Rafelingsonderzoek op ZOAB boorkernen: het effect van Levensduur Verlengend Onderhoud [LVO] op de levensduur van ZOAB

Transcriptie

1 Rafelingsonderzoek op ZOAB boorkernen: het effect van Levensduur Verlengend Onderhoud [LVO] op de levensduur van ZOAB ir. Gerbert van Bochove Breijn Samenvatting Op de Nederlandse snelwegen ligt bijna overal ZOAB als deklaag. De ZOAB heeft helaas ook een achilleshiel, namelijk rafeling het steenverlies dat de levensduur van ZOAB aanzienlijk beperkt. Teneinde de levensduur van ZOAB te verlengen is veel onderzoek gedaan, zijn technische innovaties ontwikkeld en zijn ook proefvakken aangelegd. Nader bekeken naar het mechanisme achter de rafeling van ZOAB kan vastgesteld worden dat steenverlies optreedt als gevolg van het scheuren van de bitumineuze hechtbruggen tussen de asfaltstenen. Mogelijke oplossingsrichtingen van de LVO-maatregelen zijn het enkel bij juiste temperatuur verdichten van het asfalt, het verjongen of aanvullen van de aanwezige hechtbruggen of het voorkomen van vorst-dooi schade. Om de rafelingsgevoeligheid van mengsels te kunnen onderzoeken (alsook om nieuwe producten te kunnen onderzoeken) is hiertoe in Nederland succesvol in de eind jaren 90 een rafelingstester ontwikkeld de Rotating Surface Abrasion Test, ofwel de RSAT. Dankzij de doorontwikkeling hiervan kunnen inmiddels niet alleen (laboratorium-)platen van 0,5 x 0,5 m onderzocht worden, maar ook gelijktijdig 3 (uit een weg genomen) boorkernen Ø150 mm. Hiermee kan succesvol het verloop van materiaalverlies (ofwel rafeling) gemeten worden. Dankzij de nieuwe mogelijkheden na doorontwikkeling van de RSAT zijn boorkernen van LVO-proefvakken van de A50 en de A73 in 2011 middels de RSAT onderzocht. Hieruit blijkt een duidelijk waarneembaar positief effect op de restlevensduur te bestaan van oude (Tweelaags)ZOAB deklagen die met een LVO-maatregel zijn behandeld. 1

2 1. Inleiding Binnen het programma IPW (Innovatieprojecten Wegonderhoud) van Rijkswaterstaat wordt onderzoek gedaan naar het effect van Levensduurverlengend Onderhoud [LVO] op asfaltverhardingen met een ZOAB deklaag. Er zijn (en worden) een drietal LVO Technieken beproefd, waarmee een aantal proefvakken op Rijkswegen zijn aangelegd. Het zijn technieken die ook wel kortweg Sealen van ZOAB worden genoemd, alhoewel deze benaming enigszins discutabel is. Sealen duidt op het dichtmaken van een open oppervlak, terwijl de technieken beogen om de functionaliteit (openheid) van de ZOAB verharding zo goed mogelijk in stand te houden. Daarom wordt steeds meer de benaming LVO-maatregel gebruikt. Aan het onderzoek naar de effecten van deze LVO maatregelen zijn verschillende inzendingen voor de CROW-Infradagen 2012 gewijd. In deze voorliggende paper wordt ingegaan op de rafelingsproeven die zijn gedaan op boorkernen uit de proefvakken. Deze rafelingsproeven zijn uitgevoerd op de Rotating Surface Abrasion Tester (RSAT) van Breijn. De RSAT testmachine is inmiddels zo n 15 jaar in gebruik en wordt op vele typen wegdekken toegepast voor onderzoek naar duurzaamheid (levensduur): asfalt, beton, coatings en markeringen. De machine is aanvankelijk ontwikkeld voor rafelingsonderzoek op platen (circa 0,5 x 0,5 m), welke vervaardigd worden in het laboratorium. De laatste jaren is de testmethode ook steeds vaker toegepast op boorkernen (Ø150mm) welke uit een bestaand wegdek zijn geboord. Zo kan het testmechanisme ook op een verouderd wegoppervlak worden toegepast. In deze bijdrage wordt eerst ingegaan op het basis mechanisme van het rafelingsproces van een ZOAB oppervlak. Vervolgens wordt dit mechanisme vertaald naar een gewenste belastingconfiguratie in een testmachine. Daarna wordt de praktische uitwerking weergegeven van het onderzoek op boorkernen. Verderop in deze paper wordt ingegaan op het gewenste effect van de LVO-maatregelen op ZOAB. Aansluitend worden de resultaten besproken van het onderzoek op de boorkernen en wordt de paper afgerond met conclusies en stellingen. 2. Het mechanisme achter de rafeling van ZOAB De maatgevende schade die de levensduur van ZOAB bepaald is rafeling. Rafeling betekent steenverlies aan het wegoppervlak. Het andere mechanisme, wat in het algemeen als een verouderings- of schademechanisme voor ZOAB wordt gezien, is stripping. Stripping betekent in dit kader het loslaten van de bitumenhuid om de steenkorrels, vooral onderin de ZOAB-laag waar de vochtbelasting het hoogst is. Echter, in de Nederlandse omstandigheden blijkt, met de hier toegepaste bouwstoffen, dat stripping niet het maatgevende schademechanisme is, maar juist rafeling. Rafeling is het loslaten van stenen uit het (ZOAB-)oppervlak. De hechtbruggen die de steenkorrels aan elkaar verbinden worden dan onder invloed van belasting verbroken en de steenkorrel komt los. Dit is het eindstadium van een proces, waarin verschillende factoren een rol spelen. Hierop wordt nader ingegaan bij het bespreken van het effect van de LVO middelen. De belangrijkste aandrijvende factor voor het rafelingsproces is de 2

3 verkeersbelasting. Dit is ook duidelijk waar te nemen: de rafeling treedt, afgezien van mechanische schades of naden, op in de rijsporen. Voor het simuleren van dit belastingspatroon in een testmachine, is het van belang om nader in te gaan op het optredende krachtenspel onder een autoband: Wanneer een autoband over een wegdek rolt, vindt een indrukking plaats van het loopvlak. Het loopvlak vervormd zodanig, dat een plat vlak ontstaat (het contactvlak) waarvan het oppervlak vermenigvuldigd met de bandenspanning evenwicht maakt met de wiellast. Om deze indrukking te bewerkstelligen zijn er aanzienlijke vervormingen van de autoband nodig. Niet alleen vervorming vanuit de ronde, onbelaste vorm naar het platte vlak, maar ook treden er gedurende dit vervormingsproces rekken op. De rekken ontwikkelen zich bij het raken van de band aan het wegdek en worden bij het loslaatpunt weer afgewikkeld. Wanneer de band het wegdek raakt ontstaat er een stilstaand contact tussen het rubber in het loopvlak van de band en de steenkorrels in het wegdek. Na het ontstaan van dit schuifvaste contact rolt de band verder en neemt de vervorming van het loopvlak loodrecht op de rijrichting eerst toe en vervolgens weer af. Dit heeft tot gevolg dat er horizontale schuifkrachten op de korrels in het wegoppervlak worden uitgeoefend. Deze schuifkrachten treden op in alle richtingen, vooral ook loodrecht op de rijrichting. De schuifkrachten veroorzaken trek/drukkrachten in de hechtbruggen tussen de steenkorrels. Door het herhaalde effect worden de bitumineuze hechtbruggen belast op vermoeiing. De vermoeiingsbelasting leidt langzamerhand tot inscheuring van de hechtbruggen en uiteindelijk tot breuk. De steen raakt los uit het oppervlak, wordt vervolgens weggereden en de rafeling is daarmee een feit. 3. De gewenste belastingconfiguratie van een rafelingstester Het doel van een rafeling-testmachine is om het optredende belastingsmechanisme in geconcentreerde vorm op te leggen aan een proefplaat, zodat het rafelingsproces in versnelde mate kan worden gesimuleerd. Dan kan in een korte beproevingstijd een indicatie worden verkregen van de duurzaamheid c.q. weerstand tegen rafeling van een te onderzoeken ZOAB mengsel. Hiervoor is het van groot belang om het hierboven beschreven belastingmechanisme zo goed mogelijk in de testmachine te simuleren. Deze gedachtelijn was destijds het uitgangsput voor het ontwerp van de Rotating Surface Abrasion Testmachine. De volgende componenten zijn aan de orde: - een rollend rubberwiel op een testplaat - een verticale contactdruk vergelijkbaar met een praktijk vrachtwagenband - horizontale schuifkrachten in alle richtingen - een beperkte contactvlakgrootte om ongewenste warmteontwikkeling te voorkomen - een bewegende plaat om een gelijkmatig verdeeld belastingpatroon te verkrijgen - een goed te doseren proces waarbij een beheerste, niet te snelle ontwikkeling van de rafeling optreedt Deze uitgangspunten hebben geleid tot de huidige configuratie in de RSAT testmachine: Een heen en weer rijdend rubber bandje met een bovenbelasting dat onder een hoek staat met de voortbewegingsrichting op een gedeeltelijk geblokkeerde en gedeeltelijk roterende proefplaat. 3

4 De hoek van het bandje en de bovenbelasting zijn zodanig afgeijkt, dat het schadebeeld wat optreedt na 24 uur belasten vergelijkbaar is met het schadebeeld van een ZOAB oppervlak aan het einde van de levensduur (ca. 10 jaar). Zie ook figuur 1. Figuur 1: Diverse visualisaties van de RSAT 4

5 4. De Rotating Surface Abrasion Test [RSAT] op boorkernen In de eerste jaren van het gebruik van de RSAT vond het onderzoek alleen plaats op proefplaten, welke in het laboratorium zijn vervaardigd. De honderden platen welke inmiddels zijn onderzocht hebben ertoe geleid dat er een referentie niveau is vastgesteld waaraan een nieuw ontworpen asfaltmengsel kan worden getoetst. Niet alleen voor standaard ZOAB 0/16, maar ook voor fijnere ZOAB mengsels, dunne geluidreducerende deklagen en verschillende SMA soorten. Daarnaast is de testmethode ook in gebruikt voor speciale betonverhardingen en in de laatste jaren ook frequent voor wegmarkeringen. Gaandeweg ontstond de behoefte om ook materiaal uit de praktijk te kunnen testen. Immers, daarmee kunnen ook de invloeden van weer en verkeer over meerdere jaren in het onderzoek worden betrokken. Nadeel hierbij is dat een proefstuk uit de praktijk minder goed is gedefinieerd. Het kan net een plek zijn met een mindere verdichting, een afwijkende samenstelling of een afwijkende belasting. Boorkernen echter kunnen wel genomen worden op plaatsen die visueel een representatief beeld geven. Derhalve is een RSAT plaatversie ontworpen die geschikt is voor boorkernen. In één RSAT plaat worden dan 3 boorkernen Ø150 mm ingebouwd. De boorkernen worden daarbij ingebouwd in een houten plaat met een dikte van 50 mm; zie ook Figuur 2. Figuur 2: RSAT-plaat met 3 ingebouwde te onderzoeken asfaltkernen Van groot belang is dat de bovenzijde van de boorkernen exact in het bovenvlak van de plaat liggen. Daartoe is een speciale inbouwmethode ontwikkeld: Eerst worden de boorkernen op z n kop op een vlakke ondergrond in de uitsparingen van de plaat gelegd. De overblijvende voeg rondom de kern wordt gedeeltelijk gevuld met fijn, droog zand. Daarboven wordt met een tweecomponentenlijm de voeg gevuld, zodat na uitharding de kernen zijn gefixeerd. Vervolgens wordt de plaat omgedraaid, het zand verwijderd en de rest van de voeg afgevuld. Op deze wijze kan de RSAT proef ongewijzigd worden doorgevoerd en is het belastingpatroon op de boorkernoppervlakken ongewijzigd. Met deze methode is inmiddels uitgebreid ervaring opgedaan en er worden goede resultaten mee verkregen. Deze onderzoeksmethode is ook gebruikt bij de beoordeling van het effect van de nieuwe LVO technieken op ZOAB. Daarover wordt in de volgende hoofdstukken gerapporteerd. 5

6 5. De gewenste effecten van LVO Maatregelen Met het Levensduurverlengend onderhoud op ZOAB wordt beoogd de degradatie van de hechtbruggen tussen de ZOAB korrels op te heffen. Naast het bovenbeschreven vermoeiingseffect ten gevolge van de verkeersbelasting en de haarscheuren die daardoor ontstaan, zijn er nog andere factoren die de hechtbruggen doen degraderen. Genoemd kunnen worden: - Initiële onvolkomenheden in de hechtbruggen De hechtbruggen worden gevormd tijdens het spreiden en verdichten van het ZOAB mengsel. Voor het vormen van een goede en sterke hechtbrug is het belangrijk dat bij de juiste temperatuur de stenen in het skelet gedrukt worden en een vloeiende hechtbrug ontstaat. Wanneer de verdichting bij te lage temperatuur plaatsvindt kunnen de hechtbruggen al bij aanleg inscheuren en er kan verbrijzeling optreden. Dit leidt tot een kortere levensduur van de hechtbrug. - Veroudering van het bindmiddel tijdens de gebruiksfase Door oxydatie tijdens de gebruiksduur van ZOAB treedt verharding en verbrossing van het bindmiddel op, zodat het elastisch vermogen om de verkeersbelasting op te nemen afneemt. Door de hoge porositeit, is het contact met zuurstof en UV vooral bovenin de ZOAB laag intensief. - Erosie van de hechtbrug tijdens de gebruiksfase Door de pompende werking onder een autoband van water en vuil in de poriën van het ZOAB bij regenval, treedt erosie van de hechtbruggen op. Vooral bovenin de ZOABlaag waar de stroomsnelheden het grootst zijn. De hechtbruggen slijten hierdoor af en worden dunner. - Aantasting door agressieve stoffen: olie van voertuigen, dooizouten Door het open karakter van ZOAB dringen aantastende stoffen makkelijk naar binnen en tasten daar de hechtbruggen aan. - Belasting door vorst-dooi cycli Vorst-dooi cycli oefenen, vooral als er water en vuil in de poriën aanwezig zijn, mechanische krachten uit op het ZOAB-skelet. Alle bovenbeschreven effecten tezamen zorgen ervoor dat de hechtbruggen na verloop van tijd dunner en brosser worden en derhalve gaan inscheuren. Een LVO maatregel beoogt deze fenomenen te vertragen of op te heffen. Dit kan in het algemeen door twee mechanismen: - Het aanbrengen van een verjongingsmiddel op of in de ZOAB. Door de inwerking van dit verjongingsmiddel op de bitumen in de hechtbruggen, wordt het brosse bitumen weer flexibel en worden de haarscheuren gedicht. - Het aanbrengen van extra bindmiddel op of in de ZOAB. Dit extra bindmiddel kan de afgesleten hechtbruggen aanvullen en opdikken en daardoor versterken. Ook zijn combinaties van deze mechanismen mogelijk. In de proefvakken die in het kader van het IPW in 2010 en 2011 op verschillende Rijkswegen zijn aangelegd, zijn steeds 3 soorten bindmiddelen gespoten, waarin bovengenoemde mechanismen een verschillende rol spelen. Ook is er verschil in de aanbrengtechniek. Bij één van de technieken wordt het middel extra ingeblazen met een Airjetmotor om het bindmiddel beter in de ZOAB structuur te brengen en te verdelen. 6

7 6. Resultaten RSAT onderzoek op boorkernen uit proefvakken Uit de LVO proefvakken op (Tweelaags) ZOAB van een aantal jaren oud, die in 2010 zijn aangelegd op verschillende Rijkswegen, zijn boorkernen (Ø150 mm) genomen waarop een groot scala onderzoeken zijn uitgevoerd. Zoals vermeld worden van verschillende onderzoeken verslag gedaan in verschillende papers voor de CROW-Infradagen In deze voorliggende paper wordt verslag gedaan van het RSAT onderzoek op de genomen boorkernen uit de proefvakken. Het betreft een proefvak met ZOAB 0/16+ op de A50 bij Beekbergen (westbaan) [aangelegd voorjaar 2011] en een proefvak met Tweelaags ZOAB 4/8 op de A73 bij Nijmegen (Oostbaan) [aangelegd medio 2011]. In de proefvakken zijn naast de testvakken met de drie verschillende technieken ook referentievakken voorzien. Door uit de testvakken alsook de referentievakken boorkernen te nemen kunnen de onderlinge effecten op de levensduur door middel van de RSAT methode worden onderzocht. Omdat de gepresenteerde onderzoeksresultaten in deze paper niet als doel hebben de LVO technieken onderling te vergelijken wordt onderstaand alleen de aanduiding referentie of behandeld weergegeven. De boorkernen uit eenzelfde deelvak zijn in paren van 3 stuks in de RSAT platen ingelijmd en beproefd. In figuur 3 zijn enkele voorbeeld RSAT platen uit het onderzoek afgebeeld. De locaties waar het steenverlies is ontstaan door de RSAT zijn wit gemarkeerd; de gerafelde stenen zijn apart weergegeven [linksonder op de foto]. Figuur 3: RSAT boorkerken ZOAB 0/16+ [links] en RSAT boorkernen Tweelaags ZOAB [rechts] In de tabellen 1 en 2 zijn de resultaten van de proeven weergegeven. De standaard beproevingsduur is 24 uur. De mate van rafeling tijdens de proef wordt weergegeven door het aantal grammen steenverlies. 7

8 Tabel 1 Rafelingsresultaten van RSAT-onderzoek op boorkernen uit proefvakken A50 RSAT onderzoek A50 op ZOAB 0/16+ Plaatnummers Steenverlies (g) na 24 uur RSAT 1 Referentieplaat 1,0 5 Referentieplaat 3,1 8 Referentieplaat 6,3 Gem. referentie 3,5 2 Behandeld 5,5 3 Behandeld 0,6 4 Behandeld 0,1 6 Behandeld 1,6 7 Behandeld 3,1 11 Behandeld 0,6 12 Behandeld 0,5 13 Behandeld 2,1 Gem. behandeld 1,8 Tabel 2 Rafelingsresultaten [inclusief verloop] van RSAT-onderzoek op boorkernen uit proefvakken A73 Plaatnummer RSAT onderzoek A73 op Tweelaags ZOAB Massa Massa Massa steenverlies (g) steenverlies (g) steenverlies (g) na 5 uur na 15 uur na 24 uur Gradiënt steenverlies [gram/uur] 1 Referentieplaat 57, ,4 4 Referentieplaat 17,7 64,5-4,3 6 Referentieplaat 7,5 20,5 22,8 1,0 Gem. referentie 27,4 42,5-5,6 2 behandeld 2,0 4,2 12,3 0,5 3 behandeld 7,5 34,5-2,4 5 behandeld 6,1 29,5 34,6 1,4 7 behandeld 2,3 8,2 28,5 1,2 8 behandeld 1,3 2,2 6,9 0,3 9 behandeld 2,8 10,8 29,5 1,2 Gem. behandeld 3,7 14,9 22,4 1,2 De standaard beproevingsduur is 24 uur. Alleen wanneer er bij een kortere belastingduur veel steenverlies optreedt wordt de beproeving soms eerder gestopt. De onvlakheden die dan ontstaan geven namelijk ook dynamische effecten waardoor het belastingspectrum verandert. Zoals in de bovenstaande tabel voor de A73 is te zien, is dit voor een aantal platen het geval geweest. Complicatie is dan, dat niet van alle platen de waarde na 24 uur beschikbaar is en een vergelijk dus niet goed kan worden gemaakt. Daarom is in de tabel op een aantal eerdere tijdstippen voor alle platen het steenverlies weergegeven, zodat op deze tijdstippen de vergelijking tussen meer platen gemaakt kan worden. Tevens is in de laatste kolom de gradiënt van de schadeontwikkeling weergegeven als het aantal grammen steenverlies per uur. Hierbij is dan uitgegaan van het laatst gemeten steenverlies gedeeld door het aantal uren dat de plaat is belast. 8

9 7. Conclusies Uit de tabellen zijn een aantal conclusies te trekken: 1. Het primaire mechanisme, waar de RSAT voor ontwikkeld is, werkt ook op boorkernen. Rafeling treedt hierbij op en is meetbaar. 2. De spreiding in de waarnemingen is groot. Dit zal deels worden veroorzaakt door plaatselijke kwaliteitsverschillen in het wegdek. Dat kan bij aanvang al zo zijn en dat kan nog toenemen door externe invloeden tijdens de levensduur. 3. Wanneer naar de gemiddelden gekeken wordt, is het positieve effect van de LVO behandelingen goed waarneembaar. Zowel voor het ZOAB 0/16+ mengsel van de A50 als voor de Tweelaags ZOAB van de A73 is er significant [tot circa 50%] minder rafeling na de behandeling. 4. Door de grote spreiding zijn er meer waarnemingen nodig om een betrouwbaar gemiddelde te verkrijgen. Over de lengte van een vak met een bepaalde LVO behandeling dienen daartoe meer kernen (12 á 15 stuks) te worden geboord welke dan per 3 stuks in de RSAT worden onderzocht. In het bovenstaande onderzoek zijn slechts circa 6 boorkernen per vak van een bepaald LVO systeem onderzocht. 8. Stellingen Naar aanleiding van het onderzoek neemt Breijn Wegbouwkunde de volgende stellingen in: 1. Het rafelingsmechanisme in ZOAB wordt veroorzaakt door met name horizontale schuifspanningen in het contactvlak band - wegdek, inclusief loodrecht op de rijrichting. 2. De horizontale schuifkrachten veroorzaken een vermoeiingseffect in de hechtbruggen tussen de steenkorrels in het ZOAB wegoppervlak. Hierdoor scheuren de hechtbruggen langzaam maar zeker in totdat er een breuk ontstaat. 3. In een rafelingstester moet dit vermoeiingseffect worden gesimuleerd, zodat het rafelingsproces op een gedoseerde wijze plaatsvindt in een niet te korte periode, zonder noemenswaardige warmteontwikkeling. 4. In de RSAT testmachine wordt in 24 uur beproevingstijd een schadebeeld verkregen dat vergelijkbaar is met de einde levensduur van een standaard ZOAB 0/ Het maken van platen in het laboratorium met een standaard verdichtingmethode geeft goed vergelijkbare en homogene platen welke bij het onderzoek in 3-voud een alleszins acceptabele spreiding oplevert. 6. De RSAT methode is ook toepasbaar op boorkernen; er worden dan 3 kernen Ø150mm in een RSAT plaat ingebouwd. Op deze wijze kan ook een verouderd en belast wegoppervlak op restlevensduur worden onderzocht. 7. In een wegoppervlak zijn plaatselijke kwaliteitsverschillen aanwezig door variaties in samenstelling, verdichting en belasting. Hierdoor treedt er in de RSAT testmethode voor boorkernen een grotere spreiding op in het rafelingsresultaat. Er moeten derhalve meer dan de standaard 3 platen (x 3 boorkernen) worden onderzocht. 8. Behandeling van een oud (Tweelaags)ZOAB oppervlak met de verschillende LVO technieken heeft een duidelijk waarneembaar effect op de restlevensduur, gemeten met de RSAT testmethode. 9

10 Literatuur 1. G.G. van Bochove (Heijmans Infrastructuur B.V.), Porous asphalt (two-layered) - optimising and testing, E&E congres 2000 Barcelona 2. S. Mangnus, (Ingenieursbureau van Kleef B.V), G. Akker (Ingenieursbureau Van Kleef B.V.), G.G. van Bochove (Heijmans Infrastructuur B.V.), Rotating Surface Abrasion Test, een methode om de bestandheid tegen rafeling en wringende krachten te meten, Wegbouwkundige Werkdagen J.M. Hartjes (Breijn BV, Wegbouwkunde), J.L.M. Voskuilen (Rijkswaterstaat, Dienst Verkeer en Scheepvaart), Classificatie van asfaltmengsels met behulp van de RSAT proef, Wegbouwkundige Werkdagen