Kall och halvvarm återvinning av asfalt i verk : del 1 - laboratorieprovning

Författare

Torbjörn Jacobson och

Fredrik Hornwall

FoU-enhet

Väg- och banteknik

Projektnummer

60621

VTI notat 1-2001

Kall och halvvarm

åter-vinning av asfalt i verk

Del 1 – Laboratorieprovning

Förord

Återvinning av gamla asfaltbeläggningar har blivit allt vanligare på senare år och en rad olika metoder har utvecklats inom detta område. Denna rapport behandlar kall och halvvarm återvinning i verk med inblandning av bitumenemulsion eller mjukbitumen och ibland tillsats av nytt stenmaterial och vatten. Rapporten beskriver ett stort antal försök på VTIs laboratorium.

Undersökningarna och sammanställningen av rapporten har utförts inom ett av Vägverket finansierat FoU-projekt rörande kall och halvvarm asfaltåtervinning. I de olika försöken har också Vägverket Produktion, NCC, PEAB, Vägmästarna, Skanska, Nynäs och flera av Vägverkets regioner medverkat.

Kontaktpersoner på Vägverket (huvudkontoret) har varit Åsa Lindgren och Bengt Krigsman. Från VTIs sida har Torbjörn Jacobson varit projektledare medan Fredrik Hornwall har medverkat vid sammanställningen av rapporten. Laboratorieundersökningarna har till stor del utförts av Karl-Axel Thörnström och Fredrik Hornwall.

Linköping i april 2001

Torbjörn Jacobson Projektledare

INNEHÅLLSFÖRTECKNING

SAMMANFATTNING... 5

INLEDNING OCH SYFTE ... 8

ASFALTÅTERVINNING – ALLMÄNT... 10

KALL ÅTERVINNING I VERK ... 11

HALVVARM ÅTERVINNING VID VERK ... 12

RETURASFALT... 13

ASFALTGRANULAT... 14

PROVTAGNING 15 KARAKTERISERING AV RETURASFALT ELLER ASFALTGRANULAT.. 16

KORNKURVA OCH BINDEMEDELSHALT 16 ASFALTGRANULATETS SAMMANSÄTTNING OCH VATTENINNEHÅLL 19 EGENSKAPER HOS BINDEMEDEL I RETURASFALT 21 PACKNINGSEGENSKAPER HOS ASFALTGRANULAT 25 Optimal vattenkvot (vätskeinnehåll) 25 KONSISTENS OCH BEARBETBARHET HOS GRANULAT OCH MASSA 25 Gyratorisk packning 26 STENMATERIALKVALITET 36 I returasfalt 36 Inblandning av stenmaterial 36 FÖRORENINGAR (STENKOLSTJÄRA) 36 PROPORTIONERING, MEKANISKA EGENSKAPER OCH BESTÄNDIGHET HOS KALLA ASFALTMASSOR... 37

PROPORTIONERING AV ÅTERVINNINGSMASSA - ALLMÄNT 37

UPPLÄGGNING AV UNDERSÖKNINGEN 37

PROVMATERIAL, BINDEMEDEL, TILLSATSER OCH RECEPT 38

PROVPREPARERING 38

Materialberedning 38

Blandning av massa 39

Packning och lagring av provkroppar 40

INVERKAN AV BINDEMEDELSTYP SAMT TILLSATTS AV CEMENT OCH STENMATERIAL 61

STABILITET 84 Inverkan av provningstemperaturen 87 Inverkan av provkroppens höjd 88 BESTÄNDIGHET 90 Allmänt 90 Vattenkänslighet – vidhäftningstal 90 Frys-tökänslighet 96 SAMMANFATTANDE KOMMENTARER – KALLA MASSOR ... 103

PROVNING AV HALVVARMA ÅTERVINNINGSMASSOR ... 106

BAKGRUND 106

KARAKTERISERING AV ASFALTGRANULAT 106

PROVPREPARERING 107

PROPORTIONERING AV HALVVARMA ÅTERVINNINGSMASSOR - FÄLTFÖRSÖK 109

Asfaltgranulat från Härnösand (Viksjö) 109

Provvägsförsök på riksväg 90 110

Kontrollsträckor på väg 725, Seskarö (Haparanda) 114

SAMMANFATTANDE KOMMENTARER – HALVVARMA MASSOR... 116 LITTERATUR ... 118

Kall och halvvarm återvinning av asfalt i verk Del 1 – laboratorieprovning

av Torbjörn Jacobson och Fredrik Hornwall Statens väg- och transportforskningsinstitut (VTI) 581 95 Linköping

Sammanfattning

Kall och halvvarm återvinning av asfalt i verk

Rapporten är en sammanställning av laboratorieundersökningar på kalla och halvvarma återvinningsmassor tillverkade i verk. En del av studien behandlar renodlade metodstudier där syftet varit att ta fram lämplig metodik för kalla eller halvvarma återvinningsmassor. Andra delar berör returasfalt och asfaltgranulat (gamla beläggningsmassor) från mellanupplag med inriktning på materialsammansättning, åldring av bindemedel, variationer i upplag och lämplighet för återvinning.

Det är viktigt att påpeka att materialet till denna rapport kommer ifrån en rad olika undersökningar från 1990-talet som berör olika aspekter på provning av returasfalt och återvinningsbeläggning. Vissa kompletteringar har dock gjorts under 2000. Mycket av det material som presenteras har redan implementerats i Vägverkets anvisningar, t.ex. ATB VÄG. Rapporten kan därför ses som en bakgrund och i viss mån metodhandbok till Vägverkets nya anvisningar. Relevansen hos många av metoderna har testats genom provvägar och kontrollsträckor. Den delen av studien finns redovisade i VTI notat 62-1999 och 7-2000.

Kort beskrivning av kall och halvvarm återvinning i verk

Kall och halvvarm återvinning av asfaltbeläggning är en resurssnål teknik eftersom materialet inte eller endast måttligt behöver värmas upp och genom den stora mobilitet som blandningsverken har. Vid dessa tekniker kan upp mot 100 % gammal asfalt återvinnas men för ett bra resultat är det viktigt att de gamla asfaltmassorna förebehandlas på ett riktigt sätt. Återvinning av gamla asfalt-beläggningar har blivit allt vanligare på senare år och samtidigt har tekniken genomgått en stark utveckling. Vid kall återvinning i verk utgörs det nya bindemedlet av bitumenemulsion och vid halvvarm återvinning används mjuk-bitumen. I de flesta fall tillsätts dessutom vatten och ibland nytt stenmaterial. Karakterisering av returasfalt och asfaltgranulat

• Granulatkurva

• Bindemedelshalt och kornkurva på extraherat material • Variationen i mellanupplag

• Åldring av bindemedel

• Packningsegenskaper – tung instampning och gyratorisk packning • Vatteninnehåll i asfaltgranulat

• Provtagning

• Föroreningar (stenkolstjära)

Proportionering inriktad mot funktionella egenskaper

Funktionellt inriktad proportionering innebär att receptet för återvinningsmassan tas fram genom jämförande provningar på provkroppar av granulat, bindemedel och vatten i olika proportioner. Efter det att provkropparna lagrats/härdats testas de med avseende på mekaniska egenskaper och beständighet. Den blandning som bäst uppfyller ställda krav väljs.

Provningarna görs genom dubbelprov och vid flera olika bindemedelshalter. Bindemedelshalterna väljs utifrån bindemedelsinnehållet och kornkurvan i granulatet samt hur åldrat det gamla bindemedlet är. Det innebär bland annat att en större bindemedelstillsats bör eftersträvas vid förhårdnat, åldrat bindemedel och en mindre giva när bindemedlet är mjukare och fräschare. Skillnaden i bindemedelshalt bör minst vara 0,4 procentenheter mellan provblandningarna. Ett samlingsprov av granulat från upplaget ligger till grund för proportioneringen. För att provningarna skall bli jämförbara måste provningsförfarandet styras upp noggrant med avseende på provberedning, blandning, packning av provkroppar och lagring innan provning utförs. Detta brukar benämnas provpreparering. Provningarna i denna del av studien behandlar följande:

• Provpreparering - blandning, tillverkning av provkroppar, härdning • Inverkan av lagringstid och lagringstemperatur

• Packningsmetod – Marshall-, statisk-, knådande- och gyratorisk packning • Proportionering – system, antal prov, receptur, metoder och egenskaper • Massans konsistens och packningsbarhet – gyratorisk packning

• Hålrumshalt – inverkan av provningsmetod • Pressdraghållfasthet – torr och våtlagrade prov • Styvhetsmodul – inverkan av provningstemperatur

• Marshallstabilitet – inverkan av provningstemperatur och provkroppens höjd • Dynamisk kryptest

Inblandning av bindemedel, stenmaterial, vatten, cement och vidhäftningsmedel Inblandning av ett eller flera bindemedel är nödvändig för att massan skall binda ihop och ibland behövs även tillsats av vatten eller stenmaterial för att få hanterbarhet och stabilitet. En mindre mängd cement kan förbättra både beständighet och mekaniska egenskaper. När mjukbitumen används inblandas vidhäftningsmedel. Följande områden har studerats:

• Typ och mängd av bindemedel – standard och specialbindemedel • Mängd nytt bindemedel (bindemedelshalt)

• Inblandning av stenmaterial och vatten • Tillsats av cement och vidhäftningsmedel

Hålrumshalt och mekaniska egenskaper hos kalla och halvvarma återvinningsmassor

En sammanställning över erhållna egenskaper från ett stort antal undersökningar på återvinningsmassa har gjorts. Provkropparna har tillverkats genom statisk packning och lagrats vid förhöjd temperatur i 7 dygn innan de testats. Vatteninnehållet i granulatet har legat på 3 %. Variabler i provblandningarna är asfaltgranulat, bindemedelstyp och mängden (halten) nytt bindemedel. Ett bra samband konstaterades bland annat mellan hålrumshalt och totalt bindemedels-innehåll samt mellan pressdraghållfasthet och styvhetsmodul. Störst spännvidd mellan provblandningarna uppvisade styvhetsmodulen och minst Marshall-stabiliteten.

Beständigheten hos kalla och halvvarma återvinningsmassor

Bristande beständig är sannolik den vanligaste skadeorsaken för kalla och halvvarma återvinningsmassor. Om beständigheten inte är fullgod hos ett asfaltlager försämras i princip de flesta egenskaperna hos materialet och beläggningen riskerar att få en förkortad livslängd. I svårare fall brukar en kombination av brister hos själva materialet/massan, dåligt utförande och fuktiga lägen föreligga. Svagheter i underliggande lager, hög andel tung trafik eller riklig saltning kan också bidra till en alltför snabb nedbrytning av asfaltlager. Fukt och vägsalt blir mycket kritiskt om kalla eller halvvarma beläggningstyper är felproportionerade, speciellt om alltför liten mängd nytt bindemedel tillsätts. Därför är det viktigt att beständigheten blir fullgod och proportioneringssystem för kalla eller halvvarma massor måste innehålla tester som åtminstone beskriver materialets resistens mot vatten. Om förhållandena är svåra bör även frys-tö och saltbeständigheten undersökas. De beständighetstester som ingår i studien behandlar:

• Vattenkänslig - inverkan av vattenlagring och vattenmättning • Frys-töbeständighet

Inledning och syfte

För att beläggningar med återvunnet asfaltmaterial skall få acceptabel kvalitet och funktion behöver granulatet ha en lämplig gradering och återvinningsmassan en lämplig sammansättning. Inblandning av ett nytt bindemedel är nödvändig för att massan skall binda ihop och ibland behövs även tillsats av stenmaterial för att få hanterbarhet och stabilitet. Granulatets korngradering och vatteninnehåll har betydelse för massans homogenitet, bearbet- och packbarhet. Uppgifter om bindemedelshalt och det gamla bindemedlets egenskaper är nödvändig information för val av erforderlig mängd och typ av nytt bindemedel.

Eftersom äldre asfaltbeläggningar kan ha mycket varierande ursprung och sammansättning bör krav på funktionellt inriktade egenskaper ställas vid proportionering av återvinningsmassa som skall läggas på vägar med stor trafikbelastning. Egenskaper som kan vara viktiga att bestämma på massan är styvhetsmodul, pressdraghållfasthet, stabilitet, konsistens och beständighet. Vid provningen måste prepareringen av provkropparna noggrant styras upp för att relevanta, jämförbara resultat skall erhållas.

När förprovningen är klar bör en provläggning av massan enligt arbetsreceptet göras. En provläggning är det bästa sättet för att få svar på om massan går att hantera och lägga ut. Enligt tidigare erfarenheter av kalla massor kan, efter det att produktionen kommit igång, en viss korrigering av arbetsreceptet bli nödvändig. I denna rapport ges en sammanställning över vilka material- och provnings-parametrar som har betydelse vid laboratorieundersökningar av kalla och halvvarma återvinningsmassor. Olika provningsmetoder redovisas och förslag på metodbeskrivningar ges. Relevansen mellan laboratorieresultat och erfarenheter från fält diskuteras också. Viktigt vid provning av kalla massor som innehåller vatten är att provberedningen styrs upp noggrant. Blandning, packning och lagring av provkroppar har härvidlag stor betydelse. En förprovning på laboratoriet kan omfatta bindemedelshalt och kornkurva på granulat, proportionering av massa, provning av mekaniska egenskaper samt beständighet. Vid produktions- och kvalitetskontroll kan asfaltmassa eller borrkärnor testas. Innan provningen är det viktigt att provtagningen styrs upp så att proverna på ett representativt sätt återspeglar beläggningsmaterialet som skall återvinnas. En nyutkommen metodbeskrivning (se litteraturlistan) från Vägverket beskriver provtagning av granulat i upplag eller borrkärnor från beläggning.

Det är viktigt att påpeka att materialet till denna rapport kommer från en rad olika undersökningar från 1990-talet. Vissa kompletteringar har dock gjorts under år 2000. Syftet är att belysa lämplig provningsmetodik för kalla och halvvarma återvinningsmassor. Mycket av det material som presenteras har redan implementerats i Vägverkets anvisningar, t.ex. TBV-Återvinning och ATB VÄG. Rapporten kan därför ses som en bakgrund och i viss mån metodhandbok till Vägverkets nya anvisningar. Vissa modifieringar och kompletteringar kan också bli aktuella utifrån resultaten i rapporten.

I VTI notaten 62-1999 och 7-2000 behandlas erfarenheter från provvägar och kontrollsträckor. Undersökningarna i denna rapport är till delar framtagna vid

provvägsförsök och därför finns en stark koppling mellan dessa rapporter och denna undersökning. I handboken för återvinning av asfalt som kom ut hösten 2000 finns utförliga beskrivningar (teknik, provningsmetodik, bindemedel, miljö, prestanda, erfarenheter mm) över kall och halvvarm återvinning i verk.

Asfaltåtervinning – allmänt

Asfaltbeläggningar kan återvinnas genom kalla, halvvarma eller varma produktionsmetoder och inblandningen av nytt bindemedel, massa, vatten eller stenmaterial i det gamla asfaltmaterialet kan ske i verk eller på vägen. Återvinningsmassor kan användas till slit-, bind- eller bärlager. Kalla och halvvarma metoder riktar sig till vägar med låg eller måttlig trafikvolym

(ÅDTtotal<3000) medan varm återvinning är en teknik även för det högtrafikerade

vägnätet. I Sverige återvinns årligen drygt en miljon ton (ca 13 % av total produktion) äldre asfaltbeläggningar. Om massorna innehåller stenkolstjära rekommenderas kall återvinning. Asfaltgranulat används också som bär- eller förstärkningslager på lågtrafikerade gator, vägar samt gång- och cykelbanor.

0 100 000 200 000 300 000 400 000 500 000 600 000

Varm återvinning Halvvarm återvinning Kall återvinning

Åt

e

rv

unne

t be

lä

ggni

ngs

ma

te

ri

a

l

(t

on)

Figur 1 Fördelning mellan olika återvinningstekniker i Sverige (Vägverket, 1998).

Kall återvinning i verk

Kall återvinning i verk är en resurssnål teknik eftersom materialet inte behöver värmas upp. Genom att blandningsverken är lätta att flytta minskar också transportbehovet. Vid kall återvinning kan massan bestå av upp till 100 % returasfalt men för att få ett bra resultat är det viktigt att returasfalten har förebehandlats på ett riktigt sätt. Vid kall återvinning i verk utgörs det nya bindemedlet av bitumenemulsion. I de flesta fall tillsätts dessutom vatten och stenmaterial. Olika varianter av blandningsförfaranden har utvecklats för att massan skall bli så homogen som möjligt och för att stenmaterialet skall få en bra täckningsgrad. Kalla massor kan ibland bli tröga och därför inblandas vatten som har en smörjande inverkan på massan. Det är dock viktigt att mängden nytt bindemedel, vatten samt eventuell tillsats av stenmaterial tas fram efter förprovning på laboratoriet. Syftet är att ge massan en lämplig sammansättning för att säkerställa att beläggningen får god funktion.

Kall återvinningsmassa innehåller vatten och bitumenemulsion samt granulat och ibland nytt stenmaterial. Emulsionsbeläggningar hårdnar med tiden, mycket beroende på hur snabbt materialet hinner torka ut. På så sätt har vädret och årstiden vid utförandet stor betydelse för den här typen av beläggningar. Vid blandningen i verket klibbar bindemedlet fast vid granulatet och det är ovanligt med bindemedelsavrinning under tillverkning och transport av massan. När massan packas hårdnar den. Vägytan kan dock fortfarande vara förhållandevis mjuk den första tiden men tål ändå normal trafik utan problem. Ytan hårdnar successivt när vattnet avdunstar och genom den nödvändiga efterpackningen från trafiken som slutligen knådar och packar vägytan.

Halvvarm återvinning vid verk

Vid halvvarm återvinning i verk brukar materialet värmas upp till ca 50-80 °C. Uppvärmningen medför att massan blir mer lättpackad och att hålrumshalten i beläggningen vanligen blir lägre än vid kall återvinning. Metoden kommer till sin fördel på hösten eftersom beläggningens prestanda åtminstone till en början blir bättre än för kallblandade massor. Halvvarm återvinning fungerar bra med granulat från halvvarm beläggning med mjukare bindemedel, men också återvinning av kall- eller varmtillverkade massor kan utföras med denna teknik. Den här typen av massor kan ibland upplevas som något tröga och svårlagda på grund av att det gamla bindemedlet aktiveras och blir ”klibbigt”. Förändring av temperaturen, inblandning av stenmaterial eller inblandning av mjukare bindemedel kan dock förbättra massans konsistens och läggbarhet. Bindemedlet utgörs av mjukbitumen. Massan kan sammansättas med enbart granulat, bindemedel och vatten men i de flesta fall inblandas 10-30 % stenmaterial.

Returasfalt

Gamla asfaltbeläggningar eller beläggningsmaterial brukar kallas för returasfalt när de tagits bort från vägen och skall återvinnas, mellanlagras eller deponeras. Returasfalt består i huvudsak av bituminöst bindemedel och stenmaterial. Därtill kan det finnas tillsatser såsom fibrer, vidhäftningsmedel och däcksgummi. Returasfalt från specialbeläggningar kan innehålla tillsatser som är av okänd sammansättning. Vid grävning men ibland även vid uppgrävning kan obundet stenmaterial följa med, speciellt om materialet är tjälat (gäller vid grävning). De bindemedel som förekommer i returasfalt är i regel bitumenbaserade. Till denna grupp räknas penetrationsbitumen, mjukbitumen, emulsioner och bitumenlösning. Vägolja, som är det mjukaste bituminösa bindemedlet som använts i modern tid, förekommer också. En annan typ av bituminöst bindemedel som användes fram till 1973 är stenkolstjära. Användningen upphörde genom en frivillig överenskommelse inom asfaltindustrin i Sverige. Stenkolstjäran användes ibland som självständigt bindemedel och ibland utblandad med bitumen.

De bituminösa bindemedel som återfinns i en returasfalt har förändrats i förhållande till sina ursprungliga egenskaper. Processen vid framställning, t ex uppvärmning och blandning i ett asfaltverk, transport och utläggning, gör bindemedlet hårdare. Under den efterföljande brukstiden hårdnar bindemedlet ytterligare genom olika delprocesser som går under den gemensamma benämningen ”åldring”. Processerna är:

• oxidation genom inverkan av syret i atmosfären • avdunstning av lättare beståndsdelar

• fysikalisk hårdnande

Asfaltgranulat

Asfaltgranulat är benämningen på krossad eller fräst asfaltbeläggning (returasfalt). Granulatkornen består huvudsakligen av klumpar av bindemedel och stenmaterial (beläggning) av varierande storlek, men även inslag av stenmaterial kan förekomma. För att återvinningsbeläggningen skall få en jämn och bra kvalitet måste de gamla asfaltmassorna krossas (sönderdelas) och sorteras. Fräsmassor kan ibland ha en lämplig sammansättning och behöver då inte krossas.

Bild 4 Krossning och sortering av returasfalt. Klumpar större än 20 mm tas bort från granulatet.

Bild 5 Närbild på osorterat asfaltgranulat. Inslag av grus brukar finnas i uppbrutna massor.

Provtagning

Provtagningen av den beläggning som ska återvinnas är ett av de viktigaste momenten vid en karakterisering för återvinning eftersom de prov som tas ut ska kunna repressentera hela objektet vid proportionering, val av recept och utförande av återvinningsbeläggningen.

Provtagningen av asfaltbeläggningen som ska återvinnas kan ske genom borrkärnor från det aktuella objektet, krossning av uppgrävda beläggningar eller provtagning ur ett upplag med fräsgranulat (eller färdigkrossad uppgrävd beläggning). Fördelaktigast är att provtagning sker av det färdigbehandlade granulatet så att samma granulat som avses användas vid återvinningen är av samma karaktär som det som används vid framtagande av arbetsreceptet. Det kan dock vara svårt att få representativa prov på granulatet eftersom prover enbart kan tas från högens ytterkanter och därmed finns risken att proverna är separerade på grund av högens rasvinklar (om den är för hög).

Vid provtagning av borrkärnor är det viktigt att prov tas på hela lagret som ska avlägsnas och återvinnas så att borrkärnan kan anses representera det granulat som erhålls efter avlägsnandet av den befintliga beläggningen.

I Vägverkets metodbeskrivning ”Provtagning, provning och bedömning av provningsresultat av asfaltmaterial för återvinning” (se litteraturförteckning) finns anvisningar för provtagning av returasfalt, asfaltgranulat och borrkärnor på beläggning.

Karakterisering av returasfalt eller asfaltgranulat

Innan återvinning måste asfaltmaterialet undersökas med avseende på materialsammansättning och ibland bindemedelsegenskaper. Resultatet ligger till grund för val av metod, typ och mängd av nytt bindemedel samt behov av stenmaterialinblandning. Representativa prov uttas från upplag eller genom borrprov från befintlig väg. Ur proven bestäms:

• kornstorleksfördelning på granulat (tvättsiktning)

• bindemedelshalt och kornstorleksfördelning på extraherat material

• penetration eller mjukpunkt på återvunnet bitumen (vid hårdare bitumen) eller • kinematisk viskositet (60°C) på återvunnet bindemedel (vid mjukbitumen). Vatteninnehållet kan variera i granulatet, vilket bör beaktas vid proportionering och produktion av massa. Om bindemedelshalten eller kornstorleksfördelningen varierar för mycket i upplaget bör materialet i möjligaste mån homogeniseras vid lagring och inmatning i verket. Det kan göras genom omblandning av materialen, genom skiktvis lagring av materialen i mellanupplaget och genom ett bra förfarande när granulatet skall utlastas till kalldoseringsenheterna. Standard-avvikelsen på bindemedelshalten och kornstorleksfördelningen (extraherat material, t.ex. fillerhalten och passerande mängd på sikt 4 mm) kan ligga till grund för bedömning av materialets homogenitet.

I följande avsnitt ges en översikt av asfaltgranulat från olika mellanupplag.

Kornkurva och bindemedelshalt

Asfaltgranulaten kommer från mellanupplag i både södra och norra Sverige. De ursprungliga beläggningstyperna är ABT och AG. I några prov finns inslag av dränasfalt, skelettasfalt och asfaltemulsionsbetong. Granulaten var av typen samkrossmaterial med gradering 0-16 eller 0-22 mm. Både uppgrävda och frästa massor finns representerade i materialen. Endast i några fall har vattenhalten kontrollerats.

Data om returasfaltens bindemedelshalt och extraherade kornkurva har stor betydelse för valet av erforderlig mängd och typ av nytt bindemedel som skall tillsättas asfaltgranulatet.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,074 0,125 0,25 0,5 1 2 4 5,6 8 11,2 16 22,4 31,5

Kornstorlek, mm

Passerande mängd, vikt-%

Figur 2 Sammanställning av kornkurvor från asfaltgranulat.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 Borlä nge 1 Borlä nge 3 Lunde gra nula tprov 2 Borlä nge 2 Över u m -95 p ro v 1 E s k ils tuna Lunde gra nula tprov 3 Lunde gra nula tprov 4 Borlä nge 4 Lunde gra nula tprov 1 Seskar ö Änge lholm Borlä nge 5 Lunde f örk ros s 1 By ringe Rv 4 0 Saxån Lunde f örk ros s 2 Lunde f örk ros s 3 Tjä ra Ljus ne 1 F Ljus ne 2 F La holm Ljus ne 1 B o mmer svi k 1 Rv 4 2 Ljus ne 2 B o mmer svi k 2 Mä rs ta Ljus ne 3 Vi kan Unde rå s Över u m -95 p ro v 3 Över u m -95 p ro v 4 A rkö su n d Da ls jöf o rs

Bindemedelshalt, %

Figur 3 Sammanställning över bindemedelshalten på asfaltgranulat.

Bindemedelshalten och kornkurvan (den extraherade kurvan från returasfalten) kan variera mellan olika upplag men ligger i de flesta inom gränskurvorna för

Faktorer som påverkar bindemedelshalten och kornkurvan är bland annat ursprunglig beläggningstyp, förekomst av lagningsmassor, åldring, krossning, avnötning, bindemedelsförluster, materialsläpp med mera. Vid bortgrävning och fräsning kan en sammanslagning av olika beläggningstyper ske samtidigt som obundet material kan komma med i massorna. Trots detta uppvisar mellanupplag ibland en förvånansvärt homogen sammansättning med avseende på bindemedelshalt och kornkurva. Standardavvikelsen på bindemedelshalten låg mellan 0,4-0,7. I båda fallen delades upplaget upp i tårtbitar så att proven spreds ut över hela mellanupplaget.

0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 0,08 0,13 0,25 0,5 1 2 4 5,6 8 11,2 16 22,4

Kornstorlek, mm

Passerande mängd, vikt-%

Figur 4 Spridningen hos kornkurva och bindemedelshalt i ett mellanupplag med

fräsmassor från E20. 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 90,0 100,0 0,08 0,13 0,25 0,5 1 2 4 5,6 8 11,2 16 22,4 31,5

Kornstorlek, mm

Passerande mängd, vikt-%

Figur 5 Spridningen hos kornkurva och bindemedelshalt i ett mellanupplag med

Möjligheterna att förändra bindemedelshalten i granulat genom fraktions-uppdelning kan vara begränsade eftersom bindemedel förekommer både i de finare och grövre fraktionerna även om den finaste fraktionen innehåller högst halt bitumen. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0-4 mm 4-8 mm 8-11,2 mm 11,2-16 mm >16mm

Fraktion

Binde

m

e

de

ls

ha

lt, %

Figur 6 Fördelningen i bindemedelshalt mellan olika fraktioner från samma

asfaltgranulat.

Asfaltgranulatets sammansättning och vatteninnehåll

Asfaltgranulatets korngradering (granulatkurva) och vatteninnehåll har betydelse för massans homogenitet, bearbetbarhet och packbarhet. Granulatets kornkurva bestäms genom tvättsiktning. Vid analysen torkas materialet vid rumstemperatur för att inte partiklarna skall klibba ihop. I diagrammet har gränskurvorna för granulat till kall och halvvarm återvinning lagts in (krav i ATB VÄG).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,074 0,125 0,25 0,5 1 2 4 5,6 8 11,2 16 22,4 31,5

Kornstorlek, mm

Passerande mängd, vikt-%

Figur 7 Sammanställning över kornkurvan på tvättsiktat asfaltgranulat.

I de flesta fall uppfyller asfaltgranulaten (krossade massor eller fräsgranulat) de gränskurvor som satts upp i Vägverkets anvisningar. Materialet får bryta en av de inre gränslinjerna. Kornkurvan liknar bärlagergrus men finmaterialhalten är låg och i regel under 2 %. Det innebär att materialen är förhållandevis välgraderade vilket är viktigt vid t ex packningen av massan.

Asfaltgranulaten i denna undersökning utgörs av samkrossprodukter där partiklar större än 16 eller 22 mm siktats bort. Ibland brukar granulatet delas upp i en fin- resp. grovfraktion som sedan vid återvinning blandas ihop till lämpligt sammansättning.

Tabell 1 Vatteninnehåll i asfaltgranulat.

Granulat Vattenhalt, % Väderlek, tidpunkt

Underås 5,4 Regn, september

Bommersvik 5,1 Regn, september

Saxån 1,0-1,6 Värmebölja, juni

Linköping (0-18 mm) 5,2-7,5 December

Linköping (0-32 mm) 5,0-6,1 December

Proverna på vattenhalten är tagna i upplaget vid mellanlagring. I de flesta fall brukar vattenhalten ligga mellan 2-3 % under sommarhalvåret. De prov som erhöll drygt 5 % vatten togs efter ett kraftigt regn. Vid nederbörd så är det ytlagret som får det högsta fuktinnehållet men med tiden kan vatten tränga igenom upplaget vilket fullskaliga lakförsök visat (Thorsenius, 1996). Proverna som togs under vintern 2000/01 erhöll högst vatteninnehåll, 5,0-7,5 % med de högsta värdena för finsorteringen (0-18 mm).

Egenskaper hos bindemedel i returasfalt

De bindemedel som förekommer i returasfalt är i regel bitumenbaserade. Till denna grupp räknas penetrationsbitumen, mjukbitumen, emulsioner och bitumenlösning. Vägolja, som är det mjukaste bituminösa bindemedlet som använts i modern tid, förekommer också. En annan typ av bituminöst bindemedel som användes fram till 1973 är stenkolstjära. Användningen upphörde genom en frivillig överenskommelse inom asfaltindustrin i Sverige. Stenkolstjäran användes ibland som självständigt bindemedel och ibland utblandad med bitumen.

De bituminösa bindemedel som återfinns i en returasfalt har förändrats i förhållande till sina ursprungliga egenskaper. Processen vid framställning, t ex uppvärmning och blandning i ett asfaltverk, transport och utläggning, gör bindemedlet hårdare. Under den efterföljande brukstiden hårdnar bindemedlet ytterligare genom olika delprocesser som går under den gemensamma benämningen ”åldring”. Processerna är:

• oxidation genom inverkan av syret i atmosfären • avdunstning av lättare beståndsdelar

• fysikalisk hårdnande

• hårdnande genom utsöndring.

Det är inte fel att påstå att varje beläggningslager utfört vid en viss tidpunkt har unika bindemedelsegenskaper. Det beror på att olika bindemedel har använts vid framställningen och att åldringsprocessen därefter varit olika. Vid upptagning genom rivning eller fräsning blandas dessutom i regel lager av olika ursprung och sammansättning i den borttagna returasfalten.

I följande figurer redovisas egenskaper på återvunnet bindemedel från olika returasfalter med varierande ursprung och ålder. Det handlar huvudsakligen om ursprungligen varma beläggningstyper (ABT, ABS, AG) men inslag av kallmassa finns i några fall (IM, AEBÖ, IM). De analyser som utförts är penetration, mjukpunkt, duktilitet och Fraass brytpunkt.

0 20 40 60 80 100 120 AG ABT /AG _ABS _ABS AG F/B 85 ABT /AG _ABS ABT /AG ABT/ B85 AEB Ö/ABT ABT ABT /B1 80 ABT /AG ABT /AEBÖIM/O G

Penetration (0,1 mm vid 25°C)

Figur 8 En översikt över bindemedlets hårdhet (penetration) i gamla

beläggningar eller granulat från mellanupplag.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 IM/OG AEBÖ/ABT /ALB ABT /AG ABT ABT /B1 80 ABS ABT /B85 ABT ABS16_ABT /AG ABT /AG ABT /AG AGF /B85 AG ABT /AG

M

jukpunkt ,°C

Figur 9 En översikt över bindemedlets hårdhet (mjukpunkten) i gamla

y = 154,97x-0,2641 R2 = 0,91 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 100 200 300 400 500

Penetration , 0.1 mm

M

jukpunkt ,°C

Figur 10 Korrelationen mellan penetration och mjukpunkt på återvunnet

bindemedel. 0 20 40 60 80 100 120 0 20 40 60 80 100 120

Penetration , 0.1 mm

Duktilitet ,cm

Figur 11 Sambandet mellan penetration och duktilitet (25°C) på återvunnet

y = -7,2055Ln(x) + 13,172 R2 = 0,70 -25 -20 -15 -10 -5 0 0 20 40 60 80 100

Penetration , 0.1 mm

Fraass brytpunkt, °C

Figur 12 Korrelationen mellan penetration och Fraass brytpunkt på återvunnet

bindemedel.

Vid varm återvinning har det gamla bindemedlets egenskaper stor betydelse för egenskaperna på den varma massan. Det är dock inte klarlagt hur förhållandet är vid kall och halvvarm återvinning av ursprungligen varma massor. Mjukpunkten hos bindemedlet bör dock påverka stabilitetsegenskaperna, speciellt vid höga temperaturer. I de avsnitten som behandlar mekaniska egenskaper samt beständighet görs en koppling mellan bindemedlets hårdhet (där uppgifter finns) och provningsresultaten.

Penetration är ett mått på bitumenets hårdhet vid 25°C. Mjukpunkten visar vid vilken temperatur bitumenet mjuknar. Duktilitet är ett mått på bindemedlets kohesion och kan sägas beskriva töj- eller bindförmågan (i viss mån elasticiteten) i bitumen vid angiven temperatur. I detta fall har temperaturen vid analysen varit 25°C men provningen kan även göras vid 10 eller 0°C. Fraass brytpunkt beskriver lågtemperaturegenskaperna och närmare bestämt vid vilken temperatur (minusgrader) bindemedlet spricker. Som det framgår av figurerna finns ett förhållandevis bra samband mellan de olika egenskaperna. När bindemedlet åldras blir det hårdare och sprödare vilket försämrar elasticiteten (töjbarheten) hos bindemedlet och samtidigt gör det mer sprickbenäget vid låga temperaturer. Vid kall- och halvvarm återvinning kompenseras förhårdningen genom att i de flesta fall ett mjukt bindemedel inblandas i återvinningsmassan. Även när inget nytt bindemedel inblandas (endast vatten) kan massan med tiden binda ihop men enligt provvägen vid Saxån (VTI notat 62-1999) erhöll lagret dålig beständighet mot vatten och blev därför mer känsligt för sprickbildning jämfört med när bindemedel inblandades.

Packningsegenskaper hos asfaltgranulat

Optimal vattenkvot (vätskeinnehåll)

För att massan skall få bästa möjliga packningsegenskaper bör optimal vätskekvot eftersträvas. Med vätskekvot menas vattenkvoten i granulatet och tillsatt emulsionskvot. Emulsionen kan i detta skede betraktas som en vätska med flytande egenskaper. Packningskurva bestämd vid olika vätske- eller vattenkvoter enligt tung instampning eller Marshallpackning anger lämpligt fuktinnehåll. På välgraderade material (fräst eller krossat granulat) brukar optimal vätskekvot ligga nära 6-7 % men skillnaden i maximal densitet är ibland inte så stor mellan 4-6 %. Vid 8 % brukar vattenseparation uppstå, vilket reducerar massan förmåga att ta packning (materialet blir fjädrande genom porvattentryck).

I figur 13 redovisas packningskurvan från några asfaltgranulat (Saxån, Bommersvik, Underås). 1,50 1,55 1,60 1,65 1,70 1,75 1,80 1,85 1,90 1,95 2,00 0 2 4 6 8 10

Vattenkvot ,vikt-%

Torr skrymdensit

et

,g/cm

Figur 13 Packningskurva på olika asfaltgranulat (tung instampning - Proctor).

Konsistens och bearbetbarhet hos granulat och massa

Kalla och halvvarma massor brukar vara relativt tröga att lägga ut och packa. IRI-värden mellan 1,5-2,5 har uppmätts på relativt nyutlagda beläggningar enligt VTIs provsträckor (VTI notat 7-2000). Inga normerade metoder finns för att mäta konsistensen på asfaltmassa. Nynäs Workability Test (bilaga 1) är framtagen för

konsisten och hanterbarhet. Metoden kan användas vid relativa, jämförande tester av olika material eller recept. Inverkan av fukthalt, stenmaterialinblandning och bindemedelshalt bör kunna studeras genom detta förfarande. Gyratorisk packning kan också användas för preparering av provkroppar.

I följande avsnitt redovisas försök där packningsförloppet och skjuvhållfastheten i massan studerats på några granulat eller återvinningsmassor i gyratorisk packningsutrustning.

Gyratorisk packning

Gyratorisk packningsutrustning har använts i Frankrike sedan början av 1970-talet och även i USA under en längre tid. Särskilt under senare år i det stora forskningsprogrammet SHRP och det däri framtagna proportioneringssystemet Superpave. Där används gyratorisk packning för att bestämma packningsarbetet. Nya gyratoriska utrustningar har tagits fram på senare år, med möjlighet att följa packningsarbetet under hela packningsproceduren, vilket åter väckt intresset för denna typ av packningsutrustning. Gyratorisk packningsutrustning används numera för undersökning av:

• Packningsegenskaperna • Bearbetbarheten

• Stabiliteten (skjuvmotståndet) • Preparering av provkroppar

VTI har sedan 1994 en gyratorisk utrustning av finskt fabrikat från Invelop OY. Den har möjlighet att packa provkroppar både med 100 och 150 mm diameter och till en höjd av upp till 150 mm. Till utrustningen finns ett dataprogram som styr packningen. Variationsbredden på utrustningens inställningar är:

Vinkel: 0-4 % (0-2,5°) Varvtal: 0-40 cykler/min

Tryck: 0-8 bar Antal varv: max 400

I denna undersökning har gyratorisk packningsutrustning använts vid undersökning av packningsegenskaper, bearbetbarhet, stabilitet och preparering av provkroppar för studier av mekaniska egenskaper eller beständighet. I undersökningarna har också inverkan av provformens (burkens) diameter och typen av form, slät eller perforerad, studerats. Packningsförsöken har gjorts vid olika temperaturer och på olika typer av granulat och provblandningar.

Tre olika asfaltgranulat har ingått i undersökningarna. Tillsatsen av vatten har varit 3 eller 4 %. I de fall bindemedel inblandats har 2,0-4,0 emulsion tillsats. Den metod som använts vid packningen av provkropparna är:

Formar: 100 mm (eller 150mm), slät (eller perforerad)

Tryck: 6 bar (600 kPa)

Antal cykler: 200 (30 varv/min) – 400 varv vid 150mm form Vinkel: 1°

Provhöjd: 100 mm

Temperatur: 10°, 23°, 60°C

Ett relativt högt tryck men låg vinkel valdes vid förfarandet. Metoden följer det förfarande som används i Norge för packningsstudier och provpreparering av kalla massor. När provkroppar tillverkas väljs packningsinsatsen (antalet varv) till 97,3 % av den uppmätta torra skrymdensiteten vid 200 cykler.

Bedömning av resultat från gyratorisk packning - allmänt

En kort beskrivning av de erfarenheter som erhölls i Norge (Telemarksprojektet) vid packning av kalla massor ges i detta avsnitt. Från packningskurvan som erhålls i gyratorn kan följande definitioner göras:

• Ninitial Antal cykler i gyratorn som erfordras för att packa massan till den

densitet den har efter utläggning (ca 10 cykler)

• Ndesign Antal cykler i gyratorn som erfordras för att packa massan till den

densitet den har efter utläggning och packning (20-110 cykler)

• Nmax Antal cykler i gyratorn som erfordras för att packa massan till

maximal densitet (200 cykler)

För att värdera bearbetbarheten hos materialet brukar kompakteringsgraden (torra skrymdensiteten) efter Ninitial (10 cykler) och skjuvmotståndet (G) användas:

materialet. Massor med låg kompakteringsgrad vid Ninitial kräver tung

packningsutrustning och om dessutom skjuvmotståndet G är högt förstärker detta behovet av tunga vältar. Högt G-värde indikerar också stor påkänning på screeden i läggaren pga av hög inre friktion i materialet.

För att värdera packningsbarheten (kompakterbarheten) hos materialet kan förhållandet Ndesign/Nmax användas:

• Högt värde visar att det krävs många varv i gyratorn för att uppnå packning, dvs. massan är svårpackad

• Lågt värde visar på lågt antal varv i gyratorn, dvs. massan är lätt att packa Stigningsförhållandet på packningskurvan (torr skrymdensitet/log N) beskriver massans egenskaper till att ta packning:

• Stor stigning visar god kompakteringsgrad • Liten stigning visar låg kompakteringsgrad

Massans stabilitet efter packning kan beskrivas genom skjuvmotståndet (skärspänningen, G) i materialet. Kurvförloppet för G/log N vid Ndesign (området

Ndesign – Nmax) kan användas:

• Skjuvmotstånd under ett visst gränsvärde indikerar instabil massa

• Stigning i kurvförloppet eller utflackning visar på stabil massa om skjuvmotståndet ligger över minvärdet

• Fall i kurvförloppet visar på instabil massa om skjuvmotståndet hamnar under eller nära minvärdet

Värdena på Ninitial och Ndesign påverkas av massatypen och kan bara tas fram

genom jämförande försök i fält. Det kritiska värdet för skjuvhållfasthet (G) är okänt för återvinningsmassor men bör kunna tas fram genom jämförelser med stabilitetstester eller beläggningar som erhållit deformationer.

Provmaterial

De material som ingick i VTI-studien framgår av tabell 2. Tabell 2 Undersökta asfaltgranulat och provningsvariabler.

Granulat

Eskilstuna Borlänge Byringe

Formdiameter: 100 mm, slät 100 mm, perf. 100 mm, slät 100 mm, slät 150 mm, slät Blandningar: 4,0 % vatten 4,0 % vatten 4,0 % vatten 4,0 % vatten 4,0 % vatten 3,0 % vatten + 1,0-4,0 % BE - - - 3,0 % vatten + 3,0 % BE Asfaltgranulatens sammansättning redovisas i figurerna 14-15. Som det framgår av tabellen så studerades både granulat och återvinningsmassa med emulsion (BE60M/2000).

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,075 0,125 0,25 0,5 1 2 4 5,6 8 11,2 16 22,4 31,5 Kornstorlek, mm P asseran d e män g d , vi kt-% Byringe Borlänge Eskilstuna

Figur 14 Kornkurva enligt tvättsiktning på granulat.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0,075 0,125 0,25 0,5 1 2 4 5,6 8 11,2 16 22,4 31,5 Kornstorlek, mm Passer ande mängd, vikt-% Byringe 4,7% Borlänge 4,0% Eskilstuna 4,3% ABT11 Byringe 42 57,0 -100 cm Pen. KoR Frass Dukt. Borlänge 23 66,0 -9°C 28 cm Eskilstuna 28 64,0 -13°C 70 cm

Figur 15 Kornkurvan (extraherad) samt bindemedelshalt och

bindemedelsegenskaper på granulat.

Packningskurvan (utvecklingen av torra skrymdensiteten) 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 1 10 100 1000 Antal cykler S k ry m d en sitet, g /cm 3 10°C, Slät form 23°C, Slät form 60°C, Slät form 10°C, Perforerad form 23°C, Perforerad form 60°C, Perforerad form Eskilstuna 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 1 10 100 1000 Antal cykler S k ry m d en sitet, g /cm 3 10°C 23°C 60°C Borlänge 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 1 10 100 1000 Antal cykler S k ry m d en sitet, g /cm 3 10°C 23°C 60°C Byringe 0 2 4 6 8 10 12 14 16

Eskilstuna Borlänge Byringe

H å lr u m sh alt, % 10°C 23°C 60°C

Figur 16a-d Packningskurva samt hålrumshalt (torr skrymdensitet) vid olika

temperaturer för asfaltgranulat med tillsatts av 4 % vatten, 100 mm slät form. För granulatet från Eskilstuna undersöktes också perforerad form. 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 1 10 100 1000 Antal cykler S k ry m d en sitet, g /cm 3 1,0 % emulsion, 10°C 1,0 % emulsion, 23°C 1,0 % emulsion, 60°C Eskilstuna 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 1 10 100 1000 Antal cykler S k ry m d en sitet, g /cm 3 2,0 % emulsion, 10°C 2,0 % emulsion, 23°C 2,0 % emulsion, 60°C Eskilstuna 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 1 10 100 1000 Antal cykler S k ry m d en sitet, g /cm 3 3,0 % emulsion, 10°C 3,0 % emulsion, 23°C 3,0 % emulsion, 60°C Eskilstuna 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 1 10 100 1000 Antal cykler S k ry m d en sitet, g /cm 3 4,0 % emulsion, 10°C 4,0 % emulsion, 23°C 4,0 % emulsion, 60°C Eskilstuna

Figur 17a-d Packningskurva (skrymdensitet) vid olika temperaturer för

granulatet från Eskilstuna med tillsatts av 3 % vatten och 1,0-4,0 % BE60M/2000, 100 mm slät form. Uppdelning efter tillsatt mängd emulsion.

1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 1 10 100 1000 Antal cykler S k ry m d en sitet, g /cm 3 1,0 % emulsion, 60°C 2,0 % emulsion, 60°C 3,0 % emulsion, 60°C 4,0 % emulsion, 60°C Eskilstuna 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 1 10 100 1000 Antal cykler S k ry m d en sitet, g /cm 3 1,0 % emulsion, 23°C 2,0 % emulsion, 23°C 3,0 % emulsion, 23°C 4,0 % emulsion, 23°C Eskilstuna 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 1 10 100 1000 Antal cykler S k ry m d en sitet, g /cm 3 1,0 % emulsion, 10°C 2,0 % emulsion, 10°C 3,0 % emulsion, 10°C 4,0 % emulsion, 10°C Eskilstuna 0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 1,0% 2,0% 3,0% 4,0% Tillsatt emulsion, % Hålr u m sh alt en lig t gy ra tori s k pa c k ni ng, % 10°C 23°C 60°C

Figur 18a-d Packningskurva (skrymdensitet) och hålrumshalt vid olika

temperaturer för granulatet från Eskilstuna med tillsatts av 3 % vatten och 1,0-4,0 % BE60M/2000, 100 mm slät form. Uppdelning efter packningstemperatur. 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 1 10 100 1000 Antal cykler S k ry m d en sitet, g /cm 3 10°C 23°C 60°C Byringe 4% H2O 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 1 10 100 1000 Antal cykler S k ry m d en sitet, g /cm 3 3,0 % vatten 4,0 % vatten Byringe +23°C

Figur 19a-b Packningskurva (skrymdensitet) med 150 mm slät form (400 varv)

vid olika temperaturer för granulatet från Byringe med tillsatts av 3,0 och 4,0 % vatten.

Skjuvmotståndet i massorna (skärspänning, G) 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 10 100 1000 Antal cykler S k ju vm o tstån d , kN /m 2 10°C, Slät form 23°C, Slät form 60°C, Slät form 10°C, Perforerad form 23°C, Perforerad form 60°C, Perforerad form Eskilstuna 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 10 100 1000 Antal cykler Sk ju v m ot s tå nd, k N /m 2 10°C 23°C 60°C Borlänge 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 10 100 1000 Antal cykler Sk ju v m ot s tå nd, k N /m 2 10°C 23°C 60°C Byringe

Figur 20a-c Skjuvmotstånd vid olika temperaturer för de undersökta granulaten

med tillsatts av 4 % vatten, 100 mm slät form. För granulatet från Eskilstuna undersöktes också perforerad form

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 10 100 1000 Antal cykler S k ju vm o tstån d , kN /m 2 1,0 % emulsion, 10°C 1,0 % emulsion, 23°C 1,0 % emulsion, 60°C Eskilstuna 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 10 100 1000 Antal cykler S k ju vm o tstån d , kN /m 2 2,0 % emulsion, 10°C 2,0 % emulsion, 23°C 2,0 % emulsion, 60°C Eskilstuna 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 10 100 1000 Antal cykler S k juvmotstånd, kN /m 2 3,0 % emulsion, 10°C 3,0 % emulsion, 23°C 3,0 % emulsion, 60°C Eskilstuna 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 10 100 1000 Antal cykler S k ju vm o tstån d , kN /m 2 4,0 % emulsion, 10°C 4,0 % emulsion, 23°C 4,0 % emulsion, 60°C Eskilstuna

Figur 21a-d Skjuvmotstånd vid olika temperaturer för granulatet från

Eskilstuna med tillsatts av 3 % vatten och 1,0-4,0 % BE60M/2000, 100 mm slät form. Uppdelning efter tillsatt mängd emulsion.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 10 100 1000 Antal cykler S k ju vm o tstån d , kN /m 2 1,0 % emulsion, 60°C 2,0 % emulsion, 60°C 3,0 % emulsion, 60°C 4,0 % emulsion, 60°C Eskilstuna 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 10 100 1000 Antal cykler S k ju vm o tstån d , kN /m 2 1,0 % emulsion, 23°C 2,0 % emulsion, 23°C 3,0 % emulsion, 23°C 4,0 % emulsion, 23°C Eskilstuna 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 10 100 1000 Antal cykler S k ju vm o tstån d , kN /m 2 1,0 % emulsion, 10°C 2,0 % emulsion, 10°C 3,0 % emulsion, 10°C 4,0 % emulsion, 10°C Eskilstuna

Figur 22a-c Skjuvmotstånd vid olika temperaturer för granulatet från

Eskilstuna med tillsatts av 3 % vatten och 1,0-4,0 % BE60M/2000, 100 mm slät form. Uppdelning efter packningstemperatur.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 1 10 100 1000 Antal cykler Skj uvm ot st ånd, kN/ m 2 10°C 23°C 60°C Byringe 4% H2O

Figur 23 Skjuvmotstånd med 150 mm slät form (400 varv) vid olika temperaturer för granulatet från Byringe med tillsatts med tillsatts av 4,0 % vatten.

Kommentarer

Inverkan av provutrustning (typ av formar)

Skillnaden mellan slät och perforerad form är liten om skrymdensiteten studeras. Vid 60°C blev dock skrymdensiteten något högre med perforerad form.

Anledningen till att provningarna gjordes med formar med varierande storlek (100, 150 mm) beror på att från början endast 150 mm fanns på VTIs laboratorium. Eftersom asfaltgranulat normalt inte har grövre partiklar införskaffades formar med diametern 100 mm. Provmängden blir då mindre och provningen lättare att utföra. Enligt resultaten blev skrymdensiteten lägre vid 150 mm. Kurvan som beskriver skjuvmotståndet (G) i massan skiljde sig avsevärt mellan de två diametrarna. Vid 150 mm ökade motståndet kontinuerligt under packningsförloppet (utom vid slutet på ett prov) medan vid 100 mm kurvan började falla redan vid ca 40-50 cykler. G låg överlag på en betydligt högre nivå för proverna med diametern 100 mm. Packningsarbetet blev också mer intensivt vid 100 mm eftersom belastningen i båda fallen var 6 bar. Vid en relevant jämförelse mellan olika formar bör trycket anpassas efter provets diameter.

Typen av asfaltgranulat

Packningskurvornas form skiljde sig inte mycket åt mellan de tre provmaterialen. Den mesta packningen skedde redan efter ca 30 cykler. De tre asfaltgranulaten är också förhållandevis lika varandra med avseende på kornkurva, bindemedelshalt och bindemedelsåldring. Skrymdensiteten ökade markant vid högre temperatur. Efter 200 cykler låg hålrumshalterna på 11-13 % vid 10°C. Motsvarande värden var vid 23 resp. 60°C var 9-11 resp. 5-8 %. Enligt borrkärnor från utlagt granulat på vägen har hålrumshalterna legat på 8-12 % efter en tids trafik. Om granulat skall användas som bärlager rekommenderas enligt danska anvisningar utläggning och packning under sommaren när temperaturen är hög. Vid lägre temperaturer blir packningsgraden lägre.

Vid tillsatts av 4 % vatten blev skrymdensiteten något högre än vid 3 %. Optimal vattenkvot ligger enligt packningskurva från tung instampning på ca 6 %. Fler undersökningar rekommenderas för att studera vattenkvotens inverkan på packningsförloppet.

Formen på kurvan som beskriver G var lika mellan de tre granulaten. Efter ca 20 cykler minskade motståndet (samtidigt som skrymdensiteten ökar). De högsta värdena (sett över hela packningsförloppet) erhöll proverna med lägst hålrumshalt. Massans täthet verkar således ha stor betydelse för motståndet i materialet. Vid högre temperatur blir enligt kurvan motståndet större i massan. Överlag uppvisar massorna vid 23°C lägre G (med något undantag) än de vid 10 och 60°C. Jämfört med de norska undersökningarna på nytillverkade kalla massor uppvisar asfaltgranulaten större G under packningsförloppet.

Återvinningsmassa av granulat, vatten och emulsion

Enligt packningskurvorna på prov av asfaltmassa påverkades skrymdensiteten av mängden nytt bindemedel och av temperaturen vid provningen. Framför allt vid 60°C blev skrymdensiteten markant högre samtidigt som kurvan planade ut mera efter ca 50 cykler. Skillnaden i skrymdensitet vid olika temperaturer tenderade också att minska vid större antal cykler. Skrymdensiteten ökade med mängden bindemedel som inblandas men skillnaden tenderade att bli mindre vid de högre bindemedelshalterna. Störst skillnad förelåg mellan 1 och 2 % emulsions-inblandning. Det innebär att massor med 1 % emulsion kan ha sämre bearbet-ningsbarhet än mer bindemedelsrika massor (2-4 %).

Skjuvmotståndet (G) i massan påverkas på samma sätt som granulatet av temperaturen men även av den mängd emulsion som inblandades. I de flesta fall erhöll massan som packats vid 60°C lägre värden än de vid 10 och 23°C. Vid låg bindemedelsinblandning var dock denna effekt mindre. Kombinationen hög bindemedelshalt och hög temperatur gav efter 10-20 cykler kraftigt minskning av G med fallande kurva som följd. Om låga värden uppnås kan materialet bli instabilt. Var minvärdet på G för återvinningsmassor ligger är dock okänt och beror också på om massan skall användas till slit- eller bärlager. I detta fall gav blandningarna med 3-4 % emulsion lägre stabilitet än de med 1-2 % men massorna erhåller samtidigt bättre bearbetbarhet (lägre G-värde).

Slutkommentar

Resultaten från gyratorisk packning visar att framför allt återvinningsmassa kan ha varierande egenskaper beroende på mängden inblandad emulsion och packningstemperaturen. Om hålrumshalterna studeras ger packningen vid rumstemperatur de mest realistiska resultaten för kall återvinning. Provning vid förhöjd temperatur, 60°C, ger alltför lågt hålrum. Vid halvvarm återvinning kan provningen göras vid 60°C. Vid högre temperatur blir initialpackningen bättre, dvs. uppvärmda massor tar packning fortare än kalla massor. Det relativt höga skjuvmotståndet i kalla eller halvvarma massor innebär att massan kan bli tröglagd och tungbearbetad. Vid höga bindemedelshalter indikerar det snabbt avtagande G-värdena i massan (vid fortsatt packning efter Ndesign) att materialet

kan bli instabilt vid lägre hålrumshalter och vid högre temperaturer.

Undersökningarna på laboratoriet skall ses som relativa provningar mellan olika material eller recept där syftet kan vara att studera packningsbehov eller massans konsistens. Vid utläggning och packning på vägen påverkas emulsionsmassorna av brytningstiden på emulsionen som i sin tur bland annat påverkas av tiden mellan blandning och utläggning, fuktinnehållet och väderleken. Massor som enligt laboratorieresultat visat sig vara förhållandevis smidiga kan bli mer tröglagda om betingelserna är ogynnsamma. I viss mån kan detta styras upp genom inblandning av vatten eller genom tillsatser (t.ex. brytadditiv).

Återvinningsmassorna uppvisar i jämförelse med de norska undersökningarna av nytillverkade massor något högre skrymdensitet och därmed högre skjuvmotstånd. I VTI notat 70-1998 (Viman Leif) beskrivs försök med varma massor i gyratorisk packningsutrustning. Vid 6 bars tryck som är förslaget i CEN-harmoniseringen rekommenderas en vinkel på 1,5° och 150 varv för att tillverka provkroppar för studier av mekaniska egenskaper och beständighet. Provkropparna bör ej vara högre än 100 mm. Vid större format riskerar densiteten att variera allt för mycket inom provkroppen. Skrymdensiteten kan också behövas korrigeras om jämförelser

Stenmaterialkvalitet

I returasfalt

Äldre beläggningsmaterial kan innehålla stenmaterial av sämre kvalitet, framför allt i fråga om slitstyrka och kornform eftersom kraven var lägre förr. Stenmaterialet kan också till mindre del vara nedslitet eller nedkrossat av dubbtrafiken. En viss åverkan sker dessutom vid fräsning, grävning och krossning av returasfalt. Ballasten bör dock inte vara så påverkad att den har någon större betydelse vid kall eller halvvarm återvinning. I Sverige är de flesta stenmaterial också av bättre kvalitet även om skillnader finns.

Inblandning av stenmaterial

Inblandning av stenmaterial görs för att höja materialets stabilitet om granulatet innehåller för hög halt bindemedel (>6 %) eller för att förbättra massans konsistens och läggbarhet. Om granulatet redan från början innehåller hög andel stenmaterial, dvs. om stenmaterial har kommit med vid uppgrävning, bör inblandning av grövre stenmaterial (>8 mm) undvikas, speciellt om massan skall användas till slitlager.

Om avsikten är att förbättra stabiliteten bör helkrossat material tillsättas men om avsikten är att förbättra enbart massans bearbetbarhet eller täta upp massan bör naturgrus eller sand (rundat material) tillsättas.

I avsnittet som behandlar proportionering redovisas effekten av stenmaterial-inblandning på två typer av asfaltgranulat. på dels ett material med måttligt innehåll av grovt stenmaterial (Vällsta, 6,0 % bitumen, ABT) dels ett material med förhållandevis hög andel av grövre material (Vikan, 6,1 % bitumen, ABS). Det inblandade stenmaterialet utgjordes av 15 % med fraktionen 8-16 mm krossat berg (100 % krossytegrad).

Föroreningar (stenkolstjära)

De föroreningar som förknippas med gamla asfaltbeläggningar är bindemedel av stenkolstjära som bland annat innehåller giftiga och cancerframkallade ämnen. Den typen av returasfalt skall förvaras separat och inte blandas med rena massor och får inte användas till varm återvinning. Tjärhaltiga massor känns igen på sin karakteriserande lukt men kan även bestämmas genom UV-lampa + vit färg baserad på lösningsmedel eller varmluftpistol (VTI notat 49-2000).

Vid återvinning av den här typen av material rekommenderas kall återvinning med emulsion och cement. På laboratoriet kan materialet förvaras i hink eller liknande med lock för att undvika lukt och man bör ej komma i hudkontakt med materialet. I VTI notat 49-2000 ges rekommendationer för hantering, mellan-lagring och återvinning av tjärhaltiga beläggningsmaterial.

Proportionering, mekaniska egenskaper och

beständighet hos kalla asfaltmassor

Proportionering av återvinningsmassa - allmänt

Funktionellt inriktad proportionering innebär att receptet för återvinningsmassan tas fram genom relativa, jämförande provningar på provkroppar av granulat, bindemedel och vatten i olika proportioner. Efter det att provkropparna lagrats/härdats testas de med avseende på mekaniska egenskaper och beständighet. Den blandning som bäst uppfyller ställda krav (t.ex. enligt ATB VÄG) väljs.

Provningarna i denna undersökning har gjorts genom dubbelprov och vid flera olika bindemedelshalter. Bindemedelshalterna väljs utifrån bindemedelsinnehållet och kornkurvan i granulatet samt hur åldrat det gamla bindemedlet är. Det innebär bland annat att en större bindemedelstillsats bör eftersträvas vid förhårdnat, åldrat bindemedel och en mindre mängd när bindemedlet är mjukare och fräschare. Skillnaden i bindemedelshalt (restbitumenhalt) bör minst vara 0,4 procentenheter mellan provblandningarna. Ett sammanslaget prov av granulat från upplaget har legat till grund för proportioneringen. För att provningarna skall bli jämförbara måste provningsförfarandet styras upp noggrant med avseende på provberedning, blandning, packning av provkroppar och lagring innan provning utförs. En samlat begrepp för detta brukar benämnas provpreparering.

Uppläggning av undersökningen

I följande avsnitt ges en översikt över olika provningsparametrars betydelse för resultatet vid proportionering. De variabler som studerats är packningsmetod för preparering av provkroppar, temperaturer vid packning och lagring samt lagringstiden. Eftersom det handlar om kallblandade återvinningsmassor har stor vikt lagts vid materialets känslighet för vatten, t.ex. vid packningen och på vidhäftningsegenskaperna hos provkroppar. Mängden nytt bindemedel i granulatet och typen av bindemedel påverkar också resultatet och ingår därför i studien. Tillsatser såsom cement, stenmaterial och vatten är andra materialparametrar som studerats.

De mekaniska egenskaperna har i denna del av undersökningen testats genom pressdragprovning (10°C), styvhetsmodul (10°C) och Marshallstabilitet (25°C). Dessutom har hålrumshalten bestämts genom flera olika metoder. Inverkande faktorer såsom provningstemperatur och provkroppens storlek ingår i denna del av studien. Beständigheten har testats genom vattenkänslighet (flera varianter),

frys-Provmaterial, bindemedel, tillsatser och recept

De asfaltgranulat som ingått i laboratorieundersökningarna framgår av tabell 3. Tabell 3 Asfaltgranulat som ingått i undersökningen.

Lokal Bindemedels- halt, % Penetration vid 25°C Typ av ursprungliga massor Bommersvik 1 5,9 - ABT Bommersvik 3 5,8 - ABT Underås 6,2 - ABT

Eskilstuna 4,3 28 ABT, AG, inslag av

grus

Saxån 4,9 58 ABT

Ljusne 5,5-6,1 41 ABT, inslag av ABD

och ABS

E4, Ångermanland 5,1 59 ABT, AG, IM, AEBÖ

Vällsta 6,0 - ABT

Vikan 6,1 - ABS

Asfaltgranulaten kommer från Göteborg, Södermanland, Uppland, Värmland, Gästrikland och Ångermanland.

Receptur:

• Vattenkvot: 2, 3 och 5 % • Emulsionskvot: 0, 1, 2, 3, 4 % • Cement: 1, 2 %

• Stenmaterial: 15 % makadam

I de inledande testerna testades 2 och 5 % vatteninnehåll i granulatet. Vid de provtagningar som gjordes i fält erhöll granulatet 2 % fukt på sommaren under torr väderlek och 5 % fukt efter en regning period. Numera eftersträvas ca 3 % fukt i asfaltgranulatet vid tillverkning av återvinningsmassor. Vid torrare väderlek inblandas, i verket, därför ofta vatten i granulatet.

De bitumenemulsioner som använts är:

• BE60M/2000 eller 2200 (BE60M/V1500 enligt ATB VÄG) • BE60M/5000 (BE60M/V6000) • BE60M/10000 (BE60M/V12000) • Nyrec 240 • Nyrec 630

Provpreparering

Asfaltgranulat bör torkas vid rumstemperatur eller genom försiktig uppvärmning i torkskåp. Partiklarna kan annars klumpa ihop sig och materialet kan bli svårbearbetbart. För att påskynda torkningen kan materialet läggas på en större plåt. Provmaterialet bör inte lagras i för tunnor eller dylikt eftersom det lätt kan

baka ihop och bli hårt. Klumpar av granulat kan ibland sönderdelas för hand eller i en laboratoriekross. Det är lämpligt att handsikta provet över en sikt med diametern av 22 mm. Större partiklar på siktgallret går ofta att sönderdela. De flesta krossade och siktade granulat innehåller endast ett fåtal större partiklar. Material som inte först krossats och siktats i fält (asfaltkakor, grövre fräsgranulat) kan inte proportioneras genom provning av provkroppar. I de fallen får bindemedelshalt, kornkurva på extraherat material och eventuellt bindemedels-åldring ligga till grund för val av metod eller arbetsrecept. En ordentlig förprovning på granulatet bör dock vara målsättningen.

Bild 7 Torkningen av granulat bör göras vid högst 50°C för att inte materialet skall klumpa ihop sig.

Blandning av massa

Asfaltgranulatet (<22 mm), vatten och bitumenemulsion blandades i degblandare typ Hobart enligt följande förfarande:

lagras någon timme innan provkroppar tillverkas. Detta för att emulsionen skall hinna ”krypa på” och fastna på materialet.

Bild 8 Blandning av massa i Hobart.

Packning och lagring av provkroppar

Packningsmetoden har stor betydelse för egenskaperna hos kallblandade massor. Det är viktigt att packningen på laboratoriet ger motsvarande hålrumshalt som erhålls på vägen (i hjulspåren) efter en tids trafik och värme. Det brukar ta ett till två år innan kalla och halvvarma asfaltmassor härdat och hårdnat ordentligt. Framför allt trafikens efterpackning under varma perioder på sommaren medför att hålrumshalten minskar vilket även påverkar de mekaniska egenskaperna hos beläggningen. Fyra typer av packningsutrustningar har testats, Marshall, statisk press, California Kneading Compactor och gyratorisk packningsutrustning. I början av provningarna testades uppvärmt granulat (60°C) men på senare år har provkropparna preparerats vid rumstemperatur (23°C).

På laboratoriet studerades packningstiden och packningstemperaturen. Huvuddelen av provkropparna lagrades 7 dygn vid 40°C. Några provserier testades även vid 1 och 28 dygns lagring vid 40°C eller efter 7 dygn vid 25°C. Proverna fick vara kvar i formen 1 tim – 1 dygn innan de trycktes ut (beroende på packningsmetod).

Marshallpackning

Marshallstampen är en vanligt förekommande packningsutrustning för varma massor på laboratoriet. Vid tillverkning av laboratorieprov vid kall eller halvvarm återvinning används i princip samma metod som vid varmtillverkad massa-beläggning. För att provkropparna skall få realistiska hålrum och inte minst hålla ihop när de tas ur burken måste massan vara uppvärmd till 60°C.

Tillverkningen av prov i marshallutrustning gick till på följande sätt. • Packningstemp.: 60°C

• Provmängd: ca 1200 g

• Antal slag: 50 slag/sida

• Provet lagras någon timme innan det trycks ut ur formen.

Resultaten från undersökningen redovisas i figurerna nedan. Initiala vattenkvoten var 2,0 och 5,0 %. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 1 2 3 Emulsionskvot, % Pressd rag h å llf ast h et , kPa 28 dygn vått 28 dygn torrt 7 dygn vått 7 dygn torrt 1 dygn torrt Bommersvik 3 2,0% vatten

Figur 24 Pressdraghållfastheten som funktion av emulsionskvoten och

lagringsförhållanden. Lagring: 1, 7 och 28 dygn vid 40° samt efter vattenmättning. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 0 1 2 3 Emulsionskvot, % Pressd rag h ållf ast h et , kPa Underås Bommersvik 1 Bommersvik 3 2,0% vatten

Figur 25 Pressdraghållfastheten som funktion av emulsionskvoten. Lagring: 7

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 0 1 2 3 Emulsionskvot, % St yvh et sm o d u l, MPa 28 dygn vått 28 dygn torrt 7 dygn vått 7 dygn torrt Bommersvik 3 2,0% vatten

Figur 26 Styvhetsmodulen som funktion av emulsionskvoten och

lagringsförhållanden. Lagring: 7 och 28 dygn vid 40° samt efter vattenmättning. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 0 1 2 3 Emulsionskvot, % Styvhetsmodul, MPa 0 100 200 300 400 500 600 700 Pr essdr a ghållfasthet, kPa S-modul vått S-modul torrt Pressdragh. vått Pressdragh. torrt Bommersvik 3 5,0% vatten

Figur 27 Pressdraghållfastheten och styvhetsmodulen som funktion av

emulsionskvoten. Lagring: 7 vid 40° samt efter vattenmättning.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 0 1 2 3 Emulsionskvot, % Vidhäftningstal, % 7 dygn; S-modul 28 dygn; S-modul 7 dygn; Pressdragh. 28 dygn; Pressdragh. Bommersvik 3 2,0% vatten

Figur 28 Inverkan av emulsionskvoten på vidhäftningstalet. Lagring: 7 resp. 28 dygn vid 40° + vattenmättning.