De aanleg van EME binnen Europa, vereist een gepaste “klimaat”aanpak
Tine Tanghe Hilde Soenen Nynas Belgium AB, Product Technology Belgium
Samenvatting In de loop der jaren heeft de ontwikkeling van het zogenaamde enrobé á module élévé (EME) zich vanuit Franse ervaring ontwikkeld tot een hoogwaardig mengsel voor onder- en tussenlagen met uitstekende vervormings- en vermoeiingseigenschappen. Wanneer aan alle eisen die worden gesteld aan het bindmiddel en het asfaltmengsel voor een EME Klasse 2 voldaan wordt, dan kan zelfs de dikte worden geoptimaliseerd. De Nynas bitumen groep heeft onderzoek uitgevoerd naar de toepasbaarheid van EME mengsels in verschillende klimaat zones en heeft bindmiddelen ontwikkeld die aan de speciale eisen voor EME Klasse 1 en 2 kunnen voldoen. De bitumen prestatie eisen die betrekking hebben op scheurvorming bij lage temperatuur en spoorvorming bij hoge temperatuur werden volgens de SHRP methoden onderzocht. Binnen Nynas is bovendien een alternatieve methode gebruikt die toelaat de invloed van het bitumen op het vermoeiingsgedrag van een EME mengsel te voorspellen. Verder is ook de nodige aandacht besteed aan het mengselontwerp. Het ontwerp van EME vereist namelijk de nodige garanties met betrekking tot de minimum filmdikte. De berekening van de “Module de Richesse” speelt hierin een belangrijke rol. Nynas is sinds vele jaren betrokken bij EME projecten in vele landen. Trefwoorden EME – module de richesse
1.
Inleiding
De alsmaar groeiende verkeerbelasting, zowel in aantal vrachtwagens als in grootte van de aslasten, betekenen een extra belasting voor het wegdek. Om hierop in te spelen werd begin jaren 80 in Frankrijk een nieuw asfalt mengsel “EME” ontwikkeld. Deze zogenaamde “enrobé a module élevé” of “asfalt met verhoogde stijfheid” worden toegepast in onderlagen en tussenlagen op wegen met verhoogde verkeersbelasting. EME biedt door zijn verhoogde stijfheid meer weerstand tegen permanente vervorming. En omwille van zijn uitstekende vermoeiingseigenschappen laat dit mengsel dunnere constructies (reducties tot 20 %) toe zonder dat het mengsel bezwijkt ten gevolge van vermoeiingsschade (EME Klasse 2). Anderzijds kan EME aangelegd worden in de klassieke laagdikte, wat dan resulteert in een langere levensduur van deze onderlaag zodat enkel overlaging nodig is op gepaste tijdstippen. In tegenstelling tot betonconstructies blijft “EME“ wel een flexibele verharding, met minder risico op scheurvorming bij lage temperaturen, omwille van het visco-elastisch karakter van de bitumencomponent. Deze bitumen component is gewoonlijk (afhankelijk klimaat) harder dan de klassieke wegen-bitumen: in Frankrijk werkt men vooral met bitumen 10/20 en 15/25, die moeten voldoen aan (pr)EN13924. Binnen Nynas is extra aandacht besteed aan de optimalisatie van zowel deze gebruikte harde binders als de mix design, waarbij een evenwicht tussen enerzijds voldoende stijfheid en anderzijds goede vermoeiingseigenschappen bereikt werd. Bovendien werden verschillende binders ontwikkeld die naargelang de klimatologische omstandigheden kunnen worden ingezet.
2.
“EME” ontwikkeling en historiek.
Historiek – Frankrijk Zoals reeds in de inleiding vermeld, werd EME ontwikkeld in Frankrijk en wordt er sinds jaren toegepast voor de constructie van zwaar belaste wegen. EME is een type asfalt vergelijkbaar met een Franse Grave Bitume (GB) qua korrelverdeling of gradering, maar dan met een hard bitumen (pen tussen 10 en 25) i.p.v. een klassiek 35/50. Een Grave bitume is een standaard type voor de onderlaag. Naast EME voor de onderlagen bestaat er een gelijkaardig type voor toplagen in Frankrijk: BBME (Beton Bitumineux à Module Elevé). De gradering is dezelfde als voor een BBSG (beton bitumineux semi grenu), maar deze laatste wordt meestal bereid met penbitumen (pen tussen 40 en 100) of met een gemodificeerd bitumen. In dit artikel wordt de discussie beperkt tot EME. In Frankrijk bestaan er 2 klasses voor EME (zie tabel), waarbij Klasse 2 de strengste eisen voorschrijft. Bij Klasse 1 wordt alleen op weerstand tegen spoorvorming verbeterd. In het klassieke asfaltmengsel met de normaal toegepaste laagdikten wordt het bindmiddel vervangen door een EME Klasse 1 bitumen. Men verandert alleen het normale penetratie bitumen door een harder bitumen, maar nog steeds in lage percentages 4-5 %. Bij EME Klasse 2 worden spoorvorming- en vermoeiingseigenschappen geoptimaliseerd, door middel van optimalisatie van de mengselopbouw en een verhoogd EME klasse 2
2
bitumengehalte tot 5-6 %. Dit is een relatief hoog bitumengehalte voor dit type asfalt en deze laag op deze plaats in de constructie. Bij dit mengsel kun je wel eventueel werken aan de optimisalitie van de constructie opbouw – of anders gezegd eventueel reduceren van de laagdikte. Maar een zeer goede balans stijfheid/weerstand spoorvorming enerzijds en vermoeiing anderzijds in het verhardingsontwerp is nodig ! Tabel 1: Overzicht Franse mengsel eisen EME
EME
BBME
BBME
BBME
class 2 <6
class 1 4à9
class 2 4à9
class 3 4à9
Gyratory compaction % voids @ C80 (D 10 mm) C100 (D 14 mm) C120 (D 20
%
class 1 <10
Rutting resistance
60°C & 30000 cycles
%
7.5
7.5
10
7.5
5
Dynamic modulus
15°C & 10 Hz
"MPa"
14000
14000
9000
12000
12000
Fatigue resistance @ 1 million cycles Duriez (water
10°C & 25 Hz
µstrain
100
130
110
100
100
> 0.7
> 0.75
> 0.80
> 0.80
> 0.80
r/R ratio
sensitivity)
* Duriez is de Franse test om de watergevoeligheid te meten. Proefstukken worden bereid met een statische pers. De helft wordt 7 dagen ondergedompeld, dan getest in dezelfde druk pers. Het Franse mengsel ontwerp is niet gebaseerd op Marshall technologie maar direct gerelateerd tot functionele eigenschappen of de Performance van het asfaltmengsel. Het Franse mengselontwerp omvat eisen aan/voor (zie tabel 1): • de compactie (holle ruimte eisen via gyrator compactie) • de weerstand tegen spoorvorming (Franse wielspoorproef bij 60°C – 30.000 cycli) • de dynamische stijfheid van het mengsel (2 punts buig proef, 15°C en 15 Hz) • de weerstand tegen vermoeiing (2 punts buig proef, 10°C en 25 Hz) • de bitumen filmdikte – minimum percentage bitumen. Verder ingaand op de eisen die nodig zijn voor een goed EME asfaltmengsel, worden er naast de eisen voor een kwalitatief goed mineraal dus ook eisen gesteld aan of in verband met het bindmiddel: het harde bitumen moet voldoen aan EN13924 (norm harde bindmiddelen; en in enkele landen worden ook bijkomende rheologische eigenschappen gevraagd: zowel eisen aan G* voor de hogere temperaturen (spoorvorming, stijfheid), als BBR voor de lage temperaturen (vermoeiing, scheuren.) . Om de duurzaamheid te garanderen moet een minimum bitumen filmdikte worden gegarandeerd; het mengsel moet voldoende zelfherstellende eigenschappen beschikken om vermoeiingsschade teniet te kunnen doen. In Frankrijk wordt hiervoor de ‘Module de Richesse’ gebruikt waarmee een bindmiddelfilmdikte wordt berekend en een minimum vereist bindmiddelgehalte.
3
Deze factor “Module de Richesse K”. is een maat voor de filmdikte op het aggregaat skelet en wordt berekend aan de hand van volgende formule: % bitumen = α x K x ε1/5 met: o o o o
α = 2.65/ γG γG = dichtheid van het aggregaat mengsel K = "module de richesse" ε= conventioneel specifiek oppervlak = 0.25G + 2.3S + 12s + 135f o G = percentage op zeef 6.3 mm o S = percentage van materiaal door de zeef van 6.3 mm en op de zeef van 300 µm o s = percentage van materiaal door de zeef van 300 µm en op de zeef van 75 µm o f = percentage door de zeef van 75 µm.
Voor EME is er een minimum K waarde, afhankelijk van de klasse: K = 2.5 voor Klasse 1, wat overeenkomt met ongeveer 4.0 % bindmiddel en K = 3.4 voor Klasse 2, corresponderend met ongeveer 5.7 % bindmiddel uitgaande van een voorbeeld van EME - aggregaat mengsel met γG = 2650 kg/m3. Zoals uit bovenstaande formule te zien is neemt het bindmiddelpercentage af naarmate de dichtheid van het aggregaat toeneemt; de zelfde filmdikte moet worden gehandhaafd. Voor een EME Klasse 2 zijn dit - voor dit type asfalt en laag op deze plaats in de constructie dus relatief hoge bitumen percentages. Vanuit een bitumen perspectief zijn de eisen gesteld aan de stijfheid- en de vermoeiing van het mengsel tegenstrijdig en blijken de meest kritische parameters te zijn, zoals verder toegelicht bij in hoofdstuk 3.1. Uit de formule blijkt duidelijk dat de benodigde hoeveelheid bindmiddel sterk wordt bepaald door de gebruikte materialen! Er wordt rekening gehouden met de densiteit, het specifiek oppervlak en de graderingskromme. Met andere woorden wijzigen van één van die parameters, zal de filmdikte wijzigen en dus gevolgen hebben op de duurzaamheid van het EME mengsel. Er schuilt dus een reëel gevaar bij het vastleggen van een minimum bitumen percentage, zonder dat dit gerelateerd is aan de dichtheid van de gebruikte materialen; dus filmdikte! Dit kan aangetoond worden aan de hand van een voorbeeld. In tabel 2 worden een aantal voorbeelden uitgerekend: Tabel 2: Module de Richesse MODULE DE RICHESSE : EFFECT VERANDEREN PARAMETERS
AGGREGAAT Gradering :
Berekening
PORFIER TYPE % door zeef 31.500 6.300 0.315 0.080 G S s
PORFIER TYPE 100 55.4 12.6 7.6 45% 43% 5%
BASALT TYPE 100 55.4 12.6 7.6 45% 43% 5%
100 55.4 12.6 7.6 45% 43% 5%
4
f Sigma
8% 11.96
8% 11.96
8% 11.96
Aggregaat densiteit (g/cm) Alpha = 2.65/ aggr.dens
2.7 0.9815
2.7 0.9815
3 0.8833
BINDMIDDEL Binder [ppc] - op aggregaat in mix K (module de richesse > 3.4)
5.7 5.4% 3.67
5.5 5.2% 3.41
5.2 4.9% 3.58
Uitgaande van porfier en een bepaalde EME samenstelling, kunnen G, S, s en f berekend worden om het specifiek oppervlak te bepalen. Porfier heeft een densiteit afgerond van 2700 kg/m3. Om een voldoende filmdikte te verkrijgen, bv. een module de richesse van 3.67, komen we uit op 5.7% (m/m) bitumen. Wil men toch wat bitumen terug nemen bv. 0.5% naar 5.2 % bitumen, dan ontstaat een module de richesse waarde van 3.2, wat lager is dan de toegestane ondergrens van 3.4 en dus de duurzaamheid ernstig in gevaar brengt. Bedenk wel: dit soort mengsel reageert venijnig op kleine ontwerpfouten. Uit het Verenigd Koningkrijk is een geval bekend dat de mengsel stijfheid binnen 1 jaar meer dan halveerde door gebrek aan ‘healing power’, Echter, het is niet noodzakelijk dat een bitumen hoeveelheid van 5.2 % zo wie zo leidt tot slechte mengsels! In het voorbeeld met basalt als materiaal en uitgaande van eenzelfde gradering, dan komt men met een densiteit van 3 voor basalt met eenzelfde hoeveelheid bitumen van 5.2% (m/m) op een module de richesse van 3.6 afgerond, wat ruim boven de ondergrens ligt. Deze laatste 2 voorbeelden tonen duidelijk aan dat het gevaarlijk is om enkel het bitumen percentage (m/m) vast te leggen. Met het ene materiaal met de hoge densiteit kan wel een goede duurzaamheid gegarandeerd worden, met het andere materiaal niet.
Ontwikkelingen in Europa Dit EME Klasse 2 type mengsel en zijn ontwerp methode wint meer en meer interesse in andere Europese landen zoals België, Nederland, Polen en U.K. De verschillende landen passen echter het mengsel en/of type bitumen en de bijhorende asfalteigenschappen aan aan de respectievelijke eisen van hun land, klimaat en beschikbare materialen. • In U.K. verkoos men tot voor kort voor mengsels met een lager bitumen percentage (3.5%), bekend als ‘High Modulus Base’ (HMB), maar er treden snel vermoeiingsproblemen op door een gebrek aan ‘healing’ door het lage bindmiddelgehalte. Nu wordt EME Klasse 2 in beschouwing genomen waarbij de eisen worden gerespecteerd zoals geformuleerd voor dit asfaltmengsel en speciaal bitumen binnen de Franse regelgeving. • In België is het LIN samen met OCW onderzoek aan het doen op EME op laboratoriumschaal en bereiden zij een aanbesteding en specificaties voor, gebaseerd op o.a. het Franse mengsel type en specificaties. Proefvakken op de weg in het kader van dit onderzoek zullen in de loop van 2006 worden aangebracht. De aanbesteding is uitgeschreven begin 2005.
5
•
In Nederland zijn onder andere in 2001 met Nynas 15/25HR vakken gelegd en uitgebreid onderzocht. In 2006 liggen die vakken er nog steeds goed bij.
Deze landen (U.K. en BENELUX) hebben eerder een gematigd klimaat (“Oceanic climate”) en waardoor het gebruiken van relatief harde bitumen met een penetratie tussen 10 en 25 het meest gepast is. Landen met een streng winterklimaat zoals de Scandinavische landen met een “Nordic climate” en Centraal Europese landen met een “Continental climate”, werken met een iets zachter bitumen. • In Polen is er ook een zeer grote interesse in EME. Door hun klimaat en lagere verkeersbelasting werken zij met een 20/30 bitumen. De Poolse specificaties zijn een combinatie geworden van de Franse Klasse 1 en 2. • In Finland zijn er verschillende projecten geweest met een 20/30 en een bitumen percentage tussen 4 en 5 %. Bij het aanbrengen bleek de verwerkbaarheid goed te zijn en na 2 jaar vertonen deze mengsels minder scheurvorming dan beton, hogere stijfheden dan normaal asfalt. Deze verschillen in klimaat, verkeersbelasting, type materialen en eisen in verschillende landen, vereisten dus een specifieke aanpak voor de ontwikkeling van EME als mengsel en dus ook aan het “EME” bindmiddel.
3.
De Nynas aanpak
3.1 Bindmiddelen Bindmiddelen worden beschouwd als hard, in Midden en Zuid Europa, wanneer de penetratie bij 25°C beneden of bij 25 mm/10 ligt. Maar zoals verwacht is niet elk hard bindmiddel geschikt om er een EME mengsel mee te maken, en een bindmiddel optimalizatie is noodzakelijk. Uit de literatuur blijkt dat voor voldoende hoge stijfheden (G* ≥ 1,6 Mpa, onafhankelijk van de temperatuur of frequentie) de stijfheid van het asfalt mengsel rechtstreeks in relatie staat met de stijfheid van het bindmiddel, voor een gegeven mix compositie (ref 1-3). Via reologische stijfheidsmetingen op het bindmiddel kon al vrij snel een selectie gemaakt worden van bindmiddelen die voldoende stijf zijn om te kunnen voldoen aan de stijfheidscriteria voor EME mengsels. Voor een optimalisatie van de vermoeiingseigenschappen lag de situatie iets moeilijker, omdat er in de literatuur geen éénduidige bindmiddeleigenschap voorhanden zijn die correleren met de vermoeiings karateristieken van het mengsel. Wel is herhaald vastgesteld dat de aard van het bindmiddel een cruciale rol speelt in de vermoeiingseigenschappen van het daarmee geproduceerde asfaltmengsel (ref 4). De kandidaat bindmiddel eigenschappen waarvan vermeld wordt dat ze een invloed hebben op het vermoeiings gedrag van het asfaltmengsel omvatten: de waarde voor de fasehoek bij een bindmiddelstijfheid van 10MPa, de penetratie index, de frequentiegevoeligheid van de fasehoek en de viscositeit bij 25°C, en tenslotte is ook vermeld dat de “m-waarde” die bepaald wordt met behulp van de “bending beam rheometer” (BBR) en eigenlijk een maat is voor de scheurgevoeligheid bij heel lage temperaturen, een invloed op vermoeiing kan hebben. In plaats van na te gaan welke van deze parameters de meest geschikte is, werd binnen Nynas een alternatieve methode ontwikkeld 6
waarbij de vermoeiing rechtstreeks op het bindmiddel wordt gemeten, en uiteraard is deze aanpak veel sneller dan de optie om van elk kandidaat bindmiddel een asfaltmengsel te produceren, hieruit aangepaste boorkernen te halen en die dan ten slotte te testen op vermoeiing. Door toepassen van deze twee criteria, stijfheid en vermoeiing bleek dat bindmiddelen die wel voldeden in stijfheid het vermoeiingscriterium meestal niet haalden en vice versa. Slechts door gebruik te maken van aangepaste productiemethoden slaagde Nynas erin geschikte bindmiddelen te ontwikkelen, die zowel qua stijfheid als qua vermoeiing asfaltmengsels met de gewenste eigenschappen opleverden. Naast vermoeiing en stijfheid werd ook gekeken naar de lage temperatuurseigenschappen die bepaald werden via de SHRP analyse methode Bending Beam Rheometer (BBR). Voor klimaatzones met heel lage wintertemperaturen, en afhankelijk van het type toplaag, de dikte en de verkeersbelasting, kan het gebruik van een 20/30 bitumen een betere combinatie van eigenschappen (lage temperatuur, vermoeiing, spoorvoming, veroudering) bieden dan een 10/20 type bitumen. Voor West Europa heeft Nynas 2 grades ontwikkeld, de Nynas 15/25 HR en de Nynas 10/20 XR die respectievelijk voldoen aan EME Klasse 1 en EME Klasse 2. Voor Polen is een Nynas 20/30 EME beschikbaar, die voldoet aan de Poolse specificaties, en voor UK werd Nynas 15/25 XR, ook een Klasse 2 EME, ontwikkeld.
3.2 Mengsel ontwerp Na het optimaliseren van het bindmiddel, konden we verder gaan met het optimaliseren van het mengselontwerp. Het doel was het behalen van een Franse EME Klasse 2. Voor het uitvoeren van alle testen zoals beschreven hierboven, werd beroep gedaan op het LCPC in Nantes (Fr.) Er werd gestart met de bepaling van de stijfheids modulus en de vermoeiings-eigenschappen, aangezien deze voor ons het meest kritisch leken. Een eerste mengsel gaf voor beide eigenschappen resultaten die voldeden aan de specificaties voor een EME Klasse 2. Toen de wielspoorproef uitgevoerd werd, dachten we dat dit geen probleem kon zijn met zo’n hard bitumen. Toch bleek de spoordiepte niet te voldoen aan de specificaties voor een EME Klasse 2. Door meer bitumen te gebruiken om aan de vermoeiing te voldoen, verliest men weerstand tegen spoorvorming. Ondanks de harde bitumen, blijft het optimaliseren van een EME mengsel een afwegen tussen stijfheid en spoorvorming enerzijds en vermoeiing anderzijds (zie ook ref.4). Gewoon wat minder bitumen toevoegen is geen goede oplossing. Er werd dan ook een totaal nieuw mengsel berekend en getest. Beide ontwerpen worden schematisch voorgesteld in onderstaande figuur. In deze figuur is duidelijk te zien dat men door de weerstand tegen spoorvorming te verbeteren, inboet op stijfheid. Door de samenstelling te wijzigen is ook de “module de richesse” wat gewijzigd en is de vermoeiing toch goed binnen specificatie gebleven.
7
Specificatie klasse
Vermoeiing E6
10/20XR test 2
145
Mineraal – Bindmiddel
10/20XR test 1
135
4
15000
Stijfheid (MPa)
130
Mod.richesse
3.4
14000
7.5 0.75 0
Spoordiepte (%)
Durabiliteit (r/R)
Figuur 1. Met dit tweede mengsel werd dus een EME mengsel Klasse 2 verkregen. Het is dus belangrijk om zowel te optimaliseren op bindmiddel maar ook in het mengselontwerp om een goed EME mengsel volgens Klasse 2 te bekomen.
4.
Besluiten
Het Asfalt met Verhoogde Stijfheid (AVS in BE), of EME (FR), is gerelateerd aan een specifiek mengselontwerp maar het omvat meer dan enkel een verandering in mengsel ontwerp. Niet elk hard bitumen is geschikt om een EME mengsel mee te maken dat voldoet aan de Franse normen. Voor de bindmiddelen is een optimalisatie tussen voldoende weerstand tegen vermoeiing en voldoende stijfheid de uitdaging, terwijl voor het mengsel ontwerp een optimalisatie tussen de parameters die de weerstand tegen vermoeiing bevorderen (zoals een hoog bitumen gehalte in het EME mengsel) en die tegelijkertijd een negatieve invloed heeft op de weerstand tegen spoorvorming, nodig is. Ook het aanleggen van EME vakken, kan bij de asfaltproducent, indien deze nog niet vertrouwd is met dit mengselontwerp, leiden tot een “optimalisatie”. Omdat de invoering van het EME concept in Belgie en andere Europese landen een succes kan worden, is een goede samenwerking tussen bitumen producent, overheid en asfaltproducent een absolute noodzaak.
Referenties 1. 2. 3. 4.
W. Heukelom and A.J.G. Klomp, AAPT, vol 33, 1964, pp. 92-125. F.Bonnaure, G.Gest, A.Gravois, P.Uge, AAPT, Vol 46, 1977, p.64 L. Francken, A. Vanelstraete, A. Verhasselt, ISAP conference, Seatle, 1997. F. Moutier, Bull.Liason Labo. P. et Ch. – 172- 1991 – Ref. 3488
8
Bijlage
9
