Materiaaltypering is meer dan type testing

Transcriptie

1 Materiaaltypering is meer dan type testing ing. W. Gerritsen KOAC NPC BV ir. J.A. van Herpen KOAC NPC BV P. van der Bruggen KOAC NPC BV Samenvatting Ontwerpen van verhardingen binnen nieuwe contractvormen vereist van de beschikbare materialen niet alleen kennis van de constructieve eigenschappen en het verloop hiervan als gevolg van de belasting in de tijd, maar ook de eigenschappen van het wegoppervlak en het verloop hiervan in de tijd. Materiaaltypering houdt in, dat zowel de structurele als de wegoppervlakeigenschappen van een materiaal worden beschreven voor zijn toepassing. Voor de opdrachtnemer (ON) wordt met materiaaltypering onderbouwing van zijn ontwerpproces gefaciliteerd, voor de opdrachtgever (OG) wordt het vertrouwen in een aangeboden ontwerp eenvoudiger. Materiaaltypering is dus meer omvattend dan type testing in het kader van CE-markering. In deze bijdrage wordt de beoogde inhoud van materiaaltypering ter discussie voorgesteld. Trefwoorden Nieuwe contractvormen, risico s, ontwerpen, materialen, kwaliteitsborging, accreditatie

2 Inleiding Nieuwe contractvormen worden steeds meer toegepast in de wegenbouwpraktijk. Een goede gang van zaken, daar de Opdrachtgever (OG) zich hierin beperkt tot het inkopen van mobiliteit en taken en verantwoordelijkheden in het ontwerp- en productieproces worden gelegd bij de partij, die hier het meest voor geschikt lijkt: de Opdrachtnemer (ON). Deze zou immers het best in staat moeten zijn om te kiezen voor zijn voor de toepassing meest geschikte materialen en voor de meest efficiënte werkwijzen. De nieuwe wijze van het maken van afspraken geeft echter vooral nog onbeantwoorde op het punt van risico s en vertrouwen hebben in zowel structurele als functionele eigenschappen gedurende gewenste levensduren. Een van die vragen is welke eigenschappen in verhardingen toe te passen materialen hebben en hoe deze eigenschappen in de loop der tijd als gevolg van belasting door weer en verkeer veranderen. Tot voor kort werden deze zaken in paritair verband door het CROW-cluster Openbare Ruimte en Infrastructuur in werkgroepverband onderzocht. Nadat de resultaten na veelal jaren van onderzoek en monitoring van proefvakken bekend waren, werden door de betreffende werkgroep voorstellen gedaan voor regelgeving. Het CROW-cluster Infrabouwproces stelde vervolgens regelgeving op, die ter gebruik werd opgenomen in de Standaard RAW Bepalingen. Initiële eigenschappen en het verloop van deze eigenschappen in de tijd op proefvakken werden in gezamenlijkheid, overheid en bedrijfsleven, bepaald. Ook de sterke en zwakke kanten (bijvoorbeeld gevoeligheid voor weersomstandigheden) van materiaaltoepassingen werden op deze wijze publieke kennis en het vertrouwen in toepassingen kon worden gebaseerd op breed verspreide kennis, ervaring en inzicht. In de dagelijkse praktijk van goed huisvaderschap en beperking van risico-aansprakelijkheid werd vervolgens het verloop van eigenschappen in de tijd door wegbeheerders vastgesteld en werd deze kennis over het algemeen niet breed uitgedragen. Deze kennis kwam aanvankelijk dus niet terecht bij de aannemerij, maar met de komst van de nieuwe contractvormen is ook dit veranderd. Het bedrijfsleven wordt immers uitgedaagd om met nieuwe producten en werkwijzen te komen om de maatschappelijke vraagstelling (doorstroming, veiligheid en kwaliteit leefomgeving) zo goed mogelijk te beantwoorden. Dit impliceert, dat de ON kennis moet hebben van het gedrag van zijn materialen in de loop der tijd en deze kennis gestructureerd moet verzamelen. Meerdere ON s zijn ieder voor zich bezig met het opzetten van databases met gegevens over hun materialen. De nieuwe werkwijze lokt daarnaast vooral competitie tussen bedrijven onderling uit en weerhoudt gezamenlijke ontwikkelingen. Het niet-paritaire karakter van ontwikkelingen door de ON bemoeilijkt tevens acceptatie door en vertrouwen van de opdrachtgever. De OG heeft dan ook behoefte aan een goede beheersing van de met deze nieuwe werkwijze expliciet geworden risico s. De nieuwe contractvormen vereisen daarom goede afspraken over een eenduidige vastlegging van materiaaleigenschappen en het verloop hiervan in de tijd, met onderscheiden niveaus van validatie en kwaliteitsborging. Hierbij kunnen ook de databases van de ON s hun waarde bewijzen. In deze bijdrage wordt een voorzet gegeven voor een discussie over een manier om eigenschappen van materialen te beschrijven. Voor de discussie zijn aan het eind van de bijdrage stellingen verwoord. 2

3 Contractvormen Nieuwe contractvormen zijn er in verschillende uitvoeringen, die zich niet beperken tot variaties in aanduiding als Design & Construct (DC), DC & Guarantee (DCG) en DC & Maintain (DCM), en vooral onderscheidend zijn in toedeling van taken en risico s. In dit hoofdstuk wordt stilgestaan bij de eisen aan de resultaten van de verschillende taken en bij de beheersing en toedeling van de risico s. Design & Construct Bij een DC-contract worden eisen gesteld aan het ontwerp zelf en aan het uiteindelijke volgens ontwerp gerealiseerde fysieke product. Het ontwerp moet voldoen aan de gestelde eisen en dit moet worden onderbouwd door het beschrijven van - schadeprocessen en hoe hier in het ontwerp mee is omgegaan (structurele aspecten) - het gedrag of verloop van de wegoppervlakeigenschappen in de tijd. Op basis van deze informatie geeft de opdrachtnemer zelf aan, aan welke eisen het fysieke product moet voldoen direct bij oplevering of op een nader te definiëren tijdstip redelijk kort na openstelling voor het verkeer. De risico s na oplevering gaan over op de opdrachtgever, het is dus van belang dat de opdrachtgever deze risico s voldoende beheerst acht via het door de opdrachtnemer opgestelde en onderbouwde ontwerp en de kwaliteitsborging van de uitvoering. Design, Construct & Guarantee Indien de ontwerp- en de aanlegfase worden opgevolgd door een periode, waarin de opdrachtnemer garant moet staan voor eigenschappen, dan worden de hierboven bedoelde eisen uitgebreid met eisen, waaraan gedurende en bij afloop van de garantieperiode moet worden voldaan. De risico s in het voldoen aan eisen voor wegoppervlakeigenschappen worden voor een groot deel bij de opdrachtnemer zelf gelegd, daar de meest gehanteerde garantieperiode van zeven jaar veelal meer dan 50% van de levensduur van dergelijke eigenschappen omvat. De risico s in de structurele - en milieuaspecten (gebruikte grondstoffen) van de verhardingsconstructie gaan helemaal over op de opdrachtgever, daar levensduren hiervoor meestal meerdere decennia beslaan. Na de garantieperiode gaan alle risico s over op de opdrachtgever. Hij zal zich dan ook vooral moeten richten op de risicobeheersing van de structurele en milieuaspecten en de maatschappelijke risico s van vroegtijdig falen op bij de opdrachtnemer gelegde verantwoordelijkheden. Een punt van aandacht vormt de verantwoordelijkheid van het uitvoeren van dagelijks en levensduurverlengend onderhoud, indien deze niet is neergelegd bij de betreffende opdrachtnemer. Goed moet worden beschreven waarvoor de opdrachtnemer verantwoordelijk is en of de garantietoezegging afhankelijk is van het wel of niet uitvoeren van dit onderhoud. 3

4 Design, Construct & Maintain In afwijking met het DCG-contract zijn de opdrachtnemer van een DCM-contract ook de taak en verantwoordelijkheid toebedeeld van het meestal groot onderhoud tijdens een afgesproken periode. Deze periode is veelal langer, bijvoorbeeld vijftien of dertig jaar, dan de hiervoor genoemde garantietermijn van zeven jaar. Tijdens deze periode moet door de opdrachtnemer worden aangetoond, dat de weg of het wegennet aan de gestelde eisen voldoet. Daarnaast worden eisen gesteld, waaraan de weg of het wegennet aan het eind van de contractperiode moet voldoen. De risico s in het voldoen aan eisen voor wegoppervlakeigenschappen en structurele aspecten tijdens de contractperiode worden bij de opdrachtnemer gelegd. De risico s in de milieuaspecten (gebruikte grondstoffen) gaan veelal over op de opdrachtgever, daar levensduren hiervoor meestal meerdere decennia beslaan. Na de onderhoudsperiode gaan alle risico s over op de opdrachtgever. Hij zal zich dan ook vooral moeten richten op de risicobeheersing van de milieuaspecten na de contractperiode en de maatschappelijke risico s van falen op bij de opdrachtnemer gelegde verantwoordelijkheden tijdens de contractperiode. Een punt van aandacht vormt de verantwoordelijkheid van het uitvoeren van dagelijks en levensduurverlengend onderhoud, indien deze niet is neergelegd bij de betreffende opdrachtnemer. Goed moet worden beschreven wat wel en niet bij de uitbestede onderhoudstaak behoort en hoe e.e.a. functioneert in relatie tot de verantwoordelijkheid van de opdrachtnemer. Overzicht risico-eigenaars In onderstaande tabel is een overzicht gegeven van de risico-eigenaren in de betreffende contractvormen. Het bij de DC-vorm tussen haakjes vermelde risico betreft het risico van verborgen gebreken. Duidelijk is, dat de OG ook in de nieuwe contractvormen de grootste risico-eigenaar blijft en dus behoefte heeft aan inzicht en vertrouwen in hetgeen hem door de ON wordt aangeboden. Contractvorm Risico s OG Risico s ON WOE Constr. Mil. Maatsch WOE Constr. Mil. Maatsch. DC x x x x (x) DCG - x x x x DCM - - x x x x - - (WOE = WegOppervlakEigenschappen) Ontwerpen Een verharding is in principe een vlakke ruwe plaat. Vlak voor een zo goed mogelijk comfort voor de gebruiker (trillingen) en beperking van hinder (trilling) voor de omgeving. Ruw voor veiligheid (stroefheid), comfort (zicht tijdens regen en zichtbaarheid) en beperking van hinder voor de omgeving (geluid en fijne deeltjes). Het zou voor de hand liggen om verhardingen te ontwerpen op duurzame vlakheid en ruwheid. De meeste toegepaste ontwerpmethoden gaan er 4

5 echter alleen maar van uit, dat de vlakke plaat binnen de ontwerplevensduur zijn vlakke vorm moet behouden of in dwarsprofiel beperkt mag vervormen en niet of beperkt mag scheuren. De met deze veranderingen samenhangende schadevormen zijn slechts beperkt gerelateerd aan wegoppervlakeigenschappen, die juist zo belangrijk zijn voor gebruiker en omgeving. In de tot voor kort gehanteerde contracten was dit niet zo n probleem, omdat de OG zelf de constructie en het type wegoppervlak voorschreef en de ON alleen verantwoordelijk was voor de kwaliteit van de uitvoering van het werk. Daarnaast kon alleen de OG door gebruiker en/of omgeving worden aangesproken op eventueel disfunctionerende wegdekken. Zijn verantwoordelijkheden zijn vastgelegd in de Wegenwet en de risico-aansprakelijkheid in het NBW (Nieuw Burgerlijk Wetboek). De ON staat hier helemaal buiten. De bedoeling van de nieuwe contractvormen is weliswaar dat e.e.a. verandert, de OG zal echter altijd aanspreekpunt blijven voor de gebruiker en omgeving, daar de ON alleen een relatie aangaat met de OG en niet met andere (rechts)-personen. Het is dus van groot belang, dat de OG goed geïnformeerd is over de eigenschappen van een door de ON aangeboden ontwerp voor een verharding en de inspanningen, die in de loop der tijd nodig zijn om de eigenschappen blijvend te laten voldoen aan de gestelde eisen. Dit gaat dus verder dan de tot nu toe gehanteerde wijze van ontwerpen van verhardingen. Ontwerpen moet dan ook op vorm en behoud van vorm, waarbij deze vorm niet is beperkt tot dwarsvlakheid, maar ook langsvlakheid, stroefheid, textuur en porositeit meeneemt. Ontwerpmethoden Constructie De huidige toegepaste ontwerpmethoden zijn gebaseerd op (visco-)elastische meerlagenmodellen of eindige-elementenmodellen. Voor het maken van de sommen zijn bulkeigenschappen van materialen nodig als stijfheid en vervormbaarheid, en daarnaast laagdikten en draagkracht van de ondergrond. Als resultaat wordt een laagopbouw verkregen van diverse materialen met een prognose van de dwarsonvlakheid, als resultante van vervormingen van de ondergrond en eventueel in de constructielagen zelf, en een prognose van de scheurvorming aan het eind van de ontwerplevensduur. De dwarsvlakheid wordt dus als enige wegoppervlakeigenschap meegenomen in het constructieve ontwerp. Wegoppervlakeigenschappen De wegoppervlakeigenschappen en het verloop hiervan in de tijd werden en worden beperkt in het ontwerpproces betrokken. De keuze van het type wegdek door de OG werd vooral ingegeven door opgedane ervaringen met de structurele levensduur van de deklaag (rafeling) en niet zozeer door de betekenis, die een type wegdek voor gebruiker en omgeving zou hebben. Sinds begin jaren 90 van de vorige eeuw zijn vooral vanuit de kant van de ON samen met onderzoeksbureaus en later ook door CROW eerste schreden gezet op het gebied van het ontwerpen van wegoppervlakeigenschappen. Deze betreffen tot op heden de prognose van intrinsieke eigenschappen als textuur en holle ruimte bij een gegeven mengselsamenstelling en nog zeer beperkt de interactie 5

6 tussen deze wegoppervlakeigenschappen en het voertuig ter bepaling van een functionele eigenschappen als geluidemissie. Voorlopig zullen de prestaties en de levensduur van het wegdek in het ontwerp daarom worden ingevuld op basis van ervaringen van OG s en ON s en reeksen meetdata, zoals die bekend zijn bij ON s en partijen, die deze metingen uitvoeren. Integraal ontwerp Het nieuwe ontwerpen betrekt de ondergrond ((on)gelijkmatig zettinggedrag), de constructie (stijfheids- en scheurgedrag) en het wegoppervlak (gedrag functionele eigenschappen) integraal om te komen tot een ontwerp, dat het best beantwoord aan de vraagstelling van doorstroming, veiligheid en kwaliteit leefomgeving (incl. milieu) tegen de beste prijs (EMVI = Economisch Meest Voordelige Inschrijving). Om de OG vertrouwen te geven in het ontwerp en de hierin toegepaste materialen, is het nodig om de eigenschappen van deze materialen eenduidig te beschrijven en goed te onderbouwen. Dit wordt in deze bijdrage als Materiaaltypering voorgesteld. Materiaaltoepassingen Om de keuze in voor een toepassing geschikte materialen makkelijker te maken, wordt voorgesteld materialen te onderscheiden naar hun functie of positie - wegdek - dragende constructie - fundering - zandbed - ophoging/ondergrond In deze bijdrage worden alleen de (gebonden) materialen voor wegdek en dragende constructie besproken. Materiaaltypering Wegdek Voor materialen, die als wegdek worden toegepast, zijn de volgende eigenschappen van belang - wegoppervlakeigenschap - geluidreductie zoals bepaald met de SPB-proef, en het verloop hiervan als gevolg van rafeling, dicht rijden en/of vervuiling van het wegdek - natte stroefheid zoals bepaald met de RAW-proef 150, en het verloop hiervan in de tijd als gevolg van rafeling, dicht rijden en polijsting van het wegdek 6

7 - droge remvertraging zoals bepaald met de remproef, en de duur van de periode tot het bereiken van grens, waarbij de attentieborden verwijderd kunnen worden - macrotextuur (inclusief de homogeniteit) zoals bepaald met de textuurlaser, en het verloop hiervan in de tijd als gevolg van rafeling, dicht rijden en vervuiling van het wegdek - waterdoorlatendheid (inclusief het vereiste reinigingsregime) zoals bepaald met de drainometer, en het verloop hiervan in de tijd als gevolg van vervuiling van het wegdek - initiële kwaliteit - verwerkbaarheid van het mengsel (gevoeligheid voor verwerking bij lagere temperaturen, voor het open trekken door de afwerkbalk en/of voor ontmenging) via laboratoriumproeven - lange duur kwaliteit - rafelingweerstand zoals bijvoorbeeld bepaald met de RSAT-proef in samenhang met veroudering en verwerkbaarheid - weerstand tegen dichtrijden door overvulling en/of mengselinstabiliteit zoals bijvoorbeeld bepaald met samenstellingonderzoek en de uni- en/of tri-axiaalproef - polijstweerstand zoals bepaald via de Polijstproef (aggregaat)of de Wehner/ Schulze opstelling (mengsels). Voor de meeste van de hiervoor genoemde eigenschappen worden in situ meetmethoden gegeven, voor de laatste vier laboratoriumproeven. Het verschil wordt veroorzaakt doordat de laatste vier specie-eigenschappen zijn en de eerst genoemde eigenschappen zijn, die zijn verkregen na verwerking van de specie. Het is mogelijk een aantal hierboven als in situ bepaalde eigenschappen ook via laboratoriumonderzoek te bepalen. Hierbij is het echter een groot probleem, dat de textuur van in het laboratorium bereide mengsels meestal erg veel afwijkt van in het werk verkregen texturen. Het gedrag van de eigenschappen in de tijd zal voor reeds langer toegepaste materialen kunnen worden afgeleid uit de ervaringen van wegbeheerders en de databanken van ON s en van geaccrediteerde meetinstanties. Voor recent ontwikkelde en reeds toegepaste materialen kan dit via het meten van de huidige eigenschappen en extrapolatie via onafhankelijke expertise. Voor nieuw te ontwikkelen materialen zal e.e.a. mogelijk zijn via combinatie van laboratoriumonderzoek en onafhankelijke expertise als tenminste aandacht wordt gegeven aan de verschillen tussen in situ en in het laboratorium verkregen texturen (de invloed van de verwerking op het uiteindelijke resultaat). Voor nieuw te ontwikkelen materialen wordt door het Innovatie Test Centrum van Rijkswaterstaat een methodiek gehanteerd, waarbij een innovatief materiaal eerst door een groep deskundigen wordt beoordeeld op haalbaarheid en indien positief beoordeeld achtereenvolgens in het laboratorium en in een proefvak wordt getest. Dragende constructie Voor materialen, die worden toegepast in dragende constructielagen zijn de volgende eigenschappen van belang - buigstijfheidsgedrag zoals bepaald via de 4-punts buigproef - vervormingsgedrag zoals bepaald via de dynamische uni- en tri-axiaalproef 7

8 - scheurgroeigedrag zoals bijvoorbeeld bepaald via de SCB-proef - invloed van veroudering op bovengenoemde eigenschappen In de meeste eigenschappen wordt het verloop in de tijd/verkeersbelasting meegenomen in het aantal malen belasten. De combinatie hiervan met de veroudering wordt meestal niet in de beschouwing betrokken, omdat de betreffende materialen alle afgedekt worden door een deklaag. Alleen in het geval van een poreuze deklaag zou dit mogelijk wel nodig zijn. De verschillen tussen uit het werk genomen monsters en in het laboratorium bereide monsters zijn voor deze eigenschappen minder groot dan dit het geval is bij wegdekmaterialen. Validatie en kwaliteitsborging eigenschappen In het voorgaande wordt reeds gesproken over geaccrediteerde verrichtingen, onafhankelijke expertise en fabrikant-en. Het zal duidelijk zijn, dat het vertrouwen van een OG in de in een Materiaaltypering beschreven eigenschappen toeneemt naarmate de kwaliteit van de informatie beter geborgd is door onafhankelijke waarneming. De mate van kwaliteitsborging moet dan ook tot uiting komen in de door de ON geleverde informatie. Het zelfde geldt voor de validatie van de eigenschappen. Als ze alleen gestoeld zijn op laboratoriumproeven en er nog geen praktijkervaringen mee zijn opgedaan, zal het vertrouwen minder groot zijn dan wanneer het materiaal met geborgd succes al 10 jaar wordt toegepast. Ook de mate van deze validatie zal door de ON in de informatie moeten worden beschreven. Voor nieuwe materialen houdt e.e.a. in, dat meer moeite moet worden gedaan om eigenschappen te valideren dan voor reeds langer toegepaste materialen. Dit maakt het voor nieuwe materialen weliswaar iets moeilijker, maar ze zullen over het algemeen positievere eigenschappen hebben dan de bestaande materialen, die het op sommige aspecten laten afweten. Maar het moet voor de OG wel duidelijk zijn welke risico s er spelen en hoe die het best toegedeeld en beheerst kunnen worden. Format Materiaaltypering Voor wegdekmaterialen zou de informatie als volgt in een format kunnen worden weergegeven. Ter verduidelijking is het format gedeeltelijk ingevuld voor een (voorbeeld) materiaal. Per eigenschap is de mate van validatie in horizontale richting weergegeven en de mate van kwaliteitsborging in verticale richting. 8

9 Materiaalaanduiding Redugrip Datum opstelling/ laatste mutatie/ door wie Jaar van introductie 2000 Producent AMI Apeldoorn Leverancier Ver. Bedrijven Toepassing Wegdek VP/FP V < 50 V V Eigenschappen - geluidreductie (db(a)) Prestatie 90% LMV, 80 km/u V > 100 km/u Validatie Labonderzoek Proefvakken /WGe Aantal wegvakken (stuks) per ouderdom in jaren < >12 initieel na 2 jaar - natte stroefheid (f/f) voor openstelling 2-6 wkn 0,5 jaar 1 jaar 2-3 jaar 4-7 jaar 8-12 jaar - droge remvertraging (m/s²) 4,5 db(a) 3,5 db(a) f50 > 0,40 0,40-0,48 0,45-0,55 0,50-0,60 0,50-0,55 (0,45-0,50) (0,35-0,45) a-gemidd. (m/s²) x

10 voor openstell. mnd tot 6,5 m/s² - macrotextuur (MPD, RMS en homogeniteit) initieel 1 jaar 2-3 jaar 4-7 jaar 8-12 jaar - waterdoorlatendheid (sec., drainometer) initieel 1 jaar 3 jaar 4-7 jaar 8-12 jaar - verwerkbaarheid - weerstand tegen rafeling 5,

11 - weerstand tegen dichtrijden - weerstand polijsting Voor de materialen, die in verband met hun dragende functie in verhardingsconstructies worden toegepast kan e.e.a. op analoge wijze worden ingevuld. Tot slot Het moge duidelijk zijn, dat Materiaaltypering niet een vervanger is van kwaliteitsborging van het ontwerpproces en het aanlegproces. Materiaaltypering dient er voor het ontwerpproces van de ON te faciliteren en de risico s van bepaalde keuzen voor zowel ON als OG te verduidelijken. Van belang is daarbij duidelijk te maken hoeveel ervaring er reeds met een materiaal is en hoe de kwaliteit van de waarnemingen is geborgd. Stellingen 1 Het huidige ontwerpen van verhardingen betreft alleen sommen ter beperking van vervorming in het middellange golflengtegebied. De langere golven (ondergrond) en kortere golven (textuur wegdek) krijgen onvoldoende aandacht. 2 Door de integrale aanpak worden de risico s van verschillende ontwerpen voor de ON duidelijker en hij zal daardoor beter in staat zijn een definitieve keuze te maken 3 Door toepassing van Materiaaltypering worden ontwerpen beter en kunnen deze door de OG beter worden beoordeeld op kwaliteit, betrouwbaarheid en risico s. 11