Inhoudsopgave. Inhoudsopgave. Verantwoording. Voorwoord. Mechanica van de verharding. Mechanica van mengsels. Mengselontwerpmethoden

Inhoudsopgave

Inhoudsopgave

Verantwoording

Voorwoord

Module 1:

De piramiden

Module 2:

Mengselopbouw

Module 3:

Mechanica van de verharding

Module 4:

Mechanica van mengsels

Module 5:

Mengselontwerpmethoden

Bijlage 5:

Case N249

Module 6:

Aggregaten

Module 7:

Functie van bindmiddelen

Module 8:

Interactie bindmiddelen / vulstof

Module 9:

Speciale mengsels

Module 10:

Productie en verwerking

Asfaltkunde, Inhoudsopgave, maart 2006

1

Verantwoording

Verantwoording en Dankwoord Moderne wegenbouwtechniek vraagt inzicht in verbanden tussen de samenstelling en functie van asfaltmengsels in een verharding. Dit inzicht moet worden verworven, uitgedragen en toegepast. De cursus Asfaltkunde hoopt hier in belangrijke mate aan bij te dragen. Asfaltmengsels dienen tegemoet te komen aan de eisen die de gebruiker en belanghebbende aan een asfaltverharding stelt. De automobilist wil zich vlug veilig en voordelig kunnen verplaatsen, de werkzaamheden op een bedrijfsvloer moeten ongestoord voortgaan. Belanghebbenden zijn er velen. Zo is er de beheerder, zijn er de omwonenden, is er de belastingbetaler. Ook ‘de maatschappij’ is een belanghebbende. Hierbij valt te denken aan initiatieven als Duurzaam Bouwen, en aan het belang van inzet van secundaire (of bij-) producten van industriële processen (hergebruik). De technologie van asfaltmengsels is de wetenschap die ons in staat stelt de gevraagde mengsels te maken. Zelfs zo te maken dat ze kosten effectief zijn, niet belastend zijn voor het milieu, onderhoudsarm zijn, file voorkomen, en zo voort. Natuurlijk zijn een aantal van deze eisen onderling tegenstrijdig. Het maken van de juiste technische keuze, binnen deze steeds veranderende set van eisen, is een belangrijk onderdeel van Asfaltkunde. De cursus ‘Asfaltkunde’ heeft tot doel inzicht te geven in de vertaling van de eisen en wensen van gebruikers en maatschappij naar eisen aan de verhardingsconstructie. Daarbij wordt het hele traject doorlopen: van de volwaardige constructie tot het niveau van grond- en bouwstof. En vervolgens retour: van bouwstof tot constructie. De cursus is geslaagd als de deelnemers na afloop inzicht hebben verworven in de wijze waarop de optimale verharding efficiënt gerealiseerd kan worden. Dit betekent dat kennis is verworven met betrekking tot de samenhang van de componenten van asfaltmengsels, hun functie in de verharding. De cursisten kunnen de specifieke kwaliteiten van de mengsels herkennen en optimaal gebruiken in asfaltconstructies. Ze kunnen ook gefundeerd innovaties afleiden, herkennen en waarderen. De cursus is bedoeld voor professionele asfalttechnologen, die door ervaring of opleiding een algemene kennis hebben van asfaltmengsels op MBO/HBOniveau. Deze technici werken bij asfaltverwerkers, asfaltcentrales, overheden, ingenieursbureaus, beheerders van bedrijfsterreinen en kennisinstellingen. De cursus is op HBO-niveau.

Asfaltkunde, verantwoording en dankwoord, maart 2006

1

Verantwoording

De stof wordt diepgaand behandeld, tot op het niveau van ‘State of the Art’. Toch wordt zeer veel teruggegrepen op voorbeelden uit de praktijk. Daarmee wordt immers het beste het doel van de cursus gediend. De cursus is tot stand gekomen op initiatief van KOAC•NPC, dat een zeer actieve en prettige ondersteuning ondervond van ir. A.C.A. De Jonghe van Benelux Bitume en mr.ir. W. Pieterse van VBW-Asfalt. Deze samenwerking laat zich het best verwoorden door te verwijzen naar de cursusbrochure, waar staat dat KOAC•NPC de cursus organiseert onder auspiciën van beide verenigingen. Bij een cursus hoort een dictaat. Concepten voor de verschillende modules zijn gemaakt door ing. H.C. Bakker (module 1, 2, 5, 6 en 7), ir. P.J. Galjaard (module 3), ir. G. Gaarkeuken (module 9) en Dr. P.C. Hopman (module 0, 4, 8). Aan al mijn mede-auteurs spreek ik mijn hartelijke dank en gemeende waardering uit. Hun bijdragen hebben essentieel bijgedragen aan de kwaliteit van het definitieve dictaat. Dr. ir. M. Huurman bedank ik hartelijk voor de vele korte en lange gesprekken over de vormgeving en vooral inhoud van de sheets. Zeer erkentelijk ben ik voor het commentaar dat ik mocht ontvangen van de deelnemers aan de pilot-cursus, die gehouden is als voorbereiding. In het bijzonder noem ik hier ir. F. Stas, die met enkele zeer ter zake doende aanwijzingen de didactiek van de cursus op een hoog niveau heeft helpen brengen. Ook dank ik mijn mede-docenten: door hun verschillende ervaring en achtergrond en door hun enthousiasme dragen zij intensief bij aan het succes van de cursus. Tenslotte wens ik de deelnemers aan de cursus interessante cursusdagen toe en spreek ik de hoop en het vertrouwen uit dat de opgedane kennis toepassing in de praktijk zal vinden.

Dr. P.C. Hopman KOAC•NPC

Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke wijze dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van NPC. © 2006 KOAC•NPC

Asfaltkunde, verantwoording en dankwoord, maart 2006

2

Voorwoord

ASFALTKUNDE Praktijk onderbouwd

Asfaltmengsels dienen tegemoet te komen aan de eisen die de gebruikers en belanghebbenden aan een asfaltverharding stellen. De gebruiker, veelal de automobilist, wil zich vlug, veilig en voordelig kunnen verplaatsen. Is de verharding een bedrijfsvloer dan zijn er andere eisen. Belanghebbenden zijn er velen. Zo zijn er de beheerder, de omwonenden en de belastingbetaler. Ook ‘de maatschappij’ is een belanghebbende. Hierbij valt te denken aan initiatieven als Duurzaam Bouwen en aan het belang van inzet van secundaire (of bij-) producten van industriële processen (hergebruik). Ook het streven naar beperking van het gebruik van natuurlijke grondstoffen en het terugdringen van de geluidsproductie door het wegverkeer zijn maatschappelijke belangen. De technologie van asfaltmengsels is de kennis achter de techniek, men mag het wetenschap noemen, die ons in staat stelt de gevraagde mengsels te maken. En niet alleen te maken; dat moet gedaan worden binnen een reeks van eisen. Enkele daarvan zijn: kosten-effectief, niet belastend voor het milieu, onderhoudsarm, file voorkomend, en zo voort. Natuurlijk zijn een aantal van deze eisen onderling tegenstrijdig. Het maken van de juiste technische keuze, binnen deze steeds veranderende set van eisen, is een belangrijk onderdeel van Asfaltkunde. De ontwerper van de asfaltverharding en van de -mengsels hebben tot taak dit pakket van eisen en wensen te vertalen in een verhardingsconstructie. Die taak kan bereikt worden door ‘trial and error’. Deze benadering van het door schade en schande wijs worden is zinvol in een niet of langzaam veranderende omgeving. Echter de kans is groot dat een dergelijke aanpak onbetaalbaar is bij sterk toenemende verkeersbelasting, veranderende aslastconfiguraties en wielstellen (breedbanden) en nieuwe maatschappelijke eisen. De cursus ‘Asfaltkunde’ heeft tot doel inzicht te geven in de vertaling van de eisen en wensen van gebruikers en maatschappij naar eisen aan de verhardingsconstructie. Daarbij wordt het hele traject doorlopen: van de volwaardige constructie terug tot het niveau van grond- en bouwstof. Module 1

behandelt aan de hand van de drie Piramiden de plaats van de technoloog in het asfalttechnologisch krachtenveld. Ook wordt de relatie tussen ‘functionele eis’ en bouwstofeigenschap gelegd.

Asfaltkunde, voorwoord, maart 2006

1

Voorwoord

Module 2

behandelt de basisprincipes van mengselopbouw: van skelet tot overvulling. Hierbij worden kort de Nederlandse mengsels gepositioneerd.

Module 3

behandelt de mechanica van de verharding. Principes worden besproken aan de hand van een balkje op twee steunpunten. Inzicht zal worden verworven in de spanningen, de rekken en verplaatsingen die als gevolg van verkeer en klimaat in een verhardingsconstructie optreden.

Module 4

gaat in op de mechanica van mengsels, in het bijzonder op de mechanismen die leiden tot mechanische schaden: vermoeiing, viskeuze en plastische spoorvorming en scheurgroei.

Module 5

behandelt de ontwerpmethoden, zowel enkele empirische als functionele. Er wordt ingegaan op de eisen waaraan zo een methode moet voldoen. Nieuwe ontwikkelingen op dit gebied worden besproken.

Module 6

bespreekt de aggregaten en toeslagstoffen. Bediscussieerd wordt dat aggregaten een veelheid aan chemisch/fysische reacties aan kunnen gaan. Praktische gevolgen daarvan worden besproken.

Module 7

gaat in op de bindmiddelen, zowel conventionele als gemodificeerde. De samenstelling van beide en hun wisselwerking worden besproken. Ingegaan wordt op de effecten die modificaties hebben op de eigenschappen van het bindmiddel.

Module 8

behandelt de interacties tussen aggregaten en bindmiddel, met het doel inzicht te krijgen in de effecten die de combinatie van beide heeft: een asfaltmengsel is meer dan de som der delen.

Module 9

behandelt enkele speciale mengsels die recentelijk op de markt zijn gekomen.

Module 10

behandelt de productie en verwerking van asfalt en de mogelijkheden tot toepassing van secundaire materialen.

Asfaltkunde, voorwoord, maart 2006

2

Module 1


Module 1: De Piramiden

1

FUNCTIONELE EIGENSCHAPPEN......................................................................2 1.1 1.2 1.3 1.4

VAN GEBRUIKERSEISEN NAAR BOUWSTOFEISEN ......................................................2 WENSEN VAN GEBRUIKERS / BELANGHEBBENDEN ...................................................4 EISEN AAN DE ASFALTVERHARDING ........................................................................4 RANDVOORWAARDEN BIJ REALISATIE VAN DE WEG ..................................................6

Asfaltkunde; module 1, maart 2006

1

Module 1

1 1.1

Functionele eigenschappen Van gebruikerseisen naar bouwstofeisen

Via drie piramiden –misschien is het woord stroomschema beter- is structuur aangebracht in de eisen die aan wegen kunnen worden gesteld en de onderlinge relaties tussen diverse betrokkenen. Ze laten de stappen zien die zitten tussen ‘het publiek’ en ‘de bouwstoffen’. Er is daarbij onderscheid aangebracht tussen een politieke, een technische en een contractuele piramide, die overigens niet per niveau naast elkaar gezet mogen worden. De politieke piramide is, met enige voor de hand liggende wijzigingen, ook te lezen voor het geval de opdrachtgever een particulier of een bedrijf is.

HOOG

PUBLIEK BELEID VERKEERSKUNDIG ONTWERP

WEGBOUWKUNDIG ONTWERP

A B S T R A C T I E

Gebruikers wensen Functionele eigenschappen

Constructief gedrag

Oppervlakte eigenschappen

Materiaal gedrag

MATERIALEN

LAAG BOUWSTOFFEN

Figuur 1-1: Politieke piramide

Aard /type bouwstoffen

Figuur 1-2: Technische piramide

Er is een vraag of behoefte van een partij, publiek of werknemers in bedrijven, die door de politiek of de bedrijfsleiding al dan niet gehonoreerd wordt. Bij honorering worden (meestal) eerst de vervoersstromen in kaart gebracht en de gewenste tracé’s ontworpen. Vervolgens wordt de constructie bepaald (wegbouwkundig ontwerp), waarna de mengsels ingevuld worden. Tenslotte worden, om aan de mengsels te komen, bouwstoffen gekozen. In de technische piramide zijn vijf niveaus te onderscheiden. Niveau 1 bevat de eisen van belanghebbenden en de gebruikers. Daarvan afgeleid zijn de eisen geformuleerd die aan de functie (prestatie) van de verharding gesteld worden. Dit zijn de functionele eisen (niveau 2). Deze functionele eisen omvatten ook de eisen die de realisatie met zich meebrengt. Niveau 3 bevat het constructief gedrag, waarbij de oppervlakte-eigenschappen apart genoemd zijn; hier wordt dus het mechanische gedrag van de constructie losgekoppeld van het functionele gedrag van het oppervlak.


2

Module 1

Niveau 4 heeft betrekking op de eisen die als gevolg daarvan gesteld worden aan het materiaalgedrag. Voor de asfalttechnoloog is ‘materiaal’ synoniem aan ‘mengsel’. Niveau 5, tenslotte heeft betrekking op eisen die aan de afzonderlijke bouwstoffen gesteld worden. Deze piramide is omkeerbaar. In omgekeerde volgorde zullen bouwstoffen invloed hebben op het gedrag en de eigenschappen van de mengsels, die weer het gedrag van de verharding beïnvloeden. Dit is weer afhankelijk van de laagdikten en de plaats in de constructie waar die mengsels zitten. Als het constructief gedrag overeenkomt met de eisen die er aan worden gesteld, kan de verhardingsconstructie gerealiseerd worden. Opgemerkt wordt nog dat de wensen of eisen van de gebruikers en de belanghebbenden tijdens de levenscyclus van de verhardingsconstructie kunnen veranderen. Belastingbetaler Eigenaar / Opdrachtgever Asfaltverwerker Asfaltproducent

Het is van belang ook een contractuele piramide te onderkennen (figuur 1-3). In deze piramide is de contractuele rolverdeling, en daarmee de commerciële, weergegeven. Men kan het de branchekolom noemen. In deze piramide zijn de asfaltverwerker en asfaltproducent losgekoppeld en weergegeven als zelfstandige rechtspersonen. Er zijn bedrijven die asfalt produceren en verwerken binnen één rechtspersoon. Voor hen vallen de twee betreffende vakken samen.

De contractuele piramide maakt duidelijk op welke niveaus de producteisen gesteld moeten worden, of zouden moeten worden. Het verwarrende element is dat de RAW-Standaard, Figuur 1-3: Contractuele die Marshall-based is, niet aansluit op deze piramide bedrijfskolom. Immers, met de Standaard in de hand schrijft de opdrachtgever voor welk bindmiddel er in welk type mengsel moet. Het veroorzaakt daarmee een kortsluiting over het werkgebied van de asfaltverwerker en de asfaltproducent heen. Dat maakt een consequent gebruik van de technische piramide zeer moeilijk. Grondstofleverancier

Tegelijk moet gesteld worden dat normering en specificering van bouwstoffen zeer belangrijk is: men moet de karakteristieken van de materialen kennen. Ook is er een belang om samenstellingen van (standaard)mengsels voor te schrijven. Het voorkomt dat er basale fouten gemaakt worden. Jammer blijft dat gebruik van de Standaard vaak leidt tot het niet gebruiken van de technische piramide.


3

Module 1

1.2

Wensen van gebruikers / belanghebbenden

De automobilist, de financier, de beheerder en de personen en instellingen in de directe omgeving van de weg hebben allemaal hun wensen. Dit zijn allemaal wensen van ‘het publiek’. Eigenlijk is hier het begrip ‘vervoersvoorziening’ meer op zijn plaats dan de term ‘weg’. Meestal worden de wensen door de (latere) opdrachtgever vertaald in een pakket van eisen. Dit pakket kan de volgende elementen omvatten: • capaciteit en beschikbaarheid van de weg; • geen hinder voor de omgeving; • veiligheid van de weggebruiker; • comfort voor de weggebruiker; • inpassing in het landschap (esthetica); • grondstoffenbeleid (hergebruik, gebruik bijproducten); • milieubeleid; • arbo-beleid; • economie. De capaciteit is het maximale aantal voertuigen dat per tijdseenheid een bepaald punt van een rijstrook of rijbaan kan passeren. Deze capaciteit zal afhankelijk zijn van externe factoren als het weer, maar ook van verkeerskundige voorzieningen. De geometrie van de verharding en het verkeerstechnisch ontwerp zullen zijn afgestemd op de gewenste capaciteit. Deze geometrie zal bij voorkeur ook onderhoudswerkzaamheden toestaan zonder dat de capaciteit wordt aangetast. De eisen laten zich hier vaak constructie- en materiaalonafhankelijk formuleren. 1.3

Eisen aan de asfaltverharding

De prestatie-eisen, onderworpen aan de randvoorwaarde met betrekking tot de realiseerbaarheid kunnen worden omgezet in eisen te stellen aan de asfaltverharding. Die moet in staat zijn om de verkeersbelasting over te brengen naar de ondergrond onder vele omstandigheden (vorst, dooi, hoge grondwaterstanden)1. Ook dienen de gebruikerseisen over langere tijdsduur gehandhaafd te blijven. Om deze vertaling (prestatie-eisen naar eisen aan het constructief gedrag) te kunnen doen is inzicht noodzakelijk in de faalmechanismen die voor een asfaltverharding van belang zijn. Falen betekent hier: het niet voldoen aan de gestelde prestatie-eisen. In tabel 1-1 is een bediscussieerbare voorzet gegeven voor een relatie tussen de eisen en het gedrag. De wensen die vanwege de gebruiker aan de constructie worden gesteld, zijn toe te delen aan het asfaltmateriaal via drie klassen: vervorming, sterkte en duurzaamheid. 1

Een aantal prestatie-eisen komen niet terug bij de eisen aan het constructief gedrag. Aan deze eisen is elders voldaan (zo is de verkeerskunde een ander vak); zij zijn niet van belang voor het constructief gedrag van de verharding.


4

Module 1

Tabel 1-1: Bediscussieerbare relaties tussen eisen aan constructie en eigenschappen van asfaltverharding Eigenschappen asfaltlaag Weerstand tegen vervorming

C o n s t r u c t i e

vlak (A,G) stroef (G) niet scheurend (G) reversibele vervormingen (G) irreversibele vervormingen (G) uitneembaar (S) herbruikbaar (S)

+ 1:1

Sterkte

Duurzaamheid

elastische doorbuiging

elastische samendrukking

blijvende vervorming

+

-

1:1

-

-

+

-

-

-

-

+

-

+

+

1:1

+

+

1:1

1:1

-

+

+

+

+

+

-

1:1

+

+

+

1:1

-

-

-

-

-

: van groot belang : van incidenteel / gering belang : niet van belang : vanzelfsprekende relatie

temperatuurscheur- weerstand lastsprei gevoeligheid weerstand tegen dend (uitzetten / krimpen) vermoeiing + + + 1:1

+

Fase waarin van belang: A : aanleg G : gebruik S : sloop

5

+ -

-

-

Voor het vertalen van de constructieve eigenschappen naar eisen die aan de materiaaleigenschappen gesteld moeten worden, is het niet alleen noodzakelijk te weten wat de effecten zijn van verkeersbelasting en klimaatbelasting op de verschillende lagen van een asfaltverharding. Ook moeten begrippen als ‘elastische doorbuiging’ en ‘lastspreiding’ eenduidig gedefinieerd zijn. Deze ‘Mechanica van de weg’ wordt later besproken. Het spreekt voor zich dat de materiaal-, of beter mengsel-, eigenschappen kunnen worden ‘gestuurd’ door gebruik te maken van de juiste bouwstoffen en hun onderlinge mengverhouding.


klimaat slijtage / invloed rafeling

-

Module 1

1.4

Randvoorwaarden bij realisatie van de weg

De wensen en randvoorwaarden die aan de vervoersvoorziening worden gesteld door het publiek, moeten worden vertaald in eisen aan de constructie2. Deze vertaalslag wordt in het publieke domein doorgaans gemaakt door overheidsdiensten, in het particuliere domein vaak door ingenieursbureaus of door aannemers. De gebruiker heeft vele wensen, maar of daar aan voldaan kan worden hangt af van randvoorwaarden die gesteld worden door ‘het beleid’. Voorbeelden zijn: • realiseerbaarheid van de constructie; • veiligheid; • capaciteit; • waterhuishouding; • hergebruik; • milieukundig acceptabel; • kosten.

2

H.C.Bakker, Eindrapport CROW-werkgroep ‘Functionele Eisen Wegfunderingen, CROW Ede, 1997.


6

Module 1

Tabel 1.1 Relatie tussen de wensen van de gebruikers en belanghebbenden en de randvoorwaarden bij realisatie Niveau 2: Randvoorwaarden bij realisatie van de weg

Niveau 1

Wensen van Realiseerbaar Veilig Capaciteit gebruikers tech- veilig / zonder begaan- vlak stroef geometrisch / dimensionenisch gezond hinder baar verkeersring kundig Capaciteit / 1:1 1:1 ! ! ! beschikbaar Geen hinder voor omgeving Verkeersveiligheid

1:1

-

Waterhuishouding Hergebruik grondwater oppervlakte- toepassen materiaal water aangewezen uitneemmaterialen baar -

materiaal herbruikbaar -

Milieu materiaal- aanleg wegconwinning structie -

sloop

Kosten haalbaar

-

-

-

-

!

!

-

-

-

!

!

1:1

!

!

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

!

1:1

1:1

1:1

1:1

-

!

-

!

-

-

-

-

Comfort

-

-

-

!

1:1

!

!

!

Esthetica

!

-

!

-

-

-

!

!

Grondstoffenbeleid

!

-

-

-

-

Milieubeleid

!

!

-

-

-

-

-

!

!

!

!

!

1:1

-

1:1

1:1

!

Arbobeleid

!

1:1

-

-

-

-

-

-

-

!

!

!

!

-

-

!

!

Economie

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

!

1:1

(G)

(G)

Fase

! 1:1

(A)

(-)

!

!

(-)

(-)

= van groot belang = van incidenteel/gering belang = niet van belang = vanzelfsprekende relatie

Asfaltkunde, module 1

(A)

(G)

(A, G, S)

Fase waarin van belang:

(A, G, S)

(A)

(S)

(S)

(A)

(A)

(G)

A : aanleg G: gebruik; duurzaam onder alle condities S: sloop - : niet fase gebonden

7

(S)

(-)

Module 2


Module 2: Mengselopbouw

2. MENGSELTYPEN...............................................................................................2 2.1 ALGEMEEN ......................................................................................................2 2.2 HET ‘SKELET’ VAN ASFALTMENGSELS ................................................................3 2.3 VOLUMETRIE VAN ASFALTMENGSELS .................................................................5 2.3.1 Algemeen...............................................................................................5 2.3.2 Rekenvoorbeeld.....................................................................................8 2.4 VOLUMETRISCHE MENGSELTECHNOLOGIE ...................................................... 10 2.4.1 Waterdichtheid.................................................................................... 10 2.4.2 Vermoeiing.......................................................................................... 10 2.5 VOLUMETRISCHE CONTROLE VAN ASFALTMENGSELS ....................................... 10 2.5.1 Algemeen............................................................................................ 10 2.5.2 De vullingsratio ................................................................................... 11

Asfaltkunde, module 2, maart 2006

1

Module 2

2. Mengseltypen 2.1 Algemeen In de Standaard RAW Bepalingen is ‘Asfalt’ gedefinieerd als een mengsel van mineraal aggregaat, een bitumineus bindmiddel en eventuele toeslagstoffen. De Standaard kent de hoofdgroepen grindasfaltbeton, steenslagasfaltbeton, open asfaltbeton, dicht asfaltbeton, zeer open asfaltbeton, steenmastiekasfalt, koud asfalt, gietasfalt en emulsieasfaltbeton. Deze hoofdgroepen kunnen worden onderverdeeld in asfaltsoorten op basis van de nominale gradering, bijvoorbeeld dicht asfaltbeton 0/11 of 0/16. Een nader onderscheid is mogelijk door te kijken naar verschillen in korrelverdeling en bitumengehalte, bijvoorbeeld steenmastiekasfalt 0/11 type 1 en type 2. De naamgeving is overigens in de loop van de tijd vervaagd. Oorspronkelijk is ‘beton’ een losgestorte hoop aggregaat, waarvan de zeefanalyse continu verdeeld is. Dat losse materiaal kan gebonden worden met een bindmiddel, in ons geval is dat asfalt. Asfalt is weer het Amerikaanse woord voor bitumen. Men kan dicht of open asfaltbeton hebben, natuurlijk in de variaties die boven beschreven zijn. Soms vindt men het echter nodig nader aan te geven welk soort aggregaat gebruikt is. Dan ontstaan aanduidingen als grind en steenslagasfaltbeton. In de naam is niet duidelijk of het een dicht of een open mengsel is. Uit deze alinea mag ook blijken dat de aanduiding zeer open asfalt beton niet correct is: het is geen beton, want de gradering is niet continu. Namen als steenmastiekasfalt en gietasfalt zijn weer wel ‘historisch’ correct. Qua toepassingsgebied worden in de Standaard alleen met name genoemd • de deklaag, • de profileerlaag, • de profileerdeklaag en • de bovenlaag. De nadere aanduiding van deze toepassingsgebieden is noodzakelijk in verband met aan deze benamingen gerelateerde bepalingen voor de ‘Kwaliteitsbeoordeling door de directie’. In de voorganger van de Standaard stonden soortgelijke asfalttypen vermeld. Daarbij stond ook informatie als: Dicht asfaltbeton 0/16 is bestemd voor deklagen met een nominale dikte van ten minste 40 mm. In de ‘Handleiding RAW systematiek’ wordt nog wel aangegeven voor welk toepassingsgebied bepaalde asfaltmengsels geschikt zijn. Dit zijn: Onderlaag, de onderste laag van een asfaltconstructie, die ook uit meerdere lagen kan bestaan: grindasfaltbeton en steenslagasfaltbeton; Tussenlaag, de asfaltlaag tussen onderen deklaag: open asfaltbeton 0/16 type 2 en 0/22; Deklaag, de asfaltlaag die langer dan een jaar aan verkeer en klimaat kan worden blootgesteld: dicht asfaltbeton, zeer open asfaltbeton, steenmastiekasfalt, koud asfalt, gietasfalt en emulsie-asfaltbeton;


2

Module 2

Profileerlagen, bedoeld om het gewenste profiel in langs- en dwarsrichting te verkrijgen: grindasfaltbeton, steenslagasfaltbeton en open asfaltbeton; Tijdelijke deklaag, een asfaltlaag die ten hoogste een jaar als deklaag dienst mag doen: open asfaltbeton 0/16 type 1 (verkeersklasse 2) en open asfaltbeton 0/16 type 3 (verkeersklassen 3, 4 en 5).

Overigens wordt –hopelijk ten overvloede- in de Handleiding ook opgemerkt dat de Standaard geen ontwerpvoorschrift is. Bij de ontwerper van de verhardingsconstructie en de ontwerper van asfaltmengsels wordt de nodige technologische kennis verondersteld. 2.2

Het ‘skelet’ van asfaltmengsels

De krachten die door het verkeer op het asfalt worden uitgeoefend dienen, zonder (permanente) vervorming, door het asfalt te worden gespreid over een groot oppervlak en zo aan de ondergrond doorgegeven. Daartoe dient het asfalt stijf te zijn. Omdat asfaltmengsels mengsels zijn van verschillende componenten is de stijfheid een resultante van de samenstellende delen. Onder druk zullen de aggregaten de spanningen doorgeven en spreiden. Tenminste als ze op hun plaats blijven. Een klein beetje beweging is altijd nodig om spanning door te geven; dan moet die beweging wel tot Figuur 2-1 : Lastspreiding via het skelet gevolg hebben dat een volgend aggregaatdeeltje gaat bewegen. Juist door dat oproepen van een volgende beweging ontstaat lastspreiding (figuur 2-1). Onder trek speelt uiteraard ook het bindmiddel een belangrijke rol. Het zal duidelijk zijn dat de hechting van het bindmiddel aan het aggregaat van groot belang is. De spanningen mogen niet tot te grote vervorming leiden. Asfaltmengsels ontlenen deze weerstand in hoge mate aan een ‘dragend’ korrelskelet. Van een dragend skelet is sprake als er voldoende contactpunten tussen de aggregaten zijn om de krachtlijnen door te voeren naar de ondergrond.

Figuur 2-2: Steenskelet


Figuur 2-3: Zandskelet

3

Module 2 Overmatige vervorming kan niet optreden als de aggregaten elkaar op de plaats houden. Er worden twee typen skeletten onderscheiden: steen- en zandskeletmengsels. Bij de steenskeletmengsels (figuur 2-2) worden de krachten overgebracht via de contactpunten van de stenen (diameter groter dan 2 mm). Bij de zandskeletmengsels (figuur 2-3) vormen de zandkorrels het dragende skelet. Het onderscheid tussen zand en steen is kunstmatig: het is alleen gebaseerd op grootte. Een skelet heeft ongevulde ruimten tussen de opbouwende delen. Het spreekt voor zich dat het skelet alleen dragend kan zijn als deze holle ruimten niet gevuld -en al helemaal niet overvuld- zijn met andere bouwstoffen. Die andere bouwstoffen kunnen zijn de mortel (bitumen met vulstof) of de mastiek (bitumen met vulstof en zand)1. Er zijn drie typen te onderscheiden: a) ondervulde mengsels; de holle ruimten in het skelet zijn niet volledig gevuld en staan in open verbinding met elkaar (figuur 24a, bijvoorbeeld open en zeer open asfaltbeton); b) gevulde mengsels; de holle ruimten van het skelet zijn vrijwel gevuld met mortel of mastiek, de resterende poriën staan niet in open verbinding met elkaar. Voorbeelden van gevulde mengsels zijn dicht asfaltbeton en steenmastiekasfalt. c) overvulde mengsels; bij dergelijke mengsels is er meer mortel aanwezig dan de holle ruimten tussen het grovere aggregaat kunnen bergen (figuur 2-4b). Het grovere aggregaat ‘drijft’ als het ware in de mortel. Een voorbeeld is gietasfalt. Dit type mengsels ontleent haar draagvermogen aan de stijfheid van de mortel. We spreken hier ook wel van ‘vulstofskeletmengsels’.

Figuur 2-4: Een ondervuld (a) en een overvuld mengsel (b). Vanwege de productie van asfaltmengsels wordt de samenstelling aangegeven in massaverhoudingen. Het blijkt hier hoe belangrijk de volumeverhoudingen zijn, deze geven immers de ruimtelijke opbouw aan. Voor mengsels die niet mogen vervormen dient overvulling te allen tijde te worden voorkomen.

1

In België wordt met mastiek het mengsel bitumen / vulstof bedoeld, terwijl het mengsel bitumen / vulstof / zand mortel genoemd wordt.


4

Module 2 In de weg zal door het verkeer het asfalt altijd enigszins worden naverdicht. Indien hierdoor het mengsel overvuld raakt, zal onherroepelijk spoorvorming optreden. Let wel: 2% naverdichting doet het volume van de holle ruimte mogelijk met 50% afnemen. Ook kan door verwarmen in de zomer ‘plotselinge’ overvulling optreden: De warmteuitzettingscoëfficiënt van bitumen is ongeveer drie maal zo groot als dat van steen. Bij een temperatuursverhoging van 20 naar 60°C kan dat 1% van de holle ruimte schelen. Dat is mogelijk 25 tot 50 % van het beschikbare volume! Overigens, te vroeg openstellen van de asfaltverharding kan ook gevaarlijk zijn vanwege het nog vrij grote volume van het bitumen (zeker als de aangebrachte laag wat dikker is). Men zou uit bovenstaande kunnen concluderen dat schrale mengsels dus ‘moeten’: er is dan immers geen spoorvorming te verwachten. Op zich is dat juist. Echter, te schrale deklaagmengsels zullen snel rafelen en steenverlies vertonen, te schrale onderlagen zullen gevoelig zijn voor vermoeiing. Ook zal het volume van het bitumen van grote invloed zijn op de scheurgroei. En wat te denken van de verwerkbaarheid? 2.3

Volumetrie van asfaltmengsels

2.3.1 Algemeen In de Standaard worden eisen gesteld aan het percentage holle ruimte (v/v) en de vullingsgraad. De holle ruimte is gedefinieerd als het percentage (ingesloten) lucht in een verdicht2 asfaltmengsel. Dit percentage wordt berekend uit de dichtheid proefstuk (dhp), het ‘volume gewicht’ en de dichtheid mengsel (dhm), het ‘soortelijk gewicht’ volgens:

HR =

dhm − dhp *100% dhm

(2-1)

De vullingsgraad is gedefinieerd als het percentage holle ruimte in het aggregaat (steen, zand en vulstof) dat gevuld is door bitumen (niet door mortel). Voor de bepaling van de vullingsgraad moet het aggregaat uiteraard wel volledig verdicht zijn. Gewoonlijk worden de volgende karakteristieken3 gebruikt: • ms, mz, mf, mb: massapercentages [% m/m] (steen, zand, vulstof (“filler”) en bitumen; • ds, dz, dd, db: dichtheid [kg/m3 ] (steen, zand, vulstof en bitumen); • dm: dichtheid mengsel [kg/m3 ] (mengsel zonder ingesloten lucht); • dp: dichtheid proefstuk [kg/m3 ] (verdicht asfalt inclusief holle ruimte); • HR: de holle ruimte in het proefstuk [% v/v] );

2

Te vaak wordt verondersteld dat de holle ruimte van een mengsel een maat is voor de verdichtingsgraad. Dat is natuurlik alleen waar als deze holle ruimte wordt afgemeten aan die waarde die het heeft bij een verdichtingsgraad van 100%. 3 Asfalt in de Wegen- en Waterbouw, VBW-Asfalt, Breukelen 1996


5

Module 2 • • • • •

HR’: de holle ruimte in het mineraal aggregaat [% v/v]; dit is het poriënvolume in het aggregaat zonder bitumen en heet ook wel VMA (Voids in Mineral Aggregate); HR’’ of VGR: de vullingsgraad van het verdichte asfalt [%]; het is het percentage van HR’ dat is gevuld met bitumen; B, F: het volume [% v/v] van het bitumen (B) respectievelijk vulstof (F), in het mengsel zonder holle ruimte; Vz, Vs: het volume [% v/v ] zand, respectievelijk steen, in het mengsel (zonder holle ruimte); F/B: de volumeverhouding van vulstof en bitumen.

In Nederland is het in de wegenbouw gebruikelijk om de totale hoeveelheid aggregaat (steen + zand + vulstof) op 100,0 % te stellen en het bitumen aan te geven als percentage “op”. Voor de berekening van volumeverhoudingen in een asfaltmengsel is het handiger met bitumen “in” te rekenen: ms + mz + mf + mb = 100 % (m/m)

(2-2)

De dichtheid van het mengsel dm is:

dm =

100 ms m z m f mb + + + ds dz d f db

(2-3)

De holle ruimte in het mineraal aggregaat HR’ is gelijk aan de holle ruimte in het proefstuk plus het volume aan bitumen:

HR ' = HR +

mb * dm db

(2-4)

De vullingsgraad HR’’ of VGR is het percentage van de holle ruimte in het mineraal aggregaat (HR’) dat gevuld is met bitumen:

mb * dm db VGR = 100 * HR '

(2-5)

De vullingsgraad heeft daarmee betrekking op het totale mengsel. Voor de vormstabiliteit van de mengsels is het belangrijk dat de vullingsgraad niet boven een maximum uitgaat. Dit maximum is voor de dichte mengsels voorgeschreven (90% voor dab / verkeersklasse 1 en 82 % voor dab verkeersklasse 4). De opbouw van een mengsel volgens de volumetrische benadering is gegeven in figuur 2-54. Voor de bouwstoffen steen, zand en vulstof zijn de volumina aangegeven die ingenomen worden door de vaste stof en door de 4

Voskuilen J. en Westera G.; A new mix design method based on a volumtric approach; 7th Conference on Asphalt Pavements for Southern Africa.


6

Module 2 holle ruimte van die bouwstof (HR). De holle ruimte in de steen (> 2mm) is, geheel of gedeeltelijk, gevuld met zand (< 2 mm en > 63 μm). De holle ruimte van het zand wordt door de aanwezigheid van de steen wat groter: elke steen is een rand voor het zandskelet. Vaak wordt dit opruiming genoemd (OP in figuur 2-5) en op 2% van het volume gesteld. De holle ruimte in het zand is, geheel of gedeeltelijk, gevuld met vulstof. De holle ruimte die in totaal overblijft wordt gedeeltelijk gevuld met bitumen. Duidelijk is dat de holle ruimte van het zand (inclusief Steen HR de opruiming) van groot HR OP Zand belang is om in het mengsel HR Vulstof nog holle ruimte over te Bitumen houden. HR in mengsel

Men kan uit figuur 2-5 aflezen dat het om een zandskeletmengsel gaat via de opmerking dat er binnen het zand holle ruimte overblijft die niet gevuld wordt met een ander aggregaat. Figuur 2-5: Volumetrische opbouw van zandskeletmengsels.

Indien de passing van bijvoorbeeld de vulstof in het HRm zandskelet verandert, zal de 37 % zand 35 holle ruimte die beschikbaar 7% vulstof 30 is voor het bindmiddel 30 afnemen. Die verandering 25 25 kan optreden als de herkomst 20 van het zand verandert –net 20 zand : 100 90 80 70 60 iets andere gradering of vorm- of als de vulstof Figuur 2-6: Holle ruimte in het zandverandert. In figuur 2-6 is een vulstof mengsel voor drie verschilvoorbeeld gegeven. In een lende vulstoffen en één zand. bepaald asfaltmengsel is 37% zand en 7% vulstof toegepast. Het mengsel zand / vulstof heeft dus 7/44 = 16% vulstof en 37/44 = 84% zand. Het gebruikte zand heeft een holle ruimte van 34 %. Door menging met een vulstof zal die afnemen. Totdat de vulstof niet meer past en er zowel opruiming optreedt als dat de holle ruimte van de vulstof bepalend wordt. In figuur 2-6 is het effect van drie verkrijgbare vulstoffen weergegeven, bij menging met een ‘gewoon’ Nederlands zand. De vulstoffen verschillen in hun gradering. Als men doseert in een vaste verhouding (bijvoorbeeld 37% zand en 7% vulstof) dan kan dit effect 3 tot 5 % zijn, dat wil zeggen 10 tot 17 % van de maximaal beschikbare holle ruimte. Of anders verwoord: het kan de beschikbare holle ruimte in het mengsel geheel teniet doen en direct leiden tot overvulling. 0

10

20

30

40 : vulstof HRm 35

Door Van Bochove5 is grafisch voorgesteld hoe de verschillende hoofdgroepen van de mengsels ten opzichte van elkaar liggen (figuur 2-7). In de grafiek staat op de horizontale as het volume van de mastiek en op de 5

G.G. van Bochove, Een methode voor het analyseren van asfaltmengsels, Heijmans Weg- en Waterbouw, Rosmalen 1987


7

Module 2 verticale as het bitumengehalte van de mastiek6 (massapercentage). Als er weinig mastiek in het mengsel is, zal er altijd wel een steenskelet ontstaan. De verticale balk geeft de overgang weer tussen steenskelet en zandskelet. De horizontale balk geeft de overgang weer tussen overvulde en ondervulde mastiek: als er teveel bitumen in de mastiek zit zal er geen zand- of vulstofskelet kunnen ontstaan. In de linker twee kwadranten liggen dus mengsels die vormstabiel zijn vanwege een steenskelet. In de onderste twee liggen Massa perc. bit. in mastiek de mengsels die dat 28 SMA zijn vanwege een zand 24 ZOAB (of vulstof) skelet. In 20 het kwadrant rechtsbomastiek asfalt 16 ven liggen de vorm12 instabiele mengsels: de OAB 8 mastiek is overvuld én DAB StAB 4 de mortel is overvuld. GAB Samenvattend: de 0 0 10 20 30 40 50 60 70 verticale balk geeft van Volume mastiek links naar rechts de Figuur 2-7: Volumetrische positionering overgang van steenvan de mengsels. naar zandskelet en de horizontale balk de overgang van zand/vulstof skelet naar overvulde mastiek. In figuur 2-7 worden verschillende typen mengsels gepositioneerd, zonder dat weergegeven wordt wat het gehalte aan vulstof is in de mastiek. Die varieert immers over de verschillende mengseltypen. Men dient deze figuur dan ook als hulpmiddel te zien, niet als absolute referentie. Duidelijk is dat dicht en open asfaltbeton en steenmastiekasfalt kritische mengsels zijn: er hoeft maar iets mis te gaan en het mengsel zal gevoelig zijn voor vervorming.

2.3.2 Rekenvoorbeeld In deze paragraaf wordt een voorbeeld gegeven van de berekening van het volumepercentage van de mastiek in een mengsel en van het massapercentage bitumen in de mastiek. De berekening wordt uitgevoerd aan de hand van de samenstelling van een oab 0/16 type 3. Vanzelfsprekend geldt dezelfde berekening -met andere getalswaarden- voor alle andere bitumineuze mengsels. In tabel 2-1 is de samenstelling van oab 0/16 type 3 gegeven.

6

De nuancering ‘fictief’ is hier weggelaten. Zie het originele artikel.


8

Module 2 Tabel 2-1 Samenstelling OAB 0/16 type 3 Op zeef C16 C11.2 C8 C 5.6 2 mm 63 μm Bitumen 'op' Totaal

% [m/m] 67.0 94.0 5.4 105.4

We blijven eerst in massaprocenten denken en zien dat het mengsel 67.0% steen bevat, 27% zand en 6% vulstof. Daar bovenop zit er nog 5.4% bitumen in. In totaal dus 105.4%. Om deze getallen terug te vertalen naar in totaal 100 % (inclusief bitumen), moeten ze vermenigvuldigd worden met 100/105.4 = 0.949. Zo ontstaat de tweede kolom in tabel 2-2, waarin de volumetrische samenstelling van het mengsel is gegeven. Tabel 2-2 Volumetrische samenstelling Bouwstof Steen Zand Vulstof Bitumen 'in' Totaal mastiek

Hoeveelheid [% m/m] 63.6 25.6 5.7 5.1 100 36.4

Hoeveelheid [liter] 236 95 22.8 50.0 403.8

Hoeveelheid [% v/v] 58.4 23.5 5.7 12.4 100 41.6

Allereerst merken we op dat het massapercentage bitumen in het mastiek bekend is: 5.1/36.4 = 14%. We rekenen nu de massapercentages om naar volumedelen. Dan is de soortelijke dichtheid van de componenten nodig. We nemen aan dat de soortelijke dichtheid van de steen en het zand 2700 kg/m3 is, voor de vulstof is het 2500 kg/m3 en voor het bitumen 1030 kg/m3. De steen en het zand nemen per gewichtseenheid minder ruimte in dan de vulstof en veel minder dan het bitumen. Dit wordt verrekend door de hoeveelheden van elke bouwstof te delen door hun soortelijke massa. Als we aannemen dat het totale mengsel 1000 kg weegt, dan is het volume steen 1000*0.636/2700 m3 = 236 liter. Het zand neemt 1000*0.256/2700 m3 = 95 liter. De vulstof neemt 1000*0.057/2500 m3 = 22.8 liter en het bitumen neemt 1000*0.051/1030 = 50.0 liter. Dit is kolom 3. Vervolgens moet de volumesamenstelling in totaal op 100 % uitkomen. Kolom drie moet dus vermenigvuldigd worden met 100/403.8 = 0.248. Het percentage mastiek is de som van de percentages voor zand, vulstof en bitumen: 41.6%


9

Module 2 De antwoorden zijn nu beschikbaar. Het volume van de mastiek in het mengsel is 41.6%. Het massa percentage bitumen in het mastiek is 5.1/36.4 = 14%. Door het mengsel te plaatsen in de grafiek blijkt dat het mengsel een overvuld steenskelet heeft (het moet zijn weerstand tegen spoorvorming dus halen uit het zandskelet) en dat de mastiek ook overvuld is. Met andere woorden: er is niet echt een mooi stabiel steenskelet. Dit mengsel is overigens wel duurzaam! 2.4

Volumetrische mengseltechnologie

Het is zeer interessant figuur 2-7 nader te beschouwen en na te gaan hoe gewenste eigenschappen verkregen kunnen worden.

2.4.1 Waterdichtheid Waterdichte mengsels dienen een holle ruimte te hebben die is opgebouwd uit zeer veel zeer kleine ruimtes (die niet onderling in verbinding staan). Dit betekent dat de steenfractie overvuld moet zijn. Eigenlijk moet ook de zandfractie overvuld zijn. Dan is immers de maximale grootte van de holle ruimte gelijk aan een fractie van de vulstofkorrels. Dit type mengsels ligt dus rechtsboven in de figuur. Indien er bovendien vormstabiliteit gevraagd wordt zal het mengsel richting het kwadrant rechts beneden verschuiven.

2.4.2

Vermoeiing

Hoewel vermoeiing later besproken wordt, dienen mengsels voldoende bitumen rijk te zijn om een goede weerstand tegen vermoeiing te hebben. Ook zal men ‘beweging’ binnen het mengsel willen toelaten. Mengsels die linksonder in de figuur liggen zullen een zeer geringe weerstand tegen vermoeiing hebben. Die rechtsboven liggen hebben de beste vermoeiingsweerstand. 2.5

Volumetrische controle van asfaltmengsels

2.5.1 Algemeen In de Standaard wordt in beperkte mate aandacht besteed aan het volumetrisch ontwerpen van asfaltmengsels. Het volstaat met het stellen van eisen aan de Marshalleigenschappen en aan de holle ruimte en de vullingsgraad. Een correctie voor de invloed van verschillen van dichtheden moet alleen worden doorgevoerd voor het bitumengehalte, tenminste indien de gewogen minerale dichtheid groter is dan 2700 kg/m3 of kleiner dan 2600 kg/m3 (proef 127). De Marshallontwerpmethode is bedoeld voor het verkrijgen van mengsels met een zo groot mogelijke dichtheid. Marshall ging er blijkbaar vanuit dat dichtere mengsels ‘beter’ zijn. In veel gevallen zijn ze dat ook, vaak ook niet (zoab). Hij wilde die hoogste dichtheid overigens bereiken door gebruik te maken van zo weinig mogelijk bitumen. Vandaar de korrelopbouw, waarvoor de Füller-kromme de bekende leidraad is.


10

Module 2 In de praktijk blijken mengsels die volgens deze methodiek zijn ontworpen in het algemeen7 redelijk te voldoen. Helaas blijkt ook regelmatig dat onverwacht spoorvorming optreedt. Dit vindt mogelijk zijn oorzaak in het feit dat de holle ruimte en de vullingsgraad wel een indruk geven van het totale volume aan poriën in een asfaltmengsel, maar ze geven geen informatie over de wijze waarop deze door het asfalt zijn verdeeld. Een volumetrische controle is gewenst, zo niet noodzakelijk, om ‘verrassingen’ zoveel mogelijk uit te sluiten. Naast het volumeverhoudingen is de korrelgrootte en -vorm van het grove en het fijne aggregaat zeer belangrijk voor de holle ruimte in het totale aggregaat. Een bekend voorbeeld is dat twee zandsoorten, die ieder een holle ruimte van 38% (v/v) hebben, gemengd een holle ruimte van slechts 32% bleken op te leveren (zie module 6). De korrelgrootten vulden elkaar kennelijk zo aan dat de ene in de holle ruimte van de andere paste. Natuurlijke variaties in korrelvorm en korrelgrootte kunnen van grote invloed zijn op de beschikbare holle ruimte. Uit figuur 2-7 blijkt hoe kritisch open asfaltbeton en steenmastiek asfalt zijn voor kleine veranderingen van het zandskelet. Immers, neemt de holle ruimte in dit skelet af en is de hoeveelheid mastiek onveranderd, dan is er grote kans op overvulling en daarmee op grote gevoeligheid voor vervorming.

2.5.2 De vullingsratio Goos en anderen8 hebben de term ‘berekende vullingsratio’ ingevoerd, die gelijk is aan de ‘vullingsratio + 1’. Beide controleren op de mogelijkheid een dragend steen- dan wel (zand)korrelskelet te ontwikkelen. Ze stellen daarbij dat, voor het tot stand komen van een dragend zandskelet, het volume van de vulstof en het bitumen samen moet passen in het door de (verdichte) zandfractie ter beschikking gestelde holle ruimte. Voor een dragend steenskelet moet het volume van de vulstof plus bitumen (plus afdruipremmer) passen in de holle ruimte van de combinatie van het verdichte steen - zand. Het begrip is dus net wat anders dan het begrip vullingsgraad. Bij de vullingsgraad gaat het om de vulling van de totale holle ruimte in het verdichte minerale mengsel, bij de vullingsratio gaat het om de hoeveelheid mortel in het zandskelet of om de hoeveelheid mastiek in het steenskelet. Voor een zandskeletmengsel is de berekende vullingsratio gelijk aan het quotiënt van het volume van (bitumen + vulstof + eventuele afdruipremmer) en de holle ruimte in zandskelet. In formulevorm:

7

In het algemeen betekent ‘de bulk’, zoals dat op een commodity markt geleverd wordt. Specialere toepassingen of bijzondere verhardingen (bedrijfsterreinen, terminals, opritten) vragen een meer geavanceerde aanpak. 8 D. Goos, A. Houtepen, P. Landa, F. Ysewijn; Beheersen van volumetrische samenstelling tijdens ontwerp en productie; Wegbouwkundige Werkdagen 1996.


11

Module 2

VR = waarin:

Vmortel HRs − z

(2-6)

VR: de berekende vullingsratio [-] V mortel: het volume van de mortel [%v/v] HRs-z: de holle ruimte in het steen – zandskelet [%v/v]9.

Als de berekende vullingsratio betrekking heeft op een steenskelet mengsel dient de holle ruimte in het steenskelet genomen te worden. De holle ruimte in het steen – zand skelet wordt gegeven door:

HRs − z = waarin

m zand * HR zand + 0,02 * m steen (100 − HR zand ) * ρ zand

(2-7)

mzand: de massa van het zand [% m/m] HRzand: de holle ruimte van het verdichte zand alleen [% v/v] msteen: de massa van het steen [% m/m] ρzand: de specifieke dichtheid van het zand [kg/m3]

De holle ruimte van het verdichte zand (HRzand) wordt bepaald met de stampvolumemeter van Engelsmann (proef 112 van de Standaard). Door de interactie tussen zanden steenfractie ontstaat een ‘opruimend effect’ bij zandskeletmengsels op de holle ruimte van het zand/steenskelet. Dit effect, het bruto volume van het zand, wordt gesteld op 2% van het massapercentage steen10. Voor de vorming van een ‘dragend’ zandskelet voor zandskeletmengsels moet de berekende vullingsratio kleiner dan 1,00 tot 1,10 zijn. Bij steenskeletmengsels is de ‘vullingsratio’:

volume(mortel + afdruipremmer ) − HRsteen / zandskelet HRsteen / zandskelet

(2-8)

Voor de vorming van een ‘dragend’ steenskelet dient de berekende vullingsratio kleiner dan 1,00 te zijn.

9

Het steen – zandskelet is in feite een zandskelet, waarin zich stenen bevinden; de stenen zijn een soort versnijding van het zand.

10

P. Verbert, Invloed van de vullingsgraad op de weerstand tegen het vervormen van asfaltmengsels (zandskeletmengsels), Bitumeninfo 37/1979


12

Module 3


MODULE 3: MECHANICA VAN DE VERHARDING

1

MECHANICA VAN DE VERHARDING..................................................................2 1.1 KARAKTERISTIEKE VERHARDINGSCONSTRUCTIES ....................................................2 1.1.1 Voet- en fietspaden ....................................................................................2 1.1.2 Wegen van de eerste en de tweede orde ..................................................2 1.2 BEDRIJFSVERHARDINGEN EN OPSLAGTERREINEN ....................................................2 1.3 STARTBANEN EN OPSTELPLATFORMS .....................................................................3

2

VERKEERSBELASTING .......................................................................................3 2.1 AS- EN WIELLAST ..................................................................................................3 2.2 AS- EN WIELCONFIGURATIE ....................................................................................3 2.3 BANDENSPANNING EN CONTACTSPANNING .............................................................4 2.3.1 Verticale belastingen ..................................................................................4 2.4 HERHAALDE, STATISCHE EN DYNAMISCHE BELASTING..............................................6

3

KLIMAAT EN OMGEVING.....................................................................................6 3.1 3.2 3.3 3.4

4

SPANNINGEN, REKKEN EN ELASTISCHE VERVORMINGEN..........................8 4.1 4.2 4.3 4.4

5

TEMPERATUUR .....................................................................................................6 TEMPERATUURVARIATIES ......................................................................................7 VOCHT .................................................................................................................8 BEGROEIING .........................................................................................................8 SPANNINGSVERDELING..........................................................................................8 REKVERDELING .....................................................................................................9 ELASTISCHE VERVORMING ...................................................................................10 HET BELANG VAN GOEDE HECHTING .....................................................................11

ANALYTISCHE BENADERING..........................................................................11 5.1 LASTSPREIDING VOLGENS BOUSSINESQ ...............................................................11 5.2 LAAGEQUIVALENTIE VOLGENS ODEMARK ..............................................................13 5.3 BUIG- EN SCHUIFSPANNINGEN..............................................................................14

6

COMPUTERPROGRAMMA'S .............................................................................15 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5

7

DE INVOERGEGEVENS .........................................................................................15 DE GESCHEMATISEERDE BELASTING ....................................................................16 DE DIKTE VAN DE LAGEN ......................................................................................16 DE MATERIAALEIGENSCHAPPEN ...........................................................................16 DE MATE VAN HECHTING ......................................................................................17

DE STANDAARDASLAST ..................................................................................17


1

Module 3

1

Mechanica van de verharding

1.1

Karakteristieke verhardingsconstructies

Verhardingsconstructies worden ingedeeld naar het type belasting waarvoor ze ontworpen zijn. Voor elke verhardingen is aan te geven welke belasting te verwachten is en waarop de constructie gedimensioneerd dient te worden. Het maakt een groot verschil of de belasting op de constructie overwegend een statische belasting is, zoals bij parkeerterreinen of opslagterreinen, of dat de belasting overwegend cyclisch van aard is zoals het geval is op autosnelwegen. Met name op grond van het type belasting zal men moeten komen tot een verantwoorde constructie. Het is duidelijk dat naarmate de belasting groter is de optredende spanningen in de weg groter worden. Ook de rijsnelheid –daarmee de belastingstijd- is van invloed. Zo is door het visco-elastische gedrag van asfalt de stijfheid afhankelijk van de belastingstijd. De optredende spanningen in de constructie worden hierdoor weer beïnvloed. Een ander effect is dat een bepaald type spoorvorming in asfalt toeneemt wanneer de rijsnelheid lager is. De constructielagen onder de asfaltverharding zijn natuurlijk van groot belang voor het gedrag van de constructie. In deze cursus zal de technologie van ondergrondverbetering, van materiaalkeuze en funderingstechnieken slechts zijdelings behandeld worden.

1.1.1

Voet- en fietspaden

Deze verhardingsconstructies worden niet alleen belast door voetgangers of (brom)fietsers maar zo nu en dan ook door zwaardere voertuigen: grasmaaimachines (op kleine banden), auto's van hulpdiensten, vrachtwagens en personenauto's of motoren.

1.1.2 Wegen van de eerste en de tweede orde Deze hoofdaders van het wegennet kenmerken zich door de grote verkeersintensiteit en het hoge percentage zware vrachtauto's.

1.2

Bedrijfsverhardingen en opslagterreinen

Hier komt eigenlijk uitsluitend langzaam rijdend en stilstaand verkeer voor, waaronder voertuigen als vorkheftrucks. Factoren als massieve rubber wielen (hoge contactspanningen) en manoeuvrerende vrachtwagens (wringing) spelen een rol. Als bijzonderheid kan genoemd worden de zich automatisch voortbewegende transportmiddelen (AGV - Automatic Guided Vehicles) op Asfaltkunde, module 3, maart 2006

2

Module 3

containerterminals. Deze voertuigen rijden in het algemeen precies volgens dezelfde lijn, zodat spoorvorming zich snel kan ontwikkelen. Een veel voorkomende belasting is die van de opslag van goederen in stellingen of containers, met hoge contactspanningen die bovendien langdurig aanwezig zijn. 1.3

Startbanen en opstelplatforms

Deze constructies worden blootgesteld aan bijzonder hoge wielbelastingen in een geheel eigen configuratie. De duur van de belasting varieert sterk, waardoor de gestelde eisen nogal uiteen lopen. Uit het oogpunt van duurzaamheid worden bovendien aanvullende eisen aan de verharding gesteld, zoals bestand zijn tegen kerosine. 2

Verkeersbelasting

Bij verkeersbelasting moet niet alleen gedacht worden aan rijdend verkeer, ook stilstaande belasting behoort ertoe. Een bijzondere belasting zijn opgeslagen goederen, al dan niet in containers. In het onderstaande wordt de nadruk gelegd op de door vrachtwagens uitgeoefende belasting. Daar waar relevant zullen stilstaande belastingen in de bespreking betrokken worden. 2.1

As- en wiellast

De belasting wordt in de eerste plaats bepaald door de grootte van de aslast. Deze is afhankelijk van het totaalgewicht van een vrachtwagen(combinatie) en de verdeling van het gewicht over de assen. De wettelijk toegestane maximale aslast bedraagt in Nederland 11.500 kg (115 kN, 11,5 ton) voor een aangedreven as en 10.000 kg (100 kN) voor een niet-aangedreven as. Dit betekent niet dat in de dagelijkse praktijk hogere aslasten niet voorkomen! Door meerdere assen tot een asstel te combineren kan het laadvermogen van een vrachtwagen(combinatie) worden vergroot. De wiellast zal de helft of een kwart van de aslast zijn: dit is uiteraard direct verbonden met de wielconfiguratie op de betreffende as. Het maximale bruto voertuiggewicht is gesteld op 50.000 kg. Dit gewicht wordt overigens meer bepaald door de verkeersveiligheid dan door de wegbouwkunde. Het is niet eenvoudig een massa van (meer dan) 50 ton met een snelheid van 90 km/uur tot stilstand te brengen. 2.2

As- en wielconfiguratie

Voor de optredende spanningen en rekken in de wegconstructie is de onderlinge afstand van de assen van belang, alsmede het type band. Vaak worden meer assen achter elkaar geplaatst om het totale laadvermogen te vergroten en de last op de weg te spreiden. Wanneer een asstel bestaat uit


3

Module 3

twee assen wordt gesproken van een tandem. Als drie assen gegroepeerd zijn wordt gesproken van een tridem. Per wiel kan nog onderscheid gemaakt worden tussen een enkele standaard band, een dubbele montage (dubbellucht) of een "super single" (breedband). Dit type band vervangt de combinatie van twee naast elkaar gemonteerde banden. De afgelopen jaren is het gebruik ervan sterk toegenomen. De meest recente ontwikkeling is overigens die van hoge druk banden. Deze banden hebben een contactoppervlak ongeveer gelijk aan dat van een standaardband, maar ze kunnen de last van een breedband dragen. 2.3

Bandenspanning en contactspanning

Er worden twee belastingsvormen onderscheiden: horizontale en verticale. De verticale belasting resulteert in het ontwerp van de verhardingsconstructie (opbouw en materiaalkeuzes). De horizontale belasting moet worden opgevangen door de mengsels die dicht aan het verhardingsoppervlak liggen.

2.3.1 Verticale belastingen De belasting die door een vrachtwagenwiel op de wegconstructie wordt overgedragen is verdeeld over het contactoppervlak tussen de band en de weg. De grootte van dit oppervlak wordt bepaald door de wiellast en de bandenspanning. Een relatie tussen de twee wordt gegeven door: σ=F/A waarbij:

σ: F: A:

de contactspanning [MPa] de wiellast [N] het contactoppervlak [mm2]

2 MPa

Voorzijde Achterzijde

Breedte

band

Figuur 3-1a: Verdeling van verticale spanning onder vrachtwagenband


Voor de eenvoud wordt verondersteld dat het contactoppervlak cirkelvormig is. Dit betekent dat A = πr2, waarbij r de straal is van het oppervlak. De contactspanning wordt gelijk genomen aan de bandenspanning. Dit mag alleen als de band niet teveel gewapend is. Als bij gelijkblijvende wielbelasting de bandenspanning verhoogd wordt, wordt het contactoppervlak kleiner. Met name voor de bovenste lagen zijn de details van de verdeling van de spanning over het contactoppervlak van belang. Dieper

4

Module 3

in de constructie is dat veel minder: op grotere afstand ziet men geen details meer1. In figuur 3-1a is de verdeling gegeven van de verticale spanning, zoals die gemeten is aan een vrachtwagenband2 die langzaam rijdt (0.3 m/s). Duidelijk zijn de twee randen te zien, die een gevolg zijn de wapening van de band. Men kan zeggen dat de band op twee schaatsen staat! Vanzelfsprekend is het voor het oppervlak van de weg een flinke aanname te stellen dat de contactspanning overal gelijk is. 0.4 MPa

Voorzijde Achterzijde

ba n Breedte

d

Figuur 3-1b: Verdeling van een horizontale (schuif)spanning onder een vrachtwagenband

Een langzaam rijdend wiel genereert, dankzij de vervorming die optreedt bij het maken van het contact met het wegdek, schuifspanningen aan het oppervlak. De vorm daarvan is vrij grillig, zoals blijkt uit figuur 3-1b. De precieze vorm hangt sterk af van de vorm van de buitenkant van de band, van de wapening van de band, de bandenspanning en de wiellast.

Naast deze belastingen zijn er nog andere: optrekken en afremmen, zijwind en ten gevolge van de verkanting van de weg. Ook deze belasting wordt naar het wegoppervlak overgedragen door wrijving tussen band en wegdek. Ook bij het rijden van krappe bogen ontstaan schuifkrachten aan het oppervlak. Al deze belastingen worden naar het wegoppervlak overgedragen door wrijving tussen band en wegdek.

Figuur 3-2a: Inward shear Figuur 3-2a: Inward shear

Figuur 3-2b: Outward shear Figuur 3-2b: Outward shear

Tenslotte wordt opgemerkt dat, vooral voor ongewapende banden, er nog een fenomeen is. Afhankelijk van de mate waarin de band gewapend en opgepompt is en van de grootte van de wielbelasting zal het gedeelte van de 1 2

Het principe van Saint-Venant J. Groenendijk, Proefschrift Technische Universiteit Delft.


5

Module 3

band dat contact met het wegdek maakt uitzetten of krimpen. Zo ontstaat er inward (figuur 3-2a) en outward shear (figuur 3-2b). Al deze schuifspanningen kunnen leiden tot versnelde rafeling of tot oppervlaktescheuren. 2.4

Herhaalde, statische en dynamische belasting

Een verharding wordt door rijdend verkeer herhaaldelijk belast door de passerende voertuigen. Deze belasting zorgt voor steeds wisselende spanningstoestanden in het materiaal waardoor op den duur vermoeiing kan optreden. Bovendien kan de belasting van plek tot plek verschillen als gevolg van onvlakheid. Hierdoor ontstaan dynamische effecten. Zowel het aantal lastherhalingen als de tijdsduur van de belasting zijn van invloed op het mechanische gedrag van bitumineuze mengsels. Een extreem geval van statische belasting vormt de geconcentreerde belasting bij de opslag van goederen. De spanningen onder de steunpunten van stellingen en (opgestapelde) containers zijn groot en langdurig aanwezig. Als er geen voorziening voor getroffen wordt, geeft deze vorm van belasting aanleiding tot kruip, wat een in de tijd oplopende vervorming is. 3

Klimaat en omgeving

De temperatuur is belangrijk voor het mechanische gedrag van asfaltmengsels: spoorvorming treedt makkelijker op bij hoge temperaturen en dwarsscheuren bij (zeer) lage. Voor open mengsels is ook regen van belang (stripping). Behalve deze zijn er nog andere natuurlijke invloeden, zoals die van begroeiing. 3.1

Temperatuur

De temperatuur beïnvloedt in hoge mate het mechanisch gedrag van asfalt. Zo is de stijfheid van asfalt bij lage temperaturen hoog: het gedrag gaat steeds meer op dat van beton lijken. Stijf materiaal is goed in staat om de belastingen te spreiden. De onderliggende lagen worden dan minder belast, maar de spanningen in het asfalt zelf lopen op. Mogelijk overschrijdt de optredende spanning zelfs de sterkte van het asfalt. Scheurvorming is het gevolg. In figuur 3-3a3 is een grafiek gegeven waarin de treksterkte van een asfaltmengsel staat, tezamen met de temperatuurspanning, als functie van de temperatuur. De temperatuurspanning is een direct gevolg van het feit dat een materiaal wil krimpen als het afkoelt, maar niet kan: de weg blijft even lang. Bij een zekere lage temperatuur is de treksterkte te klein om de spanning te 3

Arand W.; Kälteverhalten von Asphalt; Teil 1 und 2; Die Asphaltstrasse – Das stationäre Mischwerk 21 (1987) 3, 5 – 16 und 4, 7 - 20


6

Module 3

kunnen weerstaan: breuk is het gevolg. Bij de hogere temperaturen is er een spanningsruimte tussen de temperatuurspanning en de treksterkte. Deze spanningsruimte wordt ook wel reservespanning genoemd (figuur 3-3b). Bij voorkeur is deze reservespanning groot.

Spanning [MPa]

Spanning [MPa]

6

6

4

4

2

2

0 -40

0 -40

-20

0

20

Temperatuur [0C] Figuur 3-3a: Treksterkte en temperatuurspanning in een mengsel, als functie van de temperatuur

-20

0

20

Temperatuur [0C] Figuur 3-3b: Reservespanning als functie van de temperatuur

Bij hoge temperaturen neemt de stijfheid af. Dit gaat gepaard met een meer visceus / visco-elastisch gedrag. Als gevolg hiervan is de belastingsspreiding veel minder en worden de onderliggende lagen zwaarder aangesproken, terwijl de spanningen in het asfalt geringer zijn. Dit wil echter niet zeggen dat scheurvorming door overbelasting niet kan optreden. Immers ook de sterkte van het asfalt neemt af met stijgende temperatuur. De verticale spanning direct onder het wiel is overigens in beide gevallen gelijk: de belasting hangt niet af van de temperatuur. Een tweede aspect is de optredende permanente vervorming (spoorvorming): bij hogere temperaturen zal deze zich veel sneller ontwikkelen. 3.2

Temperatuurvariaties

Zoals bij vele composiet materialen, leiden temperatuurvariaties bij asfalt mengsels tot spanningen in het materiaal. Wanneer het materiaal vrij zou kunnen vervormen leidt een temperatuurverhoging tot verlenging en temperatuurverlaging tot verkorting. Volledig vrije vervorming kan in de praktijk echter nooit optreden. Als lagen aan elkaar gehecht zijn en er een verschil is in uitzetting ten gevolge van temperatuurveranderingen, dan zal er spanning tussen de lagen ontstaan. Dit kan in principe tot onthechting van de lagen leiden. In de Nederlandse praktijk valt dit effect mee. Overigens is het viskeuze karakter van asfalt hier een voordeel omdat de spanningen altijd zullen wegrelaxeren.


7

Module 3

3.3

Vocht

De hechting (bindmiddel – aggregaat) zal onder invloed van vocht op de lange duur achteruit gaan. Het mechanisch gedrag wordt niet van het ene op het andere moment beïnvloed. Deze hechting (bindmiddel – aggregaat) wordt in een later hoofdstuk besproken. Indirect is water wel belangrijk voor het draagvermogen van de weg. Dit omdat de materialen die onder het asfalt toegepast zijn er meestal wel gevoelig voor zijn. Zo hangt de stijfheid van die materialen in veel gevallen af van het heersende vochtgehalte. Via de stijfheid wordt de spanningsverdeling binnen en over de verschillende lagen beïnvloed. 3.4

Begroeiing

Bomen langs de kant van de weg kunnen de verharding mechanisch belasten: wortelgroei. Dit is een langzaam proces, maar krachtig genoeg om te leiden tot scheurvorming en onvlakheid. Dit proces kan worden tegengegaan door zorg te dragen voor een luchtdoorlatende verharding boven de wortelgroei – of door de keuze van een soort bomen dat dit gedrag niet heeft. Ook kan door de bomen zoveel water aan een weglichaam worden onttrokken dat er lokaal krimp ontstaat in het weglichaam waardoor ook schade aan het asfalt wordt toegebracht. 4

Spanningen, rekken en elastische vervormingen

Om inzicht te verschaffen in de spanningen, rekken en vervormingen die optreden in een wegconstructie wordt hier de analogie gebruikt die er is tussen een weg enerzijds en een balk op twee steunpunten anderzijds. In beide gevallen wordt de belasting door een stijf element overgebracht naar een ondersteuning. Bij de wegconstructie bestaat de ondersteuning uit (funderings)lagen die het asfalt verend ondersteunen. De stijfheid van deze lagen is meestal een stuk lager dan die van asfalt. Bij de balk wordt de belasting afgedragen naar de twee steunpunten. Het verbaast niet dat de spannings- en rekverdelingen in de weg en de balk sterk op elkaar lijken. 4.1

Spanningsverdeling

De optredende spanningen in de asfaltlaag worden bepaald door de stijfheidsverhouding van de verschillende lagen, de dikten van de lagen en door de mate van hechting tussen de lagen. De verticale spanningen zullen als gevolg van lastspreiding door de asfaltlaag afnemen met de diepte. Naarmate de asfaltlaag stijver is (lage temperaturen) zal de lastspreiding toenemen en nemen de verticale spanningen sterker af met toenemende diepte. De verticale spanningen zijn uiteraard drukspanningen.


8

Module 3

Onder belasting zal de asfaltlaag hol gebogen worden. Hierbij zullen aan de bovenzijde van het asfalt drukspanningen ontstaan en aan de onderzijde trekspanningen. Deze spanningen zijn horizontaal. Omdat ver weg van het wiel het oppervlak weer horizontaal zal lopen, zal er naast het wiel ook een bolle kromming ontstaan. Het verloop van de horizontale spanning onder het hart van contactoppervlak is schematisch weergegeven in figuur 3.4. Het vlak waar de (horizontale) spanningen nul zijn, wordt aangeduid als het ‘neutrale vlak’. drukspanningen

trekspanningen

Figuur 3-4: Verdeling van horizontale spanning in een belaste asfaltlaag

σ max = waarin:

M W

De grootte van de maximaal optredende spanning is voor een belangrijk deel afhankelijk van de gekozen laagdikte van het asfalt. In de balk-analogie is dit de hoogte van de balk. Voor de maximale horizontale spanning σmax in een rechthoekige balk geldt:

(3-1)

M: buigend moment [Nm] W: weerstandsmoment van de balk [m3]

Het weerstandsmoment W van een rechthoekige balk is:

1 W = bh 2 6

(3-2)

waarin: b: breedte van de balk [m] h: hoogte van de balk [m] De invloed van de hoogte op de optredende horizontale spanningen in de balk is dus groot. Dit zal bij de asfaltlaag ook het geval zijn: de spanningen nemen meer dan recht evenredig af met toenemende laagdikte. 4.2

Rekverdeling

De optredende rekken hangen direct samen met de spanningen. Ze zijn aan elkaar gerelateerd door de elasticiteitsmodulus. In zijn een-dimensionale vorm is de relatie tussen spanning en rek:


9

Module 3

ε= met:

σ

(3-3)

E

ε: rek [m/m] σ: spanning [Pa] E: elasticiteitsmodulus [Pa]

Het lineaire verband tussen spanning en rek geldt voor slanke elementen als een balk; voor een asfaltlaag is de relatie complexer. In dat geval hangt de rek af van de spanningstoestand in drie richtingen. Omwille van de eenvoud wordt daar aan voorbijgegaan. 4.3

Elastische vervorming

De optredende elastische vervormingen hangen af van de maximale rek en van de dikte van de asfaltlaag. Vervorming is de sommatie van de rek over de afstand. Voor een balk op twee steunpunten, belast door een puntlast, geldt voor de zakking in het midden:

w= waarin w: P: l: E: I:

1 Pl 3 48 EI

(3-4)

zakking t.p.v. het midden [m] lastgrootte [N] overspanning [m] elasticiteitsmodulus [Pa] traagheidsmoment van de balk [m4]

Het traagheidsmoment I is gedefinieerd als:

I=

1 3 bh 12

(3-5)

waarin b: breedte van de balk [m] h: hoogte van de balk [m] asfalt fundering ondergrond

Figuur 3-5 Elastische vervorming onder wielbelasting

De vervorming wordt dus in zeer sterke mate bepaald door de grootheid EI. Dit is de stijfheid van de balk (hier is de balk een constructie, niet een materiaal). Bij een asfaltlaag is dit net zo: de stijfheid van de asfaltlaag wordt ongeveer bepaald door een factor Eh3.

Figuur 3-5 illustreert de elastische vervorming van de wegconstructie onder wielbelasting. Asfaltkunde, module 3, maart 2006

10

Module 3

Overigens suggereert de analogie van de balk dat de zakking evenredig is met de belasting P en omgekeerd evenredig met de stijfheid E (of Smix) en omgekeerd evenredig met de derde macht van de hoogte h.

4.4

Het belang van goede hechting

Duidelijk zal zijn dat hechting tussen de lagen een belangrijke rol speelt. Hechting betekent dat de lagen in mechanische zin samenwerken: twee op elkaar gelijmde planken leveren een stijver geheel dan twee losliggende en over elkaar heen schuivende planken. In termen van het traagheidsmoment I: Als de planken volledig verlijmd zijn wordt de nieuwe hoogte van de balk 2*h, wat betekent dat het traagheidsmoment 23=8 keer groter wordt. Liggen de planken los dan liggen er eigenlijk twee balkjes op elkaar: het traagheidsmoment wordt dan 2 keer zo groot. Verlijmen –hechting- resulteert dus in een veel langere levensduur. 5 5.1

Analytische benadering Lastspreiding volgens Boussinesq

In 1885 formuleerde Boussinesq vergelijkingen voor het berekenen van spanningen, rekken en verplaatsingen in een homogene isotrope lineair elastische halfruimte onder een puntlast. Vrij vertaald betekent dit het volgende. Uitgangspunt is een oneindig groot vlak, aan de ene kant van dit vlak bevindt zich materiaal aan de andere kant van dit vlak is geen materiaal aanwezig (halfruimte). Het materiaal gedraagt zich overal hetzelfde (homogeen) en gedraagt zich in alle richtingen gelijk (isotroop). Het materiaal vertoont een vaste relatie tussen rek en spanning (is lineair elastisch en laat zich dus beschrijven door E en ν). De vergelijkingen van Boussinesq geven inzicht in de spanningen, rekken en verplaatsingen die in het materiaal optreden wanneer het oneindig grote scheidingsvlak ergens wordt belast door een puntlast loodrecht op dit vlak. De oplossing van Boussinesq is vandaag de dag nog even geldig als ruim 100 jaar geleden. Wegen worden helaas niet belast door puntlasten maar door meer gelijkmatig verdeelde belastingen. Gelukkig kunnen de vergelijkingen van Boussinesq worden geïntegreerd over een cirkel-vormig oppervlak voor de situatie dat men recht onder dit oppervlak kijkt (r=0). Duidelijk zal zijn dat een gelijkmatige belasting op een cirkel-vormig oppervlak al veel meer overeenkomt met een wiellast. Recht onder het wiel resulteren de vergelijkingen van Boussinesq na integratie in het volgende.

σ z = p (1 − sin 3 α )


(3-6)

11

Module 3

σx = uz =

[

]

(

) [2(1 − υ ) − (1 − υ − 2υ )sin α − (1 + υ )sin α ]

p 1 + 2υ − 2(1 + υ ) sin α + sin 3 α 2

p 2 a + z2 E

1

2

2

(3-7)

2

2

(3-8)

Waarin: σz : verticale spanning [MPa] horizontale spanning [MPa] σx: uz : zakking [mm] a: straal lastoppervlak [mm] p: contactspanning [MPa] z: diepte [mm] E: stijfheid van het materiaal in de halfruimte [MPa] ν: dwarscontractiecoëfficiënt a a Zie tevens bijgaande figuur 3-6.

Diepte [mm]

Wanneer de vergelijkingen van Boussinesq worden bezien valt op dat σz α niet afhankelijk is van E en/of ν. Dit betekent dat het verloop van σz niet afhankelijk is van het materiaal in de z halfruimte. Het verloop van de horizontale spanning en σx blijkt afhankelijk van de dwarscontractie-coëfficiënt ν van het σz materiaal. De stijfheid E is niet van σx invloed op het verloop van σx. Figuur 3-7 geeft het verloop van σz en σx volgens Boussinesq voor een Figuur 3-6: Schematisering halfruimte belast door een 50 kN last volgens Boussinesq op een lastoppervlak met een straal van 150 mm. Gegeven is het spanning [MPa] verloop over de -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 eerste meter onder 0 de last. De horizontale span250 ningen zijn bepaald uitgaande van een 500 sz dwarscontractiecoëff sx iciënt van 0,35. 750 1000

Figuur 3-7: Boussinesq

Spanningsverloop


volgens

12

Module 3

Op basis van de theorie van Boussinesq kan worden afgeleid dat lastspreiding plaatsvindt onder een hoek van ca. 55 0. Om aan de veilige klant te blijven, en om de zaken niet moeilijker te maken dan ze zijn, wordt in de praktijk vaak een hoek van 450 aangehouden. 5.2

Laagequivalentie volgens Odemark

De theorie van Boussinesq, hoe mooi die ook mag zijn, is niet toepasbaar op wegen. Wegen bestaan immers uit verschillende lagen, waarvan de stijfheid over het algemeen afneemt met de diepte. Om dit probleem op te lossen hebben Odemark en Ivanov laagequivalentie theorieën ontwikkeld. Uitgangspunt bij is dat een laag met een dikte h1 en een stijfheid E1 wordt vertaald naar een laag met een dikte h2 en een stijfheid E2. Bij deze vertaling wordt de buigstijfheid, die afhankelijk is van E.h3, van de twee lagen gelijk gehouden. De door Odemark opgestelde vergelijkingen resulteren bij een gelijke dwarscontractiecoëfficiënt in alle lagen in de volgende vergelijking.

⎡E ⎤ he = f * h1 * ⎢ 1 ⎥ ⎣ E2 ⎦

1 3

(3-9)

Waarin: equivalente laagdikte van de bovenste laag 1 [mm] he: h1: werkelijke laagdikte van de bovenste laag [mm] E1: stijfheid van de bovenste laag [MPa] E2: stijfheid van de onderste laag [MPa] f: = 0,9 voor tweelagen systeem [-] = 0,8 voor meerlagen systeem behalve voor eerste scheidingsvlak [-] = 1,0 voor eerste scheidingsvlak in meerlagen systeem [-] Odemark vertaalt aldus alle bovenste lagen naar hun equivalent met een stijfheid gelijk aan die van de onderste laag. Met Odemark wordt het mogelijk meer inzicht te krijgen in het gedrag van wegen. Hierna volgt een voorbeeld. Tabel 3-1: Materiaal Asfalt Granulaat Zand Ondergrond

Laag equivalentie volgens Odemark Verharding E [MPa] 4000 500 100 40

h [mm] 120 250 500 oneindig

Equivalente lagen Ee [MPa] he [mm] 40 557 40 464 40 543 40 oneindig

Volgens Odemark zijn de spanningen onder een (120+250+500) 870 mm dikke verharding zoals omschreven gelijk aan de spanningen die optreden op een diepte van (557+464+543) 1567 mm wanneer geen verharding aanwezig is. Uitgaande van een hoek van lastspreiding van 450 wordt nu het volgende beeld verkregen. Asfaltkunde, module 3, maart 2006

13

Module 3

E= 4000 MPa E= 40 MPa

Asfalt

E= 40 MPa

Fundering

E= 40 MPa

Zand

E= 40 MPa

Ondergrond

E= 500 MPa E= 100 MPa

E= 40 MPa

Figuur 3-8: Lastspreiding in een systeem met stijve lagen hoog in de constructie In de bovenstaande figuur is geeft het linker deel lastspreiding onder 450 weer. Van de verschillende lagen is de equivalente laagdikte aangegeven. In het rechter deel van de figuur is op basis van de equivalente laagdikte de werkelijke lastspreiding weergegeven. De figuur geeft duidelijk aan dat de meest stijve lagen sterk bijdragen aan de lastspreiding van de totale verhardingsconstructie. Hierbij wordt opgemerkt dat niet de absolute stijfheid van een laag bepaald hoeveel lastspreding deze laag geeft. De theorie van Ivanof geeft duidelijk aan dat relatieve stijfheden van belang zijn. Verhogen we in het voorgaande voorbeeld alle stijfheden met een factor 100 dan blijft de lastspreiding gelijk. 5.3

Buig- en schuifspanningen

In het voorgaande voorbeeld is duidelijk geworden dat de meest stijve lagen in een verharding de sterkste bijdrage leveren aan lastspreiding. De hoek waarin lastspreiding in deze lagen plaatsvindt is hierdoor veel groter dan 450. Als we bijvoorbeeld de asfaltlaag uit het voorgaande voorbeeld Figuur 3-9: Lastspreiding in een stijve laag. bekijken zien we het beeld in figuur 3-9. Wanneer we een doorsnede vlak naast de last bekijken ontdekken we dat lastspreiding resulteert in buigspanningen (trek en druk) en schuifspanningen. De buigspanningen geven boven in de laag druk en onder in de laag trek. De schuifspaningen willen als het ware het belaste gebied van de asfaltlaag de fundering in ponsen. De grootte van de optredende schuif-en buigspanningen zijn o.a. afhankelijk van de lastspreiding in de laag. Hoe groter de lastspreiding hoe groter de buigen schuif-spanningen. Dit wordt duidelijk wanneer we een wiel op Figuur 3-10: Buiging en afschuiving een kolom zetten. Er is nu totaal ten gevolge van lastspreiding. geen lastspreiding, de kolom


14

Module 3

wordt immers naar beneden toe niet breder. Buiging zal er in de kolom dan ook niet optreden. Ook afschuiving treedt nu niet op. Volgens de theorie van Odemark neemt de lastspreiding van een laag toe wanneer de stijfheid van deze laag ten opzichte van de stijfheid van de ondergrond toeneemt. Dit verklaart waarom een asfaltlaag die op zand (E=100 MPa) goed voldoet, bij gelijke belasting op veen (E=30 MPa) snel zal bezwijken. 6

Computerprogramma's

Met behulp van zogenaamde meerlagen-programma’s kan men spanningen, rekken en verplaatsingen in een wegconstructie berekenen. Er zijn twee typen programma’s: de eindige elementen en de meerlagenprogramma’s. In de eerste worden de constructies beschreven door een systeem van cellen. Aan elke cel worden materiaalparameters toegekend. Door één cel te belasten verandert de vorm of grootte ervan en daardoor komen de buurcellen onder belasting te staan. Die zullen ook vervormen en zo wordt de hele constructie doorgerekend. Sterke punten van dit type programma’s zijn dat ze spanningsafhankelijkheid in rekening kunnen brengen, scheurgroei kunnen simuleren, vele vormen van constructies aan kunnen. Voor meer informatie omtrent deze programma’s wordt naar de literatuur verwezen. Meerlagenprogramma’s gaan er bij voorbaat van uit dat de constructie opgebouwd is uit horizontaal oneindige lagen. Dit uitgangspunt maakt een meer analytische oplossing mogelijk. Het meest bekende voorbeeld is BISAR, waarin het materiaal (lineair) elastisch verondersteld wordt. VEROAD behoort ook tot deze klasse, al wordt het materiaal daar visco-elastisch genomen. Voor de berekening zijn verschillende gegevens nodig zoals opbouw van de constructie, materiaaleigenschappen en belasting. Hier zal kort worden ingegaan op de benodigde invoer voor dergelijke programma's. 6.1

De invoergegevens

De berekening van de spanningen, rekken en verplaatsingen gebeurt aan de hand van de invoergegevens welke bestaan uit: • • • •

de belasting de dikte van de lagen de materiaaleigenschappen (materiaalparameters) de mate van hechting tussen de lagen


15

Module 3

6.2

Dubbele wiellast bovenaanzicht

asfalt fundering ondergrond

Figuur 3-11: Schematisering van dubbellucht-systeem

De geschematiseerde belasting

Meestal wordt de wielbelasting geschematiseerd als een verticale gelijkmatig verdeelde belasting op één of twee cirkelvormige oppervlakken (enkele band of dubbellucht wiel). Soms worden ook schuifkrachten aan het oppervlak als invoer gegeven. Het visco-elastische meerlagen-programma VEROAD heeft uiteraard ook de rijsnelheid nodig als invoergegeven. In figuur 3-11 is een veel gebruikte schematisering van een dubbellucht wiel gegeven.

6.3

De dikte van de lagen

Meerlagen-programma’s veronderstellen de constructielagen oneindig uitgestrekt. Daarom is, als karakterisering van de laagafmetingen alleen de dikte nodig. Dit houdt in dat dergelijke programma’s gebruikt kunnen worden voor belastingen die ver van de rand van de constructie verwijderd zijn. In het algemeen wordt voor deze afstand ca. 1 m aangehouden. Veelal zal dit geen probleem opleveren. Voor kortere afstanden tot de rand is men aangewezen op de meer complexe eindige elementen programma's. Tenslotte wordt nog opgemerkt dat voor de onderste laag geen dikte hoeft te worden ingevuld: deze strekt zich in het rekenmodel uit tot oneindige diepte. 6.4

De materiaaleigenschappen

Om spanningen, vervormingen en verplaatsingen te kunnen berekenen moeten de materiaalkarakteristieken ingevoerd worden. Het betreft hier parameters die informatie geven over het stijfheidsgedrag. Er zijn vier van deze parameters. Deze hangen onderling samen en kent men er twee, dan zijn de andere direct uit te rekenen (voor lineair –spanningsonafhankelijkmateriaal) . 1. De meest bekende is de elasticiteitsmodulus, die het verband aangeeft tussen optredende spanningen en rekken. 2. De tweede is de dwarscontractie-coëfficiënt, ook wel het Poissongetal genoemd. Dit getal geeft de verhouding tussen de horizontale (radiale) en verticale (axiale) rek bij belasting in verticale richting (bij vrije vervorming in horizontale richting). Men kan zeggen dat het aangeeft wat de weerstand is tegen volumeverandering en vormverandering tegelijk. Immers: als een proefstuk alleen axiaal vervormt, dan verandert het volume. Als het materiaal bij die axiale vervorming niet van volume wil veranderen dan moet het radiaal van grootte veranderen. En dat geeft het Poissongetal aan.


16

Module 3

3. De derde is de bulkmodulus, ook wel volume-stijfheid genoemd. Dit getal geeft de weerstand van het materiaal tegen volumeverandering als het alzijdig onder spanning wordt gezet. 4. De vierde geeft de weerstand tegen vormverandering aan die het mengsel heeft als het door schuifspanning wordt belast. Deze heet de schuif- of de glijdingsmodulus. Elastische programma’s hebben als stijfheidsmodulus de elasticiteitsmodulus nodig –de elastische variant van de stijfheidsmodulus-. VEROAD heeft de visco-elastische variant daarvan nodig (VEROAD houdt rekening met het gedrag van het asfalt). 6.5

De mate van hechting

Sommige (elastische) programma’s vragen een kental voor de mate van hechting, variërend van geen hechting tot volledige hechting. Men dient hier zeer zorgvuldig mee om te gaan. Dit omdat de term ‘hechting’ niet uniform gedefinieerd is; men verstaat allemaal wat anders onder deze term. Men is het wel eens over de betekenis van ‘volledige’ hechting. Overigens kan men hechtingsgebrek (slip) ook zien als het effect dat een dunne en slappe tussenlaag heeft op de constructie. 7

De Standaardaslast

In de Standaard kent men een Standaardaslast, die gebruikt wordt bij de omschrijving van de verkeersklassen. Het aantal standaardaslasten is ook een maat voor het totaal aan (vracht)verkeer dat tijdens de levensduur over de weg gaat. In tabel 3-2 is de indeling in verkeersklassen gegeven. Tabel 3-2 Verkeersklassen in De Standaard Verkeersklasse 2 3 4 5

SAL100 < 500 < 4000 > 4000 > 500

Toelichting Licht belaste verhardingen Intensief belaste verhardingen Zeer intensief belaste verhardingen Intensief belaste verhardingen met langzaam rijdend en stilstaand zwaar verkeer, bij een rijsnelheid kleiner dan 15 km/uur

SAL100 is het equivalent aantal standaardaslasten van 100 kN per etmaal voor de zwaarst belaste rijstrook. Andere dan 100 kN lasten worden naar SAL100 teruggerekend via de 4e machtsrelatie op de aslasten: SAL100 = (L1/100)4 waarbij L1 de om te rekenen last is [kN].


17

Module 3

Als schatting wordt gehanteerd: SAL100 = Iv · VSF100 waarbij:

Iv de intensiteit van het vrachtverkeer is op de zwaarst belaste rijstrook VSF100 de VrachtwagenSchadeFactor in equivalente aslasten van 100 kN.

Deze omrekening moet bevreemden. Immers, uit de elastische analyse van het opgelegde balkje blijkt dat de belasting recht evenredig is met de maximaal te verwachten spanning en met de zakking. Het verschil tussen een lineair verband en een vierde-machts verband is te groot om als modelfout te kenmerken. De vierde macht komt uit een AASHO-road test en is een waargenomen relatie tussen iets als ‘service-ability’ –als indicator voor de levensduur- en de aslasten die toen gebruikt werden. Al bij het ontstaan lag er een impliciet verband tussen veel factoren: de constructies, vrachtwagens en materialen. Zeer in het algemeen geldt dat voor lineair elastische berekeningen de rekken en spanningen lineair zijn met de opgelegde last. Van groot belang is echter de gevoeligheid van het materiaal voor rekken en spanningen waaraan het wordt blootgesteld. Een bekend voorbeeld is de vermoeiing van materialen. Deze is zeer gevoelig voor de grootte van de opgelegde rek. Halveert de rek, dan neemt de levensduur toe met een factor 16 tot 32 (ongeveer een vierde tot vijfde macht). Voor vervorming is de afhankelijk heel anders. Afhankelijk van het precieze vervormingsproces kan het resultaat van een verdubbeling van de belasting variëren van een verdubbeling van de (blijvende) vervorming tot helemaal geen effect (materiaal blijft onder de plastische grens). Tekortkomingen van de SAL100 zijn zo mogelijk nog duidelijker als men zich realiseert dat er geen rekening wordt gehouden met de grootte van het contactoppervlak en dus met de grootte van de contactspanningen, noch met schuifspanningen die aan het oppervlak opgeroepen kunnen worden. De berekening van de SAL100 is dan ook alleen geschikt voor normering van de lasten ten behoeve van vermoeiingsberekeningen, waarop overigens de Nederlandse wegontwerpmethodiek is gebaseerd. De berekende SAL100 geeft een compleet verkeerd beeld voor normering ten behoeve van voorspelling van spoorvorming en scheurgroei. Om die berekeningen te doen dient men voor alle aslasten de spanningen en rekken te berekenen; men kan dit doen met lineaire programma’s als BISAR, MOEBIUS, NOAH (en vele andere) en VEROAD. Vervolgens kunnen de rekken en spanningen via materiaalmodellen aan effecten in de weg worden gerelateerd.


18

Module 4


MODULE 4: MECHANICA VAN MENGSELS

4

MECHANISCHE SCHADEMECHANISMEN ...........................................................2 4.1 STIJFHEIDSMODULUS ............................................................................................2 4.1 VERMOEIING EN HEALING ......................................................................................3 4.1.1 Relatie volgens Wöhler...............................................................................5 4.1.2 Healing........................................................................................................6 4.1.3 Energiedissipatie ........................................................................................6 4.1.4 Een simpele wegontwerpmethode .............................................................9 4.2 SCHEURGROEI ....................................................................................................10 4.3 VISKEUZE VERVORMING ......................................................................................12 4.4 PLASTISCHE VERVORMING ...................................................................................13 4.5 ALGEMENE OPMERKINGEN ...................................................................................16


1

Module 4

4

Mechanische schademechanismen

In deze module worden er voor de wegbouwkunde twee belangrijke mechanismen besproken die leiden tot ‘mechanische’ schade: scheuren spoorvorming. Schade(mechanismen) als rafeling en stroefheid worden later besproken. In het geval van scheurvorming zijn vermoeiing van het materiaal en scheurgroei de bepalende mechanismen. Bij spoorvorming is dit viskeuze en plastische vervorming. 4.1 Stijfheidsmodulus Asfalt is een viskeus/visco-elastisch materiaal. Elastisch gedrag houdt in dat een materiaal na belasten weer zijn oorspronkelijke vorm aanneemt, hetzij direct na ontlasten, hetzij na enige tijd. Het laatste wordt vertraagd elastisch genoemd. Viskeus gedrag wil zeggen dat de vormverandering als gevolg van belasten blijft bestaan, ook als de belasting is weggenomen. Bij langdurige eenmalige belasting, zoals bij herhaalde kortstondige belasting, zal asfalt een blijvende vervorming opbouwen als gevolg van de viskeuze component. In een weg onder verkeer betekent dit een in de tijd toenemende spoorvorming. Overigens, in principe, treedt dit mechanisme altijd op, al zal het (zeer) vaak zeer klein zijn. Om te kunnen rekenen aan –en daarmee voorspellen van- de ontwikkeling van permanente vervorming is het van belang inzicht te hebben in het gedrag van asfalt als visco-elastisch materiaal. Een bruikbare beschrijving van het visco-elastisch gedrag wordt gegeven door het Burgers’ model (figuur 4-1).

Tijd opgelegde lastpuls

E1 vervormingen in E1

η2

E2

vervormingen in E2 en η2 vervormingen in η1

η1

totale vervormingen

Figuur 4-1: Het Burgers’ model met bijbehorende vervorming


2

Module 4

Het model bestaat uit drie in serie geschakelde elementen. Het eerste element is een lineaire veer met stijfheid E1 die direct met het opleggen van de belasting vervormt en die, na ontlasten, direct geheel terugveert. De veer representeert de zuiver elastische component van het materiaalgedrag. Het tweede element is een lineaire smoorpot met viscositeitsparameter η1 die tijdsafhankelijk en belastingsafhankelijk vervormt en die, na ontlasten, de vervorming geheel behoudt. De smoorpot representeert het zuiver visceuze gedrag. Het derde element is een parallel geschakelde combinatie van een veer en een smoorpot die samen het vertraagd elastische gedrag vertegenwoordigen. Bij dit element wordt de vervorming die in de veer op zou treden zonder smoorpot ook bereikt maar Fasehoek [graden] Modulus E [MPa] wel later als gevolg van de 1200 remmende werking van de 80 smoorpot. ν [−]: 800 60 Het gedrag van asfalt is een 0.5 optelsom van de drie 40 400 0.4 elementen. Het resultaat is 20 schematisch weergegeven in 0.3 0 0 figuur 4-1 waarin de respons 0.01 0.1 1 10 100 van het Burgers’ model op frequentie (Hz) een blokvormige lastpuls is te zien. Figuur 4-2: Frequentie-afhankelijkheid van de elasticiteitsmodulus E, de In figuur 4-2 is voor een bijbehorende fasehoek en van het bepaald asfalt van een Poissongetal. gegeven temperatuur aangegeven dat de elasticiteitsmodulus toeneemt met de frequentie. De bijbehorende fasehoek loopt van 90 naar 0°. De derde –en middelste- lijn is het Poissongetal, dat afneemt van 0.5 tot 0.3. 4.1

Vermoeiing en healing

Wanneer materialen aan herhaalde belastingen worden blootgesteld zal vermoeiing optreden: een paperclip breekt bij herhaald buigen. Hoe snel dit gebeurt hangt af van de mate van buiging. Hetzelfde mechanisme treedt op in de asfaltlaag. Door de passerende wiellasten wordt deze laag keer op keer gebogen waarbij steeds trekspanningen worden opgewekt. Deze trekspanningen zitten voornamelijk aan de onderzijde van de asfaltlaag, maar treden ook op aan het oppervlak, rondom het contactoppervlak. Afhankelijk van het spanningsniveau zal dit vroeger of later leiden tot vermoeiing met scheurvorming als gevolg. Het mechanisme achter vermoeiing is internationaal nog onderwerp van discussie. Men onderscheidt echter wel drie fasen, die af te lezen zijn uit het verloop van de stijfheid bij toenemend aantal lastherhalingen (zie figuur 4-3). De drie onderscheiden fasen zijn: scheurinitiatie, scheurpropagatie en scheurdoorslag.


3

Module 4

In de eerste fase wordt een scheur geïnitieerd. Dit is een proces; er is nog geen scheur en toch is het materiaal niet meer onbeschadigd. Men kan zich voorstellen dat het bindmiddel in het ‘verse’ mengsel een 3 1 2 soort kluwen is van ‘bitumenmoleculen1’ die op de een of andere manier geordend zijn. Zo zullen Lastherhalingen positieve en negatieve ladingen Figuur 4-3: Stijfheid als functie elkaar opzoeken en gelijkpolige van het aantal lastherhalingen. Er ladingen elkaar afwijzen. Ook andere zijn drie fasen onderscheiden. fysisch/chemische processen kunnen aanleiding geven tot een –mogelijk chaotische- ordening. Deze ordening zal, conform een natuurwet, altijd zo zijn dat het geheel energetisch zo voordelig mogelijk is. Bij deze ordening kunnen ook de aggregaten betrokken zijn. Stijfheidsmodulus

De ordening zal ontstaan bij hogere temperaturen, wanneer de moleculen nog bewegen kunnen onder invloed van de (elektrische) bindende krachten. Immers dan is de viscositeit laag genoeg. Bij verder afkoelen worden de ruimtelijke oriëntaties van de moleculen als het ware ingevroren in de overige componenten van het bitumen. In de eerste fase van vermoeiing kan nu deze (chaotische) ordening verzwakt worden. Op moleculair of atomair niveau kan men zich hier voorstellen dat bindingen gevormd en gebroken worden. Dat gebeurt in de natuur altijd en overal. Zolang de snelheid van breken en vormen gelijk zijn, is er geen verandering. In deze eerste fase van vermoeiing zal de snelheid van breken groter zijn dan die van vormen: het materiaal verzwakt. De verzwakking op (sub-)moleculair niveau is niet meteen zichtbaar in een macroscopische grootheid als de stijfheid van een materiaal. De ruimtelijke oriëntatie is energetisch ook niet meer het meest voordelig. De tweede fase van vermoeiing is scheurvorming. Dan beginnen de verzwakkingen door te tellen. Ze komen ook met elkaar in aanraking en plotseling is er een klein, echt scheurtje. Die scheurtjes groeien en volgen daarbij de wetten van de scheurgroei. De derde fase is die van compleet falen van het mengsel. De scheuren zijn zo groot en talrijk dat ze elkaar kruisen en het proefstuk valt uit elkaar.

1

De term bitumenmoleculen is zeer onwetenschappelijk. Bedoeld worden de fysisch/chemische grootheden in het bindmiddel die zich gedragen als een afzonderlijke eenheid.


4

Module 4

Healing is het proces dat een beschadigd materiaal zich herstelt en weer (min of meer) nieuw wordt. Dat betekent dat de moleculen ruimtelijk zich weer zo moeten oriënteren dat de bindingen als nieuw zijn (een toestand innemen van de minste energie). Dat kan alleen als er geen fysieke scheur is: het materiaal moet kunnen vloeien. Healing zal dan ook (voornamelijk) optreden in de eerste fase van het scheurgroeiproces, en sterk toenemen bij verhoging van temperatuur. Mengseltechnisch wil men een materiaal dat ongevoelig is voor vermoeiing. Dit betekent dat men een bitumenrijker mengsel wil, en dat een zachter bindmiddel de voorkeur heeft.

4.1.1

Relatie volgens Wöhler

De vermoeiingslevensduur van asfalt hangt af van de grootte van de optredende rek. Naarmate deze groter is, is het aantal toelaatbare lastherhalingen kleiner. Het is duidelijk dat bij grotere rek de ‘bitumenmoleculen’ meer uit elkaar en sneller uit hun energetische voorkeurspositie getrokken worden. De relatie van Wöhler is een zuivere corelatie: twee gemeten grootheden zijn tegen elkaar uitgezet; de relatie volgt niet uit een theorie.

De co-relatie van Wöhler luidt:

N f = k1ε k 2 waarin:

(4-1)

Nf : levensduur van het materiaal ε: rek waaraan materiaal onderworpen is k1, k2: materiaalparameters

[-] [-] [-]

Wanneer Nf en ε op dubbellogaritmische schaal worden weergegeven ontstaat een rechte lijn (figuur 4-4).

log ε

≡k2 ≡k1

log Nf

In het klassieke wegontwerp wordt voor de rek die aan de onderzijde van het asfalt genomen; daar begint de scheurgroei. De materiaalparameters zijn dan die van de onderlaag, meestal stab of gab.

Figuur 4-4: Vermoeiingsrelatie volgens Wöhler.


5

Module 4

Een beperking van deze relatie is dat de opgelegde spanning 0,16 helmaal geen rol speelt. Soms wordt dezelfde 0,12 relatie ook weergegeven als levensduur-spanning 0,08 relatie (ε dus vervangen 0,04 door σ). Het kan moeilijk zijn vast te stellen wat de 0,00 optredende rek is als het -3000 -1000 1000 3000 tijdsverloop van de rek meerdere pieken heeft. Afstand tot midden asstelsel [mm] Wanneer alleen de Figuur 4-5: Mogelijke vorm van rekpuls onder maximale rek meetelt, meerwielige as. dan doet het er blijkbaar niet toe doet of de bijpieken bijna net zo groot of veel kleiner zijn (figuur 4-5). Vervolgens is de vraag wanneer een bij-piek een bij-piek is. Kortom, hoewel toepasbaar heeft deze beschrijving nog vele vragen in zich. Een oplossing daarvan wordt/is gezocht in een analyse van de dissipatie van energie, zoals die hieronder gegeven wordt. Trekrek [mm/m]

0,20

4.1.2 Healing Healing resulteert in een toename van de vermoeiingslevensduur, en wordt vaak –niet altijd- gedefinieerd als: H = Nh/Nf

(4-2)

hierin is Nh de vermoeiingslevensduur (als Nf), onder een ‘healingsconditie’. Met healingsconditie wordt bedoeld dat er een rustperiode zit tussen twee opeenvolgende belastingen. Om de bitumenmoleculen de mogelijkheid en de tijd te geven hun favoriete oriëntatie in te nemen is een hogere temperatuur – meer beweeglijkheid en minder visceus- en een langere rustperiode nodig. De healing is helaas –net als vermoeiing- zeer slecht gedefinieerd. Toch kan H bij hogere temperaturen en langere rustperioden de waarde 20 – 25 aannemen. In het Nederlands wegontwerp gebruikt men normaal een waarde 4.

4.1.3

Energiedissipatie

Vanwege het visco-elastische karakter van asfalt bestaat er een tijdsverschil tussen de opgelegde belasting en de daarmee samenhangende vervorming; het materiaal reageert vertraagd (vandaar de naam vertraagd elastisch). Dit betekent dat een gedeelte van de mechanische energie die tijdens het belasten op het asfalt is overgedragen in het materiaal achterblijft. Dit wordt dissipatie genoemd. Een deel van deze verloren energie zal worden omgezet


6

Module 4

Rek exx 0.12 0.08 0.04

-0.5

0.5

1

1.5

Spanning Sxx

-0.04

Figuur 4-6: Spanning-rek diagram met ingesloten de gedissipeerde energie.

in warmte, de rest is gerelateerd aan permanente vervorming en het ontstaan van inwendige schade. Met VEROAD kan het verloop van de spanning en de rek in de tijd berekend worden. Door beide tegen elkaar uit te zetten, met de tijd als lopende derde parameter wordt een ingesloten oppervlak verkregen (figuur 4-6). Dit oppervlak is direct de hoeveelheid energie die in het materiaal is

achtergebleven (gedissipeerd)2. Deze berekende Wdis speelt min of meer de rol van de rek in de vorige paragraaf: beide zeggen iets over de schade die ontstaan is (gaat) ten gevolge van de opgelegde belasting. Per (sinusvormige) lastwisseling wordt een energie gedissipeerd van:

Wdis = π .ε 2 .S mix . sin φ waarin:

Wdis: Smix: ε: φ:

(4-4)

gedissipeerde energie stijfheid van mengsel rek faseverschil

Onder herhaald belasten veranderen de eigenschappen van het materiaal, bij gevolg wordt er per herhaling een andere hoeveelheid energie gedissipeerd. Deze verandering wordt gemiddeld verrekend met de grootheid Ψ. Tot het moment van falen - bij Nf lastherhalingen- wordt een totale hoeveelheid energie (Wf) gedissipeerd van:

Wf = N f . waarin:

Ψ: Nf: Wf :

π .ε 2 .S mix . sin φ ψ

(4-5)

correctiefactor vermoeiingslevensduur gedissipeerde energie bij Nf

2

Figuur 4-4 geldt voor alleen de longitudinale component van de spanning en rek. Eigenlijk kan men vanuit de fysica gezien, deze figuur niet zo weergegeven. Immers, energie is niet op te delen in componenten. De totaal gedissipeerde energie is de som van soortgelijke grafieken voor Sxx/εxx, Syy/εyy, Szz/εzz, Sxy/εxy, Sxz/εxz en Syz/εyz.


7

Module 4

Van Dijk heeft een co-relatie tussen Wf en Nf gevonden: Wf = A Nf z waarin:

(4-6)

A en z: materiaalparameters

Opgemerkt wordt dat de waarde van z ligt in tussen 0.5 en 0.8. Uit de relaties 4-5 en 4-6 kan de volgende relatie worden afgeleid:

π .ε 2 .S mix . sin φ W f = A.N = N f . ψ z f

⎛ ⎞ ψ .A ⎟⎟ N f = ⎜⎜ 2 π . ε . S . sin φ mix ⎝ ⎠

1 1− z

(4-7)

Relatie 4-7 kan op een speciale manier uitgezet worden. Indien men voor Nf een waarde neemt (bijvoorbeeld 106, 107 of 108) kan men de rek ε uitzetten als functie van de stijfheidsmodulus Smix. Hiertoe wordt relatie 4-7 herschreven tot relatie 4-8:

⎛ N (f z −1) .ψ . A ⎞ 1 ⎟. ⎟ ⎜ π ⎠ S mix . sin φ ⎝

ε2 =⎜ ε=

N (f z −1) .ψ . A

π

(4-8)

1 S mix . sin φ

Het blijkt dat de toelaatbare rek (ε) omgekeerd evenredig is met de wortel uit de stijfheid en de sinus van de fasehoek. Met andere woorden: als het materiaal elastisch is (φ= 0) is de toelaatbare rek oneindig! Als men de stijfheid en de fasehoek van het materiaal van de onderlaag kent, kan men aflezen wat de toelaatbare rek is. De optredende rek –die kleiner moet zijn dan de toelaatbare- is overigens weer afhankelijk van de opbouw en de eigenschappen van de constructie én van de belasting. Uit de figuur en de bijbehorende relatie is te halen dat de langste (vermoeiings)levensduur gehaald wordt als het materiaal van de onderlaag elastisch (ϕ zeer klein) is en een lage stijfheid (Smix). Natuurlijk betekent een slappe onderlaag grotere rekken. Een oplossing is de onderlaag in fasen te bouwen: de onderste onderlaag dient onder andere bitumenrijk te zijn.


8

Module 4

4.1.4

Een simpele wegontwerpmethode

In figuur 4-7 is het principe van een methode in g Nf slijn om een weg te ontwerpen gegeven. Langs het 4 10 bovenste deel van de y105 as staat de rek die 106 onderin de asfaltlaag optreedt voor een log (Smix) bepaalde constructie. De Temp. Asfalt temperatuur van het asfalt is overal gelijk en Temp. verder is verondersteld dat het asfalt over de hele dikte gelijk is. Kortom het Figuur 4-7. Principe van een mechanische asfalt heeft over de hele wegontwerpmethode. dikte eenzelfde stijfheid. Die stijfheid staat (logaritmisch) uit op de x-as. In het bovenste deel zijn kromme lijnen getrokken, die volgen uit de formule 4.8 als men de waarden voor Nf in vult. Alleen de grootheden Smix en ε blijven dan over –de materiaalparameters A, n en φ zijn natuurlijk die van het asfalt-. De min of meer rechte lijn –de belastingslijn- is de maximaal optredende (trek)rek onder in het asfalt zoals men dat uitrekent voor die constructie voor alle waarden van de stijfheid en voor een bepaalde wiellast met een computerprogramma als VEROAD (of BISAR of andere). Deze lijn verschuift al naar gelang de constructie dikker of dunner is, of de fundering stijver of minder stijf is, etc. De snijpunten van de kromme en de rechte lijn geven de levensduur aan van de constructie, natuurlijk bij een gegeven stijfheid van het asfalt. Indien men voor een bepaalde constructie de levensduur te kort vindt, dan kan men dus of de constructie veranderen (en daarmee de rechte lijn verschuiven) of het materiaal veranderen (en daarmee de kromme lijnen verschuiven).

log (ε)

Bel ast

De onderste helft van de grafiek geeft aan dat de stijfheid van de temperatuur afhangt. Kent men dus de asfalttemperatuur, dan volgt daaruit de stijfheid van het asfalt. Bij die stijfheid –en voor de constructie waarvoor de belastingslijn geldt- wordt de levensduur afgelezen in het snijpunt met de belastingslijn.


9

Module 4

4.2 Scheurgroei Als eenmaal een scheurtje in asfalt is ontstaan zal dit onder invloed van de belasting verder groeien. Men onderscheidt drie scheurgroeimechanismen: door trek-, door schuif- en door wringkrachten (zie figuur 4-8). Dit worden de scheurgroei ‘modes’ genoemd.

Mode I

Mode II

Mode III

Figuur 4-8: Drie scheurgroeimodes: trek, schuif en torsie Als een scheur onder in het asfalt is ontstaan zal hij groeien doordat de scheur op trek belast wordt (mode I: trekkracht). Dit is direct gevolg van de buiging van het asfaltpakket. Dit proces gaat door totdat de scheur 60 tot 70 % van de dikte van het asfaltpakket is. Dan komt de scheurtip in de drukzone van het asfalt en stopt de groei ten gevolge van deze mode. Dan begint scheurgroei volgens mode II: schuifkrachten. De schuifkrachten ontstaan doordat een wiel de ene zijde van de scheur meer belast dan de andere zijde. De scheur zal zeer snel doorgroeien totdat hij bovenaan zichtbaar wordt. Aan de tip van de scheur is er altijd een concentratie van spanningen. Die spanningen zijn een gevolg van de belasting. De grootte van de concentratie is sterk afhankelijk van de plaats van de last, de dikte van het asfalt, de lengte van de scheur. Men beschrijft de spanning aan (of vlakbij) de scheurtip met de spanningsintensiteitsfactor K. Die staat centraal in de wet van Paris, die zegt dat de scheurlengte per lastherhaling toeneemt als een machtfunctie: dc/dN = AP Kn

(4-9)

waarin dc: toename van de scheurlengte dN: toename van het aantal lastherhalingen AP en n: materiaalparameters zijn. Het is duidelijk dat als AP = 0 en/of n zeer klein is, de scheur niet zal groeien. Het maken van een asfaltmengsel dat ongevoelig is voor scheurgroei is daar op gericht. Helaas staat de natuur niet toe dat een materiaal zowel een kleine AP als een kleine n heeft. Integendeel, een afname van AP gaat altijd gepaard met een


10

Module 4

toename van n. Er bestaan relaties tussen AP en n, waarmee bijvoorbeeld n wordt uitgedrukt in AP. Er moet gekozen worden: of een kleine AP, met grote(re) n of een kleine n met grote(re) AP. Het hangt van de waarde van K af welke de voorkeur verdient. Als gezegd is K afhankelijk van veel externe factoren en neemt hij toe met de scheurlengte. Om te bepalen welke combinatie van AP en n bij een bepaalde constructie de langste levensduur van de constructie geeft, zijn vrij uitgebreide berekeningen nodig. Als praktische oplossing is een middenweg gekozen3. Gesteld is dat een scheur zo lang mogelijk zo klein mogelijk moet blijven. De intensiteitsfactor van een kleine scheur in een wat zwaardere weg is ongeveer 2. Consequentie van deze uitgangspunten is dat factor Ap zo klein mogelijk moet zijn. De grootheid Ap is in eerste benadering te schrijven als:

Ap = d ⋅

1

σ

a

⋅

1 1 ⋅ c⋅n b ⋅n S mix (2Γ)

4-10

σ de treksterkte, Γ de breukenergie en Smix de mengselstijfheid is. a, b, c en d zijn –voor het gemiddelde asfalt- positieve getallen.

waarbij

Kracht [100N] 20 15 10 5 0 0

2

4

6 8 Verplaatsing [mm]

10

12

14

De treksterkte, de breukenergie en de stijfheid van het materiaal beïnvloeden dus de scheurgroeisnelheid. Vanwege het karakter van asfalt zijn de materiaalparameters uiteraard weer afhankelijk van de temperatuur en de belastingstijd.

Figuur 4-9: Trekproeven aan OAB, polymeer gemodificeerd, 40 °C, bij verschillende treksnelheden.

In figuur 4-9 zijn de resultaten van een trekproef gegeven, die gedaan zijn aan een polymeer-gemodificeerd oab. Er zijn verschillende treksnelheden gebruikt. Bij toenemende treksnelheid (kortere trektijd) neemt de hoogte van de curve toe. In deze figuur kan men alle gewenste informatie voor de bepaling van Ap vinden: • De treksterkte is het maximum van de curve. 3

CROW-werkgroep Zwaarbelaste Verhardingen, eindrapport


11

Module 4

• •

De breukenergie is het oppervlak onder de curve. De stijfheid is de hoek met de x-as die de raaklijn maakt in de oorsprong.

Bovenstaande relatie is een benadering die soms de werkelijkheid geweld aan doet. Deze relatie kan dan ook alleen als indicatief gebruikt worden. In het algemeen is het beter als de materiaalparameters Ap en n worden bepaald aan de hand van laboratoriumexperimenten. 4.3 Viskeuze vervorming Het mechanisme achter deze oorzaak van permanente vervorming in zijn meest simpele vorm is het wegvloeien van bitumen tussen aggregaten vandaan. Men kan ook veronderstellen dat de mortel wegvloeit. Het blijkt dat zelfs het (minimaal) verplaatsen van aggregaten zich laat beschrijven als (quasi) viskeus gedrag. De temperatuur is van grote invloed op de mate waarin de spoorvorming zich ontwikkelt. Dit vanwege de grote temperatuursafhankelijkheid van de viscositeit van het bitumen. Duidelijk is dat een manier om deze vorm van spoorvorming te voorkomen is het harder maken van het bindmiddel en het gebruik van hoekige aggregaten. De berekening van de permanente (viskeuze) vervorming is alleen afhankelijk van de in serie geschakelde smoorpot met parameter η1. Voor deze toepassing kan deze parameter bepaald εs,perm [-] worden uit een 0.07 kruipproef waarbij aan de bovenzijde van een 0.06 asfaltproefstuk een 0.05 verticale belasting wordt 0.04 opgelegd. Natuurlijk 0.03 zodanig dat het punt van bezwijken lang niet wordt 0.02 bereikt, anders wordt de 0.01 plastische vervorming 0 gemeten. Onder invloed 0 2000 4000 600 8000 van deze belasting zal Lastwisselingen [-] het proefstuk geleidelijk Figuur 4-10: Resultaat van een dynamische vervormen (figuur 4-10). triaxiaalproef, en proefopstelling. De toename van de optredende rek wordt hierbij gemeten. Na enige tijd zal een lineaire tak in het tijd-rekdiagram zichtbaar zijn waaruit de reksnelheid bepaald kan worden. Uit de opgelegde spanning en de gemeten reksnelheid wordt de parameter η1 bepaald volgens:

η1 =

1 σ 3 dε dt


(4-10)

12

Module 4

viscositeitsparameter waarin: η1: σ: opgelegde normaalspanning dε/dt: reksnelheid (of helling van kruipcurve) Spoordiepte [mm] 0.01

-1500 -1000

-500 -0.01

500

1000

1500

Afstand tot hart van wielspoor [mm]

-0.02 -0.03

Figuur 4-11: Voorbeeld van berekende viskeuze spoorvorming, op verschillende dieptes. De grootste vervorming treedt op aan het oppervlak.

[Pa.s] [Pa] [1/s] In figuur 4-11 is een voorbeeld gegeven van berekende spoorvorming. De snelheid van het wiel is in de berekening ingevoerd. De invloed daarvan is omgekeerd evenredig, wat wil zeggen dat de spoordiepte minder wordt als het voertuig sneller gaat. De grootste vervorming treedt op aan de bovenzijde van het asfalt;

onder het asfaltpakket is er geen vervorming. 4.4 Plastische vervorming Naast viskeuze vervorming kan ook plastische vervorming voorkomen. Plastische vervorming treedt op bij een overbelasting van het korrelskelet. In dat geval wordt ergens de sterkte van het materiaal overschreden, waardoor het materiaal gaat vloeien. Het materiaal zal afschuiven. Om deze vorm van spoorvorming te voorkomen moet men zorgen dat het asfaltmengsel sterker is. In eerste instantie kan dit door het kiezen van een harder bindmiddel. Later zal blijken dat het modificeren ervan ook een goede optie is. Wanneer een materiaal plaatselijk tot dicht bij bezwijken belast wordt zal op die plek het materiaal plastisch vervormen. Hierbij zal herverdeling van spanningen moeten optreden. Daarbij wordt een deel van de belasting overgedragen aan het aangrenzend materiaal. Als het materiaal hiertoe in staat is ontstaat een stabiele situatie, als dat niet kan vloeit het materiaal weg, bijvoorbeeld zoals een dijk die onderuit gaat. Falen treedt op als de sterkte van het materiaal wordt overschreden door de belasting. Nu hangt de sterkte o.a. af van het al dan niet aanwezig zijn van steunspanning: een cilinder materiaal kan axiaal meer op druk belast worden als het materiaal zijdelings opgesloten is. Hetzelfde materiaal kan heel weinig


13

Module 4

axiale druk hebben als in zijdelingse richting trekspanningen aanwezig zijn. Met deze goed bekende effecten wordt rekening gehouden in het zogenaamde Mohr-Coulomb criterium: een combinatie van de actuele belasting en de bezwijkbelasting. In het Mohr-Coulombdiagram worden de normaalspanningen4 uitgezet op de horizontale as en de schuifspanningen op de verticale as. Een spanningstoestand in het materiaal wordt in het diagram bepaald door een cirkel, die weer opgespannen wordt door twee hoofdspanningen5, de kleinste hoofdspanning σ3 en de grootste hoofdspanning σ1. Beide worden in een proefopstelling eenvoudig aangelegd: σ1 is de axiale belasting en σ3 de radiale steunspanning. De cirkel die door beide hoofdspanningen opgespannen wordt geeft eigenlijk alle combinaties weer die bestaan tussen hoofdspanning en schuifspanning. Deze hangen weer af van de oriëntatie van het vlakje (of kubusje) dat men zich kan denken in het proefstuk. De axiale spanning op een verticaal proefstuk is gelijk aan de normaalspanning op een horizontaal vlakje. Omdat er geen schuifspanning is, is dat ook de hoofdspanning. De radiale spanning is dat op een verticaal vlakje. Staat het vlakje scheef dan is er een combinatie van normaal- en schuifspanning, die vanzelfsprekend afhangt van de richting van het vlakje. De MohrCoulombcirkel geeft alle mogelijke combinaties weer. De maximaal toelaatbare schuifspanning, bij een bepaalde normaalspanning, wordt gegeven door de bezwijklijn. Voor veel materialen is die bezwijklijn een kromme. Voor asfalt wordt veelal een rechte lijn gehanteerd die vastgelegd is door de cohesie C en de hoek van inwendige wrijving ϕ. C en ϕ kunnen op verschillende manieren worden bepaald. Een ervan is met triaxiaalonderzoek, waarbij het materiaal axiaal kapot gedrukt wordt terwijl er steunspanningen (σ3) zijn aangelegd. De axiale spanning waarbij het materiaal kapot gaat is de faalspanning (σ1). Door deze proef bij minstens twee steunspanningen te doen kunnen twee Mohr-Coulomb cirkels getrokken worden voor spanningscondities waarbij falen optreedt. De raaklijn aan beide is de faallijn. Het intercept met de y-as heet de cohesie C en de hoek heet de hoek van inwendige wrijving. Een andere methode is het bepalen van de (directe) treksterkte, zonder zijdelingse opsluiting. Deze treksterkte levert een falende normaalspanning op (links van de y-as!). De cirkel kan opgespannen worden door dit punt en de oorsprong. Nu is de hoek van inwendige wrijving altijd wel 38 – 45 ° en de faallijn kan getrokken worden. Men kan deze trekproef ook combineren met een drukproef.

4

Normaalspanningen zijn spanningen die loodrecht op een vlak staan. De richting van normaalspanningen hangt dan ook alléén af van die van dat vlak. 5 Hoofdspanning is een bijzondere normaalspanning. Als er in het vlak waarop de normaalspanning staat géén schuifspanning is, dan heet die normaalspanning hoofdspanning.


14

Module 4

σ1 σ3

σ3

Schuifspanning

Wanneer een spanningscirkel de bezwijklijn raakt of snijdt (het laatste is mogelijk als voortvloeisel uit berekeningen), bezwijkt het materiaal. In figuur 412 is een Mohr-Coulomb diagram gegeven.

ϕ

c

σ1

σ3

σ1 Normaalspanningen

Figuur 4-12 Mohr-Coulombdiagram voor een gegeven spanningsconditie

Bij een gegeven spanning σ3 kan de bezwijk(hoofd)spanning σ1,f berekend worden volgens:

σ 1, f = waarin: σ1,f: ϕ: c:

(1 + sin ϕ ) ⋅ σ 3 + 2 ⋅ c ⋅ cos ϕ

(4-11)

1 − sin ϕ

bezwijkspanning hoek van inwendige wrijving cohesie

[Pa] [º] [Pa]

Duidelijk is dat de vraag óf er plastische vervorming optreedt wordt bepaald door de ligging van de cirkel ten opzichte van de bezwijklijn (figuur 4-13). Ter beoordeling van de kans op plastische vervorming is de R=r/rf verhouding tussen de diameter van de actuele spanningscirkel en de rf diameter van de kritische r spanningscirkel van belang. Deze σ3 σ1,f σ1 verhouding R is als volgt gedefinieerd: Figuur 4-13: Bepaling Ratio R.

R=

σ1 − σ 3 σ 1, f − σ 3

(4-12)

Bij een verhouding van R < 0.6 zal de plastische vervorming in het algemeen binnen aanvaardbare grenzen blijven. Asfaltkunde, module 4, maart 2006

15

Module 4

Een andere manier van weergeven van de kans op plastische vervorming is door na te gaan met welke factor de gegeven last groter mag worden totdat de σ3 σ1 belastingscirkel van Mohr de faallijn gaat Figuur 4-14: Bepaling Factor F. raken (figuur 4-14). Men ziet dat in deze benadering de hoofdspanningen afzonderlijk en ten opzichte van de oorsprong verschuiven, alle in dezelfde verhouding. Vooral in de drukzone (het rechtergebied van het diagram) kan dit betekenen dat de beschouwde plaats in de constructie steeds stabieler wordt! Voor de trekzone (het linkergedeelte) zal de situatie alleen steeds kritischer worden. Deze factor F kan worden berekend via

F=

2 ⋅ C ⋅ cos φ σ 1 (1 − sin φ ) − 0.5 ⋅ σ 3 ⋅ sin φ

(4-13)

4.5 Algemene opmerkingen Van belang is ook hier rekening te houden met vermoeiings- en verouderingseffecten. Immers, zowel de herhaling van de belasting, als de verharding van het bindmiddel heeft invloed op de treksterkte van het mengsel, daarmee op de cohesie en dus op de ligging van de faallijn. De berekende ratio R zowel als de factor F hangen af van de plaats in de constructie: hoogte zowel als de plaats ten opzichte van het wiel. Daarom zal de analyse altijd voor een aantal posities in de constructie doorgerekend moeten worden.


16

Module 5


Module 5: Mengselontwerpmethoden

5

MENGSELONTWERPMETHODEN..................................................................2 5.1 CRITERIA VOOR EEN MENGSELONTWERPMETHODE ............................................3 5.2 DE EMPIRISCHE BENADERING ...........................................................................3 5.3 DE FUNCTIONELE BENADERING.........................................................................4 5.4 VERDICHTINGSMETHODEN ................................................................................6 5.5 BEPROEVINGSMETHODEN VAN PROEFSTUKKEN .............................................. 11 5.5.1 De Marshallmethode .......................................................................... 11 5.5.2 De PRADO-methode .......................................................................... 12 5.5.3 De Franse methode............................................................................ 13 5.5.4 Superpave .......................................................................................... 13 5.5.5 De nieuwe Europese methode ........................................................... 15 5.6 DE METHODE COMPASS ............................................................................. 16


1

Module 5

5

Mengselontwerpmethoden

Een mengselontwerpmethode moet, op grond van een zo kort mogelijk durend onderzoek, het gedrag op de lange termijn (de levensduur) kunnen voorspellen. Dit doel is onhaalbaar en daarom kan men het beste streven naar iets dat er zo dicht mogelijk bij komt. Het is één van de uitdagingen van de asfalttechnoloog het compromis te vinden: niet te veel onderzoek om de kosten beperkt te houden en niet te weinig om missers te voorkomen. Het is een misvatting dat met een mengselontwerpmethode de belastingen in de praktijk moeten kunnen worden gesimuleerd: dat kan niet. Wat men dan ook doet is op de een of andere manier correlaties opbouwen tussen ‘datwat-er-buiten-gebeurt’ en ‘dat-wat-ik-in-het-lab-kan-doen’. Het gevaar van correlaties is dat ze gelden voor de omstandigheden waarvoor ze afgeleid zijn, en niet op andere gebieden toegepast mogen worden: een koe heeft vier poten, maar een dier op vier poten .... In zeker zin is hier de zin van de ‘experience based’ ontwerpmethode ten opzichte van de ‘investigation based’ te herkennen: gebruik de ervaring én de wetenschap. Hoe men ook over de empirische of functionele benaderingswijzen denkt, het is van belang waar te nemen hoe de verhardingen zich gedragen onder verkeer. Elk materiaal zal door gebruik in kwaliteit achteruit gaan en op den duur reparatie nodig hebben. De technologie van het ontwerpen van asfaltmengsels zal mede ten doel hebben deze reparaties zolang mogelijk uit te stellen. Uit een inventarisatie in 19961 onder wegbeheerders blijkt dat het type van de weg bepaalt wat het belangrijkste schadebeeld is. De schadebeelden die tot het uitvoeren van onderhoudsmaatregelen leiden zijn, in volgorde van belangrijkheid: • (auto)snelwegen: - rafeling - oppervlakte en vermoeiingsscheuren - permanente deformatie • stedelijke wegen - permanente deformatie • plattelandswegen - onvlakheid t.g.v. zettingen in de ondergrond - vermoeiingsscheuren - rafeling Opvallend is dat gebrek aan stroefheid hier ontbreekt. Overigens is de waarschuwing op zijn plaats om bij nieuwe ontwerpen niet alléén rekening te houden met deze praktijkresultaten. Als eerder gezegd: de praktijk van morgen zal niet gelijk zijn aan die van vandaag. 1

Op naar functionele mengsels; Eindrapport CROW-werkgroep Zwaarbelaste Verhardingen


2

Module 5

5.1

Criteria voor een mengselontwerpmethode

De uiteindelijk gekozen mengselsamenstelling dient zo kosten effectief mogelijk te zijn. Dit is niet hetzelfde als goedkoop. In elke ontwerpmethode moeten effecten van mengverhouding of van type bouwstoffen duidelijk tot uiting komen. Daarom moet een methode: • voldoende discriminerend zijn. De resultaten van een vooronderzoek dienen betrouwbaar te zijn. Vooronderzoeken zullen door diverse laboratoria worden uitgevoerd; de reproduceerbaarheid -of bij herhaling van het vooronderzoek in hetzelfde laboratorium de herhaalbaarheid- moet acceptabel zijn. • Bij een mengselontwerp zullen eigenschappen worden bepaald van proefstukken. De wijze van bereiding van proefstukken kan invloed hebben op de meetresultaten (proefstukken uit proefvakken of proefstukken in het laboratorium vervaardigd). Daarom moeten verdichtingsmethoden en verdichtingsgraad in het laboratorium goed overeen te komen met die in de praktijk. • De mengselontwerpmethode moet een goede indicatie geven van de verwerken verdichtbaarheid van asfaltmengsels en de gevoeligheid voor ontmenging. Het eindresultaat van een vooronderzoek is altijd een recept voor de asfaltmenginstallatie, soms is het ook een aanbeveling voor verwerking. Bij het eerste criterium is aangegeven dat de mengselontwerpmethode een relatie –of correlatie- moet hebben met het gedrag in de praktijk. Dit is alleen te verkrijgen door het resultaat van het ontwerponderzoek te vergelijken met het gedrag in de praktijk. Deze vergelijking wordt bemoeilijkt doordat dit praktijkgedrag van veel factoren afhangt, waarvan de mengselsamenstelling er slechts één is. Ook de dimensionering van de verharding speelt een grote rol. Een onjuiste inschatting van de bijdragen van een mengsel aan het draagvermogen kan gecompenseerd of juist versterkt worden door over- of onderdimensionering van de constructie. 5.2

De empirische benadering

De eisen ten aanzien van de gewenste samenstelling, met bijbehorende eisen voor de verkeersklassen zijn en worden regelmatig aangepast: de ‘Eisen door Rijkswaterstaat gesteld aan bouwstoffen voor de wegenbouw’ zijn geëvalueerd in de Standaard RAW Bepalingen. Deze aanpassingen hebben verschillende oorzaken. Zo resulteerde de warme zomer van 1968, waarbij onverwacht spoorvorming optrad in een aanbeveling2 een Marshallquotiënt van minimaal 2500 N/mm te hanteren voor intensief belaste wegen. Deze waarde wordt nog gehanteerd voor mengsels voor wegen van hogere verkeersklasse. Uiteraard hebben resultaten van recenter onderzoek geleid tot aanpassingen van mengselsamenstellingen 2

SCW-Mededeling 23 ‘Spoor- en ribbelvorming bij bitumineuze constructies, voorlopige aanbevelingen’.


3

Module 5 en eisen. De resultaten van onderzoek en andere ontwikkelingen zijn in de regelgeving altijd vertaald naar de Marshall mengselontwerpmethode. Een uitzondering is de beoordeling van afwijkende productieprocessen voor de bereiding van asfalt waarvoor ook vermoeiings- en spoorvormingsonderzoek vereist is3. De Marshall ontwerpmethode is een ‘experience-developed’ methode. Men introduceerde hem in een tijd dat mengselontwerp neer kwam op het zoeken naar het Afdrukken van de meest dichte asfaltmengsel, dus het hoeven van de mengsel dat bij gegeven bouwTramPaarden …. stoffen de grootste dichtheid heeft. Vanuit ‘engineering judgement’ en Voorstel: Breek het zand vooral praktijkervaring zijn er (steeds meer) randvoorwaarden gesteld: aan holle ruimte, bitumengehalte, vullingsgraad, etc. Deze bijkomende eisen zijn nu integraal deel van de ‘Marshall based’ mengselontwerpmethode. Er zijn echter nog steeds een aantal aspecten die in de moderne technologie niet passen: • de methode van verdichten van proefstukken heeft vrijwel geen relatie met de walsverdichting4. Daardoor zijn de mechanische eigenschappen van de proefstukken niet altijd relevant voor de praktijk; • de methode van beproeven heeft vrijwel geen relatie met krachten/spanningen die door de verkeersbelasting worden veroorzaakt én de gemeten grootheden zijn niet te gebruiken voor berekening aan de mechanica van een verharding.

Schade…….

Schade…….

Het spreekt voor zich dat de proeven al helemaal niet geschikt zijn voor steenskeletmengsels. Bovendien hebben bindmiddelmodificaties geen of nauwelijks invloed op het proefresultaat; een aanwijzing te meer dat de methode een grote mate van irrelevantie in zich bergt. Zonder wijziging van de ontwerpmethode is vooruitgang eigenlijk niet mogelijk. Er is dan ook overduidelijk behoefte aan een methode waarmee de prestatie van constructies en mengsels voorspeld en onderling vergeleken kunnen worden. 5.3

De functionele benadering

De functionele benadering onderscheidt zich van de ‘experiencedeveloped’ benadering al vanwege het feit dat er geen tijd is om de ervaring op te doen. Men moet zich hier voor een aantal aspecten verlaten op een meer theoretische methode, waarbij de schadeontwikkeling wordt uitgerekend. Om dat te kunnen moeten bij het mengselontwerp wel de juiste –mechanische- eigenschappen gemeten worden. Voor een aantal andere aspecten is en blijft ervaring de leidraad.

3

Vroeger ‘Acceptatieprocedure’, nu Bijlage III van de Standaard ‘Op naar functionele asfaltmengsels’, werkgroep Mengseltechnologie, CROW – rapport 93 4


4

Module 5 Bij de functionele benadering is de vraag naar de functie of functies van de afzonderlijke lagen in de verhardingsconstructie belangrijk. In module 3 (Mechanica van de verharding) is daar over gesproken. Dan kunnen de eigenschappen van de asfaltmengsels daarop afgestemd worden. Dit is niet eenvoudig, omdat het verbeteren van het ene aspect het andere verslechteren kan (verhoging van het percentage bindmiddel is gunstig voor de weerstand tegen vermoeiing en ongunstig voor de gevoeligheid voor permanente deformatie). Er zullen compromissen gesloten moeten worden, waarbij ook de financiële kant een rol speelt. In tabel 5-15is een overzicht gegeven van de relaties tussen bestaande mengseltypen en functionele eigenschappen. Deze tabel is bedoeld als aanzet tot een functionele karakterisering van de huidige mengsels. Duidelijk is dat niet alle mengsels gelijk hoeven te zijn. Van de eigenschappen in de tabel behoeft ‘compatibiliteit’ toelichting. Het heeft te maken van de hechting tussen het bindmiddel en het aggregaat. Deze bouwstoffen moeten zo worden gekozen dat ze gedurende de levensduur aan elkaar gehecht zijn/blijven. Ze moeten compatibel zijn, ze moeten elkaar ‘lusten’. Een bekend voorbeeld van incompatibiliteit tussen bitumen en aggregaat is vuursteen. Na menging van een vuursteenrijk grind met bitumen, zijn de vuurstenen als nagenoeg ‘kale’ stenen te herkennen. In de Standaard is dan ook een maximum percentage vuursteen voor grind en steenslag voorgeschreven.

Tabel 5-1 Mengseltypen met hun (expliciete) functionele eigenschappen Type mengsel GAB STAB OAB DAB SMA ZOAB

Dyn. Stijfheid

Vermoeiing

Vervorming

Verdichtbaarheid

Compatibiliteit

Veroudering

Oppervlakeigensch.

* * * * * -

* * * -

* * * * * -

* * * * *

* * * *

* *

* * *

De tabel heeft verder de inconsequentie dat niet alle eisen zijn aangegeven. Zo kan vanuit de samenstelling van het mengsel al een eigenschap impliciet gewaarborgd zijn. Een voorbeeld hiervan is (het ontbreken van) de compatibiliteit voor SMA6. Het niet benoemen van deze impliciete eigenschappen is overigens gevaarlijk, op het moment dat nieuwe componenten geïntroduceerd worden. Enkele van de overwegingen die leiden tot tabel 5-1 zijn hieronder weergegeven. Scheurvorming door vermoeiing begint aan de onderzijde van een asfaltverharding, de rek is daar het grootst. Vermoeiingsongevoeligheid is dan ook belangrijk voor de onderlagen (GAB en STAB). De 5

Op naar functionele asfaltmengsels, Publicatie 93, CROW, Ede 1995 Het SMA-mengsel is zo rijk aan bitumen en zo dicht dat water, en daarmee stripping, toch geen kans krijgt. 6


5

Module 5 tussenlaag (OAB) bevindt zich rondom de neutrale lijn van de constructie en daar zijn de rekken zeer klein: vermoeiing treedt niet op. Ook aan de bovenzijde is sprake van aanzienlijke trekrek, en daarmee van vermoeiing. Daarmee dienen ook deklagen vermoeiingsresistent te zijn. Bij SMA is het voorgeschreven bitumenpercentage dermate hoog dat een voldoende vermoeiingslevensduur gewaarborgd wordt geacht, de vermoeiingseigenschap is niet expliciet gemaakt. Voor ZOAB geldt dat het eerder als gevolg van duurzaamheidproblemen onderhoud zal behoeven dan als gevolg van vermoeiing: vermoeiing is daarom niet van belang

5.4

Verdichtingsmethoden

Welke mengselontwerpmethodiek men ook gebruikt, steeds zal men moeten verdichten. Als gezegd is de verdichting van een composiet als asfalt van (grote) invloed op alle eigenschappen van het mengsel, vooral op de mechanische. Aansluiting bij de praktijk dient dan ook gezocht te worden. Bij de verdichting van asfalt in het werk kunnen 4 hoofdgroepen van walsen worden onderscheiden: • de driewielwals, die statisch verdicht; • de tandemwals, die statisch of trillend verdicht; • de tandemtrilrol; • de bandenwals. Het doel van het verdichten is het grove aggregaat in beweging te brengen (trillend/knedend) en de korrels zodanig te laten bewegen (oriënteren) dat een meest dichte pakking en daardoor een minimale holle ruimte ontstaat. De beweging van de korrels in het verticale en horizontale vlak zijn hierbij essentieel. De meest gangbare verdichtingsmethoden7 in het zijn: • de slagverdichting (Marshallhamer); • de knedende verdichting (gyrator) • de trillende verdichting (kangohamer of triltafel); • de plaatverdichting (slab compactor) waarbij proefstukken geboord of gezaagd worden uit de platen. Bij de plaatverdichting kan de praktijkverdichting het dichtst benaderd worden. Als nadeel staat hier tegenover, dat de benodigde hoeveelheid asfaltspecie groot is en er een extra handeling nodig is om proefstukken in de gewenste afmeting te verkrijgen. Plaatverdichting is noodzakelijk voor het vervaardigen van proefstukken voor wielspoor- en vermoeiingsonderzoek volgens de in Nederland gebruikte methode. De trillende verdichting (met een kangohamer) wordt in het Verenigd Koninkrijk gebruikt om de maximale verdichting van asfaltspecie te bepalen (Percentage Refusal Density Test). Voor de verdichting in de weg moet dan voldaan worden aan een zeker percentage van deze maximale dichtheid. 7

Op naar functionele mengsels, CROW-werkgroep Asfalttechnologie


6

Module 5 De slagverdichting met de Marshallhamer wordt tot heden het meest gebruikt. Ervaring is dat er met het voorgeschreven aantal slagen van 2*50 geen garantie is dat hiermee ook de door verdichten in het werk te bereiken dichtheid wordt verkregen. Door sommige opdrachtgevers wordt dan ook 2*75 slagen voorgeschreven. Verder is duidelijk dat de oriëntatie van de korrels tijdens deze slagverdichting anders zal zijn dan tijdens het verdichten in het werk. Van de Marshallhamer bestaan 2 uitvoeringen, de ASTM-uitvoering met een houten F aambeeld en de Duitse uitvoering met een gietijzeren aambeeld. Ondanks de grote standaardisatie van Marshallhamers blijken er grote verschillen te zijn in slagkracht (de druk die door het valgewicht wordt uitgeoefend op het proefstuk).

Figuur 5-1: Principe van verdichting met gyrator.

Gyratorverdichting (figuur 5-1) wint (inter)nationaal steeds meer terrein. In de gyrator wordt het proefstuk een beetje scheluw rondgedraaid. Op het proefstuk

staat een kracht F. De gyrator is oorspronkelijk ontwikkeld door de Amerikaanse Genie (American corps of engineers). In Frankrijk heeft men dit verdichtingsprincipe in vergelijking met de rest van Europa het meest in de praktijk gebracht met een eigen uitvoering van de gyrator, de PCG (Presse à Cisaillement Giratoire). De proefstukken, diameter 300 mm, hoogte circa 150 mm, worden verdicht met een aantal omwentelingen dat gelijk is aan de nominale laagdikte. Het resultaat van het onderzoek wordt alleen gebruikt voor het bepalen van de en vullingsgraad) van een asfaltmengsel.

g = gab s = stab o = oab d = dab m= sma Figuur 5-2: Overeenkomst verdichtingsmethoden met praktijkverdichting (zie tekst).


7

Module 5 Uit onderzoek8 is gebleken dat de eigenschappen van met de gyrator verdichte proefstukken, ten opzichte van de andere verdichtingsmethoden, de beste relatie vertonen met dezelfde eigenschappen van boorkernen uit de weg. Dit kan afgelezen9 worden uit figuur 5-2. Figuur 5-2 is gebaseerd op veel metingen: vijf typen mengsels zijn op 5 verschillende wijzen verdicht en de verkregen proefstukken op vijf verschillende wijzen mechanisch gekarakteriseerd. Dit alles overeenkomstig tabel 5-2. Tabel 5-2: Details van uitgevoerd onderzoek, inclusief codering gebruikt in figuur 5-2 Mengsels Verdichting Test Stab Duitse Marshallhamer 1 Marshall stabiliteit gab g Vloei 2 Marshall vloei Ned. Marshallhamer stab s St.st 3 Statische kruip Dynamisch (Kango) oab o Tstr 4 Indirect treksterkte Gyrator dab d 5 Perm. deform. (dyn) Perm.def Plaat sma m Dyn.st. Dyn. kruipstijfheid Instant. resilient. mod Irm Tot. resilient modulus Trm In figuur 5-2 zijn de proefgrootheden als pijlen uitgezet. Dit is zo gedaan dat, voor zover mogelijk in een plat vlak, meetresultaten die met elkaar positief correleren, dezelfde richting op wijzen; correleren ze negatief dan wijzen ze tegengestelde richting uit. Meetresultaten die niet met elkaar correleren staan loodrecht op elkaar. Vervolgens kunnen de meetresultaten van de individuele mengsels in de figuur gezet worden. Dan wordt zodanig gedaan dat zoveel mogelijk recht gedaan wordt aan de specifieke waarden van alle meetgegevens. Dit betekent dat een mengsel dat veel vloei heeft zo geplaatst moet worden dat de projectie van dat mengsel op de grootheid vloei, aan de hoge kant van de pijl staat. Natuurlijk kan dit niet voor alle eigenschappen altijd helemaal. Daarom wordt de beste positie van het mengsel een compromis, dat bepaald wordt op grond van kleinste kwadraten som. Uit de figuur blijkt dat sommige verdichtingsmethoden het onderscheid tussen de verschillende type mengsels te niet doet. Dat is bijvoorbeeld het geval voor de plaatverdichting. Voor de plaatverdichting moet meteen aangetekend worden dat de bitumendosering bij de bereiding van die proefstukken niet correct was; algemene geldigheid is daarom niet verzekerd. In tabel 5-3 is aangegeven in hoeverre de verschillende verdichtingsmethoden laten zien dat de mengsels inderdaad verschillen in hun mechanische eigenschappen. Indien, dankzij de verdichtingsmethode, er geen verschillen zijn in mechanische eigenschappen van een sma en een gab, dan moet gesteld worden dat de verdichting niet relevant is. Tabel 5-3 laat zien dat dynamische verdichting en de gyrator het meest recht doen 8

Op naar functionele mengsels, CROW-werkgroep Asfalttechnologie Hopman P.C., Hopman-Rock M.; Door de bomen het bos zien; Wegbouwkundige Werkdagen 1992. 9


8

Module 5 aan de verschillen tussen de mengsels. Een belangrijke reden om de gyrator als verdichtingsmethode te kiezen. Tabel 5-3. Verschillen tussen mengseltypen, zoals die waargenomen kunnen worden bij verschillende verdichtingsmethoden Mengsels Verdichtingsmethode Gab Stab Oab Dab Sma Duitse Marshall * & * @ * Ned. Marshall * @ # & & Gyrator * @ # & $ Plaat * * * * * Dynamische (kango) * @ # & $ Overigens is uit figuur 5-2 ook te lezen dat de keuze van de verdichtingsmethode van groot belang is. Zo blijkt voor de sma-mengsels dat onder andere de gemeten vloei, en in mindere mate de gemeten permanente deformatie, sterk afhangt van de verdichtingsmethode die bij de bereiding van het proefstuk gebruikt is. Bepalend voor de verdichtende eigenschappen van een gyrator zijn de opgelegde verticale spanning tijdens de verdichting en de gyratorhoek. In de Standaard (proef 57.2) en in de EN-norm voor het verdichten van proefstukken zijn deze condities gestandaardiseerd. Door tijdens het verdichten de afname van de hoogte van het proefstuk (≡ de toename van de dichtheid proefstuk) te registreren ten opzichte van het aantal omwentelingen, is de weerstand tegen verdichting in een grootheid uit te drukken (figuur 5-3). Om dat te doen is een relatie nodig. Daartoe moet men veronderstellen dat de dichtheid (of de afname van de hoogte van het proefstuk) een emacht volgt (dat doen heel veel processen in de natuur). Daarmee is het verloop van Figuur 5-3:verdichtingscurve bepaald de dichtheid met met gyrator het aantal rotaties van de gyrator te schrijven als:

ρ (n) = ρ (∞) − [ρ (∞) − ρ (0)] ⋅ e waarbij:

ρ: n: C:

− Cn

de dichtheid van het proefstuk is aantal rotaties met gyrator weerstand tegen verdichting.

Als C klein is, dan zal het mengsel makkelijk verdichten. Asfaltkunde, module 5, maart 2006

9

Module 5

De meest logische definitie van 100% verdichting is de dichtheid van het proefstuk na oneindig veel rotaties, ρ(∝). Het probleem is dat deze dichtheid nooit te halen is, en zelfs niet gewenst hoeft te zijn. De CROWwerkgroep Asfalttechnologie heeft voorgesteld als 100% verdichting te definiëren de dichtheid die verkregen is als de afname van de hoogte van het proefstuk over 10 omwentelingen minder is dan 0.1 % van die hoogte. Deze dichtheid ligt dicht bij de dichtheid die bereikt wordt bij Marshallverdichting (2*50 slagen) maar is niet identiek. Voor oab ligt deze verdichting meestal wat hoger dan de Marshallverdichting. Tabel 5-4. Weerstand tegen verdichting, C, zoals gemeten voor verschillende dab-mengsels (gem. is gemidddelde, st.afw. is standaard afwijking). Weerstand tegen Weerstand tegen Mengsel / Mengsel / verdichting verdichting bit. gehalte bit. gehalte gem. st.afw. gem. st.afw. dab 0 / 8 dab 0 / 8 3 37 6.2 6 32 6.2 0.1 36 6.6 7 37 6.6 0.5 36 7.0 1 31 7.0 2 35 7.4 2 24 7.4 dab 0 / 11 dab 0 / 11 1 35 5.8 2 31 5.8 3 38 6.2 1 31 6.2 0.3 37 6.5 1 25 6.5 1 35 6.8 1 19 6.8 dab 0 / 11 5.8 34 0.5 6.2 29 0.5 6.5 26 0.8 6.8 22 0.5 dab 0 / 16 dab 0 / 16 0.3 36 5.6 1 29 5.8 0.9 36 6.0 3 28 6.2 2 33 6.3 2 25 6.6 1 32 6.6 4 21 7.0 dab 0 / 16 B dab 0 / 16 2 32 5.6 0.9 30 5.6 0.6 27 6.0 0.4 30 6.0 0.7 23 6.4 3 27 6.3 2 22 6.6 2 23 6.6 Uitdrukkelijk wordt opgemerkt dat niet zonder meer de eisen die gesteld worden aan Marshall-verdichte proefstukken van toepassing verklaard mogen worden op gyrator-verdichte proefstukken. Niet alleen de andere korrel- en steenstapeling is van belang, ook de gehaalde absolute dichtheid.


10

Module 5 In tabel 5-4 zijn enkele waarden aangegeven zoals ze gemeten zijn10 door de werkgroep Mengseltechnologie. Uit deze tabel blijkt dat er -op zijn minst voor dab- een licht effect is van het bitumengehalte (meer bitumen betekent makkelijker verdichtbaar). In tabel 5-5 is de weerstand tegen verdichting gegeven voor verschillende mengseltypen. Het betreft hier niet individuele mengsels maar populaties (dus een groot aantal mengsels). Tabel 5-5. Weerstand tegen verdichting, C, voor verschillende mengseltypen (gem. is gemiddelde, st.afw. is standaardafwijking). Mengseltype dab oab gab stab sma zoab

Weerstand tegen verdichting gem. st.afw. 30 5 35 3 24 4 28 4 32 5 30 5

Uit tabel 5-5 volgt dat er een gering onderscheid is tussen de mengseltypen. Dit betekent niet dat er geen onderscheid is tussen de individuele mengsels, zie de grootte van de standaardafwijking. De weerstand tegen verdichting kan voor een dab 35 (30 + 5) zijn en ook 25 (30 – 5). Als nadeel van de gyratorverdichting moet worden genoemd dat, door de gyratorhoek, de proefstukken niet haaks zijn. Voor sommige typen verder onderzoek op deze proefstukken dienen ze, door slijpen of polijsten, haaks gemaakt te worden. 5.5

Beproevingsmethoden van proefstukken

5.5.1 De Marshallmethode De Marshallmethode11 is al circa 40 jaar de standaardmethode in Nederland voor het vooronderzoek van asfaltmengsels; er is een zeer grote ervaring opgebouwd. De manier waarop de belasting wordt aangebracht, en daarmee de in het proefstuk optredende spanningen en rekken, staat mechanisch in geen enkele relatie met de optredende spanningen en rekken die opreden in een verharding. Daarom berust de toepassing ervan op het bestaan van correlaties, die uit het verleden stammen. 10

CROW-werkgroep Mengseltechnologie, Eindrapport ‘Op naar functionele mengsels’, CROW uitgave 93. 11 De methode wordt gedetailleerd beschreven in de proeven 56 en 57 van de Standaard, een praktische handleiding is opgenomen in de “Richtlijn vooronderzoek”, een uitgave van de VBW-Asfalt.


11

Module 5 Opgemerkt wordt dat een volumetrische controle niet echt plaats vindt; de volumetrische eigenschappen worden bepaald na een verdichting die onderhevig is aan kritiek (zie boven). Resumerend wordt gesteld dat met de Marshallproef op zijn best een kwalitatieve indruk verkregen wordt van: de weerstand tegen spoorvorming (de Marshallstabiliteit, holle ruimte); de stijfheid (de Marshallstijfheid). Bij relatief licht belaste verhardingen, waarin ook in de toekomst weinig verandering wordt verwacht, kan compensatie van deze beperkte informatie echter gevonden worden in de grote hoeveelheid ervaring die met de methode en met het gebruik van standaardbouwstoffen en standaardmengsels is opgedaan. Deze ervaring ontbreekt bij nieuwe bouwstoffen (denk aan gemodificeerde bitumina) en mengsels (onder andere zeer dunne deklagen en hoge percentages hergebruik). Voor zwaar belaste wegen is de verkregen informatie te weinig kwantitatief om met een acceptabele faalkans verhardingsconstructies te ontwerpen.

5.5.2 De PRADO-methode12 In Prado wordt een samenstelling gezocht op grond van volumeverhoudingen van de bouwstoffen. Het principe daarvan komt overeen met de volumetrische controle, zoals die behandeld is in de module Mengselopbouw. De gedachte achter de methode is dat een bitumineus mengsel is opgebouwd uit een steen-, zanden mortelfractie.13 De holle ruimten tussen de grove delen worden gevuld door de fijne delen. Het volume van de mastiek mag de holle ruimten in het geraamte van het mengsel daarbij niet overvullen. Als invoergegevens voor de methode worden gebruikt: De volumieke massa van de verschillende aggregaten (steen, zand en vulstof); De volumieke massa van het bindmiddel; De holle ruimte in het zand en de vulstof; Het percentage holle ruimte dat in het mengsel moet worden bereikt (afhankelijk van het mengseltype; Het volume van de steen- en zandfractie. De holle ruimte in het zand kan worden bepaald door het vervaardigen van Marshalltabletten van de zandfractie (materiaal tussen 2 mm en 63 µm), dat is omhuld met 5% bitumen 45/60. Het opruimend effect, de vergroting van de holle ruimte in de zandfractie die ontstaat door toevoeging van de steenfractie, wordt gesteld op 5% voor stenen met een maximale korrel > 7 mm en 3% voor een maximale korrel ≤ 7 mm. Vervolgens wordt het schijnbare volume van de zanden steenfractie samen berekend. In een bitumineus mengsel zorgen vulstof en bitumen er voor dat de zanden steenkorrels iets verder van elkaar komen te liggen. Dit effect wordt verruiming genoemd, waarvan de bijbehorende coëfficiënt de waarde 1,05 12

‘Handleiding voor de formulering van dichte bitumineuze mengsels’, aanbeveling A61/87 van het OpzoekingsCentrum voor de Wegenbouw Brussel. 13 In België wordt een vulstof/bitumen mengsel mastiek genoemd. Hier wordt de Nederlandse aanduiding gehandhaafd.


12

Module 5 krijgt. Rekening houdend met de gewenste holle ruimte in het asfaltmengsel kan nu de beschikbare holle ruimte voor de mastiek berekend worden. PRADO is als computerprogramma beschikbaar. PRADO geeft ook indicaties voor de mechanische eigenschappen van de mengsels, zoals de stijfheid, de weerstand tegen spoorvorming en vermoeiing. Als input heeft het programma nog de viscositeit van de mortel nodig, uitgedrukt in de toename van de verwekingstemperatuur (ΔTR&K). De indicaties zijn gebaseerd op nomogrammen en andere algemene rekenregels, en missen daardoor de specifieke mengselafhankelijke geldigheid. Pas als de volumetrische analyse is afgerond vindt omrekening naar gewichtsverhoudingen plaats. Bij de samenstelling in volumedelen dient rekening gehouden te worden met de gewenste mechanische eigenschappen van het mengsel. Tot slot vindt dan ook een mechanische controle plaats.

5.5.3 De Franse methode Een volledig vooronderzoek bestaat uit: het verdichten van verschillende mengsels met een gyrator, de Duriez-test een wielspoorproef. De geldigheid van het verkregen recept is 3 jaar. Voor de karakterisering van de mechanische eigenschappen ten behoeve van dimensionering wordt de E-modulus bepaald met de 2-punts buigproef op trapezoïdale proefstukken. De Duriez-test bestaat uit het vervaardigen van negen proefstukken, die worden bewaard bij 18 oC en 50% relatieve vochtigheid. Drie proefstukken worden drie dagen bewaard, drie proefstukken zeven dagen en drie vervolgens nog 7 dagen onder water. Na de bewaartermijn wordt de druksterkte (R1, R2 en R3) bepaald en, na drogen tot constante massa, de dichtheid van de proefstukken. Er zijn criteria voor R1 en R3/R2, de waterabsorptie en het poriëngehalte. De norm voor de wielspoorproef is minder dan 10% spoorvorming bij 60 oC na 30.000 overgangen. De stijfheid en de vermoeiing worden gebruikt als mengselspecifieke invoer bij het ontwerpen van de dikte van verhardingen.

5.5.4 Superpave Binnen het Amerikaanse Strategic Highway Research Progamm (SHRP) is de Superpave14 methode ontwikkeld. De methode bestaat uit 4 stappen: 1. Selectie van de materialen; 2. Selectie van de gewenste mengverhouding van de aggregaten; 3. Selectie van het gewenste bindmiddelgehalte; 4. Evaluatie van de vochtgevoeligheid.

14

Superpave staat voor Superior Pavements


13

Module 5 Als bijzonderheid bij de keuze van het bitumen hebben ze bitumen klasse gedefinieerd die gerelateerd zijn aan het klimaat. Het klimaat is daarbij vastgelegd door de hoogste en laagste temperatuur die in een jaar voorkomt, over een aaneengesloten periode van enkele dagen. De bedoeling hiervan is dat schade ten gevolge van lage temperaturen (scheuren) én ten gevolge van hoge temperaturen (spoorvorming) voorkomen wordt. Een andere bijzonderheid is dat er aan het bitumen eisen gesteld worden met betrekking tot de weerstand tegen vervorming en die tegen vermoeiing. Beide eisen hebben betrekking op de weerstand tegen vormverandering , de glijdingsmodulus G (zie Module 4, waar G is beschreven voor mengsels. Voor bitumen is de betekenis precies dezelfde). Omdat de glijdingsmodulus visco-elastisch is en dus een fase hoek heeft, wordt de glijdingsmodulus aangeduid met G*. De fasehoek met δ. De eis met betrekking tot de vervormingsweerstand is nu dat G*/sin(δ) groot moet zijn. Immers, als G* groot is, is er slechts weinig verplaatsing mogelijk bij een (grotere) kracht. Als deze (geringe) verplaatsing ook nog elastisch is –kleine δ- dan draagt het bindmiddel optimaal bij aan de vormvastheid van het asfaltmengsel. De eis met betrekking tot de vermoeiingsweerstand is dat G*xsin(δ) klein moet zijn. Immers, als er bij een belasting weinig of geen energie gedissipeerd wordt –dus kleine G* en kleine δ- zal er (zie Module 4) geen vermoeiingsschade veroorzaakt worden. Na de eerste keuze van de gewenste mengselsamenstelling (aggregaat en bitumen) worden drie varianten van de verhouding van de aggregaten met een gelijk bindmiddelpercentage onderzocht. Van iedere variant worden twee proefstukken verdicht met de gyrator en van twee monsters specie wordt de dichtheid bepaald. De volumeverhoudingen en de dichtheid worden vergeleken met de betreffende specificaties. De volgende stap is een verificatie van het in eerste instantie geschatte bindmiddelpercentage. Met de gekozen mengverhouding van de aggregaten worden vier bitumenvarianten onderzocht door deze met de gyrator te verdichten. Het aantal omwentelingen is voorgeschreven en afhankelijk van de toe te passen laagdikte. Het te kiezen bindmiddelpercentage is het percentage waarbij, met het voorgeschreven aantal omwentelingen, de holle ruimte 4% bedraagt. De range voor de holle ruimte is 3-5%. De laatste stap is de bepaling van de vochtgevoeligheid volgens AASHTO T283. Hierbij wordt de indirecte treksterkte vergeleken van twee series van drie proefstukken die boven respectievelijk onder water zijn bewaard. De verhouding van de treksterktes van onder water en boven water bewaarde proefstukken (TSR) moet groter zijn dan 80%. De criteria voor de holle ruimten in het mineraal aggregaat (VMA), bij een holle ruimte in het mengsel van 4% zijn afhankelijk van de nominale maximale korrelafmeting. De criteria voor het percentage gevulde holle ruimte in het mineraal aggregaat (vullingsgraad VFA) zijn afhankelijk van de verkeersbelasting in equivalente standaard aslasten (ESAL). Als proef zijn in Nederland enige vakken aangelegd met asfaltmengsels die volgens de SHRP-methode zijn ontworpen.


14

Module 5 5.5.5 De nieuwe Europese methode De vooruitzichten zijn dat uiterlijk in december 2003 de huidige Nederlandse normen en voorschriften vervangen worden door een nieuwe serie opgesteld door internationale werkgroepen, samenwerkend binnen de CEN, het Comité Européen de Normalisation. Voor de wegenbouw in haar totaliteit betekent dit de invoering van ongeveer 250 normen en testmethoden. Veel EN-normen zijn eigenlijk compromissen van wat in de deelnemende landen gebruikelijk was: ieder land kan door de gemaakte keuze zo goed mogelijk aansluiten bij zijn of haar praktijk. Voor asfalt wordt onderscheid gemaakt tussen: zandskeletmengsels, steenmastiekasfalt, zeer open asfaltbeton, gietasfalt, zeer dun asfalt. Ook kent men de in Nederland niet gebruikte soorten Soft en Hot Rolled Asphalt. Bij het mengselontwerp kan gekozen worden voor een op empirie gebaseerde ontwerpmethode of voor een functionele ontwerpmethode. In CEN-norm 13108-1 wordt voor de aggregaten (steen, zand en vulstof) verwezen naar de ontwerpnorm 13043, die gaat over toeslagmaterialen voor asfalt. In deze laatste norm zijn de relevante eigenschappen van deze materialen verdeeld in categorieën (klassen) waaruit gekozen kan worden. Voor asfaltgranulaat is er een aparte norm, prEN 13108-8. De penetratiegebieden voor bitumen (paving grades) wijken iets af van de thans gebruikelijke, 45/60 wordt 40/60, 80/100 wordt 70/100. De bij de toeslagmaterialen gehanteerde mogelijkheid tot keuze uit categorieën is ook voor asfalt gehanteerd. Voor de holle ruimte kan gekozen worden voor een minimum en een maximum waarde. De holle ruimte kan bepaald worden na verdichting van proefstukken met een Marshallhamer (ASTM of Duitse uitvoering) met 2*50 of 2*75 slagen, trillende verdichting (Kango-hamer) of met een gyrator, na 40, 60, 80, 100 of 120 omwentelingen (afhankelijk van de nominale laagdikte). De watergevoeligheid wordt, analoog aan de Superpave-methode, bepaald door de verhouding van de indirecte treksterkte na en voor bewaring in water. Voor de korrelverdeling van de diverse typen asfalt bestaan keuzemenu’s met ‘target compositions’. Voor het bindmiddelgehalte (categorie) moet gecorrigeerd worden ten opzichte van een dichtheid van het mineraal aggregaat van 2650 kg/m3. Bij de empirische methode wordt de Marshallproef gebruikt voor de bepaling van de mechanische eigenschappen. Verder zijn er keuzes uit categorieën voor de vullingsgraad en de holle ruimte in het mineraal aggregaat. Voor de holle ruimte na


15

Module 5 verdichting met de gyrator na 10 omwentelingen is er keuze uit categorie A (minimaal 10 %), categorie B (minimaal 9 %) en categorie Z (geen eis). Ook is opgenomen een tabel met eisen voor de weerstand tegen permanente vervorming, bepaald op proefplaten of cilinders. Ook hiervoor bestaat een categorie ‘geen eis’ (no requirement). Dit laatste geldt overigens ook voor de Marshalleigenschappen en overige eigenschappen. In principe sluit deze methode dus volledig aan bij de huidige Nederlandse methode. Men zal alleen moeten wennen aan de berekening van de korrelverdeling als het cumulatieve percentage dat de zeef passeert (in plaats van op de zeef blijft liggen) en het bitumenpercentage “in” in plaats van “op”. 5.6

De methode COMPASS

COMPASS, COmparing Mix and Pavement StructureS, is een geïntegreerde mengsel- en dimensioneringsmethode die is ontwikkeld door de CROW-werkgroep ‘Zwaarbelaste verhardingen’15. Centraal staat in deze methode het uitgangspunt dat een goed ontwerp voor een verharding hand in hand gaat met een ontwerp van een mengsel. Immers, de constructie is bepalend voor de belastingscondities waaraan een mengsel wordt blootgesteld. Evenzo bepaalt de maximale belasting die een mengsel kan hebben de aan de constructie te stellen eisen. De ontwerper heeft ontwerpcondities: die geven aan welke belastingen verwacht worden, welke (type) materialen gebruikt moeten worden, en ook (vooral) welke schade-ontwikkeling acceptabel geacht wordt. De ontwerper begint met een kandidaat-constructie, die bedacht is op grond van ervaring of anderszins. Er zijn ook kandidaat-mengsels vastgesteld. Met een lineair (visco-)elastisch programma worden voor de maatgevende condities de spanningen, rekken en verplaatsingen uitgerekend. Daarvoor zijn materiaalparameters nodig (stijfheid, fasehoek, bulkmodulus). 16 Ook kan –afzonderlijk- de permanente deformatie berekend worden, die een gevolg is van viskeuze vervorming van het asfalt. Met behulp van andere materiaal parameters –die wel bekend dienen te zijn- worden de kansen op het optreden van andere schaden uitgerekend. In eerdere hoofdstukken is besproken wat de relatie is tussen de rekken en spanningen die berekend zijn en de schade die verwacht moet worden. Ook zijn de uit te voeren proeven besproken.

15

Zet koers met COMPASS, Publicatie 140, CROW, Ede, 1999 Als rekenprogramma is gebruikt VEROAD (Visco Elastic ROad Analysis Delft), een programma dat in opdracht van Rijkswaterstaat is ontwikkeld door P.C. Hopman. 16


16

Module 5

Constructie Mengsel samenstelling

Ontwerpcondities

Verkeer Temperatuur Materialen

Type en aantal lagen Laagdikte Ondergrond

Verwerkbaarheid

Proefstukken: diameter 100 mm 75 mm

Tri-axiale kruip

Stijfheden fasehoeken

Directe trek/druk: sterkte breukenergie

Berekening lineair visco-elastische response

Permanente deformatie

Viskeuze vloei

Vermoeiing

Scheurgroeigevoeligheid

Plastische vloei Nee Voldaan aan ontwerpcriteria? Ja Resultaat

Figuur 5-4: De COMPASS-methode

Voor het bepalen van de belangrijkste (mechanische) eigenschappen worden gebruikt: • een 4-, 3- of 2-puntsbuigproef voor de bepaling van de stijfheid en de fasehoek; • een uniaxiale trek-druk proef, voor de bepaling van de cohesie en de hoek van inwendige wrijving (Mohr-Coulomb); • een cyclische triaxiale kruipproef, voor de bepaling van de viskeuze vervorming. De methode COMPASS is schematisch weergegeven in figuur 5-4.


17

Module 5 Bijlage


Module 5, Bijlage Case N249

Asfaltkunde, module 5 bijlage, maart 2006

1

Module 5 Bijlage 1

Inleiding

Studenten van de Hogeschool Alkmaar hebben in mei 2000 een ontwerpexercitie met betrekking tot de reconstructie van de N249 nabij Anna Paulowna afgerond. In het ontwerpproces is de COMPASS-methode vergeleken met de meer reguliere ontwerp methode “ASCON”. De COMPASS-methode is een fundamentele methode die alleen kan worden uitgevoerd wanneer de eigenschappen van de verschillende lagen in de verharding bekend zijn. Ten behoeve van het ontwerp van de reconstructie van de N249 zijn hierom zes kernen geboord. Uit deze kernen zijn proefstukken vervaardigd die in het laboratorium van KOAC•NPC zijn beproefd. Van nieuw aan te brengen lagen zijn de eigenschappen aangehouden zoals deze in eerdere onderzoeken zijn bepaald.


2

Module 5 Bijlage

2 2.1

Proeven Kernen

Uit de kernen is afgeleid dat de constructie vóór reconstructie bestaat uit 40 mm DAB op 40 mm OAB op 60 GAB. Om het ontwerp van de reconstructie mogelijk te maken moeten van deze materialen dus de eigenschappen worden bepaald. In de hierna volgende paragrafen wordt steeds kort aangegeven welke eigenschappen zijn bepaald en hoe deze bepaald zijn. 2.2

Stijfheid, “frequency sweep”

Reden Onderlinge stijfheidsverhoudingen bepalen hoe zwaar materialen belast worden. Dit wordt duidelijk wanneer we bedenken dat een stalen rijplaat op veen zeer veel lastspreiding zal geven terwijl dezelfde rijplaat op een betonverharding bij gelijke belasting een beetje “klapperen” en geen bijdrage zal leveren aan lastspreiding. De stijfheid van de rijplaat is niet veranderd, de lastspreiding die de rijplaat geeft is blijkbaar afhankelijk van de stijfheid van de omgeving. Bij verhardingsconstructies is dit niet anders. Functioneel ontwerpen van verhardingen is dan ook alleen mogelijk wanneer we de onderlinge stijfheidsverhoudingen kennen. Proef Asfalt heeft visco-elastische eigenschappen. Dit betekent dat de stijfheid van asfalt afhankelijk is van de snelheid (frequentie) van belasten. Dit gedrag wordt goed beschreven door het Burgers’ model, besproken in module 4. Om de materiaaleigenschappen van asfalt te kunnen bepalen zal de stijfheid van het materiaal moeten worden gemeten bij verschillende frequenties. De proef waarmee deze data wordt verkregen wordt veelal “frequency sweep” genoemd. In het Nederlands wordt dit “meetmethode mechanische spectrum”. Tijdens de proef wordt een sinusvormige, krachtgestuurde wisselbelasting aan het proefstuk opgelegd. De frequentie van deze belasting wordt stapsgewijs verhoogd, waarbij een spectrum van 0,1 Hz tot 30,0 Hz wordt doorlopen. De meetfrequenties (Hz) zijn veelal: 0,1 0,2 0,3 0,5 0,8 1,2 1,7 2,6 3,9 5,9 8,8 13,3 20,0 30,0 Omdat het gedrag van bitumen afhankelijk is van de temperatuur zal ook het gedrag van asfalt afhankelijk zijn van de temperatuur. Om ook in deze temperatuurafhankelijkheid inzicht te verkrijgen wordt de proef bij verschillende temperaturen uitgevoerd. In deze exercitie is het mechanisch spectrum bepaald bij 15°C en bij 25°C.


3

Module 5 Bijlage Tijdens de meting wordt geregistreerd: -

het reksignaal het krachtsignaal

Uit de grootte (amplitude) en de faseverschillen van de beide signalen kunnen de materiaalparameters E1, E2, η1 en η2 van het Burgersmodel bepaald worden. Resultaten Met de frequency sweep wordt de stijfheid van asfalt gemeten als een functie van de lastfrequentie. Ook de fasehoek (mate van visceus gedrag) wordt gemeten. In de hierna afgebeelde tabellen en figuren staan de meetdata gegeven zoals verkregen voor DAB.


4

Module 5 Bijlage

Frequentie Smix [Hz] [MPa] 1 0.1 1115 2 0.2 1350 3 0.2 1640 4 0.3 1897 5 0.5 2341 6 0.8 2872 7 1.2 3447 8 1.7 4061 9 2.6 4710 10 3.9 5480 11 5.9 6261 12 8.8 7189 13 13.3 8102 14 20.0 9046 15 30.0 10021 Tabel 5.C-1: resultaten frequency sweep DAB 15°C Nummer

12000

Fasehoek [°] 43.1 42.4 41.5 39.9 40.4 36.6 35.1 35.1 33.4 31.6 29.5 27.7 25.8 23.7 22.2

50,0 45,0

10000

40,0 35,0

Smix [MPa]

8000

30,0 6000

25,0

stijfheid fasehoek

20,0 4000

15,0 10,0

2000

5,0 0 0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

0,0 35,0

f [Hz]

Figuur 5.C-1: resultaten frequency sweep DAB 15°C In tabel 5.C-1 is één dataset gemarkeerd. Deze dataset betreft een zogenaamde “uitbijter”. De fasehoek wijkt immers duidelijk af van het totaalbeeld. Bij verdere analyse worden uitbijters niet beschouwd.


5

Module 5 Bijlage Fasehoek [°] 47.7 48.4 49.1 48.5 48.4 48.0 47.3 46.7 45.9 44.8 43.4 41.9 40.2 38.2 36.2

Frequentie Smix [Hz] [MPa] 1 0.1 283 2 0.2 343 3 0.2 414 4 0.3 533 5 0.5 665 6 0.8 819 7 1.2 1007 8 1.7 1239 9 2.6 1520 10 3.9 1860 11 5.9 2263 12 8.8 2745 13 13.3 3309 14 20.0 3971 15 30.0 4707 Tabel 5.C-2: resultaten frequency sweep DAB 25°C Nummer

60,0

5000 4500

50,0

4000

Smix [MPa]

3500

40,0

3000 30,0

2500

stijfheid fasehoek

2000 20,0

1500 1000

10,0

500 0 0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

0,0 35,0

f [Hz]

Figuur 5.C-2: resultaten frequency sweep DAB 25°C De resultaten laten in algemene zin duidelijk zien wat we al wisten: Hoge frequentie = materiaal is stijf (hoge Smix) en weinig viskeus (kleine fasehoek) Lage frequentie = materiaal is slap (lage Smix) en viskeus (grote fasehoek) Hoge temperatuur = materiaal is relatief slap (lage Smix) en viskeus (grote fasehoek)


6

Module 5 Bijlage Materiaalgedrag De hiervoor beschreven proefdata is vertaald naar het gedrag van asfalt in termen van E1, E2, η1 en η2. In andere woorden: het gemeten gedrag is verklaard met behulp van een het materiaalmodel zoals dat door Burgers is opgesteld. Hiertoe is gebruik gemaakt van een computerprogramma dat op basis van de meetdata de Burgers-parameters bepaald, bovendien geeft dit programma met een cijfer aan hoe goed het materiaalmodel de meetdata beschrijft. Dit cijfer heet verklaarde variantie en wordt met r2 aangeduid. Een r2 van 0,97 is te vergelijken met een rapportcijfer 9,7 en geeft dus aan dat het materiaalmodel de werkelijkheid zeer goed beschrijft. Een r2 van 0,5 komt overeen met een rapportcijfer 5 en geeft aan dat het materiaalmodel de werkelijkheid slecht beschrijft. Hieronder volgt een opsomming van de verwerkte proefresultaten. materiaal Temp. [0C] 15 DAB 25 15 OAB 25 15 GAB 25

E1 [MPa] 8454 3934 9277 3884 10593 5927

E2 [MPa] 3549 989 2774 556 4993 1650

η1 [MPa.s] 2029 477 1350 207 2259 600

η2 [MPa.s] 530 125 536 98 613 222

r2 [-] 0,98 0,98 0,98 0,99 0,99 0,99

Tabel 5.C-3: verwerkte resultaten frequency sweep. 2.3

Viskeuze vervorming (spoorvorming)

Reden Asfalt is een zeer succesvol wegenbouwmateriaal omdat het viscoelastische eigenschappen bezit. Deze eigenschappen maken dat asfalt temperatuurspanningen zonder voegen kan opvangen en bovendien in staat is vervormingen ten gevolge van ongelijkmatige zettingen te volgen zonder te scheuren. Nadeel van de visco-elastische eigenschappen is dat onder herhaalde asfalt viskeus vervormt. Deze vervorming uit zich als primaire spoorvorming. Om te kunnen beoordelen of een ontwerp gevoelig is voor primaire spoorvorming moet de spoorvormingsgevoeligheid van asfalt bekend zijn. Hiertoe wordt het materiaal tot 7200 lastwisselingen belast in een dynamische triaxiaalproef. Proef Bij een dynamische triaxiaalproef wordt het asfaltproefstuk alzijdig (als een pak vacuümverpakte koffie) samengedrukt met 0,05 MPa. In verticale richting wordt het asfalt herhaaldelijk belast alsof er vrachtauto’s passeren. Elke seconde wordt één belasting aangebracht. De belasting duurt 0,2 sec en heeft een spanning van 0,45 MPa. Tussen twee belastingen in is het asfalt 0,8 sec in rust. Men heeft om praktische redenen ervoor gekozen dat de proef niet langer dan 2 uur mag duren. Omdat er per seconde één belasting wordt


7

Module 5 Bijlage uitgevoerd kunnen dus 7200 lastwisselingen worden aangebracht. Om voldoende vervorming te meten wordt de proef uitgevoerd bij 50 0C. Tijdens de proef wordt de axiale vervorming (hoogte) van het asfalt constant gemeten. Resultaten Hieronder is een scan van de proefdata zoals die door het laboratorium wordt aangeleverd opgenomen. Het betreft hier de resultaten verkregen voor de OAB uit kern 7743. De proefdata laat zien dat het asfalt eerst snel vervormt. Na ongeveer 1000 lastherhalingen neemt de vervorming sterk af, waardoor bij benadering een rechte ontstaat. In het laboratorium is de rekhelling voor deze rechte bepaald. Bij de gegeven proefdata bedraagt deze rekhelling –0,20 μm/(m.s).

Figuur 5.C-3: scan van de triaxiaalproefresultaten, OAB 50°C Materiaalgedrag Er is bekend welke belasting aan het asfalt is opgelegd zodat uit de rekhelling bepaald kan worden wat de vervorming per lastcyclus is. Uit deze vervorming per lastcyclus kan eenvoudig de waarde van ηperm bepaald worden. In de volgende tabel zijn de waarden van ηperm zoals die zijn bepaald gegeven.


8

Module 5 Bijlage

Rek na 2 uur Rekhelling Code Materiaal proefstuk [μm/m] [μm/m*s] 7743-1 DAB -63000 -3,16 7744-1 DAB -48000 -0,85 7743-2 OAB -28000 -0,20 7744-2 OAB -17000 -0,24 7743-3 GAB -36000 -0,85 7744-3 GAB -23000 -0,49 Tabel 5.C-4: resultaten dynamische triaxiaalproef 2.4

ηperm [MPa*s] 2,53*104 9,41*104 4,00*105 3,33*105 9,41*104 1,63*105

Sterkte (plastische vervorming)

Reden Net als ieder ander materiaal kan ook asfalt worden overbelast. Wanneer asfalt wordt overbelast zal dit resulteren in kompleet falen van de verharding na één lastwisseling. Indien de spanningen in het asfalt echter dicht in de buurt van de faalspanningen komen zal de verharding niet in één keer bezwijken, maar bijvoorbeeld na 100 lastwisselingen veel spoorvorming te zien geven. Viskeuze vervormingen hebben dan plaatsgemaakt voor plastische vervormingen, een situatie die moet worden voorkomen. Proef Omdat asfalt bestaat uit een, met bitumen aan elkaar geplakte, korrelmatrix heeft het een sterkte die spanningsafhankelijk is. Net als een pak koffie is asfalt sterk als het alzijdig wordt ingeklemd en zwakker wanneer het deze inklemming niet heeft. Zoals eerder beschreven wordt dit type materiaalgedrag beschreven door de Mohr-Coulomb faallijn. Om de ligging van deze lijn te kunnen bepalen moet asfalt onder twee, van elkaar verschillende, spanningscondities tot bezwijken worden gedwongen. Uit praktische overwegingen is ervoor gekozen hiervoor een druk- en een trekproef te gebruiken. Resultaten De resultaten van de trek- en de drukproeven zijn hierna in tabellen gegeven. Vtrek [mm/s] 7740-1 DAB 0,2 7741-1 DAB 0,2 7740-2 OAB 0,2 7741-2 OAB 0,2 7740-3 GAB 0,2 7741-3 GAB 0,2 Tabel 5.C-5: de resultaten van de trekproeven Proefstuk code

Materiaal


Fmax [N] 1689 1704 1055 977 2425 2159

σtrek [MPa] 0,97 0,96 0,63 0,59 0,93 0,82

9

Module 5 Bijlage

Vdruk Fmax [mm/s] [N] 7739-1A DAB 0,2 X 7739-1B DAB 0,2 X 7739-2A OAB 0,2 X 7739-2B OAB 0,2 -4704 7739-3A GAB 0,2 X 7739-3B GAB 0,2 -20000 Tabel 5.C-6: de resultaten van de drukproeven (X: proef mislukt) Proefstuk code

Materiaal

σdruk [MPa] -2,64 -7,73

Materiaalgedrag Het doel van de druk- en trekproeven is de C [MPa] en Φ [0] van de verschillende typen asfalt te bepalen. De voorgaande tabellen geven aan dat er voor DAB geen drukproefdata beschikbaar is. Om dit gat in de data aan te vullen is voor de DAB een Φ [0] van 340 aangehouden, zoals gegeven in CROW publicatie 140. Met deze toevoeging zijn de volgende C [MPa] en Φ [0] bepaald. σdruk [MPa] σdruk [MPa] C [MPa] Φ [0] niet 0,97 0,91 34,0 beschikbaar OAB -2,64 0,61 1,30 52,7 GAB -7,73 0,88 0,63 39,0 Tabel 5.C-7: Mohr-Coulomb gedrag van de aanwezige materialen Materiaal DAB

2.5

Vermoeiing

Reden Onder een wiellast zal een weg iets vervormen. Deze vervormingen buigen het asfaltpakket. Net als ieder ander materiaal zal asfalt deze buiging een eindig aantal keren kunnen weerstaan voordat zich scheurtjes gaan ontwikkelen. Om inzicht te krijgen in de gevoeligheid van een mengsel voor de ontwikkeling van scheuren ten gevolge van vermoeiing worden asfaltbalkjes in het laboratorium blootgesteld aan herhaaldelijke buiging. Proef Om de vermoeiingsgevoeligheid van asfalt te kunnen bepalen worden asfalt balkjes aan herhaalde buiging blootgesteld (3- of 4 puntsbuigproef). Tijdens het herhaaldelijk belasten wordt over het algemeen een rekniveau opgelegd dat overeenkomt met het rekniveau dat in de weg verwacht wordt. Tijdens de proef worden buigvervorming en opgelegde kracht constant gemeten. Doordat het materiaal vermoeid raakt is er steeds minder kracht nodig om dezelfde buigrek te krijgen. Uit de teruggang van de benodigde kracht wordt de vermoeiingslevensduur bepaald. Door de proef bij verschillende rekniveau’s uit te voeren wordt inzicht verkregen in de lastafhankelijkheid van vermoeiing. Resultaten


10

Module 5 Bijlage Uit de bestaande verharding zijn geen balkjes gezaagd. Hierdoor konden geen vermoeiingsproeven worden gedaan. Materiaalgedrag In het ontwerpproces is aangenomen dat de verschillende materialen zich gedragen conform de vermoeiingslijnen gegeven in CROW-publicatie 140. Voor de onderste laag is de vermoeiingslijn voor GAB (F78-mengsels) aangehouden. 2.6

Conclusie

Van de materialen in de bestaande constructie zijn nu de volgende eigenschappen bekend. Vergelijk dit met het stroomschema “COMPASS” elders in module 5.

Proef frequency sweep

Gedrag Burgers model

Type schade stijfheid, bepaalt de mate van belasting druk- en trekproef Mohr-Coulomb sterktegrens plastisch vervormen triaxiaalproef viskeus vervormen spoorvorming buigproef vermoeiing vermoeiingsscheuren Tabel 5.C-8: Proeven, materiaalgedrag en type schade. De kern van de methode COMPASS wordt gevormd door VEROAD. VEROAD is een rekenprogramma waarmee wegconstructies kunnen worden gemodelleerd. Met VEROAD is het mogelijk het mechanisch gedrag van een weg te berekenen op basis van het gedrag van de verschillende lagen (materiaalgedrag), de dikte van deze lagen (geometrie) en de belasting op de weg (last). De combinatie van de proefdata en VEROAD vormt een zeer krachtig ontwerpgereedschap dat het weggedrag verklaart op basis van realistische en lastduur afhankelijke onderlinge stijfheidsverhoudingen. VEROAD maakt het mogelijk uitspraken te doen omtrent de ontwikkeling van primaire spoorvorming, kans op plastisch bezwijken en vermoeiing.


11

Module 5 Bijlage

3 3.1

Ontwerpberekeningen Inleiding

COMPASS is een fundamentele ontwerpmethode die materiaalgedrag koppelt aan het gedrag van verhardingen. COMPASS heeft hierdoor vooral meerwaarde wanneer zwaar belaste verhardingen worden ontworpen. Bestaande ontwerpmethoden verliezen immers hun geldigheid wanneer de wegbelasting hoog oploopt. De belasting van de N249 is van dien aard dat ook met reguliere methoden tot een goed ontwerp kan worden gekomen. Voor het ontwerp van de N249 moet de methode COMPASS aldus tot een ontwerp komen dat vergelijkbaar is met een ontwerp met reguliere methoden. Om het voorgaande te toetsen is COMPASS vergeleken met ASCON. 3.2

ASCON

ASCON (ASfaltCONstructie) is een programma van Rijkswaterstaat. Het programma is gebaseerd op klassieke methoden om wegen te ontwerpen. Met ASCON is bepaald dat de volgende constructies voldoen aan de ontwerpeisen van Rijkswaterstaat. Laag constructie A constructie B constructie C deklaag DAB 0/16 ZOAB 0/16 SMA 0/11 type 2 40 mm 50 mm 40 mm tussenlaag OAB 0/16 type2 STAB 0/16 OAB 0/16 type2 40 mm 40 mm 40 mm onderlaag GAB 0/16 GAB 0/16 GAB 0/16 60 mm 50 mm 60 mm tabel 5.C-9: ASCON ontwerpen 3.3

COMPASS

Naast de bestaande situatie zijn met COMPASS drie ontwerpen doorgerekend. Ook is de bestaande situatie gecontroleerd (constructie 1). De situatie bij langzaam rijdend verkeer (20 km/h) is hierbij aangehouden. Dit in verband met filevorming en aanwezige rotondes. De volgende constructies zijn door gerekend. Laag deklaag

constructie 2 SMA 40 mm tussenlaag OAB 40 mm onderlaag GAB 60 mm tabel 5.C-10: COMPASS ontwerpen.

constructie 3 SMA 40 mm OABmod 40 mm GAB 60 mm


constructie 4 DAB 40 mm OAB 40 mm STAB 60 mm

12

Module 5 Bijlage Uit de resultaten wordt afgeleid dat constructie 4 te gevoelig is voor plastische vervormingen, ofwel overbelasting. Constructies 2 en 3 voldoen beide ruim aan de ontwerpcriteria en zijn daarmee toepasbaar. Bij constructie 3 is een tussenlaag met gemodificeerde bitumen toegepast. Deze constructie gedraagt zich ten aanzien van spoorvorming (viskeus), vermoeiing (scheuren) en sterkte (plastische vervorming) beter dan constructie 2. Omdat constructie 2 echter reeds voldoet is geconcludeerd dat modificatie alleen behoeft te worden toegepast indien de winst in levensduur de meerkosten rechtvaardigt. Hierna volgen enige rekenresultaten voor de bestaande constructie en constructie 2. Viskeuze vervorming

6,00E-06 4,00E-06 2,00E-06 0,00E+00 -1000

-750

-500

-250

0

250

500

750

1000

-2,00E-06 -4,00E-06 -6,00E-06

z=0 z=40

-8,00E-06

z=80

-1,00E-05 -1,20E-05

Figuur 5.C-4: verticale permanente viskeuze vervorming “Uz” in constructie 2 na 1 SAL100 passage, y=0


13

Module 5 Bijlage 1,00E-05 8,00E-06

z=0

6,00E-06

z=40 4,00E-06

z=80

2,00E-06 0,00E+00 -1000

-750

-500

-250

0

250

500

750

1000

-2,00E-06 -4,00E-06 -6,00E-06 -8,00E-06 -1,00E-05

Figuur 5.C-5: horizontale permanente viskeuze vervorming constructie 2 na 1 SAL100 passage, x=0

“Uy”

in

Sterkte (plastische vervorming)

onderzijde OAB

0,25 0,2 0,15 0,1 0 74 -1

0,05 80 -5

0 0 -5 0 38 20 13

Figuur 5.C-6: bezwijk-ratio bestaande situatie, Z = 80 mm onderzijde tussenlaag


14

Module 5 Bijlage onderzijde GAB

0,25 0,2 0,15 0,1 74 -1

0

0,05 -5

80

0 -5

0 38

0 2 13

0

Figuur 5.C-7: bezwijk ratio bestaande situatie, Z = 140 mm onderzijde onderlaag 3.4

Conclusie

Binnen het geldigheidsgebied van bestaande ontwerpmethoden leidt het “nieuwe denken” in termen van functionele eisen en bijbehorende ontwerpmethoden niet tot andere ontwerpen. Wel wordt vanuit een functioneel perspectief meer inzicht gekregen in het gedrag van verschillende ontwerpen. Hierdoor wordt het mogelijk nuances aan te brengen die met gangbare methoden niet kunnen worden aangebracht. Met COMPASS is bepaald dat ASCON ontwerp C (standaardopbouw van de provincie) ruim voldoet aan de ontwerpeisen. De nuance die is aangebracht is dat modificatie van de tussenlaag het gedrag van de verharding verder zal verbeteren. Tevens is aangegeven hoe groot deze verbetering in termen van levensduur (spoorvorming en vermoeiing) en sterkte (kans op plastische vervorming) is. De politiek heeft hierna de taak gehad kosten tegen kwaliteit af te wegen.


15

Module 6


Module 6: Aggregaten

1

ALGEMEEN ......................................................................................................2

2

RELEVANTE EIGENSCHAPPEN VAN AGGREGATEN.................................3 2.1 GEOLOGISCHE HERKOMST AGGREGATEN ..........................................................4 2.1.1 Dieptegesteente ....................................................................................4 2.1.2 Uitvloeiinggesteenten ............................................................................4 2.1.3 Metamorfe gesteenten...........................................................................4 2.1.4 Niet-natuurlijke gesteenten....................................................................5 2.2 DICHTHEID EN PORIËNGEHALTE ........................................................................5 2.2.1 Gesteenten ............................................................................................5 2.2.2 Zand.......................................................................................................6 2.2.3 Vulstof....................................................................................................6 2.3 KORRELVORM ..................................................................................................6 2.3.1 Gesteenten ............................................................................................6 2.3.2 Zand.......................................................................................................6 2.3.3 Vulstof....................................................................................................7 2.3.4 Asfaltgranulaat.......................................................................................7 2.4 KORRELVERDELING ..........................................................................................7 2.4.1 Gesteenten ............................................................................................7 2.4.2 Zand.......................................................................................................7 2.4.3 Vulstof....................................................................................................9

3

VULSTOFFEN...................................................................................................9 3.1 VUL-STOF ........................................................................................................9 3.2 ROL VISCOSITEIT..............................................................................................9 3.2.1 Benatten ................................................................................................9 3.2.2 Vervoer ..................................................................................................9 3.2.3 Verwerken..............................................................................................9 3.2.4 In de weg ...............................................................................................9 3.3 VERSTIJVENDE WERKING ..................................................................................9

4

TOESLAGSTOFFEN ........................................................................................9

5

DIVERSE EIGENSCHAPPEN...........................................................................9 5.1 VOCHTGEHALTE ...............................................................................................9 5.2 WATERGEVOELIGHEID ......................................................................................9 5.3 DUURZAAMHEID ...............................................................................................9


1

Module 6

1

Algemeen

Met de term ‘aggregaat1’ worden materialen bedoeld die in grotere volumina homogeen zijn, maar in kleinere volumina –op het niveau van kristallen- sterk kunnen verschillen. In de dagelijkse praktijk worden deze geaggregeerde kristallen aangeduid met stenen. We kennen ze in ronde en hoekige vorm: de tweede vorm wordt aangeduid met de toevoeging van ‘slag’, zoals in steenslag. De term ‘mineraal’ betekent dat het materiaal –de kristallen van het steenniet direct van dierlijke of plantaardige komaf is. Namen van deze kristallen zijn onder andere: gips zwavel korund toermalijn pyriet dolomiet kalkspaat magnetiet chalcedoon talk kwarts opaal vloeispaat orthoklaas hoornblende Men kan hout desgewenst een aggregaat noemen, maar zeker niet een mineraal aggregaat. Grotere kunststofkorrels die men mogelijk als grindvervanger wenst te gebruiken zijn geen aggregaten (en al helemaal geen minerale aggregaten). Granulaten zijn materialen die hetzij van nature, hetzij na bewerking, in korrelvorm voorkomen. Het materiaal in een rotswand zal een mineraal aggregaat zijn; na bewerking is het in granulaire vorm gekomen en zal het de naam steenslag verdienen. Asfaltgranulaat mag men geen mineraal aggregaat noemen vanwege het aanwezige bitumen. In de wegenbouw kent men zeggen: naar de zeef waarop verstaat onder: • vulstof • zand • steen

de volgende indeling naar grootte, dat wil ze achterblijven c.q. die ze passeren. Men korrels door zeef 63 μm; korrels op zeef 63 μm en door zeef 2 mm; korrels op zeef 2 mm.

Duidelijk is de geologische herkomst verlaten: kleine korrels die geproduceerd worden of vrijkomen bij het breken kunnen zand of vulstof genoemd worden. Zo ontstaat brekerzand bij het breken van grind of groevemateriaal. Het brekerzand dat in Nederland gebruikt wordt is voor het overgrote deel afkomstig van Maas- of Rijngrind. Overigens wordt natuurlijk zand gewoonlijk aangeduid naar de plaats van herkomst: rivierzand, zeezand, wadzand, Dongezand, Muiderzand.

1

Een aggregaat is in de mineralogie een samengroeisel van kristallen van verschillende mineralogische samenstelling.


2

Module 6 Vulstof kan volledig bestaan uit gemalen groevemateriaal2. De meeste fabrieksmatig bereide vulstoffen bevatten kalksteenmeel, vliegassen van kolengestookte elektriciteitscentrales en AVI-vliegassen. Soms is calciumhydroxide3 toegevoegd. De samenstelling van een fabrieksmatig bereide vulstof is vermeld op het vulstofcertificaat Opgemerkt moet worden dat ook ‘eigen stof’ –het stof dat opgevangen wordt in de productie installatie- tot de vulstoffen gerekend wordt. Wat de grootte betreft is het dat ook, wat de overige eigenschappen betreft moet men twijfelen: de kwaliteit van de eigen stof hangt af van de gebruikte mineralen, de soort zeven, de silo’s, etc. Er zijn voorstellen gedaan om bij een mengselontwerp ook eigen stof als aparte bouwstof mee te nemen. 2

Relevante eigenschappen van aggregaten

De meest relevante wegbouwkundige eigenschappen van aggregaten zijn: • dichtheid; • korrelvorm; • korrelverdeling; • vochtgehalte; • poriëngehalte; • textuur; • hechtbaarheid (compatibiliteit); • verbrijzelingsgevoeligheid. Van deze eigenschappen behoeven enkele toelichting. De korrelvorm is van belang voor de verwerkbaarheid en voor vormvastheid van asfaltmaterialen: de hoek van inwendige wrijving in het Mohr-Coulomb diagram wordt er door bepaald. Men noemt dit effect ook wel haakweerstand. Het poriëngehalte is van belang voor exudatie4: een hoog poriëngehalte kan leiden tot te grote exudatie. De textuur is vanzelfsprekend alleen van belang voor aggregaten die in deklagen gebruikt worden. Met hechtbaarheid wordt bedoeld dat het oppervlak van het aggregaat zo moet zijn dat bitumen er aan kan hechten. Hechtmechanismen worden later besproken. Verwacht moet worden dat bij deze mechanismen de zuurgraad van belang zal zijn. Voor natuurlijke materialen is de geologische herkomst (de precieze minerale samenstelling) en de wijze van winning (productie) bepalend voor deze eigenschappen. Voor synthetische of samengestelde bouwstoffen,

2

In Nederland wordt uit de Winterswijkse kalksteengroeve vulstof gemaakt die voor 100% bestaat uit zogenaamde Musschelkalk. 3 Calciumhydroxide wordt ten onrechte ook wel calciumhydraat genoemd. Chemisch is de eerste Ca(OH)2 en de tweede CaCO3.xH20. De laatste is dus calciumcarbonaat (kalk) met kristalwater erin. De ‘x’ geeft aan hoeveel moleculen water er per molecuul calciumcarbonaat aanwezig zijn. 4 Exudatie is het verschijnsel dat (de lichtere) componenten van het bindmiddel in het aggregaat kunnen trekken, als aan de noodzakelijke voorwaarde daartoe is voldaan.


3

Module 6 zoals vulstoffen, zijn ze te beïnvloeden door de mengverhouding van de componenten. 2.1

Geologische herkomst aggregaten

De Standaard maakt alleen onderscheid tussen grind en groevemateriaal. Groevemateriaal is steenslag die verkregen is door het breken van rotsformaties. Bij de ontstaanswijze van rotsformaties wordt onderscheid gemaakt in 3 groepen.

2.1.1 Dieptegesteente Dieptegesteenten zijn ontstaan in het binnenste van de aardkorst, zijn langzaam afgekoeld en hebben relatief grote kristallen kunnen ontwikkelen. Voorbeelden zijn o.a. graniet en gabbro. Graniet is een kwartsgesteente en overwegend licht zuur, gabbro is overwegend basisch.

2.1.2 Uitvloeiinggesteenten Uitvloeiinggesteenten zijn in een veel kortere periode afgekoeld, hebben kleinere kristallen gevormd en hebben daardoor een hogere dichtheid dan dieptegesteenten. Door deze hogere dichtheid is de drukvastheid hoger. Voorbeelden zijn porfier, basalt, porphyriet en diabaas. Belgisch porfier is licht basisch en heeft een grijsgroene kleur; Duitse porfier is licht zuur. Uit Frankrijk en Noorwegen is rode porfier afkomstig. Sediment- of afzettingsgesteenten ontstaan op de wijze als de naam aangeeft. Ze komen in een grote verscheidenheid voor. Een mogelijk indeling is naar het milieu waarin ze gevormd zijn: maritiem of fluviatiel. Een andere indeling verloopt langs de lijn van de samenstelling: leistenen bevatten veel alumini-silicaat (Al2O3 en SiO2) en kalkstenen veel carbonaat (CaO en CaCO3). Een derde indeling is gebaseerd op de oorsprong van het materiaal: kalksteen is gevormd uit biochemische neerslag en krijt uit organische neerslag. Duidelijk mag zijn dat de naamgeving veelal tekort schiet om een gesteente volledig te karakteriseren. Nederlandse steenslag, dat gebroken Maasgrind is, is een afzettingsgesteente waarvan de oorsprong in de Ardennen ligt. Morene steenslag wordt gebroken van grind uit de Bovenrijn en heeft haar oorsprong in het Alpine massief. Ten opzichte van Nederlandse steenslag bevat morene iets meer kalk. Beide steenslagsoorten lijken veel op elkaar maar door zoutzuur aan de stenen toe te voegen vindt men de morene: het zoutzuur reageert met de kalk van de morene.

2.1.3 Metamorfe gesteenten Metamorfe gesteenten worden soms5 ook benoemd. Deze gesteenten hebben een verandering ondergaan nadat ze als gesteente gevormd zijn. Bij de metamorfe gesteenten kent men meer varianten dan bij de andere. 5

A.Gastmans; GWW-gebreken; uitgave van tenHagenStam, 1998.


4

Module 6 Uit kalksteen en dolomiet kunnen marmers ontstaan, uit zand en zandsteen kwartsiet. Tabel 6-1geeft een, overigens niet volledig, overzicht.

Tabel 6-1: Overzicht natuurlijke gesteenten Stollingsgesteente Afzettingsgesteente Metamorf gesteente Gneiss Leisteen Basalt Serpentine Zandsteen Gabbro Leisteen Kalksteen Graniet Kwartsiet Krijt Dioriet Porfier Diabaas Grauwacke Porphyriet

2.1.4 Niet-natuurlijke gesteenten Bij industriële productieprocessen van bijvoorbeeld staal, ijzer, koper en aluminium komen slakken vrij die mogelijk als steenslag gebruikt kunnen worden. In de Standaard is alleen fosforslak vermeld als niet-natuurlijk gesteente; de andere zijn niet ‘Standaard’-toegestaan. In de Nederlandse norm NEN 6240 wordt overigens geen onderscheid gemaakt tussen gesteenten van natuurlijke en niet-natuurlijke oorsprong. 2.2

Dichtheid en poriëngehalte

Dichtheid is van belang omdat het de verbindende factor is tussen het volumetrische mengselontwerp en het gewicht-gebaseerde recept dat een asfaltproductie-installatie gebruikt. Het poriëngehalte van een materiaal is van belang omdat poriën potentieel bitumen kunnen opnemen en het daarmee onttrekken aan het mengsel: dat bitumen levert geen bijdrage aan de mengseleigenschappen. Daarom moet onderscheid gemaakt worden in toegankelijke en niet-toegankelijke poriën.

2.2.1 Gesteenten De dichtheid kan bepaald worden met de pyknometermethode of via onderen bovenwaterweging. Bij deze laatste methode wordt de volumieke massa bepaald. Samen met het resultaat van de pyknometermethode kan het poriëngehalte berekend worden. Bij de pyknometermethode worden, door een aangelegd vacuüm, poriën met water volgezogen. Dergelijke poriën zijn niet noodzakelijkerwijs toegankelijk voor bitumen en als zodanig irrelevant voor de volumetrie van het mengsel. Voor de asfaltpraktijk geeft de onder-water-methode (NEN 5926) een reëler beeld en is daarom voor gesteenten voorgeschreven. Voor fosforslak is in de Standaard rekening gehouden met een verhoogde absorptie van bitumen: de basis voor verrekening van meer of minder bitumen is 0,2 % (m/m “op”) hoger dan bij gebruik van grind.


5

Module 6 2.2.2 Zand De dichtheid van zand wordt wel bepaald met de pyknometermethode: met voor bitumen (on)toegankelijke poriën wordt geen rekening gehouden. De holle ruimte in verdicht zand wordt ook wel eens –ten onrechte- het poriëngehalte genoemd, vooral in de grondmechanica. De holle ruimte tussen de korrels is, in de zin van de technische piramide, een materiaaleigenschap. Deze kan worden bepaald met de stamp volumemeter van Engelsman. Deze bepaling zou vooral moeten gebeuren voor het volumetrisch ontwerpen van zandskeletmengsels.

2.2.3 Vulstof De dichtheid van vulstof wordt bepaald met (kleine) pyknometers. Voor de dosering moet alleen bij SMA het percentage vulstof in het mengsel gecorrigeerd worden voor de dichtheid. Deze correctie vindt plaats ten opzichte van een dichtheid van 2700 kg/m3 (kalksteenmeel). 2.3

Korrelvorm

De korrelvorm van groevemateriaal wordt grotendeels bepaald door de geologische herkomst (de natuurlijke kristalvlakken) en het type breker. Bovendien speelt de verhouding van de grootte van de korrels voor en na het breken een rol.

2.3.1 Gesteenten De korrelvorm wordt gekarakteriseerd door de lengte/dikte verhouding en de mate waarin breukvlakken zichtbaar zijn6. Bij groevemateriaal moet verder nog gewezen worden op het belang van de plaats in de groeve van waar het materiaal afkomstig is. Aan het oppervlak van de groeve, of bij een laagsgewijze opbouw, kan het percentage rond/ongebroken oppervlak soms vrij aanzienlijk zijn.

2.3.2 Zand De korrelvorm van zand levert een belangrijke bijdrage aan de stabiliteit (vormvastheid) van een asfaltmengsel. Brekerzand is, door het breekproces uiteraard een zeer hoekig materiaal. Bij natuurlijke zanden is de korrelvorm afhankelijk van de manier waarop het zand uiteindelijk op de winplaats terecht is gekomen. De korrelvorm kan variëren van rond en glad tot hoekig met een ruw oppervlak. In module 2 (Volumetrisch Mengselontwerp) is al gesteld dat bij het mengen van zanden de holle ruimte in het zandmengsel sterk afhangt van de vorm en de gradering van die zanden. Overvulling kan dan ook gemakkelijk optreden.

6

Voor het bepalen van de korrelvorm: zie prEN 933-3 (Flakiness Index) en prEN 933-4 (Shape Index). Voor de bepaling van het percentage ronde en gebroken korrels: zie prEN 933-5 (Percentage of crushed or broken particles including totally crushed or broken particles and totally rounded particles).


6

Module 6 2.3.3 Vulstof Steenmeel heeft een hoekig oppervlak. Vliegassen zijn in het algemeen veel ronder van vorm. Later zal de interactie van vulstof met bitumen ter sprake komen. Hier wordt reeds genoemd dat deze interactie een belangrijke oorzaak kan zijn van het tijdrovende verstijven –of besterven- van asfaltmengsels direct na het verwerken.

2.3.4 Asfaltgranulaat Er worden in de Standaard alleen eisen gesteld aan het percentage steenslag en gebroken oppervlak van het granulaat dat groter is dan 2 mm. 2.4

Korrelverdeling

2.4.1 Gesteenten Bij gesteenten wordt de korrelverdeling gekarakteriseerd door korrelgroepen. Een korrelgroep wordt gedefinieerd door twee zeefmaten: een kleinere waar de korrels op blijven liggen en een grotere waar ze door heen gaan. Met de korrelgroepen die bij de breker geproduceerd worden (de vroegere productiematen), zoals 2/6, 4/8 en 8/11, kunnen andere korrelgroepen worden samengesteld: 2/8, 4/11 en 2/11. Korrelgroepen worden aangegeven door de nominale minimale (d) en de nominale maximale (D) korrelgrootte (d en D vallen samen met de aanduiding voor de zeef). Om de korrelgroep te kunnen produceren moet de verhouding D/d niet te klein zijn. De minimale verhouding is gesteld op 1,47. De overmaat (het voorkomen van te grote korrels) is ook Europees aan banden gelegd. Men heeft voor de stenen (D>2 mm) drie categorieën gedefinieerd die verschillen in de hoeveelheid toegestane overmaat (zie tabel 6-2). Overigens is ditzelfde principe terug te vinden in de Standaard. Tabel 6-2: Nauwkeurigheid Europese korrelgroepen Afmeting Massapercentage door de zeef [mm] 2D 1,4D D d 100 100 90-100 0-10 D>2 100 98-100 90-100 0-15 100 98-100 85-100 0-20 100 85-100 D≤ 2

Categorie d/2 0-2 0-5 0-5 -

A B C A

De mengselontwerper kan met korrelgroepen met een kleine D/dverhouding (categorie A) fijnere of preciezere mengsels ontwerpen en laten produceren.

2.4.2 Zand Aan zand worden ten aanzien van de korrelverdeling alleen eisen gesteld aan de fractie op zeef 2 mm en de fractie door zeef 63 µm. 7

Volgens het ontwerp NEN-EN 13043 “Toeslagmaterialen voor asfalt en oppervlakbehandeling voor wegen, vliegvelden en andere verkeersgebieden”


7

Module 6 Men onderscheidt: natuurlijk zand, een mengsel van natuurlijke zanden, brekerzand een mengsel van natuurlijk zand en brekerzand. In analogie met de korrelgroepen kan men spreken van zandgroepen: zand A is een natuurlijk zand of een mengsel van natuurlijke zanden zand B heeft tenminste 75% brekerzand; zand C bevat tenminste 50% brekerzand; zand D heeft tenminste 50% natuurlijk zand. Toepassing van de zanden vindt niet alleen plaats op grond van de bijdrage aan de stabiliteit: ook de invloed op de verwerkbaarheid is van belang.

en op 1

80

60

40

20

80

do or

m 0 μ 50 op en

60

50 0μ m

40

mm 2.0

20

80 μm

or Do

De korrelverdeling van zand wordt ook in de zogeheten zanddriehoek weergegeven (zie figuur 6-1). In deze driehoek staan langs de zijden de massapercentages van drie 80 korrelgroepen, waaruit een 60 zand is opgebouwd. Deze drie groepen worden ook wel B 40 grof-, middelen fijnzand genoemd. In de driehoek zijn 20 twee gebieden aangegeven, A die de grenzen weergeven van de zandtypen A en B. door 180 μm en op 63 μm Een punt in deze driehoek heet zandpunt. Figuur 6-1: Zanddriehoek met zandtypen A en B.

mm

60

en

40

80

0 50 op

60

do or 50 0μ m

40

en op 18 0

μm

2.0 or do

20

80

Men kan deze driehoek ook gebruiken voor het samenstellen van een (meng)zand waarvoor men een bepaald zandpunt wenst. Men bepaalt eerst de zandpunten van de twee zanden. De zandpunten van het mengzand uit deze twee zanden liggen op de verbindingslijn.

20 80

60

40

20

μm

De zanddriehoek kan ook gebruikt worden om lijnen van gelijke holle ruimte te door 180 μm en op 63 μm bepalen8 aan verdichte zand(iso-holle-ruimteFiguur 6-2: Zanddriehoek met voorbeeld mengsels lijnen), (zie figuur 6-2). van iso-holle-ruimte-lijnen. Enkele extremen zijn duidelijk. Eénkorrelig fijn en middelzand hebben de hoogste holle ruimte: 8

A.Gastmans; GWW-gebreken; uitgave van tenHagenStam, 1998 en de referentie daarin.


8

Module 6 ongeveer 40%. Een mengsel van grof en fijn zand (geen middelzand) kan een minimale holle ruimte hebben, ongeveer 30%. Dit mengsel bestaat uit 74% grof en 26% fijn zand (zie ster in figuur 6-2). Daartussen liggen de overgangen. Interessant aan deze figuur is dat holle ruimte in het zandmengsel bereikt kan worden via verschillende combinaties van zanden.

2.4.3 Vulstof De korrelverdeling van vulstof ligt alleen vast wat de grens betreft: kleiner dan 63 μm (op zeef 2 mm mag niets achterblijven, op zeef 63 μm maximaal 15% m/m). Het kan zo zijn dat de ene vulstof relatief grof is (zeg rond de 50 μm) en de andere relatief fijn (zeg rond de 5 μm). Deze verschillen kunnen grote consequenties hebben voor de volumetrie van asfaltmengsels. Het is te overwegen, in analogie met de zanddriehoek, ook een vulstofdriehoek te introduceren. Bovendien zal het fijnere vulstof een veel groter specifiek oppervlak hebben dan het grove. Dit heeft grote consequenties voor de benodigde hoeveelheid bitumen in het mengsel en voor de interactie tussen bitumen en vulstof. 3

Vulstoffen

Vulstoffen vormen een belangrijk onderdeel van het mengsel. Ze hebben ook bijzonder belangrijke functies, die een aparte bespreking rechtvaardigen. Omdat pigmenten en (soms) afdruipremmers als speciale vulstoffen gezien worden, worden die ook in dit hoofdstuk behandeld. De functies van vulstoffen zijn (in willekeurige volgorde): opvullen zanden/of steenskelet verhoging viscositeit van het bindmiddel tijdens transport en verwerking verbeteren van hechting bitumen/aggregaat 3.1

Vul-stof

Naar men zegt is de eerste functie van vulstof geweest het aanvullen van de korrelgrootte: van steen via zand naar vulstof. Zeker is het zo dat vulstof in die rol bijdraagt aan de dichtheid van het mengsel en daarmee aan de sterkte ervan. De grens van de hoeveelheid toe te voegen vulstof ligt daar waar de hoeveelheid vulstof niet meer in de holle ruimte van het verdichte skelet past: dan wordt die korrelopbouw verbroken en vorminstabiliteit is het gevolg. Ook wordt opgemerkt dat vulstoffen het bitumen als het ware versnijden en daarmee een goedkoop element zijn in het gehele bindmiddel (mortel) 3.2

Rol viscositeit

Bij de bereiding en verwerking van asfalt is viscositeit (of de rheologie) op een aantal manieren belangrijk.


9

Module 6 3.2.1 Benatten Ten eerste moeten de aggregaten omhuld worden. Dit kan op verschillende manieren: 1. men kan eerst alle aggregaten (steen, zand en vulstof) mengen en vervolgens dit mengsel bevochtigen met bitumen; 2. men kan ook eerst de steen en het zand mengen en dit mengsel bevochtigen9, al dan niet met een deel van het totale bitumen. Vervolgens kan men de vulstof toevoegen en het totaal verder mengen; 3. men kan eerst de steen en de vulstof mengen, die bevochtigen en dan zand toevoegen10; 4. men kan eerst de steenfracties mengen en die (voor)omhullen met (een deel van) het bitumen. Daarna het zand en de vulstof toevoegen. Een wat wereldvreemde manier is eerst de vulstof omhullen en vervolgens de steen en het zand toevoegen. Vanzelfsprekend zal dit mengsel heel slecht omhulde steen geven. Duidelijk is dat het bitumen hierbij voldoende vloeibaar moet zijn. Deze fluïditeit (lage viscositeit) wordt bereikt door het kiezen van een zacht bitumen en een hogere temperatuur. Tegelijk is het bevochtigen –in verband met de hechting wel benatten genoemd- ook afhankelijk van het oppervlak van het aggregaat: het gemak waarmee een vloeistof zich uitspreidt over het oppervlak van een vaste stof hangt af van de oppervlaktespanningen van beide (vloeistof en vast stof). Er spelen hier drie oppervlaktespanningen: die van het bitumen met lucht (het bitumen als vloeistof –liquid-, σL), van de vaste stof met lucht (σS, solid) en die van het bitumen met de vast stof, σSL. De oriëntatie van de oppervlaktespanning waar de vaste stof –in ons geval het aggregaat- bij betrokken is loopt evenwijdig aan het oppervlak. De oppervlaktespanning van de vloeistof met lucht moet zo zijn gericht dat de som van de componenten van alle spanningen die evenwijdig aan het oppervlak van de vaste stof op de vloeistofdruppel werken, nul is. Anders zou de druppel zich verplaatsen. In figuur 6-3 is dat σL weergegeven. De Θ oppervlaktespanning van een vaste stof (het σS aggregaat) ten opzichte σSL van lucht is veel groter genomen dan die van de vloeistof ten opzichte van de vaste stof. Tegelijk is Figuur 6-3: Benatten van substraat door de oppervlaktespanning vloeistof. Kontakthoek is Θ, De pijl geeft verandering bij mindere benatting. van de vloeistof met lucht ook heel groot gekozen. Deze laatste is zo georiënteerd dat de component ervan die evenwijdig met het oppervlak van het aggregaat loopt, gelijk is aan het verschil van σS en σSL. De richting van 9

Deze methode heet ook de KGO-methode, naar de bevorderaar ervan: Karl Gunnar Olson. 10 J. Veening, Het Agadir-proces


10

Module 6 σL wordt gegeven door de contacthoek Θ, welke de hoek is tussen het substraat en de raaklijn aan de vloeistofdruppel ter plaatse van het substraatoppervlak. Er geldt dus: σS - σSL = σL cos(Θ) = τLS

(6-1)

De spanning τLS wordt de adhesiespanning genoemd. Het is duidelijk dat een grote adhesiespanning de voorkeur verdient. Dit wordt bevorderd door: 1. een combinatie van bitumen en aggregaat waarbij de oppervlaktespanning tussen beide zo klein mogelijk is (dan moet namelijk of Θ zo klein mogelijk en/of σL zo groot mogelijk zijn); 2. gebruik te maken van een bitumen met een zo groot mogelijke oppervlaktespanning ten opzichte van lucht; 3. gebruik te maken van aggregaat dat een zo groot mogelijke contactspanning heeft; 4. gebruik te maken van een combinatie bitumen/aggregaat dat een zeer kleine contactspanning heeft. Vanzelfsprekend telt uiteindelijk de combinatie, zoals in de relatie 6-1 aangegeven is. Indien er nu twee druppels van verschillende vloeistoffen (bijvoorbeeld bitumen en water) tegen elkaar aanliggen op hetzelfde aggregaat, dan doet de oppervlaktespanning van het aggregaat er niet meer toe. Dan zal de vloeistof met de grootste waarde voor σSL + τLS de andere vloeistof verdrijven. In het geval van bitumen en water zal dan ook stripping optreden. De snelheid waarmee dat gaat hangt weer af van de grootte van bovengenoemd verschil in vergelijking met de viscositeit van de vloeistoffen. Meestal zal dit proces (zeer) langzaam gaan. Opgemerkt wordt overigens nog dat ook de grootte van de oppervlakken van de vloeistofdruppels een rol spelen. Immers, kleinere druppels hebben per volume-eenheid een grotere oppervlakte-energie dan grotere druppels. Voor de eenvoud is het effect daarvan onbesproken gelaten. De contacthoek is sterk temperatuurafhankelijk. Boven de 100 °C is zij 2025°, daar beneden neemt ze snel toe. Overigens neemt de contacthoek sterk af met afnemende temperatuur –dus toenemende viscositeit van het bindmiddel- tot een hoek van160 °.

3.2.2 Vervoer Tijdens vervoer moet het mengsel homogeen blijven. Zeker bij steenrijke mengsels als zoab en sma treedt afdruipen op. De viscositeit van het pure bitumen is vrij laag, zoals volgt uit de noodzaak bij mengen. Om afdruipen van het pure bitumen te voorkomen is zowel een goede benatting noodzaak als een dunne omhullende laag. Men11 kan laten zien dat het afdruipen minimaal lineair en maximaal kwadratisch gaat met de filmdikte. Wil men toch veel bitumen rond de steen, dan moet men het pure bitumen

11

P.C. Hopman, Kantenflucht von Anstrichen, Farbe und Lack., 1983.


11

Module 6 vast houden met vulstof of met vulstof-achtige materialen als vezels. Het is beter dan te spreken van de mortel. Overigens is er, in termen van rheologie, een groot verschil tussen de mengfase en de vervoersfase. In de mengfase is het bitumen onder high shear (grote schuifkrachten) door de langs elkaar bewegende aggregaten. Tijdens de vervoersfase is er low shear: de zaak is in (relatieve) rust. Onder high shear houden allerlei intermoleculaire verbindingen geen stand en wordt het bitumen bijgevolg minder visceus (meer fluïde). Tijdens vervoer kunnen en zullen deze verbindingen zich juist ontwikkelen. Dit proces is zeker voordelig voor het mengen vervoerproces.

3.2.3 Verwerken Bij het verwerken moet het mengsel homogeen blijven tijdens het korte verblijf in de afwerkmachine. Voor wat betreft het bitumen en de mortel is dat in het algemeen geen probleem, voor de –grotere- stenen kan dat wel problematisch zijn. Dit laatste wordt hier buiten beschouwing gelaten. Bij verdichten speelt viscositeit ook een rol. Een te hoge viscositeit van het mengsel zal verdichten onmogelijk maken, een te lage viscositeit overigens ook. De mengsel-viscositeit is niet alleen afhankelijk van het bitumen, het is dat ook van het aggregaat –korrelopbouw en korrelvorm-. Mengsels met ronde aggregaten die continu gegradeerd zijn, hebben een lagere viscositeit dan discontinu gegradeerde mengsels die eventueel ook nog hoekige aggregaten hebben (zie ook module 5). Ook vulstoffen beïnvloeden de mengsel-viscositeit: een mengsel met kalksteenvulstof gedraagt zich in het algemeen ‘smeuïger’ dan één met vliegasvulstof. Qua verwerking/verdichting is er nauwelijks verschil tussen zwak en middelsoort vulstof op kalksteenbasis, bij zwakke en middelsoort vulstof met vliegassen is dit gewoonlijk wel het geval.

3.2.4 In de weg Een mengsel in de weg dient een hoge viscositeit te hebben: dan is de vervormingsgevoeligheid gering. Tegelijkertijd is er dan het risico van scheurvorming. Met betrekking tot vermoeiing (en healing) moet men zich realiseren dat die bepaald worden door de viscositeit van het bitumen en/of de mortel en niet door die van het mengsel. 3.3

Verstijvende werking

De verstijvende invloed van vulstof op bitumen wordt in de dagelijkse praktijk onderzocht door de toename van het verwekingspunt (de temperatuur Ring en Kogel) te bepalen van het bitumen bij toevoeging van vulstof. Het proefresultaat wordt, tezamen met de F/B-verhouding opgegeven als ΔTR&K. Niet alle vulstoffen zijn even effectief als verstijver. Soms wordt verondersteld dat er, voor de Nederlandse vulstoffen, een sterke relatie ligt met de holle ruimte van de vulstoffen. Een vulstof met meer holle ruimte zou een grotere verstijvende werking hebben. Deze algemene regel geldt


12

Module 6 mogelijk voor vulstoffen van een zelfde mineralogische samenstelling, ze geldt niet algemeen, zoals blijkt uit de lijst van erkende vulstofmerken12. Door Van der Baan is voor de bepaling van de effectiviteit van de verstijving een eenvoudige en snelle proef ontwikkeld: de bepaling van het bitumengetal. Hierbij wordt vulstof met water gemengd tot een gestandaardiseerde consistentie; de hoeveelheid water wordt verondersteld een maat te zijn voor de hoeveelheid bitumen die de vulstof kan binden (ongeveer 40 %). Afhankelijk van het bitumengetal worden vulstoffen onderscheiden in zeer zwak (bitumengetal ≈ 28-36), zwak (≈ 40 50 ) en middelsoort (≈ 54-62) vulstof. Een middelsoort vulstof bindt dus aanmerkelijk meer bitumen dan een zeer zwakke. Het effect op de verstijving laat zich raden. Een meer wetenschappelijke methode om de invloed van een vulstof op de viscositeit te bepalen is die waarbij de glijdingsmodulus G en de fasehoek δ bepaald worden aan de mortel. De glijdingsmodulus is te zien als de weerstand van een materiaal tegen vormverandering, de fasehoek is daarbij een maat voor de elasticiteit daarvan. Deze grootheden zijn besproken in module 4. Gastmans13 heeft laten zien dat, bij gelijkblijvend bitumen (type en herkomst), de glijdingsmodulus tot een factor 100 kan veranderen bij wijziging van het type vulstof (bijvoorbeeld porfier of kalksteenmeel). Deze factor is overigens ook sterk afhankelijk van het type bitumen –bij gelijkblijvende vulstof-. Er zijn twee belangrijke consequenties. Ten eerste is daarmee andermaal aangetoond dat er wisselwerking is tussen het bitumen en het aggregaat. Dit volgde ook al, zij het minder duidelijk, uit de constatering dat er geen algemene relatie is tussen de ΔTR&K en de holle ruimte van de vulstof: het is niet louter een ruimtelijk effect. Ten tweede kan men de weerstand tegen vervorming van asfaltmengsels beïnvloeden via de keuze van de combinatie vulstof/bitumen: de viscositeit Figuur 6-4: Opstelling ter bepaling van glijdingsvan de mortel wordt daardoor immers modulus G en fasehoek δ. beïnvloed. Er is een theorie gepubliceerd die stelt dat de TR&K van een mortel 83 °C moet zijn: bij lagere waarden zou het uiteindelijke mengsel spoorvormingsgevoelig zijn en bij hogere waarden zou het bros zijn (gevoelig voor scheurvorming). Natuurlijk hangt de geldigheid van dit soort uitspraken sterk af van het klimaat waarover men spreekt.

12

NEVUL, Lijst erkende vulstofmerken, 1999 Gastmans A.; The impact of the binder in rutting: Binder-Aggregate interaction; 2nd Int. Seminar Modern and Safe Roads, Warsawa, 1996.

13


13

Module 6 4 Toeslagstoffen Met toeslagstoffen worden hier pigmenten en afdruipremmers bedoeld. Pigmenten worden gebruikt voor het kleuren van asfaltmengsels. Ze worden gewoonlijk behandeld als onderdeel van de vulstof. Bij een mengsel met oorspronkelijk 7 % vulstof wordt bijvoorbeeld 4 % vulstof en 3% pigment gedoseerd. De keuze van type pigment en hoeveelheid berust vooral op ervaring van de asfaltproducent. Onderzoek naar de volumetrische eigenschappen –en naar de aard van deze ‘vulstof’- blijft gewoonlijk achterwege, mede omdat de toepassing van pigmenten niet geschiedt op zwaar belaste verhardingen. Van afdruipremmende stoffen wordt in de Standaard geëist dat deze in een asfaltmengsel voldoende inert moeten zijn. Cellulosevezels worden het meest gebruikt als afdruipremmende stof, maar ook andere stoffen zijn mogelijk, zoals glasvezels, diatomeeënaarde etc. De afdruipremmende werking kan gebaseerd zijn op absorptie (zoals bij cellulose vezels) of een grote filmdikte bitumen om de vezels (zoals bij glasvezels). 5

Diverse eigenschappen

Aggregaten hebben nog aan verschillende andere eisen te voldoen 5.1

Vochtgehalte

Aan het vochtgehalte van bouwstoffen worden geen expliciete eisen gesteld. Het vochtgehalte is wel van belang bij de productie van warm asfalt in verband met de energiekosten voor het drogen van het materiaal. Ook kan te vochtig materiaal dampexplosies veroorzaken als het koud bijgevoegd wordt in dwangmengers. Overigens hebben alle aggregaten kristalwater in zich. Vaak is dit ongeveer één massapercent. Kristalwater is vrij moeilijk helemaal te verwijderen. Daarvoor is langdurige verhitting noodzakelijk (tot 200°C, gedurende enkele uren). Indien kristalwater vrij komt tijdens transport zal het hele mengsel (plotseling) zeer vloeibaar zijn; er ontstaat dan een soort schuimbitumen (zie module 7). 5.2

Watergevoeligheid

Sommige, meestal Dat wil zeggen dat volumeverandering het water zal de volumevergroting.

niet-natuurlijke, aggregaten zijn gevoelig voor water. de aanwezigheid van water leidt tot processen die tot leiden. Een voorbeeld is niet-ontijzerde hoogovenslak: resten ijzer aanzetten tot roesten en dat leidt tot

Ook vulstof kan bij aanwezigheid van water volumetoename laten zien. Vooral als er kleideeltjes in aanwezig zijn. 5.3

Duurzaamheid

De duurzaamheid van de aggregaten is een resultante van een aantal gevoeligheden voor erosie, vorst en vocht. Ook kan chemische bestendigheid van belang zijn (kalksteen is niet bestand tegen zuur). Asfaltkunde, module 6, maart 2006

14

Module 6 De korrelsterkte is ook van invloed op de duurzaamheid; het is een mechanische eigenschap van het aggregaat. Aggregaten die in deklagen toegepast worden dienen een minimaal polijstgetal te hebben: de deklaag moet stroef blijven. Dit getal wordt overigens bepaald aan de fractie 8-11.2 mm.


15

Module 7


Module 7: Functie van bindmiddelen

1

ALGEMEEN ......................................................................................................2

2

PRODUCTIE......................................................................................................2

3

SAMENSTELLING............................................................................................3 3.1 COMPONENTEN ...............................................................................................3 3.2 PRAKTISCHE CONSEQUENTIES ..........................................................................4 3.3 VEROUDERING EN VERHARDING ........................................................................5 3.3.1 Veroudering ...........................................................................................5 3.3.2 Verharding .............................................................................................6 3.3.3 Beweeglijkheid bitumendeeltjes (healing) .............................................6 3.4 BENATTEN EN VERWERKEN ..............................................................................8 3.5 BITUMEN-MODIFICATOREN ................................................................................9 3.5.1 Indeling modificaties ..............................................................................9 3.5.2 Polymeer-gemodificeerd bitumen..........................................................9 3.5.3 Algemeenheden over modificatoren................................................... 11 3.6 VISCOSITEITSEISEN ....................................................................................... 11 3.6.1 Ideaal viscositeitsgedrag .................................................................... 12 3.6.2 Reëel viscositeitsgedrag..................................................................... 13 3.7 POLYMEREN IN MENGSELS............................................................................. 15


1

Module 7

1

Algemeen

Bitumen is gedefinieerd1 als: Door raffinage uit aardolie verkregen zeer viskeuze vloeistof, die in hoofdzaak bestaat uit koolwaterstoffen of hun derivaten, vrijwel geheel oplosbaar is in zwavelkoolstof of dichloormethaan (methyleenchloride), nagenoeg niet vluchtig is, geleidelijk verweekt bij verhitting en dicht- en hechtvermogen bezit. Aardolie is ontstaan door de omzetting van plantaardige en dierlijke eiwitten, oliën en vetten, onder invloed van temperatuur, druk en microbiologische processen. Deze omzetting is afhankelijk geweest van de lokale omstandigheden, wat betekent dat crudes van verschillende plaatsen verschillen en daardoor ook de bitumina die eruit worden gewonnen. 2

Productie

De productiemethode van bitumen kent vele varianten. De ruwe olie wordt –soms na ontzwaveling of soortgelijke behandeling- in twee fasen gedistilleerd. Eerst wordt onder atmosferische druk de crude tot op ongeveer 340°C gebracht. De lichte (kleine) componenten worden opgevangen en er blijft een residu -het long residue- achter. Dit residu wordt nogmaals zo behandeld, zij het onder een lagere druk (1/20 atmosfeer -vacuüm-distillatie) om effectief de verdampingstemperatuur te verlagen. Weer worden de lichtere componenten verwijderd en blijft een residu achter. Dit is het short residue. Het effect van de tweede distillatie is gelijk aan een eenmalige atmosferische distillatie bij 700°C. Feitelijke distillatie bij die temperatuur zou echter leiden tot kraken (uiteenvallen) van moleculen. Het short residue kan direct voor de wegenbouw geschikt zijn, het zijn straight run bitumen. Het kan ook nabehandeld moeten worden. Men kan: het mengen met een harder of zachter bitumen om het op een gewenste penetratie en PI te brengen. Dit is dan een distillaat-bitumen of een straight run; het licht blazen als het te zacht is. Hierdoor wordt het bitumen gedehydrogeneerd (waterstof wordt afgesplitst door binding met zuurstof: product is water). Dit is een complex chemisch proces dat warmte genereert. Te grote temperatuursverhoging kan leiden tot het kraken van grotere moleculen. Door het blazen wordt het asfalteengehalte verhoogd. Ook wordt de polariteit verhoogd waardoor in het bitumen meer en sterkere interacties ontstaan. Ook dit verlaagt de penetratie en verhoogt de verwekingstemperatuur. Overigens heet dit lichte blazen semi-blowing. Intensief blazen levert bitumina voor andere toepassingen. het ‘visbreken’ (de viscositeit breken) als het te hard is. Visbreken (VB) is selectief kraken van de grotere moleculen. Er treden echter ook 1

Nomenclatuur, concept werkgroep B, CROW, Ede 1999


2

Module 7

ongewenste effecten op, zoals het ontstaan van grote asfalteen clusters. Die kunnen verwijderd worden door het VB-residu aan vacuüm-distillatie te onderwerpen. Ook worden er radicalen gevormd die later in het bitumen de verouderingsgevoeligheid zeer negatief kunnen beïnvloeden. met propaan of butaan kan men een (belangrijk) deel van de paraffinen extraheren uit het short residue. Het overblijvende propaan- of butaanbitumen heeft goede hechten duurzaamheidseigenschappen. Het is ook hard en kan in de wegenbouw gebruikt worden na mengen met zachtere bitumina. Men duidt dit bitumen aan met PPA-bitumen.

Op plaatsen waar, door breuken in de aardkorst, aardolie aan de oppervlakte is gekomen heeft op natuurlijke wijze een destillatieproces plaats gevonden. Hierbij zijn natuurasfalten ontstaan, waarvan het meest bekend het zogenaamde Trinidad Epuré is. In de wegenbouw wordt vrijwel uitsluitend de fabrieksmatig uit aardolie bereide bitumen gebruikt; Trinidad Epuré wordt soms toegevoegd aan gietasfalt. Bitumina die worden gekarakteriseerd via penetratie worden penetratiebitumina genoemd. Geblazen soorten met meestal andere dan wegenbouwtoepassingen, worden aangeduid met hun verwekingspunt en penetratie bij 25°C, dus bijvoorbeeld als 85/25. 3 Samenstelling Er is niet zoiets als een ‘precieze samenstelling’ van bitumen. Meestal wordt volstaan met de indeling naar herkenbare groepen. H H

H H H H

H

C

H

C

C

H

C C

H H

H

H

C

H H

H

H C

C

C C

C

C

C C C

3.1

C

H C

H C

C

C

C C

H H

C

C

C

H H

Figuur 7-1: Enkelvoudige (verzadigde) nafteen

H

C

C H

H C

C

C H

H

H

H H

H

C

C C

H

H

C

H

H H

H

Figuur 7-2: Poly-aromatische onverzadigde koolwaterstof (voorbeeld van asfalteen)

Componenten

De eerste indeling is in asfaltenen en maltenen. Asfaltenen zijn grote aromatische (dat zijn ringvormige –zie figuur 7-1) koolwaterstoffen2 die op een moleculair net lijken (figuur 7-2). Deze deeltjes –men mag het eigenlijk geen moleculen noemen- zijn tot 0.03 μm groot.

2

Ringvormige koolwaterstoffen zijn zeshoekig van vorm en hebben in elk hoekpunt een koolsof atoom.


3

Module 7 Maltenen deelt men vaak op in: • verzadigden3: –er zijn geen dubbele bindingen meer-, • aromaten: ringvormige koolstofketens met dubbele (onverzadigde) bindingen • harsen: polaire aromatische verbindingen. De asfaltenen en de harsen maken onderlinge netwerken door polaire interacties en door waterstofbruggen. Deze netwerken –ook wel micellen genoemd- hebben aan de buitenkant harsen met een voorkeurslading. Die micellen stoten elkaar af en blijven dus in dispersie (vergelijk emulsies).

++ + + + + + +

+ +

+ + +

+

+ + + + + + + + + + + + + + +

+

+ + + +

+ + + + + + + + + +

+

+

+ +

+

+

+

De samenstelling is bij (grove) benadering: asfaltenen: 15% verzadigden: 25% aromaten: 40% harsen: 20%

+

+ +

+

Figuur 7-3: Een sol-bitumen. De kluwen stellen de asfaltenen voor, de zeshoeken de maltenen

Figuur 7-4: Een gel-bitumen. De strengen stellen de asfaltenen voor, de zeshoeken de maltenen.

In deze rij ontbreekt paraffine (wax). Paraffine behoort tot de groep verzadigden en in het bijzonder tot die welke bij lagere temperaturen (<15 °C) kristalliseren (zowel kristallijn als amorf). Goed bitumen zal slechts weinig of geen paraffine bevatten: paraffine wordt bros bij lagere temperaturen. De wijze van interactie van al de componenten hangt af van de zeer specifieke crude-eigenschappen. Men onderscheidt twee typen bitumina: sol- en geltype.(figuren 7-3 en 7-4). Bij een soltype zijn de asfaltenen in een colloïdale vorm in de malteenfase; ze zijn er als het ware in opgelost (soluted: sol). Bij een geltype vormen de asfaltenen een continue fase in de ook continue malteenfase. Het normaal geproduceerde bitumen zal altijd een sol-bitumen zijn. 3.2

Praktische consequenties

De rolverdeling van de componenten is als volgt4:

3

Als de koolwaterstoffenmoleculen verzadigd zijn, zijn de bindingen tussen twee koolstofatomen enkelvoudig, is het molecuul onverzadigd dan zijn de bindingen twee- of drievoudig. Verzadigde koolwaterstoffen heten overigens ook wel vetten. 4

Lubbers H.E., Bitumen in de Weg- en Waterbouw, Nabit.


4

Module 7

De verzadigden en aromaten zijn het dispersiemiddel voor de harsen en de asfaltenen; De harsen en de asfaltenen creëren het mechanisch gedrag van het bitumen; De harsen zorgen -door hun polariteit- voor de hechtkracht van het bitumen; De aromaten kunnen, bij lagere temperatuur, de netwerkstructuur verbeteren en daarmee bijdragen aan grotere stabiliteit; Bij gel-bitumen is er veel meer interactie tussen de asfaltenen en is het geheel minder uitrekbaar dan bij een sol-bitumen. Ook zijn de vermoeiingseigenschappen van een gel-bitumen veel minder dan van een sol-bitumen (vermoeiing als proces dat bindingen kapot maakt).

De verzadigden hebben als nadelig effect dat ze bij lagere temperaturen kunnen uitkristalliseren (vergelijk de wax-bitumen) en het bitumen daardoor brosser maken. 3.3

Veroudering en verharding

Hoewel hier samen genoemd zijn het twee verschillende mechanismen.

3.3.1 Veroudering Veroudering is een proces waarbij moleculaire –chemische- veranderingen optreden, meestal onder invloed van zuurstof en licht. Het centrale mechanisme is oxidatie. Daarbij worden nieuwe en grotere moleculen gevormd. Dit vindt vooral plaats in de aromaten en harsen. Daarbij kunnen aromaten (dus ook de harsen) omgezet worden in asfaltenen. De nieuwe en grotere moleculen en het verlies van kleinere betekent een toename van de viscositeit. Onder invloed van veroudering neemt de PI meestal toe. In figuur 7-55 is de cumulatieve samenstelling gegeven als functie van de PI. Cumulatieve samenstelling[%] 100

verzadigden

80 60

aromaten

40

harsen 20

asfaltenen 0 -2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

penetratie-index [-] Figuur 7-5: Verloop van samenstelling van bitumen als functie van PI (gebaseerd op blaasproces bij de bereiding.

8

Overigens kan oxidatie tegengegaan en bevorderd worden door speciale atomen en moleculen. Ten bate van het eerste zal men ze willen toevoegen – het zijn dan oxidatie inhibitoren-, ten bate van het tweede zal men ze willen verwijderen. Overigens lijkt het calcium van Ca(OH)2 ook een vertragende werking te hebben op veroudering6.

Gegeven de complexe samenstelling van het bitumen en de vele mogelijkheden die zuurstof heeft om in te werken, is de veroudering die in 5 6

Lubbers H.E., Bitumen in de Weg- en Waterbouw, Nabit. Little ., Epps J., Seminar on Filler material; Brussel, 1997.


5

Module 7 de praktijk optreedt niet altijd dezelfde. Er is wel een gemeenschappelijk effect: verhoging van de viscositeit. In het laboratorium kan ‘een’ gevoeligheid voor veroudering bepaald worden. De voorkeursmethode hierbij is de Rolling Thin Film Oven Test (RTFOT), waarbij een luchtstroom wordt geleid over het bitumen dat een temperatuur heeft van 135 oC . De RTFOT simuleert de veroudering die optreedt in de verwerkingsfase van het asfalt –dus als het bitumen heet is. Voor het simuleren van de veroudering zoals die optreedt over langere termijn in de weg wordt de PAV gebruikt. In de PAV (Pressure Ageing Vessel) wordt het bitumen in een dun laagje onder druk op een temperatuur van 90 tot 100 oC gebracht. De PAV is vooral door het SHRP-onderzoek in Amerika in gebruik gekomen.

3.3.2 Verharding Verharding is een ander woord voor viscositeitsverhoging, zoals dat ook optreedt bij veroudering. De wijze waarop die tot stand komt verschilt echter sterk van veroudering: er is geen sprake van moleculaire verandering. Er zijn drie mechanismen: verdampen van lichte componenten. Dit zal alleen plaats kunnen vinden tijdens het mengproces. Verharding die hiervan een gevolg is meet men dan ook direct na verwerking. sterische hindering: de grote moleculen en micellen zitten elkaar in de weg, ze kunnen niet vrij bewegen. Dit verhoogt de viscositeit. ontwikkeling van interacties van moleculen en micellen. In de loop van de tijd zullen de verschillende interacties hun meest optimale oriëntatie gevonden hebben. Dat is de ‘meest harde’ toestand van het bitumen. De tijd die ervoor nodig is om deze energetisch optimale configuratie te bereiken hangt af van de wijze waarop het materiaal behandeld is: direct ingevroren of zeer langzaam afgekoeld. In het eerste geval zal het lang duren voordat de optimale oriëntatie bij de lagere temperatuur bereikt zal worden. Koelt men langzaam af dan krijgen de deeltjes de tijd om zich te oriënteren. De drijvende krachten voor het bereiken van de energetisch meest voordelige toestand zijn polaire en andere wisselwerkingen. De remmende kracht is uiteindelijk de viscositeit. De drijvende krachten zijn niet temperatuurafhankelijk, de viscositeit is dat zeer sterk: bij 20°C is de viscositeit ongeveer 100.000 Pa.s7 en bij 160°C ongeveer 0.1 Pa.s.

3.3.3 Beweeglijkheid bitumendeeltjes (healing) Aannemende dat de temperatuur de enige drijvende kracht is, kan men de snelheid van bewegen inschatten. Deze schattingen berusten op berekeningen. De feitelijke snelheid kan hoger liggen vanwege aanwezige extra drijvende krachten en kan lager liggen vanwege de soms vergaande aannamen in de berekeningen. De verplaatsbaarheid van moleculen en deeltjes in een vloeistof kan men uitdrukken in de diffusiecoëfficiënt. Deze coëfficiënt is eigenlijk een

7

De viscositeit van water is 1 Pa.s. Een andere eenheid voor viscositeit is de Poise [P]: 1P=0.1 Pa.s.


6

Module 7 snelheid, waarbij het deeltje niet langs een lijn, maar zich met kleine random stapjes over een oppervlak beweegt. Er geldt

D= waarbij:

x⋅ y t

x en y de randen van een rechthoek zijn dat door het deeltje ‘begraasd’ wordt [m] t de tijd is [s].

Er geldt ook

D= waarbij:

kT f

D de diffusie-coëfficiënt is [m2/s] T de absolute temperatuur [K] (= 273 + temperatuur in °C) f de wrijving is [N/m * s] k de constante van Boltzmann is (k = 1.38 *10-23 Nm/K)

Voor een bolvormig deeltje dat in een (zeer verdund) medium beweegt geldt de wet van Stokes:

f = 6π ⋅ η ⋅ r waarbij

η de viscositeit van het medium is [Pa.s] r de straal van het bolletje is [m]

Voor de eenvoud wordt verondersteld x= y. Men kan uitrekenen hoelang een deeltje er over doet om zich over zijn eigen halve lengte te bewegen (x=r): t = 6π /k *η/T * r3 De lessen zijn grotere deeltjes doen er veel langer over hun eigen (halve) lengte te verplaatsen dan kleine de viscositeit van het medium is zeer belangrijk de temperatuur is belangrijk (voornamelijk via de viscositeit). Bij 20°C is de viscositeit 100.000 Pa.s en T=293 K. Een groot aromatisch molecuul is ongeveer 10-8 m (0.01 μm). Het duurt ongeveer 600 sec. om over zijn eigen halve lengte te bewegen. Bij 60 °C (η=1000 Pa.s, T=333 K) is dit 4 sec. Een groot asfalteen kan een bolletje zijn van 3 10-8 m, dus 0.03 μm. Dat deeltje doet er een factor 33 = 27 keer langer over. Dus 2 minuten bij 60°C en vier en een half uur bij 20°C. Direct volgt het belang van temperatuur en rust voor healing. Nogmaals wordt opgemerkt dat deze uitkomst slechts een schatting is voor de beweeglijkheid is. Toch is er een belangrijke conclusie uit te trekken met betrekking tot de openstelling van een verharding na aanbrengen, of de rusttijd die een proefstuk moet hebben tussen bereiding en beproeving. Soms wordt immers beweerd dat het asfalt moet ‘besterven’, over een


7

Module 7 tijdsduur van vele uren. Dit besterven kan dan ook te maken hebben met de tijd die de grote asfaltenen nodig hebben om hun meest optimale positie te vinden. Met optimaal wordt hier bedoeld: de energetisch meest voordelige. Men kan ook concluderen dat het healing-effect alleen dan kan optreden als er voldoende tijd ter beschikking is. Meestal zal healing alleen verzorgd kunnen worden door de kleinere moleculen. 3.4

Benatten en Verwerken

Om mengsels te kunnen maken moet het bitumen in ieder geval voldoende vloeibaar zijn zodat de aggregaten benat kunnen worden (zie module 6). Dit kan worden bereikt op een viertal manieren: • verwarmen tot 150 – 200oC; • verdunnen (fluxen) met een geschikt oplosmiddel (vloeibitumen); • emulgeren in water (bitumenemulsie); • heet mengen met water (schuimbitumen). De eerste techniek is natuurlijk de conventionele. De tweede techniek wordt gebruikt in koud asfalt, waarvan het aggregaat al dan niet vooromhuld is. Het is de bedoeling dat het fluxmiddel na verwerking uit het mengsel verdampt. Deze verdamping gaat vrij langzaam en de stijfheid van de mengsels zal over een langere tijd blijven toenemen. Bitumenemulsies zijn colloïdale oplossingen van bitumen in water. De bitumendeeltjes slaan niet neer omdat de emulgatoren ze omringen met een positieve (of negatieve) lading, waardoor die deeltjes elkaar afstoten. De aggregaten worden benat met de emulsie-vloeistof. De kunst is om het oppervlak van het aggregaat te benatten met bitumen. Dit zal vaak een passief proces zijn en plaatsvinden bij een hoge viscositeit van het pure bitumen. De hechting zal dan ook vaak minder zijn dan die bij een warm bereid mengsel. Op het moment dat de lading verdwijnt, of dat de dragende vloeistof (water) verdwijnt, verdwijnt het afstotende mechanisme en ‘breekt’ de emulsie en ontstaat er een asfaltmengsel. De mechanische kwaliteit van een dergelijk mengsel is minder dan die van een warm bereid mengsel. Redenen daarvan zijn de toch moeizame benatting van de steen met bitumen en de noodzaak het vocht kwijt te raken. Dit laatste vereist een (zeer) open mengsel met holle ruimte percentages van 10 tot 13 %. Meer informatie over theorie en praktijk van emulsies is te vinden in de literatuur.8 Bij schuimbitumen wordt water ingespoten in het hete bitumen, waardoor het bitumen zeer sterk in volume toeneemt. Er ontstaat schuim. Het schuim wordt in contact gebracht met aggregaat dat daardoor omhuld wordt. Schuimbitumen kan vooral ingezet worden om funderingen te maken voor licht belaste wegen. De draagkracht van deze fundering is redelijk. Het grote voordeel van het materiaal is echter dat verontreinigingen goed 8

Glett W.; Five Stages Model for bitumen emulsion setting in road construction


8

Module 7 ingepakt worden, waardoor immissie daarvan in grond of grondwater niet optreedt. 3.5

Bitumen-modificatoren

Het modificeren van het bitumen heeft als voornaamste doel bitumen verder te verbeteren zodat nog meer tegemoet gekomen kan worden aan de toenemende eisen. Met name wordt door het modificeren de balans tussen het viskeus en het elastisch gedrag sterk beïnvloed.

3.5.1 Indeling modificaties Er zijn verschillende manieren om de modificaties te onderscheiden. We hanteren de volgende: 1. toevoegen van fysisch-chemisch en chemisch inert materiaal, waartoe mogelijk polymeren behoren; 2. modificeren van bindmiddel met polymeer; 3. chemisch modificeren. Een voorbeeld van de eerste groep is het toevoegen van niet-standaard zeer fijn aggregaat (vulstof) aan het bitumen. In sommige buitenlanden wordt dit inderdaad een modificatie genoemd. De tweede groep is de meest bekende en meest toegepaste. In de volgende paragraaf wordt er verder aandacht aan besteed. De derde groep bevat de multigrades. De multigrades zijn bitumina die vaak tot stand komen via mengen van twee of meer andere bitumina9. Vaak zal (minimaal) één van de componenten licht geblazen zijn. Daarbij wordt er zuurstof in het bindmiddel gebracht en treedt een chemische modificatie op. Dit proces is overigens niet direct te vergelijken met veroudering. Het blazen heeft wel een verharding van het bitumen tot gevolg: er worden onder andere nieuwe asfaltenen gevormd. Ook worden bij het blazen aromaten omgezet in harsen (en harsen in asfaltenen). De hoeveelheid verzadigden verandert niet. De polariteit van het geheel10 wordt groter, wat weer veroorzaakt dat de interacties sterker worden. Ook zal het hechtvermogen toenemen.

3.5.2 Polymeer-gemodificeerd bitumen Bij deze modificatie is er geen chemische maar wel een fysisch/chemische interactie tussen de polymeren en het bitumen. Men onderscheidt twee vormen: de thermoharders en de thermoplasten. Als de thermoharders (ook wel thermosetters genoemd) hard geworden zijn dan zijn ze daarna niet meer zacht te krijgen. Ze worden in de wegenbouw eigenlijk alleen gebruikt om zeer stabiele vormvaste mengsels te krijgen. De thermoplasten zijn hard bij lagere en zacht (plastisch) bij hogere temperatuur; ze zullen dit bij temperatuurswisselingen blijven doen, 9

De penetratie en PI van een mengbitumen zijn te berekenen via de lineaire interpolatie vanuit de concentraties van de samenstellende bitumina. 10 Alkylen worden afgesplitst van de grotere moleculen. Hierdoor ontstaat er meer vrijheid van bewegen en kunnen de polaire groepen elkaar beter vinden.


9

Module 7 mogelijk oneindig vaak. Deze groep is de meest populaire voor wegenbouw. Binnen de groep van thermoplasten kent men elastomeren en plastomeren, hoewel die naamgeving niet éénduidig is. Elastomeren gedragen zich elastisch; ze hebben een heel grote elastische terugvering. Het mogelijk meest toegepaste elastomeer is SBS en zijn varianten. Plastomeren zijn over het algemeen wat stijver en hebben een minder grote elastische terugvering. De grootste toepassing van dit materiaal is EVA. 3.5.2.1 SBS Een SBS molecuul bestaat uit een keten van styreen moleculen, gevolgd door een keten butadieen moleculen, die weer gevolgd wordt door een keten van styreen moleculen (zie figuur 7-6). Ze hebben een molecuulgewicht van 100000 tot 30000011. Het bestaat dus uit drie blokken van veel gelijke ‘meren’. Het is dan ook een blok-copolymeer. In het bitumen zullen deze styreen Figuur 7-6: Vertakte moleculen elkaar opzoeken en zich met elkaar en lineaire SBS-blok verbinden via het aangaan van kristallijne copolymeer wisselwerkingen: de styrenen vleien zich tegen elkaar aan en er ontstaan grote netwerken. De butadieënen liggen niet naast elkaar, die liggen als touwen door de maltenen van het bitumen. Zo ontstaat een netwerk als in figuur 7-7. Dit netwerk zal zwellen, dat wil zeggen dat het componenten uit het bitumen opneemt als een spons. Deze zwel kan 5 tot 8 keer het oorspronkelijke volume zijn. Daarom is een relatief kleine, maar wel minimale, hoeveelheid SBS nodig om de hele bitumenfase te bewerken. Deze minimale hoeveelheid Figuur 7-7: Netwerk van ligt voor SBS op ongeveer 5 % (van het lineaire SBS polymeren. bitumen). De componenten die uit het bitumen worden opgenomen zijn voornamelijk de verzadigden. Dit betekent dat er een groot gevaar is dat de asfaltenen gaan aggregeren of dat het bindmiddel anderszins niet meer stabiel is. Componenten van het bitumen kunnen gaan uitzweten. Er zijn verschillende manieren om dat weer tegen te gaan. Eén daarvan is dopes toe te voegen die bijvoorbeeld de asfaltenen aan het polymeer binden. 3.5.2.2 EVA Een Ethyl-Vinyl-Acetaat molecuul bestaat uit een doorlopende keten van ethyl polymeer (figuur 7-8) en heeft een molecuulgewicht van 20000 tot 50000. Per bepaalde hoeveelheid ethyl-groepen zit een zijtak van een enkel molecuul (monomeer). In dit geval vinyl-acetaat. In het geval van EMA is het Methyl-Acetaat. De ruggengraat van polyethyleen geeft de

11

Het molecuulgewicht van één koolstofatoom is 12.


10

Module 7 stijfheid en de sterkte. De zijketens bepalen het gedrag bij lagere temperaturen.

Meerdere EVA’s zijn gekoppeld via kristallijne wisselwerking. Ook EVA-polymeren zwellen in bitumen. De zwelling daarvan is 3 tot 5 keer het oorspronkelijk volume. Er is dan ook iets meer EVA nodig om tot een continue fase te komen dan SBS. Figuur 7-8: Enkele EVA polymeren. De doorlopende keten is het ethyl, de kleine blokjes zijn de vinylacetaten, de grotere de kristallen.

3.5.3 Algemeenheden over modificatoren Modificatoren moeten altijd compatibel zijn met het bitumen. Dat wil zeggen: ze moeten er in ‘oplossen’. Zoals eerder is duidelijk gemaakt is bitumen ‘an sich’ een ingewikkelde ‘vloei’stof waarvan de componenten niet altijd in oplossing blijven. Toevoegen van een nieuw en vreemd element, gecombineerd met het onttrekken van delen van componenten uit de oorspronkelijke bitumen, maakt het geheel instabieler. Men moet specifiek zijn12. Concreet betekent dit dat polymeren niet zomaar uitgewisseld kunnen, ook niet als een polymeer het in een bitumen erg goed doet; bitumina niet zomaar uitgewisseld kunnen worden, ook niet als een bitumen het goed doet met een polymeer; men voorzorgen moet nemen om de componenten in oplossing te houden. Dit kan via het gebruik van dopes. De compatibiliteit kan op meerdere manieren bepaald worden. Een ervan is via het bepalen van de samenstellende delen van het bitumen (SARAanalyse) en kennis van het polymeer. Een andere is via het bepalen van de viskeuze eigenschappen van het mengsel. 3.6

Viscositeitseisen

De viscositeit zoals die normaal gebruikt wordt is gerelateerd aan de glijdings- of schuifmodulus G*. De betekenis van G* is behandeld in module 6. In dit hoofdstuk worden voor de verschillende levensfasen van asfaltmengsels de gewenste waarden van G* besproken. Dit zal gebeuren aan de hand van een zogeheten G-Black diagram, wat een verbijzondering is van het Black-diagram.

12

Een middel om vooraf te bepalen of bitumen en polymeren stabiel zullen zijn is via de ‘oplos-energie’ oftewel de solubility-parameters van Hildebrandt. Als het geen moeite (energie) kost om middelen in elkaar op te lossen dan zal het nieuwe mengsel stabiel zijn.


11

Module 7 3.6.1 Ideaal viscositeitsgedrag In een Black diagram wordt voor een bindmiddel de complexe glijdingsmodulus G* uitgezet tegen de fasehoek δ, zoals die aan bitumen gemeten worden bij gegeven temperatuur en frequentie.

Minder Stijf

Stijver

Er zijn vier gebieden te onderscheiden waar het bindmiddel doorheen moet gaan tijdens zijn toepassing in asfaltmengsels. • In eerste instantie moet het bitumen de aggregaten benatten. Daarvoor moet de viscositeit laag zijn (goed vloeibaar) en het moet een lage weerstand tegen vervorming hebben. In het diagram van figuur 7-9 moet het linksonder liggen; • Na de benatting G* moet het bindmiddel om de Geen scheurvorming aggregaten blijven zitten. Het moet Geen afdruip dus een hogere wel verdichting viscositeit krijgen: Vormstabiel 150-80 0C benatting 60-0 0C een hogere G* en 160-150 0C lagere fasehoek. Tegelijk mag de viscositeit niet zoveel toenemen Fase verschil viskeus elastisch dat de verwerkbaarheid Figuur 7-9: Ideaal rheologisch gedrag van en de een bindmiddel verdichtbaarheid gevaar lopen. Er is dus een tweede gebied aan te geven dat rechtsboven het eerste gebied ligt. Vervolgens moet het dan ontstane asfaltmengsel zijn functie in de weg vervullen, waar twee mechanische schaden bestreden moeten worden. • Het mengsel moet geen spoorvorming laten zien: het moet vormstabiel zijn. Daarom moet het bindmiddel een hoge G* hebben (stijf zijn) en bovendien elastisch zijn. Dan zal er immers weinig vervorming optreden (G* is hoog) en de vervorming die optreedt is niet blijvend (elastisch). Het te prefereren gebied ligt dus rechtsboven in de figuur. Nu moet het mengsel ook bestand zijn tegen scheur(door)groei. Scheurvorming ten gevolge van lage temperatuur wordt hieronder behandeld. Om scheurdoorgroei, waarbij inderdaad een bestaande scheur groter wordt, tegen te gaan mag het asfalt niet al te stijf zijn en niet al te elastisch. Immers: te stijf betekent te bros en te elastisch betekent dat de breukenergie te laag wordt. Het gebied ‘rechtsboven’ is dus beperkt. • Verlaging van temperatuur leidt tot grote spanningen en mogelijk tot scheurgroei. Deze vorm van schade wordt tegengegaan door de spanningen te laten wegrelaxeren. Hiervoor is nodig dat het materiaal viskeuzer wordt bij (zeer) lage temperaturen. Dit is een gebied links in de figuur, net onder de hoogte van het gebied dat hierboven beschreven is.


12

Module 7 Het mechanisme waarmee het bindmiddel van het ene naar het andere gebied gaat hoeft niet noodzakelijkerwijs de temperatuur te zijn, al is het dat feitelijk wel.

3.6.2 Reëel viscositeitsgedrag In een G-Black diagram13 wordt net als in het originele Black-diagram de G* weergegeven als functie van δ. In een G-Black diagram worden de waarnemingen met hun meettemperatuur weergegeven. Hierdoor wordt het temperatuurs- en frequentiegedrag afzonderlijk inzichtelijk gemaakt. De verwisseling van de assen is overigens niet relevant. In beide diagrammen blijken de metingen aan conventionele bitumina onafhankelijk van de temperatuur en frequentie- op één kromme te liggen. Om dit verschijnsel te verkrijgen dient het te onderzoeken materiaal chemisch niet te veranderen door de veranderende temperatuur. Nu is het echter zo dat de interacties (chemisch en fysisch/chemisch) tussen polymeren en bitumen sterk afhankelijk zijn van de temperatuur. G* [KPa]

1000

30 0C

In figuur 7-10 worden resultaten van metingen 50 0C frequentie aan een conventioneel 10 60 0C 70/100 bitumen gegeven. De metingen zijn gedaan 1 voor vier temperaturen en 0.1 per temperatuur is een frequentiegebied doorlo0.01 pen van 0.2 tot 10 Hz. 90 85 80 75 70 65 60 55 50 δ [degr] Duidelijk is dat dit bitumen bij lagere temperaturen Figuur 7-10: G-Black diagram voor 70/100 en/of hogere frequenties bitumen stijver en elastischer wordt, en bij de tegenovergestelde condities slapper (meer vloeibaar) en viskeuzer. Overigens moet worden opgemerkt dat het meetgebied van figuur 7-10 overeenkomt met het gebied in de rechterbovenhoek van figuur 7-9. 40 0C

100

1000

G* [KPa] 70/100

100

30 0C

10

40 0C 50 0C

1

60 0C

70/100, 3% SBS

70/100, 6% SBS

0.1 0.01 90

85

80

75

70

δ [graden]

65

60

55

50

In figuur 7-11 is een GBlack diagram weergegeven van twee SBSgemodificeerde 70/100 bitumina (3 en 6% SBS). Als vergelijk is in de figuur het niet-gemodificeerde 70/100 bitumen opgenomen. Opgemerkt wordt dat de meettemperaturen in het ‘praktisch relevante’ wegdek- gebied liggen.

Figuur 7-11: G-Black diagram voor conventioneel en SBS-gemodificeerd 13 bitumen (twee concentraties). Goos D., Carré D.; Rheology of binders and asphalt mixes visualised for the civil engineer; Eurobitume 1999, Luxemburg


13

Module 7

Er zijn grote verschillen, en overeenkomsten. De overeenkomsten liggen zeker bij de (zeer) lage temperaturen en de zeer hoge frequenties. Dan doet de modificatie blijkbaar niet veel. Dat is te begrijpen: het bitumen is dan zeer hard. Bij het 3% SBS-gemodificeerde mengsel ziet men dat de verbeteringen over het gehele gebied minder zijn. Bovendien blijkt dat de verbeteringen weg beginnen te vallen bij 60 °C. Het PMB wordt blijkbaar weer viskeus en gaat op bitumen lijken. Bij het mengsel met 6% wordt het gedrag steeds elastischer naarmate de temperatuur stijgt. Dit resulteert in een hogere weerstand tegen vervorming, maar ook in een verhoogde kans op moeilijkheden bij de verdichtbaarheid. Een mogelijke andere overeenkomst – de data geven geen uitsluitsel - ligt in het gebied van hoge temperaturen en lage frequenties. De lijn voor de 3% modificatie geeft aan dat het polymeer in die gebieden slap wordt (het is een thermoplast). De 6% modificatie zal dat ook worden, zij het bij hogere temperaturen. Dit is overigens gunstig in verband met de verwerking/verdichting. Verschillen zitten vooral in het gebruiksgebied: de modificatie maakt het bindmiddel veel elastischer. Van groot belang is om het effect van de concentratie van de polymeren te zien. Op zijn minst is hier de les dat bij modificaties niet alleen het type maar ook de concentratie van de polymeer opgegeven moet worden. G* [kPa] 1000 100 10

100 70/ e nti ue q e fr

5%

30 0C 20 0/2 , 18 A EV

40 0C 50 0C 60 0C 65 0C

1 frequ entie

0.1 0.01 90

85

80

75

70

δ [degr]

65

60

55

50

Figuur 7-12: G-Black diagram voor conventioneel en EVA gemodificeerd bitumen (twee concentraties).

Figuur 7-12 geeft de modificatie met EVA weer. Hier is minder duidelijk dat modificatie bij lagere temperatuur weinig effect heeft; misschien zijn de data daarvoor niet uitgebreid genoeg. Zeker geven de metingen niet aan dat bij hogere temperatuur de polymeer plastisch wordt. Afhankelijk van de soort EVA smelten de kristallijne gebieden tussen 60 en 80 ºC.

Opvallend is dat de curven gemeten bij opeenvolgende temperaturen geen overlap meer vertonen. Dat was wel het geval bij het conventionele bitumen en bij de SBS-modificatie. Blijkbaar is de regel niet meer geldig die zegt dat temperatuur en belastingstijd uitwisselbaar zijn (een hoge temperatuur geeft meer viskeus gedrag, net zoals een langere belastingstijd dat doet).


14

Module 7 3.7

Polymeren in mengsels

Polymeren beïnvloeden de asfaltmengsels op een aantal manieren. De drie belangrijkste zijn wellicht: 1. verhogen van de weerstand tegen vervorming 2. verhogen van de viscositeit van mortel, van belang bij zoab 3. verhogen van de weerstand tegen scheurdoorgroei Spanning (trek)

Rek

Figuur 7-13: Spannings-rek diagram. De getrokken lijn stelt een conventioneel bitumen voor, de streepjeslijn een 5% SBS en de puntjeslijn een 6% EVA modificatie daarvan.

Polymeren kunnen het ductiliteitsgedrag van mengsels sterk beïnvloeden. Niet alleen kunnen zij bevorderen dat de rek bij breuk groter wordt, ook zullen zij de maximale kracht verhogen die daarbij opgelegd moet worden. (zie figuur 7-13). Deze figuur is gemeten aan bindmiddelen14 en kan ook gelden voor mengsels. (Figuur 7-13 moet niet gezien worden als algemeen geldig. Daarvoor zijn er teveel variabelen.)

Zoals behandeld in module 4 neemt door de hogere treksterkte de cohesie in het Mohr-Coulomb diagram toe. Daarom moet men minder gevoeligheid voor plastische vervorming verwachten. In module 4 is ook gesteld dat de scheurgroeisnelheid afneemt als de treksterkte en/of de breukenergie toeneemt. Onder invloed van modificaties nemen zowel de treksterkte als de breukenergie toe, resulterend in een lagere scheurgroeisnelheid. Tenslotte zij opgemerkt dat modificeren de viscositeit van mortel, mastiek en specie verhoogt. Daarom kan het ook een middel zijn waarmee de levensduur van zoab wordt verlengd: het stelt de verwerker immers in staat een dikkere film om de stenen te houden. In relatie met COMPASS zijn de voordelen van modificaties dus tweeërlei: De treksterkte neemt toe, net als de weerstand tegen vervorming.

14

Coorengel R., Hopman P.C.; Development of a porous asphalt wearing course for orthotropic steel bridge decks. 4th Eurobitume Symposium 1989.


15

Module 8


Module 8: Interactie bindmiddelen / vulstof

1

ALGEMEEN ......................................................................................................2

2

FYSICA VAN INTERACTIES............................................................................2 2.1 2.2 2.3 2.4

WATERSTOFBRUGGEN .....................................................................................2 DIPOOL-DIPOOL WISSELWERKING ......................................................................3 ANDERE WISSELWERKINGEN .............................................................................3 CHEMISCHE BINDING ........................................................................................3

3

AANTONEN EN MODELLEREN VAN INTERACTIES ....................................3

4

HECHTVERBETERAARS ................................................................................5

5

MODEL VOOR DE WERKING VAN CA(OH)2 .................................................6

6

AANBRENGEN CA(OH)2 .................................................................................6

7

NEDERLANDS ONDERZOEK..........................................................................6


1

Module 8

1

Algemeen

Bij de bespreking van de bouwstoffen is duidelijk geworden dat zowel de aggregaten als het bitumen ingewikkelde materialen zijn met een veelheid aan complexe eigenschappen. De aggregaten kennen vele kristallen die ieder hun eigen specifieke oppervlakte kenmerken hebben. Het bitumen bestaat uit vele moleculen, die veelal een verdeling van elektrische lading hebben die leidt tot dipool-gedrag. Het verbaast dus niet dat bitumen en aggregaat wisselwerken en allerlei interacties aangaan. Men spreekt van een zure steen als de steen negatief geladen is, dat wil zeggen een overschot heeft aan elektronen. Deze steen zal graag elektronen afstaan. Het is daarmee een kathode (een oxidator). Omgekeerd, een basische steen is positief geladen en wil graag elektronen opnemen: het is een reductor. Een bitumen wordt ‘basisch’ genoemd als het –gemiddeld genomen- de neiging heeft elektronen op te nemen. Duidelijk is dat als twee elementen, die hetzelfde willen, bij elkaar gebracht worden er een conflict ontstaat. De interacties die hier besproken worden resulteren in hechting, of in kleefkracht. Er zijn drie mechanismen voor: 1. het bitumen verankert zich mechanisch in holten en aan andere kleine oneffenheden van aggregaten; 2. de wisselwerking bitumen/aggregaat resulteert in vermindering van oppervlaktespanning van de som van de afzonderlijke delen. De energie-inhoud van het nieuwe samengesmolten systeem is dus minder dan van de losse elementen1. Bij deze wisselwerking komt dan ook de ‘gewonnen’ energie vrij, meestal als warmte; 3. chemisch/fysische wisselwerking, meestal gebaseerd op dipool/dipool interacties. 2

Fysica van interacties

De interactie die gebaseerd is op contactspanningen is besproken in module 6 (Aggregaat): het benatten van het aggregaat door het bindmiddel. Het bleek dat door de verschillen in oppervlaktespanning vloeistoffen elkaar kunnen verdringen van het oppervlak van een vaste stof. Zoals bekend zijn oppervlaktespanningen zelf afhankelijk van de materialen waartussen dat oppervlak bestaat. 2.1

Waterstofbruggen

Waterstofbruggen ontstaan als een waterstofmolecuul gebonden is aan een tweede molecuul dat sterk elektro-negatief is, dat wil zeggen, een 1

Het is een natuurwet dat gesloten systemen streven naar een zo klein mogelijke energie-inhoud. Het verschil in energie dat hierbij vrijkomt wordt vaak omgezet in warmte, maar kan ook gebruikt worden om andere (chemische) processen op te starten.


2

Module 8 molecuul dat graag een (extra) elektron in zijn nabijheid heeft. Dat betekent dus dat het waterstofmolecuul een beetje positief is. Als nu een ander elektro-negatief geladen atoom –dat onderdeel van een groter molecuul kan zijn- vervolgens in de buurt van het bovengenoemde waterstofmolecuul komt, dan wil het oorspronkelijke elektron daarvan ook naar het nieuwe atoom. Dat elektron zal zijn krachten een beetje verdelen: er is een waterstofbrug ontstaan. Atomen die nogal elektro-negatief zijn, zijn zwavel, stikstof en zuurstof – in toenemende mate. Hechting ten gevolge hiervan is vrij zwak. Desalniettemin, als het vaak voorkomt resteert wel een sterke totaalkracht. 2.2

Dipool-dipool wisselwerking

Niet alle atomen hebben gelijke affiniteit voor elektronen. Indien atomen met verschillende affiniteiten binnen één molecuul zitten kan de elektronenwolk niet keurig rondom de positieve kern van de afzonderlijke atomen blijven draaien, maar zich een beetje asymmetrisch verdelen. Dan resulteert dus een ladingsverdeling over dat molecuul: een dipool. De positieve kant van het ene dipool kan en zal de negatieve kant van een ander opzoeken. Die kunnen gaan wisselwerken: een interactie en daarmee hechting is ontstaan. 2.3

Andere wisselwerkingen

Soms –en vooral in onverzadigde aromaten- kunnen elektronen springen van het ene atoom naar het andere. Dat zullen ze dan gauw merken en snel teruggaan naar hun eigenlijke plaats. Ondertussen is er wel een tijdelijke asymmetrie geweest in de ladingsverdeling: er is een tijdelijke hechting geweest. De hier bedoelde ladingsverdeling kan een gevolg zijn van een zogeheten π-π-binding. Het treedt ook op als dispersie-binding. De hechting die resulteert is uiteraard zeer zwak. 2.4

Chemische binding

Chemische binding berust op een zeer actieve uitwisseling van elektronen. Er ontstaan feitelijk nieuwe moleculen. Het begrip interactie is dan ook wat misplaatst: men spreekt over een chemische reactie. Indien een chemische reactie plaats kan vinden tussen het aggregaat en het bindmiddel zal de hechting zeer sterk zijn. 3

Aantonen en modelleren van interacties

In module 6 is gesproken over de interactie tussen vulstoffen en bitumina, zoals dat aangetoond kan worden via viscositeitsmetingen (G*-metingen). Een andere, meer gedetailleerde, manier is via calorimetrie.


3

Module 8 In een calorimeter wordt zeer nauwkeurig de warmte gemeten die vrij komt bij een of ander proces. Door dit te doen in de loop van de tijd kan de wisselwerking geanalyseerd en mogelijk begrepen worden. De warmte die vrijkomt bij het mengen van twee stoffen heet immertiewarmte. In figuur 8-1 is een voorbeeld van een meting gegeven2. De tijdschaal is niet aangegeven, maar de ontwikkeling van de staart kan enkele uren duren3. De piek is bereikt na enkele tientallen minuten. Energie flux

tijd

Figuur 8-1: Immertiewarmte, gemeten aan een mengsel bitumen / vulstof. De bovenste curve is verkregen met adhesie-promotor (hechtverbeteraar).

De curve heeft twee niveaus, er zijn twee processen te herkennen: in eerste instantie wordt de dipooldipool interactie ontwikkeld –dit wordt afgeleid uit de hoogte van de piek-. vervolgens wordt de polarisatie in het bulk-bitumen ontwikkeld. De ontwikkeling van zwakke interacties als waterstofbruggen en

dispersie-polarisatie zijn niet gemeten. In figuur 8-1 is duidelijk wat het effect is van een hechtverbeteraar: hij maakt de al bestaande processen veel intensiever.

+ -

Bovenstaande theorie leidt tot figuur 8-2, waarin + + - + de opbouw van een + interactie is geschetst, + gebaseerd op een - + - + + theorie die uit immertie+ - + + metingen volgt. De zure steen (negatief geladen) + + trekt positieve asfaltenen + - asfalteen aromaat naar zich toe. Die harsen verzadigden asfaltenen ‘zweven’ overigens in een min of Figuur 8-2: Interactie-model steen-agregaat. meer vloeibare substantie die opgebouwd is uit aromaten en verzadigden. Ook harsen kunnen wisselwerken met het aggregaat. Natuurlijk + -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ +-

+ -

+ -

2

Gastmans, A.; GWW-gebreken, tenHagenStam uitgevers.. Hier ligt een potentiële verklaring voor de noodzaak om pas aangelegde wegen te laten ‘besterven’. Indien het uren duurt bij hogere temperaturen- voordat bepaalde vormen van hechting tot hun recht komen, zal het zeker vele uren duren voordat dat gebeurt bij lage temperaturen. 3


4

Module 8 hebben de interacties steen/asfaltenen een grotere impact op de hechting dan steen/harsen. De asfaltenen hebben een veel grotere ruimtelijke uitgebreidheid en ‘vangen’ meer ‘bitumenmoleculen’. Uit dit model is overigens ook duidelijk dat de verzadigden en aromaten geen directe (grote) invloed op de hechting kunnen hebben: ze zijn niet polair. 4 Hechtverbeteraars Er zijn verschillende stoffen die de interacties tussen bitumen en aggregaat sterker maken. Meestal herkent men drie groepen: amines, sylano-groepen en Ca(OH)2. Amines zijn (koolwaterstof) moleculen die een actief stikstofatoom bevatten in de vorm van NH2 of NH3. Een zuur aggregaat kan ontstaan doordat een siliciumatoom geoxideerd wordt en een negatief geladen zuurstofatoom overhoudt. Die lading moet (of wil) worden gecompenseerd en een interactie met de amine helpt. Immers, die gaat een reactie aan die het negatieve oppervlak ‘weg’masseert. Men kan zich afvragen waarom een aggregaatoppervlak dat geladen is niet altijd leidt tot goede hechting. Er moet, zo kan de redenering zijn, toch altijd wel een bitumenmolecuul zijn dat de tegenovergestelde lading heeft. In het algemeen zal dat zo zijn. De vraag is echter of een + + + bitumen de opvolging daarvan + + + kan leveren. In figuur 8-3 is een + + + voorbeeld gegeven. Het zure + + aggregaat trekt de positieve + + + + kant van dipolen aan. dat betekent dat de negatieve kant ‘naar buiten steekt’. Die zal op Figuur 8-3: Voorbeeld van ordening van moleculen ten gevolge van lading zich weer de positieve kant van een andere dipool aantrekken. op aggregaat-oppervlak. En dat proces wil zich doorzetten. Dat kan echter niet: indien er niet meer dan een enkele laag ontstaat, zullen de negatieve polen van de dipolen elkaar afstoten. De ordening gaat verloren. Indien de afstoting te fel wordt kan het gebeuren dat er geen interactie met het aggregaat optreedt. Of dat de interactie zwak wordt. -

-

-

+

-

+ + +

-

Bovenstaande geeft aan dat de wisselwerking (hechting) op meer berust dan op alleen maar een ‘eerste’ interactie. Het bitumen moet ook aan de vervolgeisen kunnen voldoen. De functie van een hechtverbeteraar is bij te dragen tot de effectiviteit van de overgang tussen aggregaat en bitumen. Een van de manieren zit impliciet verborgen in figuur 8-3. Een hechtverbeteraar kan de wat geconcentreerde lading op het oppervlak van het aggregaat ‘verspreiden’ in het bitumen.


5

Module 8

5

Model voor de werking van Ca(OH)2

Een in Nederland gebruikelijke hechtverbeteraar is calciumhydroxide. Het is bevreemdend dat een denkpatroon voor de wijze waarop dit materiaal werkt feitelijk ontbreekt. Een mogelijk model is echter het volgende: Een van de twee OH groepen van het Ca(OH)2 splitst zich en stelt een + H ter beschikking aan het zure aggregaat. Daarmee haalt het een deel van de lading weg en maakt het makkelijker voor het bitumen om de andere negatieve lading op het aggregaat te compenseren. + Hetzelfde Ca(OH)2 kan ook van de andere OH -groep de H ter beschikking stellen, bijvoorbeeld aan een (negatief) hars of een (negatief) asfalteen dat ‘vraagt’ om een positieve lading. In dat geval zit het Ca-O-O met één kant vast aan het aggregaat en met één kant aan het bitumen. Een goede hechting resulteert. Dit model heeft als consequentie dat het alleen zal kunnen werken bij de combinatie zure steen en zure bitumen. Verder zal het beter moeten werken als het Ca(OH)2 direct wordt aangebracht op het aggregaat: daar moet het immers zijn werk doen. 6 Aanbrengen Ca(OH)2 In de literatuur wordt melding gemaakt van vier manieren om Ca(OH)2 aan te brengen als toevoeging aan het bitumen (soms ‘het modificeren van bitumen’ genoemd) als toevoeging in de vulstof als droge toevoeging aan de steen / zand fractie als slurry, aan te brengen op de zand / steen fractie voor het inbrengen in de droogtrommel Vooral in Amerika wordt de laatste methode met veel succes gebruikt.4 De eerste methode is daar ook toegepast, zij het met beduidend minder succes. In Nederland is voor zoab voorgeschreven dat de vulstof die gebruikt wordt 25 % Ca(OH)2 bevat. 7 Nederlands onderzoek In Nederland heeft een onderzoek5 plaatsgevonden naar de effecten die Ca(OH)2 heeft op de duurzaamheid van de hechting van bitumen op vuursteen. In dit onderzoek is de term ‘duurzame hechting’ vertaald als de ‘weerstand tegen stripping’. In dat onderzoek zijn een aantal proeven gedaan. De proeven waren erop gericht het hechtingsgedrag op de lange duur van steen/bitumen mengsels te onderzoeken. Er is geen informatie verworven met betrekking tot de grootte van de hechting. 4

John Epps, Little, Lhoist Conference on Filler Materials, 1997, Bruxelles Robertus C., Hopman P.C.; Invloed van hydroxide op hechting bitumen / vuursteen; Wegbouwkundige Werkdagen 1994 5


6

Module 8

Als proef voor de langeduur-hechting is onder andere de retained Marshallproef genomen. In deze proef wordt de Marshallstabiliteit bepaald van identieke proefstukken kort na bereiden en nadat ze 48 uur bij 60°C onder water zijn bewaard –na een vacuüm-behandeling bij 0°C-. De verhouding van beide stabiliteiten is als maat genomen voor de duurzaamheid van de hechting. Een algemeen geaccepteerd criterium is overigens dat als de stabiliteit door de onderdompeling in water terugzakt naar minder dan 70%, de duurzame hechting beperkt is. Een deel van de resultaten is gegeven in figuur 8-4. Retained Marshall

De resultaten van het onderzoek geven aan 90 dat de stripping mini80 maal is indien 15% hydroxide aan de 70 vul-stof wordt toegevoegd; 60 de verbetering het 50 grootst is bij de 0 5 10 15 20 25 30 combinatie van een Percentage hydroxide ‘Venezolaans Riviergrind Zeegrind Gedroogd zeegrind bitumen’ en Figuur 8-4: Retained Marshall waarden (stabizeegrind (met een liteit) voor Midden Oosten bitumen, met grind zeer hoog van diverse herkomst. percentage vuursteen) toevoegen van meer dan 15% contra-productief werkt; hechtingsverbetering door hydroxide zal werken voor dichte en open mengsels. 100

In grote lijnen wordt het boven beschreven model bevestigd in figuur 8-4. Van praktisch belang is de constatering dat: Ca(OH)2 inderdaad functioneert als hechtverbeteraar –tenminste bij bepaalde combinaties bitumen / aggregaat te veel toevoegen contra-productief werkt. Als conclusie van het onderzoek is aangegeven dat het aanbeveling verdient om in de Standaard op te nemen dat in mengsels die grind bevatten vulstof gebruikt moet worden dat 10% (m/m) Ca(OH)2 bevat.


7

Module 9


Module 9: Speciale mengsels

1. SPECIALE MENGSELS .....................................................................................2 2

ZEER OPEN MENGSELS.................................................................................2 2.1 VOOR EN NADELEN...........................................................................................2 2.2 ENKEL- EN DUBBELLAAGS ZOAB ........................................................................3 2.3 GELUIDSREDUCTIE ...........................................................................................3 2.3.1 Meten van geluidsemissie .....................................................................4

3

COMBINATIE DEKLAAG .................................................................................5 3.1 3.2 3.3 4

HISTORIE .........................................................................................................5 SLURRY ...........................................................................................................5 OPEN SLURRY..................................................................................................5 BERMASFALT ...................................................................................................5


1

Module 9

1. Speciale mengsels Relatief recentelijk zijn enkele speciale mengsels verder ontwikkeld en uiteindelijk op de markt gekomen. Omdat de ontwikkelingen niet stilstaan zal deze module geregeld gewijzigd worden. In deze paragraaf worden er enkele behandeld: • zeer open mengsels, waaronder enkellaags en tweelaags zoab • combinatie deklaag • bermasfalt Kenmerk van de eerste is het vermogen om geluidsoverlast ten gevolge van het verkeer te verminderen. Een combinatie deklaag dient vooral om de vorm stabiel te houden – dus voor het voorkomen van vervorming. ® Bermasfalt is bedoeld om de draagkracht van bermen onzichtbaar te verhogen. 2

Zeer open mengsels

2.1 Voor en nadelen Zeer open asfaltbeton1 heeft een hoog percentage holle ruimte en heeft als deklaag de bekende voordelen: • geluidsreductie, tot 6 dBa ten opzichte van conventioneel dab; • geen spat- en stuifwater; • geen aqua-planing; • verhoogde weerstand tegen spoorvorming. Er zijn ook nadelen, welke hieronder uitvoeriger besproken worden. • aanvangsstroefheid is (te) gering. Dit wordt veroorzaakt door de bindmiddelfilm die om de stenen zit en daar van af gereden moet worden. De manieren die bij dichte mengsels worden gebruikt om de invloed van deze film te minimaliseren –afstrooien- zijn hier uiteraard niet toepasbaar. Recent zijn er ontwikkelingen vanuit de bitumenindustrie die hier mogelijk in de toekomst een oplossing bieden. •

gladheidsbestrijding bij ijzel en dergelijke (snelle afkoeling) is moeilijk. Dit komt omdat de stooimiddelen weliswaar hun werk doen, maar door het gesmolten ijs (of sneeuw) worden ze afgevoerd in de poriën en doen dan daar hun werk. En dat is op de verkeerde plaats. Overigens zijn er ontwikkelingen die zoeken naar betere gladheidsbestrijding. Zo is er een proef gedaan waarbij de dooimiddelen als een vorm van vulstof in het mengsel ingebouwd worden. De gedachte is dan dat deze middelen vrij komen door de invloed van het rijdend verkeer. Naar verluid zijn de resultaten vooralsnog niet overtuigend positief.

1

De naamgeving is historisch gezien verwarrend. Een ‘beton’ is van oudsher een niet gebonden verzameling van aggregaten die alle maten in zich heeft. Een zoab is dan ook geen ‘beton’.


2

Module 9

•

•

onderhoudsgevoeliger. De levensduur van het mengsel is nog niet definitief uitgekristalliseerd. Sommigen gaan uit van 8 jaar, anderen noemen periodes van 12 jaar. Vanzelfsprekend is de feitelijke verkeersbelasting zeer belangrijk (wringend verkeer). moeilijk te overlagen. In het algemeen is het niet verstandig een open laag te overlagen met een dichte, omdat de kans dat water ingesloten wordt zeer aanwezig is. Dit water kan bij hogere temperaturen (zomerse zon) verdampen en een voldoend hoge druk veroorzaken dat leidt tot blaasvorming en onthechting.

2.2 Enkel- en dubbellaags zoab Een jaar of vijf geleden is men begonnen het wat grovere eenlaagse zoab te overlagen met een fijnere tweede laag. Hier dient speciaal het werk van van Bochove (Heymans) genoemd te worden, die zeer intensief heeft bijgedragen aan de ontwikkeling van dit product. De redenen achter de tweede laag waren onder meer: • het verder bevorderen van de geluidsreductie. Er bleek nog eens een winst te behalen van 3 dBa; • het beperken van materiaalverlies, vooral in situaties waar wringend verkeer voorkomt; • het beperken van de vervuiling van de onderste laag, door het aanbrengen van een filter. De gedachte is dat vuil dat door het bovenste fijne mengsel gaat, ook door het grovere onderste gaat. 2.3 Geluidsreductie Geluid wordt door drie processen gegenereerd: • air pumping. De lucht die ingesloten wordt tussen de band en het wegdek komt soms ‘explosief’ vrij en dit is geluid; • trilling van de band. De band zal door zijn mechanische belasting allerlei trillingen ondervinden. Die trillingen worden doorgegeven aan de lucht en die komt ook in trilling. Dat is geluid. • motorgeluid, wat voor zich spreekt. Geluidsreductie2 kan op twee manieren plaatsvinden: 1. door het niet te produceren 2. door het te absorberen Het eerste betekent dat er eisen gesteld moeten worden aan het wegdek, de motor én aan de band. Het tweede betekent dat de geluidsgolven niet teruggekaatst mogen worden. De belangrijkste geluidsbron bij hogere snelheden (buiten de stad) is het band/wegdek contact. Daar is dan ook de grootste winst te behalen. 2

Een geluidsreductie van 3 dB is een halvering van het geluid. Indien 8 mensen uit een koor van 16 hun mond houden is de reductie 3 dB. Als vervolgens van de overgebleven 8 er weer de helft hun mond houden, is er weer een reductie van 3 dB. Ten opzichte van de 16 dus een reductie van 6 dB. Indien er nog 1 zingt, is de reductie 12 dB(a).


3

Module 9

Geluidsreductie wordt uitgedrukt in dB(a) of dBa. Dat staat voor decibel (akoestisch). De toevoeging ‘akoestisch’ betekent dat rekening wordt gehouden met de gevoeligheid van het menselijk oor voor verschillende geluidsfrequenties. Het is duidelijk dat geluidsproductie op het band/wegdek oppervlak minder is als er geen lucht wordt opgesloten (het kan dan ook niet explosief vrijkomen!). Zeer open mengsels hebben dus een eerste voordeel. Om de banden zo min mogelijk in trilling te laten komen moet het wegdekoppervlak geen ‘uit stekende’ stenen hebben. Een fijne gradering ligt voor de hand. Ook zijn de mechanische eigenschappen van de band van belang zijn. Immers, de gehele configuratie van de band, inclusief de bandenspanning, bepaalt of en hoe de band in trilling komt en daarmee geluid afgeeft.

2.3.1 Meten van geluidsemissie Er zijn twee methoden gangbaar: • SPB: Statistical Pass By • CPM: Close Proximity Method Bij de eerste wordt de feitelijke geluidsemissie gemeten aan een wegvak ten gevolge van het verkeer dat ‘toevallig’ langs komt. Hierbij is dan ook aangenomen dat het verkeer dat tijdens de meting langs komt statistisch verantwoord is, oftewel dat het een juiste weerspeiegeling is van het verkeer daar ter plekke. Soms worden binnen deze meting ‘expres’ vrachtwagens ingezet die een vergelijking tussen verschillende wegdekken mogelijk maken. Men moet dan wel deze vrachtwagens uit het gehele verkeer kunnen isoleren. De SPB-methode is gevoelig voor invloeden van de omgeving. Niet alleen het directe geluid wordt gemeten, ook het geluid dat weerkaatst wordt en geluid dat uit andere bronnen tevoorschijn komt. Bij de CPM (Close Proximity Method) wordt alleen de geluidsproductie van een band/wegdek gemeten. Invloed van de meter én van de omgeving (bomen, lawaai) is buitengesloten. Dit wordt bereikt door het contact band/wegdek binnen een rijdende container te laten plaatsvinden. Via geluidsboxen kan de invloed van geluidsabsorbtie ook direct gemeten worden. De geluidsproductie is sterk afhankelijk van de snelheid van de wagen. Het blijkt voor alle gevallen lineair te zijn: des te sneller het verkeer, des te meer emissie.


4

Module 9 3

Combinatie deklaag

3.1 Historie Een combinatie deklaag is, zoals de naam suggereert, een combinatie van materialen. In het verleden zijn er mengsels gemaakt waarbij de stenen eerst omhuld werden met bitumen en later als een cement-slurry verwerkt werden. De gedachte daarbij was dat het bitumenfilmpje voldoende rek zou toestaan om scheuren ten gevolge van het drogen van het beton te voorkomen. Toepassingsgebieden hiervoor waren de bekende plaatsen die gevoelig zijn voor vervorming: opstelstroken, bushaltes en dergelijke. 3.2 Slurry Tegenwoordig bedoeld men bijna uitsluitend zeer open asfaltbeton mengsels waarin een cement of een kunststof slurry wordt ingewassen. De bedoeling is vooral vormvastheid te creëren, met behoud van wat vervormbaarheid voor het volgen van de ondergrond. Het mengsel blijkt in de praktijk zeer specifieke verwerking te vragen. Het is vooral belangrijk de slurry geleidelijk in te brengen. Er mag geen lucht ingesloten worden. Indien deze lucht ontsnapt tijdens het aanbrengen van de slurry (de temperatuur verhoogt wat omdat de slurry uithardt) ontstaan er in de deklaag pinholes, die dan weer water kunnen toelaten, hetgeen weer allerlei schaden oplevert (onthechting, vorst). 3.3 Open slurry Recentelijk is er een proefvak aangelegd waarbij de slurry bestaat uit een zeer open zandmengsel, dat met een kunststof gebonden wordt. De gedachte achter dit mengsel is de voordelen van (twee laags) zoab verder te ontwikkelen en de nadelen te beperken. Zo wordt verwacht dat de geluidsreductie die van twee laags zoab haalt. Ook moet de vervuiling (nog) minder worden, waardoor de functionele levensduur (geluidsreductie) sterk wordt verlengd. Verder meent men dat de strooimiddelen langer aan het oppervalk zullen blijven, waardoor de ijzelproblematiek wordt verminderd. Ook is de aanname dat de ingewassen slurry de stenen in het steenskelet zullen steunen, waardoor het onderhoud afneemt en de levensduur toeneemt. Uitdrukkelijk wordt gesteld dat het lopende proefvak uitsluitsel moet geven over de juistheid van deze verwachtingen. 4

Bermasfalt

Een groot probleem van wegbeheerders met verhardingen in het buitengebied is de schade aan bermen en de daaruit volgende onderhoudskosten. Op smalle wegen maakt het (landbouw-) verkeer gebruik van de bermen tijdens het uitwijken en passeren van ander


5

Module 9 verkeer. Het bermmateriaal is, vooral in natte periodes, hiertegen niet bestand en diepe rijsporen en kuilen zijn het gevolg. Deze bermschade resulteert vervolgens in onveilige situaties en veroorzaakt ook nog schade aan de wegverharding door het gebrek aan kantopsluiting en indringing van water. Bermasfalt® is een warm bereid zeer open steenskelet asfaltmengsel met een steengradering boven de 16 mm. Het mengsel is afgeleid van het open steenasfalt dat al vele jaren met succes wordt toegepast in de waterbouw. De steen is omhuld met een mastiek bestaande uit een mengsel van zand, vulstof en bitumen. Door het ontbreken van de steenmaat 2 tot 16 mm ("gap graded") heeft het asfaltmengsel een holle ruimte percentage van ca. 25%. Het kan worden toegepast als doorgroeibare verharding van bermen en terreinen. Hierdoor kan de berm of het terrein bereden worden zonder dat er schade aan de bermen of het terrein toegebracht wordt zonder dat de weg optisch wordt verbreed. Doordat het mengsel kan begroeien neemt de strook het beeld aan van een eigenlijke berm.


6

Inhoudsopgave. Inhoudsopgave. Verantwoording. Voorwoord. Mechanica van de verharding. Mechanica van mengsels. Mengselontwerpmethoden

Recommend Documents