DE MSCR TEST, EEN NIEUWE BINDMIDDEL TESTS VOOR SPOORVORMING? Dr. HILDE SOENEN, MARIANNE DE KEYSER, GEERT LEMOINE, SERGE HEYRMAN NYNAS NV
Summary De MSCR "Multiple Stress Creep Recovery" test is recent ontwikkeld als een snelle en gebruiksvriendelijke bitumenspecificatie test voor spoorvorming. De meeste commerciële rheometers zouden in staat moeten zijn om deze test uit te voeren. Deze test kan gebruikt worden voor niet- alsook voor polymeer gemodificeerd bitumen. In deze test wordt een specimen belast in verschillende cycli: Eerst worden 10 cycli uitgevoerd bij een lage belasting (100Pa), waarbij het proefstuk telkens 1 seconde belast wordt en vervolgens 9 seconden onbelast gelaten wordt om te recupereren, daarna worden dezelfde 10 cycli opnieuw uitgevoerd maar bij een hogere belasting (3200Pa). In deze bijdrage werden verschillende bindmiddelen gemeten bij 50°C. In een eerste fase wordt nagegaan in welke mate deze test polymeer modificaties kan onderscheiden, en hoe de vorm van de gemeten curves verandert met de eigenschappen van het bindmiddel. Naast MSCR testen worden ook standaard oscillatie metingen geëvalueerd. In een tweede fase werden overeenkomstige asfaltmengsels onderzocht in de wielspoorproef.
Le nouvel essai MSCR "Multiple Stress Creep Recovery" a été récemment mis au point pour mesurer la contribution des liants bitumineux à la résistance à l’orniérage. La plupart des rhéomètres à cisaillement dynamique actuellement disponibles sur le marché, devraient être capables d’exécuter ce test. Et ce test peut être appliqué aussi bien aux liants purs qu’aux liants modifiés. Dans le test MSCR, on applique au liant une charge de 1 seconde suivie par une recouvrance de 9 secondes. Cette séquence est répétée pendant 10 cycles à un niveau de contrainte de 100Pa, et après cette séquence est répétée pendant 10 autres cycles à un niveau de contrainte plus élevé de 3200Pa. Dans cette étude plusieurs liants ont été évalués à une température de 50°C. Dans une première phase de ce projet, l’objectif est d’évaluer si ce test peut identifier la présence d’un réseau de polymère dans un liant bitumineux, et d’observer quel est l’influence sur les mesures MSCR. Les mesures d’oscillations plus classiques sont également évaluées. Dans une deuxième phase, les enrobés correspondants ont été étudiés en utilisant des essais d’orniérage.
1
Inleiding
Spoorvorming is een beschadiging aan de weg, veroorzaakt door zware vrachtauto's, waarbij diepe sporen in het asfalt ontstaan. Bij spoorvorming maken we onderscheid in primaire (enkel in de asfaltconstructie) en secundaire spoorvorming (ook in de dieper gelegen lagen). Verschillende factoren kunnen verantwoordelijk zijn voor spoorvorming in de asfaltlagen: uitwendige factoren, zoals de verkeersbelasting, de snelheid van het verkeer en het klimaat, of factoren gerelateerd aan de asfaltverharding, zoals ondermeer het type mengsel, de hoekigheid van de gebruikte aggregaten, de verdichtingsgraad, het bindmiddelgehalte, en in zekere mate ook de aard van het bindmiddel. Om deze laatste factor zo goed mogelijk te controleren heeft Nynas onderzoek verricht naar bindmiddeleigenschappen die gerelateerd zijn met spoorvorming. Uiteraard blijven, zelfs bij een zeer resistent bindmiddel, de factoren gerelateerd aan het asfalt (type mengsel, aard van de aggregaten) van groot belang. Waarom een nieuwe test? In 1994 werd met de introductie van de SHRP parameters (strategic Highway Research Programm)(ref.1) de parameter G*/sin(delta) bij 10 rad/s ingevoerd. Maar, verschillende onderzoeken hebben sindsdien aangetoond dat deze factor niet geschikt is voor gemodificeerde bindmiddelen, en voor langzaam verkeer. In 2001(ref.2) werd een nieuwe test voorgesteld: de “repeated creep recovery test” of de herhaalde kruip en terugveringstest, om het gedrag van PMBs beter te voorspellen. De test condities van deze herhaalde kruip test zijn ondertussen verder geoptimaliseerd, het aantal belastingen, de mate van belasting en de tijden voor kruip en recovery werden vastgelegd in een ASTM norm(ref.3). Deze nieuwe test zou het elastische gedrag van PMBs beter in rekening brengen en, door te meten bij een lage en een hoge belasting, geeft deze test ook een idee over de gevoeligheid van bindmiddelen voor de mate van belasting. Het eerste doel van deze studie is om deze nieuwe test, de MSCR, te evalueren voor verschillende bindmiddelen. Daarnaast is het ook de bedoeling om de MSCR test te vergelijken met bestaande prestatietesten, en om de relatie met de wielspoorproef na te gaan. Een dicht asfaltbeton werd onderzocht, waarbij enkel de aard van het bindmiddel gevarieerd werd. Zowel niet- als hoog gemodificeerde bindmiddelen werden gebruikt. De wielspoorproef werd uitgevoerd bij 50°C, zoals voorzien in SB250. De meeste bindmiddel testen werden ook bij 50°C uitgevoerd om een zo goed mogelijke vergelijking met de wielspoorproef te bekomen.
2 (ref.1)
Experimenteel
Anderson, D. A. (1994). “Binder characterization and evaluation, Vol. 3: Physical characterization.” Rep. SHRP-A-369, Strategic Highway Research Program, National Research Council, Washington, DC. (ref.2) Bahia H., Hanson D. (2001). NCHRP Report 459, Characterization of modified asphalt bitumens in Superpave Mix Design, National Academy Press, Washington DC. (ref.3) ASTM D7405-10a (2010). Standard Test Method for Multiple Stress Creep and Recovery of Asphalt Binder using a Dynamic Shear Rheometer.
Tabel 1 geeft een overzicht van de gebruikte bindmiddelen weer. De reologische eigenschappen werden gemeten met een MCR 500 reometer van Anton Paar. Alle bindmiddeltesten werden uitgevoerd op niet-verouderd bitumen. Het asfaltmengsel, type AB-4C volgens SB250, een mengsel voor toplagen geschikt voor de hogere bouwklasse’s (B4-B5-B6-B7), werd opgesteld via de PradoWin software van OCW. De mengselsamenstelling is weergegeven in tabel 2. De asfaltmengsels werden verdicht met een plaatverdichter volgens EN 12697–33:2003, ‘heavy compaction’. De dimensies van de slabs waren 50 cm in lengte, 18 cm in breedte en 10 cm in hoogte. De wielspoorproeven werden uitgevoerd volgens EN 12697-22 (large device) : bij 50°C,telkens in twee repeats. Voor één van de bindmiddelen (KB75) werden geen wielspoorproeven uitgevoerd.
Bindmiddel
EN
Code
Pen. 25°C (1/dmm)
R&K (°C)
Modificatie
Nypave 15 Nypave 60 Nypave 85 Nypol 47 Nypol 68 Nypol 65 KB75 (niet comm.) Nypave PX 35 Nynas Endura Z4 Nynas Endura Z2
10/20 50/70 70/100 25/55-55 45/80-50 45/80-65
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
18 64 81 42 60 75 78 33 31 20
61 47 45 58 55 68 98 78. 93 95
Geen Geen Geen Gemodificeerd Gemodificeerd Gemodificeerd Gemodificeerd Gemodificeerd Gemodificeerd Gemodificeerd
25/55-75 10/40-80
Tabel 1: Overzicht van de gebruikte bindmiddelen met hun typische waarden.
Type
Massa (%)
Aggregaat
Porfier 6.3/10
17%
Aggregaat
Porfier 4/6.3
17.5%
Aggregaat
Porfier 2/4
23.5%
Zand
Porfierbreekzand 0/2
21.2%
Zand
Natuurzand
13.8%
Filler
Duras filler type II
Bitumen gehalte (op aggregaten)
7% 6.2
Tabel 2: Compositie van het asfalt mengsel.
3.1
Bindmiddel testen
Vervorming %
In de MSCR test, wordt een specimen belast in verschillende cycli: eerst worden 10 cycli uitgevoerd bij een lage belasting (100Pa), waarbij het proefstuk telkens 1s belast wordt en vervolgens 9s onbelast gelaten wordt om te recupereren; daarna worden dezelfde 10 cycli opnieuw uitgevoerd maar bij een hogere belasting (3200Pa). Dit is de procedure volgens de ASTM norm(ref.3), in de Duitse test procedure (Ak 7.2.1.) zijn er bv. bijkomend 10 cycli bij 1600Pa. In figuur 1 en 2 zijn enkele voorbeelden weergegeven.
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Binder 1 10 cycli bij hoge spanning
Binder 2 Binder 3 10 cycli bij lage spanning
0
50
100 Tijd, s
150
200
Fig. 1: Voorbeelden van de MSCR test voor niet gemodificeerde bindmiddelen.
14
Binder 4
12
Binder 5
Vervorming %
10
Binder 7
8 6 4 2 0 0
50
100 Tijd, s
150
200
Fig. 2: Voorbeelden van de MSCR test voor gemodificeerde bindmiddelen. (de schaal is verschillend in fig.1 en in fig.2) In figuur 1 is de overgang van cycli gemeten bij lage en bij hoge spanning aangeduid. Het is duidelijk dat de vervorming veel groter wordt als de spanning stijgt. In figuur 1 is ook te zien dat de vervorming praktisch niet verandert tijdens onbelaste periodes, wat resulteert in een (ref.3)
ASTM D7405-10a (2010). Standard Test Method for Multiple Stress Creep and Recovery of Asphalt Binder using a Dynamic Shear Rheometer.
trapvorminge curve: Het steile gedeelte van de trap komt overeen met een periode van belasting, de vlakke gedeeltes komen overeen met onbelaste periodes. Voor zachtere bitumen is de “trap”, of de vervorming tijdens belasting, groter wat resulteert in een grotere eindvervorming (= de vervorming na 20 cycli). In figuur 2, de gemodificeerde bindmiddelen, is de overgang van cycli gemeten bij lage en hoge spanning ook duidelijk te zien. Maar nu zien we dat er tijdens onbelaste perioden, een aanzienlijke terugvering optreedt, waarbij de vervorming weer afneemt, wat resulteert in een meer piekvormige curve. Bijgevolg vertonen de gemodificeerde bitumina een veel lagere totale vervorming in vergelijking met nietgemodificeerde bitumina van vergelijkbare pen-klasse. Volgens de Amerikaanse methode (de ASTM norm) moet het percentage terugvering berekend worden aan de hand van de vorm van de curve, alsook het deel dat niet terugveert. In deze bijdrage worden deze tijdrovende berekeningen niet weergegeven hiervoor verwijzen we de lezer graag naar andere referenties(ref.4). De parameter die we gebruiken om de gegevens van deze nieuwe test te vergelijken met wielspoorproeven is simpelweg de eindvervorming. Dit is de volledige vervorming die opgetreden is na het toepassen van deze 20 cycli. Andere parameters die in deze studie zullen geëvalueerd worden zijn samengevat:
3.2
•
De SHRP parameter, dit is G*/sin(δ) bij 10 rad/s, gemeten bij 50°C
•
De SHRP temperatuur, dit is de temperatuur waarbij de SHRP parameter een waarde van 1kPa bereikt
•
De SHRP parameter, G*/sin(δ), opnieuw gemeten bij 50°C, maar bij een veel langere belastingstijd of bij een veel lagere frequentie van 0.01Hz. Deze parameter werd in een vroeger gemeenschappelijke project tussen OCW en Nynas, aanzien als een goede prestatieparameter voor spoorvorming.
Spoorvorming
In figuur 3 en 4 zijn de resultaten van de wielspoorproeven weergegeven voor het onderzochte asfaltmengsel AB-4C. Figuur 3 toont wielspoorproeven voor asfaltmengsels bereid met niet-gemodificeerd bitumen, terwijl in figuur 4 de mengsels met gemodificeerde bitumina zijn weergegeven. Voor de niet-gemodificeerde mengsels voldoen de twee hardere bitumina (10/20 en 50/70) aan de vereiste volgens SB250 waarbij de spoorvorming niet groter mag zijn dan 10% na 30000 cycli voor een bouwklasse 4 of 5. De gemodificeerde mengsels vallen allemaal duidelijk binnen deze limietwaarde voor spoorvorming. Zelfs de mengsels met een bindmiddel uit eenzelfde penetratiecategorie als 70/100, maar met modificatie, presteren veel beter. Deze gemodificeerde bindmiddelen behouden de voordelen van een zachter bitumen (met name goede lage temperatuurseigenschappen en (ref.4)
Soenen H., Blomberg T., Pellinen T., Laukkanen O. The Multiple Stress Creep Recovery Test: A Detailed Analysis of Repeatability and Reproducibility, paper accepted for EATA 2013.
Spoordiepte (%)
behoud van adhesie bij lage temperatuur), zonder de nadelen (spoorvorming) bij hoge temperatuur.
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
mix 1 mix 2 mix 3
0
10000
20000
30000 40000 Aantal wielovergangen
50000
60000
Spoordiepte (%)
Fig. 3: Spoorvormingstesten van niet gemodificeerde bindmiddelen.
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
mix 4 mix 5 mix 6 mix 8 mix 9 mix 10
0
10000
20000
30000 40000 Aantal wielovergangen
50000
60000
Fig. 4: Spoorvormingstesten van gemodificeerde bindmiddelen.
3.3
Relaties tussen spoorvorming en bindmiddel testen
Relaties tussen bindmiddeltesten en spoorvorming werden onderzocht. Mix 3, die het bitumen 70/100 bevat, en die al na 5000 cycli een spoordiepte van 14% liet optekenen, is niet in deze figuren opgenomen. Voor KB75 zijn geen wielspoorproeven gemeten, en uiteindelijk is ook het mengsel met Nypave PX niet in de relaties meegenomen, omdat dit voor alle onderzochte parameters afwijkende resultaten gaf. Voor dit mengsel zijn bijkomende proeven nodig.
In figuur 5 zijn verschillende binder parameters versus spoordiepte bij 50000 cycli onderzocht: •
Figuur 5A geeft de SHRP parameter, gemeten bij 50°C en bij 10rad/s, weer tegenover de spoordiepte na 50000 wielovergangen. Hier is wel een trend waarneembaar, lagere waardes voor deze parameter leiden tot meer spoorvorming, maar de correlatie coëfficient is maar 0.63.
•
In figuur 5B is de nieuwe MSCR eindvervorming t.o.v. spoordiepte uitgezet, en deze curve blijkt een heel hoge correlatie coëfficient te bezitten, er is dus een heel sterke relatie tussen beide parameters. Bij heel lage spoorvorming, of bij lage eindvervormingen in de MSCR test, is een kleine scatter waarneembaar, wat erop duidt dat de voorspellende kracht van deze parameter iets afneemt als de weerstand tegen vervorming heel hoog is.
•
In figuur 5C tenslotte, is de SHRP parameter gemeten bij een lage frequentie weergegeven. Deze parameter geeft een betere correlatie in vergelijking met de standard SHRP parameter, maar niet zo hoog als voor de MSCR parameter.
In tabel 3, zijn alle onderzochte correlatie coëfficienten nog eens samengvat. Hieruit blijkt, zoals verwacht, dat ook de R&K temperatuur geen goede predictor is voor spoorvorming.
6 R² = 0,63
log (G*/sin(d)) 10 rad/s
5 4 3
SHRP-parameter, 10 rad/s
2 0
2
4 6 Spoordiepte (%)
Vervorming (%)
Figuur 5A 30 25 20 15 10 5 0
vervorming - na MSCR test
0
2
Figuur 5B
log(G*/sin(δ δ)) 0.01Hz
8
5
10
R² = 0,94
4 6 Spoordiepte (%)
8
10
SHRP-paramter bij 0.01Hz
4 3 2
R² = 0,81
1
0 Figuur 5C
2
4 6 Spoordiepte (%)
8
10
Fig. 5: Correlaties tussen verschillende bindmiddelparameters en spoordieptes van de asfaltmengsels na 50000 cycli.
Eigenschap
Correlatie coëfficient met spoordiepte na 50000 cycli
R&K (°C)
0.57
SHRP parameter, 10 rad/s, 50°C
0.63
SHRP temperatuur (°C)
0.71
SHRP parameter, 0.01Hz, 50°C
0.81
MSCR vervorming aan het einde van de test
0.94
Tabel 3: Correlatie coëfficienten van verschillende bitumen parameters met spoordiepte
4
Besluiten
De conclusies van deze studie zijn samengevat: •
De MSCR test is een veelbelovende parameter om spoorvorming te wijten aan veranderingen in het bindmiddel te voorspellen. Voor de bindmiddelen onderzocht in deze studie was de correlatie met spoorvorming heel hoog.
•
Deze test is simpel en neemt niet veel tijd in beslag. De tijdrovende berekeningen zoals voorgesteld in de norm blijken niet nodig, de vervorming aan het einde van deze test, die direct afleesbaar is van de reometer, blijkt een goede en simpele manier om deze test te interpreteren.
•
De MSCR test geeft duidelijke verschillen weer tussen niet– en wel gemodificeerde bitumina. Gemodificeerde bitumina vertonen tijdens onbelaste periodes een aanzienlijke terugvering.
•
De SHRP parameter gemeten bij dezelfde temperatuur als de spoorvorming, maar uitgevoerd bij een lagere frequentie van 0.01Hz blijft ook nog overeind als predictor, maar is iets minder goed in vergelijking met de MSCR parameter.
•
De standard SHRP parameter, bij 10 rad/s blijkt ook nu weer geen goede predictor voor spoorvorming, evenals de R&K temperatuur.
Deze studie toont aan dat de MSCR test een zeer goed relatie vertoont tussen eigenschappen van het bindmiddel en spoorvorming, gemeten in de wielspoorproef, voor één mengselsamenstelling. Wat in deze studie niet onderzocht werd, maar wat uiteraard ook belangrijk blijft, is de vraag hoe goed de wielspoorproef op zijn beurt spoorvorming in de weg benadert. Indien op de weg, de belastingstijden, of de temperaturen van het wegdek afwijken van wat gebruikt wordt in de wielspoorproef, dan zullen deze parameters waarschijnlijk ook aangepast moeten worden in een bindmiddeltest. Dit zou uiteindelijk kunnen resulteren in een bindmiddeltest met verschillende belastingen en belastingstijden naargelang de aard van het verkeer en zijn verwachte snelheid. Om de exacte test condities voor een Europese MSCR test vast te leggen is nog meer onderzoek gewenst.
