STF50 A05061 − Åpen

RAPPORT

Laboratorieundersøkelser av gjenbruksmaterialer brukt i forsøksfelt på E6 Klemetsrud

Joralf Aurstad

SINTEF Teknologi og samfunn Veg- og jernbaneteknikk

April 2005

2

English summary As part of Gjenbruksprosjektet 2002-2005, DP 3 test sections with unbound crushed concrete and crushed asphalt as sub-base materials have been established at E6 Klemetsrud, south of Oslo. These sections are closely monitored in respect of environmental effects (leaching), and will also be followed up regarding bearing capacity etc. The materials were sent to SINTEF for material characterization. Tests on mechanical properties, stiffness and deformation properties have been conducted using both traditional methods (impact test, Los Angeles) and a large-scale cyclic load triaxial apparatus (functional testing). In the triaxial apparatus crushed concrete and a 50/50 mix of crushed concrete/crushed asphalt have been compared. This report presents the results from these investigations.

3

INNHOLDSFORTEGNELSE

English summary ...........................................................................................................................2

1 Bakgrunn ...........................................................................................................................4

2 Materialer ...........................................................................................................................4

3 Utførte undersøkelser ............................................................................................................4

4 Resultater ...........................................................................................................................4 4.1 Siktekurver .......................................................................................................................4 4.2 Densitet og vannabsorpsjon .............................................................................................5 4.3 Fallprøve...........................................................................................................................6 4.4 Los Angeles......................................................................................................................6 4.5 Sylisk treaks (stor rigg) ....................................................................................................7

5 Vurdering av resultater.........................................................................................................9

Referanser .........................................................................................................................10 Vedlegg 1 SINTEF Notat “Triaksialtesting – Gjenbruksmaterialer fra Klemetsrud”

4

1 Bakgrunn Som en del av Gjenbruksprosjektet er det etablert forsøksfelt med bruk av ubundet knust betong og knust asfalt som overbygningsmaterialer ved E6 Klemetsrud. Disse feltene er i hovedsak rettet mot kartlegging av miljømessige langtidsvirkninger (utlekking etc), men vil også bli fulgt opp med hensyn på bæreevne, deformasjonsegenskaper m m. I den forbindelse ble prøver av materialene oversendt SINTEF for nærmere karakterisering og testing.

2 Materialer Følgende materialer ble fraktet fra Klemetsrud til SINTEF avd Veg- og jernbaneteknikk i Trondheim for videre undersøkelser:

- Knust betong, fraksjon 20-120 mm; én storsekk (ca 600 kg) - Knust betong, fraksjon 20-120 mm; én palle (ca 450 kg, brukt i asfalt/betong-blanding) - Knust asfalt, fraksjon 20-120 mm (ca); én palle (ca 450 kg, brukt i asfalt/betong-blanding)

3 Utførte undersøkelser Følgende undersøkelser er utført på de tilsendte materialene:

- Representative siktekurver - Densitet og vannabsorpsjon - Fallprøve (flisighet og sprøhet) - Los Angeles; fin (10-14 mm) og grov (31,5-50 mm) - Syklisk treaks knust betong; fraksjon 20-63 mm (2 prøver) - Syklisk treaks blanding knust betong/knust asfalt; fraksjon 20-63 mm (2 prøver)

4 Resultater

4.1 Siktekurver Etter mottak av materialene ble prøver av betongen (storsekk) og asfalt (pall) tatt ut for sikteanalyser. Siktekurvene er vist i figur 1 og figur 2.

5

Figur 1 Siktekurver, knust betong Klemetsrud Figur 2 Siktekurve, knust asfalt Klemetsrud Asfaltmaterialet var som man ser noe grovere enn betongmaterialet, dmax ca 150 mm

4.2 Densitet og vannabsorpsjon Undersøkelsene er utført i henhold til EN 1097-6. Resultatene framgår av tabell 1.

6

Tabell 1 Densitet og vannabsorpsjon, knust betong Klemetsrud (fraksjon 4-31,5 mm) Prøve I Prøve II Middel Particle density, apparent (g/cm3) 2,677 2,676 2,68 Particle density, oven-dried basis (g/cm3) 2,414 2,426 2,42 Particle density, saturated and surface dried (g/cm3) 2,513 2,519 2,52 Water absorption (weight-%) 4,06 3,85 4,0

4.3 Fallprøve Selv om krav til mekanisk styrke ikke lenger er relatert til fallprøven, er det fortsatt av interesse å sammenholde verdiene fra ”gamle” og ”nye” testmetoder. Dette gjelder kanskje spesielt for alternative materialer som knust betong hvor man fortsatt har lite erfaringer. Resultater fra fallprøve på knust betong fra Klemetsrud er vist i figur 3.

10

20

30

40

50

60

70

1,10 1,20 1,30 1,40 1,50 1,60 1,70Flisighetstall - f

Kor

riger

t spr

øhet

stal

l - s

1

Kl. 5

Kl. 3

Kl. 2

Kl. 1 Kl. 4

Figur 3 Fallprøve, knust betong Klemetsrud (fraksjon 8-11,2 mm)

4.4 Los Angeles Krav til mekanisk styrke for granulære forsterknings- og bærelagsmaterialer er primært knyttet til Los Angeles-metoden (EN 1097-2). Resultater fra utførte forsøk er vist i tabell 2. Tabell 2 Los Angeles, knust betong Klemetsrud Fraksjon LA-verdi (%) Krav (Hb 018) 10-14 mm 31,5-50 mm

30,4 34,3

< 35 (øvre forsterkningslag og bærelag) < 40 (nedre forsterkningslag)

7

4.5 Sylisk treaks (stor rigg) Det er utført samme type sykliske treaksforsøk på materialene fra Klemetsrud som for betongmaterialene brukt på forsøksfeltene på E6 Melhus. Utstyr, testprosedyrer osv er beskrevet i forbindelse med Melhus-forsøkene [1] og utelates derfor her. Det er gjort to sett undersøkelser; én serie (to prøver) med ren knust betong og én serie (to prøver) av en 50/50 blanding knust betong/knust asfalt. Material til testing i stor treaks ble framskaffet ved først å sikte fra material > 63 mm. Gjenværende material ble så splittet i tre fraksjoner (< 22 mm, 22-32 mm, 32-63 mm). Ut fra disse satte man sammen treaksprøvene så de fikk en kornkurve tilnærmet lik de tidligere testede prøvene fra Melhus-prosjektet (20-63 mm). I dette tilfellet forelå ikke feltdensitetsmålinger som grunnlag (”målskiver”) for prøvetillagingen, man valgte derfor å bruke samme prosedyrer, komprimeringsenergi etc som for Melhus-prøvene (disse er jo også interessante å sammenligne med). Sammensatte kornkurver for materialene i treaksen er vist i figurene 4 og 5. Det var naturlig nok ikke mulig å sikte det kompakte blandingsmaterialet asfalt/betong etter utført forsøk. I figur 5 foreligger derfor bare kornkurve fra før forsøket, et eksakt mål på nedknusing som følge av komprimering og testing mangler.

0,07

5

0,12

5

0,25

0

0,50

0 1,0

2,0

4,0

8,0

11,2

16,0

22,4

31,5

63,00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Sikt (mm)

Gje

nnom

gang

mas

sepr

osen

t

Figur 4 Siktekurver før (stiplet) og etter test i stor treaks, knust betong Klemetsrud

(prøve ”Klemetsrud 1”)

8

63,0

31,5

22,4

16,0

11,28,0

4,0

2,0

1,0

0,50

0

0,25

0

0,12

5

0,07

50

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Sikt (mm)

Gje

nnom

gang

mas

sepr

osen

t

Figur 5 Siktekurve før test i stor treaks, blandingsmaterial asfalt/betong Klemetsrud (prøve ”Klemetsrud mix 1”) Detaljerte resultater fra treaksforsøkene er behandlet i et eget notat, her lagt med som Vedlegg 1. En oppsummering er gitt i tabell 3 (resilientmoduler) og tabell 4 (motstand mot permanente deformasjoner). Tabell 3 Resilientmoduler og lastfordelingskoeffisienter, gjenbruksmaterialer fra

Klemetsrud

Prøve Testfraksjon E200 (MPa) 1

Lastfordelings- koeffisient ”a”

Klemetsrud 1 (betong) 20-63 mm 450 Klemetsrud 2 (betong) 20-63 mm 650 Betong middel

550

1,39

Klemetsrud mix 1 (betong/asfalt) 20-63 mm 600 Klemetsrud mix 2 (betong/asfalt) 20-63 mm 600 Mix middel

600

1,43

1 Resilientmodul ved 200 kPa middelspenning

9

Tabell 4 Attraksjon, elastisk vinkel og bruddvinkel for gjenbruksmaterialer fra Klemetsrud

Prøve Testfraksjon Attraksjon

(kPa) Grensevinkel for elastisk oppførsel

Sin ρ

Grensevinkel for inkrementelt brudd

Sin φ Klemetsrud 1 (betong) 20-63 mm 10 0,60 > 0,80 Klemetsrud 2 (betong) 20-63 mm 10 0,60 > 0,80 Betong middel

10

0,60

> 0.80

Klemetsrud mix 1 (betong/asfalt) 20-63 mm 10 0,30 0,60 Klemetsrud mix 2 (betong/asfalt) 20-63 mm 20 0,30 0,65 Mix middel

15

0,30

0,63

5 Vurdering av resultater Mekaniske egenskaper Utførte forsøk på mekanisk styrke (Los Angeles, fallprøve) viser at betongmaterialet brukt på Klemetsrud er av rimelig god kvalitet. Samtidig er det også et eksempel på at ulike testmetoder kan gi ulik klassifisering: • Fallprøve: Materialet havner her i klasse 5 (på grensen til klasse 3). Dette vil etter gamle

Håndbok 018 tilsi bruk i nedre forsterkningslag (på adkomstveger også i øvre forsterknings-lag).

• Los Angeles: Nye gjeldende 018-krav er knyttet til Los Angeles-verdi. Her kommer materialet veldig bra ut, verdiene ligger innenfor kravene til både bærelag og forsterkningslag (< 35).

(Mer utfyllende resultater fra mekanisk testing fås fra Statens vegvesen Region øst sine egne undersøkelser på kornfordeling, flisighetsindeks og Los Angeles. Disse undersøkelsene har et større omfang, men ser ut til å samsvare bra med SINTEFs resultater vist i dette notatet.) Sammenligner man med den andre forsøksvegen i Gjenbruksprosjektet, E6 Melhus, er materialene der av noe høyere fasthet; fallprøve-resultater tilsvarende klasse 3 og LA-verdier på 25-27 [1]. Funksjonelle lagegenskaper (stor treaks) Som for materialene på E6 Melhus er det kjørt en serie storskala sykliske treaks-forsøk. Disse forsøkene har en begrensning i maks steinstørrelse (ca 60 mm). Men ved å tilpasse den øvrige del av siktekurven og komprimere materialene mest mulig homogent og til realistiske densitets-forhold antar man likevel å tilnærme seg feltforholdene ganske bra. Gjennom at belastnings-forsøket også simulerer reelle trafikkbelastninger bør resultatene kunne gi en realistisk beskrivelse av de funksjonelle egenskapene. Resultatene fra treaks-forsøkene kan kort oppsummeres som følger: • Elastisk stivhet: Begge materialene (ren knust betong og mix betong/asfalt) viser forholdsvis

høy elastisk stivhet og dermed god lastfordelende evne (lastfordelingskoeffisient på ca 1,4).

10

Prøvene med ren betong ser ut til å ha relativt høy E-modul også ved lave spenningsnivå (mindre spenningsavhengighet). Dette tegner å være en spesiell (og positiv) egenskap for gjenbruksbetong.

• Deformasjonsmotstand: Prøvene med ren betong har veldig høye verdier som korresponderer godt med tidligere målinger på materialer fra forsøksstrekningen på Melhus. For blandingsmaterialet gjenbruksbetong/gjenbruksasfalt er motstanden mot permanente deformasjoner vesentlig dårligere. Spesielt er grensevinkelen for elastisk oppførsel lav. Innslaget av asfalt synes å svekke materialet og gjøre det mer utsatt for deformasjoner og spordannelse.

Referanser [1] Aurstad, J.: Knust betong som forsterkningslag på E6 Melhus – Resultater fra felt- og

laboratorieundersøkelser SINTEF rapport STF50 A05060

Vedlegg 1

NOTAT GJELDER

Triaksialtesting – Gjenbruksmaterialer fra Klemetsrud

BE

HAN

DLI

NG

UTT

ALE

LSE

OR

IEN

TER

ING

ETTE

R A

VTAL

E

GÅR TIL

SINTEF Teknologi og samfunn Veg- og jernbaneteknikk Postadresse: 7465 Trondheim Besøksadresse: Høgskoleringen 7 Telefon: 73 59 46 10 Telefaks: 73 59 46 56 Foretaksregisteret: NO 948 007 029 MVA

ARKIVKODE GRADERING

Prosjektintern ELEKTRONISK ARKIVKODE

I:\Pro\503520\Notat treaksialtesting.doc

Gjenbruksprosjektet DP 3.2

x

PROSJEKTNR. DATO SAKSBEARBEIDER/FORFATTER ANTALL SIDER

523520 2005-03-02 Inge Hoff og Joralf Aurstad 11 1 Bakgrunn Notatet presenterer resultatene fra fire sykliske treaksialforsøk på to forskjellige materialer fra E6 Klemetsrud; en type gjenbruksbetong og en blanding av gjenbruksbetong og gjenbruksasfalt. Forsøkene på materialene fra Klemetsrud er de samme som de som tidligere er utført på gjenbruksbetong brukt på E6 Melhus. For mer informasjon om utstyr og prosedyrer henvises til tidligere notat om treaksialforsøkene på Melhus-prosjektet. 2 Materialer Følgende materialer ble fraktet fra Klemetsrud til SINTEF avd Veg- og jernbaneteknikk i Trondheim for videre undersøkelser:

- Knust betong, fraksjon 20-120 mm; én storsekk (ca 600 kg) - Knust betong, fraksjon 20-120 mm; én palle (ca 450 kg, brukt i asfalt/betong-blanding) - Knust asfalt, fraksjon 20-120 mm (ca); én palle (ca 450 kg, brukt i asfalt/betong-blanding)

Innledningsvis ble kornkurve for tilsendte materialer bestemt (antatt å tilsvare kornkurve i felt). Som for Melhus-materialene ble material til testing i stor treaks framskaffet ved først å sikte fra material > 63 mm. Materialet ble så splittet i tre fraksjoner (< 22 mm, 22-32 mm, 32-63 mm). Ut fra disse satte man sammen treaksprøvene så de fikk en kornkurve tilnærmet lik prøvene for Melhus-materialet (20-63 mm).

2

0,07

5

0,12

5

0,25

0

0,50

0 1,0

2,0

4,0

8,0

11,2

16,0

22,4

31,5

63,00

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Sikt (mm)

Gje

nnom

gang

mas

sepr

osen

tDet ble forberedt to sett undersøkelser; én serie (to prøver) med ren knust betong og én serie (to prøver) av 50/50 blanding knust betong/knust asfalt. Noen fotos av prøvene er vist i bilag 2. 3 Komprimering I dette tilfellet forelå ikke feltdensitetsmålinger som grunnlag (”målskiver”) for prøvetillagingen, man valgte derfor å bruke samme prosedyrer, komprimeringsenergi etc som for Melhus-prøvene (disse er jo også relevante å sammenligne med). Prøvene ble bygd inn i fem lag á tre minutter komprimering med maksimal amplitude på vibrasjonshammeren. Denne komprimeringen er relativt kraftig. Sammensatte kornkurver for materialene i treaksen er vist i figurene 1 og 2. Det var naturlig nok ikke mulig å sikte det kompakte blandingsmaterialet asfalt/betong etter utført forsøk (jfr bilag 2). Her foreligger derfor bare kornkurve før forsøk, eksakt mål på nedknusing under forsøket mangler. Figur 1 Siktekurver før og etter test i stor treaks, knust betong Klemetsrud (prøve 1)

3

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Maksimal middelspenning (kPa)

Res

ilien

tmod

ul (M

Pa)

63,0

31,5

22,4

16,0

11,28,0

4,0

2,0

1,0

0,50

0

0,25

0

0,12

5

0,07

50

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Sikt (mm)

Gje

nnom

gang

mas

sepr

osen

t Figur 2 Siktekurver før stor treaks, blandingsmaterial asfalt/betong Klemetsrud 4 Elastisk oppførsel Resilientmodulen for de to ulike materialene er vist i figurene 3 og 4 og oppsummert i tabell 1. Begge materialene gir forholdsvis høy elastisk stivhet og oppnår begge en lastfordelings-koeffisient på omtrent 1.4. En kan legge merke til at prøvene med ren betong har en flatere kurve noe som betyr at stivheten ved lave spenninger er relativt høy. Dette synes å være typisk for gjenbruksbetong. Figur 3 Resilientmodul som funksjon av middelspenning for prøvene med ren betong

4

0

200

400

600

800

1000

1200

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Maksimal middelspenning (kPa)

Res

ilien

tmod

ul (M

Pa)

Figur 4 Resilientmodul som funksjon av middelspenning for prøvene med betong/asfalt Tabell 1 Resilientmodul og lastfordelingskoeffisient

Prøve Testfraksjon E200 (MPa) 1 Lastfordelings- koeffisient ”a”

Klemetsrud 1 (betong) 20-63 mm 450 Klemetsrud 2 (betong) 20-63 mm 650 Betong middel

550

1,39

Klemetsrud mix 1 (betong/asfalt) 20-63 mm 600 Klemetsrud mix 2 (betong/asfalt) 20-63 mm 600 Mix middel

600

1,43

1 Resilientmodul ved 200 kPa middelspenning

5 Motstand mot permanente deformasjoner Motstanden mot permanente deformasjoner er oppsummert i tabell 2. Prøvene med ren betong har veldig høye verdier som korresponderer godt med tidligere målinger på materialer fra forsøksstrekningen på Melhus. For blandingsmaterialene gjenbruksbetong/gjenbruksasfalt er motstanden mot permanente deformasjoner vesentlig dårligere. De lave verdiene for blandingsmaterialet for en så høy komprimeringsgrad tyder på at innslaget av asfalt vesentlig svekker materialet og gjør det mer utsatt for permanente deformasjoner og påfølgende spordannelse. Spesielt er grensevinkelen for elastisk oppførsel lav.

5

Tabell 2 Attraksjon, elastisk vinkel og bruddvinkel

Prøve Testfraksjon Attraksjon(kPa) Grensevinkel for elastisk oppførsel

Sin ρ

Grensevinkel for inkrementelt brudd

Sin φ Klemetsrud 1 (betong) 20-63 mm 10 0,60 > 0,80 Klemetsrud 2 (betong) 20-63 mm 10 0,60 > 0,80 Betong middel

10

0,60

> 0.80

Klemetsrud mix 1 (betong/asfalt) 20-63 mm 10 0,30 0,60 Klemetsrud mix 2 (betong/asfalt) 20-63 mm 20 0,30 0,65 Mix middel

15

0,30

0,63

6 Konklusjon Materialene viser forholdsvis høy elastisk stivhet og dermed god lastfordelende evne. Den rene knuste betongen har svært høy motstand mot permanente deformasjoner og det skulle derfor være liten risiko for spordannelse ved normal belastning. Blandingen av asfalt og betong derimot viser relativt liten motstand mot permanente deformasjoner og bør ikke utsettes for høye spenninger.

6

7

8

9

Prøvene av mix knust betong/knust asfalt etter avsluttet forsøk:

URL: www.sintef.noLogo: sTrondheim: TrondheimAdressefelt: Address:Phone:Fax:Postnummer: NO-7465 Trondheim, Norway+47 73 59 30 00+47 73 59 33 50Oslo: OsloAdressefelt2: Address:Phone:Fax:Postnummer2: P.O. Box 124, Blindern, NO-0314 Oslo, Norway+47 22 06 73 00+47 22 06 73 50