Freeze Thaw Weathering (tjällossning) and Degradation: Effekten på vägbeläggningar

Frys- och töväder på asfaltbeläggningen har en stor inverkan på asfaltens livslängd, men den djupare påverkan av frys- och töväderförsvagning av marken i underlaget kan leda till att asfaltbeläggningen går sönder snabbare. Varje frosthändelse orsakar skador på vägbeläggningen. I regioner där lufttemperaturen stiger och sjunker runt noll under en viss tid under vintern eller under mellansäsongerna före och efter vintern, inträffar flera frys- och upptiningssituationer som leder till att skadorna ökar.

I den här bloggen utforskar vi mekanismerna och typerna av skador som orsakas av frys- och töcykler. Vi förklarar vad som menas med frost- och töväder på asfalt och undersöker hur frost- och töväderseffekter på underlaget orsakar stora beläggningsskador. Vi tittar också på hur klimatförändringarna troligen kommer att öka känsligheten för skador orsakade av frost- och töväder och vilken roll Tensar geogrids kan spela för att öka motståndskraften mot skador på vägbeläggningar som orsakas av frost- och tövädercykler.

Vad är frost och töväder (thaw weathering)?

Frysning och upptining sker när vatten sipprar in i sprickor i stenar eller i porerna mellan jordpartiklar och fryser till is. Vattnets expansion skapar ett högt tryck som kan vidga sprickorna eller tvinga isär jordpartiklarna. När vi tittar på de krafter som är inblandade i frostsprängning är det lätt att förstå hur denna nedbrytningsprocess kan ske. När vatten kristalliserar vid frysning ökar volymen med något mer än 9 %, och det expansionstryck som genereras om det är instängt kan överstiga 220 MPa: mer än tillräckligt för att bryta sönder berg.

Vad är en frys- och töcykel?

När lufttemperaturen sjunker under noll, kyls vägytan och den omgivande markytan ner och når så småningom noll - och då fryser vattnet i vägbanan. Ju längre lufttemperaturen ligger under noll, desto djupare blir frysområdet (vanligtvis kallat frostzonen). Frosten kan då tränga djupt in i den underliggande marken. När lufttemperaturen stiger över noll grader uppstår den omvända effekten. När yttemperaturen stiger över noll, tinar isen och den ökade temperaturen tränger långsamt djupare in i beläggningen och marken under den. Sammantaget bildar faserna med sjunkande och stigande temperaturer en frys- och töcykel.

Var sker frys- och töcykler?

I de nordliga områdena ligger lufttemperaturen under noll under långa perioder. Det kan förekomma endast en säsongscykel av frysning och upptining per år. I de nordliga och sydliga tempererade områdena finns det dock långa perioder då lufttemperaturen stiger och sjunker mellan noll grader i dagar eller veckor i taget. I dessa regioner finns det flera cykler av frost och upptining per år.

Vilka effekter har klimatförändringen

Effekten av klimatförändringarna har i vissa nära polartrakter i Kanada, Nordeuropa och Ryssland, som normalt sett har en lång kall säsong. Nu upplever mer tempererade förhållanden med flera frys- och upptiningsperioder per år. I vissa regioner som en gång hade permafrost upp till eller nära marknivån har permafrosten nu dragit sig tillbaka, vilket gör att undergrund och vägöverbyggnad måste genomgå säsongsvisa cykler av frost och tining.

Hur skadar frost och upptiningsväder asfalt?

Mikroeffekter – Frys- och upptiningsperioder har visat sig orsakar skador på bindemedlet, vilket påverkar dess egenskaper och orsakar en minskning av asfaltbetongens styvhet, tryckhållfasthet och utmattningsbeständighet. Procentandelen hålrum i mineralaggregatet ökar under frys- och töcykler, vilket ytterligare minskar asfaltens stabilitet.

Mezzoeffekter – Förekomsten av vatten som fryser i asfalten orsakar en minskning av bindningen mellan bindemedel och aggregatpartiklar, denna förlust av vidhäftning som kallas "strippning" fortsätter under upprepade cykler av frysning och upptining.

Macroeffekter – Vatten som tränger in i asfalten genom sprickor expanderar under frysfasen, spränger asfalten och vidgar och förlänger sprickorna. Detta försämrar asfaltlagrets strukturella prestanda och leder slutligen till att gropar bildas. Groparna utvidgas snabbt under inverkan av ytterligare frys- och töcykler.

Effekten av frys- och töcykler på underliggande jordar och vägöverbyggnader: tjällyft och tjällossning

De skadliga effekterna av frost och töväder på vägbeläggningar kan delas in i två separata men relaterade processer: tjällyft och tjällossning. Tjällyft är den uppåtriktade rörelsen av beläggningen som beror på expansionen när vattnet i beläggningsskikten och underlaget fryser. Tjällossning beskriver den försvagande effekten på underlaget till följd av vattenmättad jord när isen i materialet smälter.

Vad är tjällyft och hur fungerar den?

Bildningen av iskristaller i de större hålrummen mellan jordpartiklar sträcker sig till att bilda sammanhängande islinser. Islinserna växer genom kapillär uppstigning och tjocknar i värmeöverföringens riktning tills allt vatten är fruset. När vattnet fryser utvecklas ett negativt portryck i marklagren, vilket drar vatten uppåt från den lägre ofrusna marken mot den frusna fronten: ett fenomen som kallas "cryosuction/kryosugning". När islinserna tjocknar "lyfter" de överliggande jord- och beläggningslagren uppåt.

Ju längre tid som minusgrader bibehålls på ytan, desto djupare blir frostpenetrationszonen, desto tjockare blir islinserna och desto större blir den totala volymen av frostskador.

 

Figur 1 – Bildning av islinser som leder till frostskador.

Vilka är förutsättningarna för tjällyft?

Tre villkor måste vara uppfyllda för att tjällyft ska inträffa:

1. Förekomst av material som är tjälaktiva. De flesta myndigheterna har valt att klassificera material som tjälaktiva om 10 procent eller mer passerar en 0,075 mm sikt eller 3 procent eller mer passerar en 0,02 mm sikt.
2. Marktemperaturer under noll grader Celsius.
3. Förekomst av vatten.

Vad är effekten av tjällyft?

Den uppåtriktade, ojämna markhöjningen lyfter beläggningen och orsakar böjspänningar i asfaltskiktet som kan leda till sprickbildning. Denna böjningseffekt kan förvärras av tyngden av snö som plöjs på vägkanterna. Beläggningsskador orsakade av frosthöjning är ett stort problem i länder med kalla vinterförhållanden, särskilt på vägar med låg trafikvolym och tunnare asfaltskikt.

Vad är tjällossning och hur fungerar det?

När lufttemperaturen stiger över nollstrecket vid en plötslig vårfrost börjar temperaturen i beläggningen att stiga från ytan. En temperaturgradient utvecklas genom beläggningen och sträcker sig in i det frusna underlaget. När isen smälter i den övre zonen av underlaget är jorden omedelbart under fortfarande frusen och ogenomtränglig, och vatten fastnar i det tinade jordlagret. Det fylld/mättade underlaget försvagas avsevärt och dess bärförmåga minskar. I denna punkt är beläggningen mycket känslig för skador från trafikbelastning. Om det finns flera cykler av frysning och upptining som sträcker sig till underlaget, blir effekten att den övre delen av materialet mjuknar, vilket minskar densiteten och styvheten. Detta leder sedan till en ännu större försvagning efter den sista tjällossningen.

De fem stegen i tjällossning

Nedan visas de fem stegen för tjällossning vid upptining. Temperaturgradienten för varje steg är överlagrad över beläggningsstrukturen. Efter steg 5 är underlaget i ett mycket svagt tillstånd och beläggningen är känslig för brott vid trafikbelastning. Detta kan resultera i sprickor i vägbanan och svåra spår i ytan.

Steg 1 - Frusen beläggning

Lufttemperaturen har legat under 0 °C under en längre tid. Underlaget är nerfruset till frostdjupet.

Steg 2 - Första upptining

Luften stiger över 0 °C. Beläggningen börjar bli varm från ytan och nedåt. Det övre underlaget tinas medan det undre underlaget förblir nerfruset till det ursprungliga frostdjupet.

Steg 3 – Tjällossning

Vatten från den smälta isen fastnar i det tinade underlaget ovanför det frusna underlaget, och endast en långsam dränering i sidled är möjlig. Det tinade underlaget är mättat och försvagat med minskad bärighet. 

Steg 4 – Återfrysning

Lufttemperaturen sjunker återigen under noll. Beläggningen fryser till frostdjupet. Det fyllda/mättade övre delen av materialet fryser på nytt och expanderar - vilket gör att jordpartiklarna lossnar.

Steg 5 - Slutlig upptining

Efter flera frys- och töcykler stiger temperaturen för den "slutliga upptiningen". Det tinade och övre underlaget är nu ytterligare försvagat av dilatationen/utgivningen under fryscyklerna. Beläggningen är nu mycket känslig för skador från trafikbelastning i detta försvagade läge.

Hur Tensars lösningar kan hjälpa till

Tensar har utvecklat lösningar som har visat sig kunna hantera de problem med vägbeläggningar som är förknippade med frys- och töcykler.

Bygga in resistens – Genom att integrera Tensar InterAx geogrid ovanför jordlager för att stabilisera underlagslagret vid nybyggnation ökas beläggningens styvhet och det försvagade underlaget skyddas under vårens töperiod.

Minskning av kostnaderna för återuppbyggnad – är beläggningar/trottoarer har skadats på grund av allvarlig försvagning av underlaget på grund av töväder kan Tensar InterAx geogrid användas i återuppbyggnaden för att undvika behovet av djupa utgrävningar av svaga underliggande jordarter.

Förbättra livslängden på asfaltbeläggningar – När beläggningsytor har spruckit på grund av frostsprängning och en ytbeläggning planeras, kan Tensar Asphalt Interlayer-produkter användas för att förlänga livslängden på beläggningen genom att förstärka beläggningen för att fördröja ytterligare sprickbildning.