DE MSCR TEST, EEN NIEUWE BINDMIDDEL TESTS VOOR SPOORVORMING?

Transcriptie

1 DE MSCR TEST, EEN NIEUWE BINDMIDDEL TESTS VOOR SPOORVORMING? Dr. HILDE SOENEN, MARIANNE DE KEYSER, GEERT LEMOINE, SERGE HEYRMAN NYNAS NV Summary De MSCR "Multiple Stress Creep Recovery" test is recent ontwikkeld als een snelle en gebruiksvriendelijke bitumenspecificatie test voor spoorvorming. De meeste commerciële rheometers zouden in staat moeten zijn om deze test uit te voeren. Deze test kan gebruikt worden voor niet- alsook voor polymeer gemodificeerd bitumen. In deze test wordt een specimen belast in verschillende cycli: Eerst worden cycli uitgevoerd bij een lage belasting (Pa), waarbij het proefstuk telkens 1 seconde belast wordt en vervolgens 9 seconden onbelast gelaten wordt om te recupereren, daarna worden dezelfde cycli opnieuw uitgevoerd maar bij een hogere belasting (3Pa). In deze bijdrage werden verschillende bindmiddelen gemeten bij C. In een eerste fase wordt nagegaan in welke mate deze test polymeer modificaties kan onderscheiden, en hoe de vorm van de gemeten curves verandert met de eigenschappen van het bindmiddel. Naast MSCR testen worden ook standaard oscillatie metingen geëvalueerd. In een tweede fase werden overeenkomstige asfaltmengsels onderzocht in de wielspoorproef. Le nouvel essai MSCR "Multiple Stress Creep Recovery" a été récemment mis au point pour mesurer la contribution des liants bitumineux à la résistance à l orniérage. La plupart des rhéomètres à cisaillement dynamique actuellement disponibles sur le marché, devraient être capables d exécuter ce test. Et ce test peut être appliqué aussi bien aux liants purs qu aux liants modifiés. Dans le test MSCR, on applique au liant une charge de 1 seconde suivie par une recouvrance de 9 secondes. Cette séquence est répétée pendant cycles à un niveau de contrainte de Pa, et après cette séquence est répétée pendant autres cycles à un niveau de contrainte plus élevé de 3Pa. Dans cette étude plusieurs liants ont été évalués à une température de C. Dans une première phase de ce projet, l objectif est d évaluer si ce test peut identifier la présence d un réseau de polymère dans un liant bitumineux, et d observer quel est l influence sur les mesures MSCR. Les mesures d oscillations plus classiques sont également évaluées. Dans une deuxième phase, les enrobés correspondants ont été étudiés en utilisant des essais d orniérage.

2 1 Inleiding Spoorvorming is een beschadiging aan de weg, veroorzaakt door zware vrachtauto's, waarbij diepe sporen in het asfalt ontstaan. Bij spoorvorming maken we onderscheid in primaire (enkel in de asfaltconstructie) en secundaire spoorvorming (ook in de dieper gelegen lagen). Verschillende factoren kunnen verantwoordelijk zijn voor spoorvorming in de asfaltlagen: uitwendige factoren, zoals de verkeersbelasting, de snelheid van het verkeer en het klimaat, of factoren gerelateerd aan de asfaltverharding, zoals ondermeer het type mengsel, de hoekigheid van de gebruikte aggregaten, de verdichtingsgraad, het bindmiddelgehalte, en in zekere mate ook de aard van het bindmiddel. Om deze laatste factor zo goed mogelijk te controleren heeft Nynas onderzoek verricht naar bindmiddeleigenschappen die gerelateerd zijn met spoorvorming. Uiteraard blijven, zelfs bij een zeer resistent bindmiddel, de factoren gerelateerd aan het asfalt (type mengsel, aard van de aggregaten) van groot belang. Waarom een nieuwe test? In 199 werd met de introductie van de SHRP parameters (strategic Highway Research Programm) (ref.1) de parameter G*/sin(delta) bij rad/s ingevoerd. Maar, verschillende onderzoeken hebben sindsdien aangetoond dat deze factor niet geschikt is voor gemodificeerde bindmiddelen, en voor langzaam verkeer. In 1 (ref.) werd een nieuwe test voorgesteld: de repeated creep recovery test of de herhaalde kruip en terugveringstest, om het gedrag van PMBs beter te voorspellen. De test condities van deze herhaalde kruip test zijn ondertussen verder geoptimaliseerd, het aantal belastingen, de mate van belasting en de tijden voor kruip en recovery werden vastgelegd in een ASTM norm (ref.3). Deze nieuwe test zou het elastische gedrag van PMBs beter in rekening brengen en, door te meten bij een lage en een hoge belasting, geeft deze test ook een idee over de gevoeligheid van bindmiddelen voor de mate van belasting. Het eerste doel van deze studie is om deze nieuwe test, de MSCR, te evalueren voor verschillende bindmiddelen. Daarnaast is het ook de bedoeling om de MSCR test te vergelijken met bestaande prestatietesten, en om de relatie met de wielspoorproef na te gaan. Een dicht asfaltbeton werd onderzocht, waarbij enkel de aard van het bindmiddel gevarieerd werd. Zowel niet- als hoog gemodificeerde bindmiddelen werden gebruikt. De wielspoorproef werd uitgevoerd bij C, zoals voorzien in SB. De meeste bindmiddel testen werden ook bij C uitgevoerd om een zo goed mogelijke vergelijking met de wielspoorproef te bekomen. Experimenteel (ref.1) Anderson, D. A. (199). Binder characterization and evaluation, Vol. 3: Physical characterization. Rep. SHRP-A-369, Strategic Highway Research Program, National Research Council, Washington, DC. (ref.) Bahia H., Hanson D. (1). NCHRP Report 9, Characterization of modified asphalt bitumens in Superpave Mix Design, National Academy Press, Washington DC. (ref.3) ASTM D7-a (). Standard Test Method for Multiple Stress Creep and Recovery of Asphalt Binder using a Dynamic Shear Rheometer.

3 Tabel 1 geeft een overzicht van de gebruikte bindmiddelen weer. De reologische eigenschappen werden gemeten met een MCR reometer van Anton Paar. Alle bindmiddeltesten werden uitgevoerd op niet-verouderd bitumen. Het asfaltmengsel, type AB-C volgens SB, een mengsel voor toplagen geschikt voor de hogere bouwklasse s (B-B-B6-B7), werd opgesteld via de PradoWin software van OCW. De mengselsamenstelling is weergegeven in tabel. De asfaltmengsels werden verdicht met een plaatverdichter volgens EN :3, heavy compaction. De dimensies van de slabs waren cm in lengte, 18 cm in breedte en cm in hoogte. De wielspoorproeven werden uitgevoerd volgens EN (large device) : bij C,telkens in twee repeats. Voor één van de bindmiddelen (KB7) werden geen wielspoorproeven uitgevoerd. Bindmiddel EN Code Pen. C (1/dmm) R&K Nypave 1 / Geen Nypave 6 /7 6 7 Geen Nypave 8 7/ 3 81 Geen Nypol 7 /- 8 Gemodificeerd Nypol 68 /8-6 Gemodificeerd Nypol 6 / Gemodificeerd KB7 (niet comm.) Gemodificeerd Nypave PX Gemodificeerd Nynas Endura Z / Gemodificeerd Nynas Endura Z /-8 9 Gemodificeerd Tabel 1: Overzicht van de gebruikte bindmiddelen met hun typische waarden. ( C) Modificatie Type Massa (%) Aggregaat Porfier 6.3/ 17% Aggregaat Porfier / % Aggregaat Porfier / 3.% Zand Porfierbreekzand / 1.% Zand Natuurzand 13.8% Filler Duras filler type II 7% Bitumen gehalte (op aggregaten) 6. Tabel : Compositie van het asfalt mengsel.

4 3.1 Bindmiddel testen In de MSCR test, wordt een specimen belast in verschillende cycli: eerst worden cycli uitgevoerd bij een lage belasting (Pa), waarbij het proefstuk telkens 1s belast wordt en vervolgens 9s onbelast gelaten wordt om te recupereren; daarna worden dezelfde cycli opnieuw uitgevoerd maar bij een hogere belasting (3Pa). Dit is de procedure volgens de ASTM norm (ref.3), in de Duitse test procedure (Ak 7..1.) zijn er bv. bijkomend cycli bij 16Pa. In figuur 1 en zijn enkele voorbeelden weergegeven. Vervorming % Binder 1 Binder Binder 3 cycli bij lage spanning cycli bij hoge spanning Tijd, s Fig. 1: Voorbeelden van de MSCR test voor niet gemodificeerde bindmiddelen. Vervorming % 1 Binder 1 Binder Binder Tijd, s Fig. : Voorbeelden van de MSCR test voor gemodificeerde bindmiddelen. (de schaal is verschillend in fig.1 en in fig.) In figuur 1 is de overgang van cycli gemeten bij lage en bij hoge spanning aangeduid. Het is duidelijk dat de vervorming veel groter wordt als de spanning stijgt. In figuur 1 is ook te zien dat de vervorming praktisch niet verandert tijdens onbelaste periodes, wat resulteert in een (ref.3) ASTM D7-a (). Standard Test Method for Multiple Stress Creep and Recovery of Asphalt Binder using a Dynamic Shear Rheometer.

5 trapvorminge curve: Het steile gedeelte van de trap komt overeen met een periode van belasting, de vlakke gedeeltes komen overeen met onbelaste periodes. Voor zachtere bitumen is de trap, of de vervorming tijdens belasting, groter wat resulteert in een grotere eindvervorming (= de vervorming na cycli). In figuur, de gemodificeerde bindmiddelen, is de overgang van cycli gemeten bij lage en hoge spanning ook duidelijk te zien. Maar nu zien we dat er tijdens onbelaste perioden, een aanzienlijke terugvering optreedt, waarbij de vervorming weer afneemt, wat resulteert in een meer piekvormige curve. Bijgevolg vertonen de gemodificeerde bitumina een veel lagere totale vervorming in vergelijking met nietgemodificeerde bitumina van vergelijkbare pen-klasse. Volgens de Amerikaanse methode (de ASTM norm) moet het percentage terugvering berekend worden aan de hand van de vorm van de curve, alsook het deel dat niet terugveert. In deze bijdrage worden deze tijdrovende berekeningen niet weergegeven hiervoor verwijzen we de lezer graag naar andere referenties (ref.). De parameter die we gebruiken om de gegevens van deze nieuwe test te vergelijken met wielspoorproeven is simpelweg de eindvervorming. Dit is de volledige vervorming die opgetreden is na het toepassen van deze cycli. Andere parameters die in deze studie zullen geëvalueerd worden zijn samengevat: De SHRP parameter, dit is G*/sin(δ) bij rad/s, gemeten bij C De SHRP temperatuur, dit is de temperatuur waarbij de SHRP parameter een waarde van 1kPa bereikt De SHRP parameter, G*/sin(δ), opnieuw gemeten bij C, maar bij een veel langere belastingstijd of bij een veel lagere frequentie van.1hz. Deze parameter werd in een vroeger gemeenschappelijke project tussen OCW en Nynas, aanzien als een goede prestatieparameter voor spoorvorming. 3. Spoorvorming In figuur 3 en zijn de resultaten van de wielspoorproeven weergegeven voor het onderzochte asfaltmengsel AB-C. Figuur 3 toont wielspoorproeven voor asfaltmengsels bereid met niet-gemodificeerd bitumen, terwijl in figuur de mengsels met gemodificeerde bitumina zijn weergegeven. Voor de niet-gemodificeerde mengsels voldoen de twee hardere bitumina (/ en /7) aan de vereiste volgens SB waarbij de spoorvorming niet groter mag zijn dan % na 3 cycli voor een bouwklasse of. De gemodificeerde mengsels vallen allemaal duidelijk binnen deze limietwaarde voor spoorvorming. Zelfs de mengsels met een bindmiddel uit eenzelfde penetratiecategorie als 7/, maar met modificatie, presteren veel beter. Deze gemodificeerde bindmiddelen behouden de voordelen van een zachter bitumen (met name goede lage temperatuurseigenschappen en (ref.) Soenen H., Blomberg T., Pellinen T., Laukkanen O. The Multiple Stress Creep Recovery Test: A Detailed Analysis of Repeatability and Reproducibility, paper accepted for EATA 13.

6 behoud van adhesie bij lage temperatuur), zonder de nadelen (spoorvorming) bij hoge temperatuur. Spoordiepte (%) mix 1 mix mix Aantal wielovergangen Fig. 3: Spoorvormingstesten van niet gemodificeerde bindmiddelen. Spoordiepte (%) mix mix mix 6 mix 8 mix 9 mix 3 6 Aantal wielovergangen Fig. : Spoorvormingstesten van gemodificeerde bindmiddelen. 3.3 Relaties tussen spoorvorming en bindmiddel testen Relaties tussen bindmiddeltesten en spoorvorming werden onderzocht. Mix 3, die het bitumen 7/ bevat, en die al na cycli een spoordiepte van 1% liet optekenen, is niet in deze figuren opgenomen. Voor KB7 zijn geen wielspoorproeven gemeten, en uiteindelijk is ook het mengsel met Nypave PX niet in de relaties meegenomen, omdat dit voor alle onderzochte parameters afwijkende resultaten gaf. Voor dit mengsel zijn bijkomende proeven nodig.

7 In figuur zijn verschillende binder parameters versus spoordiepte bij cycli onderzocht: Figuur A geeft de SHRP parameter, gemeten bij C en bij rad/s, weer tegenover de spoordiepte na wielovergangen. Hier is wel een trend waarneembaar, lagere waardes voor deze parameter leiden tot meer spoorvorming, maar de correlatie coëfficient is maar.63. In figuur B is de nieuwe MSCR eindvervorming t.o.v. spoordiepte uitgezet, en deze curve blijkt een heel hoge correlatie coëfficient te bezitten, er is dus een heel sterke relatie tussen beide parameters. Bij heel lage spoorvorming, of bij lage eindvervormingen in de MSCR test, is een kleine scatter waarneembaar, wat erop duidt dat de voorspellende kracht van deze parameter iets afneemt als de weerstand tegen vervorming heel hoog is. In figuur C tenslotte, is de SHRP parameter gemeten bij een lage frequentie weergegeven. Deze parameter geeft een betere correlatie in vergelijking met de standard SHRP parameter, maar niet zo hoog als voor de MSCR parameter. In tabel 3, zijn alle onderzochte correlatie coëfficienten nog eens samengvat. Hieruit blijkt, zoals verwacht, dat ook de R&K temperatuur geen goede predictor is voor spoorvorming.

8 6 log (G*/sin(d)) rad/s 3 Figuur A R² =,63 SHRP-parameter, rad/s 6 8 Spoordiepte (%) Vervorming (%) 3 1 vervorming - na MSCR test R² =,9 6 8 Figuur B Spoordiepte (%) SHRP-paramter bij.1hz 3 R² =, Figuur C Spoordiepte (%) log(g*/sin(δ)).1hz Fig. : Correlaties tussen verschillende bindmiddelparameters en spoordieptes van de asfaltmengsels na cycli.

9 Eigenschap Correlatie coëfficient met spoordiepte na cycli R&K ( C).7 SHRP parameter, rad/s, C.63 SHRP temperatuur ( C).71 SHRP parameter,.1hz, C.81 MSCR vervorming aan het einde van de test.9 Tabel 3: Correlatie coëfficienten van verschillende bitumen parameters met spoordiepte Besluiten De conclusies van deze studie zijn samengevat: De MSCR test is een veelbelovende parameter om spoorvorming te wijten aan veranderingen in het bindmiddel te voorspellen. Voor de bindmiddelen onderzocht in deze studie was de correlatie met spoorvorming heel hoog. Deze test is simpel en neemt niet veel tijd in beslag. De tijdrovende berekeningen zoals voorgesteld in de norm blijken niet nodig, de vervorming aan het einde van deze test, die direct afleesbaar is van de reometer, blijkt een goede en simpele manier om deze test te interpreteren. De MSCR test geeft duidelijke verschillen weer tussen niet en wel gemodificeerde bitumina. Gemodificeerde bitumina vertonen tijdens onbelaste periodes een aanzienlijke terugvering. De SHRP parameter gemeten bij dezelfde temperatuur als de spoorvorming, maar uitgevoerd bij een lagere frequentie van.1hz blijft ook nog overeind als predictor, maar is iets minder goed in vergelijking met de MSCR parameter. De standard SHRP parameter, bij rad/s blijkt ook nu weer geen goede predictor voor spoorvorming, evenals de R&K temperatuur. Deze studie toont aan dat de MSCR test een zeer goed relatie vertoont tussen eigenschappen van het bindmiddel en spoorvorming, gemeten in de wielspoorproef, voor één mengselsamenstelling. Wat in deze studie niet onderzocht werd, maar wat uiteraard ook belangrijk blijft, is de vraag hoe goed de wielspoorproef op zijn beurt spoorvorming in de weg benadert. Indien op de weg, de belastingstijden, of de temperaturen van het wegdek afwijken van wat gebruikt wordt in de wielspoorproef, dan zullen deze parameters waarschijnlijk ook aangepast moeten worden in een bindmiddeltest. Dit zou uiteindelijk kunnen resulteren in een bindmiddeltest met verschillende belastingen en belastingstijden naargelang de aard van het verkeer en zijn verwachte snelheid. Om de exacte test condities voor een Europese MSCR test vast te leggen is nog meer onderzoek gewenst.