Beïnvloedt het verouderingsproces de vermoeiing en het healing gedrag van bitumineuze asfaltmortels? Wim Van den bergh Artesis Hogeschool Antwerpen
Ter inleiding
• Doctoraatsonderzoek: The Effect of Ageing on the Fatigue and Healing Properties of Bituminous Mortars (TU Delft – 2011)
The Effect of Ageing on the Fatigue and Healing Properties of Bituminous Mortars Oscillation: fatigue
Wim Van den bergh – Bitumendag
displacement [rad] and torque [Nm]
• topic 1: ontwikkeling van een verouderingsprocedure voor bitumineuze mengsels (bitumen-mortel-asfalt) • topic 2: evaluatie van vermoeiing en zelfherstellend vermogen van bitumineuze mortels met DSR
0.15 torque 0.1 displacement 0.05
0 11
11.2
11.4
11.6
11.8
12
-0.05
-0.1
-0.15 time [s]
W. Van den bergh
|2
Ter inleiding Definitie van zelfherstellend vermogen - Healing
• Een materiaal ondervindt door haar omgeving spanningen en vervormingen. Hierdoor kan interne materiaalschade optreden tot het materiaal stuk is en haar functie verliest (vermoeiing). • Sommige materialen vertonen een zelfherstellend vermogen waardoor de levensduur verlengd wordt (healing). • Hoe groter dit zelfherstellend vermogen, des te langer het materiaal haar functie kan vervullen. • Er wordt rekening gehouden met dit mechanisme om de uiteindelijke levensduur in te schatten.
Wim Van den bergh – Bitumendag
|3
Meten is weten … ?
•
Healing kan gemeten worden: mechanisch (récupération de force, levensduurverlenging) en fysico-chemisch (oppervlakte energie)
Praktijk: METEN VAN ZELFHERSTELLEND VERMOGEN – HEALING (Bitumen) VIA DE MECHANISCHE BENADERING
• •
Wanneer een bitumineus materiaal (asfalt) cyclisch wordt belast, verliest dit materiaal aan sterkte/stijfheid door interne schade (vermoeiingsmechanisme - scheur). Wanneer op datzelfde materiaal dezelfde belasting wordt uitgevoerd maar met rustperioden tussenin, dan vertoont bitumineus materiaal een verlengde levensduur.
•
De verhouding tussen de levensduur met en zonder rustperioden is de healing factor.
•
Mechanische meting via 2-, 3- of vierpuntsvermoeiingsproef
Wim Van den bergh – Bitumendag
|4
Meten van healing Een voorbeeld: Mix
T [°C]
• • •
Asfaltmengsel Proefmethode Proefcondities (T, t, f)
Healingfactor is een aanname. Maar wel een belangrijke!
B B B B B B B B B
15 15 15 15 15 15 15 15 15
f
Loading mode: Type of Initial [Hz] Deflection test strain Force [µm/m] 56 F 2-p 190 55 F 4-p 170/180 30 D 4-p 190 30 F 4-p 190 30 F 4-p 180 30 D 3-p 190/200 30 F 3-p 190/200 56 D 2-p 140 56 D 2-p 140
Rest periods 10 10 10 10 20 10 10 10 20
Healing factor Nf 7.4 4.5 1.0 4.3 9.7 2.8 3.9 4.2 14.6
(ref. project CROW-DWW 1987-1990) Mix: dicht asfalt GAB 0/16, 4.5% bitumen 45/60
Gebruik van de healing factor in de wegdimensionering: de vermoeiingslevensduur van het asfaltmengsel, bepaald in het lab (=continue belastingscycli), wordt vermenigvuldigd met een shiftfactor waarvan healing een deelfactor is. N weg = N lab x shiftfactor [healingfactor x f(proefmethode) x f(versporing,…)]
Wim Van den bergh – Bitumendag
|5
Aanleiding van onderzoek probleemstelling 1) Asfaltaggregaat is geen uitzondering meer: 700.000 ton in 4.6 miljoen ton asfalt Mixture type Toplayer AC-14 Toplayer AC-(10; 6,3) Base layer AC-(20;14;10;6,3) Other AC (non public) RA for base Other AC without RA Other asphalt mix Total
Total ton 2009 Asphalt 46,351 467,599 1,069,819 849,005 18,216 142,388 625,241 3,218,627
Total ton 2009 containing RA 17,619 266,882 985,432 462,442 18,216 0 0 1,750,691
% mixture containing RA 38 57 92 54 100 0 0 54
(data met dank aan COPRO vzw)
2) Er mag tot 50% bindmiddel in asfalt afkomstig zijn uit asfaltaggregaat (AB-3 types). 3) Huurman en Hopman 2003: StAB met 0% AG: H = 4.8 StAB met 60% AG: H = 1.4 4) België: 7.1 onafhankelijk van mengseltype of gebruik AG. 5) Risico: geen healingtest gevraagd door aanbestedende overheid
Wim Van den bergh – Bitumendag
|6
Onderzoeksvraag
•
Bij vermoeiing: • “beschadigd”: • geen scheur: moleculen moeten zich kunnen heroriënteren (polaire delen) • scheur: contact moet mogelijk zijn tussen twee scheurvlakken en voldoende aantrekkingskracht aanwezig voor - ‘wetting’ (Z/B hoog) - interdifussie (Vanderwaals laag) De schade moet zich kunnen herstellen! Is AG een bedreiging voor healing? - AG hogere polariteit - hoger asfalteengehalte - hogere viscositeit - wetting versus interdiffusie Belang: • Dimensionering standaardstructuren door middel van H=7.1 • Indien voor een mengsel met AG de healing factor vermindert, zullen de asfaltwegen mogelijk een lagere structurele levensduur hebben dan beoogd. Probleem: healing proeven zijn langlopend (dus duur) en niet altijd uitvoerbaar met een standaard proefopstellingen of gevraagd. Wim Van den bergh – Bitumendag
|7
Aanpak
Uitgangspunten / afbakening • vermoeiing en healing in de mortelzone • mortel =medium tussen omhulde aggregaten ≥ 0.5mm • bitumen omhult al het aggregaat met een film van 5 µm Proefmateriaal: mortel Mortel = aggregaat, fijne deeltjes < 0.5mm + bitumen dat deze deeltjes omhult met 5µm bitumenfilm + ‘vrij’ bitumen in het asfaltmengsel Filler en aggregaat (type en hoeveelheid) constant voor alle mortels en vergelijkbaar met korrelverdeling AB3A healing enkel beïnvloed door bitumen
Proefopstelling: Dynamic Shear Rheometer in oscillatie mode met continue en discontinue belasting H = Ndis/Ncont Wim Van den bergh – Bitumendag
Aggregate
Zone 2: Binder film
Aggregate Zone 3: Binder film - mortar
Zone 4: mortar
Zone 1: Binder film - aggregate
|8
Proefmateriaal Morteldifferentiatie 5 morteltypes: bitumengehalte en verouderingsniveau
a) Bitumengehalte 1) bitumenrijkere mortel (dubbele hoeveelheid bitumen als in AB-3A) 2) mortel zoals aanwezig in AB-3A b) Verouderingsniveau van mortel: 3) niet-verouderde mortel 4) verouderde mortel d.m.v. RCAT - Rotating Cylinder Ageing Test - korte termijn: 4h @ 163OC - lange termijn: 168h (ipv 140h) @ 90OC - bindmiddel in mortel: 18 dmm en chemische CO en SO index vergelijkbaar met AG 5) 1 mortel aangemaakt met bitumen teruggewonnen uit AG met gelijkwaardige pen 18 dmm en CO en SO index als in 4); Wim Van den bergh – Bitumendag
|9
Proefmateriaal Morteltypes Mortar I.D.
Mortar composition m/m% Vulstof
type
Binder
(f+a)/ bR
f
Aggregaat < 0.5 mm a
bR
m/m%
MO01/02/03
16.4
51.6
32
2.13
Niet-verouderd, bitumenrijk
MO04
16.4
51.6
32
2.13
Verouderd RCAT (168hr), bitumenrijk
MO05
20.1
64.4
15.5
5.45
Niet-verouderd, bitumen cfr. AB3A
MO06
20.1
64.4
15.5
5.45
Verouderd RCAT (168hr), bitumen cfr. AB3A
MO07
20.1
64.4
15.5
5.45
Mortel met bitumen uit AG
Wim Van den bergh – Bitumendag
verouderingstoestand
| 10
Proefopstelling •
•
Ontwikkeling TU Delft, ref. LOT-project Cylindrische proefstukken van mortel torsie DSR shaft
DSR AR2000 4 mm Øi 7 mm Øe 8 mm
ETC
1 mm
10 mm Ø 6 mm
1 mm
Test specimen
Mortar clamps
Test specimen
Upper clamp Bottom clamp
DSR shaft
Upper clamp
Bottom clamp
4 mm Øi 7 mm Øe 8 mm
Condities: krachtgestuurd, T = 15OC, f = 10Hz -vermoeiingstests: continue belasting -healingtest: discontinue belasting
Wim Van den bergh – Bitumendag
| 11
Vermoeiingsproef
signals at 10Hz
0 -0.05
-0.1 displacement (rad)
-0.15 15
15.05
15.1
0.80
8.00E+11
0.60
6.00E+11
0.40
4.00E+11
0.20
2.00E+11
0.00
Torque (Nm)
15.15
1.00E+12
0
15.2
2000 4000 6000 8000 Number of loading cycles normalized G*
time [s]
0.00E+00 10000
G* x number of cycles
0.05
G*t/G*initial
displacement [rad] torque [Nm]
0.1
1.00
Nf, G*x cycles
0.15
DSR Shear Fatigue test (torque controlled)
G* x number of cycles
torsie • • •
Condities: krachtgestuurd, T = 15 C, f = 10Hz Telkens wordt schade toegebracht gemeten als vermindering van G* (vervormingsweerstand) Bepaling vermoeiingslevensduur maximum in curve G* x cycli
Wim Van den bergh – Bitumendag
DSR shaft
O
Upper clamp
Test specimen
Bottom clamp
| 12
Healing test signals at 10Hz
0.15
0
0.15
-0.05
0.1
-0.1
0.05
Healing Test torque controlled Torque
Deformation
0.02
0.015 0.01
displacement (rad)
-0.15 15
15.05
15.1
time [s]
Torque (Nm)
15.15
15.2
0 -0.05
0.005
0 -0.005
-0.01 1st rest 2nd rest 3rd rest Discontinue belastingsconditie -0.1 -0.015 1 st fatigue 2nd fatigue 3rd fatigue 4th fatigue • krachtgestuurd, T = 15OC, f = 10Hz -0.15 -0.02 • Opeenvolgende cycli van 0 10 20 30 40 3 s belasting (30 cycli) Total time (auxiliary program) [s] 9 s rust • Belastingscycli: Telkens wordt schade toegebracht gemeten als vermindering van G* (vervormingsweerstand) • Rustcycli: healing? • Bepaling vermoeiingslevensduur : maximum in curve G* x belastingscycli
Wim Van den bergh – Bitumendag
Deformation [rad]
0.05
Torque [Nm]
displacement [rad] torque [Nm]
0.1
| 13
Resultaten V: Vermoeiingslijnen: virgin en verouderde mortel H: Healinglijnen: virgin en verouderde mortel
MO02/03 and MO04 1000000
virginHe
Nf,G*xC
100000
verouderdHe aged mortar
effect of rest periods
10000
y = 39084x-6.424 y = 121191x -5.02
virgin mortar effect of rest periods
y = 2263.7x-4.843 y = 6919x-4.795
1000
verouderdFa
virginFa
effect of ageing
100 0.1
1
10
Sample stress [MPa] Fat. MO02/03
Wim Van den bergh – Bitumendag
Hea. MO02/03
Fat. MO04
Hea. MO04
| 14
Resultaten (2) Mortar
Type
Nf,G*xC
MO02/03 Virgin mortel Bitumenrijk MO04 Verouderde mortel Bitumenrijk MO05 Virgin mortel AB3A MO06 Verouderde mortel AB3A MO07 Mortel met AG-binder
Fa He Fa He Fa He Fa He Fa He
7000 21157 7000 31608 7000 24713 7000 27777 7000 12706
MO02/03 Virgin mortel Bitumenrijk MO04 Verouderde mortel Bitumenrijk MO05 Virgin mortel AB3A MO06 Verouderde mortel AB3A MO07 Mortel met AG-binder
Fa He Fa He Fa He Fa He Fa He
1000 3081 13500 52807 500 1305 7000 27777 6700 12241
Wim Van den bergh – Bitumendag
Sample stress [MPa] 0.79 0.79 1.31 1.31 1.16 1.16 1.96 1.96 1.94 1.94
B
1.18 1.18 1.18 1.18 1.96 1.96 1.96 1.96 1.96 1.96
Factor H 3.0 4.5 3.5 4.0
Vergelijking met een zelfde initiële vermoeiingslevensduur
1.8 3.1 3.9 2.6
Vergelijking met een zelfde sample stress
4.0 1.8
| 15
Resultaten (3) Mortar
Type
MO02/03 Virgin mortel Bitumenrijk MO04 Verouderde mortel Bitumenrijk MO05 Virgin mortel AB3A MO06 Verouderde mortel AB3A MO07 Mortel met AG-binder
Fa He Fa He Fa He Fa He Fa He
7000 21157 7000 31608 7000 24713 7000 27777 7000 12706
Sample stress [MPa] 0.79 0.79 1.31 1.31 1.16 1.16 1.96 1.96 1.94 1.94
MO02/03 Virgin mortel Bitumenrijk MO04 Verouderde mortel Bitumenrijk MO05 Virgin mortel AB3A MO06 Verouderde mortel AB3A MO07 Mortel met AG-binder
Fa He Fa He Fa He Fa He Fa He
1000 3081 13500 52807 500 1305 7000 27777 6700 12241
1.18 1.18 1.18 1.18 1.96 1.96 1.96 1.96 1.96 1.96
Wim Van den bergh – Bitumendag
Nf,G*xC
Factor H 3.0 4.5 3.5 4.0
Verouderen in het lab leidt tot betere healing Vergelijking met een zelfde initiële vermoeiingslevensduur
1.8 3.1 3.9 2.6
Vergelijking met een zelfde sample stress
4.0 1.8
| 16
Resultaten (4) Mortar
Type
MO02/03 Virgin mortel Bitumenrijk MO04 Verouderde mortel Bitumenrijk MO05 Virgin mortel AB3A MO06 Verouderde mortel AB3A MO07 Mortel met AG-binder
Fa He Fa He Fa He Fa He Fa He
7000 21157 7000 31608 7000 24713 7000 27777 7000 12706
Sample stress [MPa] 0.79 0.79 1.31 1.31 1.16 1.16 1.96 1.96 1.94 1.94
MO02/03 Virgin mortel Bitumenrijk MO04 Verouderde mortel Bitumenrijk MO05 Virgin mortel AB3A MO06 Verouderde mortel AB3A MO07 Mortel met AG-binder
Fa He Fa He Fa He Fa He Fa He
1000 3081 13500 52807 500 1305 7000 27777 6700 12241
1.18 1.18 1.18 1.18 1.96 1.96 1.96 1.96 1.96 1.96
Wim Van den bergh – Bitumendag
Nf,G*xC
Factor H 3.0 4.5 3.5 4.0 1.8 3.1
Verouderen in het lab leidt tot betere healing Vergelijking met een zelfde initiële vermoeiingslevensduur Effect is groter naarmate meer bitumen aanwezig is.
3.9 2.6
Vergelijking met een zelfde sample stress
4.0 1.8
| 17
Resultaten (5) Mortar
Type
MO02/03 Virgin mortel Bitumenrijk MO04 Verouderde mortel Bitumenrijk MO05 Virgin mortel AB3A MO06 Verouderde mortel AB3A MO07 Mortel met AG-binder
Fa He Fa He Fa He Fa He Fa He
7000 21157 7000 31608 7000 24713 7000 27777 7000 12706
Sample stress [MPa] 0.79 0.79 1.31 1.31 1.16 1.16 1.96 1.96 1.94 1.94
MO02/03 Virgin mortel Bitumenrijk MO04 Verouderde mortel Bitumenrijk MO05 Virgin mortel AB3A MO06 Verouderde mortel AB3A MO07 Mortel met AG-binder
Fa He Fa He Fa He Fa He Fa He
1000 3081 13500 52807 500 1305 7000 27777 6700 12241
1.18 1.18 1.18 1.18 1.96 1.96 1.96 1.96 1.96 1.96
Wim Van den bergh – Bitumendag
Nf,G*xC
Factor H 3.0 4.5 3.5 4.0 1.8 3.1
Vergelijking met een zelfde initiële vermoeiingslevensduur Veroudering in het laboratorium verschillend van AG-mortel
3.9 2.6
Vergelijking met een zelfde sample stress
4.0 1.8
| 18
Conclusies Aanbevelingen Op basis van dit onderzoek: • Meten van vermoeiing en healing op cylindrische mortelproefstukken is mogelijk met DSR; • De introductie van rustperioden leidt tot een verlengde vermoeiingslevensduur; • Mortel verouderen in het laboratorium leidt tot een hogere healingfactor. Dit effect is groter naarmate er meer bitumen aanwezig is in de mortel; • Maar ondanks dat de rheologische en chemische eigenschappen van het bitumen in de verouderde mortels gelijkwaardig zijn, vertoont de mortel met het bitumen uit “echt” asfaltaggregaat een beduidend lagere healingfactor. • •
Geeft laboratorium-verouderd materiaal (bitumen, mortel, asfalt) wel een goed beeld van de werkelijkheid? Wanneer AG wordt gebruikt in asfaltmengsels (en wegstructuren), dient de healingfactor onderzocht of aangepast te worden?
Wim Van den bergh – Bitumendag
| 19
The Effect of Ageing
Dank u voor uw interesse
on the Fatigue and Healing Properties of Bituminous Mortars Oscillation: fatigue displacement [rad] and torque [Nm]
0.15
Wim Van den bergh Artesis Hogeschool Antwerpen Opleiding Bouwkunde Paardenmarkt 92 2000 Antwerpen
[email protected]
torque 0.1 displacement 0.05
0 11
11.2
11.4
11.6
11.8
12
-0.05
-0.1
-0.15 time [s]
W. Van den bergh
Wim Van den bergh – Bitumendag
| 20