VALIDATIE VAN PRESTATIEPROEVEN VOOR DUNNE TOPLAGEN OP DE PROEFVAKKEN N19 KASTERLEE
JOËLLE DE VISSCHER, KATLEEN DENOLF, ALEXANDRA DESTRÉE, ANN VANELSTRAETE, STEFAN VANSTEENKISTE, NATHALIE PIÉRARD Opzoekingscentrum voor de Wegenbouw
Samenvatting In mei 2012 zijn er in opdracht van AWV op de N19 te Kasterlee acht proefvakken aangelegd met dunne bitumineuze toplagen, waarmee een geluidsreductie werd beoogd ten opzichte van een referentievak met SMA-C. Naast geluid worden ook de mechanische prestatiekenmerken en de duurzaamheid beschouwd. Deze bijdrage beschrijft de metingen op de werf en de resultaten van de prestatiegerichte laboratoriumproeven op materiaalmonsters en proefstukken afkomstig uit de proefvakken. Dit sluit aan bij het prenormatief onderzoek voor de ontwikkeling en validatie van Europese prestatieproeven voor dunne en ultradunne
A la demande de l’AWV, huit sections expérimentales ont été réalisées en mai 2012 avec des couches de roulement bitumineuses minces, dans le but d’obtenir une réduction du bruit par rapport à une section de référence en SMA-C. Outre le bruit, les caractéristiques performantielles ont elles aussi été abordées. Le présent article décrit les mesures réalisées sur le chantier ainsi que les résultats des essais performantiels effectués en laboratoire sur des échantillons et des éprouvettes provenant des sections expérimentales. Tout ceci s’inscrit dans le cadre de la recherche prénormative réalisée ces dernières années au CRR en vue du développement et de la
asfaltverhardingen, dat de voorbije jaren is validation des essais performantiels gevoerd aan het OCW. européens pour les revêtements bitumineux minces et ultraminces.
1
1.
Inleiding
1.1
Probleemstelling
Dunne asfaltverhardingen, met een laagdikte kleiner of gelijk aan 30 mm, zijn door hun kleine korrelmaat en oppervlaktetextuur meestal zeer geluidsreducerend en stroef. In een algemeen wegenbeleid waarbij moet worden gestreefd naar optimale veiligheid en comfort voor de weggebruiker, maar waar tegelijkertijd budgetten optimaal moeten worden aangewend, is het overlagen met dunne lagen dan ook een economisch en ecologisch verantwoorde oplossing, op voorwaarde dat men een voldoende lange levensduur kan garanderen. De verwachte levensduur van een bitumineuze verharding is afhankelijk van de prestatiekenmerken van de mengsels waarmee de verharding is aangelegd. Gekende prestatieproeven voor toplagen met een nominale dikte van meer dan 30 mm zijn vaak niet meer relevant of niet toepasbaar voor dunnere toplagen. Andere prestatiekenmerken nemen dan weer toe in belang, terwijl er nog geen gestandaardiseerde proefmethodes voorhanden zijn. Met name de gevoeligheid voor rafeling door de verkeersbelasting en de hechting tussen top- en onderlaag zijn twee kenmerken die cruciaal zijn voor dunne toplagen en waarvoor er nog geen eensgezindheid bestaat betreffende de keuze van de laboratoriumproef en de optimale testcondities. Vooral op het vlak van in situ validatie van de proefresultaten is er nog een hele weg af te leggen. 1.2
Context
De voorbije jaren heeft de afdeling BAC (Asfaltwegen, Bitumineuze toepassingen en Chemie) van het OCW zich actief ingezet voor de aanpassing, ontwikkeling en validatie van prestatieproeven voor dunne en ultradunne toplagen. Dit werd mogelijk gemaakt dankzij een prenormatief onderzoeksproject, gesubsidieerd door het Bureau voor Normalisatie NBN (Prestatieproeven voor dunne en ultradunne asfaltverhardingen voor toplagen, CC CCN/PN/NBN-705-755). Dit project sluit goed aan bij de activiteiten van het OCW op vlak van Europese normalisatie van bitumineuze mengsels in het comittee CEN TC 227 WG1 en beantwoordt de vragen van het Technisch Comité 4 “Asfaltwegen en andere bitumineuze Toepassingen” van het OCW, waar de prioriteiten van het OCW-onderzoek door de sector worden besproken. Validatie van dit onderzoek aan de hand van proefvakken is een noodzakelijke stap, omdat de kenmerken van dunne en ultradunne lagen, nog meer dan het geval is voor dikkere asfaltlagen, afhankelijk zijn van de opbouw en de aanleg van het complex onderlaag/kleeflaag/toplaag. Eén van de acties van AWV volgens het 'Actieplan Wegverkeerslawaai' is het verder uitdiepen van de kennis over geluidsvriendelijke wegdekken. Daarom heeft AWV het initiatief genomen om proefvakken aan te leggen met dunne bitumineuze toplagen, die een aanzienlijke geluidsvermindering mogelijk maken. In mei 2012 zijn deze proefvakken
2
aangelegd en sindsdien wordt de evolutie in de tijd van de akoestische kwaliteit en stroefheid opgevolgd. Naast de akoestische eigenschappen zijn de mechanische prestaties, die de levensduur bepalen, uiteraard even belangrijk. Daarom hebben AWV en OCW besloten om de proefvakken vanuit een breed perspectief te benaderen, om zo tot optimale oplossingen te komen die volledig beantwoorden aan de hedendaagse noden van wegbeheerders en weggebruikers op vlak van comfort, veiligheid en duurzaamheid. 1.3
Doelstellingen
De proefvakken met dunne toplagen dragen bij tot de realisatie van meerdere doelstellingen: •
De evaluatie van de akoestische eigenschappen en stroefheid en de verdere evolutie hiervan in de tijd;
•
De beoordeling van de mechanische kenmerken en de opvolging op langere termijn;
•
De validatie van de prestatieproeven die verbeterd of ontwikkeld zijn in het kader van het door NBN gesubisdieerd project voor prenormatief onderzoek;
•
In situ validatie van de haalbaarheid van eisen/aanbevelingen ;
• Praktijkgerichte kennisopbouw betreffende de aanleg van dunne toplagen. Geluid en stroefheid worden verder niet behandeld. Daarvoor wordt verwezen naar een andere bijdrage aan dit Wegencongres (ref. 1). 2.
De proefvakken
2.1
Beschrijving
De proefvakken zijn aangelegd op de N19, ter hoogte van kilometer 4.060 richting Kasterlee.
Fig. 1: Aanleg van de proefvakken in mei 2012 3
Er zijn acht vakken gelegd met dunne toplagen (laagdikte ≤ 30 mm), elk vak met een lengte van 200 m en twee rijstroken. De eis was om een minimale geluidsreductie van 2 dB(A) ten opzichte van een referentievak met SMA-C (op 40 mm laagdikte) te realiseren (ref.1). Eén enkel mengsel werd geplaatst op twee vakken, met een laagdikte van 25 mm en 30 mm respectievelijk. In totaal zijn er dus zeven verschillende mengsels voor dunne toplagen toegepast (mengsels A tot G). 2.2
Waarnemingen voor en tijdens aanleg
Na de uitvoering van de voorafgaandelijke freeswerken, waarbij de toplaag en de eerste onderlaag zijn verwijderd, zijn er visuele inspecties uitgevoerd om de toestand vast te leggen van de onderliggende verharding. Eventuele defecten zouden in de komende jaren immers kunnen leiden tot schade die niet in verband staat met de nieuwe toplagen. De waargenomen defecten waren dwarsscheuren, verspreid over alle secties, en schollen in de laatste secties. De posities van deze defecten werden opgemeten en geregistreerd. Voor dunne toplagen geldt dat de prestaties in situ nog gevoeliger zijn aan de condities bij aanleg en de uitvoering dan voor dikkere toplagen. Slechte weersomstandigheden, een te lage verdichtingstemperatuur, een niet correcte uitvoering van de kleeflaag en beschadiging of bevuiling ervan door werfverkeer zijn de belangrijkste factoren die de mechanische prestaties negatief beïnvloeden. Een vergelijking tussen de vakken zonder rekening te houden met deze factoren zou niet correct zijn. Om die reden heeft het OCW alle belangrijke fasen van de aanleg bijgewoond en metingen uitgevoerd op de werf, wat een betere interpretatie van de proefresultaten nadien zal toelaten. 2.3
Temperatuursmetingen
Omdat dunne lagen sneller afkoelen, is het belangrijk dat de temperatuur van de laag na het spreiden voldoende hoog en uniform is over de breedte en lengte van het vak. Tijdens de aanleg werden er continu foto’s genomen van het oppervlak met een IR-camera. Op iedere foto werd nadien softwarematig een lijn getrokken vlak achter de afwerkingsmachine waarop het minimum, maximum en gemiddelde van de temperatuur zijn weergegeven (fig. 2).
Fig.2: Foto met IR-camera waarop extreme waarden in een dwarssectie zijn vermeld
4
Vervolgens werden deze temperaturen uitgezet in functie van de lengte voor ieder vak (fig. 3). Gebeurtenissen zoals wachttijden, wisselen van vrachtwagens of kippen van een nieuwe lading in de afwerkingsmachine zijn duidelijk te zien als schommelingen in het verloop. Opmerkelijk is dat de variaties vrij groot zijn en dat de oppervlaktetemperatuur vlak na het spreiden in sommige punten al lager dan 120 °C was. Aanvullende metingen met in de asfaltlaag ingebrachte thermokoppels hebben bovendien aangetoond dat de verdere afkoeling zeer snel verloopt. De tijd om van 120 °C tot 70 °C te dalen was in één bepaald meetpunt slechts 7 minuten, waardoor het tijdsbestek voor het walsen zeer kort is. stop finisher
190,0
nieuwe vrachtwagen
nieuwe kip vrachtwagen
170,0 150,0 130,0
8:50:24
8:47:48
8:46:07
8:36:46
8:29:02
8:24:02
8:20:38
8:15:41
8:11:36
8:07:09
8:04:53
7:52:44
7:48:03
90,0
8:39:47
nieuwe kip vrachtwagen
110,0
Vak 2
Fig. 3: Verloop van de gemiddelde oppervlaktetemperatuur (groen) en de extreme waarden (rood en blauw) als functie van de tijd tijdens de aanleg van vak 2 2.4
Walsproces
De verdichting is opgevolgd door het registreren van het walsproces in een vast punt en temperatuursmetingen door thermokoppels aangebracht in de asfaltlaag. Er werden 2 types walsen ingezet: een tandemwals en op sommige vakken bijkomend een tridemwals. Figuur 4 toont de telling van het aantal overgangen, waarbij een onderscheid is gemaakt voor de overgangen bij een temperatuur lager dan 70 °C. Een walsovergang wordt gedefinieerd als de passage van één cilinder over het vaste punt. Als de tandemwals over het punt rijdt, worden er dus twee walsovergangen geteld. Men merkt op dat het hier slechts een opname is in één enkel punt en daarom niet noodzakelijk representatief voor het gehele vak. Toch kan men vaststellen dat er in de praktijk grote verschillen zijn.
25 20
TaW
15
TaW < 70°C
10
TrW
5
TrW < 70°C
0 Vak 2 Vak 3 Vak 4 Vak 6 Vak 7 Vak 8 Vak 9 Vak 10
Fig. 4: Aantal overgangen, geteld in een vast punt (TaW: tandemwals, TrW: tridemwals)
5
De waarnemingen en metingen uitgevoerd bij de aanleg tonen dat er in de praktijk grote variaties optreden in de verdichtingstemperaturen en in het walsproces. Voor dunne toplagen is het dan ook ten stelligste aan te bevelen om wachttijden te vermijden, snel en efficiënt te walsen en uitsluitend bij optimale weerscondities te werken. 3.
Metingen en proeven na aanleg
3.1
Verdichtbaarheid met de gyratorverdichter
De mengsels werden bemonsterd op de werf aan de afwerkingsmachine en verpakt in gesloten metalen blikken. De bemonstering vond plaats op 4 verschillende punten per vak, om een representatief monster voor het ganse vak te hebben. Nadien werden de blikken in het laboratorium heropgewarmd, gemengd, gehomogeniseerd en doorverwarmd naar de gewenste verdichtingstemperatuur, in dit geval de gemiddelde temperatuur per vak die op de werf gemeten was bij de monstername. Figuur 5 toont de gyratorcurves van de 7 mengsels en het referentiemengsel SMA-C. Elke curve is een gemiddelde van drie metingen, uitgevoerd volgens NBN EN 12697-31. Men stelt vrij grote verschillen vast tussen de mengsels van de dunne lagen: bij 100 gyraties varieert de holle ruimte van 11 tot 25 %. Deze waarden zijn ook significant hoger dan deze van het referentiemengsel SMA-C.
40
Holle Ruimte in %
35
ref
30
A
25
B
20
D
15
C
10
F G
5
E
0 1
10 Aantal gyraties
100
Fig. 5: Gyratorproeven op bulkmengsels bemonsterd op de werf Voor dunne lagen is het niet de bedoeling de holle ruimte bepaald met de gyrator te gebruiken als criterium voor de in situ holle ruimte. De laagdikte is namelijk te klein om een betrouwbare meting toe te laten van de dichtheid op boorkernen (volgens NBN EN 12697-6), zodat de in situ holle ruimte niet op die wijze kan worden bepaald. Bovendien weet men niet wat de holle ruimte zegt over de mengselprestaties in het geval van dunne lagen. De prestatieproeven zullen een eerste indicatie geven, de inspecties van de proefvakken in de komende jaren zullen de resultaten moeten valideren.
6
3.2
Dichtheidsmetingen in situ
Vóór de openstelling voor het verkeer, is de gelijkmatigheid van de verdichting geverifieerd door dichtheidsmetingen met de nucleaire gammasonde in 10 verschillende punten per vak. Naast de gemiddelde resultaten toont de grafiek in figuur 6 ook de dichtheid als gemiddelde van enkel de meetpunten die zich in het midden van het vak situeren. De temperatuursmetingen met de IR camera toonden namelijk dat de hoogste temperatuur steeds in het midden wordt waargenomen. Door de hogere verdichtingstemperatuur, gecombineerd met de vaststelling dat het aantal walsovergangen in het midden van een vak systematisch hoger is dan aan de randen, kan men verwachten dat ook de verdichting in het midden hoger is dan aan de randen. Voor de meeste vakken blijkt dit het geval te zijn, doch de verschillen zijn niet significant. De marges komen overeen met twee keer de standaardafwijking en zijn voor de dunne lagen van dezelfde orde van grootte dan voor de SMA-C laag. Verder toont de grafiek nog de resultaten van de dichtheid van de bulkmengsels in de gyratorverdichter, gemeten na 60 gyraties. De absolute waardes verschillen systematisch maar de correlatie is vrij goed, waaruit men mag besluiten dat de gyratorverdichting indicatief is voor de dichtheid die men op de werf kan bereiken.
2,2
dichtheid (g/cm³)
2,0 1,8
gammasonde (alle data)
1,6
gammasonde (midden rijvak)
1,4 1,2
60 gyr
1,0 ref
A
B
C
D
E
F
G
Fig. 6: In situ dichtheidsmetingen (gammasonde) en dichtheid in gyrator 3.3
Rafelingsgevoeligheid
Door de geringe laagdikte en het hoge steengehalte zijn dunne toplagen weinig of niet onderhevig aan spoorvorming. Rafeling aan het oppervlak wordt echter meer kritisch, als gevolg van de hoge holle ruimte, de open textuur en de geringe laagdikte, waardoor het asfalt sneller afkoelt tijdens de aanleg, met mogelijk negatieve gevolgen voor de kwaliteit van de verdichting. Het OCW werkt mee aan de ontwikkeling van een Europese proefmethode om de rafelingsgevoeligheid van toplagen te bepalen (prCEN/TS 12697-50) (ref. 2). Daarvoor heeft het zich recent uitgerust met een nieuwe proefopstelling (fig. 7). Door een combinatie van rotatie- en translatiebewegingen onder het belaste wiel ontstaan er wringende krachten die rafeling veroorzaken. De opstelling is operationeel, maar de optimale testcondities moeten
7
nog worden bepaald. In afwachting zijn er al proefplaten gemaakt met de mengsels bemonsterd op de werf. De resultaten zullen toelaten de rafelingsgevoeligheid van de mengsels te vergelijken met deze van het referentiemengsel SMA-C.
Fig. 7: Rafelingsproef 3.4
Hechting met de onderlaag
De hechting met de onderlaag is een ander kenmerk dat van essentieel belang is voor dunne toplagen. Onvoldoende hechtsterkte, gecombineerd met hoge spanningen aan de interface, kan leiden tot het loskomen van grotere gedeeltes van de toplaag. Om de hechtsterkte tussen lagen te meten, heeft het OCW in de voorbije jaren verschillende proefmethodes bestudeerd en vergeleken (ref. 3). De bevindingen worden geïmplementeerd in de Europese proefmethode prEN 12697-48, die in ontwikkeling is. Naar gelang de proefopstelling wordt de interface belast in trek, afschuiving of torsie (fig. 8). Voor dunne toplagen zijn er aanpassingen nodig geweest om het toepassingsdomein van deze proeven uit te breiden.
Directe schuifproef Directe trekproef Directe trekproef (prEN 12697-48) (prEN 12697-48) (OCW-methode) Fig. 8: Belangrijkste laboratoriumproeven voor bepaling van de hechtsterkte 8
Voor de bepaling van de hechtsterkte zijn boorkernen genomen, verspreid over verschillende plaatsen om een voor het vak representatief resultaat te vinden. Zowel de schuifsterkte als de treksterkte werden bepaald, omdat voorgaand onderzoek heeft aangetoond dat beide proeven complementair zijn. De treksterkte werd gemeten met de directe trekproef volgens de OCW-methode. In vergelijking met de trekproef volgens prEN 12697-48 vraagt de OCWmethode minder boorkernen voor het vervaardigen van de kubusvormige proefstukken. Met het oog op de geluidsmetingen was het voor deze proefvakken van bijzonder belang het oppervlak zo weinig mogelijk te verstoren, zodat de keuze gemaakt werd voor de OCWmethode. Al de resultaten zijn samengevat in figuur 9.
3,00
Sterkte (MPa)
2,50 2,00 Afschuiving
1,50
Trek 1,00 0,50 0,00 Ref
A
B
C
D
E
F
G
Fig. 9 : Schuif- en treksterktes gemeten op kernen uit de proefvakken Met betrekking tot de directe schuifproef geldt er in Duitsland en Zwitserland een criterium voor minimale schuifsterkte van 0,85 MPa (ref. 4 en 5). Figuur 9 toont dat alle proefvakken hieraan voldoen, zij het dat het vak met mengsel B zich op de grens bevindt. In een Duitse studie wordt een strengere grens voorgesteld van 1,42 MPa (ref. 6). Met uitzondering van mengsels A en B wordt deze hogere drempelwaarde nog door alle andere toplagen behaald. In de directe trekproef behalen alle vakken een sterkte van 1,0 MPa, behalve deze met mengsels A en B. De trekproef is complementair aan de schuifproef omdat in deze proef niet enkel de interface, maar ook de onder- en toplaag aan de trekspanningen worden blootgesteld. Observatie van de breukzone leidt dan tot aanvullende informatie : •
Voor het referentievak en de vakken met mengsels F en G trad er geen breuk op aan de kleeflaag, maar in de toplaag (voor het referentiemengsel SMA-C) en in de onderlaag (voor de vakken met mengsels F en G). De treksterktes zijn voor die vakken ook hoger, wat duidt op een hoge sterkte van de kleeflaag zelf.
•
Voor de overige vakken werd een gemengde breuk waargenomen, waarin zowel de
kleeflaag als de toplaag faalden. Kenmerkend voor deze proefvakken was de grote spreiding op de proefresultaten (variatiecoëfficiënten van 10 à 31 % voor de schuifproef en 7 à 27 % voor de trekproef).
9
Voorgaande proeven op een werf met SMA-D2 als toplaag toonden dat een variatiecoëfficiënt van minder dan 10 % voor de schuifproef haalbaar is (ref. 3). Vermoedelijk hangt dit samen met de omstandigheden bij aanleg : regenbuien, ongelijkmatige of lokaal beschadigde kleeflagen en grote temperatuursverschillen zijn slechts enkele van de vele factoren die de spreiding kunnen opdrijven. 4.
Perspectieven
De laboratoriumproeven, waarvan sommige nog in uitvoering, tonen verschillen tussen de vakken op vlak van prestaties. De belangrijkste vraag is of deze verschillen ook tot uiting zullen komen op de weg en of de rangschikking op basis van de proefresultaten ook zal overeenstemmen met de volgorde en ernst waarin eventuele schade kan optreden. De vakken zullen voortaan twee keer per jaar geïnspecteerd worden en indien er schade wordt vastgesteld, zal deze worden geïnterpreteerd, rekening houdend met de waarnemingen en metingen die de condities bij aanleg hebben vastgelegd. 5.
Conclusie
Deze proefvakken zijn een unieke gelegenheid om dunne deklagen te beoordelen, zowel op vlak van hun potentieel om het comfort en leefmilieu te verbeteren, als op vlak van mechanische prestaties en levensduur. Validatie van de prestatieproeven en de invoering van eisen waaraan de resultaten moeten voldoen zal toelaten om deze mengsels verder te verbeteren en een langere levensduur te garanderen. Dankbetuigingen Dit onderzoek werd mogelijk gemaakt dankzij de financiële steun van het Bureau voor Normalisatie (CC CCN/PN/NBN-705-755). Daarnaast gaat onze dank naar AWV, voor de samenwerking ter gelegenheid van deze proefvakken, en naar de aannemers VBG (Colas Belgium) en Van Wellen, die bereid werden gevonden om de aanleg van deze innovatieve toplagen te demonstreren. Referenties 1. Van Hooreweder B., Bergiers A., Goubert L., “Stille dunne toplagen: proefproject N19 Kasterlee”, bijdrage Belgisch Wegencongres 2013 2. De Visscher J., Vansteenkiste S., Vanelstraete A., “Laboratory tests for internal cohesion of thin and ultra-thin wearing courses”, Proceedings of the 5th Eurasphalte & Eurobitume Congress ( Istanbul, 2012), paper O5EE-191 3. Destrée A., De Visscher J., Vanelstraete A., “Evaluation of tack coat performance of thin and ultra-thin asphalt pavements”, Proceedings of the 5th Eurasphalte & Eurobitume Congress, Istanbul, 2012, paper A5EE-178
10
4. Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen [FGSV], 2011 5. SN640 430b, Enrobés bitumineux compactés — Conception, exécution et exigences relatives aux couches en place, VSS, Zürich, p1-35, 2008 6. Stöckert, U, “Ein Beitrag zur Festlegung von Grenzwerten für den Schichtenverbund im Asphaltstraßenbau”, Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2002
11
