3.1. Vann og bæreevne
3.1.1. Generelt
Overflødig vann er den viktigste årsaken til de fleste bæreevneproblemer og vegskader på lavtrafikkveger. Et eksempel på dette er strømmen av grunnvann under veger i sidebratt terreng. Denne strømmen kan bli blokkert hvis det er berggrunn, tele eller ugjennomtrengelige materialer nær vegens overflate. Vannet strømmer da inn i overbygningen, noe som gir økt vanninnhold og redusert bæreevne. Derfor må vegens dreneringssystem fungere effektivt gjennom hele vegens levetid, ikke bare i noen få år. Først når dreneringen er i orden kan en prosjektere en økonomisk og bærekraftig løsning for selve vegkroppen.
3.1.2 Vann og elastiske egenskaper
Betegnelsen “resilientmodul” beskriver en innbyrdes avhengighet mellom spenninger og resilient (eller elastisk) deformasjon. Den brukes for å beregne virkningen av en last på vegkonstruksjonen. Fallodd brukes vanligvis for å bestemme overbygningens fasthet. Modulverdier for ulike lag i overbygningen kan beregnes ved å bruke falloddata og et utvalg av metoder for fram- og tilbakeberegning.
Et materiales resilientmodul avhenger av materialets egenskaper og omgivelser. De viktigste faktorer som påvirker resilientmodulen er:
- kornfordelingskurve (fine eller grove materialer) F.eks. reduseres resilientmodulen for finkornige materialer med inntil 60 % ved økende vanninnhold, men bare inntil 25 % for grovkornige materialer.
- jordartens tilstand og nærmiljø (fryse-tinesykluser, temperatur) F.eks. kan kan materialmodulen for siltige materialer være så lav som 2 MPa i den kritiske teleløsningsperioden, og øke opp til 100 MPa eller enda mer når materialet har tørket fullstendig.
- vanninnhold F.eks. vil en økning av vanninnholdet med 1 % i de mest vannømfintlige materialene redusere resilientmodulen med inntil 7,2 %. En økning på 1 % i materialer av god kvalitet vil derimot bare redusere modulen med 2,8 %.
Resilientmodulen kan beregnes som en funksjon av vanninnhold, tørr densitet og spenningstilstand. Følgende regresjonsligning ble funnet gjennom laboratorieanalyser:
log Mr = k1 + k2log ?1 + k3w + k4 ?d, der
k1, k2, k3 og k4 er konstante parametre for hver jordart
w – vanninnhold
?d – tørr densitet
?1– summen av hovedspenningene (1. spenningsinvariant)
Hvis alle parametre er konstante, bortsett fra vanninnholdet, kan ligningen skrives slik:
Mr = Kx10k3w der K er en konstant.
Når regresjonsligningen omformeres til å gjelde SI-enheter varierer k3 for bærelagsmaterialer mellom -0.0124 og -0.0324. For materialer i undergrunnen varierer k3 parameteren fra -0.0122 til – 0.0554.
Laboratorieundersøkelser har vist at ved konstant spenningsnivå oppnås maksimal modulverdi ved et vanninnhold lavere enn det optimale vanninnholdet (Proctor). Forskjellen mellom optimalt vanninnhold og det vanninnhold som gir høyeste modulverdi avhenger av blandingens finstoffinnhold. Jo høyere finstoffinnhold, desto mer endres sammenhengen mellom vanninnhold og modulverdi i løpet av tørr-våtsykluser i materialet.
3.1.3 Vann og egenskaper som gjelder permanent deformasjon
En kan se permanente deformasjoner i vegkroppen på vegens overflate i form av ulike typer spor. Permanente deformasjoner omfatter spordannelse og vertikale forskyvninger av vegen. Årsaken til spordannelse kan være: plastisk deformasjon i bundne lag, komprimering fra trafikklaster, dekkeslitasje, og/eller deformasjoner i bærelaget, underbygningen eller undergrunnen.
ROADEX-prosjektet lanserte en klassifisering for spor som skyldes permanent deformasjon, med fire ulike typer:
Spor av type 0. Denne typen spordannelse finner sted ved komprimering av umettede materialer i overbygningen. I praksis skjer det allltid en viss type 0-komprimering i en veg etter at den er bygd. Spor av type 0 er også vanlige når frosne ubundne lag i vegen tiner om våren. Denne typen spordannelse stabiliserer seg vanligvis selv, dvs. enhver komprimering under trafikk motvirker videre komprimering. Vann betyr vanligvis lite for spordannelse av type 0, men hvis vanninnholdet øker kan det dannes spor av type 1.
Spor av type 1. I svakere kornige materialer kan det oppstå skjærkrefter nær bilhjulet. Det kan føre til dannelse av “”dilatasjonshiv” tett inntil hjulsporet, der de kornige materialene kan få store plastiske skjærdeformasjoner med påfølgende dilatasjon, noe som gjør materialet ganske løst. Vanninnholdet betyr mye for for spordannelse av type 1. I materialer med lavt vanninnhold er matrikssug årsak til at det skapes en strekkfasthet mellom mineralpartiklene som gjør materialet stivt. Hvis det volumetriske vanninnholdet øker vil materialets skjærfasthet reduseres.
Det kan oppstå spor i hele overbygningen når den består av gode materialer. Det kan ideelt framstilles som at undergrunnen deformeres, samtidig som lagene over bøyes tilsvarende som en samlet “kropp” (dvs. uten at de endrer tykkelse). Nedbøyningen i overflaten viser seg i dette tilfellet som et bredt spor med en svak forhøyning langt fra hjulsporet (fordi det er forskyvningen av jord i undergrunnen som er årsak til dette). Liksom for spor av type 1 betyr også vanninnholdet mye for skjærfastheten i undergrunnen og for spordannelse av type 2.
Spor av type 3. I Den nordlige periferi betyr spor av type 3 hovedsakelig slitasje på vegdekket på grunn av piggdekkbruk. Slitasje på grusveger kan også forekomme hvis ikke slitelagsmaterialet har nok finstoff for å binde materialene i laget sammen (tap av grus). Men på lavtrafikkveger skjer spordannelse av type 3 nesten aldri, og en kan vanligvis bare se det der ÅDT er over 3000 kjt/døgn. Høyt vanninnhold kan bidra til at spordannelse av type 3 skjer raskere, særlig på veger med asfaltdekke. På grusveger er denne effekten svært liten, og høyt vanninnhold vil heller innebære en risiko for spor av type 1.
Leksjonen om permanente deformasjoner drøfter dette spørsmålet mer detaljert.
3.2 Vann, frost og frostens virkning
Når temperaturen i vegkroppen og undergrunnen faller under 0oC fryser alle berørte strukturer. Frosne materialer er vanligvis fastere, og bæreevnen på frosne veger om vinteren er mye bedre enn bæreevnen om sommeren. Men det vil likevel oppstå problemer hvis og når frosten har sin virkning. I Den nordlige periferi anses frostens skadevirkninger å være hovedårsaken til problemer med å ta vare på vegens tilstand.
Kapillært sug når det er frost er en av hovedårsakene til overflødig vann i vegkroppen og undergrunnen. Generelt er det tre forutsetninger som må være oppfylt for at frostens virkning – dannelsen av tele – kan finne sted. For det første må temperaturen være under 0?, for det andre må det finnes tilgjengelig vann, og for det tredje må materialet være telefarlig.
Det første som skjer når et materiale i vegen eller undergrunnen fryser er at fritt vann fryser i porene og danner sekskantete krystaller. Dermed øker vannets volum. Den frosne isen skilles fra mineraloverflaten med en tynn film av adsorbert vann. Dette området, der ufrosset vann finnes ved telefronten, kalles “frysefingeren”. Negativt poretrykk som skyldes kapillært sug får vannmolekyler til å bevege seg gjennom telefronten til et sted der det dannes islinser, og disse voksende islinsene er årsak til telehiv i overliggende lag. “Kapillarrør” som leder vannet fram til islinsene blir mindre ved fallende temperatur. Ved en temperatur på -5oC kan det vannet som ikke er frosset utgjøre 2–12 % av totalt vannvolum før frosten inntrer, avhengig av materialets egenskaper. Hvis temperaturen faller ytterligere vil mengden ufrosset vann bli mindre inntil vannet slutter å strømme til telefronten.
I praksis betyr dette at en regnfull høst etterfulgt av en mild forvinter med daglige temperaturer mello 0oC og -5oC vil være “dårlig nytt” for veger, da store mengder islinser vil dannes nær vegens overflate. Når dette laget senere tiner vil vannnnholdet i vegen bli over 100 %. Derimot, hvis de daglige temperaturene tidlig om vinteren er svært lave vil telefronten gå raskt ned til dypereliggende lag der dannelsen av islinser ikke vil gjøre så stor skade på vegen.
Når tiningen begynner er det sannsynlig at store mengder vann, smeltet snø og nedbør fra vårregnet vil samles opp på og nær vegen. I områder der den årlige gjennomsnittstemperaturen er lav begynner tiningen vanligvis øverst i vegen og fortsetter nedover. Samtidig skjer det noe tining fra den nedre telefronten og oppover. F.eks. i Finland tiner telen nedover og oppover, og de to telefrontene møtes 1,1 – 1,3 m under vegens overflate. Det betyr at tidlig om våren vil vann fra tining øverst i vegen “flyte” oppå en nesten ugjennomtrengelig tele lenger nede i vegkroppen og undergrunnen. Dette overflødige porevannet kan gi store permanente deformasjoner under hjullastene fra tunge kjøretøyer.
Oppfølgingsundersøkelser i ROADEX på demonstrasjonsprosjekter for drenering i Finland ga noen interessante resultater om islag i grøfter og om behovet for drenering som fungerer godt når snøen begynner å smelte og vannet begynner å fylle grøftene. Resultater fra målinger av telehiv med mobil laserskanner viste at store telehiv kan oppstå på deler av vegen med islag i grøftene, eller der grøftene ble fylt med vann under snøsmeltingen. Resultatene viste at vannet kan strømme fra grøftene til permeable frosne lag i vegen, og der danne islinser som gir telehiv. Derfor bør en være nøye med å sikre at grøftene fungerer godt gjennom vinteren og tidlig om våren.
3.3 Sesongvariasjoner
Vanninnholdet i en vegkropp varierer mellom de ulike årstidene. Om sommeren reduseres vanninnholdet sakte, hovedsakelig på grunn av fordamping. Når høsten kommer begynner det å øke igjen på grunn av mer nedbør og mindre fordamping når temperaturen faller. I kalde områder fryser vegen og undergrunnen om vinteren, og innholdet av ufrosset vann når sin laveste verdi. I varmere områder, som Skottland og Irland, har vanninnholdet i vegen sin høyeste verdi etter kraftig regn etterfulgt av fryse-tinesykluser. Om våren når vegen begynner å tine øker vanninnholdet raskt og når årets maksimale verdi. Mot sommeren synker det igjen og blir mer stabilt. Topper i grafer som viser vanninnhold skyldes vanligvis kraftig nedbør, fryse-tinesykluser og teleløsning om våren.
3.4 Vann og bundne lag
Permeabiliteten i bundne lag avhenger av størrelsen av hulrom og innbyrdes forbindelser mellom disse. Undersøkelser har vist at permeabiliteten i asfalt er ubetydelig når det er mindre enn 7-8 % luftfylte hulrom. Hvis innholdet av luftfylte hulrom blir større kan permeabiliteten øke raskt. Sannsynlig årsak til dette er at ved så høyt poretall blir innbyrdes forbindelse mellom hulrommene mulig. Også asfaltblandinger med høyt innhold av luftfylte hulrom kan bli produsert og lagt ut på ukorrekt måte, og permeable riss og sprekker kan bli værende i dekkematerialet. Utvidelse av vannfylte luftporer i asfalt når den fryser kan også gi økt hulromsinnhold.
Hvis det bundne overflatelaget får skader kan mye vann infiltrere vegkroppen gjennom små og store sprekker. De faktorer som påvirker hvor mye vann som kan trenge gjennom asfaltlaget er: hvor mye vann kan renne gjennom sprekken eller skjøten, omfanget av oppsprekking, størrelsen på arealet som drenerer hver sprekk, og nedbørens intensitet og varighet.
Vegdekker som har vært utsatt for vann (og salt til isfjerning) kan begynne å miste tilslagsmateriale for tidlig. Dette fenomenet kalles steinslipp og kan være årsak til slaghull.
Dekkeskader kan noen ganger skyldes alvorlig forvitring av de bituminøse lagene på grunn av at materialer med dårlig kvalitet adsorberer vann. De kan også skyldes dårlig drenering under de bundne lagene (“stripping”). Stripping er særlig et problem der det er tykke bundne lag i overbygningen. Store mengder vann under bituminøse lag kan gi høyt hydraulisk trykk nederst i det bundne laget når det utsettes for belastning fra tungtrafikk. Dette virker som en trykkspyling og bryter forbindelsen mellom bitumenet og tilslagsmaterialets overflate. Hvis dekket er porøst kan det også føre til pumping.
Til slutt kan nevnes at vann virker inn på komponenter i bituminøse materialer og forbindelsene mellom dem også uten at det påføres en ytre mekanisk last. En har funnet at følgende fysiske prosesser skyldes vann:
1) molekylær diffusjon av vann gjennom komponenter i asfaltblandingen
2) transport ved adveksjon, dvs. “utvasking”, av bitumenemulsjon på grunn av vannstrømmen som beveger seg gjennom de sammenbundne makroporene
3) frostens virkninger
Mekaniske prosesser som har vist seg å skyldes vann er:
1) forekomst av felt med intenst vanntrykk inne i blandingen, som skyldes trafikklaster, og
2)“pumping”.
I praksis virker alle fysiske prosesser som bryter ned materialer sammen med de mekaniske prosessene slik at de til sammen påfører blandingen en “vann-mekanisk” skade. I tillegg kan utstrakt bruk av salt til isfjerning, kombinert med fryse-tinesykluser, gi alvorlige skader på bituminøse vegdekker.
Andre referanser enn informasjon og publikasjoner fra ROADEX som er brukt i dette kapitlet: Andrew Dawson: Water in road structures