Like and follow us on Facebook

3. Vatten och mekaniska egenskaper hos vägar

3.1. Vatten och bärighet

3.1.1. Allmänt

Överskott av fukt är den huvudsakliga anledningen till de flesta bärighetsproblem och vägskador på lågtrafikerade vägar. Ett exempel på detta finns i grundvattnets flöde under vägar som byggts på sidlutande mark. Flödet kan blockeras om det finns berggrund, frusen jord eller ogenomträngliga material nära vägytan, vilket kan få vattnet att istället röra sig mot vägkonstruktionen vilket ökar fuktinnehållet och reducerar bärigheten. Av den anledningen måste vägavvattningssystem fungera effektivt under beläggningens hela livslängd – och inte bara under ett fåtal år. När dräneringen är i ordning kan en ekonomisk och hållbar strukturell lösning utformas.


3.1.2 Vatten och resilienta egenskaper


Termen ”resilientmodul” beskriver det ömsesidiga beroendet mellan spänning och resilient (eller elastisk) töjning och används för att beräkna hur en last påverkar vägkonstruktionen. Fallviktsdeflektometern (FWD) används generellt för att bedöma styvheten hos en överbyggnad. Modulerna i de olika överbyggnadslagren kan beräknas med hjälp av FWD-data och ett antal metoder för bakåt- eller framåträkningar.

Resilientmodulen för ett material beror på dess egenskaper och omgivning. Huvudfaktorerna som påverkar resilientmodulen är:

  • Kornstorleksfördelning (finmaterial – grova material), till exempel: för finkorniga material minskar resilientmodulen med upp till 60 % med ökande vatteninnehåll och med upp till 25 % för grovkorniga material.
  • Jordtillstånd, omgivning (frystö-cykler, temperatur), till exempel: för siltiga jordar kan modulen för ett material vara så låg som 2 MPa under den kritiska töperioden och öka till 100 MPa eller till och med högre när materialet helt har torkat.
  • Fuktinnehåll, till exempel: en ökning med 1 % i fuktinnehåll i de mest vattenkänsliga materialen reducerar resilientmodulen med upp till 7,2 %. Däremot leder en ökning på 1 % i fuktinnehåll för vägmaterial av god kvalitet till en reducering av modulen med bara 2,8 %.

Resilientmodulen kan beräknas som en funktion av fuktinnehållet, torrdensiteten och spänningstillståndet. Följande regressionsekvation togs fram genom laboratorieanalyser:

log Mr = k1 + k2log ?1 + k3w + k4 ?d, där

k1, k2, k3 and k4 är konstanta parametrar för varje jord

w – fuktinnehåll
?d – torrdensitet
?1– summan av huvudspänningarna (1. spänningsinvariant)


Om alla parametrar utom fuktinnehållet är konstanta kan ekvationen skrivas som:

Mr = Kx10k3w där K är en konstant.

När regressionsekvationen omvandlas till SI-enheter varierar k3 för bärlagermaterial mellan -0,0124 och -0,0324. För undergrunder varierar k3 parametern från -0.0122 till – 0.0554.

Laboratorietester har visat att vid en konstant spänningsnivå erhålls det maximala modulvärdet vid ett fuktinnehåll lägre än det optimala fuktinnehållet (Proctor). Skillnaden mellan det optimala fuktinnehållet och fuktinnehållet vid vilket maximal modul uppnås beror på innehållet av finmaterial i blandningen. Ju högre innehåll av finmaterial, desto större är förändringarna i fuktmodul-trenderna under torknings- och vätningscyklerna i materialet.

3.1.3 Vatten och permanenta deformationsegenskaper

Permanenta deformationer i vägkonstruktionen kan ses på vägytan som olika former av spårbildning. Permanent deformation inkluderar spårbildning och vertikala obalanser i vägöverbyggnaden. Orsaken bakom spårbildning kan vara: plastisk deformation i de bundna lagren, komprimering på grund av trafikbelastning, beläggningsslitage, och/eller permanenta deformationer i bärlagret, förstärkningslagret eller undergrunden.

ROADEX-projektet introducerar klassificering av permanent deformation-spårbildning genom användning av fyra olika tillstånd:

Spårbildning Typ 0. . Denna form av spårbildning inträffar vid komprimering av omättade material i överbyggnaden och i praktiken förekommer alltid en viss grad av Typ 0-komprimering i en vägkonstruktion efter att den byggts. Typ 0-spårbildning är också vanligt förekommande när frusna, obundna vägöverbyggnader tinar under våren. Denna Typ av spårbildning är vanligtvis självstabiliserande – d v s all komprimering som uppstår av trafik förhindrar ytterligare komprimering. Vatten har vanligtvis bara en liten effekt på en Typ 0-spårbildning men om vatteninnehållet ökar kan Typ 1-spårbildning uppstå.


Spårbildning Typ 0

Spårbildning Typ 1. I svagare granulära material kan lokal skjuvning i närheten av hjulet uppstå. Detta kan ge upphov till expanderande lyftning alldeles intill hjulspåret där granulära material kan genomgå stora plastiska skjuvdeformationer med åtföljande expansion, vilket leder till relativt lösa material. Denna spårbildning kan därför till stor del betraktas som en konsekvens av otillräckligt skjuvmotstånd i det granulära material som finns i det obundna materialet relativt nära överbyggnadens yta. Vatteninnehåll har stor effekt på uppkomsten av spårbildning Typ 1. I material med lågt fuktinnehåll ger matristryck upphov till att en dragstyrka utvecklas mellan mineralpartiklarna, vilket gör materialet styvt. Om det volymetriska vatteninnehållet ökar kommer materialets skjuvmotstånd att minska.

Spårbildning Typ 1

Spårbildning Typ 2. Överbyggnaden som helhet kan drabbas av spårbildning när högkvalitativa obundna material används. Detta kan observeras på ett idealiserat sätt när undergrundens deformation återspeglas i sin helhet ovanpå de granulära lagren i överbyggnaden (d v s utan förtunning). Vägytans deflektionsmönster i det här fallet har formen av en bred spårbildning med en liten förhöjning ett stycke från hjulet (då det är förskjutningen av jord som orsakar detta). Precis som vid spårbildning Typ 1 har vatteninnehåll också en stor påverkan på skjuvmotståndet i undergrundsjorden och på spårbildning Typ 2.

Spårbildning Typ 2

Spårbildning Typ 3. I den Norra Periferin innebär spårbildning Typ 3 huvudsakligen slitage av beläggningen på grund av dubbdäck. Slitage på grusvägar kan också inträffa om slitlagermaterialet inte har tillräckligt mycket finmaterial för att binda samman de obundna materialen (grusförlust). På lågtrafikerade vägar inträffar emellertid spårbildning Typ 3 nästan aldrig och uppstår generellt bara när ÅDT är större än 3 000 fordon/dygn. Högt vatteninnehåll kan ge upphov till snabbare spårbildning Typ 3, speciellt på bituminösa beläggningar. På grusvägar är effekten marginell och ett högre vatteninnehåll ökar istället risken för spårbildning Typ 1.

Spårbildning Typ 3. Spår utvecklas på grund av slitage från däck på beläggningsytan hos en belagd väg och på grusslitlagret hos en grusväg.

Lektionen om Permanent Deformation tar upp problemet mer i detalj.

3.2 Vatten, tjäle och tjälprocesser


När temperaturen i vägöverbyggnaden och undergrundsjordarna faller under 0oC fryser alla drabbade konstruktioner. Frusna material blir generellt styvare, och bärigheten på frusna vägar är mycket bättre vintertid jämfört med sommarförhållanden. Problem uppstår dock ändå om och när tjälningsprocessen inträffar. I områdena i den Norra Periferin betraktas de störande effekterna av tjälningsprocessen som den huvudsakliga orsaken till hanteringsproblem av vägars tillstånd.

Kryosugning i tjälningsprocessen är en av de viktigaste  källorna till överskottsvatten i vägöverbyggnader och undergrundsjordar. Generellt finns det tre villkor som alla måste uppfyllas innan tjälningsprocessen kan börja. Först måste temperaturen vara under 0oC, sedan måste det finnas vatten tillgängligt och till sist måste materialet vara tjälfarligt.

Det första som händer när ett vägmaterial eller en jord fryser är att det fria vattnet i porerna fryser och formar sexkantiga kristaller och ökar därmed sin volym. Den frusna isen separeras från mineralytan av en tunn hinna av adsorptionsvatten. Detta område, där ofruset vatten finns vid frysningens front, kallas frysperiferin. Negativt porvattentryck orsakat av kryosugning får vattenmolekylerna att strömma genom frysningens front där segregerad is uppstår, och dessa växande islinser leder till tjällyftning i ovanliggande överbyggnader. Kapillära ”rör” som leder vatten till islinserna blir mindre vid lägre temperaturer. Vid en temperatur på -5oC kan det ofrusna vatteninnehållet vara 2 % till 12 % av den totala volymen ofruset vatten beroende på materialegenskaperna. Om temperaturen sjunker ytterligare kommer mängden ofruset vatten att minska tills vatten slutar att flöda till frysningens front.


I praktiken innebär detta att en regnig höst följd av en mild, tidig vinter med dagliga temperaturer mellan 0oC och -5oC är ”dåliga nyheter” för vägar eftersom stora mängder segregerad is då kommer att bildas nära vägytan. När detta lager sedan tinar kommer ett volymetriskt vatteninnehåll högre än 100 % att uppstå i vägen. Om de dagliga temperaturerna under den tidiga vintern istället är väldigt låga kommer frysningens front snabbt att penetrera ner till de djupare lagren där uppkomsten av islinser inte orsakar lika stor skada på vägen.

När tiningsprocessen inleds är det troligt att stora mängder vatten, smält snö och nederbörd från vårregn strålar samman på vägarna och i deras omgivningar. I områden med en låg årsmedeltemperatur börjar tiningsprocessen generellt från vägens överdel och går vidare nedåt samtidigt som en mindre tiningsprocess börjar från bottnen av den frusna jorden och rör sig uppåt. I Finland tinar till exempel tjälfronterna nedåt och uppåt och möts vanligtvis under vägarna på en nivå omkring 1,1 – 1,3 m. Tidigt på våren innebär detta att vatten som den töande isen släpper ifrån sig kommer att ”flyta” på toppen av den nästan ogenomträngliga frusna vägkonstruktionen och undergrunden. Detta överskott av porvattentryck kan sedan orsaka stora permanenta deformationer vid hjullaster från tung trafik.


ROADEX uppföljande forskning på demonstrationsprojekt för avvattning i Finland resulterade i en del intressanta resultat rörande islager och behovet av ett välfungerande avvattningssystem när snö börjar smälta och vatten börjar fylla dikena. Resultaten från tjällyftningsmätningar med mobila laserscanners visade att stor tjällyftning kan uppstå på vägsträckor med islager, eller sträckor där vägdikena var fyllda av vatten under tö-perioden. Resultaten visar att vatten kan flöda från diken till permeabla, frusna vägkonstruktioner och bilda islinser och orsaka tjällyftningar. Av den anledningen bör uppmärksamhet ägnas åt att säkerställa att diken fungerar väl under vintern och tidig vår.

3.3 Årstidsväxlingar


Vatteninnehållet i en vägkonstruktion varierar mellan olika årstider. Under sommaren minskar vatteninnehållet i vägkonstruktionen i ett långsamt tempo främst tack vare avdunstning. När hösten kommer börjar vatteninnehållet att öka igen genom stor nederbörd och lägre avdunstning på grund av lägre temperaturer. I kalla områden fryser vägen och undergrunden på vintern och det ofrusna vatteninnehållet når sitt lägsta värde. I varmare områden, såsom Skottland och Irland, är vatteninnehållet i vägkonstruktionen som störst efter stora mängder regn följt av frys-tö-cykler. Under våren när vägkonstruktionen börjar tina ökar fuktinnehållet snabbt och når sitt årliga maxvärde. Framåt sommaren faller fuktinnehållet igen och blir mer stabilt. Toppar i vatteninnehållsgrafer orsakas vanligtvis av stora mängder regn, frys-tö-cykler och vårsmältning.

3.4 Vatten och bundna lager


Permeabiliteten i bundna lager beror på hålrummens storlek och sammankopplingar. Undersökningar har visat att permeabiliteten hos asfalt är obetydlig när hålrummen är under 7-8 %. Om hålrumshalten i asfalten är större kan permeabiliteten öka markant. Det troliga skälet till detta är att sammankopplingar mellan hålrum blir möjliga vid dessa högre hålrumshalter. Beläggningar som uppvisar höga hålrumshalter kan också vara dåligt tillverkade och lagda med genomträngliga sprickor som blivit kvar i beläggningsmaterialet. Expansionen av vattenfyllda luftporer i asfalten under frysprocessen kan också leda till en ökning av hålrumshalten.

Om det bundna ytlagret blir utmattat kan en stor mängd vatten tränga in i vägkonstruktionen genom mikro- och makrosprickor. Faktorerna som påverkar hur mycket vatten som kan tränga genom asfalten är: sprickans eller fogens vattenbärande kapacitet, sprickbildningens omfattning, storleken av det område som dränerar varje spricka samt regnets intensitet och varaktighet.


Beläggningar som utsatts för vatten (och vägsalter) kan börja förlora sina stenmaterial i förtid. Detta fenomen är känt som sönderfall (raveling), vilket kan resultera i uppkomst av potthål.


Animering som visar strippingprocessen.

Brister i beläggningen kan ibland vara relaterade till svårt sönderfall av de bituminösa lagren på grund av lågkvalitativa obundna material som adsorberar vatten och/eller bristfällig dränering under de bundna lagren (stripping). Stripping är ett problem, speciellt för tjockare, bundna beläggningskonstruktioner. Stora mängder vatten under bituminösa lager kan orsaka höga hydrauliska tryck i botten av det bundna lagret när det utsatts för hjullaster från tung trafik. Dessa effekter kan liknas vid högtryckstvättar och bryter bindningen mellan bituminet och stenmaterialytorna. Om beläggningen är hålrumsrik kan det också leda till pumpning.


Slutligen påverkar vatten även komponenterna i bituminösa material och deras bindningar även utan tillägg av mekanisk last. Följande fysiska processer har identifierats vara orsakade av vatten:

1) molekylär diffusion av vatten genom beläggningskomponenterna
2) den advektiva transporten, d v s “bortsköljningen” av bituminöst bruk på grund av det rörliga vattenflödet genom sammankopplade makro-porer
3) tjälningsprocessen

De mekaniska processer som fastställts vara orsakade av vattenskador är:

1) förekomsten av intensiva vattentrycksfält inuti beläggningen orsakade av trafiklaster, och
2) “pumpningsprocessen”.

I praktiken samverkar alla fysiska processer för materialnedbrytning med de mekaniska processerna vilket leder till en total vatten-mekanisk skada på beläggningen. Den omfattande användningen av vägsalt i kombination med frys-tö-cykler kan dessutom orsaka svåra skador på bituminösa beläggningar.


Andra referenser än ROADEX-information och -publikationer som används i detta kapitel: Andrew Dawson: Water in road structures

SHARE:

Choose another lesson Back to Roadex Network