Copy from DBC Webarchive
Copy from:
LAR belægninger : undersøgelse af levetider ved MMOPP simulation
This content has been stored according to an agreement between DBC and the publisher.
www.dbc.dk
e-mail:dbc@dbc.dk
VEJBELÆGNINGER
LAR belægninger
Undersøgelse af levetider ved MMOPP simulation
MMOPP simulationer for trafikklasse T2 og T4 for traditionelt opbyggede og LAR befæstelser.
LAR befæstelserne er opbygget med ”NCC DrænStabil®”, som har et porevolumen på 30%, men bæreegenskaber mindst svarende til stabilt grus. En såkaldt 5-års hændelse giver kun 11,4 mm vand på 10 minutter, hvilket vil fylde porerne i NCC DrænStabil® i mindre end 4 centimeters højde. De udførte MMOPP simulationer viser under de gjorte forudsætninger, at asfaltlevetiden fordobles ved anvendelse af DrænStabil. For sporkøring og jævnhed fordobles levetiden også, hvis der foretages foranstaltning til hurtig bortledning af nedsivende vand. På basis af undersøgelserne kan det forventes, at LAR belægninger til en given trafikklasse kan udføres med reduceret koblingshøjde og muligvis også en reduceret tykkelse af asfaltlaget.
Michael Brask, NCC MCB@ncc.dk
Christian Busch, SWECO Christian.Busch@swecodan- mark.dk
Torben Overgaard, Boes Consulting torben@boes-consulting.dk
Undersøgelsens baggrund
Klimatilpasning af belægninger
De fremtidige klimaforandringer forventes at give regnskyl med større intensitet i Dan-
mark, hvilket skaber behov for bortledning af større vandmængder. Dette vil kræve store udbygninger af kloaksystemerne, men kan også afhjælpes ved at opbygge de veje, hvor kloaksystemerne typisk er beliggende som permeable (LAR = Lokal Afledning af Regnvand) belægninger.
Sådanne belægninger kan enten fun- gere som forsinkelsesbassiner, der videre- sender regnvandet til kloaksystemet, eller som recipienter, der direkte afleverer regn- vandet til undergrunden ved nedsivning.
Materialer i LAR belægninger
I LAR belægninger skal regnvand bort- ledes helt til bunden af befæstelsen, dvs. til overfladen af planum.
Asfaltmaterialer med permeable egen- skaber har været kendt og udført i adskil- lige år. De forventes at kunne udføres med deformations- og udmattelsesegenskaber, der ikke adskiller sig væsentligt fra normale asfaltmaterialer, og skal ikke yderligere be- handles her.
Materialebeskrivelse af Drænstabil Mere nyskabende er det ubundne mate- riale, der i LAR belægningen skal erstatte både det traditionelle Stabilgrus bærelags- materiale og bundsikringslaget.
Drænstabil er et Dancert certificeret sten- og grusmateriale med en speciel kornkurve og et porevolumen på 30%.
Materialet sammensættes af knuste sten- fraktioner og vasket sand, og udgangsma- terialet kan være morænematerialer eller sømaterialer. Kornkurven kan minde om en stabilt grus, men indeholder kun ganske lidt finstof. Knusningsgraden er stor (>50%
knuste korn) og indholdet af helt runde, korn er mindre end 10%, hvorved det sik- res, at kornene ikke ”ruller”, men kan ”låse”
sig mod hinanden. Materialet har endvidere Figur 1. LAR E-værdi koefficienter og frost- nedtrængning i MMOPP.
et lavt formindeks, dvs. det består overve- jende af ”kubiske” korn, og en Los Angeles koefficient ≤30, der viser at materialet ikke indeholder svage korn, som kan påvirke holdbarhed og bæreevne.
Drænstabil kan med sin store permea- bilitet og porevolumen optage meget store mængder vand meget hurtigt – op til 30 mm vand på 10 minutter (500 liter/hektar/
sekund i 10 minutter). En såkaldt 5-års hændelse giver kun 11,4 mm vand på 10 minutter, hvilket vil fylde porerne i Drænsta- bil i mindre end 4 centimeters højde.
Bæreevne af Drænstabil
NCC har i samarbejde med Vejdirektora- tet fået udført sammenlignende triaksial- forsøg på stabilt grus kvalitet II (SG II) og Drænstabil. Målingerne viser, at SG II og Drænstabil har sammenlignelige materiale E-moduler. Materiale E-modulet for Dræn- stabil kan derfor sættes lig med materiale E-modulet for SG II, dvs. 300 MPa for en minimumslagtykkelse på 150. Denne værdi kan derfor anvendes i dimensioneringsbe- regninger.
Der er også udført en række forsøg med forskellige metoder til belysning af E-modulet af vandfyldt Drænstabil. Der er udført forsøg med minifaldlod, plade- belastning samt triaksialforsøg. Ud fra en konservativ betragtning viser disse forsøg, at man kan sætte faldet i materiale E-mo- dulet af vandmættet Drænstabil til 1/3 af det tørre materiale, svarende til 200 MPa.
MMOPP simulation af LAR belægninger
Valg af belægningsopbygninger
LAR belægninger vil næppe finde anven- delse på stærkt trafikerede veje, men man kan dog forestille sig, at de vil være attrak- tive i adgangsveje til nye erhvervsområder med trafik svarende til Vejreglernes trafik- klasse T4, 150 til 600 lastbiler pr. dag.
Det er derfor valgt at udføre MMOPP simulationer med befæstelser svarende til trafikklasse T2 og T4, som vist i tabel 1. Det nedre 100-mm Drænstabil lag i LAR belæg- ningerne er i MMOPP specificeret som et i udgangspunktet 300 MPa bundsikringslag, som kan anvendes til simulation af den re- ducerede bæreevne til 200 MPa, når befæ- stelsen har været udsat for nedbør.
MMOPP programmets funktion
Klimasimulation
MMOPP programmet anvender i sine si-
mulationsberegninger dynamiske E-modu- ler til beregning af påvirkninger i befæstel- serne og plastiske E-moduler, som er funk- tion af antallet af belastninger, til beregning af de permanente deformationer.
Årstidsafhængigheden indføres som E-værdi koefficienter, der for de enkelte perioder ganges på de dynamiske E-mo- duler, inden der beregnes spændinger og tøjninger.
For at kunne simulere effekten af pe- rioder med reduceret bæreevne for LAR belægningerne var det nødvendigt at tilføje
5 årstider, hvor bæreevnen i de nederste 100 mm af drænstabil laget kunne reduce- res, som vist i figur 1. I alle perioderne, der ender med et ”V”, er bæreevnen af bund- sikringslaget (Lag3) reduceret til 67% af periodens normale MMOPP bæreevne – i VinterTøV perioden er det dog den øverste del, da den nederste er frossen og derfor ikke kan bortlede vand.
Ved simulationer for de traditionelle be- lægninger anvendtes blot de normale koef- ficienter i ”V” perioderne.
Plastisk deformation
Det blev også undersøgt, om resultaterne fra de udførte laboratorieforsøg med Dræn- stabil materialet kunne modelleres med MMOPP nedbrydningsmodellerne. Dette viste sig praktisk muligt, men da MMOPP programmets parametre er fastlagt ud fra omfattende simulationer, hvor ovennævnte parametre for normale befæstelser tilpas- sedes for at opnå de forventede levetider og udvikling af nedbrydning, valgtes det at anvende de normale værdier også for Drænstabil materialet, da en ændring ville kunne skabe tvivl om resultaternes sam- menlignelighed med nedbrydningen af
”normale” befæstelser.
Frostnedtrængning og vandfyldning Ved MMOPP programmets stokastisk be- regnede årlige frostnedtrængning sker der en ”nulstilling” af de ubundne materialers deformationstilstand, således at deforma- tionsforløbet genstartes, hvis frostned- trængning har nået lagets overside.Denne genstart af deformationsforløbet forøger deformationshastigheden.
I simulationerne for LAR befæstelsen undersøgtes tilfælde, hvor denne ”nulstil- ling” ikke rammer underbunden som følge af en mulig isoleringseffekt af Drænstabil ma- terialet, samt den situation, hvor dette lag slet ikke ”nulstilles”, da hulrummene ikke er vandfyldte, og der derfor ikke kan ske nogen omlejring/løsning ved frysning af laget.
For drænende belægning vil tilstede- værelsen af drænledninger sikre, at læng- den af vandfyldte perioder i drænstabilens nederste del vil være minimal, mens man for vejkonstruktioner, hvor vandet blot skal nedsives til underbunden, kan forudse længere perioder med vandfyldte porer ne- derst i laget.
I simulationerne med LAR befæstel- serne undersøgtes situationer, hvor det ne- derste af Drænstabil materialet var vand- fyldt i perioder mellem 1% og 17% af året.
Simulationer
Simulationstilfælde
Der udføres simulationer med traditionelt opbyggede T2 og T4 befæstelser og LAR befæstelser med samme asfalttykkelse og koblingshøjde, alle på en frosttvivlsom 40 MPa underbund. Der udføres simulatio- ner for de i tabel 2 viste tilfælde.
Simulationsresultater
Resultaterne præsenteres grafisk, samlet effekt udtrykt ved MMOPP’s 4 nedbryd- ningsparametre:
█ Emin = Mindste E-modul for asfaltlaget
█ Esnit = Gennemsnitlig E-modul af as- faltlaget
█ Sporkøring (RD) = Gennemsnitlig spor- køring i mm
█ IRI = Jævnhed i m/km
Et eksempel på denne repræsentation er givet i figur 2, mens figur 3 illustrere effek- ten af variabel længde af perioderne med nedsat bæreevne.
Konklusioner
For det drænende stabilgruslag er forudsat, at materialet har samme standard E-modul som normal SGII, men ikke taber bæreevne
Materiale Traditionel T2 Traditionel T4 LAR belægning T2 LAR belægning T4
Asfalt slid- og bærelag B40/60 100 mm 125 mm 100 mm 125 mm
Stabilgrus SG II 150 mm 200 mm
Bundsikringslag 250 mm 310 mm
Drænstabil 300 mm 410 mm
Drænstabil 100 mm 100 mm
Koblingshøjde 500 mm 635 mm 500 mm 635 mm
Tabel 1. Befæstelser i simulation.
Figur 2. Sammenligning af standardbefæstelse og normal frostnedtrængning (1) med re- duceret frostnedtrængning (2) og (3) og med drænstabil befæstelse med normale frost- egenskaber og frostnedtrængning (4). Gennemsnit af 10 simulationer.
i tøbruds- og forårsperioder, hvad der jo sker for normale ubundne materialer som følge af større vandindhold i disse perioder, men at materialets E-modul i vandfyldt til- stand reduceres med 33%.
Det kan i overensstemmelse med bl.a.
danske erfaringer med drænasfalt slid- lag forventes, at drænbelægninger har
en større isolationseffekt end befæstelser med traditionelle materialer. Dette vil redu- cere frostpåvirkninger i underbunden.
Under disse forudsætninger kan der drages følgende konklusioner:
1. Asfaltlevetiden fordobles ved anven- delse af DrænStabil. Dette er primært en følge af, at dette materiale ikke får
reduceret bæreevnen i tøbruds- og fugtige perioder, sekundært som følge af, at den samlede bæreevne af lagene under asfalten øges, når bundsikrings- laget erstattes af DrænStabil.
2. Sporkøring og jævnhed (IRI): Leve- tid fordobles ved opbygninger med DrænStabil og foranstaltning til hurtig bortledning af nedsivende vand. Hvis vandet skal nedsives i underbunden reduceres forøgelsen af levetiden proportionalt med den vandfyldte pe- riodes procentdel af et år. En eventuel isoleringseffekt giver ikke signifikante forøgelser af levetiden.
3. Forøgelse af koblingshøjden med 15 cm forøger levetider af drænende be- lægninger med en faktor 10, svarende til 2 trin i trafikklasser. Det skal under- streges, at ovenstående konklusioner forudsætter, at de bæreevneforbedrin- ger, der er fundet indikationer for i la- boratorieforsøg og målinger i marken, faktisk forekommer. På basis af under- søgelserne kan det forventes, at kob- lingshøjden for befæstelser til en given trafikklasse kan reduceres med mindst 50 mm ved anvendelse af en drænbe- lægning, og at det også vil være muligt at reducere tykkelsen af asfaltlaget.
█
Tabel 2. Simulationskombinationer.
Tilfælde Befæstelse Frostnedtrængning Vandmættet Vurderer effekt af
1 Traditionel Standard 0% MMOPP baseline
2 Traditionel < Koblingshøjde 0% Ingen frost i UB, men frost hvert år i SG+BL 3 Traditionel < Asfalt-tykkelse 0% Ingen frost i SG+BL+UB
4 LAR befæstelse Standard 0% SG+BL erstattet af stivere ubundne lag (Drænstabil), nor- mal klimasimulation
5 LAR befæstelse Standard 1% Drænstabil normal klimasimulation, perioder med redu- ceret bæreevne
6 LAR befæstelse < Koblingshøjde 1% Drænstabil isolerer, men fryser hvert år, perioder med re- duceret bæreevne
7 LAR befæstelse < Asfalt-tykkelse 1% Drænstabil isolerer og er upåvirket af frysning, perioder med reduceret bæreevne
8-11 LAR befæstelse Standard 2%-17% Drænstabil normal klimasimulation, variable perioder med reduceret bæreevne, også for UB.
12-15 LAR befæstelse < Koblingshøjde 2%-17% Drænstabil isolerer, men fryser hvert år, variable perioder med reduceret bæreevne, også for UB.
16-19 LAR befæstelse < Asfalt-tykkelse 2%-17% Drænstabil isolerer og er upåvirket af frysning, variable perioder med reduceret bæreevne, også for UB.
Figur 3. Detalje af sporkøringsudvikling over et år. Længden af (bl.a.) perioden lige inden 9,4 år med reduceret bæreevne er varieret.
