Kenmerken van vulstoffen: opvolging tijdens de productie met het oog op aanvullende prestatie-eisen

Transcriptie

1 Kenmerken van vulstoffen: opvolging tijdens de productie met het oog op aanvullende prestatie-eisen S.O. Vansteenkiste A.F.P. Verhasselt Opzoekingscentrum voor de Wegenbouw (OCW), Brussel Samenvatting Deze bijdrage handelt over een studie, uitgevoerd in het kader van de OCW-werkgroep 'Eigenschappen van vulstoffen', waarbij een reeks kenmerken van vulstoffen gedurende een productieperiode van ongeveer 2 maand werden bepaald. In een eerste fase werd het verloop van 'klassieke' kenmerken zoals korrelverdeling, volumieke massa of bitumengetal, waaraan momenteel eisen zijn verbonden, onderzocht. Additioneel, werden enkele karakteristieken van vulstof-bitumen mengsels of mastieken, zoals de verhoging van de verwekingstemperatuur Ring & Kogel en de viscositeit, geëvalueerd. Er wordt immers vooropgesteld dat deze mastiekeigenschappen een aanduiding kunnen geven van de prestatie van de vulstof in een asfaltmengsel. Vervolgens werd uitvoerig aandacht besteed aan de invloed van de vulstofkarakteristieken op de prestatie-eigenschappen van asfaltmengsels. Deze evaluatie omvatte in de eerste plaats de bepaling van het mechanische gedrag aan de hand van een Marshall proefopzet. Tot slot werd de watergevoeligheid van de asfaltmengsels onderzocht door middel van 'retained' Marshall experimenten. De resultaten van dit onderzoek bieden niet alleen inzicht in de constantheid van vulstofeigenschappen, doch relateren eveneens vulstofkenmerken met de performantie in een asfaltmengsel. Trefwoorden Vulstof, mastiek, prestatie-eigenschappen, retained Marshall, rafeling.

2 1. Inleiding In de eerste helft van 2001 werden in België belangrijke problemen met betrekking tot onthechting of rafeling van asfaltlagen vastgesteld en dit in een kort tijdsbestek na aanleg (periode van ± 1 jaar). Een eerste rondvraag inzake deze problematiek deed vermoeden dat wijzigingen en/of schommelingen in vulstofkarakteristieken mogelijks aan de basis lagen van het voortijdig falen van welbepaalde asfaltmengsels. Bijgevolg stelde zich de vraag of de bestaande normen of specificaties betreffende vulstoffen voldoende zijn en of andere karakterisering(en) nodig zijn om de kwaliteit van de aangewende vulstoffen te waarborgen (vb. adhesieve eigenschappen, watergevoeligheid, ). Hierop werd het initiatief genomen tot het oprichten van een OCW-werkgroep, die in de afgelopen 2 jaar uitvoerig aandacht heeft besteed aan vulstofkenmerken. Niettegenstaande de bovenstaande problematiek het startpunt vormde voor het oprichten van de werkgroep, werden de activiteiten in een ruimere context gesitueerd. Tot de prioritaire doelstellingen van de werkgroep behoren bijgevolg niet alleen een studie van de karakteristieken van een vulstof en de eisen waaraan een vulstof moet voldoen doch ook het aanbrengen van testmethodes, die een constante kwaliteit en performantie van een vulstof in een asfaltmengsel kunnen waarborgen. Het is hierbij de bedoeling een herhaling van welbepaalde problemen in de toekomst te vermijden. In deze bijdrage worden de resultaten van één van de belangrijkste activiteiten van de werkgroep, namelijk een opvolgingscampagne met betrekking tot de kenmerken, zoals aangegeven in de Europese standaard EN 13043, en hun mogelijke variatie in de tijd van vulstoffen toegelicht. Deze studie werd uitgevoerd in samenwerking met verschillende vulstofproducenten (coördinatie door Belfill) en omvat bijgevolg meerdere vulstoftypes aangewend in de wegenbouw in België. 2. Keuze van de materialen - proeven 2.1. Vulstoffen De opvolgingscampagne inzake vulstofeigenschappen betreft in het bijzonder een reeks materialen geproduceerd tijdens een periode van ± 2 maand (juli augustus 2003) a ratio van een staalname van 1 à 2/week (totaal 56 monsters). Deze studie omvatte vulstoffen van het type I en II (klassificatie volgens de Belgische standaard NBN B ), en dit van zowel natuurlijke oorsprong (vb. kalksteen) als composiet materialen. Het type I vulstof stemt volgens de nieuwe Europese standaard EN overeen de categorie V28/38, terwijl type II in belangrijke mate te vergelijken is met de categorie V38/45. Tabel 1 geeft een overzicht van de bestudeerde vulstoffen in dit onderzoek. De composiet vulstoffen II 1 en II 3 bevatten zowel AVI- als SVI-vliegassen afkomstig van respectivelijk Afval- en SlibVerbrandingsInstallaties en dit in tegenstelling tot de materialen I c, II 2 en II 4 die slechts SVI-vliegassen omvatten. De index w duidt op het vrij zijn van de materialen van AVI-vliegassen (een specificatie noodwendig voor toepassing in het Waalse gewest). 2

3 Tabel 1: Overzicht van de onderzochte vulstoffen in de studie Code Aard van de vulstof Type vulstof I 1 kalksteen Ib I 2 kalksteen Ib I c composiet Iaw II 1 composiet IIa II 2 composiet IIaw II 3 composiet IIa II 4 composiet IIa 2.2. Bindmiddelen In een eerste fase werd een ongemodificeerd bitumen 50/70 (oorsprong Midden-Oosten, PCT- 153) routinematig aangewend bij het onderzoek naar mastiekeigenschappen. Vervolgens werd de invloed van het type bindmiddel (variërend in oorsprong of pen-klasse) geëvalueerd op het verstijvend vermogen van 6-tal geselecteerde vulstoffen. Tabel 2 geeft een overzicht van de bestudeerde bitumina. Tabel 2: Overzicht van de geselecteerde bitumina (M.O. : Midden-Oosten, V: Venezuela) Bitumen n Pen-klasse Oorsprong R&K ( C) OCW /30 M.O. 61,3 PCT /50 V 52,4 PCT-4 50/70 V 48,3 PCT /70 M.O. 51,6 PCT /100 V 46,1 OCW /200 M.O. 40, Vulstofkenmerken In het kader van dit onderzoek werd in de eerste plaats aandacht besteed aan de contractuele eigenschappen (beschikbaar gesteld door de producenten) en hun variatie in de tijd zoals de korrelverdeling, de holle ruimte (volgens Ridgen), het bitumen getal en de volumieke massa. Vervolgens werd van dezelfde reeks vulstoffen een 2-tal bijkomende kenmerken bepaald om een idee te verkrijgen omtrent het verstijvend vermogen van vulstoffen (ref. 1). Deze proefopzet omvat de verhoging van de verwekingstemperatuur Ring & Kogel ( R&K) (ref. 2) en de dynamische viscositeit bij 60 C (proeven uitgevoerd in het OCW). Beide laatste proeven werden uitgevoerd na het aanmaken van een mastiek met 35 v-% vulstof (< 125 µm). De viscositeit bij 60 C van de aangemaakte mastieken werd bepaald door middel van DSR-metingen (Dynamic Shear Rheology, plate to plate mode). 3

4 2.4. retained Marshall onderzoek Er werd geopteerd om deze studie uit te voeren aan de hand van asfaltbeton type III B (0/). Deze AB-mengsels (zandskelet) werden steeds als volgt samengesteld: kalksteen (2/7 en 7/), een mengsel van zanden: brekerzand (kalksteen) en natuurlijk zand, een gefixeerd gehalte (5 m-%) bindmiddel PCT-153 (50/70, M.O.). Er werd een holle ruimte van ± 5% beoogd. Dit laat toe de watergevoeligheid van het mengsel duidelijk aan te tonen. Een 6-tal vulstoffen werd geselecteerd voor dit deelonderzoek op basis van de resultaten van de opvolgingscampagne (Tabel 3). Bovendien werd voor 2 vulstoffen (PCT 2 en 215) de mogelijke invloed van de toevoeging van Ca(OH) 2 als adhesieverbeteraar bestudeerd. Tabel 3: Overzicht van de bestudeerde vulstoffen in asfaltmengsels (type AB-III B) vulstof (type) mengsel AB-III B R&K (35 v-%) volumemassa holle ruimte bitumen getal vulstof m-% K= f/b C (K)* g/cm³ %(v/v) ml/100g PCT-151 (II 2 ) 6,52 0,416 15,6 (0,457) 2,576 40,8 45 PCT-2 (II 1 ) 6,43 0,416 15,4 (0,459) 2,508 38,4 42 PCT-2 (II 1 ) 6,33 0,415 15,2 (0,455) 2,495 39,1 nb + 3,5 m-% kalk PCT-215 (II 1 ) 6,68 0,4 18,7 (0,456) 2,594 40,7 45 PCT-215 (II 1 ) 6,56 0,409 18,1 (0,451) 2,577 41,4 nb + 3,5 m-% kalk PCT-164 (II 4 ) 5,65 0,441 18,0 (0,484) 2,302 41,0 48 PCT-206 (I c ) 6,39 0,413 11,7 (0,455) 2,507 34,4 35 PCT-182 (I 2 ) 6,28 0,453 10,9 (0,500) 2,695 35,0 34 *K-waarden berekend voor mastieken met 35 v-% vulstof, doch gecorrigeerd voor de vulstoffractie < 80 µm; nb: niet bepaald. Bij het uitvoeren van de retained Marshall proeven werden de monsters verzadigd in water en gedurende 72 uur bij 40 C geconditioneerd. De retained -waarden zijn steeds de verhouding van het gemiddelde bekomen na beproeven van 3 monsters (respectievelijk voor en na ). 3. Resultaten en discussie 3.1. Opvolgingscampagne vulstofkenmerken Om een idee te verkrijgen in de mogelijke variatie van zowel contractuele als aanvullende vulstofkenmerken werd voor een 7-tal reeksen vulstoffen overeenstemmend met een productieperiode van ± 2 maand a ratio van 1-2 monsters/week bovenvermelde materiaaleigenschappen opgevolgd. Ter illustratie werd het verloop van het percentage holle ruimte (volgens Ridgen) en de R&K-waarden (bitumen PCT-153) gevisualiseerd voor elk van de bestudeerde vulstoffen in figuur 1a respectievelijk 1b. 4

5 Een analyse van de data resulteerde in de onderstaande bevindingen: Alle bestudeerde vulstoffen voldoen steeds aan de gestelde specificaties (ref. 3). Bovendien situeren de desbetreffende vulstofkarakteristieken zich veelal in een kleiner domein in vergelijking met de variaties toegelaten in de specificaties. De vulstof van het type Ib (kalksteen) is gekenmerkt door een grotere constantheid betreffende de vulstofkarakteristieken in vergelijking met de bestudeerde composiet materialen. De resterende gewichtsfracties op zeef (zowel 63 en 125 µm) liggen ver beneden de toegelaten maximale waarden (25 en 15 m-%). Fluctuaties tot ± 4 C in de R&K-waarden werden bepaald voor composiet vulstoffen. Deze schommelingen zijn relatief groot en hebben mogelijks een invloed op de karakteristieken van een asfaltmengsel (zie resultaten van het Marshall onderzoek). Additioneel werden de correlaties tussen de vulstofkenmerken van nabij geëvalueerd, waarbij de mogelijke (lineaire) verbanden tussen de verschillende karakteristieken werden bepaald. De resultaten zijn samengevat in tabel II3 15 II Stijgend % holle ruimte (gemiddelde) II2 II4 II1 Verhoging Ring & Kogel ( C) II2 II4 II I I Ic 10 9 Ic I I a 1b Figuur 1: a) verloop van het percentage holle ruimte; b) verloop van de R&K-waarden van de overeenkomstige mastieken. Elke meetwaarde stemt overeen met 1 monstername (productieperiode juli - augustus 2003). De gemiddelde waarde is aangegeven dmv. een stippellijn 5

6 Tabel 4: Relaties tussen de vulstofkarakteristieken (lineaire regressie: y = ax + b); met HR = holle ruimte, BG = bitumen getal (bitumen PCT-153) Relatie a b R 2 Log η - R&K 0,0709 2,824 0,96 Log η - % HR 0,0674 1,285 0,86 Log η - BG 0,0381 2,304 0,85 R&K - % HR 0,931-21,0 0,86 R&K - BG 0,531-7,05 0,86 4,3 4,2 60 C, Pa.s) 4,1 4,0 3,9 3,8 3,7 3,6 3,5 I1 I2 II1 II2 II4 II3 3,4 Ic R&K, C Figuur 2: Correlatie tussen de viscositeit (log η) en het verstijvend vermogen ( R&K) voor de onderzochte mastieken Na het uitvoeren van de regressies kunnen onderstaande resultaten worden geformuleerd: Er werd een uitstekende lineaire correlatie bepaald tussen de logaritme van de viscositeit bij 60 C (log η) en R&K (R 2 = 0,96) (Figuur 2). Bijgevolg volstaat het bij de bepaling van vulstofeigenschappen slechts één enkele proef van beide uit te voeren. De analyse van de meetresultaten duidt eveneens op lineaire correlaties (R 2 tussen 0,86 en 0,89) tussen R&K en vulstofeigenschappen zoals % holle ruimte of bitumen getal. Er zijn duidelijk 2 distincte groepen meetresultaten te onderscheiden overeenstemmend met de vulstoffen van het type I gekenmerkt door een R&K < 12 C en met de composiet vulstoffen van het type II gekarakteriseerd door een R&K > 16 C. Na de selectie van een beperkt aantal vulstoffen, representatief voor de geëvalueerde materialen, werd aansluitend de mogelijke invloed van het type bitumen (niet-gemodificeerd), variërend in oorsprong en/of pen-klasse (Tabel 2), bestudeerd op het verstijvend vermogen van vulstoffen. Op basis van de viscositeit en de R&K-waarden van de overeenkomstige mastieken (35 v-% vulstof) werd geen invloed bepaald van de aard van het bindmiddel. Het domein waarbinnen de R&K-waarden zich situeren, is enkel afhankelijk van de vulstof 6

7 (type, % holle ruimte, chemische samenstelling, ). Deze waarneming is in tegenspraak met de resultaten gerapporteerd door Soenen et al. (ref. 4), doch bevestigen de opinie gedeeld door Wortelboer et al. (ref. 5) en Gastmans (ref. 6) Mechanisch gedrag retained Marshall onderzoek In het kader van dit onderzoek werd niet alleen aandacht besteed aan de bepaling van vulstofkenmerken en hun schommeling in de tijd, doch werd eveneens de mogelijke invloed van de vulstofkarakteristieken op de prestatie-eigenschappen van asfaltmengsels bestudeerd. Deze evaluatie omvatte de bepaling van het mechanische gedrag van asfaltmengsels aan de hand van Marshall kenmerken. Bovendien werd, aan de hand van retained Marshall proeven, de watergevoeligheid van de asfaltmengsels onderzocht. De resultaten zijn samengevat in tabel 5. Op basis van bovenstaande data kunnen de volgende conclusies worden geformuleerd: Variaties in het verstijvend vermogen ( R&K-waarden) van éénzelfde vulstof (type IIa) leidde niet tot een verschillende watergevoeligheid: zowel PCT-2 als 215 zijn gekenmerkt door kritische waarden voor de retained Marshall (58%). Een vergelijking van de proefresultaten bekomen aan de hand van verschillende types vulstoffen duidt echter wel op een belangrijke invloed van de vulstof op de watergevoeligheid. Illustratief in deze context is het verschil tussen de materialen PCT-2 (type II 1 ) en PCT-151 (type II 2 ), gekarakteriseerd door een gelijke R&K-waarden en de discrepantie tussen de meetresultaten bekomen op basis van de vulstoffen PCT-215 (type II 1 ) en PCT-164 (type II 4 ). Beide laatste materialen zijn evenwel gekenmerkt door een analoge holle ruimte en verstijvend vermogen. Voor de 2 vulstoffen van het type II 1 (PCT-2 en 215) zijn de proefresultaten in correlatie met de gemeten R&K-waarden: een groter verstijvend vermogen weerspiegelt zich in een hogere Marshall stabiliteit (Pm = tov N) en Marshall quotiënt (Qm = 7620 tov 6620 N/mm). Een vergelijking tussen de Marshall stabiliteit en het verstijvend vermogen van de overige vulstoffen duidt echter op belangrijke discrepanties : de vulstof PCT-151 (type II 2 ) resulteert in de grootste Pm-waarde (18790 N) en dit terwijl de vulstof PCT-215 (type II 1, analoge holle ruimte) is gekenmerkt door een groter verstijvend vermogen. De natuurlijke kalkvulstof (PCT-182) vertoont de hoogste waarde in de retained Marshall, namelijk 96%. Dit is in overeenstemming met de goede adhesieve eigenschappen van dit type materiaal. De toevoeging van 3,5 m-% Ca(OH) 2 aan de vulstoffen PCT-2 en 215 resulteert in een verhoging van ± 10% in de retained Marshall meetwaarden. Dit bevestigt de invloed van Ca(OH) 2 als adhesieverbeteraar (ref. 7), doch de 'retained' Pm-waarden blijven relatief laag bij deze lage concentratie aan adhesie promotor. Om een afdoende effect te bekomen lijkt op basis van de ervaringen in Nederland (ref. 7,8) of het Verenigd Koninkrijk (ref.9) een percentage van 1 tot 1,5 m-% ten opzichte van het asfaltmengsel wenselijk. Dit gehalte stemt overeen met de toevoeging van ongeveer m-% kalkhydraat aan de vulstof. 7

8 Tabel 5: Resultaten van het 'retained' Marshall onderzoek (gemiddelde ± σ n-1, n = 3); * ahv hydrostatische metingen; ** steeds inverse retained -waarden aangegeven Vulstof type PCT-151 % holle ruimte* Pm (N) Fm** (mm) Qm (N/mm) vóór 5,1 ± 0, ± 590 2,0 ± 0, ± 890 Type II 2 retained (%) PCT-2 vóór 4,7 ± 0, ± 870 2,3 ± 0, ± 790 Type II 1 retained (%) PCT-2 vóór 3,5 ± 0, ± 810 2,7 ± 0, ± 260 Type II 1 + 3,5 m-% kalk retained (%) PCT-215 vóór 4,6 ± 0, ± 920 2,2 ± 0, ± 430 Type II 1 retained (%) PCT-215 vóór 3,9 ± 0,1 080 ± 200 3,0 ± 0, ± 480 Type II 1 + 3,5 m-% kalk retained (%) PCT-164 vóór 4,3 ± 0,3 950 ± ,5 ± 0, ± 960 Type II 4 retained (%) PCT-206 vóór 4,1 ± 0,2 870 ± 960 2,6 ± 0, ± 515 Type I c retained (%) PCT-182 vóór 3,3 ± 0,2 290 ± 290 3,5 ± 0, ± 20 Type I 2 retained (%) In het kader van de validatie van prestatie-gerichte Europese proefmethodes voor asfaltmengsels kan worden vooropgesteld dat bij het uitvoeren van bovenstaand onderzoek in de toekomst de indirecte trekproef of splijtproef ( Indirect Tensile Strength of ITS) volgens EN , eventueel met (40 C, 72 uur) zoals omschreven in de standaard EN , een maat zal vormen voor de watergevoeligheid van asfaltmengsels. 8

9 4. Algemene conclusies Op basis van bovenstaand onderzoek kunnen de volgende conclusies worden geformuleerd: Het opvolgen van vulstofkarakteristieken over een productieperiode van ± 2 maand duidt op een relatief grote constantheid in materiaalkenmerken zoals de korrelverdeling, volume massa, % holle ruimte of bitumen getal. Alle onderzochte vulstoffen beantwoorden steeds aan de gestelde eisen. De reologische kenmerken, in het bijzonder de viscositeit bij 60 C en de verhoging van de verwekingstemperatuur van mastieken 35/65 v/v, wordt in hoofdzaak bepaald door het type vulstof (bij constante verhouding K = f/b). Het aangewende bitumen (nietgemodificeerd) heeft geen invloed. Er werden uitstekende lineaire correlaties bepaald tussen enerzijds de viscositeit (log η) en de R&K-waarden van de bestudeerde mastieken. Bijgevolg volstaat het één enkele proef van beide uit te voeren. Hierbij kan worden geopteerd voor de bepaling van de R&K, op basis van de praktische voordelen van deze methode. Retained Marshall proeven geven aan dat verschillen in het verstijvend vermogen van éénzelfde vulstof geen invloed hebben op de watergevoeligheid en dus de adhesieve eigenschappen van vulstoffen. Verschillende types vulstoffen daarentegen, zelfs indien gekenmerkt door gelijke R&K-waarden, geven echter aanleiding tot sterk uiteenlopende resultaten in de retained Marshall proefopzet. Het toevoegen van calciumhydroxide als adhesieverbeteraar resulteert in een verhoging van de meetwaarden in een retained Marshall proefopzet. Op dit ogenblik neemt de Administratie Wegen en Verkeer (AWV) van de Vlaamse Gemeenschap een voorstel in overweging om de keuze van de vulstof in asfaltmengsels van het type SMA en ZOA te beperken tot het type IIb (gedefinieerd volgens NBN B ). Dit type vulstof stemt volgens de Europese standaard EN overeen met een vulstof van de categorie Ka Referenties 1. EN 'Aggregates for bituminous mixtures and surface treatments for roads, airfields and other trafficked areas' "Delta ring and ball" of filler aggregate for bituminous mixtures, September NBN EN 'Beproevingen voor minerale vulstof in bitumineuze mengsels - Deel 1: Delta ring- en kogelproef' oktober NBN B 'Vulstoffen voor koolwaterstofmengsels - Eisen' 4. Soenen, H. en Teugels, W., 'Rheological investigation on binder-filler interactions', Eurobitume Workshop 99, paper N Wortelboer, J.P., Hoppen, H.J., Ramond, G. en Pastor, M., 'Rheological properties of bitumen/filler mixtures', Eurasphalt & Eurobitume Congress Gastmans, A., 'Rheology on fileer-binder mixes: binder aggregate interactions', Mechanical Tests for Bituminous Materials, RILEM 1997, pp Hopman, P.C., Robertus, C., Invloed van hydroxide op hechting bitumen/vuursteen, Werkbouwkundige Werkdagen, Arnhem

10 8. Standaard RAW bepalingen 1995 Rubriek Asfaltverhardingen Bouwstoffen. 9. Manual of contract documents for highway works vol 1: Specifications for highway works, series 900: Road Pavements bituminous bound materials (pp. 1 en 38). 10