10 jaar Monitoring A12 demonstratie van perpetual pavement in asfalt

Transcriptie

1 10 jaar Monitoring A12 demonstratie van perpetual pavement in asfalt Evert de Jong VBW-Asfalt Frits Stas Grontmij (voorheen VBW-Asfalt) Samenvatting De renovatie en verbreding van de zuidbaan van de A12 bij Bunnik was in 1997 voor de asfaltbranche de gelegenheid om te demonstreren dat een volledig in asfaltbeton uitgevoerde constructie aan de zwaarste eisen kan voldoen. Contractueel is vastgelegd het vak 10 jaar lang te monitoren. In fase van planvorming tot realisatie is de constructie zwaarder uitgevoerd waardoor de kans op schade drastisch is afgenomen. De constructie is constructief te vergelijken met een perpetual pavement waardoor het onderhoud wordt en zal worden bepaald door het instandhouden van de wegoppervlakeigenschappen. De schat aan meetgegevens die tijdens de eerste jaren van gebruik zijn verzameld vormen een uitstekende basis om toekomstige zwaarbelaste projecten met een minimum aan onderhoud te ontwerpen. Duidelijk is aangetoond dat de asfaltconstructie geschikt is voor de zwaarst belaste wegverhardingen. Trefwoorden Asfalt, monitoring, ontwerp, perpetual pavement, wegconstructie,

2 De achtergrond Tussen oktober 1996 tot en met mei 1999 werd één van de zwaarst belast wegen van Nederland, de A12 bij Bunnik, volledig gereconstrueerd. Gelijktijdig is de weg verbreed van 2 naar 3 rijstroken. Rijkswaterstaat greep deze reconstructie aan om een proefvak in cementbeton aan te leggen. Voor de asfaltbranche bood dit de gelegenheid om in een aansluitend vak te demonstreren dat een volledig in asfaltbeton uitgevoerde constructie aan de zwaarste eisen voldoet. Dus inclusief de ruimte om de groeiende verkeersbelasting te weerstaan. Samen met Benelux Bitume heeft VBW-Asfalt aan Rijkswaterstaat voorgesteld om demonstratievakken in asfalt aan te brengen en de ontwikkelingen 10 jaar lang te laten monitoren. Rijkswaterstaat kon zich achter dit voorstel scharen en op 1 december 1997 ondertekenden VBW-Asfalt, mede namens de DWW en Benelux Bitume, het contract met KOAC-NPC om tot en met 2006 de jaarlijkse monitoring uit te voeren. De keuze voor een langlopende opdracht werd ingegeven vanuit de ervaring dat er in het verleden vele proefvakken zijn aangelegd maar slechts weinig vakken na aanleg werden gevolgd. Met een contractuele verplichting wilde men zeker stellen dat dit vak niet in de vergetelheid verdween. Vooral omdat de eerste jaren na aanleg er weinig tot geen ontwikkelingen voordoen werd verwacht dat de belangstelling voor inspectie en metingen wegebben. Als er daarna ontwikkelingen zichtbaar worden, mist men de gegevens over de beginjaren. Benelux Bitume was met name geïnteresseerd om de mogelijkheden van gemodificeerde bitumen aan te tonen. Daarom zijn twee vakken aangelegd met een verschillende opbouw van de onderlagen. Ook de ZOAB deklaag is deels met gemodificeerde bitumen uitgevoerd. Ontwerp en dimensionering Gebruikte programma s en invoerparameters Voor de dimensionering van de asfaltverharding is in 1995 gebruik gemaakt van het programma ASCON 1.02 van RWS. Uitgangspunt was een verkeersintensiteit van dagelijks motorvoertuigen, waarvan vrachtwagens. De ontwerplevensduur bedroeg 20 jaar. Vooronderzoek steenslagasfaltbeton Naast het gebruikelijke Marshallonderzoek is gebruik gemaakt van gyrator-, triaxiaal- en SCB-onderzoek. In het vooronderzoek zijn partiële recyclingpercentages van 25 %, 35 % en 50 % meegenomen. Bij 50 % hergebruik is het verschil in vervormingseigenschappen tussen gemodificeerde en conventionele mengsels niet meer significant. Daarom is gekozen mengsels met 35 % hergebruik toe te passen. 2

3 De constructie De demovakken zijn opgesplitst in vier delen met elk een eigen specifiek aandachtsveld: Vak 1: scheurweerstand Vak 2: weerstand tegen spoorvorming Vak 3a: weerstand tegen rafeling van ZOAB op asfalt Vak 3b: weerstand tegen rafeling van ZOAB op cementbeton Hierdoor werd het mogelijk om naast het hoofddoel van demonstratie toch ook nog een onderzoek naar de levensduurverlenging van het ZOAB mee te nemen. Vak 1 Km Vak 2 Km Vak 3 Km Referentievak Km mm ZOAB 0/16 ZOAB 0/16 ZOAB 0/16 ZOAB 0/16 60 mm II 80 mm 90 mm STAB I, 5,3 % bitumen II 4,8 % bitumen 250 mm Zandbed Zandbed Zandbed Doorsneden demonstratievak asfaltconstructie Zandbed Vak 3a Km Vak 3b Km mm ZOAB 0/16 III 50 mm 60 mm ZOAB 0/16 III 250 mm Doorgaand gewapend beton 80 mm 90 mm 60 mm GAB 0/ mm 250 mm Zandbed Zandbed Doorsneden vak doorgaand gewapend beton en asfaltvak met gemodificeerde ZOAB deklaag 3

4 Opzet monitoring De monitoring is opgezet vanuit het uitgangspunt dat alles wat in de toekomst mogelijk aan structurele schade zou kunnen optreden vastgelegd en verklaard zou moeten kunnen worden. Hiervoor is vanaf de aanleg informatie verzameld en vastgelegd over: - ontwerpgegevens - mengselkeuzes - locatie, ondergrond en fundering - uitvoering - draagkracht van de constructie - gerealiseerde nul-situatie - asfaltgedrag in de constructie - asfalteigenschappen - verkeersbelasting - weer en constructietemperatuur - visuele conditie - stroefheid en vlakheid - doorlatendheid (zoab) - akoestische eigenschappen De gegevens zijn vastgelegd in het computerprogramma MONIVIEW, een speciaal ontwikkelde database. De daarin vastgelegde gegevens worden in deze paper gebruikt om de beoordeling toe te lichten. Aanleg In het najaar van 1998 zijn de onderlagen van de STAB aangebracht en hebben anderhalf jaar als deklaag gefunctioneerd. In maart 1999 is, na een gedetailleerde visuele inspectie, de definitieve deklaag van ZOAB aangebracht. Uit die visuele inspectie bleek dat, ondanks het hoge bitumenpercentage in de STAB, spoorvorming is uitgebleven. De verbeterde STAB is duurzamer dan het conventionele STAB-mengsel waardoor de eerste zeer geschikt is voor toepassing onder het open ZOAB. Materiaal onderzoek na aanleg Fundering De 0,25 m dikke fundering is overal toegepast. De 28-daagse druksterkte bedroeg gemiddeld 3,5 MPa met 2,4 MPa als laagste en 4,9 MPa als hoogste waarneming. Dus ruim boven de bestekseis van 1,5 MPa. Waarden boven de 3,0 MPa zijn echter vanwege het risico op reflectiescheuren ongewenst. De relatief dikke verharding van 230 mm (excl. de ZOAB) stijgt ver uit boven de minimumwaarde van 140 mm waardoor het risico van scheurdoorslag beperkt blijft. 4

5 STAB Van de STAB zijn de volgende eigenschappen bepaald: kracht-vervorming (stijfheid en faseverschuiving) o Standaard ca MPa o Aangepast ca MPa o Gemodificeerd I ca MPa o Gemodificeerd II ca MPa Trek, bezwijken bij 40 C in directe trekproef o Treksterkte 0,5 MPa o Rek bij de treksterkte 1,4 % o Rek bij breuk 5,5 % o Beginstijfheid 90 MPa o Opgenomen energie 10 KJ/m3 (totaal) Er zijn geen extreme verschillen tussen de mengsels onderling geconstateerd. Kruip bij 50 C met blokpulsbelasting en constante steundruk o Standaard 1,59 µrek/s o Aangepast 0,95 µrek/s o Gemodificeerd I 0,57 µrek/s o Gemodificeerd II 0,51 µrek/s Vermoeiing, ε= 120 µm/m E = MPa o Standaard o Aangepast o Gemodificeerd I o Gemodificeerd II De betere vermoeiingseigenschappen van het aangepaste STAB mengsel kunnen verklaard worden uit het hogere percentage bitumen (5,3 % ten opzichte van 4,8 %). Metingen aan de constructie direct na aanleg Direct na aanleg van alle lagen zijn valgewicht deflectiemetingen uitgevoerd om de constructieve beginwaarde vast te stellen. Na aanleg van de ZOAB deklaag is ook de werkelijke verkeersbelasting uit tellingen en aslastmetingen vastgesteld. Met alle verkregen data is met ASCON 2.0 een herberekening uitgevoerd. Tabel 1a: Vergelijking laagdikte ontwerp en gerealiseerde waarden Laag Ontwerp Gerealiseerd Zand onder asfalt 100 MPa MPa Fundering - E-modulus - laagdikte Asfaltverharding - E-modulus - laagdikte 1) MPa 256 mm MPa MPa 280 mm 2) 296 mm 1) Ontwerp bestond uit 0,25 m betongranulaat van 250 MPa. Deze is niet te vergelijken met een 0,25 m dikke fundering van 2) 3 lagen GAB (200 mm), 60 mm STAB en 50 mm ZOAB 0/16 5

6 Tabel 1b: Vergelijking uitgangspunten en werkelijke waarden voor de dimensionering Parameter Ontwerp Gerealiseerd Verkeersbelasting 82, kn EA 43, kn EA Levensduur 20 jaar > 20 jaar Criterium levensduur Rek onderin asfalt Scheurdoorslag uit fundering 1) 1) Asfaltlaag overstijgt met bijna 250 mm STAB ruimschoots het minimum van 120/140 mm. Tevens ligt de berekende rek onderin de met 24 µm/m, ruim onder de grenswaarde van 100 µm/m. Zelfs bij een aslast van 200 kn (< 0,39 %) wordt nog niet de helft van de grenswaarde bereikt. De constructieve levensduur van het aangelegde vak is voor het ontwerpcriterium vermoeiing een factor 2 hoger dan het ontwerp. De levensduur zal daarom door andere factoren worden bepaald. In tabel 2 staan de laagstijfheden van de afzonderlijke demovakken, bepaald uit valgewichtdeflectiemetingen uitgevoerd in juni 1999 op de ZOAB. Tabel 2: Gemeten waarden elasticiteitsmodulus direct na aanleg. Kilometer Bijzonderheden E asfalt 1) E beton E GAB van tot [MPa] [MPa] [MPa] E [MPa] E ondergrond [MPa] onderlaag STAB mod. I (5,3 %) onderlaag STAB mod. I (4,8 %) deklaag STAB mod. II referentievak asfalt ZOAB met mod. III op asfalt ) E asfalt = laagstijfheid totale asfaltpakket, gecorrigeerd naar 20 C. In tabel 3 wordt een overzicht gegeven van de bij het ontwerp gehanteerde uitgangspunten voor de stijfheid en de gerealiseerde stijfheid van de afzonderlijke lagen, gemeten in juni Tabel 3: Vergelijking uitgangspunten ontwerp en gerealiseerde waarden van de stijfheid. Laag Ontwerp uitgangspunt Gerealiseerd [MPa] [MPa] Ondergrond zand onder asfaltverharding Fundering onder asfaltverharding Asfaltverharding Opmerkingen: De stijfheden van de verschillende lagen van de gerealiseerde verhardingsconstructie liggen allen ruim hoger dan de stijfheden welke bij het ontwerp zijn aangehouden; De in de verschillende fasen van de bouw gemeten ondergrondstijfheid neemt toe, naarmate er meer stijve constructielagen zijn aangebracht; De stijfheid van de fundering van is plaatselijk aan de hoge kant, waardoor er mogelijk kans is op het ontstaan van reflectiescheuren in de asfaltconstructie. 6

7 Draagkrachtmetingen Gedurende de monitoring zijn diverse keren draagkrachtmetingen met een valgewicht uitgevoerd. Enkele van de kenmerkende resultaten zijn in de onderstaande tabel gepresenteerd. Tabel 4: Meetresultaten deflectiemetingen 2001 en 2004 in het rechter rijspoor (na temperatuur correctie tot 20 ºC) vak kilometrering Bijzonderheden constructieopbouw Meet punten STAB-onderlaag + bitumenmodif. (Ia) STAB-onderlaag + bitumenmodif. (Ib) STAB-bovenlaag + bitumenmodif. (II) STAB-bovenlaag + brekerzand Gem. centrum Deflectie 2001 Gem IDK waarde 2001 Gem. centrum Deflectie 2004 Gem IDK waarde Hieruit kan de conclusie getrokken worden dat de draagkracht van de asfaltverharding (in de rijsporen) niet veranderd is tussen 2001 en Temperatuurmetingen De temperatuur van de asfaltvakken is in de zomermaanden (april t/m september) gemeten. Daartoe zijn bij kilometer op 1, 6, 14 en 23 cm diepte onder het oppervlak van de bovenste STAB-laag temperatuursensoren ingebouwd in het rechter rijspoor. (Bij deze dieptes is de ZOAB deklaag niet meegerekend). Tabel 5: Temperatuur en gradiënten in de verharding jaar Maximale asfalttemperatuur ( C) ,9 tot 36, ,4 tot 40, ,8 tot 42, ,0 tot 42, ,3 tot 41,6 De ondergrens is het maximale minimum van de gemeten periode. Dit wil zeggen dat er in het jaar 2000 minimaal één dag is geweest waarop de asfalttemperatuur niet onder de 27,9 C is gekomen. Opmerking: Deze meetwaarden geven ook een indruk van de mogelijkheden van warmtewinning uit asfalt. 7

8 Verkeersgegevens Om de optredende verkeersbelasting te toetsen aan de uitgangspunten van het ontwerp zijn, niet alleen direct na aanleg maar gedurende hele periode verkeerstellingen en aslastmetingen uitgevoerd. Tabel 6 geeft een overzicht van de bij het ontwerp gehanteerde en de in 1998 gemeten verkeersbelasting. Tabel 6: Vergelijking uitgangspunten ontwerp en werkelijke verkeersbelasting. Omschrijving Ontwerp Gemeten op de rechter rijstrook Zuidbaan Voertuigen per etmaal ) Percentage vrachtauto s 16 - Percentage vrachtauto s op de ontwerpstrook Vrachtwagenschade factor 1,75 1,6 Percentage breedbanden Gebruiksdagen per jaar Ontwerplevensduur in jaren 20 - Ontwerphoeveelheid 100 kn E.A. 82,7x ,7x10 6 1) Verkeersintensiteit van totale rijbaan Opmerkingen: De uit de meetgegevens teruggerekende vrachtwagenschadefactor ligt lager dan bij het ontwerp gehanteerd; De gemeten 100 kn Equivalente Aslasten op de rechterrijstrook van de zuidbaan A12 zijn ruwweg de helft van de bij het ontwerp van de rijbaan aangehouden waarde. Visuele inspecties Naast de jaarlijkse globale visuele inspecties is er in 2002 en 2003 ook een gedetailleerde visuele inspectie uitgevoerd van acht 100 meter vakken. Naast deze twee visuele inspecties zijn ook alle individuele schades zoveel mogelijk vastgelegd. De (globale) visuele inspectie is uitgevoerd volgens de CROW-systematiek (publicatie 146). Uit de globale visuele inspecties blijkt dat op alle acht vakken (dus ook de vakken van ZOAB op cementbeton) geen of geen rafeling van betekenis aanwezig is. Uit de gedetailleerde visuele inspecties in 2002 en 2003 blijkt dat de schade van het schadebeeld Textuur niet als rafeling van enige omvang aangemerkt kan worden. Verder blijkt dat de schade van het schadebeeld vlakheid qua ernst en omvang zeer beperkt zijn. In het algemeen kan gezegd worden dat de vakken ZOAB op beton iets meer schade vertonen dan het ZOAB op asfalt. 8

9 Jaarlijkse resultaatsbesprekingen Een begeleidingsgroep van de betrokken partijen heeft jaarlijks de resultaten die KOAC-NPC verzamelde besproken om na te gaan of het komende jaar aanpassingen nodig waren in het voorgestelde programma. In die besprekingen is ondermeer beoordeeld of de meetlussen wel of niet zouden moeten worden onderhouden. Dergelijke discussies waren vereist omdat direct na aanleg al duidelijk werd dat het bepalende schadecriterium voor de levensduur niet meer door vermoeiing vanuit de onderkant van de constructie zou worden bepaald. Dus de noodzaak van draagkrachtmetingen en dergelijke werd discutabel. De technische begeleidingscommissie heeft toch besloten zoveel mogelijk data te verzamelen. Deze data worden echter pas na veel meer jaren dan voorzien interessant. Als het project na 2006 niet meer wordt vervolgd zou het kunnen zijn dat de gegevens onvoldoende inzicht over het verloop van de constructieve waarde opleveren. In de besprekingen (en alle rapportages) zijn alle vakken (dus inclusief de proefvakken van cementbeton) min of meer als één project behandeld. Dat verhoogt het inzicht in de vergelijking tussen de diverse mogelijke constructies. Maar daardoor is het minder eenvoudig de specifieke informatie over het asfaltvak te beoordelen. Vooral omdat een proefvak kritischer is en veel meer bespreking vereist, zoals ook in dit project bleek. De wel geconstateerde schades bestonden voor het overgrote deel boven de dwarsscheuren in de betonconstructie te liggen. Conclusies De asfaltconstructie is mede door de keuze een fundering van aan te brengen veel zwaarder uitgevoerd dan uit het ontwerp volgde. Daarnaast is ook de verkeersbelasting lager dan werd aangenomen. De constructie zal daarom niet op het ontwerpcriterium vermoeiing vanuit de onderzijde bezwijken. Daarmee is een perpetual pavement aanwezig. Bij een adequaat onderhoud aan het oppervlak (behoud wegdekeigenschappen) zal de constructie tot in lengte van jaren voldoen zonder ingrijpende reconstructie vanwege constructieve schade aan het asfalt. In de periode van de monitoring zijn aan het oppervlak van de asfaltvakken geen schades geconstateerd. Duidelijk is aangetoond dat de asfaltconstructie voldoet en in staat is om onder de zwaarst belaste omstandigheden te worden ingezet. Aanbevelingen Er is nauwelijks een project dat zo goed is gedocumenteerd als de zuidbaan van de A12 bij Bunnik. En alhoewel het verkrijgen van het inzicht in de constructieve ontwikkeling van een extreem zwaar belaste asfaltverharding slechts beperkt is verkregen, leent het vak zich bij uitstek om de economische en maatschappelijke waarde van een perpetual pavement vast te stellen. Voortzetting van de monitoring is daarom ten zeerste gewenst. Gezien de aanwezige informatie is het rendement van de voortzetting hoog voor wegbeheerders. De gegevens lenen zich voor verdere analysering om na te gaan in hoeverre in vergelijkbare omstandigheden een lichtere en daarmee goedkopere oplossing mogelijk is. Opzoeken van de meest efficiënte oplossing blijft de uitdaging voor de wegontwerper. 9

10 Discussie In de tien jaar monitoring zijn er relatief weinig veranderingen in meetmethoden opgetreden. Toch kan dat de aansluiting op de komende periode moeilijk worden omdat het vooronderzoek vervangen zal gaan worden door de Type Testing. Vertaling van de oude gegevens naar de toekomst zal steeds lastiger worden. Dit geldt ook voor andere eigenschappen. Bijvoorbeeld de stroefheid van het wegoppervlak. Het is de moeite waard om na te gaan of en in welke mate elders gerealiseerde constructies overeenkomen met het ontwerp. In het hier gepresenteerde vak is een zwaardere constructie dan ontworpen gerealiseerd maar komt het ook voor dat de constructie lichter dan ontworpen wordt aangelegd en de belastingen zwaarder blijken dan voorzien? En wat zijn dan de consequenties voor de wegbeheerder? Stellingen 1. De technische ontwikkelingen van de automatisering gaan zo snel dat binnen tien jaar de toegang tot een digitale database al problematisch wordt. Meetgegevens moeten daarom altijd op papier worden bewaard. Een digitale database heeft voor gegevensopslag op termijn geen nut. 2. Veranderingen van onderzoeksmethoden kunnen leiden tot verlies aan de relatie met het verleden. Dit kan tot gevolg hebben dat bij de afronding van langdurige contracten (enkele decennia), het contractueel vastgelegde kwaliteitsniveau niet meer is vast te stellen. 3. Met het criterium van maximaal 35 µm/m (er zijn ook wetenschappers die 65 µm/m aanhouden) bij een aslast van 100 kn aan de onderzijde van de asfaltconstructie is voor elke situatie een perpetual pavement te realiseren. 4. De meerkosten van een perpetual pavement ten opzichte van een traditionele constructie zijn marginaal als de gebruikskosten worden meegerekend. 5. De afwegingen voor een perpetual pavement zou bij alle projecten als alternatief aan de opdrachtgever respectievelijk het bestuur moeten worden voorgelegd. 10