EXAMENSARBETE
2006:342 CIV
RICHARD SANDBERG
En teoretisk och laborativ studie av tjäles inverkan på en kalkstabiliserad terrass av lermorän
CIVILINGENJÖRSPROGRAMMET Väg- och vattenbyggnadsteknik
Luleå tekniska universitet Institutionen för Samhällsbyggnad
Avdelningen för Geoteknologi
2006:342 CIV • ISSN: 1402 - 1617 • ISRN: LTU - EX - - 06/342 - - SE
I
Förord
Slutligen var det så dags. Efter snart fem års studier läggs de sista orden till det avslutande arbetet i utbildningen, Examensarbetet. Det har varit en stimulerande och underhållande tid och en tyst förhoppning från undertecknads sida närs om att framtida projekt blir lika
intressanta som det här har varit. Som stöd under arbetets gång har jag haft nöjet att ta del av ett flertal mycket engagerade och talangfulla personers erfarenheter och synpunkter.
Arbetet är initierat och finansierat av Nordkalk som i samarbete med Ecoloop och LTU gjort detta arbete möjligt. Stort tack till er.
Ett särskilt varmt tack vill jag rikta till min handledare på Ecoloop, Josef Mácsik, vars hjälp, vägledning och stöd varit mycket värdefullt för mig under arbetets gång.
Tack till Thomas Forsberg för kunnig handledning vid laboratoriearbetet.
Tack också till Bo Westerberg, handledare och examinator vid LTU, som lyssnat på mina funderingar och åsikter och gett mig goda råd, samt till Bo Svedberg, Ecoloop, som bidragit med värdefulla insikter under arbetets gång.
Slutligen skulle jag också vilja rikta ett tack till alla er som i någon mån varit berörda av arbetet, familj, vänner och kollegor. Även om ni inte tänkt på det själva har ni fungerat som ypperliga bollplank under arbetets gång.
Luleå, December 2006 Richard Sandberg
II
Sammanfattning
I examensarbetet undersöks kalkstabiliserings potential som metod i skånsk lermorän. Detta utförs dels genom att laborativt undersöka och utvärdera frostbeständigheten hos ostabiliserad och med kalk stabiliserad lermorän och dels genom att teoretiskt studera en terrasstabiliserad vägkonstruktions tjälegenskaper i jämförelse med en vägkonstruktion med ostabiliserad lermorän. I bedömningen beaktas även dimensioneringsförutsättningarna för en
terrasstabiliserad vägkonstruktion och dessa jämförs med dimensioneringsförutsättningar för ett terrassmaterial av ostabiliserad lermorän.
Examensarbetet är uppdelat i fyra steg. I det första steget genomförs en litteraturundersökning för att ge en överblick över kalkstabilisering som metod samt i vilka jordar metoden är
tillämpbar. I steg två genomförs en laboratorieundersökning för att undersöka hur lermoränen efter modifiering och stabilisering med osläckt kalk reagerar på upprepade frys- och töcykler med avseende på enaxiell tryckhållfasthet. I det tredje steget utförs en teoretisk simulering med datorprogrammet PMS Objekt för att undersöka en vägkonstruktions, en med
ostabiliserad terrass och en med stabiliserad terrass, tjälegenskaper och
dimensioneringsförutsättningar. I det fjärde steget belyses ekonomiska faktorer som är viktiga för att bedöma om kalkstabilisering är applicerbart eller inte.
I litteraturundersökningen framkom att kalkstabilisering huvudsakligen är tillämpbart i jordar med högt lerinnehåll, eftersom deras mineralogiska sammansättning och struktur möjliggör för en reaktion med kalk. Kalk måste brännas innan den kan reagera med jord. De tre former av kalk som kan användas i stabiliseringssyften är osläckt kalk, släckt kalk, samt kalk i slurryform.
Reaktionen mellan kalk och jord sker i två huvudsakliga steg, modifiering som följs av stabilisering. I modifieringsfasen byts de kalium- och natriumjoner som normalt sett är bundna till leran ut mot kalciumjoner till följd av dess högre elektronegativitet. Detta orsakar en förändring i jordens struktur, vatten avges och en initiell hållfasthetsökning erhålls.
Modifieringsfasen följs av stabiliseringsfasen, där kalk genom så kallade puzzolana reaktioner reagerar med aluminater och silikater som naturligt finns i jorden. Hållfastheten i jorden höjs succesivt allt eftersom dessa reaktioner får fortgå, eftersom andelen cementpastekomplex ökar. De puzzolana reaktionerna är beroende av en basisk miljö, samt beroende av den omgivande temperaturen. En låg temperatur innebär att reaktionsförloppet blir mycket långsamt.
I laboratorieundersökningen tillverkades provkroppar av enbart lermorän, samt av lermorän med olika tillsatser av osläckt kalk. De två kalksorter som användes var Nordkalk QL 0-2 LA, samt Nordkalk Terra E. Provkropparna förvarades i ett vattenbad vid en temperatur av 4-5 grader Celsius. En andel av provkropparna trycktestades enaxiellt efter 30 dygns förvaring och en andel efter 90 dygns förvaring. En tredje andel utsattes för tolv frys-töcykler efter att ha förvarats i 30 dygn som övriga provkroppar, varpå de trycktestades enaxiellt. Som ett komplement till frys-töcyklerna utfördes vid ett annat laboratorium tjällyftningstester med ostabiliserad och med 2 % osläckt kalk stabiliserad lermorän.
Resultaten från laboratorieundersökningen visade att provkropparnas enaxiella tryckhållfasthet ökade med tiden. Efter 30 dygns förvaring var den enaxiella tryckhållfastheten 2-3 gånger större för de stabiliserade provkropparna än för de ostabiliserade. Efter genomgångna frys-tötester var de stabiliserade provkropparnas
III
hållfasthet 1,5-2 gånger större jämfört med ostabiliserat material som inte ingått i frys- töcyklerna. Tjällyftningstesterna visade inte på någon skillnad i tjällyftning mellan stabiliserad och ostabiliserad lermorän.
Datorsimuleringarna i PMS Objekt visade att kalkstabilisering kan förstärka en terrass så att dess egenskaper möjliggör för en minskad vägöverbyggnad eller en ökad teknisk livslängd hos vägen. Samtidigt visades att PMS Objekt inte är ett idealt vertkyg för analys av stabiliserade material.
Vad gäller inverkan av olika ekonomiska faktorer bör en bedömning utföras för varje enskilt fall baserat på förutsättningarna för det specifika fallet.
Sammantaget kan slutsatsen dras att stabilisering med kalk kan ha flera syften. En
ostabiliserad jord med initiellt för låg bärighet enligt ATB Väg för att få utgöra grund till en vägkonstruktion kan uppnå tillräcklig bärighet genom stabilisering. Stabilisering kan också användas för att förstärka en jord som redan uppfyller kraven enligt ATB Väg, vilket öppnar för möjligheten att minska vägöverbyggnadens tjocklek i en vägkonstruktion eller öka dess tekniska livslängd. Jordens naturliga vattenkvot kan också sänkas vid behov genom att osläckt kalk används.
IV
Abstract
This master thesis investigates the potential of soil stabilization with lime in clay till from Skåne in the south of Sweden.. This is performed in two stages. In the first stage a laboratory study is conducted to determine and analyze the frost susceptibility in clay till and in clay till stabilized with lime. In the second stage the frost penetration and frost heave in a road
construction with a subgrade consisting of an untreated clay till is compared theoretically with a road construction where the subgrade is consisting of a lime stabilized clay till. Beside the above considerations an analysis was made regarding the difference in the design properties between a road construction with a subgrade of untreated clay till and a road construction with a subgrade of lime stabilized clay till.
The master thesis is divided into four different parts. In the first part a literature investigation is made to give a general background to lime stabilization as a method, and also to determine in what soils the method is applicable. In the second part a laboratory study is performed to determine how lime stabilized clay till, after modification and some stabilization, is affected by repeated freeze and thaw cycles. This is measured with uniaxial compressive strength tests.
In the third part a theoretical simulation is carried out with the computer program PMS Objekt. The purpose is to investigate the design properties, the strength of the material, the frost heave and the frost penetration, for a road construction with an untreated subgrade and compare them to a road construction with a lime stabilized subgrade. In the fourth part economical aspects that are important when determining whether lime stabilization is applicable or not are considered.
In the literature investigation it was found that lime stabilization mainly is applicable in soils with high clay content, since their mineralogic composition and structure make a reaction with lime possible. Limestone must be burnt before it can react with soil. The main three lime types that is used for stabilization is quicklime, slaked lime and lime-slurry.
The reaction between lime and soil can be divided into two major steps, modification followed by stabilization. When the soil is modified the potassium and sodium ions that normally surrounds the clay particles is exchanged for calcium ions due to their higher electronegativity. This causes a change in the soil structure, the water content is reduced and an initial increase in strength can be noted. The modification is followed by stabilization in which lime reacts with aluminium and silicon particles in the clay, to produce complexes which increases the strength of the soil. The increase in strength continues over time due to an increasing amount of created complexes. The puzzolanic reactions is dependent of an alkaline environment and the surrounding temperature. A low temperature means that the puzzolanic reactions will be very slow.
In the laboratory investigation soil specimens of clay till and clay till stabilized with quicklime were created. The lime products used were Nordkalk QL 0-2 LA and Nordkalk Terra E. The specimens were kept in a water bath at a temperature of 4-5 degrees Celsius. A part of the produced specimens were tested in uniaxial compressive strength tests after 30 days and another part after 90 days. A third part of the specimens were subjected to twelve freeze and thaw cycles after being kept as the other specimens for 30 days. After the freeze and thaw cycles these specimens were tested uniaxially as well. Beside these freeze and thaw cycles a complementary study with untreated clay till and clay till stabilized with 2 %
quicklime was performed by another laboratory regarding frost heave.
V
The results from the laboratory investigation showed that the specimens uniaxial compressive strength increased with time. After 30 days the uniaxial compressive strength of the lime treated specimens were 2-3 times higher than for the untreated specimens. The lime treated specimens in the freeze and thaw cycles showed an increase in uniaxial compressive strength of approximately 1,5-2 times larger than for an untreated sample not participating in the freeze and thaw cycles. The results from the complementary study showed no difference between the frost heave of the treated clay till compared to the untreated clay till.
The computer simulations with PMS Objekt showed that lime can reinforce a subgrade in such a way that the thickness of the road construction can be reduced, or the service life time of the road prolonged. Another conclusion from these calculations is that PMS Objekt is not an ideal tool when analyzing stabilized materials.
Concerning the impact of different economical aspects it was found that a unic assessment has to be made for every specific case based on the conditions for that actual case.
Finally it was concluded that stabilization with lime can have several purposes. A stabilization can make it possible for a soil with too low a strength according to ATB Väg, the Swedish guidelines for road construction, to constitute the pavement of a road construction to reach an acceptable strength. Stabilization with lime can also be used to reinforce a soil already strong enough to meet the requirements in ATB Väg, which opens for the possibility of a decrease in thickness of the road body or enhancing its service life time. In addition, the natural water content of the soil can be reduced if required by using quicklime.
VI
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
Förord
ISammanfattning
IIAbstract
IVInnehållsförteckning
VI1 Inledning
11.1 Bakgrund 1
1.2 Syfte och målsättning 2
1.3 Metod/Examensarbetets upplägg 3
2 Litteraturstudie
32.1 Historik 3
2.2 Allmänt om stabilisering 4
2.3 Kalkstabilisering 5
2.3.1 Släckt och osläckt kalk 5
2.3.2 Reaktion mellan kalk och lera 7
2.3.3 Kort om kalkstabilisering i fält 9
2.3.4 Kalkstabiliserade lagers tjälfarlighet 11
2.4 Kalkstabilisering i olika jordar 12
2.4.1 Allmänt om lermorän 12
2.4.2 Jordar där kalkstabilisering är tillämpbart 13
2.5 MCV-metoden 14
2.6 Kort om hälsorisker 16
2.7 Aktuellt fall, Landanslutningar till Öresundsbron 16
3 Laboratorieundersökning
173.1 Metod 17
3.1.1 Allmänt 17
3.1.2 Material 17
3.1.3 Geoteknisk undersökning 17
3.1.4 Packningsegenskaper 19
3.1.5 Tillverkning av provkroppar 19
3.1.6 Förvaring av provkroppar 21
3.1.7 Enaxiella trycktester 27-31 dygn 22
3.1.8 Enaxiella trycktester 88-92 dygn 25
3.1.9 Frys- och tötester 27-31 dygn + 42 dygn 25
3.2 Resultat 27
3.2.1 Geoteknisk undersökning 27
3.2.2 Packning 28
3.2.3 Jämförelse av enaxiell tryckhållfasthet vid olika kalktillsatser och tidpunkter 30
3.2.4 Spänning-töjningsamband 33
3.2.5 Vattnets fördelning i provkropparna 35
3.2.6 Frystester VTI 37
VII
4 Dimensionering
394.1 Teori 39
4.1.1 Vägkonstruktion allmänt 39
4.1.2 Angreppssätt 40
4.1.3 Bedömningsnivåer 41
4.1.4 Om indata i PMS Objekt 42
4.2 Metod 43
4.2.1 Beräkningsgång 43
4.3 Resultat Dimensionering 52
4.4 Faktorer vid ekonomisk bedömning 54
5 Diskussion
565.1 Diskussion laboratorieundersökning 56
5.2 Diskussion Dimensionering 65
6 Slutsatser
677 Utvecklingsbehov
69REFERENSER
70BILAGOR
1
1 Inledning
1.1 Bakgrund
Kalkstabilsering har en lång historik bakom sig. Dess positiva inverkan på vissa jordars egenskaper har varit känd sedan länge. Romarna använde sig exempelvis av metoden i några av sina vägar. Den användes också av kineserna i vissa av de jordvallar som den kinesiska muren byggdes kring.
I modern tid nådde tekniken erkännande som metod omkring år 1930 efter det att
jordmekaniktest och bättre apparatur för applicerandet av metoden utvecklats. Dessutom fanns vid den här tiden kalkföretag som bedrev verksamhet för att metoden snabbare skulle nå allmän acceptans och spridning, eftersom det innebar ytterligare marknader för deras egna produkter.
Kalkstabilisering är tillämpbart i ler- och i viss mån även siltjordar, eftersom dessa också innehåller lerpartiklar. Den huvudsakliga positiva fördelen är den ökade hållfastheten som erhålls i den stabiliserade jorden.
Hållfasthetsförbättringen kan sägas ske i två steg. I det första steget byts de joner som omger lerpartiklarna, framför allt Na+-joner och K+-joner, ut mot kalciumjoner samtidigt som vattnet i leran omfördelas. Detta orsakar en strukturomvandling och ett skenbart grövre material bildas, vilket får bättre packningsegenskaper än det finkorniga. Jorden erhåller vid packningsarbete en högre densitet och i och med detta en högre hållfasthet.
Det andra steget består i att långsamma kemiska reaktioner mellan kalkhydrat och
jordmaterialets innehåll av silikater och aluminater, så kallade puzzolana reaktioner bildar en reaktionsprodukt med cementliknande egenskaper. Dessa kan pågå under flera år, men den huvudsakliga förbättringen i bärförmåga erhålls i regel inom ett år.
Metoden har använts i Sverige framför allt under 1960- och 70-talet och en viss
erfarenhetsbasis har skapats. 1984 slutade metoden att tillämpas i landet, vilket bland annat berodde på att kraven förändrades i BYA, Byggnadstekniska föreskrifter och allmänna råd.
BYA är föregångaren till dagens ATB Väg.
I BYA 1976 var jordstabilisering med kalk inskrivet som en möjlighet att stabilisera
vägterrasser. Dessutom fanns möjligheten att tillgodoräkna sig det stabiliserade materialets förbättrade egenskaper och terrassmaterialet kunde antas tillhöra ett högre steg i
dimensioneringstabellen, vilket fick till följd att överbyggnadstjockleken hos vägkonstruktionen kunde minskas.
I 1984 års version fanns också jordstabiliserade material inskrivna, men med skillnaden att en förbättring i materialegenskaperna inte längre kunde tillgodoräknas.
Det här var emellertid inte den enda anledningen till att metoden försvann. Under 1980-talet introducerades geotextiler på marknaden i allt högre utsträckning, vilket gjorde det betydligt enklare att skapa ett materialskiljande lager. Detta medförde att behandlandet av blöta terrasser med eventuell sättningsbenägenhet åtgärdades med denna metod istället.
2
Ytterligare faktorer som orsakade det minskade användandet var vissa arbetsmiljöproblem förknippade med transport och spridning av släckt och osläckt kalk, samt vissa
inblandningsproblem med sättningar som följd.
Allt detta sammantaget gjorde att kalkstabilisering av vägterrasser inte längre blev lönsamt för entreprenörerna, inte minst med tanke på den stora maskinpark som krävdes för tillämpandet.
De senaste åren har emellertid intresset för metoden åter igen väckts.
Tekniken används idag frekvent utomlands, bland annat i Storbritannien och Australien.
Dessa länder har emellertid en helt annan klimatsituation och geologi än den som råder i Sverige, varför den praxis som råder där inte nödvändigtvis ger samma fördelar eller är applicerbar under svenska förhållanden.
Kalkstabilisering har de senaste åren tillämpats i enstaka vägprojekt i Sverige, till exempel i terrassen vid Öresundstunnelns landanslutningar. Även en del laboratoriundersökningar har genomförts där hållfasthetsutvecklingen undersökts för kalkstabiliserade material och dessa har uppvisat kraftiga hållfasthetshöjningar. Förutsättningar verkar därför finnas för metodens tillämpande, men en av de frågor som väckts med tanke på Sveriges klimatsituation är vilken frostbeständighet kalkstabiliserade material har.
Det är med den bakgrunden som det här examensarbetet kommer in i bilden. De frågor som söker besvaras är: Vilken frostbeständighet har ett kalkstabiliserat material? Hur ser en färdig vägkonstruktions tjälegenskaper ut om dess terrass är utgjord av ett kalkstabiliserat material?
Hur kan en dimensionering genomföras för en vägkonstruktion med kalkstabiliserad terrass?
Under vilka förhållanden är det ekonomiskt lönsamt att tillämpa sig av kalkstabilisering?
Arbetet är framför allt inriktat på tillämpningen av kalkstabilisering i skånsk lermorän och dimensioneringsavsnittet är inriktat på vägar där terrassen utgörs av lermorän. Förhoppningen är att arbetet ska kunna ge en bild av kalkstabiliserings potential under svenska förhållanden.
Arbetet vänder sig till entreprenörer, konsulter, kalkföretag samt övriga som finner intresse i frågeställningarna.
1.2 Syfte och målsättning
Syftet med examensarbetet är att undersöka potentialen för kalkstabilisering som metod i lermorän genom att dels undersöka och utvärdera frostbeständigheten hos terasstabiliserad lermorän och dels genom att teoretiskt studera en terrasstabiliserad vägkonstruktions tjälegenskaper och dimensioneringsförutsättningar.
Arbetet utförs i fyra steg. Steg 1 utgörs av en litteraturundersökning. Huvudsyftet med denna är att ge en överblick över kalkstabilisering som metod samt hur och i vilka jordar den kan tillämpas.
Steg 2 omfattar en laboratorieundersökning, vars syfte är att karakterisera den studerade lermoränen, samt undersöka hur lermoränen efter modifiering och stabilisering med osläckt kalk reagerar på upprepade frys- och töcykler med avseende på enaxiell tryckhållfasthet.
Steg 3 består av en datorsimulering med det av Vägverket utvecklade
dimensioneringsverktyget PMS Objekt. Syftet är att erhålla en helhetsbedömning över
vägkonstruktionens tjälegenskaper när kalkstabiliserad terrass används. Avsikten är vidare att
3
belysa vilka eventuella konstruktionsmässiga fördelar som kan förväntas vid användandet av kalkstabiliserad lermorän.
Baserat på resultaten i steg 1-3 utförs i steg 4 en enklare ekonomisk bedömning över vägkonstruktionen i stort.
Den övergripande målsättningen med arbetet är att underlätta beslutsfattande rörande terrasstabilisering av lermorän med kalk.
1.3 Metod/Examensarbetets upplägg
Examensarbetet utförande och innehåll delas upp i fyra huvudsakliga delar.
I del 1 genomförs en erfarenhetsinsamling genom en litteraturstudie inom området.
I del 2, som utgörs av en laboratorieundersökning, utförs en karakterisering av jordmaterialet.
Därefter tillverkas provkroppar med olika kalktillsatser, varpå de efter förvaring i en
temperatur av 4-5° Celsius utsätts för enaxiella trycktester efter 30 dygn och 90 dygn. Efter 30 dygn påbörjas upprepade frys-tötester i 12 omgångar för en viss andel av de tillverkade
provkropparna. Därefter trycktestas de frys-tötestade provkropparna med avseende på enaxiell tryckhållfasthet, utan vilotid mellan frys-tötest och enaxiellt trycktest.
Del 3 omfattar en datorsimulering för hela konstruktionen med datorprogrammet PMS Objekt, där resultaten från litteratur- och laboratorieundersökningen används som grund. Del tre avser belysa vilka konstruktionsmässiga fördelar som kan uppnås genom att kalkstabilisera en vägterrass.
Del 4 omfattar en enklare ekonomisk bedömning av kalkstabilisering som metod. Detta utförs med del 1-3 som erfarenhetsbakgrund.
4
2 Litteraturstudie
2.1 Historik
Stabilisering av jord med kalk har gamla anor. Det finns belägg för att metoden användes redan 310 f. Kr vid byggnation av Via Appia, som var den södergående huvudvägen från Rom (Lindh, 2004). Dessutom användes den vid stabilisering av vissa delar av den jordvall som den kinesiska muren är byggd omkring (Kezdi, 1979).
Cementstabilisering är en annan metod som ofta används vid stabilisering av jordar. Den har emellertid en betydligt yngre historia än kalkstabiliseringen. Den första patentansökan lämnades in av Amies 1917 och avsåg förstärkning av mark med hjälp av cementinblanding.
Kalkstabilisering började användas som metod i USA under 1920-talet. 1938 stödde ”Texas Highway Department” ett projekt som gick ut på att reparera befintliga vägar med hjälp av kalkstabilisering. Under 1940-talet fortsatte utvecklingen med metoden genom att den amerikanska militären utförde projekt med kalkstabilisering av både vägar och startbanor av vilka vissa används än idag. Vid försöken användes både tidigare ostörda jordar, men också jordar som behövde repareras.
I Sverige började metoden användas 1959 och flera experiment med metoden utfördes under 1960-talet både avseende vägprojekt men också andra konstruktioner förekom. I början av 1970-talet hade 4 km2 i Sverige kalkstabiliserats i konstruktionssyfte. Det stora användandet till trots ändrades kraven för motorvägar på ett sådant sätt 1984 att det inte längre lönade sig för entreprenörerna att använda ytstabilisering och metoden försvann från marknaden.
Förändringen bestod i införandet av BYA 1984. Tidigare hade det funnits en möjlighet för det kalkstabiliserade materialet att räknas upp en tjälfarlighetsklass, men den försvann nu. Till detta kom också det ungefärligen samtida införandet av geotextilmattor, vilket gjorde implementerandet av materialskiljande lager betydligt enklare. (Lindh per e-post).
Idag används emellertid metoden i andra av världens länder. Ett exempel är Storbritannien vars användning av metoden att stabilisera med kalk 1995 uppgick till 0,5 miljoner m3. Ett annat exempel är Australien som idag räknas till det land som är ledande inom
stabiliseringsteknik. Ovanstående avsnitt bygger på Lindh (2004) där inte annat anges.
2.2 Allmänt om stabilisering
Stabilisering av jord innebär att det aktuella jordmaterialet förstärks genom att det blandas med ett bindemedel. Stabiliseringen kan avse såväl vägterrasser som andra lager i vägar eller material avsedda för andra konstruktionssyften där förstärkning kan behövas. Alla
minerogena jordmaterial kan få förbättrade egenskaper genom att jorden stabiliseras i någon form (Avén, 1984). Stabiliseringsmetoden som väljs avgörs av syftet med stabiliseringen.
I friktionsjordar används vanligtvis cement och bitumen, men kalk kan också användas om den får ett tillskott av puzzolana tillsatser i form av flygaska eller trass. Även masugnsslagg kan användas när det aktiverats med några procents kalk (Avén, 1984).
5
I kohesionsjordar används vanligen släckt eller osläckt kalk. När kalk reagerar med den omgivande jorden, vanligen lera, bildas kalciumsilikathydrat och kalciumaluminathydrat vid kontakt med lermineralens silikater och aluminater. (Avén 1984).
Effekterna av inblandning av kalk i jordar som innehåller lerfraktion och sedan ska användas som exempelvis terrass är flera. Som exempel kan nämnas att inblandning av kalk i den jord som används under konstruktionens uppförande ger förbättrade hållfasthetsegenskaper och gör att den kan användas som transportväg för de fordon som krävs under uppförandefasen.
Dessutom underlättas utläggningen av överbyggnaden och en högre packningsgrad kan uppnås av densamma. I ett senare skede kan även det kalkstabiliserade lagret förhindra uppträngning av tjälfarligt material (Avén 1984).
En stabilisering kan ha flera syften. Den kan bland annat användas när jorden är allt för blöt eller allt för plastisk för att dess egenskaper i konstruktionssyften ska kunna förbättras. Ett annat område där metoden är lämplig är när mängden avgrävningsmassor vid utgrävningen av konstruktionen behöver minskas. Detta kan vara lämpligt när mängden material som behöver transporteras till eller dumpas på annan ort behöver minskas, eller när en högre stabilitet och hållfasthet hos jorden är nödvändig (Lindh, 2004).
Ett alternativ till kalkstabilisering är stabilisering med cement, vilket kan användas vid exempelvis stabilisering av grusvägar. Cement och bitumen används ofta när materialet på plats är mindre än behovet och jorden således behöver förstärkas för att materialåtgången ska kunna minskas. Att kunna förstärka ett jordmaterial som i sig självt har otillräckliga
egenskaper innebär ett minskat behov av att byta ut eller tillföra massor från annan plats.
Detta i sin tur medför även en minskning av transportkostnader. (Avén, 1984).
2.3 Kalkstabilisering 2.3.1 Släckt och osläckt kalk
En skiljelinje dras mellan släckt och osläckt kalk. Det är bara dessa former av kalk som reagerar vid kontakt med jord, varför kalciumkarbonat inte är intressant i stabiliseringssyfte annat än som grundmaterial till dessa båda former.
Tillverkningen av osläckt kalk utförs genom att kalksten värms upp till en temperatur som överstiger 1000ºC varpå kalciumkarbonat sönderdelas till kalciumoxid, osläckt kalk, och koldioxid enligt ekvation 1. Reaktionen är endoterm, det vill säga energi behöver tillföras för att reaktionen ska fortgå. Kalciumoxiden utgör den osläckta kalken.
2
3 värme CaO CO
CaCO + ⇔ + ekvation 1
Släckt kalk tillverkas genom att vatten tillåts reagera med den osläckta kalken, varpå kalciumhydroxid, släckt kalk, bildas enligt ekvation 2. Reaktionen är exoterm, det vill säga energi avges under reaktionsprocessen.
värme OH
Ca O H
CaO+ 2 ⇔ ( )2 + ekvation 2
Den sista och kompletterande ekvationen för att beskriva sambandet mellan de tre olika formerna av kalk framgår av ekvation 3.
6 O
H CaCO CO
OH
Ca( )2 + 2 ⇔ 3 + 2 ekvation 3
Ovanstående reaktioner är allmänt vedertagna och kan återfinnas i bland annat Kézdi (1979) och Assarson (1976).
Osläckt kalk används när vattenkvoten i den aktuella jorden är allt för hög för att optimal packning ska kunna genomföras. Vid exempelvis mindre arbeten kan en mindre mängd kalk läggas ovanpå det marklager som ska stabiliseras varpå vattnet i jorden reagerar med kalken.
Dagen efter kan det vara möjligt att genomföra resterande inblandning av kalk. (Avén 1984).
Assarson (1976) betonar vikten av att använda rena kalksorter, eftersom en oren kalk kan reagera med sina egna beståndsdelar och bilda komplex som initiellt ger en
hållfasthetsökning, ibland högre än vad den rena kalken ger. Detta fenomen är emellertid skenbart och över tiden finns bara nackdelar med att använda ett sådant material.
Om kalken innehåller lerfraktion är innehållet av reaktiva kalciumjoner mindre. Detta kompenseras emellertid av att det finns flera aluminater och silikater, vilket medför att hållfasthetsökningen på lång sikt kan bli väl så god som om ren kalk använts (Sherwood, 1995).
En osläckt kalk tillverkad av ett dolomitiskt grundmaterial som innehåller en viss mängd magnesiumjoner istället för kalciumjoner kan också användas i stabiliseringssyften. Little (1995) menar att den högkalcitiska kalken är att föredra i stabiliseringssyften, eftersom den innehåller mer reaktivt kalk.
Lindh (2004) för ett kortare resonemang om vilken kalksort som är ekonomiskt mest lönsam.
Den osläckta kalken innehåller den största delen kalciumoxid, 98%, och torde därför vara mest lönsam, eftersom den släckta kalken bara innehåller 73% kalciumoxid. Dessa värden är teoretiska och i en praktisk situation kan båda kalksorterna antas innehålla ungefär samma mängd CaO tillgängligt för reaktion med jordpartiklarna (Little, 1995).
Lindh (2004) fortsätter med att nämna att när den osläckta kalken kommer i kontakt med vatten utvecklas värme, vilket i sin tur är gynnsamt för de kemiska reaktionerna mellan jord, vatten och kalk. Dessutom minskar vattenhalten ytterligare i och med att ytterligare en förlustkälla för vatten tillkommer i form av förångning. I och med att värmeutvecklingen är kraftig och torkförloppet snabbt kan konstruktionssäsongen förlängas. Jämfört med släckt kalk är den osläckta kalken tätare, kräver mindre transporter samt orsakar mindre
dammbildning.
Även vissa nackdelar finns emellertid förknippade med den osläckta kalken. I torra jordar kan en bevattning behöva ske av jorden innan stabiliseringen utförs, eftersom vatten krävs i släckningsprocessen. Dessutom är släckningsprocessen i fält inte lika effektiv, vilket kan orsaka olika egenskaper i olika delar av den behandlade jorden. (Lindh, 2004). En annan viktig faktor att ta hänsyn till är att den osläckta kalken kräver en större hänsyn till den arbetande personalens hälsa, med avseende på hud- och ögonskador (Little, 1995).
Några av fördelarna med tillämpandet av släckt kalk är att den kan appliceras två till tre gånger fortare än kalk i slurryform. Den är också väldigt effektiv vad gäller torrläggandet av jordar (Little, 1995).
7
En av de största nackdelarna är att dammproblemet orsakat av den släckta kalken är ett stort problem, vilket gör den olämplig att använda i stadsområden. En annan nackdel kan vara att det i varmt väder kan behöva tillsättas extra vatten (Little, 1995).
Som stabiliseringsmedel kan kalk även förekomma i slurryform. Den är inte lika effektiv som de två andra formerna av kalk när det gäller blötare jordar, men den har de fördelarna att den inte dammar samt att den kan användas i torra förhållanden utan att förbevattning behöver genomföras. (Lindh, 2004). En stor nackdel med slurrymetoden är emellertid att den är svår att tillämpa, till exempel vad avser kallt, blött och fuktigt väder, och särskild utrustning krävs (Little, 1995).
2.3.2 Reaktion mellan kalk och lera
Kalk i sig är inget bindemedel Avén (1984), Assarson (1976), Kezdi (1979) utan bindemedlet skapas först sedan kalk reagerat med lerans mineral. Nedan följer en utförligare beskrivning.
För att en reaktion från början ska kunna vara möjlig krävs att materialet som ska modifieras innehåller silikater eller aluminater, samt inneha puzzolana egenskaper. Materialet kan då reagera med Ca(OH)2, vilket möjliggör reaktioner som stärker materialets hållfasthet (Åhnberg et al., 1995).
Åhnberg et al. (1995) ger att leror till större delen innehåller aluminiumsilikater. Detta får antas gälla för en stor del av lermoränen också, eftersom halten lera där är hög. På leran sitter natrium- och kaliumjoner som är i balans med det omgivande vattnet och ger leran dess struktur. Detta är en förutsättning för att en reaktion mellan lerans partiklar och kalken ska kunna ske. Tillförandet av kalk går ut på att störa denna balans och att ändra lerans
egenskaper genom att få partiklarna att ombildas och bilda andra komplex med kalk istället för med de naturligt förekommande jonslagen, en flockulering av partiklarna sker.
Modifiering innebär att en jords egenskaper ändras till följd av att ett bindemedel blandas i jorden. Vanligtvis används kalk, men cement kan också i vissa fall förekomma. Modifiering med kalk fungerar framför allt i ler- och siltjordar, men även på jordar med lite grövre fraktion, till exempel lerig sandmorän.
När modifieringsfasen är slutförd påbörjas stabiliseringsfasen. Detta innebär att bindemedlet börjar härda, vilket medför en ökad hållfasthet. Ibland är inte bindmedelshalten tillräckligt hög för att härdning, och därmed en hållfasthetsökning, ska ske i någon större utsträckning.
Vid sådana halter av bindmedel sägs jorden vara modifierad. Ibland räcker det med en modifierad jord för att uppnå erforderlig hållfasthet och andelen bindemedel i jorden behöver då inte ökas för att en stabiliseringseffekt ska fås. Bindemedelshalten kan då hållas på en lägre nivå, vilket innebär en lägre kostnad för att erforderliga hållfasthetsegenskaper ska uppnås.
Den bindemedelsmängd som är lämplig för en viss jordtyp och för att uppnå bestäms lämpligen i laboratorieförsök. Detta beror på att de faktorer som inverkar på bindemedlets effekt på en jord är så pass många. De faktorer som bör beaktas är kornfördelningen hos jorden, den organiska halten hos jorden, jordens pH, jordens mineralogiska sammansättning, samt eventuell sulfidhalt i jorden.
Modifieringen innebär att de finkorniga partiklarna i jorden får en annan struktur, de
koagulerar, vilket innebär att materialet ter sig grövre. Detta får till följd att packningsarbetet
8
underlättas. Ytterligare en faktor som underlättar packningsarbetet är strukturomvandlingen hos materialet samt på en minskning av vattenkvoten. När materialet får lättare att packas innebär det också att dess densitet ökar. I och med densitetsökningen erhålles också en högre hållfasthet hos materialet.
Kézdi (1979), Lindh (2004) m.fl. ger en god bild över modifiering med kalk.
Osläckt kalk behöver övergå till släckt kalk för att kunna fungerar som en Ca2+-källa och för att få modifieringsprocessen att ta sin början. När släckt kalk och lera blandas når kalkens tvåvärda joner, Ca2+, vattnet som är bundet till leran. Kalciumjonerna byter sedan ut de katjoner som är bundna till lerpartiklarna, vilket beror på jonernas elektronegativitet som sorteras enligt följande skala:
Li+ < Na+ < H+ < K+ < NH+4 << Mg2+ < Ca2+ << Al3+
Katjonerna till höger ersätter dem till vänster om sig. När de natrium- och kaliumjoner som normalt finns adsorberade till en lera ersätts med kalciumjoner följs detta av en
vattenminskning som leder till att lerans konsistens förändras till ett gel. Lerans
strukturförändring till följd av att natriumjonerna ersätts av kalciumjoner framgår av figur 2.1.
Med vattenminskningen följer också att leran får en betydligt högre viskositet och lerans form övergår till att vara plastisk eller fast beroende på det ursprungliga vatteninnehållet. Det vatten som tidigare var bundet till leran ansamlas mellan de koagulerade partiklar som bildar komplexet. Partiklarna flockuleras under reaktionsförloppet och antar en nållik struktur som kan jämföras med den ursprungliga plattlika strukturen. (Åhnberg et al., 1995).
Figur 2.1. I figur A framgår strukturen hos den obehandlade ler- moränen och i figur B framgår strukturen i en lermorän modifierad med 2 % kalk.
Den här delen av reaktionen mellan kalk och lera kallas för modifiering och åstadkommer en viss del av hållfasthetökningen. Modifieringsprocessen tar olika lång tid beroende på vilken källa som konsulteras. Den ena källan hävdar att processen är genomförd på cirka en timme (Eades och Grim, 1966), medan den andra menar att det tar 24-72 timmar (Rogers et al., 1997) för att full modifiering ska uppnås samt att modifieringstiden varierar med lertypen.
9
Några av de undersökningar som gjorts på en Oxfordlera precis efter modifieringsprocessen visas i Lindh (2004). Resultaten visar att skillnaderna mellan de prover som innehåller olika mängd kalk är ganska små. Däremot skiljer sig de stabiliserade jordarna mycket från en jord som inte är modifierad. En jämförelse gjordes mellan MCV-värdena vid en vattenkvot av 30%. För de omodifierade proven låg värdena omkring 8 och för de behandlade omkring 14.
Dessutom visas att kohesionen vid ett vatteninnehåll av 26% för den omodifierade jorden var 70 kPa, vilket kan jämföras med den modifierade jorden vars kohesion uppgick till 160 kPa.
Inte heller här spelar de olika mängderna kalk någon avgörande roll för kohesionen, tester gjordes på 2%, 4%, samt 6% inblandad kalk, utan den avgörande faktorn är om jorden blivit modifierad eller inte.
Efter modifieringen av jorden påbörjas stabiliseringen av densamma. Stabilisering av leror med kalk går ut på att puzzolana reaktioner ska uppstå. En puzzolan är fritt översatt från Sherwood (1995) ett kisel-, eller ett kisel- och aluminiumhaltigt material, som i sig självt har ett väldigt litet eller inget cementerande värde, men som i ett finfördelat tillstånd och fuktig omgivning, reagerar kemiskt med kalciumhydroxid under normala temperaturförhållanden och bildar föreningar med cementerande egenskaper.
För att en puzzolan reaktion ska kunna äga rum krävs att vissa andra kriterier är uppfyllda.
Tillgång till kisel, aluminium samt en basisk miljö, för att frigöra aluminium och kisel från leran, är nödvändiga för att de puzzolana reaktionerna ska kunna äga rum.
Reaktionsprocessen kommer att pågå så länge dessa förhållanden upprätthålls. En annan viktig faktor är temperaturen som inte får vara för låg. Om temperaturen understiger 7ºC kommer reaktionen att vara långsam (Kujala, 1984). I Sverige ligger temperaturen i marken normalt omkring 8ºC, vilket leder till att reaktionen kommer att vara relativt långsam mellan jordmaterial och kalk (Åhnberg et al., 1995).
De puzzolana reaktioner som inträffar kan åskådliggöras enligt följande:
)
2 (
KSH ikathydrat Kalciumsil
Kisel LösligtLer OH
Ca + + − + ⇔ ekvation 4
) ( min
2 min
KAH athydrat Kalciumalu
ium Alu
LösligtLer OH
Ca + + − + ⇔ ekvation 5
Åhnberg et al. (1995) beskriver förloppet på följande sätt:
O H AS C löslig SiO
löslig O
Al OH
Ca( )2 2 3( ) 2( ) 2 *8 2
2 + + → ekvation 6
Den bildade reaktionsprodukten, strätlingit, är bara en av många produkter som finns
rapporterade. Det är produkterna från de puzzolana reaktionerna som ger jorden dess ökade hållfasthet. Ur reaktionsformeln kan utläsas att mängden Ca(OH)2 har betydelse för hur mycket av slutprodukten som bildas.
2.3.3 Kort om kalkstabilisering i fält
Två metoder kan urskönjas vid arbetandet med modifiering och stabilisering. Den ena metoden innebär att stabiliseringsblandningen tillreds i stationära verk och den andra att genomförandet sker på plats. I Sverige används alltid metoden med tillblandning på plats vid användandet av kalk (Avén 1984).
10
Fördelen med att tillblanda stabiliseringsmedlet i verk är att tillverkningen av materialet helt kan tillmötesgå de krav som ställs på det. Man erhåller därmed en större flexibilitet och kan tillverka ett material helt efter behov. Nackdelen är att materialet måste transporteras från det stationära verket till den plats där användning ska ske.
Under de senaste 10 åren (Lindh, 2004) har de maskiner som används vid stabilisering av jordar genomgått en avsevärd utveckling, vilket fått till följd att jordstabiliseringstekniken idag är en sofistikerad teknik. Beroende på vilken typ av stabilisering det handlar om kan den utföras både in-situ samt i stabiliseringsstationer.
Figur 2.2 visar ett exempel av hur kalk fräses in i en jord med hjälp av en fräsmaskin. Figur 2.3 visar vidare struktur- och konsistensförändringen i den kalkstabiliserade jorden efter utförd infräsning.
Figur 2.2. Infräsning av kalk i lerjord (Blaaberg et al., 2005).
Figur 2.3. Lerjordens karaktär förändras vid inbland- ning av kalk (Blaaberg et al., 2005).
11 2.3.4 Kalkstabiliserade lagers tjälfarlighet
Utomlands betraktas kalkstabiliserade skikt som beständiga mot tjäle. Klimatsituationen är emellertid en helt annan i Sverige (Assarson, 1976). Mottagligheten för tjäle är mycket viktig i vägkonstruktioner eftersom en stor sådan innebär en negativ effekt på beständigheten hos en vägkropp över en längre tidsperiod. Den vanligaste metoden för att motverka negativa
effekter av tjäle är att öka tjockleken hos vägkroppen med material som inte är tjälkänsliga.
(Lindh, 2004).
Tjälegenskaperna hos det kalkstabiliserade materialet är särskilt viktiga, eftersom det ger förutsättningar att minska vägöverbyggnadstjockleken på grund av den ökade hållfastheten i det förstärkta materialet. Vägöverbyggnaden består i och med detta av mindre massor, vilket ställer större krav på att dessa material har god frostbeständighet. (Lindh, 2004).
Lindh hänvisar till två genomförda studier. Den ena av Littleton et al. (1988) där
tjälkänsligheten för obehandlad respektive kalkstabiliserad Oxfordlera testades. Inget av materialen visade sig vara tjälkänsligt. Om det kalkstabiliserade materialet däremot kompakterades under ”mycket” blöta förhållanden kunde det bli tjälfarligt.
Den andra studien som det hänvisas till är Arabi et al. (1989) som visar att ”jord” med en
”liten” mängd tillsatt kalk kan bli mer tjälkänslig än obehandlad jord.
Assarson (1976) nämner att när kalkstabilisering introducerades i Sverige fanns en oro för att ett kalkstabiliserat material skulle bli mer tjälfarligt än ursprungsmaterialet. Vanligen är de jordar som stabiliseras med kalk måttligt tjälfarliga, på grund av sitt höga lerinnehåll. När leran stabiliseras med kalk omvandlas dess struktur och blir grovkornigare, materialet blir mer permeabelt. Detta medför att materialet kan tendera att bli tjälfarligare och i och med detta tillhöra klassen mycket tjälfarliga material enligt ATB Väg.
Assarson skiljer mellan inblandning av kalk och stabilisering med kalk, och pekar särskilt på att stabilisering med kalk också innebär packning av materialet. Packningen fungerar som garant för att maximal skjuvhållfasthet uppnås efter strukturomvandlingen hos materialet. Den säkerställer också att de puzzolana reaktionerna mellan kalkhydrat och lerans aluminater och silikater fungerar optimalt.
Det finns olika teorier om hur ett kalkstabiliserat skikt beter sig under tjällyftning. Den enligt Assarson rådande är den så kallade murbruksteorin. Den bygger på att de puzzolana
reaktionerna bildar en reaktionsprodukt som orsakar en förändring i porgeometri och porstorlek där reaktionsprodukten finns. I takt med att de puzzolana reaktionerna fortgår kommer en allt större del av porerna att upptas av dessa reaktionsprodukter. Vattnet som är inneslutet i dessa reaktionsprodukter är ej frysbart. Det enda vatten som kan frysa är det kapillärt bundna. I kombination med att de kemiska reaktionerna ger ett ökande motstånd mot vattenmättnad samt en ökad draghållfasthet minskar sannolikheten för att islinsbildning ska uppstå.
Ytterligare en positiv effekt är att i takt med att de puzzolana reaktionerna och dess reaktionsprodukter breder ut sig, minskar risken för att jorden ska bli vattenmättad. Denna faktor i kombination med en ökning i materialets draghållfasthet gör att risken för
islinsbildning minskar gentemot ett obehandlat material.
12
Assarson fortsätter vidare att nämna att det finns många olika laboratoriemetoder för att bestämma tjälfarligheten. Den viktigaste faktorn menar Assarson är att provkropparna bör ha lagrats under minst 28 dygn i en temperatur av 20º Celsius för att de kemiska reaktionerna ska komma igång.
2.4 Kalkstabilisering i olika jordar 2.4.1 Allmänt om lermorän
Lermorän är det jordmaterial som använts vid den senare laboratorieundersökningen och därför presenteras nedan en översiktlig information om morän i allmänhet, samt vilka kriterier som ska vara uppfyllda för att en morän ska få benämnas lermorän.
Följande uppgifter angående lermorän är hämtat från Eriksson (1996). Morän täcker mer än ¾ av Sveriges totala yta. Den har bildats genom att jord har avsatts av den senaste inlandsisen, Weichsel. Det material som transporterades i de undre delarna av isen packades hårt och var osorterat och kallas bottenmorän. Materialet som transporterades i isens mitt och övre delar karakteriseras också av att vara osorterat, men är betydligt lösare packat och ibland finns en avsaknad av finare fraktioner. Denna typ av morän kallas ablationsmorän, eller ytmorän.
Karakteristiskt för morän är att den är osorterad och innehåller de flesta olika fraktioner, från ler till block. Mängden finfördelat material i en morän beror av dess transportavstånd med isen. Det är inte ovanligt att morän består av många olika bergmaterial. Ju längre sträcka moränens ingående material transporterats med isen, desto fler material finns ofta inblandade i slutprodukten. Detsamma gäller för andelen finkornigt material. Ju längre tid ett material transporterats med isen, desto större är krossningsgraden.
Krossningsgraden beror även av vilken typ av bergmaterial som ingått vid moränens bildning.
En svårkrossad bergart, såsom silikat-kvartsrika bergarter, är sannolikt nedkrossad till fraktionen sand, men troligen inte längre. En mjukare bergart däremot, till exempel kalksten eller lerskiffer, krossas betydligt enklare och leriga moräner och lermoräner bildas. Som exempel kan nämnas att kalkrika lermoräner kan återfinnas i den riktning som isen rörde sig i när den kom från ett område innehållande kambriumsilurbergarter.
En lerig morän innehåller minst 5 viktprocent och som mest 15 viktprocent ler och en lermorän innehåller minst 15 viktprocent ler. De är oftast blockfattiga, men rika på sten (Avén, 1984).
Lermoränen återfinns framför allt i Skåne, men också på Öland, Gotland, på båda sidor om Vättern, i en mindre mängd väster om hjälmaren, samt i Östersundsområdet. Utbredningen av lermorän i Sverige framgår av figur 2.4. De områden som är markerade med roterade
fyrkanter utgörs av lermorän.
13
Figur 2.4. Förekomster av lermorän i Sverige från Eriksson (1996).
Det finns många tillämpningsområden för moräner. När finjordshalten är hög och
avrinningsmöjligheterna små är en försumpningseffekt eller torvbildning inte ovanlig. De moräner som innehåller en stor finjordshalt kan vara lämpliga som åkermarker, men används också som täckskikt till deponier och som tätjord i dammkonstruktioner. Om de
modifieras/stabiliseras kan de också vara lämpliga som underlag till bland annat vägar och parkeringsplatser.
2.4.2 Jordar där kalkstabilisering är tillämpbart
Lindh (2004) presenterar olika studier som visar de jordar som är lämpliga för respektive bindemedel. Där framkommer, med referens till Ingles och Metcalf (1972), att kalk har maximal stabiliseringseffekt på jordar med fraktioner upp till 0,01mm. Cement däremot har sin maximala stabiliseringseffekt vid fraktioner som inte understiger 0,06mm.
Stabiliseringseffekten på fraktioner under denna kan vara svåra att utvärdera. Vidare framkommer att det är lättare att stabilisera lerjordar med kalk än med cement, eftersom halten av tillgänglig kalciumoxid är större i stabiliseringsmedel av kalk. Lindh fortsätter med att nämna att i normala fall används kalk till lerjordar och cement till jordar med grövre fraktion.
14
I figur 2.1 framgår vilka bindemedel som är lämpliga att använda i en jord utifrån dess granulometriska sammansättning. I sektion A skulle en stabilisering med kalk ge goda resultat, men blandningen mellan kalk och jord är svårgenomförbar. Jordarna i sektion B kan med fördel stabiliseras med såväl släckt som osläckt kalk, vilket beror på dess positiva påverkan på jordarnas struktur och plasticitet. Det är således jordarna tillhörande denna sektion som utgör det stora användningsområdet för stabilisering med kalk. I sektion C kan jordarnas hållfasthet ökas med tillsättning av cement eller bitumen. Kalk kan inte användas för att stabilisera vägkonstruktioner innehållande jordar med denna granulometriska
sammansättning. I sektion D är ingen stabilisering möjlig, eftersom jorden är för grovkornig för att kunna bearbetas med existerande utrustning.
Figur 2.1. Visar i vilka jordar kalkstabilisering är tillämpbar. (Efter Assarson, 1968).
Exempel på några senare projekt där kalkstabilisering använts är vid byggandet av Yttre Ringvägen i Malmö, tillbyggnad av Malmö/Sturups flyplats och byggandet av
Lorensborgsgatan i Malmö. Ett pågående projekt är en vägbyggnation utanför Helsingborg i Skåne, vilket beskrivs närmare under 2.7 Aktuellt fall, Landanslutningar till Öresundsbron.
2.5 MCV-metoden
MCV-försök är ett alternativ till den i Sverige mer utbredda Proctorpackningen. Motiveringen till att MCV-försök beskrivs nedan är att Lindh använt den i sitt doktorsarbete Lindh (2004) samt att den används frekventare utomlands än i Sverige. I den senare
laboratorieundersökningen i det här arbetet används Proctorpackning och det kan därför vara lämpligt med en bakgrund till varför den metoden valts och inte MCV.
Ett MCV-försök går i stora drag ut på att kontrollera vilken packningsenergi som åtgår för att kompaktera jorden till en nivå som ligger nära dess maximala packningsgrad. Jorden,
vanligen cirka 1,5kg, packas i en form med en inre diameter av 100mm. Kompaktering sker
15
genom att en hammare som har en diameter av 97mm och en vikt av 7kg får falla fritt från en höjd av 250mm. Hammaren fixeras av två vertikala stänger och släpps med en justerbar släppmekanism. En fiberskiva placeras mellan hammare och jord för att förhindra jorduppträngning mellan hammare och insida av form.
Hammarens nedträngning bestäms och antalet slag för att uppnå en viss nedträngning noteras.
Differensen i nedträngning för n antal slag och 4n antal slag noteras. Differensen plottas gentemot 10-logaritmen för n antal slag. MCV definieras som 10 gånger logaritmen av antalet slag som krävs för att differensen i nedträngning mellan 4n slag och n slag ska bli mindre än 5mm i plotten som nämnts ovan. För en differens mindre än 5mm anses ingen signifikant densitetsökning äga rum. Ett exempel på en MCV-kurva framgår enligt figur 2.2 nedan.
MCV-värdet kan utvärderas till 8,6. I tabell 2.1 presenteras indata till figur 2.2.
0 5 10 15 20 25
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Moisture Condition Value, MCV
Differens [mm]
Figur 2.2. Ett exempel på en MCV-kurva.
Tabell 2.1. Indata MCV-kurva.
N antal slag Sjunkning [mm] 10*10 log N Differens sjunkning mellan 4N-N
1 80 0,00 20
2 90 3,01 18
3 96 4,77 15
4 100 6,02 12
6 105 7,78 7
8 108 9,03 4
12 111 10,79 1
16 112 12,04 0
24 112 13,80 0
32 112 15,05 0
48 112 16,81 0
64 112 18,06 0
96 112 19,82 0
128 112 21,07 0
192 112 22,83 0
256 112 24,08 0
16
För ytterligare information om MCV hänvisas till Lindh (2004), Craig (2002), BS 1377 del 4.
2.6 Kort om hälsorisker
Användningen av kalk innebär att vissa skyddsåtgärder måste vidtas för den arbetande personalen på plats. Det är framför allt dammet som kan orsaka bekymmer. Idag används särskilda slutna spridare för att undvika spridning av dammet i så stor utsträckning det är möjligt. Vid blåst måste emellertid skyddsglasögon användas (Avén 1984).
Felhanterat utgör den osläckta kalken en större risk för personalens hälsa än den släckta varianten enligt Lindh (2004).
2.7 Aktuellt fall, Landanslutningar till Öresundsbron
Det här avsnittet avser belysa de områden som ansetts viktiga vid konstruktion av
Landanslutningar till Öresundsbron, där kalkstabilisering använts. Återanknytning till dessa resonemang sker under kapitel 4.
Yttre Ringvägen löper i en ring omkring Malmö och började byggas under 1996.
Jordmaterialet i området består av lerig och siltig morän. Undersökningar visade att den bärighet som ställs på vägöverbyggnaden enligt ATB Väg 94 inte skulle uppnås. För att uppnå erforderlig bärighet krävdes således utskiftning av massor eller någon form av stabilisering.
Ekdahl (2000).
När överbyggnaden ska påföras på terrassen krävs att terrassytan har föreskriven nivå, har en tillräcklig bärighet för att överbyggnadsmassorna ska kunna packas till föreskriven nivå, att den ej deformeras av trafiklast utgjord av de fordon som används vid konstruktionen av överbyggnaden, samt att den är fri från vattenansamlingar.
ATB Väg 94 anger två metoder för att undersöka bärförmågan i en vägöverbyggnad. Båda baseras på en maximal provyta av 4500 m2. I den ena väljs åtta slumpvis utvalda provpunkter ut och varje punkt testas med statisk plattbelastning. Den uppmätta elasticitetsmodulen ska då uppgå till minst 25 MPa i varje provpunkt. I den andra metoden väljs två provpunkter ut på hela provytan. Punkterna med den sämsta responsen väljs ut genom att hela provytan
genomgår en yttäckande bärighetsmätning där en vibrerande vält fungerar som belastning och en packningsmätare registrerar var de sämsta responserna erhålls. De två utvalda
provpunkterna testas därefter med statisk plattbelastning. Medelvärdet av elasticitetsmodulen i de två punkterna ska då uppgå till minst 10 MPa.
Ekdahl resonerar om att den mätning med det lägsta bärighetskravet, det vill säga 10 MPa, medför att terrasser av lermorän ibland blir godkända. Detta innebär att vägen klarar 25 miljoner överfarter att jämföra med 35 miljoner om en terrassbärighet av 25 MPa kan uppnås.
Det är inte enbart terrassen som får en ökad elasticitetsmodul enligt Ekdahl utan hela överbyggnaden blir styvare. Den totala ökningen i styvhet för hela konstruktionen innebär enligt Ekdahl att vägens livslängd blir 75 miljoner överfarter att jämföra med 25 om lermoränen inte stabiliseras.
17
3 Laboratorieundersökning
3.1 Metod 3.1.1 Allmänt
Laboratoriearbetet genomfördes i tre omgångar i geotekniklaboratoriet vid Luleå Tekniska Universitet. Undersökningen omfattade rutinundersökning av lermorän, packningsegenskaper för lermorän samt stabiliserad lermorän, samt tryck-, tö-, och frystester av stabiliserad och ej stabilisera lermorän.
Etapp 1 omfattade rutinundersökning av lermorän i vilken lermoränens egenskaper bestämdes med avseende på skrymdensitet, kompaktdensitet, kornfördelning, plasticitets- samt flytgräns, vattenkvot och vattenmättnadsgrad. Torrdensitet bestämdes med Proctorpackning för
ostabiliserad lermorän samt för lermorän med tillsatsmängderna 2 %, 4 % och 6 % kalk.
I etapp 1 tillverkades även provkroppar innehållande lermorän, lermorän och Nordkalk 0-2 LA, samt lermorän och Nordkalk Terra E.
Etapp 2 omfattade enaxiella trycktester efter 27-31 dygn av de tidigare tillverkade provkropparna. Dessutom genomfördes frys-tötester på desamma för att undersöka hur hållfastheten hos materialet i provtuberna förändras efter frys- och töcykler. Efter frys- tötesterna trycktestades de ingående proverna enaxiellt.
För att bestämma lermoränens, samt den kalkstabiliserade lermoränens, segregationspotential utfördes även en laboratoriedel av VTI i Linköping.
Etapp 3 genomfördes 88-92 dygn efter det att provtuberna tillverkats och innefattade enaxiella trycktester för att undersöka hållfasthetsförändringarna i materialet på längre sikt.
3.1.2 Material
Det aktuella jordmaterialet vid laboratorieundersökningen, lermorän, är hämtat från
byggnationen av en väg med sträckning förbi Marieholm utanför Helsingborg i Skåne. Efter uppgrävning förvarades jorden i hinkar med tätförslutande lock, varpå materialet sändes till Luleå Tekniska Universitet för laboratorieundersökningar.
Kalken som användes vid laboratoriearbetet kommer från Nordkalk AB. Den ursprungliga tanken var att använda Nordkalk QL 0-2 LA, en osläckt kalk tillverkad på Gotland med en kornstorlek av 0-2 mm. Denna kalksort kommer i det fortsatta arbetet att benämnas LA.
Under arbetes gång beslutades på Nordkalks begäran att ytterligare en kalksort, Nordkalk Terra E, en osläckt kalk tillverkad på Lilla Edet med en kornstorlek av 0-0,5 mm skulle vara med i laboratorietesterna. Terra E kommer att förkortas TE i examensarbetets resterande delar. För ytterligare information om kalksorterna hänvisas till bilaga 3, där produktblad återfinns för respektive kalksort.
3.1.3 Geoteknisk undersökning
Lermoränens skrymdensitet uppskattades utifrån egna observationer i laboratoriet, samt genom utvärdering av undersökningar på lermorän från samma ort utförda av Tyréns (2005).
18
Lermoränens kompaktdensitet bestämdes med pyknometer enligt SS 02 71 16.Två stycken dubbelprov gjordes. Ingen undersökning av kompaktdensiteten hos lermorän med tillsatt kalk gjordes, eftersom inblandningshalten kalk var låg.
Vattenkvoten bestämdes enligt SS 02 71 16. Materialet som undersöktes var transporterat i sex hinkar, varför ett vattenkvotsprov uttogs från respektive hink för att få en orienterande överblick över vattenkvoterna i materialet från de olika hinkarna. Alternativet var att blanda jorden i de sex hinkarna med varandra med en omrörare, men i den aktuella situationen var det enklare att ta ut vattenprov från varje enskild hink varför detta alternativ valdes.
Fallkonförsök utfördes enligt SS 02 71 25. Försöket utfördes endast på omrörda prov, eftersom inga ostörda prover fanns att tillgå. I och med att kornstorleken hos materialet överskred 0,4 mm, utfördes först en lufttorkning av materialet under 24 timmar, varpå det, försiktigt för att undvika sönderkrossning av lermoränens beståndsdelar, sönderdelades i en mortel. SS 02 71 25 frångicks i detaljen gällande sönderdelning i mortel. SS 02 71 25 anger att sönderdelningen av materialet bör ske med en gummiklädd pistill i morteln.
Efter detta siktades det sönderdelade materialet i en sikt med en maskstorlek av 0,5 mm, beroende på tillgång i laboratoriet, varpå det placerades i en blandningsskål. Destillerat vatten tillsattes därefter under omrörning med spatel tills materialet erhöll en plastiskt till
halvflytande konsistens. Ur dessa försök utvärderades lermoränens flytgräns samt dess omrörda skjuvhållfasthet.
Stötflytgränsen för jorden bestämdes genom användandet av Casagrandes flytgränsapparat enligt svensk standard SS 02 71 19. Materialet förbereddes för försöket på samma sätt som för fallkonförsöket.
Lerans plasticitetsgräns bestämdes enligt SS 02 71 21, vilket innebar att utrullningsprov genomfördes, varpå materialets vattenkvot bestämdes. Materialet förbereddes på samma sätt som för fallkonförsöket och Cassagrandes flytgränsapparat. Trippelprov togs.
Utifrån plasticitets- och flytgränsen för materialet kunde jordens, fraktionen <0,4 mm, vattenhållande förmåga Ip utvärderas enligt:
p L
p w w
I = − ekvation 7
vilket framgår av SS 02 71 25.
Lermoränens kornstorleksfördelning för partiklar större än 0,063mm bestämdes genom en siktning av materialet. Kornstorleksfördelningen för partiklar mindre än 0,063mm bestämdes genom sedimentationsanalys. Siktningen genomfördes enligt SS 02 71 24.
Siktsatsen bestod av följande siktstorlekar: 20 mm, 11,2 mm, 5,6 mm, 2,0 mm, 1,0 mm, 0,5 mm, 0,25 mm, 0,125 mm, 0,063 mm.
Innan siktningen torkades materialet i ugn i 105º Celsius i mer än 24 timmar. Därefter blötlades materialet och skakades om i en behållare ett flertal gånger under ungefär en halvtimmes tid för att underlätta materialgenomförseln i siktsatsen. Efter omskakningen hälldes materialet ned i siktsatsen, och efter förslutning med lock i toppen av siktsatsen och
19
ett tätförslutande kärl i botten försett med en slang för borttransport av material mindre än 0,063 mm, skakades siktsatsen mekaniskt under tillförsel av vatten genom topplocket. Detta pågick tills det vatten som passerat genom siktsatsen och ut i hinken var klart, utan grumling av partiklar.
Materialet i hinken uttogs efter det att hinken, försluten med lock, skakats grundligt för hand för att koncentrationen av finpartiklar skulle bli så jämn som möjligt i hela hinken.
Omedelbart efter omskakningen nedfördes en glasbehållare i botten av hinken och ett prov uttogs.
Två siktningar med tillhörande sedimentationsanalys genomfördes.
Naturfuktigt material kunde inte siktas på grund av problem med agglomering. Följaktligen utfördes inte heller någon sedimentationsanalys för det naturfuktiga materialet.
3.1.4 Packningsegenskaper
För att bestämma en jords packningsegenskaper kan olika metoder användas. I Sverige är det vanligast att Proctorpackning används, men i exempelvis Storbritannien används MCV, moisture condition value, flitigt. Med anledning av att Lindh använt MCV i Lindh (2004), samt att denna metod kan vara ny för en del svenska betraktare behövs en kortare beskrivning av metoden, vilket återfinns under avsnitt 2.5.
I det här examensarbetet används den traditionella Proctorpackningen, vilket beror på flera faktorer. Dels saknades utrustning för MCV-försök i det aktuella laboratoriet, dels är MCV- försök inte särskilt utbrett i Sverige. Dessutom måste en jämförelse göras för olika MCV- värden och vattenkvoten hos den aktuella jorden för respektive MCV-värde innan metoden kan användas för bestämmande av optimal vattenkvot. Detta gör att tidsvinsten av att inte behöva bestämma vattenkvoten inte blir särskilt stor vid ett projekt i den här omfattningen. I övrigt bedömdes MCV-försök ge likvärdig information som den som erhålls vid
Proctorpackning.
Lermoränen och kalken till varje Proctorpackning blandades i en skål av metall och omrördes med hjälp av en kraftfull omrörare som tidigare använts för preparering av stabiliserade prover under 2 minuters tid. Vatten tillsattes i portioner under omrörningens första 30
sekunder för att uppnå den önskade vattenkvoten i materialet. Stenar med en diameter >2 cm sorterades bort i denna fas, eftersom dessa påverkar packningsegenskaperna negativt vid Proctorpackning. Vattenkvoten för respektive blandning har kontrollerats omedelbart efter det att Proctorpackningen var avslutad för den aktuella blandningen.
Packningsprotokoll från dessa försök återfinns i bilaga 1.
3.1.5 Tillverkning av provkroppar
För att undersöka hållfastheten samt frys- och töbeständigheten hos material med och utan tillsats tillverkades totalt 39 stycken provkroppar. Provtuberna hade en diameter av 5 cm och en höjd av 10 cm. Vissa provtuber var förspräckta, vilket innebar att de var uppsågade i längsledd i en tunn skåra, för att underlätta urpackning vid en eventuell expansion hos materialet. På grund av tillgången på spräckta tuber var cirka varannan tub hel. Hade tillgång funnits hade samtliga prov packats i förspräckta tuber för att underlätta den senare
20
urpackningen av materialet. Notera att det under det fortsatta arbetet upptäcktes att hela tuber hade varit att föredra.
Lermoränen blandades med 2 %, 4 % och 6 % LA. Andelen tillsats beräknades på lermoränens torra viktmassa. Därefter tillverkades provtuber för lermorän utan tillsats, lermorän med tillsats av 2 %, 4 % och 6 % LA, samt lermorän med tillsats av 2 % TE.
För varje blandningsprocent av lermorän och tillsats tillverkades åtta stycken provtuber, samt fem stycken för lermorän utan tillsats.
I och med att det i ursprungsskedet var osäkert hur svårurpackade tuberna skulle komma att bli beslutades att det var onödigt att spräcka hela tuber. Dessa kunde vid behov spräckas i ett senare skede. Arbetsgången för inpackningsproceduren i respektive tub framgår enligt nedan.
Tuben vägdes tom, varefter dess insida penslades med vaselin för att underlätta urpackning.
Tuben vägdes sedan igen. Därefter placerades tuben i en cylinder, vilken skulle förhindra expansion i radiell led hos de förspräckta tuberna och samtidigt fixera tuben under
inpackningen. Packningen skedde enligt liknande metodik som vid Proctorpackning, det vill säga materialet som skulle packas i tuben delades upp i fem lika stora delbitar som sedan packades ned med ett gravimetriskt inpackningsverktyg.
Vid beredning av materialet blandades lermorän och kalk/modifierad kalk enligt samma procedur som för Proctorpackningen. Materialets naturliga vattenkvot låg nära den optimala, varför inget vatten tillsattes till blandningarna. Detta var också det naturliga valet, eftersom realistiska fältförhållanden eftersträvades i den mån det var möjligt.
Material till två provtuber förbereddes åt gången och följdes av packning och vägning av de färdigpackade tuberna. Vattenkvotsprov uttogs efter att packningen för två provtuber var avklarad. Efter vägningen av de packade tuberna nedsattes dessa i akvarier, vilka befann sig i kylskåp hållande cirka 5º Celsius, för att simulera markens temperatur som i södra Sverige är cirka 8º Celsius. De förspräckta provtuberna försågs även med en tejp längs med den öppna skåran för att förhindra att materialet i dessa skulle få en större exponeringsyta till luft än materialet i de ospräckta tuberna.
Inpackningsverktyget bestod av en cylinder med en vikt av 2,54 kilo som löpte kring en stång, se figur 3.1. Vikten släpptes sedan längs stången från en höjd av 30 cm. När denna procedur upprepats 17 gånger för varje dellager (totalt 5 i en provkropp) motsvarade det energin från en Proctorpackning.
Figur 3.1. Inpackningsverk- tygets utformning.
