3. Vatn og vélrænir eiginleikar vega

3.1. Vatn og burðarþol

3.1.1. Almennt

Þar sem burðarþolsvandamál eru algeng og skemmdir þeirra vegna er langlíklegast að umfram raki sé aðaláhrifavaldurinn. Dæmi um þetta er flæði grunnvatns undir veg í þverhalla. Flæðið getur orðið fyrir hindrun vegna klappa, frosins jarðvegs eða ógegndræpra efna nálægt yfirborði vegar og vatn flæðir því inn í veghlotið sem eykur raka og dregur úr burðarþoli. Af þessari ástæðu þurfa afrennsli vega að virka vel allan líftíma vegarins – ekki bara fyrstu árin. Þegar bætt hefur verið úr afrennsli er hægt að hanna hagkvæma og sjálfbæra lausn við burðarþolsvandamálinu.


3.1.2 Vatn og fjaður eiginleikar


Hugtakið „fjaðurstuðull“ lýsir þeim víxltengslum sem ríkja milli álags og fjaður (eða teygju) áraunar og er notað til þess að reikna áhrif álags á veghlot. Falllóð er venjulega notað til þess að meta styrk vegar. Reikna má stuðul út fyrir mismunandi lög í veghlotinu út frá falllóðsmælingum með ýmsum bakreikni og framreikni aðferðum.

Fjaðurstuðull efnis ræðst af eigindum þess og nánasta umhverfi. Mikilvægustu þættirnar sem hafa áhrif á stuðulinn eru:

  • dreifing kornastærðar (fín – gróf efni) Sem dæmi má nefna að þegar um er að ræða fínefnarík efni lækkar fjaðurstuðullinn um 60% með auknu vatnsinnihaldi og um 25% ef um er að ræða gróf efni.
  • ástand jarðvegs, umhverfisaðstæður (frost-þíðu ferli, hitastig) Sem dæmi má nefna að í siltríkum jarðvegi, getur fjaðurstuðullinn verið mjög lágur, 2 MPa, á meðan á hæsta punkt þáatíðar stendur en aukist mjög mikið, að 100 MPa, þegar efnið hefur þornað algerlega.
  • rakainnihald Sem dæmi má nefna að aukning um 1 % í rakainnihaldi, í rakanæmi efni, dregur úr fjaðarstuðlinum um allt að 7,2 %. Aukning rakainnihalds um 1 % í gæðaefni aftur á móti, mun aðeins dragar úr fjaðurstuðlinum um 2,8 %.

Reikna má fjaðurstuðul sem fall af rakainnihaldi, þéttni þurrs efnis og álagi. Eftirfarandi aðhvarfsjafna er afrakstur greiningu í rannsóknarstofu:

log Mr = k1 + k2log θ1 + k3w + k4 γd, þar sem

k1, k2, k3 og k4 eru fastar fyrir mismunandi jarðvegsgerðir

w – rakainnihald
γd – þurr þéttleiki
θ1– summa aðalálags (1. álags óbreyta)


Ef allar breytur eru fastar fyrir utan rakainnihald má rita jöfnuna:

Mr = Kx10k3w þar sem K er fasti.

Þegar aðhvarfsjöfnunni er breytt í SI einingar, er k3 fyrir jarðefni í burðarlag breytilegt frá -0.0124 til -0.0324. Fyrir undirstöðu er k3 milli -0.0122 til – 0.0554.

Rannsóknarstofupróf hafa sýnt fram á að undir stöðugu álagi, næst fram hámarks stuðull við lægra rakainnihald en kjörrakainnihald (Proctor). Mismunurinn á kjörrakainnihaldi og því rakainnihaldi sem skilar hæsta stuðul ræðst af fínefnainnihaldi blöndunar. Því hærra sem fínefnainnihaldið er, því meiri breytileiki verður í raka-stuðli eftir því sem efni þurrkast og blotnar aftur.

3.1.3 Vatn og varanlegar formbreytingar

Mismunandi gerðir hjólfaramyndunar á vegyfirborði gefa vísbendingar um varanlegar formbreytingar eða aflögun í veghloti. Hugtökin varanleg formbreyting og aflögun taka til hjólfaramyndunar sem og lóðrétts ójafnvægis í veghlotinu. Ástæður hjólfaramyndunar geta verið formaflögun í bundnum lögum, þjöppun vegna umferðar, slit á slitlagi, og/eða varanleg formbreyting í burðarlagi, fyllingu eða undirstöðu. .

Í ROADEX verkefninu voru kynntir fjórir gerðarflokkar varanlegra formbreytinga byggt á gerð hjólafaramyndunar:

Gerð 0 hjólfaramyndun. Slík hjólfaramyndunar á sér stað þegar ómettað efni í slitlagi þjappast, í raun á slík hjólfaramyndun sér alltaf stað í nýbyggðum vegi eftir að hann er opnaður fyrir umferð. Gerð 0 er einnig algeng þegar óbundin, frosin, veghlot byrja að þiðna í þáatíð. Þessi gerð hjólfaramyndunar leitar jafnvægis – þ.e. þjöppun undan umferð kemur í veg fyrir frekari samþjöppun. Vatn hefur venjulega lítil áhrif á hjólfarmyndun af gerð 0 en ef vatnsinnihald eykst getur gerð 1 tekið við.


Hjólfaramyndun af gerð 0 vegna þjöppunar veghlots.

Gerð 1 hjólfaramyndun. Í veikari malarefnum getur staðbundin brún myndast sitt hvoru megin við hjólfarið. Þessi brún veldur lyftingu þar sem malarefni geta orðið fyrir miklu skúfálagi og leiðir það af sér að binding efnis veikist og efnið verður lausara í sér. Líta má þannig á að myndun hjólfara sé afleiðingu ónógs skúfsstyrks malarefna nálægt yfirborði. Vatnsinnihald hefur mikil áhrif á form hjólfaramyndunar af gerð 1. Ef rúminnihald vatns eykst mynnkar skúfstyrkur efnis að sama skapi. Í efnum með lágt rakainnihald valda hárpípukraftar því að togstyrkur myndast milli efniskorna þannig að stífleiki eykst.

Hjólfaramyndun af gerð 1.

Gerð 2 hjólfaramyndun.Slitlag getur aflagast í heild þrátt fyrir að hágæða malarefni séu notuð til uppbyggingar veghlotsins. Slíkt lýsir sér í aflögun undirstöðu þar sem veghlotslögin fylgja á eftir (þ.e. án nokkrar þynningar). Aflögun lýsir sér í breiðu hjólfari með örlítilli lyftingu yst í hjólfarinu (þar sem það er skrið jarðvegs sem veldur þessu). Eins og hjólfaramyndun af gerð 1 hefur vatn mikil áhrif á skúfstyrk jarðvegs og þannig á hjólfaramyndun af gerð 2.

Þegar hjólfaramyndun af gerð 2 á sér stað verður aflögun við mörk veghlots og undirstöðu.

Gerð 3 hjólafaramyndun. Á norðurjaðarsvæðum Evrópu þýðir hjólfaramyndun af gerð 3 almennt slit bundins slitlags af völdum nagladekkja. Slit á malarvegum getur einnig átt sér stað ef slitlagið er ekki nógu fínefnaríkt til þess að binda malarefnið saman (malartap). Samt sem áður er rétt að hafa í huga að á fáförnum vegum er yfirleitt ekki um hjólfaramyndun af gerð 3 að ræða og ber almennt ekki á slíkri formbreytingu nema þar sem umferð er meiri en 3000 ÁDU. Hátt vatnsinnihald getur aukið hraða hjólfaramyndunar af gerð 3 sérstaklega á bundnu slitlagi úr olíumöl. Á malarvegum eru áhrifin lítil og aukið vatnsinnihald hefur fremur í för með sér hjólfaramyndun af gerð 1.

Hjólfaramyndun af gerð 3. Hjólför verða vegna slits á yfirborði bundins slitlags eða malarslitlags.

Netfræðslan um varanlega formbreytingu fjallar ítarlegar um málefnið.

3.2 Vatn, frost og frostverkanir


Þegar hiti veghlots og jarðvegs í undirstöðu fellur undir 0oC frjósa öll veghlotslögin. Frosin efni eru venjulega stífari, og burðarþol hærra að vetri til en að sumri. Samt sem áður geta vandamál skapast þegar frostverkanir hefjast. Á norðurjaðarsvæðunum eru verkanir frosts viðurkenndar sem aðalástæða vegaskemmda.

Frostsog er einn mikilvægasti uppruni aukavatns í veghloti og undirstöðu. Almennt þarf þrennt til þess að frostverkanir geti hafist. Í fyrsta lagi þarf hiti að vera undir 0oC í öðru lagi þarf vatn að vera til staðar, og í þriðja lagi þarf efni að vera móttækilegt fyrir frosti.

Þegar vegbyggingarefni eða jarðvegur frýs er það fyrsta sem gerist að frjálst vatn frýs í porum og myndar sextrenda ískristala og eykur þar með rúmmál sitt. Ísinn er aðskilinn frá yfirborði steinefnanna vegna þunnrar aðsogshimnu. Svæðið þar sem ófrosið vatn er til staðar á frambrún frystingar kallast frosni jaðarinn. Neikvæður poruvatnsþrýstingur sem orsakast af frostsogi veldur því að vatnssameindir flæða í gegnum frambrún frystingar að svæðinu þar sem íslinsur verða til, og þegar íslinsurnar stækka valda þær frostlyftingu í yfirliggjandi lögum. Háræðapípur sem leiða vatn að íslinsunum dragast saman við lækkandi hita. Við -5oC getur ófrosið vatnsinnihald verið 2% til 12% af heildarrúmmáli ófrosins vatns og ræðast það af eiginleikum efnis. Ef að hitastig fellur frekar minnkar magn ófrosins vatns þar til vatn hættir að berast að frambrún frystingar.


Í reynd þýðir þetta að votviðrasöm haust og snemmbúnir mildir vetur þar sem hiti er á bilinu 0oC og -5oC eru slæmar fréttir fyrir vegi og veghaldara þar sem mikið magn íslinsa myndast í lagi nærri vegyfirborði. Þegar lagið þiðnar verður rúmmál raka yfir 100% í veginum. Ef að hitastig snemma vetur er mikið lægra mun frambrún frystingar smjúga hratt niður í neðri lög vegar þar sem myndun íslinsa veldur ekki miklum skaða á veginum.

Þegar þiðnun hefst er líklegt að mikið magn vatns, bráðinn snjór og vorrigningar steðji að veginum og umhverfi hans. Á svæðum þar sem lágur hiti ríkir árið um kring hefst þiðnum venjulega efst í veghloti og vinnur sig niður og á sama tíma hefst lítilræði af þiðnun í botni frosins jarðvegs og vinnur sig upp. Til dæmis má nefna að í Finnlandi mælist þiðnun á um 1,1 – 1,3 m. dýpi. Þetta þýðir að snemma vors flýtur vatn sem losnar við þiðnun klaka ofan á ógegndræpnum frosnum lögum í veghlot og undirstöðu. Þetta auka poruvatn veldur meiriháttar aflögun undan þungaumferð.


ROADEX rannsóknir á tilraunaafrennsliskerfum í Finnlandi sýndu fram á áhugaverða niðurstöður varðandi yfirborðsís og þörfina á virkum afrennsliskerfum þegar bráðnun hefst og vatn byrjar að fylla skurði. Niðurstöður mælingar á frostlyftingu með hreyfanlegum geislaskanna sýndu að miklar frostlyftingar geta átt sér stað á veghlutum þar sem yfirborðsís er, eða þar sem vegskurður fyllist af vatni í þáatíð. Rannsóknir sýna að vatn getur flætt frá skurðum að gegndræpu frosnu veghloti og myndað íslinsur sem valda frostlyftingu. Af þessari ástæðu ætti að leggja áherslu á að skurðir virki vel að vetri til og snemma vors.

3.3 Árstíðabrigði


Vatnsinnihald er breytilegt í veghloti eftir árstíðum. Að sumri minnkar vatnsinnihald rólega aðallega með uppgufun. Þegar haustar byrjar vatnsinnihald að aukast á ný vegna mikillar úrkomu og minni uppgufunar vegna lægra hitastigs. Á köldum svæðum frýs vegur og undirstaða að vetri til og ófrosið vatn nær lægsta gildi. Á hlýrri svæðum, eins og Skotlandi og Írlandi, er vatnsinnihaldið í veghloti hæst eftir miklar rigningar þegar frost-þíðu ferli fylgja. Að vori þegar veghlot byrjar að þiðna eykst rakainnihald hratt og nær hæsta ársgildi. Þegar líða fer að sumri fellur rakainnihald og nær meira jafnvægi. Toppar í rakainnihaldi á línuritum orsakast að öllu jöfnu af miklum rigningum, frost-þíðu ferlum og vorþíðu.

3.4 Vatn og bundin lög


Lekt bundinna laga ræðst af stærð og samtengingu tómarúma. Rannsóknir hafa sýnt fram á að lekt biks er óveruleg ef loftfyllt tómarúm eru undir 7-8%. Ef hlutfall loftfylltra tómarúma er hærra eykst lekt hratt. Ein líkleg ástæða fyrir þessu er við hærra hlutfall tómarýmis tengjast tómarúmin frekar. Einnig getur verið að blöndur þar sem mikið er um loftfyllt tómarúm séu framleiddar og útlagðar á ófullnægjandi hátt, myndast þá varanalega sprungur í slitlaginu. Útvíkkun vatnsfylltra loftpóra í biki í frosti getur einnig valdið aukningu í hlutfalli tómarúma.

Ef bundið yfirborðslag verður fyrir áraun getur mikið magn vatns sigið niður í veghlotið í gegnum smáar og stórar sprungur. Þeir þættir sem hafa áhrif á hversu mikið vatn getur smogið í gegnum bikið eru; vatnsrýmd sprungunnar, umfang sprungna, stærð afrennslissvæðis sprungunnar, og magn og tímalengd rigningar.


Bundin slitlög sem hafa verið undir áraun vatns (og hálkuvarnarsalts), geta farið að missa steinefni fyrr en ella. Fyrirbærið nefnist steinefntap (ravelling) og getur leitt af sér holumyndun.


Hreyfimynd sem sýnir ferlið.

Stundum má rekja skemmdir í slitlagi til alvarlegs niðurbrots í biklögum vegna lággæða malarefna sem soga í sig vatn, og/eða lélegrar afvötnunar undir bundna laginu (stripping). Slík strípun er sérstaklega vandamál þegar um ræðir þykkari bundin slitlög. Mikið vatn undir biklögum getur valdið háum vökvaþrýstingi við botn bundna lagsins þegar þungaumferð fer um. Þessi áhrif virka eins og háþrýstiþvottur og brjóta tenginguna milli biksins og undirliggjandi malarefna. Ef slitlagið er gropið getur þetta einnig leitt til pumpunar (pumping).


Að lokum hefur vatn áhrif á efnasamsetningu bikefnisins og samtenginga milli þeirra, jafnvel án auka vélræns álags. Komið hefur í ljós að eftirfarandi eðlisræn ferli orsakast af vatni:

1) Flæði vatnssameinda milli efna bikblöndunar
2) flæðiflutningur, þ.e. „útskolun“ bikþéttiefnis vegna flæði vatns í gegnum samtengd holrúm.
3) frostverkanir

Vélræn ferli sem verða vegna vatnsskemmda eru:

1) þegar hár vatnsþrýstingur myndast innan blöndu vegna álags frá umferð, og
2)“pumpun“ (pumping action).

Í raun má segja að eðlisræn niðurbrotsferli vinni með vélrænum ferlum og móti heildar vatns-vélrænar skemmdir í blöndunni. Auk þess getur ofnotkun hálkuvarnarsalts, ásamt frost-þíðu ferlum, valdið alvarlegum skemmdum á biklögum slitlags.


Heimildir aðrar en ROADEX upplýsingar og útgáfur sem notaðar eru í þessum kafla: Andrew Dawson: Water in road structures