• No results found

Anslutningen mellan betongvägen och asfaltsvägen: Numerisk analys av olika alternativ

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "Anslutningen mellan betongvägen och asfaltsvägen: Numerisk analys av olika alternativ"

Copied!
104
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

INOM

EXAMENSARBETE SAMHÄLLSBYGGNAD, AVANCERAD NIVÅ, 30 HP

STOCKHOLM SVERIGE 2016,

Anslutningen mellan betongvägen och

asfaltsvägen

Numerisk analys av olika alternativ JOHAN GURI

KTH

SKOLAN FÖR ARKITEKTUR OCH SAMHÄLLSBYGGNAD

(2)
(3)

Anslutningen mellan

betongvägen och asfaltsvägen

Numerisk analys av olika alternativ

JOHAN GURI

Augusti 2016

TRITA-BKN, EXAMENSARBETE 498, BETONGBYGGNAD 2016 ISSN 110-4297

ISRN KTH/BKN/EX--498--SE

(4)

ii

© JOHAN GURI, 2016 Kungliga Tekniska Högskolan

Skolan för Arkitektur och Samhällsbyggnad

Institutionen för Byggvetenskap, avdelningen för Betongbyggnad Stockholm, Sverige 2016

(5)

iii

Förord

“If you don’t know where you are going, any road will get you there”

Lewis Carroll – Alice i Underlandet

Innan jag började på KTH visste jag inte vad jag ville göra i framtiden, och när jag väl börjat visste jag inte att jag skulle hamna där jag är nu – men nu är jag här och det känns som att jag har valt en bra väg. Jag vet nog fortfarande inte vart jag ska, men jag vet var jag är; vid slutet av mitt examensarbete.

Det här examensarbetet har skrivits under vårterminen 2016 på Institutionen för Byggvetenskap på KTH

Jag vill börja med att tacka mina föräldrar som uppmuntrat, stöttat, och trott på mig genom de här fem åren och i resten av livet.

Tack till Erik Simonsen och Cementa som sponsrade en studieresa till Bryssel.

Tack även till alla lärare, professorer och assistenter som bidragit med inspiration längs vägen och som förberett mig inför det här arbetet.

Och slutligen ett tack till min handledare, Johan Silfwerbrand, som ledde mig in på det här arbetet och som under arbetets gång har bidragit med vägledning och många viktiga insikter.

Stockholm, augusti 2016 Johan Guri

(6)

iv

(7)

v

Sammanfattning

Betongvägar är idag en ovanlig syn i Sverige – något som kan komma att ändras i framtiden. Betong har vid vissa områden sina fördelar över asfalt och det finns förslag från olika håll på att introducera dem mer och mer på svenska vägar. Oavsett i vilken utsträckning betongvägar kommer att introduceras så är en sak säker; ett hundraprocentigt byte kommer inte att ske över en natt – vi kommer att ha betong- och asfaltsvägar samtidigt på samma vägar.

Båda materialen presterar väldigt bra var för sig men när de möts kan problem uppstå. Möjliga följder och problem inkluderar ojämnheter i vägens geometri och accelererat brottsförlopp, vilket i sin tur kan leda till sänkt åkkomfort och oönskade kostnader. Korrekt konstruktion av övergången kan förhoppningsvis minska risken och förhindra att detta sker – vilket har varit syftet med det här arbetet; att identifiera en konstruktionsmetod som sänker risken för oönskade geometriförändringar och accelererat slitage.

Två metoder, den ena med en avfasning i det anslutande betong elementet och den andra med en expansionsskarv i närheten av anslutningen, har analyserats med hjälp av FEM-programvaran COMSOL Multiphysics®. Modelleringen skedde förenklat genom tidsberoende 2D-modell där en last förflyttades över den modellerade vägbanan. Resultaten från analysen utvärderades med hänsyn till deformation av vägkroppen och spänningspåslag i form av von Mises spänning. För att kunna utvärdera de två utvalda konstruktionsmetodernas prestanda analyserades även en ”nollmetod”

bestående av enklast möjliga anslutning mellan materialen.

Analysen gav tydliga resultat gällande konstruktionsmetodernas prestanda. Den första metoden, avfasningsmetoden, gav en tydlig förbättring gällande både deformation och spänningspåslag jämfört med nollmetoden. Den andra metoden, expansionsskarvsmetoden, gav ingen förbättring och visade i det närmaste identiska resultat som nollmetoden.

(8)

vi

(9)

vii

Abstract

Concrete roads are an unusual sight in Sweden today – something that might come to change in the future. Concrete has, in some areas, an advantage over asphalt and there are some proposals to introduce the material on Swedish roads. Regardless of the extent of which concrete roads will be introduced one thing is certain; the will not be a complete switch over night – we will have both asphalt and concrete roads together on the same road network.

Both of the materials perform very well each on their own but when they come in contact with each other issues may occur. Possible consequences include irregularities in the geometry of the road and accelerated deterioration, which in turn may lead to lowered ride comfort and unwanted expenses.

Correct construction of the transition will hopefully lower the risk and prevent this from happening – which is the main purpose of this thesis; identify a method of joint construction which lowers the risk for unwanted changes in geometry and accelerated deterioration.

Two methods, one utilising a chamfer on the connecting concrete segment and one where an expansion joint has been installed near the connection, have been analysed using the FE-software COMSOL Multiphysics®. Modelling was performed with a simplified 2D-model where a load was moved over the modelled carriageway. The results from the analysis were evaluated with regards to deformation of the road and induced stress in the form of von Mises stress. In order to obtain values for comparison a ‘zero method’ was analysed, where the connection between the materials was done in the simplest way possible.

The analysis gave clear results in regards to the performance of the construction methods. The first method, chamfer method, showed an evident amount of improvement when compared to the zero method. The second method, expansion joint method, showed no improvement with results almost identical to the zero method.

(10)

viii

(11)

ix

Innehåll

Förord ... iii

Sammanfattning ... v

Abstract ... vii

1 Introduktion... 1

1.1 Lageruppbyggnad ... 1

1.2 Betongvägar genom tiderna ... 2

1.3 Mål och syfte ... 4

1.4 Uppsatsens upplägg ... 5

2 Bakgrundsinformation ... 7

2.1 Asfalt ... 7

2.2 Betong ... 9

2.3 Olika material – olika egenskaper ... 11

2.4 Belastningar ... 13

2.5 Accelererat brottförlopp ... 14

2.6 Problemet ... 16

2.7 Lösningen på problemet ... 17

3 Metodbeskrivning ... 19

3.1 Geometrisk design och materialval ... 19

3.2 FEM-analys ... 22

4 Resultat ... 27

4.1 Deformation ... 27

4.2 von Mises Spänning ... 31

4.3 Expansionsskarv ... 38

5 Analys och diskussion ... 41

5.1 Allmänt ... 41

5.2 Deformation ... 42

5.3 Spänning ... 43

5.4 Slutsatser ... 44

5.5 Fortsatta arbeten och optimering ... 45

6 Litteraturförteckning ... 47

Appendix A – Indata ... 49

Dimensionering av lagertjocklekar ... 49

Dimensionering av last ... 52

(12)

x

Appendix B – Arbetsgång i COMSOL Multiphysics® ... 53

Parametrar och variabler ... 53

Lasten ... 54

Geometri ... 56

Materialegenskaper ... 57

Last ... 58

Mesh ... 59

Studie ... 60

Appendix C – Utskrifter från COMSOL Multiphysics® ... 61

Nollmetoden ... 61

Avfasning 1:3 ... 68

Avfasning 1:10 ... 74

Expansionsskarv ... 80

Appendix D – Skarvar i betongvägar ... 87

Dymlingar och kraftöverföring ... 87

Kontraktionsskarvar ... 88

Expansionsskarvar ... 89

Konstruktionsskarvar ... 90

Isoleringsskarvar ... 90

Tätningsmaterial ... 91

(13)

1

1 Introduktion

Betongvägar är en ovanlig syn i Sverige. Om man kör bil i Sverige kör man med allra största sannolikhet på antingen en grusväg eller en asfaltsväg. Ordet betongväg för istället tankarna till Tyskland och Autobahn. Dock finns betongvägar även i Sverige, även om de inte är så många. Som sagt, det är en ovanlig syn.

Och det man ser är ofta det man pratar om när det kommer till vägar och vägtyper – själva vägbanan.

Är vägbanan tillverkad av asfalt rör det sig om en asfaltsväg, grus ger en grusväg och betong ger en betongväg. Men det man ser är bara en liten del av vägen, det översta lagret av en mycket större konstruktion.

1.1 Lageruppbyggnad

En väg är alltså mycket mer än ytan som man ser och kör på, det är bara ett av flera lager som tillsammans bildar vad som kallas för vägkropp eller överbyggnad (Trafikverket, 2005). Det finns i normalfallet fyra (4) huvudsakliga lager i en väg:

Slitlager – det översta lagret av vägen och det som kommer i kontakt med de fordon som framförs på vägen.

Lagrets huvudsakliga syfte är att ge vägen sina egenskaper gällande åkkomfort, trafiksäkerhet, buller, ljushet och avrinning. I och med det ställs vissa krav på egenskaper som lagret ska ha, däribland goda friktionsegenskaper, jämnhet, och beständighet mot både nötning och deformation. Då lagret är i aktiv kontakt med världen runt omkring så måste de ingående materialen ha hög

hållfasthet mot det slitage som kommer från fordon, t.ex. dubbdäck. Lagret kan vara antingen bundet eller obundet. Ett obundet lager innebär oftast en grusväg medan ett bundet lager i Sverige oftast innebär asfaltsbetong – men även betong kan användas.

Bärlager – det lager som kommer under slitlagret har i uppgift att ta upp och fördela de laster som vägen utsätts för. Lagret delas ofta upp i två lager, ett bundet och ett obundet lager. Det bundna lagret är det övre av de två, bestående av krossat stenmaterial stabiliserat med bitumen eller cement. Även det obundna lagret består av stenkross men har endast bearbetats genom kompaktering. Precis som i slitlagret är det viktigt att de ingående materialen håller hög kvalitet då de utsätts för stora laster.

Förstärkningslager – fortsatt samma syfte och egenskaper som bärlagret. Det ökade djupet innebär dock att materialets kvalitet inte måste vara lika hög då lastpåkänningen är lägre. Kan bestå av både krossat berg och natursten.

Skyddslager – det understa lagret i överbyggnaden. Agerar som barriär mellan den underliggande marken och resten av överbyggnaden. Tjockleken av detta lager kan

Figur 1.1 - Exempel på lagerföljd i väg

(14)

2 varieras för att tillgodose ett tillräckligt avstånd mellan överbyggnaden och marken.

Det är främst den underliggande markens benägenhet till vattenuppträngning som ligger till grund för lagrets varierade tjocklek. Lagret finns till för att förhindra att vatten rör sig vidare till huvudkroppen och orsakar skador i form av sänkt bärighet och tjälrörelser.

Lagerföljden kan variera något, oftast beroende av den underliggande marken. Exempelvis kan ett skyddslager som inte behöver vara speciellt tjockt integreras i förstärkningslagret. Eller om vägen ligger direkt ovanpå berg så kan både förstärkningslager och skyddslager mer eller mindre uteslutas.

1.2 Betongvägar genom tiderna

Betongvägar är alltså inte särskilt vanliga i Sverige. Det beror inte på att det är något nytt och exotiskt, betongvägar har länge byggts runt om i världen. Frågan om varför vi i Sverige bygger asfaltsvägar besvarar nästan sig själv – vi bygger asfaltsvägar för att vi bygger asfaltsvägar. Vi bygger mycket asfaltsvägar och har därför blivit bra på det, och av bekvämlighet fortsätter vi.

Visst finns det tillfällen då betong skulle prestera bättre än asfalt, men det betyder inte att asfalten bara för det presterar dåligt. Motivationen att byta till betong blir således aldrig speciellt påträngande. Då vi inte anlägger vägar i betong av någon stor utsträckning besitter vi inte kunskaper på samma nivå som vi gör med asfaltsvägar, och svenska företag har inte heller den utrustning som behövs. Det blir därmed nödvändigt att vända sig till utlandet vilket automatiskt medför förhöjda kostnader.

Så i ett första steg för att bekanta oss med betongvägar kommer det här avsnittet att handla om betongvägens historia.

Betongvägar i dåtid 1.2.1

Betongvägar är ingen nyhet, redan romarna använde betong vid vägbyggande (Pavement Interactive, 2008). De såg inte ut som de betongvägar vi är vana vid att se idag, men med 2000 år på nacken så handlar det om skapligt avancerade konstruktioner.

Det var i huvudsak de bärande lagren som förstärktes med betong medan slitlagret fixerades med cementbruk. Cementen framställdes genom att man blandade kalksten och puzzolaner, från vulkanaska, med vatten. Vägarna konstruerades i flera lager, nerifrån och upp bestod vägen av en undergrund, Statumen, som murades av platta stenar och cementbruk. Detta följdes av två lager av betong, Rudus och Nucleus, först med grovkornig ballast och därefter med finkornigare ballast.

Slutligen lades ett lager med platta naturstenar som agerade slitlager, Summa Crusta.

Men som med så mycket annat från denna tid så föll kunskapen om betongvägar i glömska under många år.

Användandet av betong återuppstod inte förrän 1824 då Joseph Aspdin patenterade den produkt som idag kallas portlandcement. Det dröjde ännu längre innan betong blev en del av vägbyggnad igen. I London 1872 användes portlandcement för att stabilisera underbyggnaden av en väg, dock med annat material i slitlagret. Det första riktiga försöket till att konstruera en väg helt i betong gjordes 1891 i staden Bellefontaine i Ohio, USA (Roadside America, 2007). Det gjordes som sagt på försök efter att den drivande personen George Bartholomew garanterat att vägen skulle hålla i minst

(15)

3 fem år. Och i fem år höll den, och några till efter det, några hundra meter av samma betongväg ligger nämligen kvar än idag.

I Europa började man experimentera med betongvägar under 1910-talet (StrassenbauArena, 2016).

Några år senare runt slutet på 1930- och början på 1940-talet tog användandet av betong som vägbyggnadsmaterial riktig fart med konstruktionen av tyska Autobahn.

I Sverige introducerades betongvägar på 1920-talet. Bland annat konstruerades en väg mellan Malmö och Lund under denna period. Intresset för själva konceptet med betongvägar var någorlunda stort under första halvan av 1900-talet men byggandet tog aldrig fart. Fram till 70-talet byggdes i snitt en betongväg vart tionde år. Dessa vägar drogs med många skador och snabbt förfall som kunde spåras till flera faktorer, bland annat låg betongkvalitet och dåligt konsoliderad underbyggnad.

Nya metoder utvecklades och kunskapen förbättrades och på 70-talet konstruerades två nya betongvägar i södra Sverige. Bland de nya metoderna som användes fanns glidformsgjutning som användes i syftet att få en jämnare vägbana. Resultaten bedömdes som framgångsrika men betongvägsproduktionen tog inte fart den här gången heller. På 90-talet uppstod ett intresse för nya vägmaterial som skulle prestera bättre på tungt trafikerade vägar och ett behov av konkurrens mellan olika materialalternativ. Metoderna som användes på 70-talet vidareutvecklades och ny, starkare betong började användas. Fyra nya betongvägar anlades, två i södra Sverige och två i Mälardalsområdet.

Utöver detta har det konstruerats kortare vägsträckor i forskningssyfte för att utvärdera prestanda.

Betongvägar i modern tid 1.2.2

Ur ett internationellt perspektiv så är det vanligast att betongvägar förekommer i USA och centrala Europa, då främst Tyskland. Expansionen startade tidigt, USAs Interstate Highway vägnät har idag 40,000 km betongväg (Sullivan, 2006) och tyska Autobahn runt 5,000. Det motsvarar 60 respektive 30

% av ländernas totala motorvägar.

I Sverige finns det idag totalt strax under 70 km betongvägar fördelat på det totala vägnätet som sträcker sig 140,000 km – långt under 1 %.

En av de vägar som upprättats i experimentellt syfte var en 100 meter lång vägsträcka på E4 i Södertälje söder om Stockholm. Experimentet avslutades 2009 efter att vägen använts under 21 års tid. Experimentet avslutades då underhållsarbete utfördes på den omgivande asfaltsvägen och beslutet fattades att asfaltera över betongsektionen.

Normalt brukar underhåll krävas då spårbildingen på en väg uppgått till 17 mm (Trafikverket, 1990).

Under försökstiden för betongvägen uppmättes en genomsnittlig spårbildning av 0,4 mm/år. Med hänsyn tagen till spårbildningen skulle detta ge ett underhållsintervall på över 40 år – jämför med normalt intervall för asfaltsvägar på 6-10 år. Av detta kan man då hävda att experimentet avslutades lite i förtid.

Men i övrigt går Sveriges betongvägar fortfarande på lågvarv. Den senaste sträckan som anlades var en 23 km lång sträcka av E4:an norr om Uppsala 2006. Efter det är den enda stora förändringen att de vägar som anlades i södra Sverige på 70-talet har överbyggts med asfalt.

(16)

4 Betongvägar i framtiden – Sverige

1.2.3

I dagsläget och den närmaste framtiden finns det två huvudsakliga intresseområden när det gäller betongvägar. Det första, och som ligger närmast i tid, är Förbifart Stockholm – en ny motorvägsled planerad, och påbörjad, väster om Stockholm. Den totala längden på förbifarten när den är färdigställd kommer att vara 21 km, av dessa kommer 18 km att gå igenom tunnlar. Och det är just i tunnlarna som intresset för betongvägar ligger, de två huvudtunnlarna är av Trafikverket projekterade att utföras i betong (Kullander, 2016).

Det andra området är ett förslag från Statens Väg- och Transportforskningsinstitut (VTI) angående att förstärka redan existerande motorvägar med betong (Hultqvist & Dolk, 2015). Tack vare betongens höga tryckhållfasthet lämpar den sig väl för tung belastning, med bättre prestanda i detta avseende än traditionella asfaltsvägar. På motorvägar består den riktigt tunga belastningen av lastbilar – nästan utan undantag kör lastbilar i höger körfält (K1) på flerfiliga vägar medan det vänstra (K2) är

ämnat för omkörningar, och därmed oftast trafikerat av lättare personbilar. Med anledning av detta så föreslår VTI att det högra körfältet anläggs i betong medan övriga körfält fortsatt består av asfalt.

Detta skulle ge en väg som är tålig där påfrestningarna är som störst men inte onödigt dyr då den i övrigt utförs på traditionellt vis.

1.3 Mål och syfte

Det finns alltså en möjlighet att betongvägar blir vanligare i Sverige i framtiden. Om det sker kommer naturligtvis inte alla att asfaltsvägar till 100 % bytas ut mot betong. Båda materialen kommer att finnas på samma vägar.

Och det är just det som den här uppsatsen kommer att handla om; när båda materialen förekommer på samma vägsträckning. En väg som inte består av samma material över hela sin längd kommer att ha en övergång mellan materialen.

Målet med uppsatsen är att identifiera och utvärdera en metod som kan användas för att konstruera övergången mellan vägbeläggningsmaterialen.

Arbetet kommer att ske i två steg; inledningsvis kommer metoder att identifieras genom informationssökning i form av litteraturstudier och intervjuer. Därefter kommer de utvalda metoderna att analyseras med hjälp av finita element metoder.

Figur 1.2 – Enkel skiss över väg med K1 i betong och K2 i asfalt.

(17)

5

1.4 Uppsatsens upplägg

Uppsatsen delas upp i fem kapitel.

1. Det första kapitlet befinner vi oss redan i slutet av. Det har bestått av en introduktion till vägars uppbyggnad i allmänhet, en historielektion kring betongvägar, och avslutningsvis en presentation av uppsatsens mål.

2. Bakgrundsinformation. Materialegenskaper, tillverkningsmetod för asfalt och betong, samt hur de fungerar som vägmaterial. Potentiella problem med övergången mellan material kommer att presenteras tillsammans med identifierade konstruktionsmetoder.

3. Metodbeskrivning. Vad som kommer att analyseras och hur det kommer att analyseras.

Geometrisk design och detaljerade materialegenskaper som kommer användas vid analysen kommer att presenteras.

4. Resultat. Presentation av de resultat som nåtts genom analysen från föregående steg.

5. Analys. En tolkning av resultaten och hur de kan appliceras. Avslutningsvis kommer förslag på framtida arbeten att presenteras.

Som en del av arbetet besöktes en workshop i regi av organisationen EUPAVE. Workshoppen handlade delvis om skarvar och övergången mellan vägmaterial. En av metoderna för konstruktion av övergången mellan vägmaterial används som en del av arbetet. En sammanfattning av informationen rörande skarvar i betongvägar finns att läsa i Appendix D – Skarvar i betongvägar.

(18)

6

(19)

7

2 Bakgrundsinformation

De två materialen som vägen ska konstrueras av är asfalt och betong. Det här avsnittet kommer att inledas med en presentation av de två materialen; produktion och beståndsdelar, hur de fungerar som vägmaterial, samt viktiga egenskaper.

2.1 Asfalt

Det här avsnittet kommer att handla om materialet asfalt; vad det tillverkas av och hur det tillverkas, viktiga egenskaper hos materialet, samt hur det fungerar som vägbeläggning.

Tillverkning 2.1.1

Vid asfaltstillverkning används huvudsakligen två grundmaterial – ballast och bitumen. Nedan följer en kort genomgång av materialen:

Ballast – större delen av asfaltsmassan, runt 85 volymprocent, utgörs av ballast (Asfaltskolan, 2016). Vanligast vid asfalttillverking är att ballasten består av krossat bergmaterial; materialet kan antingen vara utvunnet i syfte att användas som ballast eller vara en restprodukt från t.ex. en tunnelsprängning.

Allt bergmaterial kan inte användas som ballast för en väg, för att försäkra att en väg håller bra och presterar väl krävs ett material som klarar av de stora påfrestningar som det kommer utsättas för (Ballast Sverige, 2016). I Sverige används tre huvudsakliga bergarter för ballast av bergkross: granit, gnejs, och diabas – tre hårda kristallina bergarter. Värt att nämna är att alla nya täkter för bergkross testas innan de godkänns för användande i vägbyggnad.

De fraktioner, eller storlekar, av ballast som används i asfaltsblandningar varierar.

Beroende på vilka egenskaper man önskar hos en väg kan olika blandningar användas;

exempelvis kan en så kallad öppet graderad blandning, med lågt innehåll av små fraktioner, ge en asfalt med mycket hålrum och därmed god vattenavledningsförmåga (Pavement Interactive, 2009).

För att försäkra sig om god vidhäftningsförmåga med bitumentillsatser tvättas ballasten före blandning för att avlägsna partiklar och andra föroreningar.

Bitumen – resterande del av asfaltsmassan, runt 15 volymprocent, består av bitumen; en blandning av tunga kolväten som utvinns av råolja (Sörensen & Wichert, 2009). Det är den tyngsta användbara produkten som går att utvinna ur råolja och återfinns i ungefär en fjärdedel av världens råoljefyndigheter.

Utvinningen sker genom destillation. Upphettad råolja leds in i en destillationskolonn. Oljan övergår i gasform och stiger i kolonnen;

allteftersom temperaturen avtar kondenserar

kolvätena. Lättare kolväten stiger högre medan tyngre, bitumen, blir kvar längre ner.

En enkel illustration finns i Figur 2.3 till höger.

Figur 2.1 - Förenklad skiss av destilleringskollon

(20)

8 Bitumenets uppgift i asfalten är att binda samman ballasten. Vid normal rumstemperatur är bitumen ett, vid första anblick, fast ämne – men flytande vid högre temperaturer. För att kunna blanda bitumenet med ballasten hettas den upp för att göra den mer lättarbetad.

Olika blandningar av bitumen med olika egenskaper existerar. Variationen kommer dels från bituminets källa, dels från möjliga tillsatsämnen. Beroende på var och till vad en asfaltsblandning ska användas kan olika bitumen väljas.

Som antytt ovan är bitumen i rumstemperatur inte ett fullständigt fast material utan viskoelastiskt. Det gör att asfaltsvägar uppvisar viskoelastiskt beteende – mer om detta kommer i senare i det här kapitlet – se avsnitt 2.1.3.

Framställningen av själva asfaltsmassan sker sedan på asfaltsverk, dessa kan antingen vara stora, centrala anläggningar eller mindre, mobila. I asfaltsverket blandas sedan ballasten med upphettat bitumen för att bilda asfaltsmassa. Blandningen sker under konstant uppvärmning till dess all ballast är fullständigt täckt av bitumen. Den färdiga asfaltsmassan kan nu transporteras till vägbygget. Även transporten sker under uppvärmning för att bibehålla formbarheten hos asfalten.

Asfalt som vägmaterial 2.1.2

Konstruktionen och installationen av slitlager av asfalt är relativt simpel med få steg och kort tidsåtgång. När asfalten anländer till en konstruktionsplats från asfaltsverket lastas den om på en asfaltsläggare; en maskin som kontinuerligt lägger ut ett jämnt lager med asfalt över vägkroppen.

Efter att asfalten lagts ut kommer ett mycket viktigt och det mest komplicerade steget – kompaktering. I flera omgångar kompakteras asfalten med en asfaltsvält för att uppnå önskad kompakteringsgrad. Det är av stor vikt att varken kompaktera för mycket eller för lite; för mycket kompaktering leder till minskad vattenavledningsförmåga medan för lite kompaktering gör att vägen slits ut snabbare.

Viskoelasticitet 2.1.3

En av de viktigaste egenskaperna med asfalt, som kommer av användandet av bitumen, är att det är viskoelastiskt. Det innebär att materialet uppträder både elastiskt och visköst.

Elasticitet – när ett föremål som deformerats återgår till sin ursprungsgeometri efter att det har avlastats. Processen kan ske både omedelbart och med viss tidsfördröjning.

Beteendet varierar beroende på hur lång tid lasten var applicerad och materialets temperatur.

Viskositet – är ett mått på en vätskas motstånd mot deformation, eller med enkla ordalag: hur trögflytande en vätska är. Vid väldigt hög viskositet kan en vätska ge intryck av att vara ett fast material, vilket är fallet med bitumen.

Till skillnad från elastisk deformation så återgår inte viskös deformation efter att materialet avlastats.

Figur 2.2- Deformationen hos viskoelastiskt material under deformation

(21)

9 När en asfalt utsätts för belastningar, främst större från lastbilar och liknande, kommer båda typerna av deformation att inträffa. Den elastiska deformationen kommer att återgå, antingen direkt eller efter en tid, medan den viskösa deformationen kommer att finnas kvar permanent. Beteendet illustreras i bilden på föregående sida; 1) Omedelbar deformation. 2) Deformation med tid. 3) Återgår omedelbart. 4) Återgår med tid. 5) Återgår inte. (Jelagin, 2015)

2.2 Betong

Det här avsnittet kommer att handla om materialet betong; vad det tillverkas av och hur det tillverkas, viktiga egenskaper hos materialet, samt hur det fungerar som vägbeläggning.

Tillverkning 2.2.1

Betong består av tre huvudkomponenter; ballast, cement, och vatten. Nedan följer en kort beskrivning av ballast och cement.

Ballast – precis som i asfalts utgörs större delen av betong av stenmaterial i form av ballast. Normalt upptar ballasten 60-70 % av betongens totala volym (Sundqvist &

Silfwerbrand, 2015). I betong är det föredraget att använda sig av naturgrus framför bergkross. Anledningen till det är att formen hos naturgrus ofta är något avrundad vilket ger mer volym för mindre yta – den mindre ytan gör att mindre cement krävs för att helt täcka ballasten.

Dock är naturgrus en ändlig resurs med andra användningsområden i samhället. Därav använder man sällan bara naturgrus i betongblandningar. Normalt brukar en 50/50 fördelning av naturgrus och bergkross användas där naturgrus främst används för mindre fraktioner – större fraktioner kan oftast krossas för att ge något önskvärd geometri. I Sverige förekommer att ännu större andel bergkross används.

I vissa fall kan även återvunnen betong användas som ballast. Dock är det vanligare att denna används som obunden ballast, till exempel i bärlagret på en väg.

Cement – namnet cement kan syfta på en rad olika hydrauliska bindemedel; i vårt fall handlar det om varianten portlandcement (Thomas & Jennings, 2010). Cement, eller rättare sagt cementpulver, framställs från två huvudkomponenter; kalciumoxid och kiseloxid med mindre inslag av aluminium och järn. Som råvara används vanligen kalksten och lermaterial.

Komponenterna hettas upp i roterande ugnar till en temperatur runt 1500°C – en metod som kallas för sintring. Materialen övergår vid olika temperaturnivåer till de fyra (4) mineralen som utgör runt 90 % av den färdiga cementen. Resterande mängd utgörs av mindre mängder andra mineraler samt råmaterial som inte omvandlats.

Tabell 2.1 - De fyra mineral som utgör huvudbeståndsdelen av portlandcementklinker

3CaO∙SiO2 ~ 55% Alit

CaO∙SiO4 ~ 20% Belit

3CaO∙Al2 O3 ~ 5% Kalciumaluminat

4CaO∙Al2 O3∙Fe2 O3 ~ 10% Kalciumferrit

(22)

10 Cementen består nu av runda kulor, portlandcementklinker – de här kulorna mals ner till cementpulver. Olika material kan här tillsättas pulvret för att ändra dess egenskaper; exempelvis tillsätts gips för att sakta ner den kemiska processen som kommer i nästa steg i betongtillverkningen.

När cementen ska användas blandas cementpulvret med vatten vilket startar en ny kemisk process kallad hydration. De viktigaste, och största, sker med mineralerna alit och belit. Tack vare alitens högre innehåll av kalcium kommer den att reagera snabbare än beliten. Reaktionen är exoterm och kommer därmed att avge värme.

2𝐶𝐶𝑎𝑎3𝑆𝑆𝑆𝑆𝑂𝑂5 + 6𝐻𝐻2𝑂𝑂 → 3𝐶𝐶𝑎𝑎(𝑂𝑂𝐻𝐻)2+ 3𝐶𝐶𝑎𝑎𝑂𝑂 ∙ 2𝑆𝑆𝑆𝑆𝑂𝑂2∙ 3𝐻𝐻2𝑂𝑂 2𝐶𝐶𝑎𝑎𝑆𝑆𝑆𝑆𝑂𝑂4 + 4𝐻𝐻2𝑂𝑂 → 𝐶𝐶𝑎𝑎(𝑂𝑂𝐻𝐻)2+ 3𝐶𝐶𝑎𝑎𝑂𝑂 ∙ 2𝑆𝑆𝑆𝑆𝑂𝑂2∙ 3𝐻𝐻2𝑂𝑂

Reaktionen ger föreningarna kalciumhydroxid, även kallad portlandit, och CSH-gel.

CSH-gelen upptar större delen av cementens volym, runt 50 %. Gelen bidrar i sig själv inte till cementens hållfasthet – den binder istället samman de övriga komponenterna vilka bidrar till hållfastheten. Direkt efter bildandet ökar CSH-gelen cementens volym genom ett porsystem fyllt med det vatten som inte förbrukats vid reaktionen.

Portlanditen tar upp runt 15 % av cementens volym och bildar små kristaller av varierande storlek. Storleken beror på hur mycket utrymme det finns i porerna.

Kristallerna bidrar någorlunda till betongens slutliga hållfasthet men även till betongens täthet då den fyller igen cementens porsystem.

Med tiden avgår överflödigt vatten från cementen vilket leder till att CSH-gelen krymper ihop och stelnar. Krympningen låser samman cementens kristallina beståndsdelar och höjer därmed hållfastheten. Platsen som portlanditen upptar i porerna förhindrar till viss del krympningen.

När vattnet har avgått kommer portlanditen så småningom att reagera med luftens koldioxid i en process kallad karbonatisering.

𝐶𝐶𝑎𝑎(𝑂𝑂𝐻𝐻)2+ 𝐶𝐶𝑂𝑂2 → 𝐶𝐶𝑎𝑎𝐶𝐶𝑂𝑂3+ 𝐻𝐻2𝑂𝑂

Slutprodukten produkten i den här reaktionen är den olösliga föreningen kalciumkarbonat – artificiell kalksten.

Själva betongen fås genom att, enligt specificerade proportioner, blanda ballast, cement och vatten.

Vattnet har funktionen, förutom att aktivera cementen, att den tillåter blandningen att bearbetas – mer vatten ger en mer lättarbetad betong. Blandningen sker genom kontinuerlig omrörning, vilket även måste fortsätta under transport för att förhindra att betongen separerar eller börjar stelna i förtid.

Förutom de tre huvudbeståndsdelarna kan tillsatsmedel användas för att ändra betongens egenskaper. Ett exempel på tillsatsämne är plasticeringsmedel. En betongs hållfasthet beror dels på ballasten men också förhållandet mellan vatten och cement, så kallat vatten-cement-tal. Mindre vatten ger en starkare betong; för att inte offra bearbetningsgraden för att få en starkare betong

(23)

11 används plasticeringsmedel för att få en mer lättflytande betong. Många liter vatten kan ersättas med bara ett par gram plasticeringsmedel.

Det förekommer även att delar av cementen byts ut mot olika tillsatsmaterial såsom flygaska, silika, och masugnsslagg. Tillsatsmaterialen har liknande mineralisk sammansättning som cement men med något annorlunda egenskaper; flygaska och silika är så kallade puzzolana material medan masugnsslagg är latent hydrauliskt. Tillsammans med cement, vilken agerar som katalysator, härdar även tillsatsmaterialen i reaktion med vatten för att bilda den bindande komponenten i betong. En stor fördel med att ersätta cementen med andra material är att man undgår en del av de koldioxidutsläpp som sker vid cementtillverkning

Betong som vägmaterial 2.2.2

Den huvudsakliga egenskapen som brukar tillskrivas betong är att det är ett mångsidigt material. Det går att gjuta i alla upptänkliga former så länge det går att bygga en gjutform. När man anlägger en väg av betong används en så kallad glidformläggare – en mobil gjutform som rör sig längs vägen och ger en kontinuerlig gjutning (Wirtgen Group, 2016).

Betong är ett hållbart material med väldigt hög tryckhållfasthet. Den klarar således av att ta upp stora laster, exempelvis laster från tunga fordon, utan att deformeras eller spricka. Betong är även ett mycket styvt material som inte deformeras nämnvärt under hög belastning. Draghållfastheten för betongen är däremot relativt låg, runt en tiondel av tryckhållfastheten – det kan ställa till vissa problem vilket kommer att tas upp mer senare i det här kapitlet.

2.3 Olika material – olika egenskaper

Problemet med en anslutning mellan två material är just det; det handlar om två material med olika egenskaper. Materialen kommer därför att påverkas i olika utsträckning på grund av de belastningar som vägen utsätts för.

Det här avsnittet kommer att ta upp de viktigaste egenskaperna där asfalt och betong skiljer sig åt samt de följder som skillnaderna kan ge upphov till.

Elasticitetsmodul 2.3.1

Elasticitetsmodul (E-modul), eller Young’s modul, är ett mått på ett materials styvhet. Egenskapen beskriver hur benäget ett material är att deformeras under en viss belastning. Vid bestämning av elasticitetsmodulen används en omskrivning av Hookes lag.

𝐸𝐸 = 𝜎𝜎 𝜀𝜀⁄

Vilket genom ytterligare omskrivning ger sambandet mellan E-modul och deformation.

𝜀𝜀 = 𝜎𝜎 𝐸𝐸�

Som synes resulterar en högre E-modul i högre motstånd mot deformation. I fallet med asfalt och betong så har betongen en betydligt högre E-modul än asfalten – upp till tio (10) gånger högre vid förhållanden motsvarande sommarklimat och tre (3) gånger högre vid vinterklimat. Det innebär att asfalten kommer att uppleva större deformationer än betongen under samma belastning.

(24)

12 E-modulen spelar även in i hur slitlagret överför laster till de underliggande lagren. Ett styvare material breder ut laster över en större yta medan ett mjukare material överför lasterna mer eller mindre rakt ner – se Figur 2.3.

Figur 2.3 – Jämförelse av deformation och kraftöverföring mellan två material med olika styvhet.

Elastiskt eller viskoelastiskt 2.3.2

Som förklarat i avsnitt 2.1.3 är asfalt ett viskoelastiskt material; vilket innebär att en del av de deformationer som uppstår vid belastning inte kommer att återgå vid avlastning. Betong å andra sidan är anse som fullständigt elastiskt vilket innebär att alla deformationer kommer att återgå, antingen direkt eller efter en viss tid.

Ett undantag till detta är så kallade kryplaster vilka uppstår till följd av långtidslaster – något som normalt inte uppstår på vägar och därför inte är av intresse i vårt fall.

De skilda egenskaperna i kombination med olika elasticitetsmodul innebär inte bara att asfalten kommer att deformeras lättare. Det innebär också att delar av deformationerna kommer bestå och byggas på med tiden; vilket kommer att leda till ojämnheter i vägens geometri.

Temperaturskillnader 2.3.3

Nästan alla material påverkas i någon utsträckning av temperaturförändringar. Med få undantag sväller material och ökar i volym när temperaturen ökar, och krymper ihop igen när temperaturen avtar. För material som asfalt påverkas även materialets styvhet och elasticitetsmodul – varmare temperatur ger mjukare asfalt och vice versa. Betongens egenskaper påverkas däremot inte nämnvärt av temperaturskillnader.

Den faktorn som påverkar temperaturen i en vägkropp är i första hand den omgivande temperaturen. I Sverige förekommer relativt stora temperaturvariationer, eller svängningar, vilka kan delas in i två kategorier.

Korta svängningar – de temperatursvängningar som sker över tiden av ett dygn.

Skillnaden mellan dag och natt kan ligga uppemot 15-20°C när de är som störst (SMHI, 2014).

Långa svängningar – de temperatursvängningar som uppstår på grund av årstidvariationer. Skillnaden mellan en vinternatt och en sommardag kan uppgå till 40°C – vi intresserar oss dock mer för dygnmedeltemperaturen vilka ligger runt 25°C (SMHI, 2016).

(25)

13 Luftens låga densitet tillåter att den upplever de korta svängningarna. Den mycket kompaktare vägkroppen å andra sidan kräver en längre exponeringstid för att temperaturförändringar ska uppstå.

Större djup innebär ytterligare längre exponeringstid för att temperaturförändringar ska kännas av - således kommer endast det översta lagret att påverkas av korta svängningar. Det här arbetet kommer endast att ta hänsyn till de långa svängningarna då de ger en form av extremvärden.

2.4 Belastningar

Självklart kommer vägen inte spontant att ställa till problem för sig själv – det krävs någon form av påverkan som orsakar en belastning. Belastningar på vägar förekommer i två huvudkategorier;

Inre belastning – indirekt påverkan, orsakas av det omgivande klimatet.

Yttre belastning – direkt påverkan från de fordon som trafikerar vägen.

Det här avsnittet kommer att gå igenom båda typerna av belastning, både bakomliggande orsak och potentiella påföljder.

Inre belastning 2.4.1

Det omgivande klimatet kan orsaka två sorters belastning. Den första har berörts lite i tidigare avsnitt, nämligen temperaturrörelser. När ett material värms upp expanderar det normalt och tvärt om så krymper det ihop när materialet kallnar. Volymförändringar innebär normalt inga problem om de tillåts att ske fritt, om något däremot förhindrar rörelserna kan tryck- respektive dragspänningar uppstå.

Det är osannolikt att spänningarna orsakar brott i materialen så länge volymförändringarna tillåts att ske fritt – däremot, om någonting förhindrar rörelserna kan spänningarna orsaka brott.

I betongvägar är dragspänningar det största problemet, något som riskerar uppstå redan under utläggning av betongen. När färsk betong härdar och stelnar krymper materialet vilket riskerar att orsaka sprickor. Vilket i sig inte är ett problem – nästan all betong spricker. Vid senare

värmeexpansion är det ytterst osannolikt att betongens volym kommer uppnå den ursprungliga.

Däremot kan problem uppstå om sprickorna blockeras och rörelserna förhindras vilket kan orsaka tillräckligt kraftiga tryckspänningar för att skada betongen – i sällsynta fall kan de förhindrade rörelserna till och med orsaka knäckning. Mer om skarvar i betongvägar finns att läsa i Appendix D – Skarvar i betongvägar.

Tack vara sina viskoelastiska egenskaper presterar även asfalten bra när det kommer till temperaturrörelser. Materialets egenskaper tillåter att de ingående komponenterna flyttas runt utan att brott uppstår. Vilket i kombination med att asfalt oftast innehåller en viss mängd luftporer gör att materialet expanderar ”in i sig själv”.

I kontakten mellan asfalt och betong kan asfalten inte expandera in i betongen. I första hand leder det till att tryckspänningar uppstår med möjlig påföljd att expansionen tvingas hitta en ny riktning – med största sannolikhet uppåt, vilket innebär att vägens geometri förändras.

Upprepade värmerörelser i asfalten kan även leda till materialutmattning och orsaka materialbrott.

Förutom värmerörelser kan förekomsten av vatten i kombination med temperatur ha en rad effekter på vägen. Vatten i flytande form i de nedre lagren kan på grund av vattentrycket sänka materialets

(26)

14 tryckhållfasthet – å andra sidan kan fruset vatten bidra till ökad tryckhållfasthet. Fruset vatten ökar även i volym, vilket kan leda till att vägen trycks upp och deformeras – en effekt vanligen kallad frosthävning. När isen sedan smälter kan den efterlämna håligheter i vägen vilket kan försvaga vägens struktur.

Rörelser på grund av vatten är något man försöker undvika i så stor utsträckning som möjligt genom korrekt dränering och design av vägen.

Yttre belastning 2.4.2

Som sagt kommer yttre påverkan framförallt från de fordon som trafikerar vägen, men kan såklart komma från en godtycklig kropp som kommer i kontakt med vägen. Den här typen av belastning är även den som kommer i direkt kontakt med vägens slitlager. Påverkan kan komma i två former; för det första i form av tyngd och för det andra i form av friktion.

När vägen påverkas av ett fordons tyngd upplever materialet ett påslag av tryckspänning. Vilket i sin tur kan leda till deformation, eller i värsta fall materialbrott. Hur stora deformationerna blir är beroende dels av hur stor belastningen är, dels av vägmaterialets elasticitetsmodul.

Som förklarat i avsnitt 2.1.3 är asfalt viskoelastiskt vilket gör att deformationer kommer att ackumuleras med tiden – med andra ord kan deformationerna bli större utan att lasterna växer. I första hand kommer deformationerna att leda till att vägens geometri förändras; och i andra hand till möjligt brott. Det är ytterst sällsynt att ett brott av betydande, eller ens märkbar storlek kommer uppstå vid en enskild belastning. Precis som med själva deformationen kommer brott att börja smått, i form av så kallade mikrosprickor, för att sedan växa till märkbara skador. Mer om detta i nästa avsnitt.

Och slutligen den sista belastningen som kommer att tas upp; friktion. För att ett fordon ska kunna framföras på en väg krävs det friktion mellan däcken och vägbeläggningen – utan friktion skulle däcken bara stå och snurra på samma ställe utan att fordonet rör sig. Hur stora friktionskrafterna blir beror dels på tyngden av fordonet, vilka material som kommer i kontakt med varandra, samt texturen på kontaktytorna.

Friktionen behövs alltså för att fordon ska kunna röra sig framåt, det innebär att slitlagret kommer att utsättas för horisontella krafter i motsatt riktning. De horisontella krafterna kommer dels att ha en slipande effekt på vägen då mindre partiklar slits loss, dels att orsaka att större bitar lossnar om vägen redan har skador i form av sprickor. Mer om detta i nästa avsnitt.

2.5 Accelererat brottförlopp

De följder av de olika typerna av belastning som till en början är lättast att observera är förändringarna i vägens geometri – vilka med största sannolikhet först uppstår i asfaltskomponenten.

Små och lokala förändringar i geometrin är sällan något problem, även om man självklart alltid strävar efter så jämn vägbana som möjligt för ökad åkkomfort.

De riktiga problemen uppstår till följd av deformationerna; deformationen i sig kan ge upphov till utmattning av materialet och den förändrade geometrin kan göra mer utsatt för ytterligare påfrestningar.

(27)

15 Utmattning – materialutmattning är en effekt av upprepade belastningar och avlastningar (Pavement Interactive, 2009). Vid varje belastning uppstår spänningar och små skador (mikrosprickor) i materialet. När avlastning sker minskar spänningarna och för asfaltsvägar kan även en del av skadorna återgå – dock aldrig till 100 %. Med tiden byggs småskador och spänningar upp och vid en viss nivå, ett tröskelvärde, uppstår brott i materialet.

Geometri – i normala fall utsätts vägmaterialet för belastning från två håll; lodrätta krafter från trafiklaster och horisontella laster från friktion. När krafterna kommer från däck som rullar appliceras de på ett relativt långsamt och skonsamt sätt. Förändrad geometri kan leda till att lasterna appliceras från nya vinklar, och istället för att rulla fram sker kraftöverföringen mer i form av en stöt eller kollision. Även friktionen kommer att få nya angreppsvinklar. Allt detta skulle kunna leda till att utmattning av materialet sker i accelererad takt.

När utmattningen av materialet pågått under en längre tid och materialbrott lett till sprickbildningar kommer nästa steg i förfallet. Sammanhängande sprickor kommer att bilda någorlunda löst sittande bitar i vägen; bitarna kan i sin tur slitas loss från vägen och bilda hål (Pavement Interactive, 2007).

När material börjar slitas loss kommer kvalitén på vägen att försämras. Förloppet kommer inte att sakta ner med tiden, utan snarare accelerera. Den nya, ojämna geometrin hos slitlagret kommer att ge ökade friktionslaster som i sin tur kommer att slita loss mer material – och så börjar en nedåtgående spiral.

Nedbrytandet av vägen kommer med största sannolikhet att börja i asfalten – alla egenskaper hos materialen talar för det. Efter ett tag, om förfallet tillåts gå tillräckligt långt kommer den minskade mängden asfalt att ge en exponerad kant hos betongelementet. Den nya angreppsmöjligheten kan då leda till att även betongen bryts ner på grund av ökad utsatthet.

Förändringen av vägens geometri kommer till en början att leda till sänkt åkkomfort. Ojämnheter överförs till fordonet i form av skakningar och stötar. I början handlar det bara om mindre obekvämligheter – inget man i vardagen bryr sig speciellt mycket om. Men för en yrkesförare som utsätts för dessa skakningar och stötar dag ut och dag in kan det lätt utvecklas till en riktig olägenhet.

Senare när ojämnheterna tilltagit kan de orsaka skador på fordonen; och med det så är det inte längre en obekvämlighet utan en potentiell trafikfara.

(28)

16

2.6 Problemet

Alla vägar slits, det är ingen nyhet, och när en väg nått ett visst förfall måste den repareras eller renoveras. Mindre ojämnheter såsom spårbildning kan på en betongväg slipas bort, dock inte i all oändlighet då det finns krav på en vägs lägsta accepterade tjocklek. Asfaltsvägar kan likaså för mindre skador lappas ihop genom att man täcker det skadade området med ny asfalt. Vid en viss punkt kommer vägen dock att behöva läggas om helt och hållet.

Oavsett vilken åtgärd som utförs kräver en renovering eller reparation tid, pengar, energi, och material. För att spara resurser strävar man således efter att konstruera vägar som behöver åtgärdas så sällan som möjligt.

Det här arbetet kommer att analysera olika metoder som används för att konstruera övergången mellan asfalt och betong. Målet är att identifiera en metod där påfrestningarna på skarven blir så låga som möjligt och där övergången blir så jämn som möjligt.

Vad letar vi efter?

2.6.1

Innan arbetet med att identifiera och analysera olika konstruktionsmetoder behöver en sak definieras; vad innebär en bra skarv?

För att uppnå optimal åkkomfort krävs att vägen i så stor utsträckning som möjligt bibehåller sin tilltänkta geometri. Att uppnå det till hundra procent är näst intill omöjligt och målet får istället omformuleras till; förändringar i geometrin ska ske i så liten utsträckning som möjligt och de som oundvikligen uppstår ska helst ske på ett följsamt sätt för att bibehålla åkkomforten.

En väl fungerande skarv ska således prestera så bra som möjligt sett från två aspekter:

Förhindra förändringar i geometrin – den mest dramatiska förändringen av geometrin är materialbrott, orsaken till materialbrott är spänningsuppbyggnad. Spänningar kommer alltid att uppstå som följd av belastning, det går inte att undvika. Det är däremot önskvärt att hålla spänningarna så låga som möjligt, och framförallt att förhindra att spänningarna i skarven inte överskrider spänningarna i resten av vägen och därmed slits snabbare.

Följsamma förändringar i geometrin – som förklarat i tidigare avsnitt kommer asfalten att deformeras i snabbare takt än betongen. Det kommer därför med tiden att uppstå en höjdskillnad mellan betongen och asfalten vilket vid överfart kommer att upplevas som ett gupp eller en grop. Det är därför önskvärt att den här höjdskillnaden spelas ut över en längre sträcka för att bli mindre påtaglig.

Det här arbetet kommer att utvärdera olika designmetoder utefter dessa två aspekter. Det finns inga specifika värden som önskas uppnås – intresset ligger endast i att jämföra hur olika metoder presterar utefter ovan nämna aspekter.

(29)

17

2.7 Lösningen på problemet

I förstudierna till det här arbetet identifierades en rad metoder som används runt om i världen för att konstruera övergången mellan asfalt- och betongvägar. Av dessa valdes två av metoderna ut för vidare analys; en metod vanligt förekommande i USA och en vanligt förekommande i Europa. I det här avsnittet följer en kort förklaring av de utvalda metoderna.

Metod 1 – Avfasning 2.7.1

Metoden som hämtats från amerikanska källor utformas med en avfasning i betongsegmentet som ansluter mot asfalten (Uhlmeyer, 2003) (Youn, et al., 2007)Den första biten av asfaltsvägen får således extra stöd underifrån, tanken är att deformationen i asfalten inte kommer att uppnå maximal storlek direkt efter betongen. Det omedelbara lastpåslaget bör således bli mindre och deformationerna som uppstår efter en tid bör bli mindre påtagliga när fordon kör över skarven.

Olika varianter av denna metod förekommer. Variationerna innefattar längden på avfasningen samt hur avfasningen inleds och avslutas – antingen genom att påbörja lutning direkt eller genom att ha tvära kanter. Figur 2.4 nedan visar enklare skisser av tre olika designer. Av de tre är den första den vanligast förekommande och även den som valts ut för analys. Två varianter, med olika lutning på avfasningen kommer att analyseras – fler detaljer kommer att presenteras i nästa kapitel, Metodbeskrivning.

Figur 2.4 - Enkla skisser av olika varianter för att konstruera övergången mellan asfalt och betong med en avfasning av betongelementet

Metod 2 – Expansionsskarv 2.7.2

Den andra metoden är en metod som förekommer i större utsträckning i Europa (Rens, 2016).

Metoden går ut på att installera en extra expansionsskarv i närheten av övergången. Tanken är att de horisontella tryckkrafterna som uppstår när materialen deformeras minskas genom att betongen tillåts röra sig i sidled. Inga variationer har studerats för den här metoden. Övergången mellan asfalt och betong görs helt rak, expansionsskarven placeras mellan segment ett (1) och två (2) i betongen.

Figur 2.5 - Enkel skiss över funktionen hos expansionsskarven

(30)

18

(31)

19

3 Metodbeskrivning

Det här kapitlet går igenom hur analyserna av den utvalda designmetoden har utförts. Inledningsvis presenteras den geometriska designen tillsammans med materialval och detaljerade materialegenskaper. Därefter presenteras hur FEM-analysen har utförts. Efter det tas begränsningar med analysen upp. Avslutningsvis kommer alla varianter av analysen att listas.

3.1 Geometrisk design och materialval

Det finns två delar som är av intresse när det kommer till den geometriska designen:

lagertjocklekarna och hur övergången konstrueras.

Lagerföljder 3.1.1

Lagerföljden och lagertjocklekarna bestämdes med hjälp av Trafikverkets verktyg PMS Objekt.

Programmet använder sig av information om en tilltänkt väg för att räkna ut de nödvändiga lagertjocklekarna för den typen av väg som skall byggas.

Kortfattat instruerades PMS Objekt att ta fram en väg av typen Grusbitumenöverbyggnad (GBÖ) och en av typen Betongöverbyggnad (BÖ) med terrass av fast berg (typ 1a). En mer ingående beskrivning av PMS Objekt presenteras i Appendix A – Indata. De lagerföljderna som bestämdes presenteras i Figur 5.1.

Figur 5.1 - Lageruppbyggnad för asfaltsväg (t.v.) och betongväg (t.h.)

Den vänstra lagerföljden representerar den del av vägen som konstrueras med slitlager av asfalt.

Material i lagerföljden enligt lista:

• Slitlager – bitumenasfalt av typ ABT 11.

• Bärlager 1 – bitumenbundet bergkross av typ AG 22.

• Bärlager 2 – obunden bergkross.

• Förstärkningslager – obunden bergkross. Notera: tjocklek enligt PMS Objekt är 200 mm, 90 mm tillagt för att ge vägkroppen samma tjocklek som för betongvägen.

(32)

20 Den högra lagerföljden representerar den del av vägen som konstrueras med slitlager av betong.

Material i lagerföljden enligt lista:

• Slitlager – cementbetong av hållfasthetsklass K80/T4,5. Notera: tjocklek enligt PMS Objekt är 190 mm, 10 mm tillagt för att tillåta en (1) underhållsslipning av vägen.

• Bärlager 1 – bitumenbundet bergkross av typ AG 22

• Bärlager 2 – obunden bergkross.

• Förstärkningslager – obunden bergkross.

Materialegenskaper 3.1.2

Tabell 5.1 nedan visar de materialegenskaper som kommer användas i FEM-analysen.

Tabell 5.1 - sammanställning av materialegenskaper som använts vid modellering

Material E-modul [MPa] v Densitet [kg/m3] K [GPa]

(bulkmodul) G [GPa]

(skjuvmodul)

Sommar Vinter

BitumenSlit 4000 14500 0,35 2200 9 4,74

BetongSlit 38000 38000 0,2 2200 n/a n/a

BitumenBär 2500 11500 0,35 2200 n/a n/a

ObundenBär 450 1000 0,4 2000 n/a n/a

Förstärkning 450 450 0,4 2000 n/a n/a

Materialegenskaperna K och G beskriver viskoelastiska egenskaper och är därför endast relevanta för asfaltslitlagret. De elastiska materialegenskaperna är hämtade från PMS-objekt och de viskoelastiska från en artikel med ämnet modellering av asfaltsvägar (Khavassefat, et al., 2012).

Design av anslutningen 3.1.3

Fyra olika anslutningar mellan asfalt och betong har modellerats och analyserats; två varianter av avfasningsmetoden, en metod med expansionsskarv, och en nollversion för jämförelse.

Kort avfasning – avfasningen konstrueras med en lutning på 1:3. Avfasningen kommer att ha en tvär början och ett tvärt avslut över 1/4 av betongens totala höjd (50 mm) – lutningen sträcker sig således över 1/2 av betongens höjd (100 mm). Avfasningen blir således 300 mm lång.

Figur 3.2 - Skiss över konstruktionsmetoden med avfasning med lutning på 1:3

(33)

21 Lång avfasning – avfasningen konstrueras med en lutning på 1:10. Avfasningen kommer att ha tvär början och tvärt avslut över 1/4 av betongens totala höjd (50 mm) – lutningen sträcker sig således över 1/2 av betongens höjd (100 mm). Avfasningen blir således 1000 mm lång.

Expansionsskarv – ett avbrott över hela betongens höjd kommer att modelleras fem (5) meter in på betong segmentet. Avbrottet kommer att göras 20 mm brett.

Anslutningen mellan betongen och asfalten kommer att modelleras som helt rak.

Vanligtvis konstrueras expansionsskarvar med dymlingar för att förhindra vertikala rörelser. I modelleringen har dymlingarna utelämnats för att inte riskera att de förhindrar rörelser i sidled, d.v.s. ett bästa fall-scenario har modellerats.

Nollversion – för att ge en jämförelse kommer även en nollmetod att analyseras. Anslutingen kommer att modelleras med helt raka sidor.

Figur 3.3 - Skiss över konstruktionsmetoden med avfasning med lutning på 1:10

Figur 3.4 - Skiss över konstruktionsmetoden med expansionsskarv

Figur 3.5 - Skiss över nollmetoden

(34)

22

3.2 FEM-analys

Modelleringen och analysen av konstruktionen har utförts med programvaran COMSOL Multiphysics®. Programmet använder numeriska metoder för att utföra simuleringar för olika typer av fysikbaserade problem, däribland problem baserade i mekanik – vilket kommer att användas i det här arbetet. I Appendix Y presenteras en modelleringsgång i COMSOL Multiphysics®.

Modellering 3.2.1

Analysen har utförts i modulen Structural Mechanics. Modulen används för att analysera mekaniska strukturer som utsätts för statiska och dynamiska laster. Det här avsnittet kommer att gå igenom de viktigaste egenskaperna hos modellen.

Tvådimensionell – för att förenkla beräkningarna har modellen byggts upp tvådimensionellt. Den huvudsakliga geometrin har byggts upp av polygoner.

Linjelast – belastningen av vägen har modellerats som en linjelast. En last med en förutbestämd storlek och bredd har applicerats på den övre gränsen av modellen. Lasten kommer under analysen att röra sig från vänster i modellen över hela modellens längd. Lastens rörelse över vägen beskrivs med nedanstående matematiska uttryck. Mer detaljer kring dimensioneringen av lasten presenteras i Appendix A – Indata.

.

Figur 7.6 - Skärmklipp från COMSOL Multiphysics av den matermatiska funktion som beskriver lastens position

Materialegenskaper – materialen som vägen byggs upp av har modellerats som linjärelastiska, med indata rörande elasticitetsmodul (Young’s modulus), tvärkontraktionstal (Poisson’s ratio), och densitet.

Figur 7.7 - Skärmklipp från COMSOL Multiphysics med exempel på materialdata

(35)

23 Mesh – som namnet Finita Element Metoder antyder delas modellen in i mindre, mer lätthanterliga element. Indelningen görs i form av ett beräkningsnät, eller mesh på engelska. Vanligast är att elementen görs triangulära och så även i det här fallet.

Elementens storlek bestämmer kvalitén på resultaten – mindre element ger noggrannare resultat. I modellen har elementen storlekar som varierar mellan 0,75 och 200 mm. Mindre element är placerade runt områden där noggrannheten är av större intresse; runt skarven och i slitlagret i närheten av skarven.

Figur 7.8 - skärmklipp från COMSOL Multiphysics med exempel på den mesh som använts

Tidssteg – analysen utförs tidsberoende. Det innebär att den faktorn som förändras i analysen är tiden, andra faktorer som skall ändras i analysen görs därför beroende av tiden; exempelvis linjelasten beskriven ovan. Storleken på tidssteget har valts till 0,001 sekunder.

Analyspunkter – i geometrin har ett antal endimensionella punkter definierats. Punkterna används sedan som referenspunkter för de mätdata som plockas ut ur analysen. I avfasningsmodellerna har punkterna placerats i asfalten över hela avfasningens längd med 100 mm avstånd, plus två extra punkter efter avfasningen.

Punkterna har placerats i överkant, underkant, och i mitten

av lagret. Punkter har även placerats över, under, och i avfasningen. Figur 4.10 till höger visar ett exempel från 1:10 avfasning.

Figur 3.9 - Skärmklipp från COMSOL Multiphysics med exempel på utplacerade mätpunkter

(36)

24 von Mises – den påfrestning och spänning

som materialen i vägen känner av kommer att mätas i form av von Mises Spänning.

Flytkriteriet har visat sig lämpligare att använda vid analys av relativt mjuka och formbara material än det klassiska teoremet rörande maximal huvudspänning, vilket lämpar sig bättre vid

analys av spröda material (Beardmore, 2011). Skillnaden är att von Mises villkor baserar sig på skjuvenergi snarare än skjuvspänning. Von Mises tar, förutom

volymförändringar, hänsyn till geometrisk förvrängning vilket antas vara den huvudsakliga orsaken till brott i elastiska material. Kriteriet ger något högre brottgränser än huvudspänningskriteriet, bilden visar en jämförelse där de streckade linjerna visar maximal huvudspänning. Notera att detta inte spelar någon större roll för resultatet i det här arbetet då målet inte är att hitta en brottgräns utan att jämföra storleken på de spänningar som uppstår i de olika designmetoderna.

Begränsningar 3.2.2

Omfattningen av vägprojekt är i verkligheten mycket större än vad som är rimligt att modellera för det här arbetet. Således har vissa kompromisser och föreklingar gjorts vid modelleringen.

Antalet metoder – under förarbetet identifierades ett flertal olika metoder för att konstruera övergången mellan materialen. Av tidsmässiga skäl valdes endast två ut för vidare analys. De som använts valdes då de representerar två olika marknader, Europa och USA, och var vanligast förekommande – de övriga metoderna valdes bort då de var sällsynt förekommande, dåligt beskrivna, eller knutna tillspecifika företag och produkter.

Numerisk modellering – det finns två huvudsakliga metoder för att undersöka och utvärdera olika konstruktionsmetoder; antingen genom att faktiskt konstruera det som ska utvärderas eller genom att modellera konstruktionen. Det säger sig självt, men av tidsmässiga, ekonomiska och rent praktiska själv har analysen i det här arbetet utförts med numerisk modellering.

Tvådimensionellt – som beskrivet tidigare i det här kapitlet utförs analysen tvådimensionellt. Anledningen till det är att förenkla modellen, det ger färre element att analysera och därmed korta ner tiderna som behövs för uträkningen.

Fokus på asfalten – vägen består av två huvudsakliga element; asfalt och betong. Med anledning av att asfalten anses vara det ”svagare” materialet har analysen fokuserats på asfaltskomponenten.

Figur 3.10 - Jämförelse mellan brottgräns för von Mises-spänning och huvudspänning

(37)

25 Tidshantering – normala tidsramar när man talar om vägar och vägbyggande är av storleksordningen 5-20 år. Att utföra en så lång modellering skulle ta orimligt lång tid med tanke på det här arbetets omfattning. Vid FEM-analys med statiska laster kan stora tidssteg användas för att kringgå problemet men då det i det här fallet rör sig om en liten, rörlig last är hög tidsupplösning av stor vikt.

Temperaturscenarior – som förklarat i avsnitt 2.3.3 krävs det förhållandevis långa tidsintervall för att hela vägkroppen ska känna av temperatursvängningar – en förenkling har gjort här genom att endast simulera extremvärden i form av sommarklimat respektive vinterklimat i hela vägkroppen.

Temperaturrörelser – ytterligare en sak som togs upp i avsnitt 2.3.3 är hur olika materials volym kan förändras med temperatursvängningar. Som följd av volymförändringar kan spänningar uppstå.

Analyser 3.2.3

I Tabell 7.1 nedan presenteras de olika varianterna av konstruktionen som har analyserats.

Tabell 7.2 - Lista med de designmetoder som kommer att analyseras

Design Materialegenskaper

Noll Sommar

Noll Vinter

Avfasning 1:3 Sommar

Avfasning 1:3 Vinter

Avfasning 1:10 Sommar

Avfasning 1:10 Vinter

Expansionsskarv Sommar

Expansionsskarv Vinter

(38)

26

(39)

27

4 Resultat

I det här kapitlet presenteras utvalda resultat från simuleringarna i form av utskrifter från COMSOL Multiphysics och förenklade grafer. Resultaten presenteras tillsammans med korta kommentarer – mer detaljerade kommentarer och analys av resultaten presenteras i nästa kapitel.

De resultat som ansetts vara av huvudsakligt intresse och som kommer att presenteras i det här kapitlet är:

• Deformation i asfaltslagret – Metod 1 av huvudsakligt intresse

• von Mises-spänning i asfaltslagret – Metod 1 av huvudsakligt intresse

• Rörelser i betonglagret och minskad spänning i skarven – Metod 2 av huvudsakligt intresse De fullständiga resultaten återfinns i Appendix C – Utskrifter från COMSOL Multiphysics®.

4.1 Deformation

I det här avsnittet presenteras de deformationer som uppmättes i asfaltsslitlagret. Deformationen har mätts i form av förflyttning av mätpunkter i vertikalled. Mätning av deformationen gjordes i tre punkter i asfaltslagret; ytan, mitten, och botten – då de tre punkterna uppvisade i det närmaste identisk deformation presenteras endast deformationen från mittenlagret. Endast det högsta uppmätta värdet för de enskilda punkterna presenteras. Utskrifter från COMSOL Multiphysics® med fullständig data presenteras i Appendix C – Utskrifter från COMSOL Multiphysics®.

Mätningar utfördes från skarven och vidare till ett avstånd på tre meter för att försäkra om att en maximal deformation uppnåtts. Mätpunkterna är placerade med ett avstånd på 0,1 meter – undantag för den första mätpunkten som placerats 0,05 meter ifrån skarven. Mätdata visar maximal uppmätt, vertikal förskjutning i mätpunkterna då lasten passerar över.

Resultaten presenteras i både absolut och relativ form – i de relativa resultaten används skarvens position som utgångsvärde för att visa hur stor skillnad som upplevs vid passage med fordon. Nedan presenteras förenklade grafer tillsammans med korta kommentarer.

Metod 1, avfasning, förväntas ha störst inverkan på deformationen. Därför kommer de två avfasningsvarianterna att jämföras med nollmetoden. Metod 2, expansionsskarv, är inte menad att förebygga deformationer och analyserna visade att så inte heller var fallet. Vid intresse finns även deformationerna för fallet med expansionsskarven presenterade i Appendix C – Utskrifter från COMSOL Multiphysics®.

(40)

28 Sommar

4.1.1

Nedan följer de resultat som uppmätts då materialdata motsvarande sommarklimat har använts.

Maximal deformation i absoluta termer uppskattas till 0,23 mm.

Figur 8.1 - Uppmätt deformation från analysen utförd för konstruktionsmetod Noll med materialegenskaper motsvarande sommarklimat. Mätenhet: mm.

• Maximal deformation uppnås runt 0,6 meter ifrån skarven.

• I absoluta termer känner skarven av 65 % av den maximala deformationen.

• Deformationstakten är lätt avtagande från start

Figur 8.2 - Uppmätt deformation från analysen utförd för konstruktionsmetod 1:3 med materialegenskaper motsvarande sommarklimat. Mätenhet: mm.

• Maximal deformation uppnås runt 1 meter ifrån skarven.

• I absoluta termer känner skarven av 52 % av den maximala deformationen.

• Deformationstakten är låg de första 0,15 meter, därefter ökar den under 0,25 meter för att sedan avta fram till maximal deformation.

• Deformation motsvarande nollmetodens första punkt återfinns 0,2 meter från skarven.

-0,25 -0,2 -0,15 -0,1 -0,05 0 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,05

rskjutning i vertikalled [mm]

Avstånd från skarven [m]

Noll - Sommar

Noll Absolut Noll Relativ

-0,25 -0,2 -0,15 -0,1 -0,05 0 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,05

rskjutning i vertikalled [mm]

Avstånd från skarven [m]

1:3 - Sommar

1:3 Absolut 1:3 Relativ

References

Related documents

Rapporten redovisar utvecklingen av den disponibla inkomsten för fyra ensamstående ”typfalls” pensionärer under perioden 2009 – 2018 med prognos för 2019 – 2022..

Övergången från filtrerings- och slussan- vändning till beredskapsläge görs enligt följande:.. - Öppna slusstältets dragkedjor helt och öppna kardborrbanden i dragkedjornas

This is a License Agreement between Miriam S Ramliden ("You") and Nature Publishing Group ("Nature Publishing Group") provided by Copyright Clearance

Förutom det som framgår av utdrag från Fastighetsregistret samt av uppgifter som lämnats av uppdragsgivaren/ägaren eller dennes ombud har det förutsatts att värderingsobjektet

• Om dialogrutan för automatisk körning inte visas går du till Den här datorn  DYMO 420P och klickar sedan på DYMO Label Light.exe.. Så här startas programvaran i OS på Mac

No part of this document may be reproduced, duplicated, copied, distributed, or transmitted in any form or by any means or on any media or to any person without the prior

[r]

Fastighetsägaren är enligt vattentjänstlagen skyldig att upplåta plats för mätaren samt lämna huvudmannen tillträde till fastigheten när denne vill kontrollera, ta ned eller