FAG & FORSKNING: Frost i veg og bane
Kjell Arne Skoglund, SINTEF Byggforsk
I de senere år har det oppstått en del overraskende problemer med telehiv både på veg og jernbane. Særlig var problemene store de påfølgende vintrene 2009/10 og 2010/2011, der nybygde riksveger fikk telehivproblemer. Også Gardermobanen ble rammet med nedsatt hastighet som følge.
Samfunnet fordrer bedre jevnhet på veg og på jernbane i takt med økte hastigheter, strengere sikkerhetskrav og høyere komfort. Derfor må byggeregler holde følge etter hvert som kravene til infrastrukturen skjerpes.
Lære av feil
For å utvikle regelverket kreves kunnskap, også ny kunnskap. Innenfor frost i veg og bane vil det være viktig å lære av de erfaringene man har gjort seg med eksisterende byggemåter, og å gå til laboratorium og felt for å finne ut hvorfor og hvordan materialene og de ulike lagene oppfører seg som de gjør når de blir utsatt for frost.
På bakgrunn av dette søkte NTNU, sammen med SINTEF og Université Laval (Québec, Canada), om midler fra Forskningsrådet til å se nærmere på hva som skjer når frosten trenger ned. Prosjektet gikk inn, og har fått finansiering på 9,7 millioner kroner til sammen over fire år (2015-2019). I tillegg til midlene fra Forskningsrådet og egeninnsats fra de deltakende universitetene, er det noe finansiering også fra Statens vegvesen, Jernbaneverket og National Research Council Canada. Prosjektet bærer tittelen «Frost Protection of Roads and Railways». I tillegg til forskere og ingeniører ved de deltakende institusjonene, er det også engasjert to PhD-studenter som vil få sin forskerutdanning gjennom prosjektet.
To problemer
I hovedsak er det to problemer som kan oppstå i en lagdelt konstruksjon av granulære materialer når frosten trenger ned: Telehiv og tap av bæreevne i teleløsningsperioden. For at dette skal oppstå kreves tre ingredienser: Frost, telefarlig materiale og vann. Ved frost dannes da islinser ved at vann blir trukket opp fra underliggende lag og opp til frysefronten. På denne måten gir islinsene en ekspansjon som viser seg som telehiv på overflata. Siden islinsene dannes ved oppsug av vann, vil det være et overskudd av vann (i form av is) til stede i konstruksjonen når tininga setter inn om våren. Tininga skjer ovenfra og ned, og derfor vil vannet fra tinte islinser ha vanskelig for å trenge nedover i de fortsatt frosne lagene. Vannet fra de tinte islinsene blir dermed fanget, og det forhøyde vanninnholdet vil kunne skape bæreevneproblemer med store, varige deformasjoner fra trafikklastene som resultat.
Foreldet regelverk
I prosjektet skal det ses nærmere på hvilke mekanismer som bidrar til frostnedtrengning, hvilke frostegenskaper knuste, granulære materialer har. Dette inkluderer materialegenskaper som mineralogi til finstoffet, hydraulisk konduktivitet (vannledningsevne) og hvor mye vann som ulike materialer kan holde på. Når det gjelder mekanismer for frostnedtrengning vil det ses nærmere på rein varmeledning, på luftsirkulasjon (konveksjon) og på intern varmestråling.
Dagens regelverk har sin opprinnelse fra de tider man benyttet naturlige grusmaterialer til veg- og jernbanebygging. Det såkalte telekriteriet baserer seg på innholdet av materiale mindre enn 20 mikrometer (0,020 mm), men bare regnet av materiale mindre enn 22,4 mm. Dette kan skape utfordringer for de materialene som benyttes i dag, og som gjerne inneholder så stor andel grovere fraksjoner at det kan stilles spørsmål ved om telefaren utelukkende skal baseres på den delen som er mindre enn 22,4 mm. Effektene av luftsirkulasjon, stråling og mineralogi er heller ikke regnet med i dagens regelverk.
Vann og finstoff
Vanninnholdet i materialene vil ha en del å si for frostnedtregningen. Når vann fryser vil det frigjøres store mengder frysevarme, noe som i utgangspunktet bremser nedtregningshastigheten til frostfronten. Samtidig vil en økning i vanninnholdet betinge at det er mer finstoff til stede, og dermed kan materialet i verste fall bli telefarlig! Så her gjelder det å finne den rette balansen. En litt ugunstig tilleggseffekt er at varmeledningsevnen til vannholdig, frossen jord er større enn når den samme jorda er ufrosset.
Regelverket tar i dag til en viss grad hensyn til vanninnholdet i materialene. For frostsikringslag for veg er det pr. i dag ønskelig med et noe forhøyet finstoffinnhold nettopp for å bremse frosten. Kostnaden er at man godtar at materialet kan bli litt telefarlig. Det erkjennes likevel at denne delen av regelverket ikke er godt nok forankret i lab- og feltforsøk. Mer forskning må altså til her for finne hvilke finstoffnivåer som kan være gunstige. For tilslagsprodusentene vil det kunne være gevinster å hente dersom det skulle vise seg at man kan benytte mer av finstoffet, noe som vil redusere vrakmasseandelen.
Lab- og feltforsøk
Som en del av forskningsprosjektet skal det utføres lab- og feltforsøk på materialer og konstruksjoner for veg- og jernbaneformål. Et mindre antall feltlokasjoner vil bli prøvetatt og instrumentert for å logge temperaturdata og telehiv. I laboratoriet er nytt utstyr for tiden i ferd med å bli ferdigstilt Det dreier seg om frostceller for mer finkornete materialer samt en større prøveboks med tanke på å teste indre luftsirkulasjon i ensgraderte, grove materialer.
Mot slutten av prosjektet er det meningen å implementere resultatene i regelverket som Statens vegvesen og Jernbaneverket bruker i veg- og jernbanebygging.
En utfordring vil være å få bakt inn i regelverket antatt kompliserte sammenhenger fra forskningsprosjektet som samtidig er praktisk gjennomførbart på anlegg. Eventuelle nye tester som prosjektet foreslår, vil også måtte være relativt enkle å få gjort.
Når arbeidet er prosjektet er ferdig, er det et mål at forståelsen av fryseprosessen og telemekanismen har kommet et skritt lenger. Det er også et mål at materialbruk og design på veg- og jernbanefundamentene skal bli bedre, slik at teleskader kan unngås i framtida.