Monitoring A12: keuze van het bindmiddel

Transcriptie

1 Monitoring 12: keuze van het bindmiddel Tony e Jonghe enelux itume Samenvatting In 1999 werden er op de 12 bij unnik, verschillende proefstroken aangelegd in asfalt en beton. e keuze van de bitumineuze bindmiddelen die werden gebruikt in deze proefvakken werd gemaakt aan de hand van een aantal testen op het bindmiddel en het asfalt. eze testen werden uitgevoerd door het toenmalige NP in samenspraak met enelux itume en VW-. Er werden toen ook selectie criteria vastgelegd. it rapport is een samenvatting van de rapporten die toen werden opgesteld en beschrijft de aangewende keuze systematiek en geeft aan waarom een bepaald bindmiddel werd gekozen voor een bepaalde toepassing. it rapport kadert in het geheel van rapporten ingediend betreffende de Monitoring 12. Trefwoorden itumen, bindmiddel, testmethodes, wegingsfactoren

2 1. Inleiding In dit rapport wordt een methode voorgesteld waarmee uit verschillende bitumina de meest optimale gekozen kan worden voor wat betreft geschiktheid voor toepassing in ZO. Zeer open asfaltbeton (ZO) heeft een iets kortere levensduur dan dichtasfaltbeton, doordat de specifieke eigenschappen van ZO (gap-graded, hoog percentage holle ruimte) de levensduur (stabiliteit, rafeling) van het mengsel beïnvloeden. ls gevolg van het hoge percentage holle ruimte is het oppervlak van bitumen dat in aanraking is met de lucht groot ten opzichte van dichte mengsels. Hierdoor treedt er een versnelde veroudering op. ls gevolg hiervan zal het bitumen zich stijver en brosser gedragen. it kan vroegtijdig rafelen tot gevolg hebben. Ook de grote doorlaatbaarheid van ZO-mengsels laat indringing van water en chemische stoffen (olie, chloride e.d.) toe, die de levensduur bepalende eigenschappen van het bitumen nadelig beïnvloeden (hechtingsverlies, stripping). Het is gebruikelijk om bitumina/bindmiddelen in te delen aan de hand van: - penetratie - verwekingspunt - penetratie-index - breekpunt van Fraass - viscositeit Indien de bitumina met polymeren gemodificeerd worden, verandert het gedrag dusdanig, dat de genoemde methoden hun referentiekader en daarmee hun voorspellingskracht verliezen. Om toch voorspellingen te kunnen doen en onderscheid te kunnen maken naar de verschillende modificaties moeten meer functionele of fundamentele proeven gebruikt worden. it kunnen zijn: - complexe modulus - fase verlieshoek - ductiliteit - afdruipproef Om een indruk te krijgen van de ontwikkeling van de eigenschappen in de tijd kunnen zowel de 'klassieke' als de functionele testen uitgevoerd worden op jonge en (versneld) verouderde bitumina. Een verouderingsmethode die het meest relevant lijkt is de rolling thin film oven test (RTFOT). 2. Rangschikken bitumina lle soorten bindmiddelen kunnen -meer of minder relevant gekarakteriseerd worden op de genoemde grootheden. oor de gemeten waarden te vergelijken met referentie waarden of met eisen kan worden nagegaan in hoeverre het geteste bindmiddel aan een bepaalde eigenschap voldoet. an de hand van een waarderingstabel kunnen punten worden toegekend aan een bepaalde eigenschap. Niet alle eigenschappen zijn even belangrijk. Het is dus noodzakelijk onderlinge wegingsfactoren, die op een methodische wijze bepaald zijn, toe te 2

3 kennen aan de eigenschappen. Hierdoor is het mogelijk de score per bindmiddel te sommeren, waarmee voor het bitumen een totaalscore gegenereerd wordt. We spreken hier van de eigenschappen van een bindmiddel dat geschikt is om te verwerken in ZO. it bindmiddel dient dan ook over de volgende eigenschappen te beschikken [1]: een hoge viscositeit bij gebruikstemperaturen (-1-5 ); wanneer hoge percentages bindmiddel gebruikt worden (bijvoorbeeld 5,5%) zal zich om het minerale aggregaat een 'dikke' bitumenfilm ontwikkelen. oor het viskeuze gedrag zal het bitumen neigen van de steen af te druipen. Er is dan een verhoogde kans op rafelen. Een verhoogde viscositeit (minder vloeibaar) zal dit proces verminderen; voldoende elastisch gedrag bij gebruikstemperaturen om weerstand te bieden tegen vervorming en spanningsrelaxaties toe te staan. In de meeste gevallen zal in de toplaag de weerstand tegen vervorming een belangrijker criterium zijn dan de weerstand tegen vermoeiing; een lage viscositeit bij verwerkingstemperaturen (8-13 ); de verwerkbaarheid van het asfaltmengsel zal verbeteren indien het meer vloeibaar is; een goede cohesie en adhesie; de hechting van het bitumen is van groot belang, met name in het grensgebied lucht/asfalt (wat bij ZO groter is dan bij dichte mengsels), waar water en andere stoffen aanwezig zijn, die stripping kunnen veroorzaken. Een eerste voorstel werd gedaan om volgende meetmethoden te gebruiken: de penetratie (uitgevoerd bij 25 ) geeft een indicatie van de 'hardheid' van bitumen. Een lage penetratie waarde duidt op een hard bitumen en een hoge penetratie op een zacht bitumen. Het geeft een indicatie van de viscositeit bij gebruikstemperatuur; het verwekingspunt (T R&K) geeft de temperatuur aan waarbij het bitumen overgaat van de 'vaste' (dus overwegend elastische) fase naar vloeibare (overwegend viskeus) fase. Samen met de penetratie bepaalt deze eigenschap de penetratie index (P.I). e P.I geeft de temperatuurgevoeligheid van bitumen aan. Het geeft zowel informatie over de elasticiteit als de viscositeit; het breekpunt van Fraass geeft een indicatie van het elastische gedrag van bitumen in het lage temperatuurgebied; de complexe modulus G* geeft het visco-elastische gedrag weer, het is een vectoriele sommatie van de elastische en viskeuze respons op een belasting; de fasehoek δ is de verschuiving tussen het belastingsignaal en het responssingnaal (G* x sin δ is de elastische respons). Voor een puur elastisch materiaal geldt δ = en een puur viskeus materiaal δ = 9 ; de ductiliteit geeft de vervormingscapaciteit van het bitumen weer. eze bevat zowel een elastische als een viskeuze component; de afdruipproef is een maat voor de viscositeit van bitumen bij gebruikstemperatuur (25 ). e proef geeft specifiek aan of het bitumen in staat is om in een dikke laag om het minerale aggregaat gehuld te blijven. 3

4 3. Geteste bindmiddelen Er zijn 16 bindmiddelen gekarakteriseerd met het doel te komen tot een onderbouwde keuze van bindmiddelen te gebruiken voor het zeer open asfaltbeton die in het demonstratie-vak op de 12 aangebracht zal worden. Om een ranking te kunnen opmaken werden de volgende metingen uitgevoerd: afdruiptest; massa-verlies; glijmodulus en fasehoek (niet-verouderd en RTFOT verouderd); cantabro test (direct en retained); plate shock test (modified vialit) Er zijn dus 16 bindmiddelen onderzocht: 15 gemodificeerde bitumina en 1 referentiebitumen. e 15 gemodificeerde bindmiddelen zijn onder codering aangeleverd. e gegeven identificatienummers zijn: 98-1, 98-2, 98-4, 98-5, 98-6, 98-8, 98-9, 98-1, 98-11, 98-18, 9827, 98-29, 98-32, Voor het referentie-bindmiddel is een conventioneel Esso 7/1 genomen (code: 98-Ret). oor de leveranciers van de bindmiddelen zijn ons, als EVT, de waarden gegeven die in tabel 1 genoemd zijn. Tabel 1: E. V. T. van gebruikte bindmiddelen indmiddel E.VT. [ ] á á ref 15. Voor de afdruipproef en de cantabro-test zijn mengsels gebruikt, die als volgt zijn samengesteld. 4

5 Mengsel voor de fdruipproef: e gebruikte mengsels waren samengesteld als gegeven in tabel 2. e steenslag is Nederlands steenslag, het zand is brekerzand. Er zijn twee bindmiddelgehalten onderzocht. Tabel 2: Mengselsamenstelling Schellenberger afdruipproef Op zeef Hoeveelheid [% m/m] , , mm µm 1.5 Vulstof 4.5 indmiddel 'op' 4.5 of 5.5 Mengsel voor antabro of uurzame Samenhang: e mengsels die in de cantabro-proef zijn gebruikt hadden de samenstelling die gegeven is in tabel 3. Het zand was Schots brekerzand, de steenslag gramac, de vulstof Rhecal 6. e gebruikte bindmiddelpercentages zijn tot stand gekomen in overleg met de opdrachtgever. e mengsels zijn bereid in een gyrator, waarbij het afslagcriterium is vastgesteld op 55 omwentelingen. it criterium is voor alle mengsels gebruikt. Tabel 3: Mengsels voor antabro-proef fractie Hoeveelheid (m/m) 11/16 8/11 5/8 Zand Vulstof indmiddel op Volgens leverancier 5

6 4. Testen fdruipen Omdat het mengsel een zeer open asfaltbeton mengsel is, en afdruipen van het bindmiddel een gevaar is (zeker voor conventionele bindmiddelen) is een afdruipproef uitgevoerd. Van de verschillende methoden die beschikbaar zijn is de Schellenberger gekozen. Massa-verlies Het massa-verlies dat optreedt bij (R TFOT) veroudering is bepaald. Het nut van deze test en de reden daarachter behoeft geen nader betoog. uctiliteit Het begrip' ductiliteit' dient hier ruim opgevat te worden. Het staat niet alleen voor de rek bij breuk, maar ook voor het elastisch -dus terugverend- gedrag. eze eigenschap geeft dan ook aan dat het bindmiddel bij kan dragen aan het weer op zijn plaats (terug)komen van stenen, mochten zij van hun plaats geraken, bijvoorbeeld onder invloed van het verkeer. Het elastisch aspect is dan van groot belang. Vanzelfsprekend moet deze eigenschap er zijn voor lage én hoge temperatuur, zowel als voor belasting door een langzaam als snel rijdend wiel. ls maat voor deze eigenschap is de glijmodulus gekozen. eze wordt bepaald in een ynamic Shear Rheometer bij verschillende temperaturen en voor een range van frequenties. Hoewel in de hier gebruikte analyse slechts enkele singuliere metingen gebruikt zijn, zijn volledige mastercurven opgenomen. uurzame samenhang Het tegengaan (of liefst voorkomen) van oppervlakte schade (rafeling en steenverlies) bij zeer open asfaltbeton is van groot belang. ls oorzaak van dit type schade wordt verlies van samenhang van aggregaat en bindmiddel aangegeven. Samenhang is een zeer moeilijk te definiëren, laat staan te meten, grootheid, zeker in het geval van zeer open asfaltbeton. Het heeft te maken met het aan elkaar blijven hangen van de aggregaten, ook bij stootbelastingen en bij (gedwongen) onderlinge verplaatsing van de aggregaten. Gekozen is voor de cantabro-test als proef waarmee deze eigenschap gekarakteriseerd wordt. Omdat over het algemeen bindmiddelen brosser worden bij lagere temperaturen is de initiële proeftemperatuur aan de lage kant gekozen: 1. Uitdrukkelijk wordt vermeld dat (ook) voor een vergelijkend onderzoek als het hier gerapporteerde, het werken onder goed herhaalbare omstandigheden noodzakelijk is. Het aspect' duurzaamheid' is ingebracht via het retainen van de proefstukken. Onder retainen wordt verstaan het opslaan van proefstukken onder water, bij 6, gedurende 48 uur. Zeker het element' stripping' wordt zo in zekere mate verrekend. Hechting Hechting is een maat voor de het verband tussen aggregaat en bindmiddel en is ook, ten principale, een zeer moeilijk te meten grootheid. Veelal komen metingen neer op bepaling van de scheurgroei-gevoeligheid, waarbij de scheur of door het bindmiddel of door de interface bitumen/aggregaat loopt. In elk geval is hechting een grootheid die aan moet geven of het bindmiddel effectief stevig genoeg aan het aggregaat vast zit. ls proef is de 'Modified Vialit test', of te wel de 'Plate Shock test', gebruikt. 6

7 5. nalyse ata-ordening Het rapport werd opgemaakt in een Excel-file met drie tabellen, waarmee snel inzicht verkregen kan worden in de manier waarop de ranking van de bindmiddelen verandert als de weging van de mechanismen gevarieerd wordt. e eerste tabel (tabel 4) stelt de gebruiker in staat om de weging van de proeven naar eigen goeddunken in te voeren. Tabel 4: wegingsfactoren mechanisme details proef weging ijdrage % fdruipen Massa-verlies uctiliteit Viskeus uctiliteit uurzame samenhang Hechting Elastisch Vers Verouderd Veroudering Vers Verouderd Veroudering Schellenberger Verouderen RTFOT SR SR/RTFOT SR SR/RTFOT antabro Vialit TOTL 1. e tweede tabel (tabel 5) vat de resultaten samen. eze tabel is een resultaat van de derde tabel. In de tweede tabel wordt voor elk bindmiddel het totaal aantal gescoorde punten gegeven, zowel in absolute zin als in percentages. Ook wordt de maximale en de minimale score gegeven. e maximale score in percentages is uiteraard 1%. e minimale score is niet %, omdat bij de klasse indeling per meting de minst goede klasse de waarde 1 heeft gekregen. 7

8 Tabel 5: klassering bindmiddel Totaal punten Score percentage eindk lasser ing ref Max 32 1 min 8 25 > 75 Tussen 6 en 75 Tussen 45 en 6 < 45 In de derde tabel staan de meetgegevens. eze tabel wordt hier niet weergegeven omdat die gegevens op zich niet relevant zijn voor de methode die gebruikt werd. Voor elke proef of test is de gehanteerde klasseindeling gegeven en de daaruit voortvloeiende ranking. eze klasse-indeling en ranking veranderen niet automatisch. Verandert men echter een waarde in een kolom 'ranking' dan verandert de score in de tweede tabel mee. ata-weging oor de weging van de verschillende proeven te variëren kan men inzicht verkrijgen in de stabiliteit van het overall-resultaat. Er zijn resultaten berekend voor vijf afzonderlijke combinaties van weging van proeven. e gegeven variaties zijn achtereenvolgens: een weging waarbij de ductiliteit en de duurzame samenhang ieder voor 36 % meetellen (de overige 3 ieder voor 9%); vermindering van de weging van de ductiliteit ten opzichte van bovenstaande: de tussenresultaten voor de 'verse' en 'verouderde' meting zijn niet meegenomen; het gewicht van de duurzame samenhang is gehalveerd ten opzichte van de vorige; ten opzichte van de direct bovenstaande analyse is het gewicht van de hechting nul gemaakt (hechting telt niet mee in de analyse); het gewicht van de duurzame samenhang is teruggebracht naar de oorspronkelijke factor 4. eze analyse verschilt ten opzichte van de tweede door het op nul zetten van het gewicht van de hechting. 8

9 Tabel 6 kan gezien worden als een 'totaal-generaal'. Het blijkt dat de ranking vrij stabiel is: er zijn duidelijk 'betere' en 'minder betere' bindmiddelen te onderscheiden. Tabel 6: samenvatting resultaten bindmiddel klasseringen Totaal generaal ref 5* 5* 3*,2* 2*,3* 5* 5* 2*,3* 5* 5* 5* 5* 5* 4*,1* 5* 2*,3* 5* 6. onclusie Op grond van bovenstaande tabel en de onderliggende metingen en analyses moet geconcludeerd worden dat een groep van vier beste bindmiddelen (98-2, 98-5, 98-9 en 98-42) te onderscheiden is. e auteur van dit rapport beveelt aan voor toepassing in het demonstratie-vak op de 12 een bindmiddel te kiezen uit deze groep. Opgemerkt wordt dat het referentie bindmiddel (een conventioneel 7/1) het allerminst scoort (samen met slechts één gemodificeerd bindmiddel). eze constatering bevestigd de algemene bevinding dat modificeren van bindmiddelen positief uitwerkt op het gedrag van het zeer open asfaltbeton. Overigens is ook duidelijk dat niet alle modificaties (of beter: combinaties uitgangsbitumen en modificatie) een gelijke uitwerking hebben. 9