Aged-Bitumen Bound Base Concept: Evaluatie proefvakken
P. De Proost, W. Van den Bergh Hogeschool Antwerpen
Samenvatting aB³ staat voor Aged Bitumen Bound Base. Het betreft een bitumineus materiaal opgebouwd uit AG (AsfaltGranulaat), VBD (Verkleinde Bitumineuze Dakbanen) en nieuwe granulaten (NG). De NG worden enkel en alleen toegevoegd om de korrelverdeling te optimaliseren. aB³ vindt zijn toepassing als een alternatief voor gebonden en ongebonden funderingslagen en bij uitbreiding ook voor asfaltonderlagen. De korrelverdeling is conform aan deze van het referentiemengsel, meer bepaald een AB-3A mengsel. In 2001 en 2006 werden proefvakken aangelegd te Antwerpen en te Beveren met aB³mengsels en varianten als gebonden funderingslaag. In 2007 werden deze proefvakken geëvalueerd door middel van deflectiemetingen. De bindmiddelen werden uit boorkernen teruggewonnen en door middel van BBR beoordeeld op lage-temperatuurgedrag. In deze bijdrage worden de resultaten weergegeven van de deflectiemetingen en BBRmetingen op de proefvakken te Antwerpen en Beveren.
1
1. Historiek In 1997 startte aan de Hogeschool een projectenprogramma [1,2,3] om een oplossing te vinden voor afval van bitumineuze dakdichting. De jaarlijkse storthoeveelheid werd geschat tussen de 50.000 en 80.000 ton. De afvalstof bevat meer dan 60% bitumen. In de loop van de volgende jaren wordt verwacht dat deze afvalstof meer en meer polymeren zal bevatten. Het recyclen van deze afvalstof als bindmiddel in een asfaltmengsel of een ander bitumineus gebonden mengsel betekent een hoogwaardige toepassing. Het onderzoek leidde in 2003 tot het aged-Bitumen Bound Base concept (aB³): een gebonden funderingslaag samengesteld uit ca. 50% asfaltgranulaat (AG), 5% verkleinde bitumineuze dakbanen (VBD) en 45% aanvullende aggregaten. Naast een intensief testprogramma (Marshallkarakteristieken, spoorvormingsweerstand, gyratorverdichting, reologisch bindmiddelonderzoek, vermoeiingstest en stijfheidsmetingen) werd een proefvak aangelegd te Antwerpen in 2001. Hierover werd reeds gerapporeerd in [4,5]. Het aB³-mengsel werd warm geproduceerd in een asfaltmenginstallatie waarbij de VBD vooraf gemengd werd met AG. In 2006 werd een nieuw proeftraject aangelegd voor de gemeente Beveren met voorafgaand een nieuw proevenprogramma. Tijdens beide producties bleef telkens een zeer kleine hoeveelheid VBD kleven aan de binnenwand van de paralleltrommel. Verder verliep in beide gevallen het transport, verwerking en verdichting zonder problemen en zonder verschil met andere asfaltmengsels voor een onderlaag; waarin 50% AG werd hergebruikt. Ondertussen werd in 2007 een nieuw project [6] gestart om dit onderzoeksprogramma en haar outputs, waaronder beide proefvakken, een technische en economische evaluatie uit te voeren en aan de hand van deze resultaten het aB³-mengsel te optimaliseren.
2. aB³: aged-Bitumen Bound Base Antwerpen
Materialen en mengselkarakteristieken Doorheen het project werd voor aB³ een vaste AB-3A korrelsamenstelling nagestreefd door AG-granulaten aan te vullen met NG. VBD werd toegevoegd om tot een geschikt bindmiddelgehalte te komen. Tabel 1: samenstelling aB³ enstelling aB³ Bindmiddel (m/m%, op) Stenen Zand Vulstof Holle Ruimte (v/v%) Tabel 2: AG-samenstelling AG samenstelling Bindmiddel 5,7 (m/m%, in) Stenen 43,3 Zand 41,2
5,2 57,73 36,14 6,13 4%
Bindmiddel
Pen: 15 1/10mm 2
Vulstof
9,8
Tabel 3: VBD-samenstelling VBD samenstelling Bindmiddel 55,3 (m/m%, in) Stenen 4,6 Zand 30,1 Vulstof 10,0
R&B: 66,5 °C
Bindmiddel
Pen: 7 1/10mm R&B: 106,5 °C
Beschrijving van het proefvak te Antwerpen Er werden aldus na een uitgebreid voorafgaand onderzoek 3 mengsels uitgekozen, het vierde proefvak dient als referentie. Het enige verschil tussen de verschillende proefvakken is de samenstelling van het mengsel van de 7cm gebonden funderingslaag. De toplaag (4cm AB-4C) en de 2 onderlagen (elk 6cm ABFig. 1: proefvakken Antwerpen 3A) bovenop de gebonden funderingslaag zijn dus gelijk bij de 4 proefvakken, alsook de 25cm steenslagfundering. De functie van deze proefvakken is een parking voor zware vrachtvoertuigen, wat een lange statische belasting inhoudt. De proefvakken liggen ter hoogte van de ingang van de Kennedytunnel. Elk proefvak heeft een breedte van 6m en een lengte van 20 m.Proefvak 1 bevat 55%AG en 45%NG, dit geeft een bindmiddelgehalte van slechts 2.7% (op). Proefvak 2 bestaat uit 53.9%AG, 44.1% NG en 2.0%NB, dit geeft een bindmiddelgehalte van 4.9%(op). Proefvak 3 bevat 53.2%AG, 43.5%NG en 3.3%VBD, dit geeft een bindmiddelgehalte van 4.1%(op). Proefvak 4 is een referentieproefvak en bevat een standaard gebonden funderingslaag AB-3A met 4.8% bitumen.
Evaluatie 2007 De evaluatie gebeurde aan de hand van onder andere een visuele controle waarbij gezocht wordt naar uiterlijke faalkenmerken. Kernboringen lieten toe de verificatie van de bestaande kwaliteit van de onderliggende lagen na te gaan. De deflectiemetingen lieten toe de structurele conditie en de restlevensduur te bepalen. De verkeertellingen gaven een idee over de belasting die deze proefvakken ondergaan. Het samenvoegen van al deze gegevens geeft een duidelijk beeld van de huidige zichtbare en onzichtbare toestand van de proefvakken. Tevens liet het toe inschattingen te maken over de staat van deze proefvakken voor de volgende jaren. De visuele controle leerde dat het wegoppervlak geen schadekenmerken bevatte. Aan de vrijliggende randen was er geen afschuiving of andere schade op te merken. Op 26 juni 2007 werden in de 4 proefvakken kernboringen uitgevoerd, dit met het doel de verificatie van de bestaande kwaliteit van de onderliggende lagen na te gaan. Zo was er de visuele controle en het nagaan van de effectieve diktes van de verschillende lagen. Het versnijden van de boorkernen liet bij voldoende bindmiddelterugwinning toe een FTIR, een holle ruimtebepaling, een mastercurve bepaling, een PEN proef, een BBR proef en een R&K proef uit te voeren op het teruggewonnen bindmiddel uit de GF. 3
Bij proefvak 1 bleek dat de gebonden fundering, bestaande uit AG en NG, niet gebonden was. Dit was te wijten aan het te lage bindmiddelgehalte. Bij proefvak 2 was het verschil tussen de effectieve dikte van de GF van 5.1cm tov de ontwerpdikte van 7cm opmerkzaam. Tabel 4: eigenschappen boorkern Antwerpen proefvak 2 PEN BBR % Holle ruimten 11.7 n.b. 12.5
R&K 66.7 °C
Het proefvak 3 bevat NG+VBD+AG, aldus het aB³. De dikte van de GF is hier 6.0±0.6cm. Opmerkelijk waren de grote open ruimten in de onderlaag (AB-3A). We menen dat dit een negatieve invloed heeft op de deflectiemetingen: alzo een slechter resultaat schetst van het aB³. De bekomen R&K temperatuur is lager dan verwacht. Een oorzaak hiervan kan zijn dat niet al het VBD in het mengsel zit, maar wel aan de schoepen bleef plakken van de paralleltrommel.. Tabel 5: eigenschappen boorkernen Antwerpen proefvak 3 PEN BBR % Holle ruimten Kern 1 St60 m-value 12.6 11.6 -10.6 °C -10.9 °C 13.4 Kern 2
R&K 64.0 °C
Proefvak 4 is het referentievak bestaande uit een GF van 6.7±0.2cm AB-3A. Tabel 6: eigenschappen boorkern Antwerpen proefvak 4 PEN BBR % Holle ruimten 16.4 n.b. 12.8
R&K 64.6 °C
Valgewichtdeflectiemetingen werden uitgevoerd op 26 juni 2007 en lieten toe de structurele conditie en de restlevensduur te bepalen. De deflectiemetingen werden herdaan op 4 maart 2008, dit door het foute idee van de ligging van de proefvakken de eerste keer. Bij een deflectiemeting laat men een massa van een bepaalde hoogte op een set rubberen buffers vallen. Deze zijn gemonteerd op een cirkelvormige, al dan niet gesegmenteerde, voetplaat. Door de klap wordt een lastpuls op de wegverharding overgebracht. Door de grootte van de vallende massa en/of de valhoogte te variëren, kan de grootte van de lastpuls worden gevarieerd tussen de 20kN en de 120 kN. De respons van het wegoppervlak wordt veelal gemeten met zes tot negen seismometers of geofoons welke op diverse afstanden (bv 30cm) van het lastmidden zijn geplaatst. De pulsduur kan, afhankelijk van het fabrikaat valgewichtdeflectiemeter, variëren tussen de 25ms en 60ms. Deze belastinggroottes en –tijden komen goed overeen met die van snel rijdend vrachtverkeer. De voetplaat kan samen met de geofoonbalk hydraulisch worden opgetild, waarna naar een volgend meetpunt kan worden gereden. In Antwerpen was dit om de 3m. De gebruikte apparatuur was de Phønix Falling Weight Deflectometer PRI 1509 en de deflectiemetingen werden uitgevoerd door Mr. V. Bonte van het Vlaamse Ministerie van Mobiliteit en Openbare Werken, afdeling wegenbouwkunde. Op de proefvakken gebeurde er geen verkeertelling. Het verkeer wordt hier ingeschat door observatie, daar het een parking is voor vrachtvervoer. Wanneer men al de resultaten en gegevens van onder andere de kernboringen, de deflectiemetingen, de verkeertellingen, de ontwerpperiode, de vermoeiingswet en de wegbreedte samenvoegt krijgt men een road evaluation report. Dit geeft een beeld van de 4
restlevensduur van de weg. Indien de restlevensduur korter is dan de ontwerpperiode wordt de (eventuele plaatselijke) uit te voeren overlaging gegeven (=groene gebied). Het programma deelt hierbij de weg zelf op in secties voor overlaging. De road evaluation reports voor Antwerpen gaven weer dat er bij de geschatte belasting 660 ESA/dag nergens een overlaging nodig is om de 20jarige restlevensduur te behalen. Om toch een verschil tussen de proefvakken te kunnen vaststellen, werd de belasting verhoogd naar 4430 ESA/dag. Hieruit volgde dat een overlaging nodig is bij proefvak 1 (AB-3A) en proefvak 4 (NG+AG) om de restlevensduur van 20 jaar te bereiken. Proefvak 2 (AG+NG+NB) en proefvak 3 (AG+VBD+NG) kunnen zelfs zonder overlaging bij deze verhoogde belasting hun 20jarige restlevensduur bereiken.
Figuur 2: Road Evaluation Report proefvak met referentiemengsel AB-3A
Figuur 3: Road Evaluation Report proefvak met enkel AG
3. aB³: aged-Bitumen Bound Base, proefvak Beveren In deze paragraaf worden de resultaten besproken van de drie proefvakken te Beveren, aangelegd in 2006 [6].
5
Materialen en mengselkarakteristieken Tabel 7: mengseleigenschappen labmonsters te Beveren, vooronderzoek 2006 aB³: Agedi-aB³ aB³ SS Bitumen Bound improved aB³ basis aB³ met Base materiaal staalslakken Samenstelling vanhet mengsel (m/m%) VBD 3,5 2,5 4 AG 47,5 47,0 47,5 Nieuwe granulaten 49 49,5 48,5 Nieuw bindmiddel 1 (pen= 65 R&B=46,8°C Samenstelling van het bindmiddel VBD / AG / NB (m/m%) 47,9/52,1/0 Verwachte PEN (1/10mm) 10 Verwachte R&K (°C) 85,7 Penetratie(1/10mm) na 7 productie R&K (°C) na productie 90,6 Mengselkarakteristieken ITS @25°C MPa ITSR (2) Marshall Stabiliteit kN Behouden Marshall stabiliteit kN Holle ruimten %
32,1/48,8/19,1 15,5 75,6 10
10 87 21
84,1
77,8
3,41 (σ=0,29 ) 52,5 25,4 (σ=0,9 ) 21,9 (σ=1,7 )
2,77 (σ=0,04 ) 56,0 19,2 (σ=0,6 ) 18,1 (σ=0,04 )
2,5 (σ=0,14 ) 40,4 22,0 (σ=2,0 ) 19,7 (σ=1,0 )
4,0
4,2
6,8
Op de mengsels voor de proefvakken te Beveren werden door de TU Delft stijfheids- en vermoeiingstesten uitgevoerd. Hieruit blijkt dat het aB³-mengsel over goede vermoeiingseigenschappen beschikt in de zone met lage rek (<200µm).
Fig. 4: vermoeiingslijnen AB3A en aB³ 6
Om een inschatting te kunnen maken van de verouderingsgraad van de bindmiddelen in vergelijking met een hard bitumen en AG-bindmiddel, werden FTIR analyses uitgevoerd. In de figuur is een typische grafiek weergegeven van de 1700-piek (carbonyl groep). Uit figuur 5 blijkt dat de C=O piek bij 1700 cm-1 voor het bindmiddel teruggewonnen uit een boorkern een (verwachte) veel hogere piekwaarde heeft dan B15/25, een bindmiddel met nagenoeg dezelfde reologische G* en penetratiewaarde . Analyse van de resultaten, aangevuld met SARA-analyses en mastercurves worden eind 2008 verwacht in [6]. De reologische metingen (G*, penetratie en BBR) van aB³-bindmiddelen zijn vergelijkbaar met EMEbindmiddelen. FTIR measurements on various binders 0,5 0,45 0,4 0,35
A
0,3 0,25 0,2
Binder RRF I Binder RRF II
0,15
binder from aB³-cores Antwerp Binder RAP
0,1
virgin 35/50 (II)
0,05
virgin 35-50 (I) B15 virgin (II)
0 1750
1700
1650
1600
1550
1500
cm-1
Fig. 5: FTIR-metingen
Fig. 6: proefvakken Beveren
Beschrijving van het proefvak De aanleg van het proefvak te Beveren werd voltooid in het voorjaar 2006. Het proefvak is opgedeeld in 3 delen met elk een lengte van 120m en 3.2m breedte. Het enige verschil tussen de verschillende delen is de samenstelling van het mengsel van de GF. Deel 1 heeft een 10cm aB³ (3.5%VBD, 47.5%AG en 49%NG), deel 2 een 11cm improved (i)-aB³ (1%NB, 2.5%VBD, 47%AG en 49.5%NG) en deel 3 een 12cm aB³ + staalslakken (4%VBD, 47.5%AG en 48.5%NG) als GF. De toplaag (4cm AB-4C), de onderlaag (6cm AB-3A) en de 10cm ongebonden fundering zijn bij de 3 delen identiek. Evaluatie 2007 De visuele controle leerde dat het wegoppervlak geen schadekenmerken bevatte. Aan de vrijliggende randen was er geen afschuiving of andere schade op te merken. Op 28 juni 2007 werden in de 3 delen kernboringen uitgevoerd, dit met het doel de verificatie van de bestaande kwaliteit van de onderliggende lagen na te gaan. Zo was er de visuele controle en het nagaan van de effectieve diktes van de verschillende lagen. Het versnijden van de boorkernen liet bij voldoende bindmiddelterugwinning toe een FTIR, een holle ruimtebepaling, een mastercurve bepaling, een PEN proef, een BBR proef en een R&K proef uit te voeren op het teruggewonnen bindmiddel uit de GF. Deel 1 heeft als GF een 9.4±0.5 cm aB³ laag. In de onderstaande tabel vertoont de m-value bij de BBR proef een kritische temperatuur van -5.9°C. Deze te positieve waarde geeft de werkelijkheid niet weer, de afwijking is te wijten aan het gebruik van geblazen bitumen. 7
Tabel 8: eigenschappen boorkernen Beveren proefvak 1 PEN BBR % Holle ruimten Kern 1 St60 m-value 9.31 15.0 -13.6 °C -5.9 °C Kern 2
R&K 81.6°C
6.65
Deel 2 bevat een GF van 9.0±0.8cm i-aB³laag, wat zichtbaar minder is dan de ontwerpdikte van 11cm. Tabel 9: eigenschappen boorkernen Beveren proefvak 2 PEN BBR % Holle ruimten 17.6 St60 m-value 7.1 -17.0 °C -12.2 °C
R&K 76.5 °C
Deel 3 heeft als GF een 7.7±0.6cm aB³+SS laag. Dit is opmerkelijk minder dan de ontwerpdikte van 12cm! Tabel 10: eigenschappen boorkernen Beveren proefvak 2 PEN BBR % Holle ruimten 12.0 n.b. 8.56
R&K 88.3 °C
Valgewichtdeflectiemetingen werden uitgevoerd op 28 juni 2007 te Beveren en lieten toe de structurele conditie en de restlevensduur te bepalen. Dit gebeurde om de 10m, de gebruikte apparatuur was de Phønix Falling Weight Deflectometer PRI 1509. De deflectiemetingen werden uitgevoerd door Mr. Bonte van het Vlaams Ministerie van Mobiliteit en Openbare Werken, afdeling wegenbouwkunde. Een verkeertelling liet toe de belasting op de weg af te leiden. Dit gaf voor beide richtingen samen 7665 voertuigen waarvan 7209 in categorie 1 en 456 in categorie 2. Alsook een gemiddelde snelheid van 54km/u en 85% van het verkeer rijdt onder de 68km/u . Een omrekening geeft als resultaat een belasting van 2512ESA/dag. De onderstaande figuur toont het Road Evaluation Report (RER) van het proefvak te Beveren. Het eerste proefvak (aB³) loopt tot 120m. Het tweede proefvak (i-aB³) loopt tot 240m en het derde proefvak (aB³ + SS) stopt bij 360m. Het deel erna is gemeten op een oudere weg met een opbouw van een toplaag (circa 5cm) en onderlaag (circa 5cm) op grond. Het proefvak 1 met E-moduli van 10000 tot 14000MPa geeft de beste resultaten voor Emoduli (minste spreiding), vervolgens proefvak 2 met E-moduli van 9000 tot 15000MPa en tot slot proefvak 3 met E-moduli van 8000 tot 15000 MPa. Met de verrekening van de diktes van de asfaltlagen, heeft het eerste proefvak zo een restlevensduur tussen de 15 en 20 jaar, deel 2 een restlevensduur van circa 7 jaar en deel 3 een restlevensduur van circa 6 jaar. We verwachten echter betere resultaten van proefvak 2 op het gebied van stijfheid bij lage temperaturen, dit door het toegevoegde nieuwe bitumen (i-aB³). Een experimenteel onderzoek naar het verschil in gedrag op lage temperatuur tussen het aB³ en i-aB³ bevestigde deze verwachting. De weg achter het proefvak heeft een restlevensduur van 0 jaar. De slechte resultaten aan het begin van deel 1 zijn te wijten aan het opstarten van de machines. Dit werd onder meer bewezen door het verhoogde percentage holle ruimten in het begin van het 8
proefvak. De uitschieters van deflectiewaarden in deel 2 en deel 3 hopen we te verklaren aan de hand van de grondradar, deze is nog uit te voeren.
Fig. 7: Road Evaluation Report proefvakken Beveren
4. Besluit Op basis van bovenstaande resultaten van de deflectiemetingen, kernboringen en lagetemperatuureigenschappen van de teruggewonnen bindmiddelen, kan het aB³-materiaal als geschikt geëvalueerd worden voor de toepassing als gebonden funderingslaag in de wegenbouw. Er werd aangetoond dat het bindmiddel zelfs op lage temperatuur over goede eigenschappen beschikt. Aangevuld met de resultaten uit [1,2,3] kunnen we besluiten dat het aB³-materiaal een duurzaam materiaal is.
5. Dankwoord De auteurs danken het laboratorium Weg- en Railbouwkunde van de TU Delft en het Opzoekingscentrum voor de Wegenbouw voor het uitvoeren van de dynamische testen op de proefmonsters. Bijzondere dank is verschuldigd aan de Afdeling Wegenbouwkunde van de Vlaamse Gemeenschap te Evere voor het uitvoeren van de deflectiemetingen en kernboringen en hun bijdrage aan de evaluatie. Ten slotte wensen wij nog alle industriële partners en de overheden van Antwerpen en Beveren te danken voor hun logistieke ondersteuning. Het project werd gefinancierd door IWT-Vlaanderen, Instituut voor de Aanmoediging van Innovatie door Wetenschap en Technologie in Vlaanderen.
6. Referenties [1] De Jonghe, T., Van den bergh, W., Ingelbrecht, S. (1998). “Onderzoek naar het nuttig gebruik van bitumineuze reststoffen uit de dakdischtingssector in de asfaltwegenbouw”, eindrapport, Hogeschool Antwerpen, Antwerpen. [2] De Jonghe, T., et al (2001). “Onderzoek naar de toepassingsmogelijkheden van bitumineuze reststoffen als bindmiddel in gebonden funderingslagen van de wegenbouw”, eindrapport, Opleiding Bouwkunde, Hogeschool Antwerpen, Antwerpen.
9
[3] De Jonghe, T., Van den bergh, W., Verheyen, J. (2003). “Studie in verband met een wegopbouw bestaande uitsluitend uit bitumineus gebonden materialen:aB³”, eindrapport, Onderzoeksgroep Wegenbouwkunde, Hogeschool Antwerpen, Antwerpen. [4] De Jonghe, T., Van den bergh, W., Verheyen, J. (2004). “The use of Reduced Roofing Felft waste and Reclaimed Asphalt Pavement as a Warm-mixed Aged-bitumen Bound Base (aB³) for Roads”, paper 009, 3rd E&E Congress, Vienna. [5] De Jonghe, T., Van den bergh, W., Verheyen, J. (2003). “Studie in verband met een wegopbouw bestaande uitsluitend uit bitumineus gebonden materialen:aB³”, bijdrage aan Wegbouwkundige Werkdagen 2006. [6] Van den bergh, W. et al. “aB³: de finalisering” nog te publiceren eindrapport, Onderzoeksgroep Wegenbouwkunde, Hogeschool Antwerpen, Antwerpen.
10
