NUTTIGE AANWENDING VAN BITUMINEUS DAKDICHTINGSMATERIAAL IN DE WEGCONSTRUCTIE Dr. Ing. WIM VAN DEN BERGH Dr. Ing. CEDRIC VUYE Ing. FREDERIK SWENTERS Artesis Hogeschool Antwerpen
Samenvatting
Résumé
Deze bijdrage geeft een samenvatting van het evaluatieprogramma van proefvakken met Aged-Bitumen Bound Base (aB³) en improved Aged-Bitumen Bound Base (i-aB³). Het bitumineus bindmiddel in deze gebonden mengsels is voor 80 % - 100 % afkomstig uit asfaltgranulaat en bitumineuze dakafdichtingen. Beide mengsels bieden een alternatief voor gebonden en ongebonden funderingslagen en bij uitbreiding ook asfalt onderlagen, met een reductie van de wegopbouw en aanlegkosten tot gevolg. In 2001, 2006 en 2010 werden proefvakken aangelegd met verschillende mengsels van aB³ en i-aB³. Deze proefvakken werden recentelijk geëvalueerd door middel van radaren valgewichtdeflectiemetingen (FWD). aB³- en i-aB³-mengsels kunnen toegepast worden in Vlaanderen zoals beschreven in SB250 v2.2. bij schraal asfaltbeton.
Cette contribution résume l'évaluation des sections expérimentales réalisées avec Aged-Bitumen Bound Base (aB³ - couches de base et fondation avec bitume vieilli) et Improved Aged-Bitumen Bound Base (i-aB³ : aB³ amélioré). Dans ces mélanges liés, le liant bitumineux est principalement issu d’agrégats d’enrobés bitumineux et d'étanchéités bitumineuses. Les deux mélanges offrent une alternative pour les couches de base liées et non liées ; de plus, pour les couches de base en enrobés bitumineux, ils conduisent à une réduction du coût de la structure. En 2001, 2006 et 2010, des sections expérimentales ont été construites avec différents mélanges de i-aB et aB³. Ces sections ont été évaluées par le radar et le déflectomètre à masse tombante (FWD). aB³ et i-aB³-mélanges peuvent être utilisés en Flandre, tel que décrit dans SB250 v2.2. comme Grave Bitume.
1
1.
Situering
In 1997 startte aan de Artesis Hogeschool Antwerpen een onderzoeksprogramma(ref1) naar de recyclagemogelijkheden van bitumineuze dakbanen in de wegenbouw. De jaarlijkse vrijkomende hoeveelheid bitumineus dakafval werd recentelijk geschat op 14100 ton/jaar voor België(ref2). Binnen de dakdichtingssector wordt maar een beperkte hoeveelheid gerecycleerd in de eigen productie van nieuwe dakbanen; het restant wordt uitgevoerd voor verdere verwerking of gestort. Dit afval bevat echter meer dan 60 % bitumen, aangevuld met zand, vulstoffen en inlage. Het recycleren van deze afvalstof in een bitumen-gebonden grondstof leidt tot een hoogwaardige toepassing van elke component. In Van den bergh et al(ref3) werd aangetoond dat een warmbereid mengsel van verkleinde bitumineuze dakbanen (VBD) asfaltgranulaat (AG), en aangevuld met nieuwe granulaten, een duurzaam mengsel oplevert met hoge stijfheid en weerstand tegen vermoeiing. Dit materiaal is geschikt als gebonden fundering in de wegenbouw of als onderlaag in flexibele verhardingen. Gebruik makend van verschillende software (zoals BISAR en NOAH) werd een nieuwe wegopbouw geïntroduceerd: het aged-bitumen bound base concept. In dit concept wordt er gebruik gemaakt van gereduceerde laagdiktes, dankzij de verhoogde stijfheid en vermoeiingslevensduur. Naast het uitgebreide laboratoriumonderzoek en de dimensioneringsstudie, werd het aB³ ook in-situ aangelegd als proefvak te Antwerpen (2001)(ref4) en in Beveren (2006)(ref5). Hierbij werd een optimalisering aangebracht in de mengselsamenstelling onder de vorm van i-aB³ (improved Aged-Bitumen Bound Base)(ref6): door 1 % nieuw bindmiddel toe te voegen ter vervanging van 1% verouderd bitumen, bleef de weerstand tegen watergevoeligheid nagenoeg gelijk bij een totale daling van 5,7 % naar 5,1 % bindmiddel in het mengsel en kon de verwerkingstemperatuur dalen van 155 °C naar 145 °C zonder verlies aan ITS-R. De proefvakken werden na de aanleg een eerste keer geëvalueerd door middel van visuele inspectie en deflectiemetingen in 2007(ref7). In 2010 werd de Montignystraat te Antwerpen aangelegd met i-aB³. Binnen een MIP2-project werd een bijkomende studie uitgevoerd op de inzameling van het bitumineus dakbaanmateriaal (MIP2 Project Bitukring((ref2)). In 2012 werden nieuwe evaluaties
(ref1) (ref2) (ref3)
(ref4) (ref5) (ref6) (ref7)
Van den bergh, W., Stoop, J., & Mestdach, F. (2010). Ontwikkeling en validering van aB³: Aged-Bitumen Bound Base – State of the Art 2009. Eindrapport. Antwerpen. Sneiders, K., & Van den bergh, W. (eindred.). (2011). Bitukring: Recyclage van Bitumineus dakafval [eindrapport]. Antwerpen: Artesis Hogeschool Antwerpen. Van den bergh, W.,Reynaert, R., & De Jonghe, A.C.A. (2008). Aged-Bitumen Bound Base structure (aB³): a th new concept for flexible road structures. Proc. 4 Eurasphalt and Eurobitume Congress 2008. Kopenhagen. De Jonghe, T., Van den bergh, W., & Verheyen, J. (2005). Studie in verband met een wegopbouw bestaande uitsluitend uit bitumineus gebonden materialen: aB³, Antwerpen: Hogeschool Antwerpen. Lodewijckx, I. (2006).Studie en onderzoek ten behoeve van een proefvak te Beveren met aB³ [thesis]. Antwerpen: Hogeschool Antwerpen. Van den bergh, W., Brosens, N., & Kerstens, W. (2009). Optimalisering van aged-bitumen bound base: ITS-R en BBR. Belgisch Wegencongres 2009. Gent. Van den bergh, W., Reynaert, R., De Proost, P. (2009). Aged-Bitumen Bound Base structuur aB³: state of the art 2008. Belgisch Wegencongres 2009, Gent.
2
uitgevoerd op de drie proefvakken. In deze paper wordt dieper ingegaan op de resultaten en aanbevelingen van deze laatste evaluatie. Eerst wordt een beschrijving gegeven van aB³, i-aB³, asfaltgranulaat en de verkleinde bitumineuze dakbanen. In sectie 3 wordt dieper ingegaan op de aanleg van de Montignystraat met i-aB³. In sectie 4 worden de evaluaties van de proefvakken gerapporteerd. Sectie 5 vat de conclusies samen met betrekking tot de aanwending van aB³ en i-aB³ in de wegenbouw. 2. Definitie van aged-bitumen bound base (aB³) en improved aged-bitumen bound base (i-aB³) aB³ (aged-bitumen bound base) en i-aB³ (improved aB³) zijn bitumineus gebonden mengsels, geproduceerd in een asfaltcentrale. Ze bevatten nieuw aggregaat (NA), verkleinde bitumineuze dakbanen (VBD), asfaltgranulaat (AG) en in het geval van i-aB³ ook nieuw bindmiddel. Oorspronkelijk werd de samenstelling en korrelverdeling van aB³ afgestemd op een AB-3A mengsel. Verder werd tot maximaal 50 % AG toegevoegd aan het mengsel, doch door een geoptimaliseerde selectie van AG kan dit percentage verhoogd worden in functie van de korrelverdeling en het bindmiddelgehalte van AG en het uiteindelijk aB³. Een toename van AG leidt tot een afname van VBD, tenzij een verhoogd bindmiddelgehalte gewenst is, bijvoorbeeld in functie van een verbeterde watergevoeligheid, of een bitumenarm AG dient gecompenseerd te worden door het bindmiddel uit VBD. VBD is per definitie een mechanisch (en cryogeen) verkleind aggregaat afkomstig uit de afbraak van bitumineuze daken, afval uit de productie van dakdichtingsbanen of snij-afval bij de aanleg van nieuwe dakbanen op het platte dak. De richtwaarden die aangehouden werden voor de samenstelling van aB³ en i-aB³ in het onderzoeksprogramma(ref1) zijn samengevat in Tabel 1. Component
Criterium
Aggregaat uit AG
45 - 55 m/m%
Aggregaat uit VBD (vulstof-zand)
1 - 2 m/m%
Nieuw Aggregaat
45 - 55 m/m% (tot een samenstelling die voldoet aan AB-3A)
Korrelverdeling en samenstelling
AC-20
Bindmiddel eigenschappen van
Penetratiegetal mengsel: 10-20 dmm
het bindmiddelmengsel
Verwekingspunt R&B: 60 – 90 °C
(AB-3A in SB250 v2.2)
Minimum 40 % van het bindmiddel is afkomstig uit AG Streefdoel bitumengehalte
Minimum 5,7 % in het aB³-mengsel
en samenstelling in aB³
Richtwaarde: 50 % uit AG en 50 % uit VBD 3 - 5 % VBD
Streefdoel bitumengehalte
Minimum 5,1 % in het mengsel
en samenstelling in i-aB³
Richtwaarde: 50 % uit AG en 30 % uit VBD en 20 % nieuw 2 - 4 % VBD
ITS-R
ITS-R: > 80%
Tabel 1 : Minimale mengselontwerpcriteria voor aB³ en i-aB³ 3
Voor de verschillende testprogramma’s en proefvakken (1997-2010) varieerden de AG-partijen en de samenstelling van VBD, bijvoorbeeld het bindmiddelgehalte van VBD varieerde van 50 % tot 67 %. Er werd wel telkens gericht naar een referentiesamenstelling van AB-3A die quasi in alle tests en proefvakken gelijk was. Het bindmiddelgehalte werd telkens geoptimaliseerd volgens: in eerste instantie Marshall karakteristieken (tot 2003) en later de weerstand tegen watergevoeligheid (ITS-R, EN12697-12 en 23) en spoorvorming (EN 12697-22) telkens getoetst aan de criteria voor AB-3A in het Standaardbestek 250 (geldende versies tot en met versie 2.2(ref8)). Voor de verschillende samenstellingen, korrelverdelingen en proefresultaten tot 2009 wordt verwezen naar Van den bergh et al(ref1) en voor het vooronderzoek voor de Montignystraat naar Swenters (2010)(ref9). 2.1. Inventarisatie van de twee recycling bouwstoffen: asfaltgranulaat en verkleinde bitumineuze dakbanen In aB³ en i-aB³ wordt gebruik gemaakt van twee recycling grondstoffen: asfaltgranulaat en verkleinde bitumineuze dakbanen. Over het gebruik van asfaltgranulaat in asfaltmengsel en de invloed ervan op de prestaties van het uiteindelijke asfaltmengsel is veel gerapporteerd. Per typische prestatie-kenmerk (vermoeiing, spoorvorming, duurzaamheid) wordt de toevoeging van asfaltgranulaat zowel positief als negatief ervaren. Veel zal afhangen van een goede voorstudie en het effectief toepassen van de grondstoffen uit deze voorstudie bij de productie. In een studie van OCW (ref10) betreffende Asfalt met Verhoogde Stijfheid (AVS) werd er geen significant verschil gevonden tussen mengsels met AG (40 %) en zonder AG voor de algemene karakteristieken zoals ITS-R, stijfheid en vermoeiing. In het geval van aB³ -dat gebruikt wordt als onderlaagis een percentage aan hergebruik van 50 % vergelijkbaar met mengsels van het type AB-3A beschreven in het SB250 v2.2. Het gebruik van asfaltgranulaat in gecertificeerde asfaltmengsels is door middel van het Toepassingsreglement TRA13 (COPRO vzw) aan een kwaliteitscontrole verbonden; afhankelijk van de categorie wordt meer of minder AG toegelaten in het desbetreffend mengsel. Het vrijgekomen AG in België wordt geschat op 1,5 Mton op jaarbasis , waarvan 65 % terecht komt in asfaltmengsels(ref11). In de periode 2006-2009 bleven de gemiddelde waarden voor penetratie van het teruggewonnen bindmiddel (18,6 - 20,3 dmm), het bindmiddelgehalte (5,6 - 5,8 % op het aggregaat) en de gemiddelde korrelverdeling nagenoeg constant(ref12). In 54 % van de asfaltmengsels werd AG gebruikt als grondstof, in het bijzonder 92 % van de onderlagen van gecertificeerd asfalt voor onderlagen. Dit toont aan dat de toevoer van AG voor de markt gunstig is, dat er technische
(ref8)
Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap. Standaardbestek voor de Wegenbouw - Versie 2.2. Brussel. Swenters, F. (2010).Realisering van het i-aB³-concept: Project Montignystraat: materiaalonderzoek [Thesis]. Antwerpen: Artesis Hogeschool Antwerpen. (ref10) De Backer, C. et al. (2008). Asfalt met verhoogde stijfheid (AVS):van ontwerp tot aanbrenging op de weg. Researchverslag RV 43/07.Opzoekingscentrum voor de Wegenbouw -OCW, Brussel. (ref11) European Asphalt Pavement Association (2012). Asphalt in figures 2011. Brussel (ref12) Van den bergh, W (2011). The Effect of Ageing on the fatigue and Healing Properties of bituminous mortars [Doctoraatsthesis]. Delft: Delft University of Technology ISBN 978-90-8570-784-4. (ref9)
4
mogelijkheden bestaan om het AG bruikbaar te maken voor hergebruik en dat de asfaltproducenten AG als een volwaardige grondstof beschouwen. Door Artesis Hogeschool Antwerpen werden verschillende inventarisatiestudies (1997-2011) uitgevoerd om de hoeveelheid aan beschikbare VBD in te schatten, gaande van 10000 tot 80000 ton/jaar. Een gebrek aan selectieve registratie van dit afvalmateriaal zorgt voor dit groot interval. In een recente studie, Bitukring(ref2), werd een inschatting opgesteld door de dakdichtings- en afvalvervoersector voor het potentieel aan dakbaan dat beschikbaar is voor hergebruik in de eigen sector of recyclage in de wegenbouw: 1500 ton/jaar productie-afval, 2600 ton/jaar snijafval en 10000 ton/jaar sloopafval. Op de Belgische en Nederlandse markt is 20000 ton verkleinde bitumineuze dakbaan ter beschikking voor verwerking in de wegenbouw en andere sectoren, hetgeen een potentieel biedt voor circa 666000 ton i-aB³ (met 3% VBD). Dit materiaal is samengesteld uit oude en nieuwe dakbanen, dus bevat zowel geoxideerde bitumina als gemodificeerde bindmiddelen. Het materiaal (GRM- Gegranuleerd Roofing Materiaal) op de Nederlandse markt bevat 50 % bitumen, bestaande uit 90 % APP-gemodificeerd bitumen (Atactisch Polypropyleen). In de studie wordt geconcludeerd dat het mogelijk is om een logistiek systeem op te stellen om de bitumineuze dakbanen in te zamelen en te verwerken. Op gebied van kwaliteit wordt de verwerking van productie en snijafval in nieuwe dakbanen gelijkgesteld aan een toepassing in de wegenbouw; voor de wegenbouw wordt een bijkomende kwaliteitsklasse gedefinieerd conform de eisen van TRA13. In TRA13 worden de Gegranuleerde Bitumineuze Dakbanen (GBD) ingedeeld als asfaltgranulaat (afkorting BD). 2.2. Toepassingsgebied en SB250 v2.2 Oorspronkelijk werd het aB³-mengsel ontwikkeld om toegepast te worden als alternatief voor een onderlaag type AB-3A. Door het harde bindmiddel en de minimale hoeveelheid van 5,1 % bindmiddel, werd het mengsel gekarakteriseerd als een mengsel voor hogere bouwklasse (spoorvorming, stijfheid en vermoeiing), gesitueerd tussen AB-3A en AVS, of voor wegen met zware belasting. Door Artesis Hogeschool Antwerpen worden de volgende vereisten opgelegd aan VBD opdat de karakteristieken van de mengsels geldig zijn (overgenomen als bestektekst voor de aanleg van de Montignystraat te Antwerpen). Verkleinde bitumineuze dakbanen (VBD) worden verkregen door de versnippering van bitumineus afval bestaande uit bitumineuze dakbanen hoofdzakelijk afkomstig van afbraakwerken. Aan deze grondstof worden de volgende eisen opgelegd: •
Penwaarde van het bindmiddel teruggewonnen uit VBD : minimaal 10 dmm;
•
Verwekingspunt R&B : maximum 110 °C;
•
Vrij van teer (infraroodtest per 5000 kg).
De korrelverdeling dient aangegeven te worden voor de zeven van 0,063 mm; 0,125 mm; 0,5 mm; 1 mm; 2 mm.
5
De VBD dienen gehomogeniseerd afgeleverd te worden. VBD-materiaal is homogeen wanneer per begonnen 5000 kg aangeleverd materiaal één monster wordt genomen waarbij de afwijkingen niet meer bedragen dan (per individuele test): •
Bindmiddelgehalte: ± 10 %;
•
Penetratiegetal: ± 10 dmm;
•
Verwekingspunt R&B: ± 10 °C;
•
Zeeffractie door 0,063 mm : ± 5 % (op 100 % aggregaat);
• Zeeffractie door 2 mm: ± 5 % (op 100 % aggregaat). VBD-materiaal moet voor ten minste uit 95 % bestaan uit bitumen en aggregaat en mag niet meer dan 5 % bestaan uit beton en metselwerkpuin en mag niet meer dan 1 % metalen en organisch materiaal bevatten (1 test per 5000 kg). Indien VBD wordt aangeleverd als versnipperde dakbanen, dan mag de maximale afmeting van de snipper niet groter zijn dan 15 mm. Bovendien, indien de maximale afmeting groter is dan 5 mm, dienen er bijkomende watergevoeligheidstesten (ITS-R) uitgevoerd te worden met de afgezeefde fractie tussen 10 mm en 15 mm als VBD-component in plaats van het aangeboden VBD-batch. VBD-materiaal kan een samenstelling zijn van bitumineus dakafval, zand en/of additieven (w.o. verjonger) maar dient te voldoen aan bovenstaande bepalingen. Voor de samenstelling van de aB³- en i-aB³-mengsels worden de richtwaarden uit Tabel 1 gebruikt. Er geldt steeds een minimale ITS-R waarde van 80 % (EN12697-23 en EN12697-12). Het mengsel dient geproduceerd te worden in een asfaltcentrale en de temperatuur bij verdichting op de werf is ten minste 145 °C. Indien de bouwklasse het vereist, dient aan de minimale criteria voor de spoorvormingsproef ook voldaan te worden. Op basis van de experimentele proefresultaten, de proefvakevaluaties en een milieuhygiënische analyse werd het aB³- en i-aB³-mengsel voorgedragen en aanvaard om opgenomen te worden in het SB250 v2.2. Het desbetreffende mengsel werd ondergebracht in Hoofdstuk 5 – Funderingen van schraal asfalt (type II – 0/20), waarbij gebruik gemaakt wordt van Gegranuleerde Bitumineuze Dakbanen (GBD), gekeurd door COPRO vzw. Deze keuring valt onder TRA13, waarbij GBD wordt vermeld als BD (asfaltgranulaat op basis van asfaltpuin dat afkomstig is van bitumineuze dakbedekkingen; dit beantwoordt niet aan EN13108-8). Er is in TRA13 een aparte klasse voorzien voor BD i.f.v. de tolerantie en frequentie voor controleproeven op gehalte oplosbaar bindmiddel, korrelverdeling en penetratie van het teruggewonnen bindmiddel. In SB250 v2.2 worden de volgende bepalingen gesteld aan het mengsel:
3.
•
Korrelverdeling type II (0/20);
•
Minimum hoeveelheid bitumen (in het mengsel) 3 %;
•
5 - 15 % HR;
•
50 % ITS-R bij 15 gyraties. Beschrijving van de aanleg van de Montignystraat te Antwerpen
Op 7 oktober 2010 werd in het kader van de vernieuwing van de Montignystraat te Antwerpen het deel tussen de Singel en het kruispunt met de Brederodestraat (totale lengte 6
220 m, baanbreedte asfalt 56 m, GPS-coördinaten 51.1986, 4.3904) aangelegd met i-aB³ onder de toplaag. Voorgaande producties voor de proefvakken in 2001 en 2006 wezen uit dat het toevoegen van VBD aan het AG net voor de paralleltrommel niet optimaal was. Na de productie werden er restanten van VBD aangetroffen in de paralleltrommel. Vandaar dat in deze productie het VBD-aggregaat rechtstreeks werd toegevoegd in de menger tijdens het mengen door koude toevoeging (15 % vocht in VBD). Hierbij werd VBD gedoseerd per zak van 23 kg. De productie-eenheid bedroeg 3,4 ton met een totale mengtijd van 90 seconden (totale productie 380 ton), met een volledige omhulling van het aggregaat tot gevolg (Figuur1a). Het AG werd via de paralleltrommel voorverwarmd (130 °C). De granulaten werden gemiddeld 241 °C verhit. Tijdens de productie is er een bijsturing geweest na de halve productie van de eerste laag. Het i-aB³-mengsel heeft de volgende eigenschappen, gegeven in Tabel 2. Voorstudie
58,0 % Stenen - 34,6 % Zand - 7,4 % Fijn - 4,76 % Binder (in) Recyclage: 58 % AG – 3 % VBD 0,97 % B50/70 ITS-R: 96 % Gyrator (EN12697-31): n=25: 4,8 % HR Spoorvorming (EN12697-22): B1-B2
Samenstelling
4,3 % bindmiddel (in)
Proefvak 1
ITS-R: 102 % Gyrator n=25 : 4,6 % HR Gyrator n= 60: 3,0 % HR
Samenstelling
4,1% bindmiddel (in)
Proefvak 2
ITS-R 89 % Gyrator n= 25 : 6,5 % HR Gyrator n= 60 : 4,2 % HR
Bindmiddelgegevens
Pen VBD: 20 dmm Pen AG: 16 dmm Pen 50/70: 52 dmm Samengesteld bindmiddelmengsel: 22 dmm
Productietemperatuur
162 - 177 °C
Verwerkingstemperatuur
155 - 165 °C
MVM - SVM
2,489 t/m³ - 2,378 t/m³
Tabel 2 : Karakteristieken i-aB³ mengsel Montignystraat Antwerpen In Tabel 3 wordt de gedimensioneerde wegopbouw vergeleken met de gerealiseerde wegopbouw op basis van boorkernen, genomen op het rechterbaanvak en een Radar-meting uitgevoerd door AWV, afdeling-Wegenbouwkunde. Het i-aB³-mengsel is aangelegd deels als fundering, deels als vervanging van een AB-3A onderlaag. Het ontwerp was berekend voor bouwklasse 5 (ter vergelijking: een klassieke opbouw bestaat uit 21 cm asfalt met 25 cm steenslagfundering) voor een ander deel van de Montignystraat, maar door een fasering werd het proefvak aangelegd binnen een traject met bouwklasse B6-B7. Wegopbouw
Ontwerp
Uitvoering (begin-einde)
toplaag (AB-4C) [cm]
4
5,2 – 4,4
i-aB³ [cm]
13
13,0 – 14,1
Fundering [cm]
20 (steenslag)
15 (zand als grondverbetering)
Modulus [MPa]
200
50 - 90
Draagkracht ondergrond [MPa]
50
140
Tabel 3 : Gedimensioneerde en uitgevoerde wegopbouw Montignystraat Antwerpen 7
Bij de uitvoering werd een ongebonden zandlaag van 15 cm voorzien als ophoging ten opzichte van de ondergrond. Bij een klassieke wegopbouw, diende een nieuwe fundering aangelegd te worden van 25 cm. Het i-aB³-mengsel werd in twee lagen aangelegd tot een dikte van gemiddeld 13,5 cm.
Figuur 1 : (a) Productie van i-aB³ en (b) aanleg van de Montignystraat Antwerpen in 2010
4.
Evaluatie van de proefvakken
In 2007 en 2010 werden de proefvakken van Antwerpen (2001) en Beveren (2006) geëvalueerd door middel van visuele inspectie, het nemen van boorkernen en valgewichtdeflectiemetingen. In 2013 werden deze evaluaties hernomen samen met Radarmetingen, ook voor de Montignystraat (2010). 4.1. Proefvak parking Antwerpen (2001) 4.1.1. Situering Het proefvak te Antwerpen is gelegen naast de zuidelijke ringweg ter hoogte van de Kennedytunnel (rechteroever, GPS-coördinaten 51.202134, 4.376479) en is ca. 240 m² groot. Het proefvak is in gebruik als parking voor wachtende FAST-interventiewagens, vrachtwagens en wegonderhoudsmaterieel. Er werden vier proefvakken aangelegd met verschillend materiaal (telkens in twee banen 2 x 3 m, lengte 20 m) als fundering boven de ongebonden onderfunderingslaag: (M1) een mengsel bestaande uit enkel nieuwe granulaten en asfaltgranulaat, dus gebonden met enkel het bitumen uit asfaltgranulaat (50 m/m%), (M2, ca. 2,7 % bindmiddel) een mengsel bestaande uit asfaltgranulaat en nieuwe aggregaten (55/45) gebonden met nieuw bitumen, (M3) een mengsel samengesteld uit asfaltgranulaat en nieuwe aggregaten (55/45) gebonden met verkleinde bitumineuze dakbaan (3,4 m/m% op aggregaat) en (M4) een referentiemengsel AB-3A met nieuw bindmiddel. Voor elk mengsel werd een zelfde korrelverdeling van AB-3A aangehouden. In 2006 werd de toplaag afgefreesd, overlaagd en op bepaalde plaatsen uitgebreid in het kader van de ringwerken. De opbouw van de proefvakken is gegeven in Tabel 4, op basis van kernboringen uit 2008. Het materiaal M1 bleek ongebonden te zijn, reeds sinds 2007.
8
Proefvak
Vak 4
Vak 3
Vak 2
Vak 1
[cm]
[cm]
[cm]
[cm]
16,7
16,0 - 22,0
20,7 - 23,3
12,0 - 15,0
9,9
6.0 - 9.0
5,3 - 5,0
6,0
M4 (AB-3A)
M3 (aB³)
M2 (AB-3A 50 %)
M1 (*)
Gemiddelde dikte Toplaag+ onderlaag Fundering (*)= ongebonden Onderfundering
25 (steenslag)
Tabel 4: Opbouw pbouw van de proefvakken Parking Antwerpen
4.1.2. Visuele inspectie,, kernboringen en radar Alle proefvakken vertonen lichte schade aan het oppervlak. oppervlak Dwars wars op de richting van de proefvakken zijn langse scheuren te zien die terug te brengen zijn als voegscheuren tussen de werkgangen van de overlaging. Ook deze toplaag vertoont zeer plaatselijke spoorvorming door stilstaande voertuigen. De oorzaak van de schade is dus terug te brengen naar de bovenliggende lagen en niet naar de proefmengsels in de fundering. De proefvakken werden dwars geïnspecteerd door middel van radarmetingen (EuRadar) om de juiste ligging van voegen van de proefvakken te detecteren. De metingen werden werd op drie breedtes uitgevoerd (lijn 1, lijn 2 en lijn 3), 3) één meter naast elke dwarse voeg. De overgang tussen de proefvakken is niet zichtbaar via de radarmetingen. De radar heeft enkel een onderscheiden vermogen in materiaaltypes. Voor de proefvakken zijn de diktes van de lagen met bitumen als bindmiddel ten opzichte van de ongebonden onderfundering onderfunde weergegeven in Tabel 5. Proefvak
Vak 4
Vak 3
Vak 2
Vak 1
Gemiddelde dikte
Lijn 1
26,38
26,42
26,88
26,50
radar per lijn
Lijn 2
25,85
25,96
26,31
26,38
[cm]
Lijn 3
26,73
26,92
26,69
26,96
Tabel 5: Gemiddelde dikte per lijn en proefvak (telkens 3 meetpunten) De gemiddelde diktes van de opbouw geregistreerd door de radar liggen binnen het interval bekomen door kernboringen, kernboringen zoals gegeven in Tabel 4. De radarresultaten adarresultaten vertonen ver onderling wel kleinere verschillen. verschillen. De opbouw van de verschillende proefvakken kon echter niet onderscheiden worden van elkaar, maar wel ten opzichte van de omliggende omlig (dunnere) asfaltweg. Gezien de boorkernen toch een belangrijk verschil in dikte aantonen, kan er 9
besloten worden dat de radar geen onderscheid maakt tussen gebonden en ongebonden asfalt: oorspronkelijk was de fundering nagenoeg op gelijke hoogte voor elk proefvak. Dit is een belangrijk gegeven: de radar kan enkel verschil in materiaal onderscheiden, ongebonden asfalt (zoals aanwezig in proefvak 1) wordt gezien als asfalt. Voor de invoer van de dikte van de gebonden lagen bij de verwerking van valgewichtmetingen in RoSy dient dus gebruik gemaakt worden van van gegevens van de kernen 4.1.3. Deflectiemetingen In 2010 en 2012 werden valgewichtdeflectiemetingen uitgevoerd op de proefvakken met het meettoestel Phonix FWD PRI1509 van AWV. De restlevensduur en de E-moduli werden berekend door middel van het softwareprogramma RoSy® PM SYSTEM. Hierbij worden de proefvakken geëvalueerd op basis van een ontwerplevensduur van 20 jaar, een jaarlijkse verkeerstoename van 3,0 % en de standaard vermoeiingswet. Er moet vermeld worden dat de proefvakken echter zelden tot niet gebruikt worden voor snel rijdend verkeer maar eerder als parking in gebruik is. Hierdoor werd de oorspronkelijke dikte van de wegopbouw overschat. Om toch tot een vergelijkend resultaat tussen de proefvakken te komen, werd gerekend met 4430 ESA (equivalent standard axle van 100kN) per dag (een zware overschatting) en met een gelijke wegopbouw (basis kernen 2010). In Tabel 6 worden de resultaten uit 2010 en 2012 weergegeven. Proefvak
Vak 4
Vak 3
Vak 2
Vak 1
Restlevensduur 2010 [jaar]
15,1
20
12,5
10
Restlevensduur 2012 [jaar]
18
20
20
19
E-mod 2010 [MPa]
5162
4750
3806
3046
E-mod 2012 [MPa]
3258
2779
2792
1977
Tabel 6: Restlevensduur en E-moduli van de proefvakken berekend uit valgewichtmeting. Het is opmerkelijk dat de levensduur van alle vakken in 2012 verhoogd is ten opzichte van 2010 ondanks de verlaagde E-modulus. Verdere analyse wordt uitgevoerd, o.a. de invloed van de temperatuur waarbij de metingen werden uitgevoerd en de invloed van de ontdubbeling van de gebonden lagen i.p.v. één globale dikte voor de asfaltverharding: het verschil in stijfheid tussen de toplaag en de onderlaag is namelijk groot (3000 MPa t.o.v. 12000 MPa) Het proefvak aangelegd met aB³ (vak 3) heeft nog steeds een restlevensduur van 20 jaar. 4.2.
Beveren
Het proefvak “Beveren” werd aangelegd in 2006 en bevindt zich in de Broekstraat, vanaf het kruispunt met de Kasteelstraat/Polderdreef. Het kruispunt zelf maakt deel uit van het eerste proefvak. De Broekstraat is een vrij drukke polderweg met occasioneel zwaar vrachtvervoer. Er werden twee verkeerstellingen uitgevoerd na de uitvoering: een standaarddag 1112 ESA/dag en tijdens een omleiding 2512 ESA/dag. Deze verkeerstellingen dienen genuanceerd te worden: de Broekstraat is een weg ontworpen voor bouwklasse 6 (667 ESA/dag), waardoor er vroegtijdige schade kan verwacht worden. De lengte van het 10
proefvak is in totaal 360 m waarbij de drie proefvakken met verschillende asfaltonderlaag achter elkaar werden aangelegd: een aB³, i-aB³ en aB³ met staalslakken (SS), type stynox. In 2007 en 2010 werd het proefvak reeds geëvalueerd d.m.v. visuele inspectie, kernboringen en FWD. 4.2.1. Visuele inspectie, kernboringen, radar en valgewichtdeflectiemetingen 2012 De proefvakken werden in de lengte geïnspecteerd door middel van radarmetingen. Per vak werden twee kernen geboord voor bepaling van de structuur en voor verder bindmiddelonderzoek. Uit Tabel 7 blijkt een goede overeenstemming te zijn tussen radaropmeting en de boorkernen, doch ook in dit geval zijn de resultaten van de radar weinig onderscheidend ten opzichte van de dikte van de boorkernen. Proefvak
Vak 1
Vak 2
Vak 3
Referentie
Lengte [m]
99
121
140
-
Dikte Toplaag AB-4C
3,6 – 4,6
2,9 – 3,6
3,2 – 4,0
2,8
Dikte Onderlaag AB-3A
5,8- 11,0
4,4 – 9,4
5,5 – 8,1
5,2
Dikte Onderlaag
9,4 – 11,6
7,1 – 8,0
7,4 – 11,2
10 (kassei)
Materiaal
aB³
i-aB³
aB³ met stynox
Fundering (zand)
10
10
10
10
19,2
18,8
19,0
8 asfalt + 10
Gemiddelde dikte radar van gebonden lagen
kasseisteen
(metingen 2012)
Tabel 7: Opbouw proefvak Beveren op basis van boorkernen (2008) en radarmeting Geen enkel proefvak vertoont schade aan het oppervlak. Nochtans is het asfalt over de grootste lengte aan één kant vrijliggend waarbij zelfs het proefmateriaal zichtbaar is door putten aan de zijkant. Gezien de beperkte breedte van 3,2 m is er veel en zware belasting op de overgang tussen asfalt en berm (landbouwvoertuigen, vrachtwagens) met veel plasvorming in de berm. In Tabel 8 zijn enkele resultaten weergegeven uit de valgewichtmetingen in 2007, 2010 en 2012. Om een vergelijking te maken met eerdere metingen werden dezelfde diktes aangehouden als bepaald in 2007 en met een verkeersbelasting van 2512 ESA/dag. Voor de metingen in 2012 werden de berekeningen uitgevoerd op basis van de dikte van de boorkernen (2012 B) en op basis van de dikte van de radarmetingen (2012 R). Tevens werd een berekening gemaakt voor 667 ESA/dag. De resultaten voor zowel de stijfheid als de restlevensduur wijken veel af (voornamelijk minimale levensduur) van de vorige evaluatie, zowel voor diktes uit boorkernen als voor de dikte afgeleid uit de radarmeting. Mogelijk heeft het grote temperatuurverschil van de metingen (september 2007, april 2010, december 2012) een grote invloed op de verrekening van de stijfheidsmoduli. Een verkorte levensduur kan tevens gerelateerd worden met het verschil met de ontwerpdikte respectievelijk 20 cm, 21 cm en 22 cm. Het referentievak achter de proefvakken (8 cm asfalt op een fundering van kasseisteen) heeft telkens een restlevensduur van 0 jaar. Visueel vertoont het 11
referentieproefvak zware verzakkingen en scheuren. Voor een verkeersbelasting van 667 ESA/dag (meest voor de hand liggende belasting) hebben de proefvakken vanzelfsprekend een hogere restlevensduur dan voor 2512 ESA/dag maar het referentieproefvak blijft ook in dit geval een restlevensduur van 0 jaar hebben. Proefvak 1
Proefvak 2
Proefvak 3
aB³
i-aB³
aB³ + SS
min
max
min
max
min
max
2512 ESA/dag ; standaard vermoeiingswet AWV; ontwerp 20 jaar
E-moduli [MPa]
Restlevensduur (jaar)
2007
10151
14440
9644
16154
6161
17405
2010
8426
13587
7037
13163
5228
25995
2012 B
4326
8738
5952
8839
5114
13988
2012 R
5262
8054
5054
8611
4063
9782
2007
15
20
3
14
2
17
2010
14
20
2
11
1
20
2012 B
1
13
2
9
3
18
2012 R
6
13
2
17
3
12
20
10
20
667 ESA/dag ontwerp 20 jaar; dikte 2012 R Restlevensduur (jaar)
2012 R
6
20
6
Tabel 8: Resultaten van de valgewichtmetingen 2007, 2010 en 2012
4.3. Antwerpen – Montignystraat Op het meest recent aangelegde proefvak (Montignystraat, 2010) werden boorkernen genomen, valgewichtdeflectiemetingen en een radarmeting uitgevoerd op de rechterrijstrook. Buiten beperkte verdichtingsscheuren rondom de riooldeksels, is er geen visuele schade op te merken over de gehele lengte van het proefvak . De radarmetingen tonen een gemiddelde dikte voor alle metingen van 19,0 cm (tussen interval 18,4 – 19,8 cm) gebonden materiaal. Boorkernen tonen een dikte van 18,2 tot 18,5 cm. De valgewichtmetingen, bij een verkeersbelasting van 667 ESA/dag (B6), tonen aan dat de restlevensduur over het proefvak, na 2 jaar in dienst, nog steeds 20 jaar is, met een stijfheid tussen 5152 MPa en 10827 MPa (metingen december 2012). Wellicht ligt ook hier de lage stijfheidmodulus aan de lage meettemperatuur (5 °C) en de terugrekening naar de referentietemperatuur van 25 °C, of een noodzakelijke ontdubbeling van de twee lagen (top- en onderlaag). Verder onderzoek naar de invloed van de temperatuur en een opdeling in top- en onderlaag is hier dus aangewezen.
4.4. Economische verantwoording De productie- en verwerkingskost voor een i-aB³-mengsel wordt geschat op -10 % ten opzichte van AB-3A met 50 % AG. Voor de uitvoering van de Montignystraat werd niet alleen gekozen voor i-aB³ als onderlaag in plaats van een klassieke opbouw, maar door de hoge stijfheid van dit mengsel kon de bestaande onderfundering en fundering opgehoogd worden 12
met een ongebonden zandfundering i.p.v. een nieuwe fundering. Ook een reductie van de asfaltonderlaag is mogelijk. Hierbij is er minder grondverzet nodig bij de aanleg van een nieuwe weg. Een grondige economische analyse van alle proefvakken is terug te vinden in Swenters F. (2010)(ref9) en Van Houtven T. (2008) (ref13). 5. Conclusies De evaluatie van de proefvakken toont aan dat aB³ en i-aB³-mengsels duurzame karakteristieken vertonen: geen enkele van de proefvakken met aB³ en i-aB³ vertonen enige vorm van versnelde (of ongeoorloofde) vermoeiingsschade, verlies aan draagkracht, spoorvorming en verlaagde weerstand voor watergevoeligheid. Berekeningen aan de hand van valgewichtdeflectiemetingen, bij een normale verkeersbelasting, onderschrijven deze vaststelling. Bij een theoretisch verhoogde verkeersbelasting (bijv. 2552 ESA/dag) worden de verschillen duidelijker, hoewel het niet vaststaat of de materiaaleigenschappen worden gemeten dan wel de invloed van de verschillende diktes van de wegopbouw. De opname in het SB250 v2.2, als schraalasfaltbeton kan als een eerste stap gezien worden daar het materiaal alle eigenschappen van asfalt omvat en bij voldoende bitumengehalte (zie eerder) gelijke of verbeterde eigenschappen vertoont vergeleken met een AB-3A met hard bitumen. De toevoeging van 1 % bitumen bij i-aB³ leidt tot een verbeterde verwerking maar geeft op dit moment geen significant verschil in prestaties bij de evaluatie. Een lagere productie- en verwerkingstemperatuur is het voordeel; een ander voordeel is het toevoegen van een bitumen met hoger penetratiegetal wanneer bijvoorbeeld het bindmiddel uit VBD en/of AG te laag is. Het gebruik van aB³ en i-aB³ heeft tot gevolg dat een fundering in dikte kan gereduceerd worden, of een gebonden fundering vervangen door een ongebonden materiaal. Dit leidt tot een vermindering van transportkosten en tevens een hoog percentage aan hergebruik.
Dankbetuiging De auteurs danken het Agentschap voor Innovatie door Wetenschap en Technologie (IWT), de Artesis Hogeschool Antwerpen en de leden van de begeleidingscommissies voor de financiering van de projecten tijdens de periode 1997-2008, de gemeente Beveren en de stad Antwerpen voor de financiering van de proefvakken. Dank is verschuldigd aan het Agentschap Wegen en Verkeer (Afdeling Wegenbouwkunde) voor de uitvoering van de deflectiemetingen, radar, kernboringen en de ondersteuning bij de verdere evaluatie van de proefvakken, in het bijzonder Vincent Bonte, Jurgen De Wolf en Artesis-masterproefstudent Ben Willemsens.
(ref13)
Van Houtven, T. (2008). Economische Studie aB³ [Thesis]. Antwerpen: Hogeschool Antwerpen
13
