Dypstabilisering av fylkesveger med lignin

i

BACHELOROPPGAVE

BACHELOROPPGAVENS TITTEL

Dypstabilisering av fylkesveger med lignin

DATO 23.05.2019

ANTALL SIDER / ANTALL VEDLEGG

FORFATTERE Fredrik Nygaard

VEILEDER

Berthe Dongmo-Engeland

UTFØRT I SAMMARBEID MED Statens Vegvesen, Region Midt

KONTAKTPERSON Vegar Antonsen Anders Sveen

SAMMENDRAG

Dette er en casestudie der det ses på muligheter for å bruke lignin som bindemiddel ved bærelagsstabilisering av 2 fylkesveger i Oppland. Lignin er et plantebasert bindemiddel som kan brukes som alternativ til bitumen, men i det store bildet er det lite brukt.

Effekten er ikke godt dokumentert, og dermed mindre brukt i en del sammenhenger.

Målet med studien er å vise fordelene ved lignin, og bidra til å legge opp til økt bruk. Det stilles normalt høye krav til bæreevne når en veg skal forsterkes, og i tidligere studier har ikke ligninets bæreevne blitt kvantifisert. I denne oppgaven ses på nærmere på bæreevne, men mer på andre fordeler som miljøvennligheten ved et plantebasert bindemiddel, og telemotstand. Lignin har en fleksibilitet som gir det gode egenskaper for å motstå teleskader. Dette brukes til å vise at lignin er et godt egnet bindemiddel, som kan bidra til å redusere bruken av bitumen.

3 STIKKORD Forsterkning Dypstabilisering Lignin

GRUPPE NR: 36

TILGJENGELIGHET Åpen

OsloMet – storbyuniversitetet

Institutt for Bygg- og energiteknikk - Bygg

Postadresse: Postboks 4 St. Olavs plass, 0130 Oslo Besøksadresse: Pilestredet 35, Oslo

Telefon: 67 23 50 00 www.oslomet.no

ii

iii F

Denne Bachelor-oppgaven er skrevet som avsluttende del av 3-årig Bachelorstudie som Byggingeniør ved OsloMet. Studiet har vært i perioden 2016-2019, og fulgt linjen for Teknisk Planlegging. Oppdragsgiver er Statens Vegvesen, Region Midt. Årlig utlyses det oppdrag for bachelor- og masteroppgaver fra SVV, og oppgaven ble tildelt gjennom en søknadsprosess.

Denne bacheloroppgaven er en casestudie som tar for seg muligheten til å gjøre et spesifikt vedlikeholdsprosjekt mer miljøvennlig, og bruke erfaringene fra dette i fremtidige prosjekter.

Det er et stadig økende behov for mer miljøvennlige og bærekraftige løsninger, og i denne oppgaven ses det på muligheten for å bruke et plantebasert bindemiddel ved forsterkning av veger. Dette er ikke noe nytt, men det er lite brukt og forsket på, og det er en del skepsis til det. Av den grunn ønsket jeg å jobbe med dette temaet, da det er både interessant og samfunnsnyttig, og det kan bidra til å fremme en bærekraftig løsning.

Målgruppen for oppgaven er de med interesser innen miljø og bærekraft, og innen

forsterkningsarbeid på veger. Oppgaven er utarbeidet under forutsetning av lesere har en viss grunnleggende kjennskap til vedlikehold og forsterkning av veger.

Jeg vil rette en spesiell takk til innehaver av Crusher International AS, Lloyd Sundstøl, for hans uvurderlige bidrag til å skape faglig forståelse, og til intern veileder ved OsloMet, Berthe Dongmo-Engeland, for hjelp, støtte og inspirasjon gjennom hele prosessen.

Jeg vil også rette en spesiell takk til Statens Vegvesen Region Midt og mine eksterne veiledere Vegar Antonsen og Anders Sveen, for muligheten til å jobbe med denne oppgaven, hjelp og bistand.

Oslo, 23.05.2019

_____________________

Stud. navn

iv S

Denne oppgaven ser på mulighetene for å øke bruken av lignin som bindemiddel ved

dypstabilisering av veger. Dette er gjort gjennom en casestudie der det ses på muligheter for å bruke lignin som bindemiddel ved stabilisering av 2 fylkesveger i Oppland. Statens Vegvesen Region Midt har plukket ut to fylkesveger som skal forsterkes, og ønsker å bruke disse til å gjøre egne forsøk på lignin. Oppgaven viser hvordan lignin kan brukes på vegene, både til forsterkning, og for utprøving.

Lignin er et plantebasert bindemiddel som kan brukes som alternativ til bitumen, men i det store bildet er det lite brukt. Effekten er ikke godt dokumentert, og dermed velges det

normalt å fortsette bruken «trygge og kjente» metoder. Fokus og behov for mer miljøvennlige løsninger øker i takt med de utfordringer vi står ovenfor. Lignin er en miljøvennlig og

bærekraftig løsning ved forsterkning av veger, der det i dag er normalt å bruke

petroleumsproduktet bitumen. Fremfor utvinning fra ikke-fornybare ressurser, utvinnes lignin fra trær i samme prosess som cellulose. Dette er fornybart, og det er kortreist ved at det gjøres her i Norge. Bitumen hentes normalt fra Venezuela og Midtøsten.

Dypstabilisering er en forsterkningsmetode som baseres på bruk av eksisterende masser.

Gammel asfalt og bærelagsmasser freses opp fra vegen, blandes med bindemiddel, og legges ned igjen som nytt bærelag i en og samme prosess. Dette bedrer kvaliteten på materialene, og øker bæreevnen på vegen. Metoden egner seg på gamle teleutsatte grusveger, som senere har blitt asfaltert og tatt i bruk som fylkesveger.

Målet med studien er å vise flere fordeler ved lignin, og bidra til økt bruk. Det stilles normalt høye krav til bæreevne når en veg skal forsterkes, og i tidligere studier har ikke ligninets bæreevne blitt kvantifisert. I denne oppgaven ses på nærmere på bæreevne, men mer på andre fordeler som miljøvennligheten ved et plantebasert bindemiddel, og telemotstand.

Lignin har en fleksibilitet som gir det gode egenskaper for å motstå teleskader. Dette brukes til å vise at lignin er et godt egnet bindemiddel som kan bidra til å redusere bruken av bitumen.

v A

This thesis studies the possibilities to increase the use og lignin as a binder in the stabilization of roads. This has been done through a casestudy by looking at the possibility for using ligin as binder when strenghtening old county-roads in Oppland. Statens Vegvesen Region Midt has picked out two roads that will be streghtened, and they wish to use these do their own testing on lignin. Thi thesis shows how lignin can be used on these roads, both for strenghtening, and for testing.

Lignin is binder based on plants that ca be used as an alternative to bitumen, but the use of it is not very wide. The effect of it is not well documented, therefore the use of «safe and well- known» methods is beeing continued. The focus and need for a more environmental

solutions is increasing in line with the challenges we are facing. Lignin is an environmental and sustainable solution when strengtening roads, compared to todays use of petroleum-based bitumen.Instead of utilizing from a non-renewable resource, lignin is utilized from trees in the same process av cellulose. This is renewable, and it is locally produced here in Norway.

Bitumen is normally brought in from Venezuela and the Middle East.

Stabilizing roads is a method to improve the load bearing capabilities by using the existing masses in the road. Old asphalt and masses is milled up and grinded, before mixing with binders, and put down as a new load bearing ground in one and the same process. This

increases the quality of the materials and the load bearing capacity. This method is well suited for old gravel-roads exposed to heave, and that has been paved and used as new county- roads.

This studys objective is to expose more of the advantages with lignin, and contribute to it beeing used more. Normally the load bearing capacity requirements are quite high, and studies has not quantified the load caoacity of lignin. This is investigated closer in this thesis, but mostly the focus ia based around advantages of beeing a plant-based binder, ant

resistance to heave. Lignin has a more flexible structure, giving it good abilities to resist heave. These abilities is firthermore used to show that lignin is a well-suited binder to reduce the use of bitumen.

vi Innholdsfortegnelse

Forord ... iii

Sammendrag ... iv

Abstract ... v

Definisjoner ... viii

Materialdefinisjoner ... ix

Forkortelser ... ix

Figurliste ... x

Tabelliste ... xi

1 Innledning ... 1

1.1 Bakgrunn ... 1

1.2 Formål ... 1

1.3 Problemstilling ... 2

1.4 Avgrensning ... 2

2 Teori ... 3

2.1 Vegoverbygningen ... 3

2.1.1 Frostsikringslaget ... 3

2.1.2 Forsterkningslaget ... 4

2.1.3 Vegdekket ... 4

2.1.4 Bærelag og bæreevne ... 4

2.2 Dimensjonering ... 6

2.2.1 Indeksmetoden ... 6

2.2.2 Dimensjonering av bærelag ... 7

2.3 Tilstandsregistrering ... 8

2.3.1 Georadar ... 8

2.3.2 Fallodd ... 9

2.3.3 Sporutvikling og dekkelevetid ... 12

2.3.4 Oppgravingsprøver ... 13

2.3.5 Andre metoder ... 14

2.4 Forsterkning av veg ... 14

2.4.1 Generelt om forsterkning ... 14

2.4.2 Forsterkningsbehov ... 16

2.4.3 Bærelagsforsterkning ... 17

2.4.4 Dypstabilisering... 18

2.4.5 Forutsetninger for dypstabilisering ... 18

2.4.6 Valg av bindemiddel ... 20

2.4.7 Masseutskiftning og -tilførsel ... 20

2.4.8 Fordeler ved dypstabilisering ... 20

vii

2.5 Bindemidler ... 21

2.5.1 Bitumen ... 21

2.5.2 Bitumenets Egenskaper ... 23

2.5.3 Valg av bitumen ved dypstabilisering ... 24

2.5.4 Lignin ... 25

2.5.5 Dustex ... 25

2.5.6 Ligninets stabiliserende egenskaper ... 26

2.5.7 Dypstabilisering med Dustex – utlegging og herding ... 27

2.5.8 Miljøproduktet lignin ... 28

3 Metode ... 29

3.1 Drøfting av metoder ... 29

3.2 Valgt metode ... 30

3.3 Litteraturstudie ... 30

3.4 Informanter ... 30

4 Case-studie ... 31

4.1 Gjennomføring ... 31

4.2 Innsamling og behandling av data ... 32

4.2.1 Lignin ... 32

4.2.2 Fylkesvegene ... 33

5 Refleksjon og Kvalitetssikring ... 34

5.1 Reliabilitet ... 34

5.2 Objektivitet ... 34

5.3 Generaliserbarhet ... 34

5.4 Kildekritikk ... 34

6 Resultat ... 35

6.1 Fv117 ... 35

6.2 Fv 204 ... 39

6.3 Dypstabilisering... 42

6.4 Lignin og bitumen ... 42

7 Analyse ... 44

7.1 Dypstabilisering med lignin ... 44

7.2 Fylkesveg 117 og 204 ... 45

7.3 Ligninstabilisering av Fv117 og Fv204 ... 47

8 Konklusjon ... 48

8.1 Videre studier og arbeid ... 49

9 Referanser ... 50

10 Vedlegg ... 53

viii D

EPD – Miljødeklarasjon (Environmental Product Declaration). Tredjeparts verifisert dokument som oppsummerer miljøbelastningen og ressursforbruk gjennom hele produktets livsløp. En EPD bygger på livsløpsvurderinger (LCA) iht ISO 14040/14044 og må være i samsvar med internasjonale standarder og nasjonale beregningsregler (SINTEF Certification, u.d.) Frostmengde - 24 ganger summen av differansen mellom 0 °C og daglig midlere

utelufttemperatur, summert daglig i løpet av frostsesongen, medregnet både positive og negative differanser. Benevningen er h °C (timegrader) (Statens Vegvesen, 2016, s. 268)

Defleksjon – avbøyning, nedbøyning

E-modul – Materialstivhet, forhold mellom spenning og tøyning.

Fylkesveg – Offentlig veg med fylkeskommunen som vegmyndighet (Statens Vegvesen, 2019) LCA – Livsløpsanalyse (Life-Cycle Assessment). Metode for å vurdere den totale

miljøpåvirkningen fra hele verdikjeden til et produkt (LCA.no AS, u.d.)

Termoplastisk – et materiale sin evne til å deformere ved oppvarming

Viskoelastisk – betegner materialets evne til deformasjon, basert på tiden det belastes.

Dersom et viskoelastisk materiale utsettes for spenning over en viss tid, vil det kunne deformeres (Wikipedia, 2018)

Polymer – kjedeformede molekyler (Helseth, 2019)

Telefarlighetsklasse – klassifisering av et materiale sin telefarlighet. T1 og T2 regnes som ikke- eller lite telefarlig, T3 og T4 regnes som middels-/meget telefarlig (Statens Vegvesen, 2018, s.

305)

Trafikkgruppe – inndeling av veger i grupper (A-F), basert på vegens trafikkbelastning.

Trafikkgruppe A har lavest belastning, og F har høyest (Statens Vegvesen, 2018)

Emulsjon – «En suspensjon av en væske i en annen hvor væskene ikke er blandbare, hvor den indre fase er i form av finfordelte dråper» (Statens Vegvesen, 2018, s. 298)

Bæreevne – «den største aksellast en veg kan ta over en dimensjoneringsperiode uten at vegens tilstand, ved normalt vedlikehold, faller under en definert akseptabel grense» (Statens Vegvesen, 2018, s. 297).

Lastfordelingskoeffisient – Betegnelse på et materiale sin evne til å fordele trafikklaster.

(Statens Vegvesen, 2018, s. 301)

Indeksverdi – lagtykkelse i cm multiplisert med lastfordelingskoeffisient. Dette gir et uttrykk for lagets lastfordelende evne (Statens Vegvesen, 2016, s. 80)

Bærelagsindeks – summen av indeksverdier fra vegens overflate og ned til første lag i

vegkonstruksjonen med lastfordelingskoeffisient mindre enn 1,25 (Statens Vegvesen, 2016, s.

80)

ix

Styrkeindeks – summen av indeksverdiene for alle lag i vegoverbygningen fra øverste dekket ned til undergrunnen (Statens Vegvesen, 2014, s. 522)

Falling Weight Deflectometer – fallodd som måler vegens bæreevne (Statens Vegvesen, 2015, s. 148)

ÅDT – Årsdøgntrafikk. Totalt antall kjøretøy som passerer et snitt av en veg i løpet av ett år, dividert med 365 (Statens Vegvesen, 2014, s. 524)

ÅDTT - det totale antall tunge kjøretøy (med registrert/tillatt totalvekt >3.5 tonn) som passerer et snitt av en veg i løpet av et år, dividert med 365 (Statens Vegvesen, 2016, s. 77)

M

Bitumenstabilisert grus – kaldblandede bitumenstabiliserte stein- og grusmasser (Statens Vegvesen, 2005)

Enkel overflatebehandling – overflatebehandling der vegflaten sprøytes med bindemiddel, og avstrøs med et ensgradert steinamteriale (Statens Vegvesen, 2005)

Enkel overflatebehandling med grus – også kalt Ottadekke. Bitumen sprøytes på avrettet grusdekke, før det valses inn et nytt lag med grus i bindemiddelet (Statens vegvesen, 2005) Finstoff – Kornstørrelse mindre enn 0,0063 mm (Statens Vegvesen, 2018, s. 299)

Skumgrus – «kald blanding av skumbitumen, stein- og grusmaterialer» (Statens vegvesen, 2005)

F

IRI – International Roughness Index SVV – Statens Vegvesen

Eog – Enkel overflatebehandling med grus (Ottadekke) Gja – Gjenbruksasfalt

FWD – Falling Weight Deflectometer

x F

Figur 1: Oppbygning av vegoverbygning (Statens Vegvesen, 2016) ... 3

Figur 2: Eksempel på aksellastkonfigurasjon for en 28 tonns lastebil (Statens Vegvesen, 2016, s. 76) . 5 Figur 3: En vegs bæreevne kan variere sterkt gjennom året (Statens Vegvesen, 2016, s. 69) ... 5

Figur 4: Georadar - eksempel på resultatvisning lengdeprofil (Statens Vegvesen, 2015, s. 151) ... 8

Figur 5: Fallodd og geofoner (Statens Vegvesen, 2015, s. 148) ... 9

Figur 6: Defleksjonsmåling (Statens Vegvesen, 2015, s. 149) ... 9

Figur 7: Forholdet mellom nedbøyning og krumning angir hvor i overbygningen svakheten befinner seg (Statens Vegvesen, 2015, s. 149) ... 10

Figur 8: Eksempel på visning fra PMS. Øverste graf viser sporutviklingen gjennom flere år (Statens Vegvesen, 2015, s. 145) ... 12

Figur 9: Avlesning av dekkelvetid i PMS (Statens Vegvesen, 2015, s. 192) ... 12

Figur 10: Normerte dekkelevetider (år) for ulike dekketyper og ÅDT (Statens Vegvesen, 2018, s. 173) ... 13

Figur 11: Eksempel på visning fra ViaPhoto (ViaTech AS, 2010) ... 14

Figur 12: Krakelering av veg med dårlig bærelag (Statens Vegvesen, 2016, s. 173) ... 15

Figur 13: Forsterkningsbehov Fdiff ved økning av tillatt aksellast fra 8 til 10 tonn (Statens Vegvesen, 2016, s. 408) ... 16

Figur 14: Forsterkningsbehov (Fdiff) ved unormalt lav opptredende dekkelevetid, uttrykt i indeksverdi (Statens Vegvesen, 2016, s. 369) ... 16

Figur 15: Dypstabilisering (University of Arkansas, 2012) ... 18

Figur 16 Utvinning av oljesand fører til store naturinngrep. Her fra Syncrude Aurora Oil Sands (Foto: theenergycollective.com) ... 22

Figur 17: Bæreevne før og etter stabilisering med bitumen (Andersen, 2014) ... 24

Figur 18: Langsgående telesprekk i Fv 302 i Møre og Romsdal (Strømme, 2008) ... 27

Figur 19: Kartutsnitt av strekning som skal forsterkes (Kilde: Statens Vegvesen) ... 33

Figur 20: Fv117 ligger langs vestsiden av Einavatnet (Kilde: Statens vegvesen) ... 33

Figur 21: Bæreevne langs Fv 117 ... 35

Figur 22: Levetidsfaktor langs Fv117 ... 36

Figur 23: Fv 117 ved 8002 meter, der det er lagt armeringsnett. Venstre side av vegen viser en tidligere utbedret langsgående stor sprekk.. (Kilde: Statens Vegvesen) ... 38

Figur 24: Fv 117 ved 7002 meter (Kilde: Statens Vegvesen) ... 38

Figur 25: Fv 117 ved 6041 meter. Punktet har en bæreevne på 8,8 tonn, og viser en stor langsgående sprekk (Kilde: Statens Vegvesen) ... 38

Figur 26 Fordeling av bæreevne og d90 for Fv204 (Kilde: Statens Vegvesen) ... 39

Figur 27: Levetidsfaktor langs Fv204 ... 40

Figur 28: Fv 204 ved 16.600 meter. Skader i dekket. Området har en bæreevne på 9 tonn, og antatt undergrunn i telefarlig silt (Kilde: Statens vegvesen). ... 40

Figur 29: Fv 204 ved 12.498 meter. Nær dette punktet er det målt vegens laveste bæreevne, 7 tonn. Bærelaget regnes som ekstremt dårlig (Kilde: Statens Vegvesen). ... 41

Figur 30: Fv 204 ved 15.200 meter. 17 tonn bæreevne, sterkt bære- og forsterkningslag, og antatt undergrunn i sand/grus. (Kilde: Statens Vegvesen). ... 41

Figur 31: Vann oppresset fra Dustex-stabilisert bærelag (Hoff, 2004) ... 43

xi T

Tabell 1: Eksempler på lastfordelingskoeffisienter for bærelagsmaterialer. Utdrag fra Vedlegg 2 - Lastfordelingskoeffisienter i N200 (Statens Vegvesen, 2018, s. 295) ... 6 Tabell 2: Eksempel på beregning av trafikkbelastning, N, og trafikkgruppe (Statens Vegvesen, 2018, s.

140) ... 7 Tabell 3: Trafikkgruppe etter antall ekvivalente 10 tonns aksler (Statens Vegvesen, 2018, s. 140) ... 8 Tabell 4: Nedbøyningsmåling av Fv117 ... 37

1 1 I

1.1 B

SVV Oppland har to fylkesveger på vedlikeholdsplanen for 2019, der det er besluttet at vegene skal ha bærelagsforsterkning og nye dekker. De ønsker å bruke dypstabilisering som forsterkningsmetode, for å kunne gjøre tester på bruk av et bindemiddel kalt lignin på utvalgte strekninger. Lignin er et plantebasert bindemiddel, som er miljøvennlig og kostnads- besparende.

Bakgrunnen for dette er at de i fremtiden ønsker å kunne vedlikeholde vegnettet på en mer miljøvennlig og bærekraftig måte, og de vil se på mulighetene for dette ved å ta i bruk lignin.

Dypstabilisering er i seg selv å regne som en miljøvennlig forsterkningsmetode, på den måten at det baseres på gjenbruk av massene på stedet. Massene freses opp, blandes med

bindemiddel, og legges de ned igjen som nytt bærelag i én og samme prosess. I denne prosessen brukes bitumen som bindemiddel, men som petroleumsprodukt er det ikke miljø- vennlig. Lignin har også blitt brukt mye, men det er usikkerheter rundt resultatene som kan forventes. Grunnen er at det er gjort lite dokumenterte studier og tester på dette, og det er få personer i bransjen som har erfaring med produktet. Som en offentlig etat blir det vanskelig for SVV å bruke dette fremfor bitumen, som kan ses på som «trygt» og veldokumentert. SVV Oppland vil derfor gjøre egne tester på lignin, og se om det er noe de kan bruke mer av i fremtidige prosjekter.

1.2 F

SVV Oppland har valgt ut fylkesveger som sannsynligvis skal forsterkes ved dypstabilisering. I det er det en intensjon om å få utredet hvor det kan være hensiktsmessig å forsterke vegene med lignin, for så å kunne undersøke resultatene fra dette gjennom de kommende årene. I det lange løp ønsker de å finne ut om det lønner seg å bruke lignin fremfor bitumen i slike prosjekter.

Fra studenten sin side vil formålet med oppgaven strekke seg utover oppdragsgivers

intensjon. I forkant av et slikt prosjekt kreves det vegteknisk kunnskap, og bedre kjennskap til forutsetninger for et best mulig resultat. Det er ikke gitt at vegene deres er hensiktsmessig å utnytte til en slik undersøkelse. Det er behov for å kartlegge om dypstabilisering er en egnet metode på disse vegene, og i hvilken grad det er mulig å bruke lignin i deler av prosessen.

Relevant vegteknisk utredning er derfor nødvendig. Det er samtidig nødvendig å sammenligne lignin og bitumen, og redegjøre for om lignin totalt sett kan ses på som et bedre alternativ enn bitumen ved stabilisering av masser.

Hovedmålet er å bidra til å fremme mer miljøvennlige og bærekraftige løsninger innen

vedlikehold av veger, ved å utarbeide et forslag til fremgangsmåte for å identifisere de vegene som kan forsterkes ved dypstabilisering med lignin. I tråd med dette vil oppgaven ta for seg det tekniske rundt dypstabilisering og bindemidler, og ha et gjennomgående miljøfokus.

2 1.3 P

Arbeidet i denne oppgaven forsøker å besvare følgende:

• På hvilken måte kan lignin være bedre alternativ enn bitumen i dypstabilisering?

• I hvilken grad er utvalgte vegene egnet for dypstabilisering med lignin, og hvilke parseller kan brukes til testing?

1.4 A

Lignin er et kjemisk komplekst materiale som har et meget bredt bruksområde. Siden lignin er et så sentralt tema i denne oppgaven ville det vært interessant å studere egenskapene

dypere, men relevansen begrenser seg til hvordan det kan brukes ved dypstabilisering.

Bitumen er et velkjent bindemiddel som også har mange sammensetninger og bruksområder, men her begrenses utdypningen på linje med lignin. Det totale omfanget av emnene er stort, og holdes til det generelle. Derfor legges det mindre vekt på detaljer og tilknyttede emner.

Ved vurderinger som hvorvidt dypstabilisering og lignin kan brukes eller ikke, er det mange parametere å ta hensyn til. Omfanget av en fullstendig analyse strekker seg utover rammene for denne oppgaven, og parametere som kan ses på som viktige er utelatt. Vurdering av egnethet er begrenset til bærelagets bærende egenskaper, telemotstand, og miljøvennlighet.

Vedlikeholdsprosjektet som danner grunnlaget for denne Bachelor-oppgaven er stort og langvarig. I arbeidet med oppgaven skulle det blitt gjennomført bæreevnemålinger på lignin- stabiliserte felt, og bruke resultatet som en del av datagrunnlaget. Dette måtte utelates som følge av at slike målinger ikke kan gjennomføres før etter ferdig teleløsning, som er etter levering av oppgaven.

SVV har også bedt om en kostnadsanalyse ved ligninstabilisering, men oppgaven tar i liten grad for seg det økonomiske. For å gjøre en slik analyse er det nødvendig å innhente flere tilbud som er sammenlignbare. Dette har blitt utelatt på bakgrunn av omfanget det inne- bærer, men det er innhentet opplysninger som gir en viss pekepinn på hva som kan være lønnsomt.

Oppgaven er i begrenset til de spesifikke vegene gitt av SVV, men resultatene kan overføres til andre tilsvarende vedlikeholdsprosjekter. Rapporten gir et grunnlag for videre arbeid og undersøkelser utover problemstillingen.

3 2 T

Det er gjort en litteraturstudie om temaer som er relevante for oppgaven. Gjennomgang av dette følger i de neste delkapitlene.

2.1 V EGOVERBYGNINGEN

Vegoverbygningen er betegnelsen for vegkonstruksjonen fra undergrunnen og opp. Over- bygningen fordeler trafikklaster ned til undergrunnen for å forhindre setninger, skader eller uakseptable deformasjoner. Den består av lag med ulike funksjoner som sammen skal gjøre at vegen har tilstrekkelig bæreevne gjennom hele året og levetiden. Det er krav om dekke, bærelag og forsterkningslag, og i tillegg frostsikringslag og filterduk etter behov. (Statens Vegvesen, 2016, ss. 73-75).

Figur 1 viser en prinsippskisse av hvordan overbygningen er bygget opp av de ulike lagene.

2.1.1 F

Frostsikringslaget befinner seg nederst mot grunnen. Dette kan bestå av ikke-telefarlige stein- materialer eller ulike former for isolasjonsmaterialer. Hensikten er å forhindre problemer tilknyttet frost og tining, som telehiv, telesprekker og redusert bæreevne. For at dette skal kunne bli et problem, må faktorene frost, vann, og telefarlig materiale opptre samtidig.

Prinsippet med frostsikringslaget er å fjerne eller redusere virkningen av minst én av disse

Figur 1: Oppbygning av vegoverbygning (Statens Vegvesen, 2016)

4

faktorene ved å drenere, ta vare på frigjort varme fra grunnen, og isolere grunnen mot frost (Statens Vegvesen, 2016, s. 286). Funksjonen til frostsikringslaget er i korte trekk å;

• forhindre at vann fra grunnen suges opp til frysefronten

• forhindre at frosten trenger ned til skadelig dybde

• isolere varmen som fryses ut fra vann under frostsikringslaget.

Det kan legges en fiberduk under frostsikringslaget for å holde unna for finstoff (Statens Vegvesen, 2016, s. 315) Behov for frostsikring bestemmes av ÅDT og dimensjonerende frostmengder. For veger med ÅDT mindre enn 8.000 kjt/døgn er krav til dimensjonerings- periode på 10 år, betegnet med F10. Ved ÅDT Mindre enn 1500 kjt/døgn, er kravet kun at tiltak skal vurderes. Dimensjonering og behov for frostsikring er beskrevet nærmere i N200 kap. 52. (Statens Vegvesen, 2018, s. 147).

2.1.2 F

Forsterkningslaget legges over frostsikringslaget. Laget har to hensikter;

• Å fordele laster for at ikke undergrunnen skal overbelastes.

• Drenering for å bidra til lavt vanninnhold i overliggende lag.

Laget bygges normalt opp med knuste steinmaterialer som pukk eller kult, som kan brukes ved samtlige trafikkgrupper. Knust betong/tegl eller naturgrus kan også brukes, men

begrenses til hhv. trafikkgruppene A-D og A-C. Tilgang på naturgrus er begrenset, og mindre vanlig å bruke (Statens Vegvesen, 2016, s. 76).

2.1.3 V

Vegdekket ligger øverst, og består vanligvis av et bindelag, og et slitelag. I dekket brukes det ulike asfalttyper avhengig av behov. Avgjørende behov kan være variasjoner i trafikk-

belastning, omgivelser, klima, og kvalitet/oppbygning av overbygningen. Dekket skal lede vann og hindre i å trenge ned i overbygningen, og det skal sikre en jevn, god og trygg overflate for trafikantene å ferdes på. For at dekket skal oppfylle sine funksjoner kreves det bl. a. at skader og slitasje ikke overstiger gitte grenser, at dekket gir nok friksjon, og er tett og har riktig sidehelning (Statens Vegvesen, 2016, s. 133).

2.1.4 B

Bærelaget ligger under dekket. Funksjonen er å ta opp spenninger fra tunge hjul og trafikk- laster på vegen, og fordele disse ned i forsterkningslaget eller undergrunnen. Hensikten er å hindre deformasjoner i vegdekket og nedknusning av steinmaterialer (Statens Vegvesen, 2016, s. 74). For å oppnå dette er det vanlig at bærelaget består av to lag, hhv. øvre og nedre bærelag. Total tykkelse er 10-20 cm, avhengig av trafikklasse og type materiale. Materialene er ofte bituminøse, såkalt bundne materialer, som materialer som er tilsatt bitumen for

5

stabilisering. Materialer uten bitumentilsetning kalles ubundne, granulære, eller mekanisk stabiliserte materialer (Statens Vegvesen, 2016)

Det mest brukte materialet i bærelaget er Ag (asfaltert grus). Dette har gode lastfordelende egenskaper, og kan brukes i både øvre og nedre bærelag. Av tekniske og økonomiske årsaker kan det brukes materialer med lavere kvalitet og lastfordelende egenskaper i nedre lag. Dette gjelder spesielt for store eller høytrafikkerte veger, der dette kan bety stor kostnadsreduksjon (Statens vegvesen, 2014, s. 64). SVV har i Håndbok N200 en oversikt over materialer for de ulike lagene, og deres egenskaper. Andre materialer som er aktuelle for nedre bærelag er asfaltert pukk (Ap), knust asfalt (Ak), gjenbruksasfalt (Gja), og knust fjell (Fk) (Statens Vegvesen, 2018).

Vegens bæreevne omtales som tillatt aksellast. Dette er høyeste tillatte tyngde fra hver enkelt hjulaksel på kjøre- tøyet (Statens Vegvesen, 2016, s. 76). Figur 2 viser eksempel på en slik konfigurasjon. Tillatt aksellast på riksveger er 10 tonn, og 8 tonn på fylkesveger. Vegens bæreevne er kun et uttrykk, da såkalt virkelig bæreevne kan ha store variasjoner.

Dette finnes det flere årsaker til, men den kanskje mest kjente årsaken er frost og teleløsning.

Figur 3 viser en prinsippskisse av hvordan vann, frost og tele kan påvirke bæreevnen gjennom året (Statens Vegvesen, 2016, s. 69). Bæreevnen er normal i tørre perioder, typisk sommer. Den forsterkes ved tilfrysing vinterstid, og svekkes i nedbørsperioder. I tele-

løsningen kan det frigjøres mye vann i over- bygningen, og bæreevnen kan bli redusert til et kritisk punkt. Graden av dette avhenger av mengden vann og finstoff. Undersøkelser viser at E-modulen (stivheten) til et materiale synker når vanninnholdet i finstoffet øker. Om materialet ikke inneholder fin- stoff, forblir E-modulen nærmest uforandret ved økende vanninnhold (Statens Vegvesen, 2015, s.

105). Dette viser hvordan vann og finstoff kan påvirke bæreevnen, og viktigheten av å ha kontroll på disse faktorene.

Figur 2: Eksempel på

aksellastkonfigurasjon for en 28 tonns lastebil (Statens Vegvesen, 2016, s. 76)

Figur 3: En vegs bæreevne kan variere sterkt gjennom året (Statens Vegvesen, 2016, s. 69)

6 2.2 D

Dimensjoneringsperioden for en veg bygget etter vegnormalene er 20 år, som betyr at vegen skal tåle dimensjonerende klima- og trafikkbelastning gjennom en levetid på 20 år uten forsterkningsbehov. For å oppnå dette dimensjoneres overbygningen på bakgrunn av faktorer som trafikkbelastning, frost, og undergrunnsmateriale. I tillegg har vegdekket en funksjonell levetid som normalt er 10-15 år. Disse periodene har i utgangspunktet ingen sammenheng med hverandre, men tilstanden på bærelaget kan påvirke dekkets levetid. Fullstendig frem- gangsmåte for dimensjonering er gjengitt i SVV sin håndbok N200 Vegbygging kap. 5 (Statens Vegvesen, 2018). I denne rapporten tas det utgangspunkt i dimensjoneringsprinsipper til- knyttet bæreevne.

2.2.1 I

I N200 defineres indeksmetoden som

«Metode for å styrkeberegne en vegkonstruksjon. Materialene i undergrunnen klassifiseres i bæreevnegrupper etter den bæreevnen de forskjellige materialtypene har, og materialene i overbygningen etter lastfordelende evne, uttrykt ved

lastfordelingskoeffisienter»

I denne oppgaven fokuseres det på materialene i overbygningen. Alle materialene her har en lastfordelingskoeffisient som beskriver dets evne til å fordele laster videre ned. I bærelaget kalles dette bærelagsindeksen, BI. Indeksen består av forholdet mellom tykkelsen og last- fordelingskoeffisienten materialet (lagtykkelse x lastfordelingskoeffisient).

Eksempel er et materiale med koeffisient lik 2, f. eks. asfaltert sand (As). 10 cm av dette materialet oppnår en styrkeindeks på 10 x 2 = 20

Senere i denne oppgaven vises det hvordan indekser og lastfordelingskoeffisienter brukes ved beregning av en vegs forsterkningsbehov.

Tabell 1: Eksempler på lastfordelingskoeffisienter for bærelagsmaterialer. Høyre rad angir koeffisienten i krakelert tilstand. Utdrag fra Vedlegg 2 - Lastfordelingskoeffisienter i N200 (Statens Vegvesen, 2018, s. 295)

7 2.2.2 D

Et riktig dimensjonert bærelag fordeler lastene tilstrekkelig ned i underliggende lag. Dette oppnås ved riktig kombinasjon av materiale og tykkelse, dvs. en bærelagsindeks som tilfreds- stiller kravene for den spesifikke vegen. Riktig dimensjonering og krav til BI bestemmes av vegens trafikkgruppe, som bestemmes av en rekke faktorer:

• ÅDTT – andel tunge kjøretøy av vegens ÅDT, oppgitt i %

• p - årlig trafikkvekst for tunge kjøretøy i %, normalt 10%

• f - fordelingsfaktor. Vi bruker følgende verdier:

o 1-felts veg f = 1.00 o 2-felts veg f = 0.50 o 4-felts veg f = 0.45 o 6-felts veg f = 0,40

• n - dimensjoneringsperiode i år. Normalt brukes 20 år

• C - gjennomsnittlig antall aksler per tungt kjøretøy. Vanligvis brukes C = 2,4

• E - gjennomsnittlig ekvivalensfaktor for akslene på tunge kjøretøy. Vi bruker E=0,207 ved tillatt aksellast på 8 tonn, og E=0,424 ved 10 tonn.

Fra dette regnes antall ekvivalente 10-tonns aksler, N, ut ved:

𝑁 = 𝑓 ∗ Å𝐷𝑇𝑡 ∗ 365 ∗(1 + 0,01 ∗ 𝑝)^𝑛− 1

0,01 ∗ 𝑝 ∗ 𝐶 ∗ 𝐸 eller leses av i tabell:

Tabell 2: Eksempel på beregning av trafikkbelastning, N, og trafikkgruppe (Statens Vegvesen, 2018, s. 140)

8

Verdien av N bestemmer hvilken trafikkgruppe vegen er i:

Trafikkgruppe brukes ved bygging og forsterkning av veg. Senere i oppgaven vises sammen- hengen mellom trafikkgruppe og forsterkningsbehov.

2.3 T ILSTANDSREGISTRERING

Behov for vedlikehold og forsterkning bestemmes ut ifra analyse av tilstandsregistreringer for vegen. Faktorer som registreres og vurderes er bl. a. spordybde og jevnhet, bæreevne, opp- sprekking og krakelering (Statens Vegvesen, 2015, s. 143). I tillegg vurderes kostnader i bestemmelse av forsterkningsbehov og -tiltak (Statens Vegvesen, 2016, s. 366)

Det finnes mange metoder å bestemme tilstand på. I de neste underkapitlene gjennomgås metodene som er representert eller relevante i denne oppgaven.

2.3.1 G

Også kalt GPR – Ground Penetrating Radar.

Elektromagnetiske bølger kartlegger lagdelingen i overbygningen. Dette kan gir data som lagtykkelser, objekter i over- bygningen (rør, stor stein, kabler, etc), vann- innhold, variasjoner i materialtyper, eller teledybde. Mulighet for å se ca 2,5-3 m dypt (Statens Vegvesen, 2015, s. 150)

Figur 4: Georadar - eksempel på resultatvisning lengdeprofil (Statens Vegvesen, 2015, s. 151)

Tabell 3: Trafikkgruppe etter antall ekvivalente 10 tonns aksler (Statens Vegvesen, 2018, s. 140)

9 2.3.2 F

Ved falloddsmåling registreres vegens bæreevne i tonn, og det gis et bilde av vegens over- bygning og evne til å fordele laster. Dette gjøres med FWD – Falling Weight Deflectometer, som påfører vegen defleksjoner (nedbøyinger) og tøyninger i underkant av overbygningen.

Metoden består av et lodd som slippes ned på en belastningsplate 2-3 ganger med en kraft på 50 kN, som skal tilsvare en hjullast på 5 tonn. Når loddet treffer begynner overflaten å

«fjære», og fra dette registreres det defleksjoner i lastsenter og i ulike avstander ut til sidene.

Dette gjøres med en serie geofoner (Evensen R. , 2015, s. 28).

Defleksjonene skaper en krumning ut til siden, et nedbøyningsbasseng:

Figur 6 viser hvordan en krumning kan fordele seg utover til siden. I punktet d0 måles

defleksjonen rett under loddet, mens i punktene d20, d30 osv måles defleksjonene hhv. 20 og 30 cm ut til siden fra d0. Målingene angis i mm.

Dette gir SCI – Surface Curvature Index, som beskriver krumningen på nedbøyningsbassenget:

SCI200 = d0 – d20. SCI300 = d0 – d30 osv. Normalt brukes SCI200

Verdien er en annen måte å uttrykke bæreevne på enn tonn, og brukes internasjonalt. Med utgangspunkt i krumningen uttrykker SCI bæreevnen ved å si noe om stivheten/E-modulen i overbygningen (Jansson, 1992) , og spesielt i dekke og bærelag;

Figur 6: Defleksjonsmåling (Statens Vegvesen, 2015, s. 149) Figur 5: Fallodd og geofoner (Statens Vegvesen, 2015, s. 148)

10

•

•

SCI200 brukes videre til å beregne hvor i overbygningen svakheten sitter:

Formlene i figur 7 viser at jo lavere resultat, jo høyere i overbygningen sitter et problem.

Defleksjoner ses også på lenger fra lastsenteret, normalt ved d90. Stor nedbøyning i dette området indikerer svake materialer i undergrunnen. Dette kalles BCI – Base Course Index, og beregnes ved d90 – d120 (Statens Vegvesen, 2015, s. 150)

Med utgangspunkt i vegdata for Fv204 gjøres en kontrollberegning;

Det er oppgitt:

d0/(d0-d20) = 5 ^→ svakhet i forsterkningslag/undergrunn, og d90 – d120 = 127 → ekstremt dårlig styrke i undergrunn Har følgende datagrunnlag:

• Metrering: 10.399 m

• d0 = 1818 μm

• d20 = 1437 μm

• d90 = 160

• d120 = 33

Får: d0/(d0-d20) = _{𝟏𝟖𝟏𝟖−𝟏𝟒𝟑𝟕}^{𝟏𝟖𝟏𝟖} = 𝟒, 𝟕𝟕 ≈ 5 BCI = d90 – d120 = 𝟏𝟔𝟎 − 𝟑𝟑 = 𝟏𝟐𝟕

Dette samsvarer med resultatet fra datagrunnlaget, og som indikerer at svakheten sitter i forsterkningslag eller undergrunnen, og at styrken i grunnen er ekstremt dårlig.

Figur 7: Forholdet mellom nedbøyning og krumning angir hvor i overbygningen svakheten befinner seg (Statens Vegvesen, 2015, s. 149)

11

Beregning av vegens bæreevne avhenger av om den er asfaltert eller ikke.

Bæreevne uttrykkes i tonn, og beregnes ved:

B

= 11 ∗ (

𝑑0∗150

)

∗ (

Å𝐷𝑇𝑡

)

B

= 11 ∗ (

200

)

∗ (

Å𝐷𝑇𝑡

)

, der

E

=

√𝑑0∗(𝑑0−𝑑20)

Mpa

(Statens Vegvesen, 2016, ss. 254-256).

FWD-målinger er tidkrevende, men godt egnet på smale og svingete veger, og om det er ujevnheter i vegen. Skal det gjøres defleksjonsmålinger over lengre strekninger på større veger, kan det benyttes kontinuerlig nedbøyningsmåling. Dette gjøres med en Traffic Speed Deflectometer (TSD). Dette er i prinsipp et kjøretøy utstyrt med utstyr som måler nedbøyning mens det kjører langs vegen i 40-80 km/t. Nedbøyningen måles under en 10 tonns aksel med tvillinghjul med 7 doppler-lasere. Laserne har avstandene 0, 20, 30, 90, og 150 mm fra lastsenteret, for å registrere nedbøyningsbassenget. Tester viser at resultatene samsvarer godt med resultater fra FWD (Statens Vegvesen, 2016, s. 257)

Figur 11: Prinsippskisse av TSD i bruk (greenwood.dk)

12 2.3.3 S

Sporutvikling måles normalt årlig på alle fylkes- og riksveger, ved gjennomkjøring av

strekningen med kjøretøy påmontert laserskanner som registrerer tilstanden på tverrprofil, lengdeprofil, og tekstur/ruhet. Dette angis i spordybde (jevnhet på tvers) og IRI – International Roughness Index (jevnhet på langs). Dataene lastes opp i PMS – Pavement Managment

System, som gir en grafisk fremstilling sporutviklingen gjennom de siste 20 årene. Figur 9 viser eksempel på hvordan spordybde og IRI vises i PMS. Spordybden øker gradvis over flere år, til den når en øvre grense på 25 mm, der det er gjort en utbedring. Det gis også mulighet til å estimere utviklingen frem i tid, dette er vist på stiplet linje fra ca år 2020 (Statens Vegvesen, 2015, s. 145).

Levetiden til et dekke regnes fra året det legges og frem til utløsende vedlikeholdsstandard er nådd, som vises i PMS-grafen. Dette er opptredende levetid, som kalles funksjonell levetid.

Figur 11 viser hvordan levetid leses av i PMS:

Figur 8: Eksempel på visning fra PMS. Øverste graf viser sporutviklingen gjennom flere år (Statens Vegvesen, 2015, s. 145)

Figur 9: Avlesning av dekkelvetid i PMS (Statens Vegvesen, 2015, s. 192)

13

Det er også en forventning til levetid, som kalles normert levetid. Dette er den levetiden som skal kunne forventes av dekket på en veg som er dimensjonert og bygget riktig, og utsatt for normal belastning i perioden. Den normerte levetiden defineres av sammenhengen mellom dekkemateriale og ÅDT. Figur 12 viser eksempler på hva normert dekkelevetid er for visse dekketyper ved ulike trafikkbelastninger:

Forholdet mellom funksjonell og normert levetid uttrykkes som en levetidsfaktor ꬵ, som sier noe om hvorvidt den registrerte levetiden er unormalt kort eller ikke. Dette brukes til å bestemme dekkets tilstand, og nødvendige utbedringstiltak.

Levetidsfaktoren uttrykkes slik:

ꬵ=𝑓𝑢𝑛𝑘𝑠𝑗𝑜𝑛𝑒𝑙𝑙 𝑙𝑒𝑣𝑒𝑡𝑖𝑑 𝑛𝑜𝑟𝑚𝑒𝑟𝑡 𝑙𝑒𝑣𝑒𝑡𝑖𝑑 (Statens Vegvesen, 2018, s. 173).

2.3.4 O

Oppgravingsprøver fra en veg kan hentes ut fra Nasjonal Vegdatabank (NVDB), og gir

informasjon om materialtyper/-kvaliteter og lagtykkelser. Prøvetakingen ble startet tilbake på 70-tallet, derfor er det meste av dataene er gamle. Mer enn 50% av dataene er fra 1977 eller tidligere, mens 40% har ikke angitt dato for prøvetaking (Evensen R. , 2015, s. 11). Ved bruk av disse prøvene må det derfor tas høyde for endringer som kan ha skjedd med vegen eller undergrunnen i mellomtiden, som vedlikehold eller forsterkning. Er prøvene usikre eller mangelfulle, er det aktuelt å grave/bore opp nye prøver, eller gjøre undersøkelser med geo- radar (Statens Vegvesen, 2016, s. 262)

Slik informasjon er vesentlig for valg og gjennomføring av forsterkningstiltak (Statens Vegvesen, 2016, s. 263). Dette er samtidig viktig for proporsjonering av massene, dvs «å bestemme sammensetningen av massene slik at krav til lastfordelingsevne og bindemiddel- overdekning tilfredsstilles». Sammensetningen det vises til er korngradering, vann- og

bindemiddelinnhold (Skoglund & Bakløkk, 2002). Prinsippet med dette er å finne et best mulig blandingsforhold mellom materialer og bindemiddel i massen.

Figur 10: Normerte dekkelevetider (år) for ulike dekketyper og ÅDT (Statens Vegvesen, 2018, s. 173)

14 2.3.5 A

Eksempler på andre metoder for tilstandsregistrering;

• Friksjonsmålinger. Forteller hvorvidt det er nødvendig å utbedre friksjonsegenskapene til vegdekket (Statens Vegvesen, 2015, s. 151)

• ViaPhoto. Bildebehandlingsprogram gjør breddemålinger, analyser og simuleringer fra bilder fra vegen. Bildene tas for ca hver 20’nde meter ved gjennomkjøring av vegen, og lastes deretter opp i programmet.

• Befaring og lokalkunnskap.

• Benkelmannsbjelke. Dette er en metode for å bestemme bæreevne, men som ikke lenger brukes i Norge. Metoden gikk ut på å legge bjelken mellom tvillingdekkene på en lastebil, og måle nedbøyingen under bakakslingen på bilen.

Deretter ble vegens bæreevne beregnet utfra resultatene (Statens Vegvesen, 2016, s. 253)

2.4 F

I dette kapittelet gis det en gjennomgang av forsterkning av veg, dypstabilisering, og tilknyttede emner.

2.4.1 G

Forsterkning av en veg er tiltak som handler om å forbedre funksjon eller bæreevne, der målet normalt er å oppnå en styrkemessig forbedring som tilsvarer ny veg. Denne oppgaven tar for seg for forsterkning av bæreevne i bærelaget, men forsterkningstiltak omfatter også kantforsterkning, breddeutvidelse, geometrisk utbedring av tverr-/lengdeprofil m.m. (Statens Vegvesen, 2018, s. 169)

Generelt sier vi at det er to hovedgrunner til forsterkning;

• når tillatt aksellast skal økes

• når dekkelevetiden er unormalt lav i forhold til det som anses som akseptabel dekkelevetid for den aktuelle dekketype og trafikkbelastning

(Statens Vegvesen, 2018).

Figur 11: Eksempel på visning fra ViaPhoto (ViaTech AS, 2010)

15

Behov for å øke tillatt aksellast oppstår når vegen ikke er dimensjonert eller bygget riktig for belastningen den utsettes for. Ofte skyldes dette at overbygningen er for tynn eller består av dårlige materialer. Mange av vegene i Norge har «blitt til» over tid, og har ikke blitt dimen- sjonert eller bygget etter dagens standarder. Dette er gamle grusveger som senere har blitt asfaltert, og kan ha blitt asfaltert et ukjent antall ganger ifm. dekkeutbedringer gjennom årene. Det er f. eks. mange fylkesveger (ca 22%) der det fortsatt kun er tillatt med 8 tonns aksellast (Statens Vegvesen, 2016, ss. 15-23).

Ved unormalt lav dekkelevetid er dekkets levetidsfaktor lavere enn den normerte levetiden, og årsaken kan knyttes til forholdet mellom vegens fundament og belastningen den utsettes for. Fundamentet kan være både dårlig og ukjent (Evensen R. , 2015, s. 7). Det oppstår deformasjoner i veg- dekket i form av sporing, telehiv, krakelering, eller oppsprekking på tvers og på langs.

Dekkets tilstand vil derfor kunne si noe om bærelagets tilstand, og avdekke mulige forsterkningsbehov.

Vanlige årsaker til slike dekkeproblemer er underdimensjonering, tele, setninger, utvasking, svake sidekanter, dårlig materialkvalitet, forsømt vedlikehold, eller at økning i trafikk-

belastning har overgått opprinnelig dimensjonering (Statens Vegvesen, 2016, s. 363) (Statens Vegvesen, 2014, s. 296).

Det er viktig å merke seg at andre prosesser kan føre til lignende skader som de som er knyttet til svakt bærelag. Langsgående sprekker i dekket kan skyldes sidekantutglidning, og sporing kan skyldes piggdekkslitasje. Store teleproblemer kan også føre til oppsprekking, uten at det er noe galt med overbygningen. Et dårlig vegdekke er ikke ensbetydende med at vegen trenger forsterkning (Statens Vegvesen, 2016, s. 366)

Figur 12: Krakelering av veg med dårlig bærelag (Statens Vegvesen, 2016, s. 173)

16 2.4.2 F

Forsterkningsbehov betegnes som Fdiff, og er en ubenevnt verdi som angir den indeksverdien det er beregnet at vegen må forsterkes med.

Eksempel: En veg har et forsterkningsbehov Fdiff = 10. En mulig løsning er å tilføre 4 cm Agb, som har k=3. Styrkeindeksen økes med 4 x 3 = 12, som tilfredsstiller Fdiff = 10.

Forsterkningsbehovet avhenger av sammenhengen mellom trafikkgruppe og levetidsfaktor.

Figur 13 viser Fdiff ved økning av tillatt aksellast fra 8 til 10 tonn:

Levetidsfaktoren brukes til å bestemme om den registrerte dekkelevetiden er unormalt kort eller ikke. Lav levetidsfaktor betyr at dekket har kortere levetid enn det burde, noe som kan gjenspeile svakheter i overbygningen. Ved vurdering av dekkelevetid og planlegging av tiltak, deles levetidsfaktoren inn i 3 kategorier. I N200 Vegbygging definerer SVV disse slik;

Levetidsfaktor over 0,7: «For vegdekker med levetidsfaktor over 0,7, vil den nødvendige styrkeforbedring normalt sikres gjennom den ordinære dekkefornyelsen. Ut fra

skadeforhold mv kan det imidlertid være aktuelt med andre tiltak, som omfatter lag under vegdekket».

Levetidsfaktor 0,7-0,5: For vegdekker med levetidsfaktor mellom 0,7 og 0,5 skal det tas utgangspunkt i et forsterkningsbehov som angitt i figur 14. Forsterkningsbehovet skal undersøkes ved oppgravingsprøver, og det skal gjøres en vurdering av opptredende skader.

Figur 13: Forsterkningsbehov Fdiff ved økning av tillatt aksellast fra 8 til 10 tonn (Statens Vegvesen, 2016, s. 408)

Figur 14: Forsterkningsbehov (Fdiff) ved unormalt lav opptredende dekkelevetid, uttrykt i indeksverdi (Statens Vegvesen, 2016, s. 369)

17

Levetidsfaktor under 0,5: En levetidsfaktor under 0,5 indikerer betydelige svakheter i vegkonstruksjonen. Som regel skyldes dette underdimensjonering eller for dårlig kvalitet på materialene. Normalt bør vegen forsterkes etter kravene til ny veg, såfremt videre undersøkelser ikke avdekker andre spesifikke årsaker som kan utbedres.

(Statens Vegvesen, 2018, s. 173)

Dekkelevetid og levetidsfaktor handler om trafikkbelastningens påvirkning på dekkets utvikling og tilstand i form av spor og jevnhet. På en gammel asfaltert grusveg veg med ÅDT lavere enn ca. 3000 kjt/døgn vil ikke trafikkbelastningen i seg selv slite ned vegen nok til at spordybde skal kunne utløse behov for dekkeutbedringer. PMS-data kan vise villedende resultater, dermed er det ofte irrelevant å følge med på sporutvikling på slike veger. Skader på slike veger skyldes andre mekanismer enn sporing, som telehiv, krakeleringer, opp- sprekking mm. (Svingheim, vedlegg A3) (Statens Vegvesen, 1996).

2.4.3 B

Ved bærelagsforsterkning økes bæreevne ved å øke bærelagsindeksen. Når det kun er bære- lag som skal forsterkes er det en forutsetning at de nedenforliggende lagene er i orden. Er det svakheter i disse lagene må de utbedres i forkant.

Ved bærelagsstabilisering vurderes ulike tiltak, avhengig av rådende forhold og måloppnåelse.

I denne oppgaven rettes det søkelys på dypstabilisering, men dette er kun ett av flere mulige tiltak. Mulige tiltak vurderes ut ifra hvilke forhold som påvirker bæreevnen, og ofte må tiltak kombineres. Under følger noen eksempler:

• Drenering

Bæreevnen svekkes av vanntransport i overbygningen, derfor er drenering noe som alltid må kontrolleres og/eller utbedres i forkant av andre tiltak. Drenering er avgjørende for at vegen skal ivareta sin bæreevne, kan være godt nok tiltak alene (Statens Vegvesen, 2015, s. 100)

• Tilførsel av bærelagsmasser

Rimelig tiltak for å øke bæreevne, og rette opp vegens profil. Nye masser legges rett på gamle masser. Dette bygger i høyden, og innskrenker vegbredden (Glommen Skog, 2016)

• Nytt dekke

Utlegging av nytt dekke utbedrer skader i gammelt dekke og retter opp profil. Rimelig metode for å øke bæreevne og dekkelevetid. Dette bygger i høyden, og innskrenker vegbredde (Evensen R. , 2015, ss. 75-77)

• Armering med stålnett

Brukes normalt ved reduksjon av større (20-50< mm) langsgående telesprekker.

Nettet legges inn mellom to asfaltlag og tar opp strekkspenninger fra telehiv, som ellers fører til at dekket sprekker opp. (Evensen R. , 2015, s. 105)

18

• Masseutskiftning

Aktuelt ved dårlig kvalitet på eksisterende masser eller telefarlig undergrunn, der disse massene blir skiftet. Omfattende og dyrt tiltak, og unngås i det lengste (Statens

Vegvesen, 2016, s. 392)

• Utkilinger

Etablere en gradvis overlapp f. eks. mellom to ulike massetyper, eller rundt berg rør i grunnen. Dette for å motvirke effekten av inhomogenitet i massene (Statens

Vegvesen, 2016, s. 294)

2.4.4 D

Dypstabilisering er en forsterkningsmetode som egner seg ved forsterkning av bærelag på lavtrafikkerte grusveger, med ustabilt og telefarlig bærelag (Evensen R. , 2015). Målet er å utbedre svakheter i bærelaget og/eller øke styrken. Prinsippet går ut på å gjenbruke

eksisterende masser ved at asfalten og bærelaget freses opp og homogeniseres. Dette danner en ny masse som tilsettes ca. 4% skumbitumen eller bitumenemulsjon, og deretter legges ned igjen som et nytt bærelag som kan asfalteres (Statens Vegvesen, 2016, s. 391). Stabilisering av bærelaget skjer i en og samme prosess, og krever ikke langvarig stenging av vegen.

Bindemiddelet som tilsettes massene binder disse sammen til en stiv «plate», som fordeler laster bedre ned, og reduserer vanntransport.

Samtidig bindes finstoffet slik at materialet blir mindre vannømfindtlig. Dette reduserer tele- farligheten og gjør dypstabilisering egnet når vegstrekningen er teleutsatt. Dypstabilisering er også aktuelt som tiltak for å gjenopprette vegens profil uten at det bygges i høyden, og blir behov for breddeutvidelse. (Evensen R. , 2015, s. 63).

Ved dypstabilisering kan man anta at

lastfordelingskoeffisienten øker fra 0,75 til 1,75. (Statens Vegvesen, 2016, s. 392) Dette betyr at Fdiff må tilsvare tykkelsen på fresedybden i cm. Full styrkeøkning oppnås derimot ikke før etter noen år. Ved legging er materialene løse, og bruke tid på fullstendig kompaktering. De valses ned, men det vil ikke kompaktere like godt som noen års trafikk. Det kan derfor ikke forventes god tilstandsutvikling på vegen de første årene (Evensen R. , 2015, s. 86)

2.4.5 F

Valg av forsterkningstiltak baseres på flere faktorer, som avdekkes gjennom tilstands-

registrering og undersøkelser av vegdata som oppgravingsprøver og bæreevnemålinger. Disse er nærmere beskrevet i SVV sin håndbok Forsterkning av veger (Evensen R. , 2015) del A.

Figur 15: Dypstabilisering (University of Arkansas, 2012)

19

Dypstabilisering egner seg på gamle grusveger, med teleproblemer og lav trafikkbelastning.

Før dypstabilisering velges som tiltak, må ifølge Forsterkning av veger (Evensen R. , 2015, s.

85) en rekke forhold kartlegges:

• Dekketykkelse, og variasjoner i denne

Er asfaltdekket tykkere enn 5-6 cm, bør dette freses av i egen operasjon.

• Armering, stålnett osv.

Om dette befinner seg i overbygningen, må dette fjernes før fresing.

• Større steiner i overbygningen

Dette påvirker fremdrift og kostnader til nye fresetenner, og kan i tilfeller begrense bruk av metoden. Eventuelle separasjoner i massene må også kartlegges, for å kunne frese dypt nok til å få med finstoffet som kan ha samlet seg i underkant (Statens Vegvesen, 2005, s. 109).

• Forsterkningsgrunnlag

Dypstabilisering egner seg best der dominerende årsak til dårlig bæreevne er telefarlighet og vannømfindtlighet.

• Rør og kabler i overbygningen

Data om horisontal plassering av slikt har vist seg å være mangelfull.

Når dypstabilisering er valgt er det flere forhold om må undersøkes eller utbedres før arbeidet kan begynne. Dette kommer frem i SVV sin Lærebok Vegteknologi (Statens Vegvesen, 2016) kap. 11:

• Overbygningens tykkelse og nødvendig fresedybde

De fleste grusveger tillater ikke fresedybde større enn 10 cm.

• Materialer i overbygningen, kornkurve og kvalitet

Det er med på å bestemme behov for tilførsel eller utskiftning av masser, valg av riktig bindemiddel, og fresemetode.

• Frost og tele

Om forsterkningsbehovet kommer av teleproblemer, bør det vurderes fremtidig forebyggende tiltak. På lavtrafikkerte asfalterte grusveger er det ofte ikke aktuelt å bygge opp frostsikringslag, og det er ikke krav om annet enn vurdering av tiltak (ÅDT<1500) (Statens Vegvesen, 2016, s. 286).

• Drenering og setninger

Telefarlig undergrunn må dreneres, det samme må bærelagsmasser før tilsetning av bindemidler. Dette kan øke kostnader og tidsbruk, og gi behov for breddeutvidelse og kreve inngrep i areal og eiendom. Drenering kan være tidkrevende, avhengig av vanninnhold og mengden materialer med høy tetthet. Dreneringsarbeid bør gjøres minst ett år i forkant (Statens Vegvesen, 2016, s. 382)

Drenering gir i tillegg behov for tid til setninger. Ved drenering av masser fjernes oppdriften fra vannet, og effektivspenningen i massene kan øke med ca 10 kN/m³, avhengig av metningsgrad. Dette kan gi setninger (Aarhaug, 2016, s. 175). Er massene

20

i tillegg inhomogene, vil setningene bli ujevne. Massene må derfor få nok tid til å stabilisere seg.

• Kjennskap til nedenforliggende lag

Ved dimensjonering stilles det i N200 (Statens Vegvesen, 2018, s. 156) strenge ved svak eller telefarlig undergrunn Det er derfor en forutsetning at grunnforholdene er i orden før stabilisering av bærelag. Der problemene er svakheter i forsterkningslaget eller undergrunnen er ikke dypstabilisering riktig tiltak. Her må vurderes andre tiltak.

2.4.6 V

Til dypstabilisering brukes normalt skumbitumen eller bitumenemulsjon, avhengig av

mengden finstoff i massene som skal stabiliseres. Ved store mengder finstoff (2-20 %) er det skumbitumen som benyttes. Årsaken er at skumbitumen oppnår volum pga. skummingen, og blander seg derfor lettere med massene. Ved mindre mengder finstoff brukes bitumen- emulsjon og vann (Evensen R. , 2015).

2.4.7 M

-

Dypstabilisering handler om gjenbruk av eksiterende masser, men det kan også være aktuelt med masseutskiftning. Dette er aktuelt om materialene i overbygningen er for dårlige for gjenbruk, eller at masser ligger såpass dypt at de ikke kan stabiliseres på vanlig måte. Dette er et kostbart og omfattende tiltak som kan ligne på oppbygning av ny veg, og unngås i det lengste (Statens Vegvesen, 2016, s. 392)

Masseutskiftning er også aktuelt der problemene kommer fra svak eller telefarlig undergrunn (T3/T4-masser). Om frost trenger ned i slik undergrunn, kan det føre til telehiv og ujevnheter, som ofte utbedres ved oppretting av dekket. Dette betyr tilførsel av masser og økt trykk på grunnen, som kan føre til ytterligere setninger og ujevnheter. I disse tilfellene er det under- grunnsmassene som skiftes ut med mer stabile og ikke-telefarlige materialer (T1/T2). Gamle masser fra overbygningen byttes enten ut samtidig, eller mellomlagres før de gjenbrukes på samme sted (Statens Vegvesen, 2016, s. 392)

Det kan også tilføres nye masser ved stabilisering. Dette bestemmes av tykkelsen eller kvaliteten på de eksisterende massene. Typiske scenarioer er der overbygningen er for tynn, eller massene har for dårlig kornkurve med mye finstoff og/eller store steiner. Nye masser legges over de gamle, eller blandes sammen med disse i freseprosessen (Sundstøl, 2018, s.

10).

2.4.8 F

Metoden sparer tid, energi og kostander sammenlignet med å f. eks. grave opp og legge vegen på nytt. Gjenbruk av massene gjør at forsterkningen kan gjøres uten å heve vegen (Statens Vegvesen, 2016, s. 391). Ved eventuelt tilførsel av nye masser til de eksisterende massene vil vegen heves noe, men i sin opprinnelige bredde. Om vegen stabiliseres kun ved

21

massetilførsel eller nytt dekke, vil dette legges i trapesform for å unngå sidekantutglidning.

Dette gir smalere dekke, eller behov for breddeutvidelse. Breddeutvidelse kan medføre økte kostnader og eiendomsinngrep.

Dypstabilisering kan regnes som et miljøvennlig tiltak. Norsk Asfaltfresing AS trekker i sin Dypstabiliseringsbrosjyre (Norsk Asfaltfresing AS) frem følgende punkter som begrunnelse for at dypstabilisering er en miljøvennlig metode;

• Redusert bruk av naturressurser

• Redusert bruk av tungtransport

• Redusert slitasje på veger til og fra anleggsområdet

• Redusert lokalforurensning (utslipp, svevestøv, støy)

• Redusert anleggstid

• Smidigere trafikkavvikling under anleggsperioden

• Økt levetid på vegen gir redusert vedlikeholdsbehov.

Gjenbruk av masser reduserer bruk av naturressurser, transport, og ytterligere slitasje på vegen. Hele prosessen gjøres i en og samme prosess, som sparer tid og reduserer lokal for- urensning. Dypstabilisering kan gjøres på én side av vegen av gangen, slik at trafikken kan om- dirigeres til det andre kjørefeltet. Dette, og redusert tidsbruk, bidrar til smidigere trafikk- avvikling i anleggsperioden. Redusert bruk av tid, transport og materialer er også kostnads- besparende. Miljøgevinsten ved dypstabilisering kan også bli noe redusert om det er behov for massetilførsel, som har behov for transport og utvinning.

Dypstabilisering er også gunstig i områder der tilførsel av andre materialer eller asfaltdekker ikke er ønskelig, f.eks. naturparker, vernede naturområder etc. Det er også gunstig i fjernt- liggende områder, pga lite inntransportering av maser (Sundstøl, 2018, s. 4)

2.5 B INDEMIDLER

I dette kapittelet gjennomgås bindemidlene bitumen og lignin, og hvilke egenskaper de har som utnyttes i dypstabilisering. I dette ligger det også hvilken virkning midlene har på miljøet.

2.5.1 B

Bitumen er bindemiddelet som normalt brukes i veger. Bruken av bitumen har hatt flere forskjellige bruksområder gjennom historien, så langt tilbake som 6000 år. Gjennom denne

22

tiden har det blir brukt både til mumifisering, impregnering, og som tetningsmasse. (Statens Vegvesen, 2016, s. 131)

Bitumen er et petroleumsprodukt som utvinnes fra naturlige forekomster eller råolje. I råoljen utgjør dette den tyngste komponenten, og er den som ligger igjen i destillasjonstårnet etter at de lettere komponentene er skilt ut. Råoljen skal ideelt sett inneholde en stor andel tunge komponenter/bitumen, noe olje fra f.eks. Midtøsten har (ca 60-70%). Olje fra Nordsjøen inne- holder svært lite av dette (ca 2-4%), og egner seg derfor ikke til bitumenproduksjon (Statens Vegvesen, 2016, ss. 132-133). Bitumen i Norge importeres derfor fra utlandet.

Naturlig forekomst av bitumen finner vi over 70 land, bl. a. Venezuela, Canada og USA. Den største forekomsten befinner seg i Alberta, Canada. Bitumen herfra befinner seg i olje- og tjæresand eller tungolje. Forekomsten er i sedimenter og berg fra rett under bakken og opptil ca 120 m ned. Gjenværende forekomst av bitumen og tungolje i USA og Canada ble i 2016 anslått til å være ca. 40% på verdensbasis, hvilket skal utgjøre ca. 325 milliarder fat. Aller størst er likevel Venezuela, med en gjenværende forekomst på 265 milliarder fat (Hein, 2017).

Mens bitumen i USA og Canada utvinnes fra sedimenter, er forekomsten i Venezuela i store

«sjøer» (Ruud, 2018).

Utvinning av bitumen fra sand og sjøer fra jordas overflate krever det store naturområder. I en artikkel publisert av Nordic News i 2015 (Tveiten, 2015) oppsummeres det 3 miljø- problemer knyttet til produksjon fra oljesand;

• Store naturinngrep

• Stort behov for energi og vann

• Risiko for utslipp og forurensning

Risiko for forurensning og utslipp av miljøgifter er kanskje den mest kjente miljøtrusselen ved bitumen og oljeindustrien generelt. Miljøgifter kan også frigjøres uten at det skjer et utslipp.

Lagring og bearbeiding av bitumen skjer ved høye temperaturer, noe fører til at visse bestand- deler kan fordampe. Dette frigjør gasser som kan ha skadelige eller irriterende effekter på asfaltarbeidere, og varmen kan utgjøre risiko for forbrenningsskader på mennesker og utstyr.

Ved nedbør kan det skje blødninger og avrenninger fra nylagte og myke dekker, og det

Figur 16 Utvinning av oljesand fører til store naturinngrep. Her fra Syncrude Aurora Oil Sands (Foto: theenergycollective.com)

23

frigjøres svevestøv når asfaltdekket slites ned. Ved riktig bruk av bitumen, anses disse faktorene til å ha minimal virkning (Statens vegvesen, 2005, s. 18).

2.5.2 B

E

Bitumenets egenskaper gjør det egnet til flere bruksområder, der det mest kjente er til asfalt.

I denne oppgaven ser vi på bitumen som bindemiddel ved stabilisering av bærelag.

Generelt har bitumen følgende egenskaper, som gjør det egnet for bruk i veg (Statens Vegvesen, 2016, s. 134);

• Vedheft

Bitumenet har høy evne til å klebe seg fast til steinmaterialene, og lime kornene i en ubunden steinmasse sammen til f. eks. asfalt eller bærelagsmasse. Avhengig av bruksområde og type bergarter som skal bindes, kan det være behov for tilsetninger for å oppnå best mulig heft

• Konsistens/viskositet

Også omtalt som seighet. Viskositet defineres som den egenskapen ved en væske at den motsetter seg at forskjellige lag i væsken beveger seg med forskjellige hastigheter (Holtebekk, 2018). Dette kommer av skjærspenninger som oppstår mellom lagene.

Viskositet er temperaturavhengig, også kalt termoplastisk. Dette betyr at væsken blir mer flytende ved høy temperatur, og motsatt. Derfor varmes ofte bitumen opp ved blanding og utlegging. Når temperaturen synker vil massen stivne. Temperatu-

rfølsomheten kan by på utfordringer, ettersom temperaturvariasjonene gjennom året vil påvirke stivheten i materialet. Om sommeren vil det mykne opp, og være mer utsatt for deformasjoner fra trafikklaster etc. Vinterstid vil det stivne og trekke seg sammen. Dette søker bæreevnen, men skaper strekkspenninger som kan føre til oppsprekking. Valg og behandling av bitumen er viktig for at massen skal kunne opprettholde ønskede egenskaper gjennom året og levetiden.

• Holdbarhet

Bitumen gir en hardt, fleksibelt, vanntett, og holdbart dekke eller bærelag. Det utsettes for fysiske og kjemiske påkjenninger, samtidig med variasjoner i temperatur og spenninger fra trafikk. Dette gradvis bryter ned egenskapene til dekket, men det motvirkes også gjennom riktig bruk, vedlikehold, og tilsetninger.