2.1. Allmänt om vatten

En vattenmolekyl består av en syreatom och två väteatomer. Väteatomerna skapar en vinkel på 104,5° med syreatomen. Vattenmolekylen är polär, vilket innebär att syreatomen har en svagt negativ laddning. Syreatomen, som ett elektro-negativt element, binder elektroner närmare till sig själv och det är därför väteatomerna förblir milt positiva atomer. Syre-väte-länkens längd är 0,96Å.

Den lokala omgivningens temperatur och tryck påverkar det lokala vattnets tillstånd. I vägöverbyggnader och undergrundsjordar i områden med kallt klimat kan vatten förekomma i tre olika tillstånd: fast (is), flytande (vatten) och gasformigt (vattenånga). Mängden av och tillståndet hos det närvarande vattnet (d v s flytande eller fruset) påverkar prestandan hos materialen i vägen och undergrundsjordarna. Det bör också hållas i minnet att vattnets form, det upplösta luftinnehållet och kolloidinnehållet, alla har stor effekt på materialens styvhet, egenskaper för permanent deformation samt tjälfarlighet. Dessa faktorer, samt den generella terminologi som används vid diskussioner kring vatten i vägmaterial och undergrundsjordar, beskrivs i följande stycken.

2.2. Fritt vatten – bundet vatten, mättnad, porositet

I allmänhet kan rinnande vatten i jordar och obundna material klassificeras som 1) adsorptionsvatten, också kallat hygroskopiskt vatten, 2) visköst vatten, eller kapillärt vatten och 3) fritt vatten. En enklare klassificering delar in vatten i två former: a) bundet vatten och b) fritt vatten.

2.2.1. Bundet vatten

Adsorptionsvatten

Då vattenmolekylen är polär, och eftersom den största delen av mineralers ytor har en negativ laddning, är vattenmolekyler närmast mineralytan mycket välordnade. Detta adsorptionsvatten består av två lager; ett tätt och ett löst bundet lager. Tjockleken hos det tätt bundna adsorptionsvattenlagret är ca 0,002 μm. Adsorptionsvatten kondenseras på ytan hos jordpartiklar direkt från vattenångan i luften. Kring det tätt bundna lagret finns ett löst bundet lager med adsorptionsvatten. Lagertjockleken där varierar från 0,002 μm till 0,006 μm. Salt reducerar lagrets tjocklek och hjälper på så sätt till med att packa samman materialet.

Adsorptionsvatten kan också kallas för bundet vatten då det kan fungera som ett ”bindemedel” mellan jordpartiklar och genererar dragstyrka hos det torra materialet. Det är också därför torra, obundna material kallas för ”vattenbundna” material i vissa länder.

Mängden adsorptionsvatten styrs också av den specifika ytans area hos mineraler. Ju större den specifika ytans area är, desto högre är innehållet av adsorptionsvatten. Allt adsorptionsvatten är dock inte skadligt för materialets prestanda. Exempelvis kan järnoxider adsorbera stora mängder vatten, men detta vatten orsakar inga problem med prestandan för de obundna materialen.

Visköst vatten eller kapillärt vatten

Den fuktighet i jorden som inte är bunden runt mineralkornen som hygroskopiskt vatten, och som inte reagerar på gravitation, kallas vanligtvis för visköst vatten eller kapillärt vatten. Kapillärt vatten kan också delas in i ”inre” och ”yttre” lager. När obundna material packas samman ligger det optimala vatteninnehållet i vägmaterial där det inre kapillära lagret förändras till ett yttre kapillärt lager. Kapillära krafter är också mycket viktiga faktorer för vägens tjällyftningsprocess.

Menisker eller kontraktil hinna

Kapillära menisker, som också kallas för kontraktil hinna, formas mellan partiklar och luft i omättade jordar och obundna material. Luft-vatten-gränssnittet är bara några få molekyler tjockt men dess närvaro är mycket viktig för jordmekaniken på grund av dess förmåga att utöva dragspänning. Denna förmåga kallas för ytspänning. Ytspänningens storlek beror på temperaturen; om temperaturen ökar minskar storleken.

Faktumet att ett torkande obundet material har en bättre styvhet vid samma vatteninnehåll än ett obundet material som blir våtare har förklarats av det faktum att meniskerna är konkava och bättre strukturerade när de torkar, jämfört med fall där meniskerna är konvexa när nya vattenmolekyler tar sig in i systemet och bryter upp den molekylära menisk-strukturen. Detta fenomen kallas också för hysteres.

Menisker eller kontraktil hinna är en viktig faktor i matristrycket, som beskrivs senare i denna lektion.

2.2.2. Fritt vatten

Fritt vatten (kallas också gravitationsvatten) rör sig genom jordhålrummen i enlighet med gravitationskraften. Det är viktigt att vara upplyst om fritt vatten då vägdräneringssystem kan påverkas av mängden av denna vattentyp. Mängden fritt vatten har en direkt påverkan på bärighetens minskning. Det försvagar också vägkanternas stabilitet och orsakar kantsättningar och erosion. Fritt vatten är en viktig faktor i frys-tö-processen. Under hösten, när temperaturen hos obundna mineraler eller jordar faller under 0°C, fryser det fria vattnet först och formar sexkantiga kristaller vilket ökar dess volym och orsakar tjällyft.

2.2.3. Mättade och omättade material

Beteendet hos material vid belastning av trafik varierar stort beroende på om materialet är mättat av vatten, eller omättat. I mättade material är alla porutrymmen fyllda av vatten, vilket är fallet med material under grundvattennivån. I omättade material är porutrymmena fyllda av både vatten och luft. Det är viktigt att ha i åtanke att i dessa blandningar av mineral, vatten och luft är luften det enda material som går att komprimera, och att luft delvis kan lösas upp i vatten vid högt tryck.

2.2.4. Porositet, portal och vattenmättnad

Porositet

För vägmaterial och undergrundsjordar innebär termen porositet (n) hålrumsvolymens procenthalt i förhållande till den totala volymen. Den beräknas

n = (V_v (100)) / V, där

V_v= hålrumsvolym, V = total volym

Porositeten varierar beroende på jordtyp. Typiska värden presenteras i tabellen:

Referens: Jordmekanik för omättad jord

Portal

Portal (e) bestäms som förhållandet mellan hålrumsvolymen och volymen av fasta jordar. Den beräknas med följande ekvation:

e = V_v / V_s , där

V_v= hålrumsvolym, V_s = volymen av fasta jordar

Portal varierar också beroende på jordtyp. Typiska värden presenteras i tabellen:

Referens: Jordmekanik för omättad jord

Vattenmättnadsgrad

Procenten av det hålutrymme som innehåller vatten betraktas som vattenmättnadsgraden (S).

S = (V_w(100)) / V_v , där

V_w= vattenvolym, V_v = hålrumsvolym

Hålrumshalten varierar också beroende på jordtyp. Typiska värden presenteras i tabellen:

Referens: Jordmekanik för omättad jord

Omättade jordar kan delas in i ytterligare tre grupper beroende på om luftfasen är ”kontinuerlig” eller ”tillsluten”. Klassificeringen kan göras i enlighet efter vattenmättnadsgraden.

• S < 80%, omättad jord med kontinuerlig luftfas
• S > 90%, omättad jord med tillslutna luftbubblor
• 80% < S < 90%, övergångszon mellan kontinuerlig luftfas och tillslutna luftbubblor.

80 %-gränsen är en viktig faktor vid diskussioner kring dynamiska laster orsakade av trafik i rörelse och den visar att vägmaterial inte måste vara helt mättade när en förändring i deras prestanda börjar ske.

2.3. Interaktion mellan luft och vatten

2.3.1. Vatten- och luftblandningar

Vatten och luft kan föras samman som blandbara och/eller icke-blandbara blandningar. Den icke blandbara blandningen är en kombination av fri luft och vatten utan någon interaktion. Luft och vatten separeras av den kontraktila hinnan. En blandbar luft-vatten-blandning kan ha två former; luft upplöst i vatten, och vattenånga närvarande i luft. Luft som löses i vatten kan ta upp ca 2 % av vattnets volym.

När en last appliceras på ett vägmaterial eller en undergrundsjord där vatteninnehållet i hålrummen är mer än 80 % börjar luften blandas med vattnet. Den här processen då luft löses upp i vatten kan delas in i två steg. Först komprimeras luften (Boyles lag), därefter löses luften upp i vattnet (Henrys lag). Mängden luft som löses upp i vatten är tidsberoende och när lasten tas bort inleds en omvänd process, som kan ta längre tid. Denna process fungerar också som förklaring till den återhämtningstid och det viskoelastiska beteende som finns hos vägmaterial.

2.3.2. Kompressibilitet

Det mekaniska beteendet hos omättade jordar och vägmaterial påverkas direkt av förändringar i por-luft- och por-vatten-trycken. Portryckstillstånd kan delas in i två klasser. 1) De portryck som förknippas med flödet eller läckaget av vatten genom jordar, och 2) portryckstillstånden som genereras vid applicering av en extern last.

Vid kompression flödar inte por-luft och por-vatten ut ur jorden. Volymen förändras som ett resultat av kompressionen. Volymförändringen i porflödet (d v s fri luft, fritt vatten och luft upplöst i vattnet) är beroende av förändringen i porluft- och porvattentrycken. Porluft- och porvattentrycken ökar när omättad jord komprimeras.

2.3.3.Löslighet

Volymen av luft upplöst i vatten är i huvudsak oberoende av luft- och vattentrycken. Luftlösligheten kan beskrivas med den ideala gaslagen och Henrys lag. Den ideala gaslagen säger att det absoluta trycket i den upplösta luften är lika med det absoluta trycket för den fria luften under jämviktsförhållanden. Jämviktsförhållandet uppnås när trycket för den fria luften och den upplösta luften är lika. Om lasten sedan ökas så upprepas processen.

2.4. Kemiska och elektriska egenskaper hos vatten i jordar och obundna stenmaterial

2.4.1. Kemiska komponenter i vatten

Vattnet i jordar och obundna stenmaterial innehåller vanligtvis oorganiska och organiska material i varierande former. Dessa kan antingen vara lösliga eller vara en komponent i en stabil suspension. Den senare formen är viktig för det mekaniska beteendet hos material. De viktigaste komponenterna beskrivs nedan:

a. Joner. Två typer av joner återfinns alltid i vatten: 1) katjoner och 2) anjoner. En katjon är en jon med färre elektroner än protoner vilket ger jonen en sammanlagd positiv laddning. Dessa positiva joner attraherar negativa hörn av vattenmolekyler och vice versa. Katjoner dras till negativt laddade mineralytor. En anjon är däremot en jon med fler elektroner än protoner vilket ger jonen en sammanlagd negativ nettoladdning.

b. Organiska komplex. Organiska komplex i vägmaterial ökar deras vattenadsorptionsegenskaper och minskar därför deras motstånd mot permanent deformation. Detta går till exempel att observera på grusvägar med stora mängder organiska föreningar i slitlagren som lätt blir hala och förlorar friktion vid regn. Utöver att ge hög plasticitet och låg styrka kan närvaron av organiskt material i vägmaterial också öka kompressibiliteten och krympningen, vilket leder till sprickor när material sedan torkar igen.

c. Kolloidpartiklar i suspension. För att förstå porvattens beteende är det viktigt att förstå de egenskaper kolloidpartiklar har i porvatten under olika förhållanden. Kolloidpartiklar är definierade att ligga mellan upplösta sammansättningar och partiklar i suspension med en partikelstorlek mellan 10^-6 – 10^-9 m. De dominanta egenskaperna i kolloider är hög plasticitet och molekyladsorption. I vägmaterial och undergrundsjordar kan kolloider klassificeras som a) hydrofila kolloider och b) hydrofoba kolloider.

Kolloidpartiklars betydelse har inte kartlagts helt vad gäller deras funktion i vägmaterial och undergrundsjordar. En anledning till detta är deras storlek, som är mycket mindre än lerpartiklar. Det är också därför det är extremt svårt att analysera dem.

Forskningsprojekt i Finland rörande obundna material med dåliga prestanda har resulterat i upptäckten av olika typer av kolloider i de testade obundna stenmaterialen. Kolloider gick också att finna i insamlad data från Percostation vår-tö-övervakningsstationer. Dessa visar att det i början av ytuppmjukningsperioderna, när vägmaterial tinar, alltid finns en topp i den elektriska konduktiviteten som kan förklaras av ökningen i antalet kolloider i vägytan som frigörs från lermineralytorna i vattenfasen. Samtidigt blir vägytan mycket plastisk. Sedan faller den elektriska konduktiviteten, vilket indikerar att kolloiderna flockulerar (d v s samlas i grupper) samtidigt som ytmaterialet börjar torka och förlorar sin plasticitet. Koaguleringen och flockuleringen av kolloider styrs av pH-värdet i porvattnet.

Lermineraler och kolloider kan jämföras med organiska föreningar i liknande storlekar. Lermineraler är lika stora som bakterier medan kolloider är lika stora som virus. I framtiden kanske det visar sig att kolloider är lika farliga för vägars hälsa som virus är för människor…

d. Adsorberade joner på partiklar i suspension. Hydrofila kolloider adsorberar hydratiserade joner omgivna av löst bundet vatten till sina ytor vilket leder till att alla hydrofila kolloider omges av ett vätskemembran. Vid cyklisk belastning kan detta leda till en ökning i porvattentryck.

Porvattens pH-värde

En av de viktigaste kemiska egenskaperna hos porvatten i obundna vägmaterial är pH-värdet. pH-värdet har en betydande inverkan på vätebindningarna inuti material och därmed också på dragkrafterna. Om ett materials salthalt och/eller koldioxidinnehåll ökar, så sjunker samtidigt materialets pH-värde. Ett lågt pH-värde ökar dragkrafterna mellan de positivt laddade mineralkanterna och de negativt laddade mineralytorna och får sammansättningarna i porvattnet att flockulera eller att förbli flockulerade på mineralytorna. Om porvattnets pH-värde istället är högt förblir partiklarna i suspension i porvattnet och materialet blir mer känsligt för permanent deformation.

2.4.2. Vattens elektriska egenskaper

De elektriska egenskaperna hos vägmaterial och undergrundsjordar kan beskrivas genom deras känslighet för magnetism, elektrisk konduktivitet och dielektriskt värde. Av dessa kan känsligheten för magnetism ignoreras i Norra Periferi-området. Däremot kan dielektriskt värde och elektrisk konduktivitet ha en effekt på ett flertal fenomen relaterade till vägprestanda. Genom att mäta och analysera parametrar kan information erhållas för ett antal olika problem såsom känslighet för permanent deformation, tjälfarlighet, fuktinnehåll, innehåll av ofruset vatten i frusen jord, innehåll av finmaterial, kloridinnehåll och skador i asfalt och betong.

Det dielektriska värdet ger ett mått på det volymetriska vatteninnehållet hos ett material. Det ger också information om mängden fritt vatten i materialet genom att mäta hur de polära molekylerna rör sig i ett föränderligt (AC) elektriskt fält.

Ett flertal faktorer kan påverka den elektriska konduktiviteten och dielektriciteten:

• mediets struktur
• storleken hos de strukturella elementen
• elementens elektrokemiska natur
• porositet
• volymetriskt vatteninnehåll
• vattnets fördelning (mängden fritt vatten)
• jonkoncentration
• temperatur
• tryck
• densitet

2.5. Vatteninnehåll och metoder för att definiera det

Vid diskussioner om vatten och dess egenskaper i vägmaterial och undergrundsjordar är den mest populära termen ”vattenhalt”. Vattenhalt är dock en generell term och en tydlig definition bör alltid ges för huruvida det handlar om gravimetrisk eller volymetrisk vattenhalt, och hur halten mäts, d v s begränsat till fritt vatten eller inklusive bundet vatten. Definitionerna av gravimetriska och volymetriska vattenhalter och deras mättekniker diskuteras i följande avsnitt.

2.5.1. Gravimetrisk och volymetrisk vattenhalt

Den gravimetriska vattenhalten (w) för ett material definieras som förhållandet mellan vattnets och det fasta ämnets massa.

w(%) = (M_w(100)) / M_s , där

M_w= vattnets massa, M_s = den fasta jordens massa

Detta innebär att mineralogin och densiteten hos ett obundet stenmaterial har stor effekt på den gravimetriska vattenhalten och därför kan inte den gravimetriska vattenhalten jämföras mellan olika typer av obundna stenmaterial. Gravimetrisk vattenhalt ger dessutom ingen information om densiteten eller vattenmättnad för ett material. Trots dessa nackdelar är gravimetriskt vattenhalt fortfarande den mest populära parametern som används för att beskriva vatteninnehåll då det är så enkelt att mäta.

Den volymetriska vattenhalten (Ө_w) för ett material definieras som förhållandet mellan vattenvolymen och den totala volymen.

Ө_w = (V_w / V , där

V_w= vattenvolymen, V = den totala jordvolymen

Volymetrisk vattenhalt ignorerar de inblandade mineralernas torra densitet och är en bättre parameter för att diskutera det mekaniska beteendet hos vägmaterial och undergrundsjordar. Detta beror på att volymetrisk vattenhalt också kan presenteras i termer av porositet, vattenmättnadsgrad och portal:

Ө_w = (SV_v) / V , där

S = vattenmättnadsgraden, V_v= hålrumsvolymen, V = den totala jordvolymen

or

Ө_w = Se / (1+e), där

S = vattenmättnadsgraden, e = portalet

Vid beräkning av relationer mellan volym och massa är det bra att veta vissa grundfakta om jorddensitet. Den totala densiteten och den torra densiteten är de mest använda definitionerna. Den totala densiteten, även kallad skrymdensitet, för en jordart (ρ) är förhållandet mellan den totala massan och den totala jordvolymen.

ρ = M / V, där

M = totala massan, V = den totala jordvolymen

Den torra densiteten för ett material (ρd) definieras som förhållandet mellan kornens massa och den totala jordvolymen.

ρ = M_s / V, där

M_s = massan hos kornens, V = den totala jordvolymen

De maximala och minimala torrdensiteterna varierar mellan olika material. Vissa typiska exempel visas i tabellen nedan:

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

Användningen av volymetrisk vattenhalt är ofta mycket mera passande än gravimetrisk vattenhalt eftersom den är mer direkt anpassningsbar efter flödesberäkningar, och addering och subtrahering av vatten i en jord. Dessa två olika sätt att beräkna vatteninnehåll förklarar skillnaderna mellan olika studier då gravimetrisk vattenhalt beror på skrymdensiteten hos ett material och är ca 1,5 till 2 gånger mindre än volymetrisk vattenhalt.

Graden av komprimering påverkar vattenhalten. Ett komprimerat material har en högre volymetrisk vattenhalt än ett löst material. Vid komprimering blir hålrumsvolymen mindre (d v s porerna blir delvis fyllda med vatten) samtidigt som jordpartiklarna ökar i densitet.

När jordpartiklar närmar sig varandra under komprimering lossar det vatten som tidigare bundits till partiklarna och blir istället obundet, fritt vatten. Detta får det dielektriska värdet att stiga i takt med att mängden obundet vatten ökar.

2.5.2. Traditionella testmetoder i laboratorium

Det finns många sätt att mäta gravimetrisk vattenhalt i laboratorier men de vanligast använda metoderna är ugnstorkningsmetoden och kalciumkarbid (CaC₂)-gastryckmätar-metoden.

Den enklaste metoden för att definiera gravimetrisk vattenhalt är ugnstorkningsmetoden. Ett jordprov med naturligt fuktinnehåll vägs först och torkas sedan i en konvektionsugn vid en temperatur på 105°C ± 5°C. Torkningstiden beror på diverse parametrar såsom jordtyp, provstorlek och ugnens egenskaper. 16-24 timmar är vanligtvis tillräckligt. Torkningen bör ta så lång tid som krävs så att en konstant vikt för provet nås. Efter att provet har torkat vägs det igen och de gravimetriska vattenhalten beräknas enligt ekvationen nedan:

w = (m₁ – m₂) / (m₂ – m_c) * 100 = m_w / m_d * 100, where

w = vattenhalt,
m₁ = behållarens massa + vått prov,
m₂ = behållarens massa + torrt prov,
m_c = behållarens massa,
m_w = vattnets massa,
m_d = det torkade provets massa

Kalciumkarbid-gastrycksmetoden baseras på faktum att vatten i jordprover absorberas av kalcium-karbonat och formar acetylen-gas som ett resultat av en kemisk reaktion. Acetylen-gasens tryck står i direkt proportion till mängden acetylen och därför också till mängden vatten i provet. Fuktinnehåll som mäts på det här sättet är också gravimetrisk vattenhalt.

Det finns inga specificerade instruktioner för hur volymetrisk vattenhalt ska mätas i laboratorier, men rent generellt inleds mätningen med att först mäta den exakta volymen för provet och sedan torka provet i en ugn i likhet med den gravimetriska vattenhaltmetoden. Detta ger vattnets vikt och det obundna materialets vikt. Efter det kan det obundna materialets densitet definieras med hjälp av olika metoder och den volymetriska vattenhalten kan beräknas med utgångspunkten att vattendensiteten är 1,0 g/cm³.

2.5.3. Andra testmetoder i laboratorium och i fält

Vatteninnehåll kan mätas i laboratorium och i fält med hjälp av flera olika testmetoder och instrument. I dagsläget är tidsdomän-reflektometri (TDR) den mest populära tekniken för att mäta fuktinnehållet i en jord vid fältundersökningar. Andra metoder som kan användas för att mäta fuktinnehållet i jorden är kapacitans-baserade sensorer och georadar (GPR). Även nukleära mätare och nukleär magnetisk resonans (NMR) används ibland. Elektrisk konduktivitet har också använts för att mäta vatteninnehåll men metoden påverkas av temperatur och kolloidalt tillstånd och är därför inte pålitlig. Bra metoder är TDR, kapacitans-baserade provsonder och GPR, där alla metoder mäter det dielektriska värdet i materialet, som är en funktion av materialets volymetriska innehåll. Baserat på mätfrekvensen som används vid dessa mätningar går det att göra en grov uppskattning av det fria och bundna vattnet i materialet. Beskrivningar av dessa tekniker följer nedan.

TDR-tekniken sänder en elektromagnetisk puls genom jorden och registrerar de resulterande förändringarna i dess dielektriska permittivitet (dieletriskt värde, dielektrisk konstant). När TDR används för att mäta vatteninnehåll i frusen jord bör det noteras att värdet för den dielektriska konstanten för frusen jord är ca 4, snarare än 1, vilket har antagits i en del tidigare tester.

Kapacitans-baserade sensorer kan användas för att mäta det volymetriska vatteninnehållet i en jord genom att mäta dess dielektriska värde. Sensorerna upptäcker om förändringar sker i det fria vatteninnehållet i jorden eller det obundna vägmaterialet genom att mäta förändringarna i kapacitansen jämfört med luftens kapacitans. Arbetsfrekvensen är normalt 50 – 100 MHz. Kapacitans-baserade sensorer kan användas i jordar som har ett högre saltinnehåll där TDR-metoden inte går att använda. För att få pålitliga mätningar är det mycket viktigt att ha bra kontakt mellan jord och sensor. Om vatteninnehållet mäts måste sensorerna kalibreras för att vara jordspecifika. Kapacitansbaserade sensorer rekommenderas av ROADEX-projektet för användning vid tubsugningstest för att utvärdera fuktkänslighet och tjälfarlighet i bärlagermaterial, och för att testa bärlager-stabilisatorer och behandlingskemikalier.

Referenser: Kolisoja & Vuorimies report: Material Treatment Techniques

Georadar (GPR) är en icke-förstörande markundersökningsmetod som kan används vid undersökning av vägar, järnvägar, broar, flygplatser, miljöobjekt, etc. Dess huvudsakliga fördel är att den ger en kontinuerlig profil av vägöverbyggnader och undergrundsjordar, och som en konsekvens av detta blir tekniken ett allt viktigare verktyg, speciellt vid strukturella utvärderingar av lågtrafikerade vägar. En annan viktig fördel vid vägundersökningar är att metoden inte hindrar övrig trafik på vägen.

Metoden bygger på att små pulser av elektromagnetisk energi skickas genom material med antingen en luftburen eller markbunden antenn. När en elektromagnetisk våg träffar gränslinjen mellan material som har olika dielektriska konstanter reflekteras delar av vågen tillbaka till ytan och fångas sedan upp av mottagarantennen. Resten av vågen rör sig antingen vidare genom underliggande material eller sprids i ett flertal riktningar. Dielektriskt värde hos material kan mätas med olika GPR-ljudtekniker, som t ex WARR och CMP. Den luftburna antenn-reflektionstekniken kan också användas för att detektera vatten. Platser med fuktiga områden och ofruset vatten i frusna jordar eller vägkonstruktioner kan också bestämmas från GPR-data.

2.6. Vatten och termodynamik

2.6.1. Allmänt, termodynamisk balans

Årstidsväxlingar har stor effekt på vägkonstruktioners beteende i det Norra Periferi-området genom de föränderliga marktemperaturerna och volymetriska vattenhalterna. Frys-tö-processer är en huvudsaklig orsak till vägdefekter och faktum är att mer än hälften av beläggningsskadorna i nordliga vägnät uppstår under våren. Under den svagaste perioden på våren kan en enda lastbil orsaka betydande vägskador. För att förstå processerna bakom sådana problem är det viktigt att förstå litet grundläggande termodynamik.

En väg är ett termodynamiskt system som utbyter material och energi med sin omgivning. Systemet anses vara i termodynamisk balans om det inte förändras med tiden. Villkoren för balans är: temperaturbalans, kemisk balans och mekanisk balans. En vägkonstruktion som utsätts för dynamisk trafikbelastning och fryser under vintern, och tinar och värms upp under sommaren, lever inte upp till dessa villkor. Och när termodynamiken i en väg är i obalans är vatten den viktigaste substansen som förflyttar krafter för att balansera upp instabiliteten.

2.6.2. Sugegenskaper hos omättade jordar och vägmaterial

I jordar och obundna material med lågt fuktinnehåll kan sugning framkalla spänningar mellan jordpartiklar i porvattnet och öka materialets styvhet vilket leder till ett högt modulvärde. Om fuktinnehållet sedan ökar kommer sugningen att minska tills det positiva porvattentrycket som genereras reducerar materialets motståndskraft mot permanent deformation vid högt vatteninnehåll. De viktigaste sugkomponenterna i den mekaniska prestandan för obundna vägöverbyggnader och undergrundsjordar är 1) matristryck, 2) osmotisk sugning och, i områden med kallt klimat, 3) kryosugning. Summan av matristryck och osmotisk sugning kallas också för ”total sugning”.

Matristryck styrs huvudsakligen av portalet, hålstorleken och mängden finmaterial i materialet, medan mängden joniska sammansättningar styr nivån för osmotisk sugning. Ett bra exempel på sugning i vägar är det sätt på vilket dragstyrka kan uppstå i slitlagermaterialet hos en grusväg, och hur dess motståndskraft mot dammning kan öka genom användning av en dammbindare. Att öka innehållet av finmaterial i ett slitlagermaterial ökar matristrycket, och tillägget av en dammbindare (klorider) i materialet ökar osmotisk sugning.

Kryosugning blir effektiv när jordens eller vägmaterialets temperatur går ner under 0°C. Kryosugning är oberoende av total sugning. Kryosugning är kraften som får vatten (om det finns tillgängligt) att flöda mot frysningens front och forma segregerad is.

2.7. Grundvatten – kapillär zon – mellanliggande omättad zon

Vatten i vägöverbyggnader och undergrundsjordar kan delas in i två eller tre större zoner där de termodynamiska krafterna är olika. Den lägsta zonen är grundvattenzonen där porerna i materialen är helt mättade med vatten. Grundvattenytan separerar den omättade och den mättade zonen. Den omättade zonen kan kallas för den ”vadosa” zonen medan den mättade zonen kan kallas för den ”freatiska” zonen.

Den vadosa zonen kan delas in i ytterligare tre zoner:

• den kapillära zonen (eller kapillära periferin),
• en mellanliggande omättad zon (adsorptions-vattenzonen) och
• ytvattenzonen.

Den kapillära zonen ligger ovanför grundvattenytan och vatten i den kapillära zonen dras uppåt från grundvattennivån genom matristrycket. Som tidigare beskrivits styrs kapillära krafter (matristrycket) av porernas storleksfördelning i materialet och den kapillära stigningen blir större när porstorlekarna är mindre. Kapillärzonens tjocklek kan variera från några centimeter (som för grovkorniga jordar) till några meter (som för finkorniga jordar).

I den adsorptiva/mellanliggande vadosa zonen hålls vattnet kvar av sugkrafter. När ytlagret (beläggningen) är i bra skick och ogenomträngligt bör vattnet i denna zon vara relativt konstant med ett vatteninnehåll motsvarande eller i närheten av fältkapaciteten. Under tjällossningsperioden på våren eller våta perioder kan vatteninnehållet vara högre. När beläggningen är sprucken rinner vatten från vägytan ner genom den mellanliggande vadosa zonen till den kapillära zonen.

Ytvattenzonen är belägen närmast ytan. När beläggningen eller slitlagret är i bra skick bör vatteninnehållet i denna zon vara relativt konstant, nära fältkapaciteten eller lägre beroende på atmosfäriska förhållanden. När beläggningen är sprucken eller blir skadad kan vatten på vägytan leta sig ner i vägöverbyggnaden genom sprickor. Under regniga perioder kan vatteninnehållet i ytvattenzonen öka, och till och med bli helt mättat.

2.8. Vad händer när en väg/jord fryser?

Olika processer och krafter tar över i marken när temperaturen faller under 0˚C och vatten i marken börjar frysa. Det första vattnet som fryser är vattnet i de största vattenfyllda hålrummen; med andra ord fryser det fria vattnet först vid temperaturer mellan 0° och minus 0,5˚ C. Då uppstår en stark kryosugningskraft vid frysningens front. Den har förmågan att adsorbera och fånga in vattenmolekyler från ett betydande avstånd under frysningens front om det finns fritt vatten tillgängligt. Detta kan expandera porerna och luckra upp de obundna materiallagren. När detta material sedan med tiden tinar resulterar det i ett överskott av vatten i lagret som gör det svagare och därför också känsligt för permanent deformation.

Finkorniga jordar har en stor specifik yta och kan hålla stora mängder ofruset adsorptionsvatten när temperaturer faller under 0˚C. Under – 0,5˚ C börjar adsorptionsvattnet att frysa och vatten dras mot frysningens front.

Tjällyftningens höjd beror delvis också på den lokala omgivningens temperatur. Om temperaturen faller snabbt, t ex ner till -10°C, kommer islinser inte att hinna växa så mycket som de gör när temperaturen faller långsamt. De jordegenskaper som påverkar mängden ofruset vatten i marken är; de mineralogiska egenskaperna hos jord, saltinnehåll, dess kornighet, jordpartiklarnas specifika yta och ytspänning.

Andra referenser än ROADEX-information och -publikationer som används i detta kapitel: Andrew Dawson: Water in road structures D. G. Fredlund & H. Rahardjo: Soil mechanics for unsaturated soil