med upprepad

frys-tärzåvA":';

Svepeleutronrzu'asuopiska studier av "strippade" stenar har ibland visat

att bitumenfester finns kvar på mineralytor, något som kan tyda på en kohesions:ör.ust inom själva bindemedlet (jfr Kellomäki 1991). Polära

molekyler absorberas på stenytorna varvid den kolloidala jämvikten störs.

Ett försprödat ytlager kan förmodligen i vissa fall också ha uppkommit

genom en selektiv insugning av bitumenbeståndsdelar i porerna.

Yoon och Tarrer (1990) mätte ytladdningen hos stenmaterial och fann att sådana med den högsta ytpotentialen (negativa laddningar mättes upp) gav högst adhesion till asfalt, men samtidigt förstördes också denna bindning

extra lätt av vatten. Höga ytladdningar är därför oförmånliga och

nykros-sade stenmaterial, med hög andel obalanserade laddningar, är därmed "strip-pingkänsliga". Polära substanser från bindemedlet adsorberas till de nega-tivt laddade stenytorna, men sådana verkar också enligt Plancher mfl (1977) kunna förträngas extralätt av vatten. Dukatz (1989) tar upp samma tema från praktisk synpunkt och menar tom att nykrossad kalksten bör vatten-begjutas för att sänka ytladdningarna. Huruvida man verkligen har veri-fierat en gynnsam inverkan av sådan bevattning genom undersökningar är okänt. Lagring av stenmaterialet i upplag vid asfaltverk sägs också ha gynnsam inverkan genom att organiska molekyler tas upp från luften och ger en ytmodifiering, dvs hydrofobiering av ytan. I Estland och har man utveck-lat teknik att aktivera filler genom att tillsätta en låg halt asfalt och

gammal känd teknik som dock numera övergivits av arbetsmiljöskäl.

Yoon och Tarrer (1990) har vidare studerat vidhäftningens beroende av det pH-värde som utvecklas i det vatten som är i kontakt med bergartsproven.

Man fann att de stenmaterial, som gav höga pH-värden, också var Sämst ur

vidhäftningssynpunkt, i varje fall om man tar bort kalksten från

jämförel-sen. Man har avec vad danska försök enligt rullflaskeförsök sett en tendens att täckningspraaon nos stenmaterialet tenderar att minska med ökande

pH-värde hos vattnet 1 flaskan (NVF utskott 33, 1983). Waugh och Tarrer (1990) har även regåarat pH-vardet redan vid vattenmättnaden av asfaltmassa och

konstaterar att noga värden påverkar vattenkänsligheten särskilt negativt,

medan surt vatten :0- kan befrämja vidhäftningen. Även verkan av

vidhäft-ningsbeframjanac aazner försämrades vid höga pH-värden; däremot var

effek-ten av ;18:12 kalk inte pH-beroende på detta sätt.

Alkalisk lösning led hög pH-värde kan uppkomma om alkalijoner löses ut från stenytorna (10: vid granit rik på kalifältspat och ljus glimmar) i närvaro av vatten och bildar kemiska bindningar med svaga syror (förtvålningsreak-tion) i asfalten. något som redan påpekats av Mack (1941), Hallberg (1953) samt senare av Ponalho och Lengauer (1984). Man får därmed visserligen en kemisk typ av vidhäftning, men de bildade salterna (tvålarna) är vatten-lösliga och stenmaterialet därmed "strippingbenäget", särskilt vid höga pH-värden. Med kalksten får man däremot bindningar som inte löses i vatten och god motståndskraft mot "stripping". Icke vattenlösliga salter kan också

bildas med utlösta metalljoner, främst järn och magnesium, som finns i

extra höga halter i de "basiska" bergarterna. Den låga Siog-halten i sådana bergarter är i så fall inte av avgörande betydelse utan enbart en sekundär

effekt av kemisk sammansättning. Man har även konstaterat att ytvittrade

bergarter med utfällda järnhydroxidbeläggningar ("rost"), har särskilt god vidhäftning.

Man har kommit fram till i princip likartade slutsatser inom SHRP-program-met (Robertson 1991). Envärda salter i bindemedlet sägs också kunna ha en negativ inverkan.

Det ovanstående har även bekräftats genom direkta mätningar av jonkoncent-rationen, uppkommna från stenprov i vatten (Ponalho och Lengauer 1984). Bergarter, som gav upphov till höga koncentrationer alkalijoner, gav dålig

däremot god beständighet. Mätning av såväl pH-värde som halt utlösta Joner vid nötning av ett bergartsprov i vatten, kan vara en framkomlig väg för

att studera den kemiska bindningsandelens betydelse (jfr Malomo 1980,

Ponalho och Lengauer (1984).

Utlösningen av joner befrämjas om stenmaterialet har stor spec. yta och

fillern är därvid av särskilt stor betydelse. Heiskanen (1991) har studerat vittringen av kalifältspatfiller i vatten och några lösningar. Man fann, främst genom svepelektronmikroskopiska studier, att vittringen kunde ske snabbt och dessutom påskyndades av släckt kalk- eller vägsalttillsats.

Ensley mfl (1970) och Ishai (1984) har försökt att studera den kemiska bindningens intensitet genom att mäta temperaturutvecklingen i mikrokalori-meter när asfalt väter ett stenprov. Alltför få försök har dock gjorts och hänsyn borde också tas till den kemiska bindningens vattenbeständighet. Tarrer och Waugh (1990) har utvecklat en teknik att mäta graden av kemisk bindning hos stenmaterial (4,75mm och en "modellasfalt" (stearinsyra) genom att efter blandningen i sk mikroreaktor mäta halten inte reagerad "asfalt". "Sura" stenmaterial reagerade mindre än kalksten, men stora

skillnader fanns också mellan olika kalkstenar. Tillsats av släckt kalk gav

nästan "full" reaktion, även med "sura" stenmaterial.

Egna erfarenheter av vidhäftningstalet (bilaga 1b), tyder på att skill-naderna mellan "sura" och "basiska" bergarter är mindre vid detta försök än rullflaskeförsök på analysfraktion 5,6-8,0mm av samma stenmaterial (bilaga 1a). Figur 2.2:4 visar samband mellan de två metoderna. De två sämsta materialen enligt flaskmetoden är också dåliga vid försöket med

massa-prov, annars är skillnaderna små enligt vidhäftningstalet. Ett av

sten-materialen (Ko) har i praktiken gett beläggningar med dålig hållbarhet, mycket beroende på att stenmjölet kommit att innehålla hydrofila vittrings-produkter. Det andra (L) har veterligen endast sålts som grovt stenmaterial

och asfaltmassa har inte tillverkats på platsen.

Försök med AG-massa, som utsatts för frys-tö-cykler, har visat att vissa

stenmaterial, som gett bra resultat, både enligt rullflaskförsök och

vid-häftningstal, kan försämras efter frysning, jfr mom 3.3. Vidhäftningstalet

utgör inte en tillfredsställande metod för beständighetsprovning.

på ett riktigt sätt. Vid nordiska försök (NVF utskott 33, 1983) har man

även funnit sämre vidhäftningstal med prov tillverkat av asfaltmassa med

stenmaterial 0-4mm än 0-l2mm.

Finmaterial med hög spec. yta bidrar speciellt starkt till den kemiska andelen av vidhäftningen, antingen i positiv eller negativ riktning. Man

utnyttjar också den gynnsamma inverkan av kalciumjonen genom att blanda in

släckt kalk i asfaltmassan (även cement ger likartad effekt med vatten),

men järnoxid har även utnyttjats som vidhäftningsbefrämjande filler (Curtis

1991). Förhöjningen av pH-värde kan även döda sådana mikrober som enligt Brown mfl (1990) kan bidra till stripping".

Utomlands har man ibland undersökt inverkan av rena lermineral som filler

pa kvaliteten hos asfaltmassa. Huet (1989) konstaterar således att

vatten-känsligheten hos asfaltbetong (med hálrum 6,0%, asfalthalt 5,5%) pâverkas

särskilt negativt av bentonit och detta även i mycket små halter. Illit hade också en negativ inverkan, men först i högre halter. Kaolinit verkade

däremot snarare förbättra vidhäftningen. Frouin (1989) rekommenderar, efter

ganska likartade undersökningar, förbehandling av olämpliga, hydrofila,

finmaterial med katjonisk asfaltemulsion före inblandningen i asfaltmassa.

I Estland och vissa delar av Sovjetunionen framställs sk aktiverad filler

genom att en ringa halt asfalt och vidhäftningsmedel tillsätts redan vid

Sliqht Strippinq Biotite Horanende Fe1dspars: O Labradorite O Bytownite 0 Anorthite Ch10rite Sericite Muscovite Diopside 01ivine Pyroxenes Augite Calcite S1iqht Strippinq Gabbro BasaIt Greenstone (BasaIt) Quartz Do1erite Diabase Scoria, 51ag Peridotite MINERALS Moderate Strippinq Biotite HoranGnde Fe1dspars: 0 01igoc1ase O A1bite O Anorthite Garnet Quartz Muscovite IGNEOUS ROCKS Moderate Strippinq Biotite Granite Basalt 01ivine Dolerite with Ana1cite Quartz Diorite Andesite Diabase Severe Strippinq Biotite H0rnb1ende Feldspars: O1igoc1ase A1bite Anorthoc1ase Microcline Perthite Andesine Chalcedony Quartz Severe Strippinq Granite Biotite Granite Ap1ite Granite Pegmatite Granite Soda Granite Granite Porphyry Granodiorite Obsidian A1bitised O1ivine-Diorite Diorite Rhyolite Trachyte Pumice Granite Porphyry Dacite Syenite

S1iqht Strippinq Si1iceous River Sand Si1ice0us Sand

with Iron Oxide Coat Serpentine S1iqht Strinpinq Limestone Dolomite Graywacke Limerock METAMORPHIC ROCKS Moderate Strippinq Biotite Fe1dspar Gneiss Feldspathic Quartz-Sercite Gneiss Granitic quartz-Feldspar Gneiss Biotite-Muscovite Schist Diabase-Hornfe1s Hornb1ende-Gneiss Biotite Schist SEDIMENTARY ROCKS Moderate Strippinq Limestone Dolomite Limerock Reef Cora] Ca1care0us Sandstone Severe Strippinq Quartzite Granitic Gneiss Quartz-Sericite Schist Feldspathic-quartzite Biotite Schist Muscovite Schist Severe Strippinq

Iron Oxide-rich Arkose Chert F1int Breccia Fe1dspathic Sandstone Sandstone Cha1k Oolitic Limestone Argi11ace0us Sandstone

g 171 - Xndlroct tanolxo otrcnqth

5..

4 OOC - Door-0. of Gav-Pio.

I 9 *' 0 0 | AT - Adn-olon ten-ton U) 0 |._ 0 H .6 F'

ut

o

°

m

2.

°

m LAG/RF TEST 0 E LAG/HA TEST

a: .2 - n - -.7e .2 b r - -.7e

n - :0 O n " 10 _{0 8}

O 1 1 L 1 0 L 1 10 1

O .2 4 .6 .G t 0 2 4 6 8

RELÅTIVE HYOQODHILICITY RELATIVE HYDQOQHILICITY

Figur 2.1:1. Samband mellan hydrofilitetstal och resultat av vidhäft nings-tal (ITS-ratio, grundad på pressdraghållfasthet), rullflaskeförsök ( FOC-value) och vidhäftningskraft (AT-FOC-value) enligt Hallbergs metod (Pylkkänen

\8

9:,

_E?

%

5," \

_Q

.E

_:

_E

'\"BASISKA"6ST

lim--35

_{\ BlOTITGNEJS\}

_J

_7"/

I-

_{F\\ S}

_\

_'

_{'44 gav 257"}

50- - \

_{1.5 \\}

_\

_\\

_{U 57}

₁

_xx

_\

\

SURA 9ST___

ESYNOPAL

_X\.\

_{\\ \ \\}

ä-___.__r=:; ___*

AL,

_{__n ___-'-"'-* -:::\}

i.

₂₄

₄₈

_{. .72}

RuUhd,hn1

o\

\

'D

än

_{\ \ \}

c:

\

_{\ \-_"SURA" OCH "BASISKA"--\ \_}

x

_U

\

_\

_{\"___8 ST}

_{\ x}

Y

E

_.

U1 ?

Rull'rid, 'rim

Figur 2.1:3. Resultat från rullflaskeförsök med olika typer av bergarter men med vidhäftningsmedel tillsatt bindemedlet.

:3

i

6 ,Gubbro

.Kalksten

L:

0

\

cm

Kv

8

Sk .5 \

0 0

'D

Biofifgnejser

.5

K I*

'8

L 0 °5

50

160

Rullflusku, 24 Hm, 0/0

Asphalt Film A$phalt Film

Aggreg ate Aggregate a) Heating and memng effect

Asphthmn _AsphthMn

CD

m

_.Q

Aggregate _Aggregate

b) Molecular onentatnon effect

Asphalt Fulm Asphalt Film

T

m J, um

Aggregate _Aggregate

C) Polanzanon effect

Asphalt With catnomc

Surfactant Asphalt wnth canomc

Surfactant

(9 å 6 ey

e

5

_*

> \

_{9 G9}

_{+2 + Ä)}

å @

<5

_<9/

Aggregate Aggregate

0) Enhancement of :war adcn: ves magraIIOn

Figur 2.1:5. Inverkan av mikrovågsenergi (MW) pavidhäftningen mellan sten och bindemedel (Al-Olhaly och Terrel 1988).

2. 2. HÅLRUM.

Hålrummet i den packade asfaltbetongen (eller andra beläggningstyper) anses allmänt vara en av de allra viktigaste faktorerna som bestämmer mekaniska egenskaper och beständighet. (Inverkan av hålrum på åldring av asfaltbe-läggning behandlas 1 mom 2.3). Detta gäller även för andra porösa byggnads-material, dår samband mellan porositet och beständighet påvisats (Litvan

1988), varför vissa Jämförelser kan vara motiverade. Inverkan av olika

materialfaktorar som porstorleksfördelning, permeabilitet mm är dock mindre undersökta för asfaltbetong än för andra typer av byggnadsmaterial. Hål-rummet i en aa'altbellggning utgör också ingen materialkonstant, som bara beror på proporzzonaring och packning, utan påverkas dessutom av trafikens

efterpacknxng och klimatfaktorer (värme befrämjar större efterpackning,

fuktighet och frysning kan åstadkomma svällning).

Det är också svart att Jämföra i litteraturen återgivna hålrum för belägg-ningar eftersom ioapakt- och skrymdensiteter bestämts på olika sätt. Utom-lands. tex 1 USA. används ofta betydligt porösare och sämre stenmaterial än i Sverige, varvid bindemedelsabsorptionen komplicerar förhållandet ytterli-gare (Smith 1969). Håtningar av hålrummet på ett relevant sätt erbjuder därför på svårigheter. Nielsen (1991) visar stor skillnad i hålrum hos

Marshallprovkroppar av Ab8t, som instampats till varierande hålrum, när

bestämningarna gjordes enligt två olika metoder (skrymdensitet genom vägning i luft och vatten samt volymsmätning med skjutmått). Harvey mfl

(1991) rekommenderar en ny metod varvid provet förseglas med en töjbar, mycket tunn plastfolie i stället för som vanligt med paraffin. Isländska försök har visat att stenmaterialets porositet och absorptionsförmåga (både för vatten och asfaltbindemedel i hög grad bestämmer egenskaperna också för asfaltbeläggningen. Stenporer är tydligen ej alltid helt bindemedelsfyllda i beläggningen utan tillgängliga för vatten. Kapillär uppsugning eller också diffusion genom bindemedelsfilmer är möjlig. I Danmark har man börjat tillämpa tunnslipanalys och analys av planslip, impregnerade med

kontrast-medel, för att bla undersöka hålrumsförhållanden (Eriksen 1990). Liknande

tekniker har fått stor användning vid undersökningar av bergarter och betong.

Vid låga vintertemperaturer förlorar asfalten allt mer av sina flexibla egenskaper och blir därmed även mer jämförbar med andra byggnadsmaterial

samt ju hårdare asfaltbindemedel, desto styvare material och bättre

överensstämmelse. Åldring ökar också sprödheten hos beläggningen (jfr mom

funda-mentala skillnader mellan flexibla, asfaltbundna material med

temperatur-beroende egenskaper och andra spröda, porösa material, tex cementbundna

sådana. Återläkning karakteriserar dessutom asfaltbundnamaterial på ett speciellt sätt (mom 2.3).

Vattenabsorptionen används ofta som ett indirekt mått på beständighet och höga värden indikerar dålig sådan. Windslow (1991) har dock funnit att en beständighetskoefficient, som samtidigt uttrycker både porvolymen och porernas dränerande förmåga, ger bättre korrelation med beständigheten hos marktegel än enbart vattenabsorptionen. Mätningen kräver dock tillgång på dyrbar utrustning (kvicksilverporosimeter). I både bergarts- och betong-sammanhang anses hög andel av fina porer, < ca 5 m, som skadliga från beständighetssynpunkt (jfr litteraturstudie av Hermannsson mfl 1986).

Hudec (1987), som speciellt studerat beständigheten hos byggnadssten, klassificierar porer (i vol-%) sålunda:

* Mikrokapillärer som är svåra att dränera och förblir mättade även vid relativa luftfuktigheter > ca 40%

* Makrokapillärer som förutom vatten också kan hålla luft som kan fås bort först vid långvarig vakuummättning.

i "Storporer" (bulk pores) som lätt låter sig dräneras.

Av mycket stor betydelse för beständigheten hos porösa byggnadsmaterial är också andelen slutna porer i förhållande till öppna sådana, men också

porstorleken. Nielsen (1991) visar i figur 2.2:1a på ett rätlinjigt samband mellan hålrum och pressdraghållfasthet, utförd enligt olika förkonditione-ring (jfr mom 3.1). Dränerande asfaltbetong, som har helt porer tom över 20%, förutsätts ha övervägande öppna och grova porer och det är då spe-ciellt viktigt att mäta detta effektiva porutrymme (Trappert och Weiland

1989). För tät asfaltbetong antages andelen porer (som har betydligt mindre storlekar) i förbindelse med varandra bli betydande från och med ett hålrum på ca 8% eftersom permeabiliteten då börjar öka påtagligt (Brown 1990). Permeabilitetsmätningar utförs sällan i asfaltsammanhang, McLaughlin mfl

(1955) har dock bestämt denna parameter som funktion av hålrum och andra

massaegenskaper.

Både Huet (1973) och Ledrich (1979) har funnit att klara skillnader i

vattenkänslighet (pressdraghållfasthet efter vattenlagring) börjar uppkomma först vid ett hålrum överskridande ca 4% (figur 2.2:1). Vattenkänsligheten

hos asfaltbetong är därmed ingen materialkonstant, utan beror i hög grad på

hålrummet, men också på faktorer som asfalthalt (Jfr nedan), mm. Günther

(1990) visar dock att asfaltbetong, framställd med tre olika stenmaterial, får en kontinuerlig nedsättning av pressdraghållfastheten redan från ett hålrum på ca 12 (figur 2.2:2) men har använt sig av ett flertal frys-tö-cykler (jfr man 3 3). Enligt Herbst (pers. medd. 1990) kan provkroppar av asfaltbetong ned låga hålrum skadas vid vakuummättning på så sätt att det sker upplucxrzrzar i materialet, men skadan behöver inte bero på

"riktigt'vzdha°thingsbrott såsom är fallet vid mer hålrumsrika material.

Lottman '197: har i sitt provningssystem för vattenkänslighet endast tagit

hänsyn til; f::na porer, dvs sådana i förbindelse med varandra, på följande

sätt:

Öppna parc',1 ==.'-C)+(B-A)'100/B-C

varvid

A: vikt unde' vatten för uttorkat prov.

= vikt unapr vatten för uttorkat prov, men sedan sänkt i vatten under 3 minuter vxc 25 C

8: vikt i lut! för yttorrt prov som avtorkats snabbt med handduk efter

bestämning av C

géztviäåopgâeçxäatågg f?ÃIVâkuummättat prov ååömm Hg under 30 minuter i atmoéfärgtrYCk. 4 , j av ytterligare minu ers lagring vid

En viktig iakttagelse har gjorts av Field och Phang (1967) som funnit att Marshallpackade provkroppar fått en tät "hud" av mastix som pressats ut mot provkroppens ytskikt och därmed förhindrar vattenmättning. Man har istället

utvecklat en packningsmetod där provkroppar packas genom statisk tryckning.

En nackdel med sådn statisk packning kan dock vara hög nedkrossning av stenen i provet. Enligt fransk metod för vattenkänslighet packas även prov-kropparna enligt statisk packning (Duriezmetoden). En modifierad metod, som

går ut på att genom tryckning packa provkroppen i tre lager, har utvecklats

av Marchionna och Rossi (1990). Man tillverkar också först en provkropp med större diameter (152mm) varifrån sedan det slutliga provet (diameter vanli-gen 100mm) borras ut. Vid väglaboratoriet i Lomma har man också tillverkat

provkroppar genom statisk tryckning, men vid rumstemperatur av vattenlagrad

massa, något som gör att resultaten blir svårjämförbara (NVF 1983).

Även Harvey mfl (1991) har funnit att laboratorietillverkade provkroppar får en anrikning av asfaltrikt bruk mot formens väggar, särskilt om massan utsätts för skjuvkrafter vid packningen. Man rekommenderar därför provning

av utborrade provkroppar, tex tagna från laboratorietillverkade provkroppar

med större diameter eller också från laboratorievältad provbeläggning.

Egna erfarenheter från provning av AG-prov, packade med 2.50 slag 1 Mars-hallhammare, tyder också på att dessa provkroppar varit mycket svåra att vattenmätta trots ganska höga hålrum. Marshallpackning används dock ibland med nedsatt slagantal för att få fram ett tillräckligt högt hålrum. De svenska stenmaterialen är föga porösa till skillnad från sådana som används

i andra länder, tex USA. Insugningen av "lätta" asfaltbeståndsdelar är

därmed ringa och provkropparna kan vara särskilt hydrofoba också av den anledningen.

Den asfalttekniska litteraturen är övervägande amerikansk. Man kan konsta-tera att den asfaltbetong som används I USA, även till slitlager, har höga hålrum i förhållande till praxis i Sverige, men också övriga Europa; Jfr också Lindahl (1991). I Norden är även bindemedelshalten ofta hög för ökad motståndskraft mot dubbade däck. I USA ligger ofta hålrummet i beläggningen enligt Takallou (1985) tom ofta över 10% och detta trots att man propor-tionerat för 4-7% hålrum. Det anses därför att proportionering bör ske för 3-5% hålrum. Linden (1989) menar att livslängden hos asfaltbetong reduceras med 10% med varje procents ökning av hålrummet såvida det från början

överstiger 7%. von Quintus mfl (1991) konstaterar dessutom att i en vältad beläggning är hålrummet som minst i mitten på lagret för at öka såväl mot

dess övre som undre del.

Brown (1990) nämner att hålrummet efter vältning av beläggning inte bör vara >8% för att permeabiliteten inte ska bli alltför hög, men samtidigt )3% när beläggningen är i funktion för att motverka plastisk deformation. Man tillåter tydligen en ganska stor efterpackning. Resultatet av ett prov-vägsförsök framgår av figur 2.3:1b. Schercoman mfl (1986) påpekar också att risken för vägskador är stor vid hålrum >8%, men mycket ringa vid ett

hålrum (2% (tydligen bortser man här från risken för plastisk deformation

vid tung trafik). Kasth (1990) har i Östberlin funnit att skelettasfalt med

Beständighetsundersökningar, gjorda på täta provkroppar, har i regel gett ringa effekter. Pylkkänen (1989, 1991) har vattenlagrat tät asfaltbetong

(hålrum eJ angivet) under vatten i sex månader och därefter bestämt slit-styrka (enligt ?WR-metod) och mekaniska egenskaper (enligt pressdrag- och

egenskaperna med knappt 10%, detta i jämförelse med icke vattenlagrade prov. Jacobson (1990) har inte funnit någon effekt av frys-tö-växling på resilientmodul och pressdraghållfasthen på prov av MAB-massa, däremot AG-massa. Slitlagerbeläggningen hade ett hålrum på ca 2% och den vatten-mättnadsgrad somerhölls var mycket låg (jfr mom 3.1).

Även andra faktorer än hålrum kan dock Spela roll i vissa fall, Cawsey och Raymond-Williams (1990), som undersökt asfaltbetong med olika stenmaterial, fann således -oväntat nog- att variationer i hålrum mellan 1-7% inte hade någon inverkan på vattenkänsligheten. Man använde sig i laboratoriet av sk

"immersion- wheeltracking test" för trafiksimulering (jfr mom 3.5).

Runschke (1990), som i Östtyskland studerat skelettasfalt, har funnit att mod. Lotmansk konditioneringsförfarande (fyra frys-tö-cykler istället för en enda) nedsatt pressdraghållfastheten till ca en tredjedel av "torrt" värde, trots ett hålrum på 2,0%. Bindemedlet var modifierat med gummilatex. Det dåliga resultatet måste bero på någon materialparameter som dock inte

studerats närmare.

Inom SHRP-projektet (1989) i USA har man framfört teorin att vattenkänslig-heten hos asfaltbetong är som sämst inom ett hålrumsområde på ca 7-13%

( pessimum voids content"), den förbättras (som väntat) vid lägre hålrum, men också med högre hålrumsvärden och då beroende på förbättrad dräne-ringsförmåga (figur 2.2:3). Detta förutsätter egentligen samma typ av asfaltmassa, asfaltbetong med hålrum större än 13% förväntas dock vid "normala" kornstorleksfördelning vara så dåligt packad att de mekaniska egenskaperna blir mycket dåliga och materialen därmed också olämpliga.

Undersökningar, gjorda inom NVF utskott 33, visar att vidhäftningstalet för

asfaltprovkropparna minskar med ökande hålrumshalt, erhållen genom varia-tion av stenmaterialets gradering (NVF 1983). Vid variavaria-tion av bindemedels-halten fann man att vidhäftningen ökade till en optimal halt för att sedan avtaga. Förvånandsvärt nog fann man ingen effekt när packningsarbetet vid samma gradering varierades (Marshallpackning 2'5, 2'10 och 2-50 slag), jfr figur 2.2.4. Hålrummet i provkropparna redovisas inte, men har varit höga kan då enligt figur 2.2:3 ha hamnat inom området CD, dvs ovanför pessimum

voids content".

Specialmassor med så höga hålrum som drygt 20% (dränerande asfaltbetong) kan tillverkas om finmaterialten väsentligt sänks, men förutsättningen för framgång är att åtgärder vidtas för att öka asfaltfilmernas tjocklek på

stenytorna, texgenom tillsatser som fibrer och polymerer. Detta gäller

speciellt vid slitstarka stenmaterial som ofta har släta ytor och dålig

vidhäftning, Jfr också Aronsson och Centrell 1990). Dränerande storporer (enligt Hudec's ovan givna klassificering) kan bildas och därmed förbättras också beständigheten. Goodey och Lufsey (1965) samt Kumar och Goetz (1977) har visat att asfaltfilmernas beräknade tjocklek (asfalthalt/spec yta) hos hålrumsrik asfaltbetong (utan finmaterial) bättre än hos tät sådan rela-terar till permeabilitet och bindemedlets åldring, jfr mom 2.3. Vid nordiska undersökningar (NVF 1983) har man funnit att vidhäftningstalet förbättras upp till en viss bindemedelshalt för att sedan inte mer påverkas

(jfr figur 2.2:4).

Lottman (1977) rekommenderar i sin provningsmetodik att massan packas till det hålrum som förväntas föreligga i vägen genom att anpassa packnings-arbetet. Vid provning av vattenkänslighet hos asfaltbeläggning föreskriver man enligt utländsk metodik dock ofta ett bestämt hålrum och definerar inte en standardiserad gradering som vid 1 Sverige använd metod. Även om sten-materialets gradering är anpassad för att ge en provkropp med stort hålrum

kan detta variera, eftersom också andra faktorer som tex kornform utövar

inverkan.

Enligt Tunnicliff och Root's metod (1984) metod för vattenkänslighet före-skriver man således ett hålrum på 711%. Denna metod har bildat underlag för ASTM D 4867. Busching mfl (1986) har funnit att man, för att uppnå detta vid Marshallpackning, fatt nedsätta antalet slag från normalt 2.50 till 2'20 slag. Jiminez (1990) har använt sig av en packningsgrad på 92% vid sina "strippingstudier", utförda med pulserande vattentryck (jfr mom 3.6). Värdet är också det lägst tillåtna i beläggningen och uppnås vid Marshall-packning genom 2°15 slag. I Österrike tillverkas Marshallprovkroppar till en hålrumshalt på 8%, dock inte genom att variera antalet slag, utan man varierar asfalthalten i stället. Provningen följer annars DIN 1996 (Herbst, pers. medd. 1990). Förfarandet är diskutabelt eftersom man därmed samtidigt

också förändrar tjocklekarna hos asfaltfilmerna, en viktig parameter för

beständighet.

Enligt Duklatz och Phillips (1989) kan dock spridningen av provningsvärdena bli större än acceptabel genom att föreskriva 711% hålrum när värdena för torrt resp vattenkonditionerat prov ligger nära gränsvärdena 6 resp 8%. Man man rekommenderar därför ett förfarande där pressdraghållfastheten bestäms

därefter avsätts i diagram och hållfastheterna avläses vid 7% hälrum för en mer nogrann beräkning av vattenkänsligheten (figur 2.2:5, Jfr även figur 2.2:1 och notera motsatt trend beträffande inverkan av hålrum). Moreaux och

Langlois (1989) har använt sig av samma typ av provning, men i stället

räknat vid ett lägre hâlrum (4%). De fann att vattenkänsligheten

försäm-rades med förbättrad packning och därmed lägre hálrum. Detta oväntade

resultat kan bla bero på de icke kontrollerade skillnaderna i vatten-mättnadsgrad vid försöken (jfr mom 3.1 och 3.6).

Enligt tidigare i Sverige använt Hallbergs dragprov på plattor (beskriven av Brasch och Hilvander 1973) tillverkar man prov med ett hälrum på 11%

(jfr även mom 3.6). Man packar dock torr- resp. vátlagrad massa vid

figur 2.2zla). Pressdraghállfasthet hos provkroppar av asfaltbetong med olika hålrum som förkonditionerats pá Olika sätt (Nielsen 1991).

ö S'C 35-- 30-- 25..- 20..-[---4 1; I _Q 1 1 4 1 * l l 1 *I I I I I ' 1 2 3 l. 5 6 7 8- 9 '/.Vides

Figur 2.2:1b. Pressdraghállfasthet hos torr- resp. vátlagrade provkroppar som funktion av hálrum (Huet 1973).

ash' 0 AB 0/8mit Gronum / 0.7,0.6 -b 3: QSP-ur 9.3-0 2 l l l 1 I 1 ' 10 20 30 .4.0 50 60 Vol-'/. 20 0

Figur 2 2 2 _{Samband mellan kvoten för pressdraghállfasthet (efter}

våt/torrukoncxzionering och hálrum hos asfaltbeton so

-tö-vaxang (Qanther 1990). _{8 m Utsatts för frys}

100 33

z'

°°

_B

_C

E

A

L:

>{

D

.2.

Fágur 2.2:3. Samband mellan hâlrum och relativ hållfasthet för

vatten-mattade provkroppar av asfaltbetong, visande ett område med förmodad Tågâkilt hög vattenkänslighet ("pessimum void3"). Från Terrel och Shute

a GRANlT-SKÄRLUNDA + B180-NYNÄS 100% A GRANlT-SKÄRLUNDA + BBS-NYNAS 60-LO' 20-25 215 250

Antal slag wd packning

Figur 2.2:4. Hálrumshalt och vidhäftningstal (bilaga 1) som funktion av packning (NVF 1983).

(0/0) _(V0l.°/o)

100 -

'20

Hålrumshalf

80*

_{0* .4}

4

\Vidhüftningsful

20*

-Jv .

.

4.6

5.4

6.1

61.8

Bindemedelshalt (vik'r-°/o)

Figur 2.2:5. Vidhäftningstal (bilaga 1) och hálrumshalt som funktion av bindemedelshalt (NVF 1983).

180 -u 170 -1.60 - u

;5

150

Figur 2.2:6. Pressdraghâllfasthet som funktion av hålrum för provkroppar, dels med (c), dels utan (u) vattenmättning. Avläsning sker vid 7% hálrum

(Duklatz och Phillips 1989).

2.3. ÅLDRING.

I Sverige är med all sannolikhet åldringen av asfaltbeläggningar i de allra

flesta fall av ganska ringa betydelse beroende på klimatiska orsaker, låga hålrum i slitlagren och dubbdäckstrafik. Utländska resultat låter sig där-för inte utan vidare överdär-föras till svenska där-förhållanden. Vid vägar med någorlunda hög trafik avlägsnar dubbdäcken successivt ytlagret hos belägg-ningen som då inte hinner åldras. Lågtrafikerade ytor och

flygfältsbelägg-ningar utgår 03-u undantag. Oliver (1990), som jämför australiensiska

förhållanden ha: den i USA och Kanada, menar att i ett kallt klimat blir

åldringen nas'a' försumbar, även om frys-tö-växlingen komplicerar bilden på ett dåligt rutt ;Att Han behandlar dock främst bindemedlet i ytbehand-lingar.

NVF utskott 35 :§?5 återger resultaten av en provvägsundersökning, utförd av Nynas 19%» .vt;. varvid tät asfaltbetong tillverkats med tre olika

asfaltsorter 0:! vid tre olika temperaturer. Mjukpunktsförändringarna har undersökts pa återvunnet bindemedel efter tillverkning och 4 år i vägen

(figur 2.3 i, De största förändringarna inträffar vid tillverkningen av asfaltmassan. långtidsförändringen bedöms till 1°C/år. Laforte (1990) har konstaterat i ett meförbart, kallt klimat (Quebec, Kanada) att åldringen sker ganska snabbt under de fem första åren för att sedan mer eller mindre att avstanna. I varmt klimat kan denna begynnelsefas ske snabbare (jfr även

nedan).

Asfaltbindemedel av olika ursprung kan ha olika åldringsbenägenhet. Laforte (1990) visar således i Quebec att förändringen är större med ett mjukt (pen. 150-200) än ett hårt (pen. 85-100) bindemedel. Även tillsatser som vidhäftningsbefrämjande medel kan påverka processen i olika riktningar (jfr Curtis 1990). Det finns kommersiella medel att motverka åldring (antioxida-tionsmedel) men också att påskynda denna genom katalys för lager med ökad styvhet och därmed lastfördelande förmåga (jfr Figueroa och Majidzadeh

1990). En komplikation är vidare att själva återvinningsprocessen i labora-toriet kan påverka bindemedelsegenskaperna och ge sken av en större åldring än vad som egentligen är fallet (Gerritsen 1986, Tatum 1989) Detta sker särskilt om provet utsätts för hög temperatur under lång tid. Å andra sidan kan rester av lösningsmedlet göra bindemedlet mjukare (Burr mfl 1990).

Åldringen av bindemedlet i asfaltmassa vid tillverkning och under

vägför-hållanden samt konsekvenserna för beläggningens hållbarhet behandlas i två

sprödare i samband med lagring och transport, men framförallt vid

bland-ningen i verk, när det i form av tunna filmer påförs ett upphettat sten-material. Överhettning av stenmaterialet vid blandningen är därmed särskilt skadlig. Porösa stenmaterial men även vissa filler (som har porer i själva kornen), kan suga in bindemedel selektivt varvid bindemedlet utarmas främst på komponenter med låga molekylvikter (jfr Lee 1990). Porösa stenmaterial används i många länder, bla delar av USA. Dessutom sker det en åldring i samband med utläggning och sedan under beläggningens hela funktionstid. Molekylära strukturförändringar ("steric hardening") sker dessutom och är särskilt svåra att efterlikna på laboratorium eftersom en förstörelse sker vid återvinningen av bindemedel (Bell 1989). Åldringen innebär att penetra-tionen hos bindemedlet minskar, mjukpunkten ökar, Frass brytpunkt går upp

(närmare 000) och duktiliteten samtidigt minskar. Man anser också att beläggningens vattenkånslighet kan öka genom långtidsåldringen (jfr figur

1:2, A-B).

Den långtidsåldring som sker i vägen påskyndas av höga sommartemperaturer och en ökning av temperaturen med 1000 fördubblar oxidationsförloppet enligt australiensisk erfarenhet (Oliver 1990). Oxidationen kan dessutom

acceleras genom katalys från beståndsdelar i vissa stenmaterial, tex vid

förekomst av metalloxider, metallsalter mm och betydelsen av denna ökar med stenmaterialets specifika yta (Arand 1982), jfr mom 2.1. Feller (1984), som undersökt flygaska som filler i asfaltbetong, nämner sovjetiska under-sökningar där man funnit att åldringen påskyndas av komponenter som alumi-nium-, järn- och siliciumoxider i askan (som har porösa korn). Däremot har

kalciumoxid en gynnsam, retarderande effekt. Kalkstensfiller eller ännu

bättre släckt kalk bör därför tillsättes filler av flygaska (släckt kalk utgör ett effektivt antioxidationsmedel också enligt amerikansk erfarenhet,

jfr Edler mfl 1985). Man har dessutom funnit vid sovjetiska

laboratorie-försök (simulerad långtidsåldring) att kvartsfiller, till skillnad från kalkstensfiller, ger en intensiv tillväxt av molekylvikter och en samtidig ökning av asfaltenhalten i bindemedlet. Detta anses främst innebära för-sämrade köldegenskaper hos bindemedlet. Choquet (1989) har även studerat förändringen av asfaltens sammansättning vid långtidsåldring i vägen.

Zube och Skog (1969) har konstaterat genom provvägsförsök i Kalifornien att det sker en snabb förhårdning (penetrationsminskning) vid tillverkning av asfaltmassa och efter de följande 15-20 månaderna varefter förändringarna blir mycket ringa (figur 2.3:2a). Samtidigt sker det dock en minskning av hålrummet genom efterpackningen (figur 2.3:2b). Lottman (1989) har funnit

att laboratorievärden (pressdraghållfasthet och resilientmodul) är markant lägre hos laboratorietillverkade provkroppar (framställda genom knådande packning) än hos borrkärnor, innehållande samma material och som har samma hålrum. Detta tillskrivs bindemedelsåldringen i vägen (ev. kan återvin-ningsprocessen ha spelat en roll i sammanhanget).

Enligt undersökningar, gjorda av Richter (1989) i Västtyskland, sker det en förhöjning av mjukpunkten med 100 vid tanklagring, 2-3°C vid blandning av

asfaltmassa och 2-4°C vid silolagring i verket. I vägen kan man räkna med

en förändring på 0,30C/år vid tät beläggning och 2,8°C/år vid beläggning av öppen typ. När mjukpunkten så småningom stigit till 70°C uppstår det väg-skador i form av sprickor. Muggler (1970) återger erfarenheter från olika länder och försöker överföra dessa till Västtyska förhållanden. Han menar att skadade beläggningar då som regel fått penetrationer hos bindemedlet under 20, oskadade ligger däremot över 40 i penetration. McLeod har på grundval av resultaten från kanadensiska provvägsförsök räknat fram att när modulvärdet hos de övre 5 cm hos beläggningen når upp till ca 7000MPa genom avkylningen, börjar tvärgående temperatursprickor att uppträda.

Vid vägförhållanden påverkas normalt främst ett ganska ytligt lager av slitlagret genomen åldring. Själva fotooxidationen, som bara är en del av åldringsprocessen, och som katalyseras av solljus, sker i ett mycket tunt ytlager. Oliver, (1990) som dock främst behandlar ytbehandlingar, nämner en djupverkan på endast Sum. Vid massabeläggningar kompliceras förhållandet av halten hålrum och därmed blir också djupverkan större. I samband med en provväg i Michigan har man konstaterat att bindemedlets fysikaliska och kemiska egenskaperna förändras betydligt mer i de översta 3mm av beläggnin-gen än i ett skikt 6mm under detta (Finn mfl 1990). En uppsprickning av beläggningen kan dock ske från ytan och den verkar också vara ett allvar-ligt problem i USA, sannolikt till stor del troligen beroende på de ganska hålrumsrika beläggningarna som ofta används, förutom ogynnsam bindemedels-sammansättning (jfr mom 2.2). Choquet (1990) har i Belgien studerat tät asfaltbetong och funnit stora skillnader i djupverkan hos åldringen, när prov togs av de övre 5mm av beläggningen och av underliggande material. Dränerande asfaltbetong åldrades däremot likvärdigt i hela lagertjockleken.

Klara samband har erhållits mellan åldringen i vägen och beläggningens

hålrum (Goode och Lufsey 1965, Santucci mfl 1985, 1989), jfr figur 2.3z3.

Om man mätt på ett ytligt lager eller hela lagertjockleken framkommer inte alltid från litteraturen. Oliver (1990) anser att ett hålrum på ca 8% utgör

ett gränsvärde mellan långsam och snabb åldring, mycket troligen beroende på att andelen av hålrum i förbindelse ökar i materialet. Vallerga och Halstead (1974) har genom omfattande studier av asfaltbeläggningar i hela USA funnit att sådana, som har hålrum under 2%, inte visat någon binde-medelsåldring ens efter 11-13 år i vägen. Enligt Martin mfl (1990) kan skillnaden i mekaniska egenskaper vara liten för åldrade beläggningar vid lågt hålrum. trots att olika bindemedelsorter (av skilda ursprung) använts,

vid höga hålrua framkommer däremot stora skillnader.

De flesta undersöaningarna verkar behandla slitlagerproblem. Zenke (1977) har dock atuaarat borrkärnor av bärlager, tagna från olika 18-20 år gamla, högtrafikcrada vasttyaka vägar. Han fann starka förändringar av binde-medelseganakaporna och en ursprunglig 880 motsvarade 825 till B15. Trots detta konstaterades inga Vägskador och borrkärnorna var samtliga i god kondition Tydizgan påverkas bärlager på ett mindre negativt sätt än slit-lager av bindanedalsåidringen. Ökat modulvärde hos bärlagret innebär

dessutom lindra påfrestning på de undre lagren, något som enligt Zenke kan ha bidragit till den goda funktionen hos vägarna under lång tid.

Många undersökningar har gjorts av åldringen hos asfaltbindemedlet och metoder (främst TFOT och RFOT), som efterliknar åldringen vid tillverkning av asfaltmassa, år medtagna i olika länders metodanvisningar. Vallerga och Halstead (1971) har använt sig av modifierade metoder för att efterlikna åldringen i vägen. Han fann en överensstämmelse i bindemedelsegenskaper efter 11-13 år i vägen såvida hålrummet i beläggningen var 4%. Vid lägre hålrum blev däremot åldringen mindre, vid högre avseevärt snabbare än vid

laboratorieförsöken.

Inverkan av bindemedelsåldring på själva asfaltbeläggningens egenskaper är dock mindre undersökt (Bell 1989). Eftersom bindemedelsåldringen påskyndas av faktorer som stenmaterialegenskaper och hålrum i beläggningen, motiveras

försök, förutom på bindemedlet, även på asfaltmassan. Erfarenheterna från

laboratoriet visar att hållfasthet och modulvärdet hos asfaltbetong ökar efter åldringen, däremot minskar töJningen vid brott och materialet blir därmed mera sprött (Page mfl 1985). Utmattningsmotståndet ökar om försöket utförs vid konstant spänning, det minskar däremot vid konstant töjning (Kim mfl 1986). Vallerga mfl (1967) har åldrat själva bindemedlet i RFOT-utrust-ning före tillverkRFOT-utrust-ning av provkroppar till sådana penetrationer som gav

variationer från 880 till 813. Det visade sig att den artificiella