2. Vatn í vegi og undirstöðu, skilgreiningar

2.1. Almennt um vatn

Vatnssameind samanstendur af einu súrefnis og tveimur vetnisatómum. Vetnisatómin mynda 104,5° horn við súrefnisatómið. Vatnsameindin er skautuð sem þýðir að súrefnisatómið býr yfir örlítilli neikvæðri hleðslu. Súrefnisatómið, með neikvæða hleðslu, bindur rafeindir nær sér og því halda vetnisatómin örlítill jákvæðri hleðslu. Lengd súrefnis-vetnis tengslana er 0,96Å.


Hiti og loftþrýstingur nærumhverfis hefur áhrif á ástand vatns. Innan vegbyggingar og undirstöðu vegar í köldu loftslagi getur vatn fyrirfundist í öllum þremur meginformum: föstu ástandi (ís), vökvaformi (vatn), og sem loft (vatnsgufa). Magn og ástand vatns (í vökvaformi eða frosið) hefur áhrif á steinefni í veginum og jarðveg í undirstöðu. Einnig ætti að hafa í huga um hverslags vatn rosityer að ræða, hlutfall lofts og hlutfall fínefna hefur mikil áhrif á stífleika efnis, formbreytingar eiginleika og frostþol. Þessir þættir og almennar skilgreiningar sem notaðar eru þegar rætt er um vatn í vegbyggingum og undirstöðu, verður lýst í næstu málsgreinum.


2.2. Frjálst vatn, – bundið vatn, mettun og grop

Almennt má flokka vatn í jarðvegi og bergi sem: 1) aðsogs vatn, einnig kallað ídrægt vatn, 2) seigfljótandi vatn eða háræða vatn og 3) frjálst  vatn. Einfaldari flokkun skiptir vatni í tvennt a) bundið vatn og b) frjálst vatn.


2.2.1. Bundið vatn


Aðsogs vatn

Vatnssameindir næst yfirborði steinefna raða sér skipulega upp. Þetta stafar af því að vatnssameindir eru skautaðar og stærstur hluti yfirborðs steinefna er með neikvæða hleðslu. Aðsogsvatn samanstendur af tveimur lögum; fast- og lausbundnu. Þykkt fastbundna lagsins er um 0.002 ?m. Aðsogsvatn þéttist á yfirborði jarðvegsagna úr vatnsgufum í andrúmsloftinu. Umhverfis fastbundna lagið er lausbundið lag aðsogsvatns. Lagþykkt þess er frá 0.002 ?m til 0.006 ?m. Salt dregur úr þykkt þessa lags og hjálpar til við þjöppun efnis.

Aðsogsvatn má einnig kalla bindivatn þar sem það virkar sem bindiefni milli jarðvegsagna og myndar togstyrk í þurru efni. Þetta er ástæðan fyrir því að í sumum löndum er talað um þurr, óbundin efni sem „vatnsbundin“ efni.

Magn aðsogsvatns stjórnast einnig af yfirborðssvæði efna. Því stærra yfirborð, því hærra er hlutfall aðsogsvatns. Samt sem áður er ekki allt aðsogsvatn skaðlegt virkni jarðefna. Járnoxíð geta til dæmis sogað að sér mikið magn af vatni en þetta vatn rýrir ekki í stæðni malarefna

Seigfljótandi eða hárpípu vatn

Raki í jarðvegi sem ekki er bundin við steinefnaagnir sem ídrægt vatn og bregst ekki við þyngdarafli, er venjulega kallað seigfljótandi vatn, eða hárpípuvatn. Hárpípuvatni má einnig skipta í innri og ytri lög. Við þjöppun malarefna verður hagstæðasta vatnshlutfallið til þegar innri hárpípulögin breytast í ytri hárpípulög. Hárpípukraftar hafa mikil áhrif á frostlyftingu í vegum.

Samdráttarhimna

Samdráttarhimna, myndast milli agna og lofts í ómettuðum jarðvegi og malarefnum. Þetta tengi milli lofts og vatns samsvarar einungis þykkt nokkurra sameinda en að það sé til staðar er mjög mikilvægur þáttur í eiginleikum jarðvegs vegna þess að það skapar togstyrk. Þessi eiginleiki nefnist yfirborðsspenna. Umfang yfirborðsspennu helgast af hitastigi, ef að hiti hækkar minnkar spennan.


Malarefni sem þornar er stífara en malarefni sem er að blotna, miðað við jafnt vatnsinnihald. Skýrist þetta af því að samdráttarhimnan er íhvolft form og heldur betra skipulagi við þurrkun en blotnun þegar nýjar vatnssameindir koma inn í kerfið og brjóta upp skipulagið. Kallast fyrirbærið heldni (hysteresis).

Samdráttarhimna er mikilvægur hlekkur í myndun „matrixusogs“ (matric suction), sem nánar verður lýst síðar í þessu námskeiði.

2.2.2. Frjálst vatn

Frjálst vatn (vatn undir áhrifum þyngdarafls) flæðir gegnum jarðveg vegna áhrifa þyngdafls. Mikilvægt er að taka tillit til frjáls vatns þar sem magn slíks vatns hefur áhrif á afvötnunarkerfi vega. Magn frjáls vatns hefur bein áhrif á burðarþol. Einnig dregur það úr stöðugleika vegaxla og veldur sigi í brúnum vegar og rofi. Frjálst vatn er mikilvægur þáttur í frost-þýðu verkunum. Að hausti þegar hitastig steinefna og jarðvegs fellur undir 0°C, frystir frjálst vatn fyrst og myndar sexhyrnda kristala þannig að rúmmál þess eykst og frostlyfting hefst.

2.2.3. Mettuð og ómettuð efni


Hegðun efna undir umferðarálagi er mjög breytileg eftir því hvort að efnið er mettað af vatni eða ómettað. Í mettuðum efnum er öll holrýmd vatnsfyllt, líkt og er með efni undir grunnvatnsyfirborði. Þegar um ómettuð efni er að ræða eru holrýmin bæði fyllt af vatni og lofti. Gott er að hafa í huga að þessum blöndum steinefna-vatns-lofts er loftið eina samþjappanlega efnið, og ef það lendir undir miklum þrýstingi getur loft að hluta leyst upp í vatni.

2.2.4. Grop, hlutfall holrýmdar og mettun

Grop


Fyrir steinefni í vegagerð og jarðveg þýðir hugtakið grop (n) hlutfall holrýmdar af heildarmagni efnis. Reiknað svona

n = (Vv (100)) / V, þar sem

Vv= magn holrýmdar, V = heildarmagn

Grop er breytilegt eftir jarðvegsgerð. Dæmigerð gildi má sjá í töflunni:

Heimild: Soil mechanics for unsaturated soil.

Jarðvegsgerð Hámarks grop  (%) Lágmarks grop (%)
siltkenndur sandur 47 29
fínn til grófur sandur 49 17
sand- eða siltkenndur leir 64 20
leir 71 33

Hlutfall holrýmdar


Hlutfall holrýmdar (e) er fengið út frá hlutfalli magns holrýma deilt með magni fastefna í jarðvegi. Reiknað með eftirfarandi jöfnu:

e = Vv / Vs , þar sem

Vv= magn holrýma, Vs = magni fastefna í jarðvegi

Hlutfall holrýmdar er einnig breytilegt eftir jarðvegsgerð. Dæmigerð gildi má sjá í töflunni:

Heimild: Soil mechanics for unsaturated soil.

Jarðvegsgerð Hámarks hlutfall holrýmdar, e Lágmarks hlutfall holrýmdar, e
siltkenndur sandur 0.90 0.30
fínn til grófur sandur 0.95 0.20
sand- eða siltkenndur leir 1.80 0.25
leir 2.40 0.50

Mettun


Litið er á hlutfall holrýmdar, sem inniheldur vatn, sem magn mettunar (S).

S = (Vw(100)) / Vv , þar sem

Vw= magn vatns, Vv = magn holrýma

Ómettaðan jarðveg má flokka enn frekar í þrjá flokka sem ráðast af því hvort að lofsfasinn sé stöðugur eða aflokaður. Flokkunina má framkvæma miðað við magn mettunar.

  • S < 80%, ómettaður jarðvegur með stöðugum loftfasa
  • S > 90%, ómettaður jarðvegur með aflokuðum loftfasa
  • 80% < S < 90%, umskiptisvæðið milli stöðugs fasa og aflokaðra loftbóla.

Þrepið við 80% er mikilvægur þáttur þegar rætt er um hreyfanlegt álag sem verður vegna umferðar og sýnir það fram á steinefni í vegi þurfa ekki að vera algjörlega mettuð til þess að virkni þeirra fari að breytast.

2.3. Samspil lofts og vatns

2.3.1. Vatn og loft blandast

Hægt er að binda vatn og loft saman í blönduðum vökva og/eða óblönduðum. Óblandaði vökvinn er sameining frjáls lofts og vatn án samspils. Loft og vatn er aðskilið með samdráttarhúð. Blöndun loft og vatns getur verið af tveimur gerðum; loft uppleyst í vatni, og vatnsgufa í lofti. Loft sem leyst er upp í vatni getur verið allt að 2% rúmmál vatns.


Þegar álag verður á vegefni eða jarðveg í undirstöðu þar sem vatn er til staðar í meira en 80% hlutfalli holrýmdar byrjar loft að blandast vatni. Skipta má ferlinu þegar loft leysist upp í vatni í tvo stig. Fyrst samþjappast loftið (lögmál Boyles) og síðan leysist loftið upp í vatninu (lögmál Henrys) Magn þess lofts sem nær að leysast upp ræðst af tíma og þegar álagi er létt af hefst gagnstætt ferli sem getur tekið lengri tíma. Það ferli getur skýrt þann tíma sem það tekur vegefni að endurheimta form og seigfjaðrandi hegðun þess.


2.3.2. Þjöppunareiginleikar


Vélræn hegðun ómettaðs jarðvegs og vegbyggingarefna er undir beinum áhrifum porulofts- og poruvatnsþrýstingi. Ástandi poruþrýstings má skipta í tvo flokka. 1) Poruþrýstingur er tengist flæði eða lekt vatns í gegnum jarðveg. 2) Poruþrýstingur sem skapast þegar að utanaðkomandi álag er sett á.

Poruloft og poruvatn flæðir ekki út úr jarðveg við þjöppun. Rúmmálsbreytingar verða vegna þjöppunar. Rúmmálsbreyting poruvökvans. (þ.e. frjálst loft, vatn og loft leyst upp í vatni) ræðst af þrýstingsbreytingum í poruloftinu og poruvatninu. Porulofts- og poruvatns  þrýstingur eykst þegar ómettaður jarðvegur er þjappaður.


2.3.3.Leysni

Hreyfimynd sem sýnir áhrif endurtekins öxulálags á nær mettað efni í vegi (þ.e. mettun um 85-95%). Undir álagi frá umferð eykst viðnámsgildi vegna þess að rúmmál vatns með viðnámsgildi 1 minnkar (viðnámsgildi frjáls vatns er 81). Hluti loftsins leysist upp í poruvatni og það tekur tíma fyrir þetta loft að verða aftur að porulofti. Ferlið gerir það að verkum að viðnámsgildið eykst sem fall af endurteknu öxulálagi.

Rúmmál uppleysts lofts í vatni ræðst aðallega af loft- og vatnsþrýstingi. Leysni lofts má lýsa með lögmálinu um hina fullkomnu lofttegund og lögmáli Henrys. Lögmálið um hina fullkomnu loftegund sýnir fram á að algildur þrýstingur uppleyst lofts er jafn algildum þrýstingi frjáls lofts þegar jafnvægisástand ríkir. Jafnvægisástandi er náð þegar þrýstingur frjáls lofts og uppleysts lofts er jafn. Ef að álag er aukið, endurtekur ferlið sig.

2.4. Efnafræðilegir og raffræðilegir eiginleikar vatns í jarðvegi og malarefnum

2.4.1. Efnafræðilegir eiginleikar vatns

Vatn í jarðvegi inniheldur venjulega ólífræn og lífræn efni í ýmsum myndum. Geta efni þessi verið bæði leysanleg eða í óuppleystu jafnvægi. Seinna formið er mikilvægt í vélrænum eiginleikum efna. Mikilvægustu þáttunum er lýst hér að neðan:

a. Jónir. Ávallt eru til staðar tvær gerðir af jónum í vatni, 1) plúsjónir og 2) mínusjónir. Plúsjón er jón með færri rafeindir en róteindir sem gefur jákvæða hleðslu. Þessar jákvæðu jónir dragast að neikvæðum hornum vatnssameinda og öfugt. Plúsjónir dragast einnig að neikvæðri hleðslu á yfirborði steinefna. Mínusjón, er aftur á móti með fleiri rafeindir en róteindir sem gefur jóninni neikvæða hleðslu.

b. Lífræn efni. Lífræna efni í malarefnum auka upptöku vatns og draga því úr mótstöðu efnanna gegn varanlegum formbreytingum. Sjá má dæmi um þetta á malarvegum með háu hlutfalli lífrænna efna í slitlagi. Slíkir vegir verða fljótt hálir, missa viðnám í rigningu. Auk mikils formbreytanleika og lágs styrks valda lífræn efni í vegi því að þjöppun verður meiri og samdráttur í rúmmáli efnis veldur því að sprungur myndast þegar efnið þornar á ný.

Hreyfimynd sem sýnir hegðun kvoðuagna í þáatíð að vori. Þegar klaki byrjar að þiðna, sleppa kvoðuagnir út í poruvatnið vegna álags. Á sama tíma eykst viðnám upp í hámarksgildi. Þegar kvoðuagnirnar byrja að mynda hlaup fellur viðnám aftur.

c. Óuppleystar kvoðuagnir. Til þess að skilja hegðun poruvatns er mikilvægt að skilja eiginleika kvoðuagna í vatni við mismunandi aðstæður. Skilgreiningin á kvoðusameind er að hún er millistigið milli uppleyst efnis og sameindar sem flýtur um í vökva. Sameindastærðin liggur milli 10-6 – 10-9 m. Aðaleinkenni kvoðusameinda er mikill formbreytileiki og sameinda ásog. Í malarefnum til vegagerðar og jarðvegi í undirstöðu má flokka kvoðuagnir í a) vatnsæknar  og b) vatnsfælnar.

Mikilvægi kvoðuagna hefur ekki verið nægjanlega rannsakað þegar kemur að virkni vegbyggingarefna og jarðvegs í undirstöðu. Ein ástæða þessa er smæð þeirra, mun minni en leiragnir. Þetta gerir það að verkum að mjög erfitt er að framkvæma greiningar á þeim..

Finnskar rannsóknir á malarefnum sem sýndu lélega frammistöðu gáfu vísbendingar um að mismunandi tegundir kvoðuagna voru í malarsýnum. Einnig mátti sjá kvoðuagnir  í gögnum er safnað var úr Percostöð sem mælir breytingar í þáatíð. Mælingarnar sýna að í upphafi þáatíðar, þegar vegefni byrja að þiðna, er alltaf toppur í rafleiðni sem hægt er að skýra út með auknum magni kvoðuagna sem losna frá yfirborði leirsteinefna í vatnsfasa. Á sama tíma verður yfirborð vegar mjög næmt fyrir formbreytingum. Síðar, minnkar leiðnin sem gefur til kynna að kvoðuagnirnar sameinist (þ.e. safnist saman í hópa), og á sama tíma byrja efni í yfirborði að þorna og missa forbreytanleika. Þétting og hópamyndun kvoðuagna stjórnar af pH gildi poruvatnsins.

Bera má leirsteinefni og kvoðuagnir við lífræn efni af svipaðri stærð. Þannig eru leirsteindir af svipaðri stærð og bakteríur en kvoðuagnir af svipaðri stærð og vírusar. Í framtíðinni getur verið að menn uppgötvi að kvoðuagnir séu jafn hættulegir heilsu vega eins og vírusar eru heilsu manna.

d. Aðsogaðar jónir á óuppleystum ögnum. Vatnssæknar kvoðuagnir aðsoga vatnaðar jónir. Umhverfis yfirborð vötnuðu jónanna er lauslega bundið vatn sem veldur því að vökvakennd himna myndast umhverfis vatnsæknu kvoðuagnirnar. Undir endurteknu álagi getur þetta valdið aukningu í poruvatnsþrýstingi.

pH gildi poruvatns

Einn af mikilvægustu efnafræðilegum eiginleikum poruvatns í malarefnum er pH gildi þess. pH gildi hefur mikil áhrif á vetnistengi innan efna og þannig togþol þeirra. Ef selta efnis, og/eða koltvísýrings innihald, eykst mun pH gildi efnisins minnka. Lágt pH gildi eykur togkrafta milli jákvætt hlaðinna brúna steinefna og neikvætt hlaðinna yfirborða steinefna. Slíkt veldur hópamyndun í efnasamböndum eða viðheldur hópum á yfirborðum steinefna. Hins vegar, ef að pH gildi poruvatns er hátt, munu agnir ekki leysast upp heldur fljóta um í poruvatninu og efnið verður móttækilegra gagnvart varanlegri aflögun.

2.4.2. Raffræðilegir eiginleikar vatns

Lýsa má raffræðilegum eiginleikum vegbyggingarefna og jarðvegs í undirstöðum með segulnæmi þeirra, rafleiðni og viðnámsgildi eða torleiðni. Líta má fram hjá segulnæmi á norðurjaðarsvæðum. Viðnámsgildi og rafleiðni getur aftur á móti haft áhrif á ýmis fyrirbæri er tengjast frammistöðu vegarins. Með því að mæla og greina þessar breytur má nálgast upplýsingar varðandi ýmsa eiginleika svo sem næmi gagnvart varanlegri aflögun, frostnæmi, rakastig, magn ófrosins vatns í frosnum jarðvegi, fínefnainnihald, klórinnihald og þætti er varða skemmdir í malbiki og steypu.


Vinámsgildið gefur mælingu á vatnsinnihaldi efnis. Einnig veitir það upplýsingar um magn frjáls vatns í efni með mælingum á skautunargildum sameinda sem hreyfast um breytanlegt (AC) rafsvið.

Nokkrir þættir hafa áhrif á rafleiðni og torleiðni, eða viðnám:

  • uppbygging leiðara
  • stærð burðareiningar
  • raffræðilegt eðli frumefna
  • gropy
  • rúmmálsinnihald vatns
  • dreifing vatns (magn frjáls vatns)
  • jónastyrkur
  • hiti
  • þrýstingur
  • þéttleiki

2.5. Rakainnihald og aðferðir til skilgreiningar

Þegar rætt er um vatn og eiginleika malarefna til vegagerðar og jarðvegs í undirstöðu er algengasta hugtakið „rakainnihald“. Rakainnihald er samt sem áður almennt orðalag og alltaf ætti að setja fram greinargóða skilgreiningu hvort um er að ræða rakainnihald út frá þyngdargreiningu eða rúmmálsgreiningu, og hvernig innihaldið er mælt þ.e. bundið við frjálst vatn eða með bundnu vatni. Skilgreiningar á þyngdargreiningu og rúmmálsgreiningu rakainnihalds og aðferðir til mælinga er næsta umfjöllunarefni.


2.5.1. Rakaþyngd- og rakarúmmál


Rakaþyngd (w) efnis er skilgreint sem hlutfall af massa vatns deilt með massa fastra efna.

w(%) = (Mw(100)) / Ms , þar sem

Mw= massi vatns, Ms = massi fastra efna í jarðvegi

Jafnan þýðir að steindafræði og þéttleiki malarefnis hefur mikil á áhrif þyngd rakans og því er ekki hægt að bera þyngdargildi saman milli mismunandi tegunda malarefna. Auk þessa gefur rakaþyngd engar upplýsingar um þéttleika eða hlutfall mettunar efnis. Þrátt fyrir þessa ágalla er þyngd samt sem áður vinsælasta breytan til þess að lýsa rakainnihaldi þar sem auðvelt er að mæla hana.

Rakarúmmál (?w) efnis er skilgreint sem hlutfall rúmmáls vatns deilt með heildarrúmmáli efnis.

?w = (Vw / V , þar sem

Vw= úmmál vatns, V = heildarrúmál jarðvegs

Rakarúmmál tekur ekki til þéttleika steinefna í þurru ástandi og nýtist betur til þess að skoða verkfræðilega eiginleika vegbyggingarefna og jarðvegs í undirstöðu. Stafar þetta af því að rakarúmmálsinnihald má einnig setja fram sem gropinleika, hlutfall mettunar og hlutfall holrýmdar:

?w = (SVv) / V , þar sem

S = hlutfall mettunar, Vv= rúmmál holrýmdar, V = heildarrúmál jarðvegs

eða

?w = Se / (1+e), þar sem

S = hlutfall mettunar, e = rúmmál holrýmdar

Við útreikning rúmmáls-massa tengsla er gott að hafa í huga nokkrar grunnstaðreyndir um þéttleika jarðvegs. Heildar þéttleiki og þurr þéttleiki eru algengustu skilgreiningarnar. Heildar þéttleiki einnig kallaður rúmþyngd, jarðvegs (?)  er hlutfall heildarmassa deilt með heildarrúmáli jarðvegs.

? = M / V, þar sem

M = heildarmassi, V = heildarrúmmál jarðvegs

Þurrþéttleiki jarðvegs (?d) er skilgreindur sem hlutfall massa fastra efna í jarðvegi deilt með heildarrúmáli jarðvegs

? = Ms / V, þar sem

Ms = massi fastra efna í jarðvegi, V = heildarrúmál jarðvegs

Hámarks og lágmarks þurr þéttleiki er breytilegur milli efna. Dæmigerð gildi má sjá í töflunni hér fyrir neðan:

Heimild: Fredlund D. G. and Rahardjo H.: Soil mechanics for unsaturated soil

Jarðvegsgerð Hámarks þéttleiki ? ( kg / m3 ) Lágmarks þéttleiki ? ( kg / m3 )
siltkenndur sandur 2034 1394
fínn til grófur sandur 2210 1362
sand eða siltkenndur leir 2162 961
leir 1794 801

Notkun rakarúmmáls er oft hagstæðari aðferð en rakaþyngd því hægt er að beita því beint í útreikning á breytileika vatns í jarðvegi. Þessar tvær mismunandi aðferðir til þess að reikna rakainnihald skýra mismuninn milli mismunandi rannsókna þar sem rakaþyngd ræðst af rúmþyngd efna og er u.þ.b. 1.5 til 2 sinnum minni en rakarúmmál.


Hlutfall þjöppunar hefur áhrif á rakannihald. Þjappað efni hefur hærri rakarúmmál en laust efni. Á meðan á þjöppun stendur minnkar rúmmál holrýmdar (þ.e. holrými fyllast að hluta af vatni) þegar jarðvegsagnir þéttast.



Þegar jarðvegsagnir færast nær hver annari, undir þjöppun, losnar vatnið sem áður var bundið við ögnina og verður óbundið frjálst vatn. Þetta leiðir til hækkunar á viðnámsgildi þegar magn óbundins vatns eykst.

2.5.2. Hefðbundnar rannsóknarstofuprófanir

Mörgum aðferðum má beita til þess að mæla rakaþyngd á rannsóknarstofu en algengasta aðferðin er ofnþurrkun og kalsíum karbíð CaC2 gasþrýstingsmæling.


Einfaldasta leiðin til þess að skilgreina rakaþyngd er ofnþurrkun. Jarðvegssýni með nátturulegu rakainnihaldi er fyrst vigtað og því næst þurrkað í blástursofni við 105°C ± 5°C. Þurrkunartíminn ræðst af mismunandi breytum svo sem jarðvegsgerð, stærð sýnis og eiginleika ofnsins. Venjulega duga 16-24 tímar til verksins. Þurrkun ætti að taka þann tíma sem til þarf þannig að stöðug þyngd náist. Þegar sýnið hefur verið þurrkað er það vigtað á ný og rakaþyngd reiknuð samkvæmt jöfnunni:

w = (m1 – m2) / (m2 – mc) * 100 = mw / md * 100, þar sem

w = vatnsinnihald,
m1 = massi íláts + blautt sýni,
m2 = massi íláts + þurrt sýni,
mc = massi íláts,
mw = massi vatns ,
md = massi þurrkaðs sýnis

Kalsíum-karbíð gasþrýstingsaðferðin er byggð á staðreyndinni að vatn í jarðvegssýni er tekið upp af kalsíum-karbonati og myndast acetylene gas við efnahvarfið. Þrýstingur acetylene gassins er í beinu sambandi við magn acetylene og þannig magn vatns í sýninu. Þannig er hægt að mæla rakaþyngd.



Engar ákveðnar leiðbeiningar eru um hvernig eig að mæla rakarúmmálsinnihald í rannsóknarstofu en almennt má segja að mæling hefjist með því að mæla fyrsti nákvæmt rúmmál sýnis. Þvínæst er sýnið þurrkað í ofni á svipaðan hátt og þegar um rakaþyngdarinnihald er að ræða. Þetta gefur til kynna þyngd vatnsins og þyngd malarefnis. Þegar þéttleiki malarefnisins hefur verið skilgreindur með öðrum aðferðum er hægt að reikna rakarúmmálsinnihald ef gert er ráð fyrir að þéttleiki vatns sé 1.0 g/cm3.

2.5.3. Aðrar rannsóknarstofu- og vettvangsprófunaraðferðir

Hægt er að mæla rakainnihald í rannsóknarstofu og á vettvangi með ýmsum prófum og tækjum. Nú til dags er TDR (Time domain reflectometry) aðferðin vinsælust til þess að mæla rakainnihald jarðvegs á vettvangi. Aðrar aðferðir sem má nota til þess að mæla rakainnihald jarðvegs eru skynjarar sem mæla rafhleðslu (capitance-bases sensors) og jarðsjá (GPR). Kjarnorkumælar og kjarnsegulmælar (NMR) eru stundum notaðir. Rafleiðni hefur einnig verið notuð til þess að mæla rakainnihald en sú aðferð getur orðið fyrir áhrifum af völdum hitabreytinga og kvoðustigs og er því ekki áreiðanleg. Góðar aðferðir eru TDR, rafhleðsluskynjarar og jarðsjá, sem allar mæla viðnámsgildi efnis. Leggja má gróft mat á magn frjáls vatns og bundins vatns byggt á tíðni mælinga með þessum aðferðum. Aðferðunum er lýst nánar hér á eftir.


TDR aðferðin sendir rafpúls í gegnum jarðveginn og skráir breytingar sem verða í torleiðni efnisins (viðnámsgildi, rafsvörunarstuðli). Þegar TDR er beitt til mælinga á vatnsinnihaldi í frosnum jarðvegi þarf að hafa í huga að rafsvörunarstuðull frosins jarðvegs er um 4, fremur en 1 líkt og gert var ráð fyrir í sumum prófunum á árum áður.


Rafhleðslunema má nota til þess að mæla rakarúmmál jarðvegs með mælingum á viðnámsgildi hans. Nemarnir nema ef einhverjar breytingar eru í rúmmáli frjáls vatns í jarðvegi eða malarefni með því að mæla breytingar í þéttni miðað við þéttni lofts. Tíðnisviðið sem þeir starfa á er venjulega 50 – 100 MHz. Hægt er að nota nema sem mæla þéttni í jarðvegi þar sem saltinnihald er of hátt til að hægt sé að beita TDR aðferðinni. Mjög mikilvægt er að gott samband sé milli nema og jarðvegs til þess að áreiðanlegar niðurstöður fáist. Ef mæla á vatnsinnihald þarf að stilla nemana eftir jarðvegsgerð. ROADEX verkefnið mælir með notkun þéttninema í Tube Suction prófum til þess að mæla raka- og frostnæmi efna í undirstöðu og til þess að prófa bindiefni og íblöndunarefni.

Heimild: Kolisoja & Vuorimies report: Material Treatment Techniques

Jarðsjá (GPR) er jarðvegskönnunartæki sem ekki veldur raski. Henni má beita við rannsóknir á vegum, lestarteinum, brúm, náttúrulegum myndunum o.s.frv. Aðalkostur jarðsjárinnar er sá eiginleiki hennar til að skila samfelldu sniði yfir veghlot og jarðveg í undirstöðu. Þetta leiðir af sér að jarðsjármælingar eru að verða mjög mikilvægt tól til þess að meta uppbyggingu fáfarinna vega. Ennfremur er mikilvægur kostur að slíkar mælingar trufla umferð einungis að litlu leyti.


Aðferðin byggist á því að stuttar rafsegulbylgjur eru sendir í gegnum efni með annaðhvort loftneti sem snertir jörð (jarðlægu) eða loftneti sem hærra upp (hálægu). Þegar segulbylgjan hittir fyrir mörk mili efna sem hafa mismunandi viðnámsgildi, endurkastast hluti bylgjunnar aftur að yfirborði og loftnet móttakara nemur endurvarpið. Sá hluti bylgjunar sem ekki endurvarpast heldur annaðhvort áfram í átt að undirliggjandi efnum eða dreifist í mismunandi áttir. Viðnámsgildi efna má mæla með mismunandi jarðsjáraðferðum svo sem WARR og CMP. Einnig má beita hálægu loftneti til þess að greina vatn. Staðsetningu rakra svæða sem og staðsetningu ófrosins vatns í jarðvegi eða veghloti má þannig greina með jarsjárgögnum.


2.6. Vatn og varmafræði

2.6.1. Almennt um varmajafnvægi


Árstíðarbreytingar hafa mikil áhrif á vegi á norðurjaðarsvæðum með breytingum í hita jarðvegs og rakarúmmáli. Frost-þíðu ferlar eru algeng ástæða fyrir vegskemmdum og staðreyndin er að meira en helmingur skemmda á slitlagi á norðlægum vegum verður að vori. Að vorlagi, þegar vegur er í hvað viðkvæmustu ástandi, getur ein vörubifreið valdið umtalsverðu niðurbroti og skemmdum á vegi. Til þess að skilja ferlið að baki slíkum vandamálum er mikilvægt að skilja grunnþætti varmafræði.


Líta má á veg sem varmafræðilegt kerfi sem umbreytir efni og orku í sambandi við umhverfi sitt. Sagt er að kerfi sé í varmajafnvægi ef það tekur engum breytingum yfir tíma. Skilyrði fyrir slíku jafnvægi eru; hita-, efnafræðilegt- og vélrænt jafnvægi. Veghlot sem verður fyrir áraun að völdum umferðar, frýs að vetrarlagi, þiðnar aftur og hitnar að sumarlagi fellur ekki að þessum skilyrðum. Þegar varmafræði vegar er í ójafnvægi er vatn sá þáttur sem flytur til krafta til þess að koma jafnvægi á.


2.6.2. Sogeiginleikar ómettaðs jarðvegs og vegagerðarefna


Í jarðvegi og óbundnum malarefnum með lágu rakainnihaldi, myndarst sogspenna milli jarðvegsagna í poruvatni og stífni efna eykst sem leiðir til hærri stífleikastuðuls (modulus value). Ef að rakainnihald eykst minnkar sogið þar til vatnsinnihald er orðið það mikið að jákvæður poruvatnsþrýstingur dregur úr mótstöðu efnis gegn varanlegri formbreytingu.  Sog í óbundnum veghlotslögum og jarðvegslögum í undirstöðu skiptist í 1) matrixusog (Matric suction). 2) vatnsspennusog (omotic suction), og á svæðum þar sem ríkir kalt loftslag 3) frostsog (cryo suction). Heildarsumma matrixusogs og vatnspennusogs kallast „heildarsog“.


Matrixusog stjórnast aðallega af hlutfalli holrýmdar, stærð holrýma og magni fínefna í efninu. Vatnspennusog ræðst aftur á móti af magni jónaðra efnasambanda. Gott dæmi um sog í vegi er hvernig togstyrkur myndast í malarslitlagi, og dregur úr rykmyndun, með notkun rykbindiefna. Með því að auka fínefnainnihald í malarslitlögum eykst matrixusog, og með rykbindiefni (klóríð), eykst vatnspennusog í efninu.


Frostsog á sér stað þegar hiti í jarðvegi eða í veghloti fellur undir frostmark. Frostsog er sjálfstætt fyrirbrigði utan heildarsogs. Frostsog er kraftur sem veldur því að vatn (ef það er til staðar) streymir í átt að þegar frosnu vatni og myndar aðskildar íslinsur.

2.7. Grunnvatn – hárpípusvæðið – vadose millisvæðið


Vatni í veghloti og undirstöðu má skipta í tvö eða þrjú stærri svæði, þar sem varmafræðilegir kraftar eru mismunandi. Lægsta svæðið er grunnvatnssvæðið þar sem porur efnis er algjörlega mettaðar af vatni. Grunnvatnsborðið skilur að ómettaða svæðið og mettaða svæðið. Ómettaða svæðið kallast einnig „vados“ svæðið og mettaða svæðið kallast „phreatic“ svæðið.

Vadose svæðinu má ennfremur skipta í þrjú svæði:

  • hárpípusvæðið (eða hárpípujaðarinn),
  • milli vadose svæðið (aðsogs svæðið) og
  • yfirborðsvatns svæðið.

Hárpípusvæðið er staðsett fyrir ofan grunnvatnsborðið og vatn í hárpípusvæðinu togast upp frá grunnvatnsborðinu með matrixusogi. Eins og áður var lýst ráðast hárpípukraftar (matrixusog) af dreifni porustærða efnis og aukast hárpípukraftarnir þegar porurnar eru minni. Þykkt hárpípusvæðisins getur verið frá nokkrum sentimetrum (í grófgerðum jarðvegi) upp í nokkra metra (í fíngerðum jarðvegi).


Í aðsogs / milli vadsoe svæðinu binst vatn með sogkröftum. Þegar yfirborðslag (slitlag) er í góðu horfi og ógagndræpt ætti vatnið á þessu svæði að vera í nokkru jafnvægi, við eða nálægt rakarýmd. Á meðan á þáatíð eða þegar mikil bleyta er getur vatnsinnihaldið verið hærra. Þegar sprungur myndast í slitlagi, flæðir vatns frá vegyfirborði gegnum milli vadose svæðið að hárpípusvæðinu.


Yfirborðsvatns svæðið  er næst yfirborðinu. Þegar slitlag er í góðu ástandi ætti vatnsinnihald þessa svæðis að vera nokkuð stöðugt, nálægt rakarýmd eða lægra og fer það eftir aðstæðum í andrúmslofti. Þegar slitlag er sprungið eða í lélegu ástandi getur vatn af vegyfirborði lekið inni í veghlotið gegnum sprungur. Á meðan á rigningartíð stendur getur vatnsinnihald yfirborðsvatns svæðisins hækkað og jafnvel orðið fullmettað.

2.8. Hvað gerist þegar vegur/jarðvegur frýs


Þegar hitastig fellur undir frostmark og vatn í jörðu byrjar að frjósa byrja önnur ferli og kraftar að verka neðanjarðar. Vatnið sem frýs fyrst er vatnið í stærstu holrýmunum; m.ö.o. frjálst vatn frýs fyrst við hitastig á bilinu 0° C til mínus 0,5° C. Á meðan á því stendur rísa upp sterkir frostsogskraftar á frambrún þegar frosins efnis. Þessir kraftar hafa getu til þess að aðsoga og fanga vatnssameindir nokkuð langt frá frambrún frystingar ef að frjálst vatn er til staðar. Getur slíkt ferli stækkað holrými og losað um malarlög. Þegar efni þiðnar svo aftur myndast umfram vatn í laginu sem veikir það og gerir það þannig móttækilegra fyrir varanlegri formbreytingu.


Fínefnaríkur jarðvegur býr yfir umfangsmiklu yfirborðssvæði og getur haldið miklu magni af ófrosnu aðsogsvatni þegar hitastig fellur undir 0°C. Þegar hitastig fellur undir -0,5°C byrjar aðsogsvatnið að frjósa og vatn flæðir að frambrún frystingar.

Hreyfimynd sem sýnir frystingu þegar hiti fellur hratt (s.s. um 10°C). Vegna hraða ferlisins hefur vatn ekki tíma til þess að flæða að frambrún frosts áður en efnið frýs algjörlega. Afleiðingin er að meira vatn kemst ekki að frambrúninni. Í þessu tilfelli verður frostlyfting eða frostútþensla fremur lítil.
Hreyfimynd sem sýnir frystingu sem gerist hægt. Núna tekur ferlið allt lengri tíma og vatn nær að streyma að frambrún frosts og mynda íslinsur. Í þessu tilfelli getur frostlyfting og útþensla orðið mjög mikil

Hæð frostlyftingar ræðst að hluta til af hitastigi nærumhverfis. Ef að hiti fellur hratt, t.d. niður í -10°C, ná íslinsur ekki að vaxa eins mikið og þegar hiti fellur hægar. Eigindi jarðvegar sem hafa áhrif á magn ófrosins vatns í jörðu er; steindafræði jarðvegs, salt innihald, lögun korna, stærð jarðvegsagna og yfirborðsspenna.

Heimildir aðrar en ROADEX upplýsingar og útgáfur notaðar í þessum kafla: Andrew Dawson: Water in road structures D. G. Fredlund & H. Rahardjo: Soil mechanics for unsaturated soil