Healing van Bitumen; niet meer belangrijk? Faalkans beperken door intelligenter om te gaan met hergebruik

Transcriptie

1 Healing van Bitumen; niet meer belangrijk? Faalkans beperken door intelligenter om te gaan met hergebruik Derk Goos Nynas AB Tony De Jonghe Benelux bitume Samenvatting Het visco- elastische bindmiddel bitumen beschikt inherent over een remmend mechanisme dat de ontwikkeling van vermoeiingschade tegenwerkt: het zelfherstellend vermogen ook wel aangeduid met de term healing. Healing repareert micro vermoeiingschade. Bij het ontwerpen van asfaltverhardingen zijn ontwerpers met deze healing rekening gaan houden. In de DWW ontwerphandleiding wordt verondersteld dat de healing factor een waarde van 4 heeft. De healing repareert schade en daarom kan worden toegestaan dat een snelwegconstructie circa 4 cm dunner wordt aangelegd dan indien er geen healing zou optreden. De bepaling van de healing factor heeft plaatsgevonden in de jaren zeventig en is gebaseerd op werk van Van Dijk [1] op asfaltmengsels gemaakt van maagdelijke grondstoffen. Sindsdien is er veel veranderd. Het hergebruik van oude grondstoffen is hand over hand toegenomen. Ook is het gebruik van geheel nieuwe soorten bindmiddelen in zwang gekomen. Om vast te stellen of de healing factor nog steeds de veronderstelde waarde heeft, is in opdracht van Benelux Bitume door KOAC NPC een verkennende Healing studie uitgevoerd. Om aan te sluiten bij de huidige praktijk is een asfaltmengsel gekozen waarvan daadwerkelijk circa ton, met 60% hergebruik, in een project zijn verwerkt (ROAM project, op de A-16). Deze Healing studie wierp een aantal vraagtekens ten aanzien van de thans gehanteerde uitgangspunten. Met name werden vaststellingen gedaan die strijdig waren met wat algemeen bekend werd verondersteld onder asfalttechnologen bijvoorbeeld dat hergebruik altijd leidt tot een stijver mengsel. Daarom is in een tweede studie door KOAC NPC een analyse uitgevoerd op de basisgegevens [2] van de Werkgroep Functionele Eisen in het Contract (FEC werkgroep) om verklaringen te vinden voor de geconstateerde afwijkingen. Aan de hand van de resultaten van deze 2 studies kunnen vraagtekens worden geplaatst bij de thans gehanteerde uitgangspunten voor het ontwerpen van asfaltverhardingen. Een herbezinning is naar de mening van Benelux Bitume noodzakelijk ten aanzien van de wijze van hergebruik van asfaltgranulaat in relatie tot de laag in de constructie waar men dit toepast. Een op faalkansen gebaseerde benadering zou kunnen voorkomen dat de samenleving met kostbare verrassingen wordt geconfronteerd. De volledige KOAC NPC rapporten zijn op de website van Benelux Bitume beschikbaar. Trefwoorden FEC, Hergebruik, Faalkans, Goos, De Jonghe, Benelux Bitume, Healing

2 Samenvatting door Benelux Bitume van de Healing studie De effecten van Hergebruik op healing en vermoeiing in StAB KOAC NPC opdracht [4] Asfaltverhardingen kunnen vermoeien door herhaald te worden belast door passerend zwaar verkeer. Dit kan leiden tot de ontwikkeling van schadeverschijnselen zoals scheurvorming aan de onderzijde van het asfaltlagenpakket. Hierdoor verliest de constructie aan draagkracht dat kan leiden tot ernstige scheurvorming en bezwijken van de gehele verharding. Het visco- elastische bindmiddel bitumen beschikt inherent over een remmend mechanisme dat de ontwikkeling van vermoeiingschade tegenwerkt: het zelfherstellend vermogen ook wel aangeduid met de term healing. Healing repareert micro vermoeiingsschade, met name tijdens die perioden waar de asfaltverharding weinig wordt belast door zwaar verkeer. Dus tijdens verkeersluwe uren, nachten, weekeinden, vakantieperioden, warme perioden, et cetera. Bij het ontwerpen van asfaltverhardingen zijn ontwerpers met deze healing rekening gaan houden, omdat zij weten dat door de healing de schade wordt gerepareerd en dus beperkt blijft. In de DWW ontwerphandleiding wordt verondersteld dat de healing factor een waarde van 4 heeft. De healing repareert schade en daarom kan worden toegestaan dat bijvoorbeeld een snelwegconstructie circa 4 cm dunner kan worden aangelegd dan indien er geen healing zou optreden. De optredende schade wordt gecompenseerd door de autoreparatie. De bepaling van de healing factor heeft plaatsgevonden in de jaren zeventig en is gebaseerd op werk van Van Dijk [1]. Alle bepalingen zijn toentertijd uitgevoerd op mengsels die uitsluitend maagdelijke grondstoffen bevatten. Sindsdien is er veel veranderd. Het hergebruik van oude grondstoffen is hand over hand toegenomen. Ook is het gebruik van geheel nieuwe soorten bindmiddelen in zwang gekomen zoals hardere soorten (EME, Multigrade, hard bitumen) en ook polymeer bitumina. In dit onderzoek zijn alleen aan conventionele bindmiddelen bevattend asfalt onderzoek verricht. Om vast te stellen of de healing factor nog steeds de veronderstelde waarde heeft, ook voor sommige van de hierboven genoemde nieuwe ontwikkelingen, is in opdracht van Benelux Bitume de bijgaande verkennende Healing studie uitgevoerd. Om aan te sluiten bij de huidige praktijk is een asfaltmengsel gekozen waarvan daadwerkelijk circa ton, met 60% hergebruik, in een project zijn verwerkt (ROAM project, Rotterdam-Breda op de A-16) H [-] rustperiode [-] Healingsfactor H als f( rustperiode ) rek 150 µm/m, n=0% en p = 60 % hergebruik asfaltgranulaat n p Vastgesteld is in deze Healing studie dat de healing factor van het in dit project verwerkte StAB zeer sterk is verminderd en tendeert naar een waarde die nog nauwelijks hoger is dan 1. Ook is in deze Healing studie vastgesteld dat de stijfheid van StAB met 60% hergebruik asfaltgranulaat aanzienlijk lager was dan de stijfheid van met maagdelijke grondstoffen vervaardigd StAB. Deze bevinding strookte niet met de ingeburgerde mening bij de huidige generatie asfalttechnologen dat hergebruik van asfaltgranulaat altijd leidt tot hogere stijfheden van het asfaltmengsel. Bovendien bleek dat het StAB gemaakt van maagdelijke grondstoffen niet de eigenschappen had die uit overlevering bekend waren. Met name gold dit ook ten aanzien van de vermoeiingseigenschappen van het maagdelijke StAB. 2

3 Om een en ander te verifiëren is een vervolgonderzoek gestart en zijn de onderzochte mengsels in de Functionele Eisen in het Contract studie (FEC), 4 hergebruik StAB s en 1 met maagdelijke grondstoffen gemaakt StAB, geproduceerd op 5 verschillende asfaltmenginstallatie, aan een detailonderzoek onderworpen. In deze vervolgstudie, gebaseerd op gegevens [2] verstrekt door de werkgroep FEC. Deze analyse van de resultaten van de FEC studie toont aan dat de in de praktijk geproduceerde StAB met hergebruik Healingfactor [-] / p 0 / n 6 / p 3 / n 3 / p 6 / n Opgelegde rek [ m/m] Healingfactoren H als f( rek ), inclusief trendlijnen n=0% en p = 60 % hergebruik asfaltgranulaat 0 / n 3 / n 6 / n 0 / p 3 / p 6 / p asfaltgranulaat mengsels voortdurend een lagere stijfheid vertonen dan StAB gemaakt met maagdelijke grondstoffen. De ingeburgerde mening dat hergebruik, het toevoegen van asfaltgranulaat, altijd een mengsel oplevert met een hogere stijfheid blijkt een mythe te zijn. De in de Healing studie gevonden lagere stijfheid voor het StAB mengsel met asfaltgranulaat is dus niet een exotisch resultaat maar weerspiegelt de normale gang van zaken in de dagelijkse praktijk. De beknopte samenvatting van de door Benelux Bitume in opdracht gegeven aanvullende studie op de detailgegevens van de FEC studie treft U hierna aan. Het vrijwel teloorgaan van het zelfherstellend vermogen kan ernstige gevolgen hebben voor de levensduur van asfaltverhardingen. Om het hier aangeduide levensduur probleem op te lossen kan worden overwogen: - de mate van hergebruik in de onderste asfaltlaag van de constructie te beperken - bij een zelfde percentage hergebruik in de onderlaag, een circa 0.3% verhoogd bindmiddelgehalte te doseren om op deze wijze het verlies aan vermoeiingslevensduur te compenseren. Uit literatuur is bekend dat hierdoor de vermoeiingslevensduur minimaal verdubbeld. In dit onderzoek is niet onderzocht welke de invloed is op het healing gedrag van het gebruik van hardere en polymeer gemodificeerde bindmiddelen. Het is aan te nemen dat de mate van healing zeer sterk kan worden beïnvloed door dergelijke bindmiddelen. Ook het feit dat de soms op deze wijze bereikte hogere stijfheid door constructeurs wordt vertaald in geringere laagdikten zou wel eens drastische verhoging van het faalkans risico kunnen betekenen van de asfaltverharding. Om al deze aspecten te onderzoeken beveelt Benelux Bitume dringend aan om aanvullend onderzoek uit te voeren. Vanuit een faalkans geïnspireerd denkpatroon leidt onvermijdelijk tot de vaststelling dat onder geen beding de diep in de verharding liggende asfaltlagen mogen bezwijken. De reparatiekosten zullen dan zeer hoog zijn. De resultaten van deze aanvullende analyse van de FEC studie worden hierna toegelicht. 3

4 Samenvatting door Benelux Bitume van de FEC studie en de analyse van de detailgegevens van de FEC studie Analyse van de FEC studie detail resultaten [3] ten behoeve van het rapport De effecten van Hergebruik op healing en vermoeiing in StAB [4] uitgevoerd voor Benelux Bitume, 2003 [3](KOAC NPC opdracht ) De effecten van hergebruik op healing en vermoeiing van StAB zijn gerapporteerd in de studie De effecten van Hergebruik op de healing en vermoeiing in StAB [3] die door KOAC NPC is uitgevoerd in opdracht van Benelux Bitume. (Hierna genoemd Healing studie ). Uit deze studie bleek dat de vermoeiingslevensduur van het met uitsluitend maagdelijke grondstoffen vervaardigde asfaltmengsel lager was dan verwacht op basis van metingen uit het verleden. Wel bleek dat de healing factor voor dit met maagdelijke grondstoffen gemaakte StAB mengsel, de in de jaren 70 bepaalde grootte van circa 4 bezat. De gangbare mening die in de loop der jaren postgevat heeft is dat StAB met hergebruik asfaltgranulaat altijd een hogere stijfheid vertoont dan met maagdelijke grondstoffen vervaardigd StAB. In deze Healing studie werd echter vastgesteld dat het 60% asfaltgranulaat bevattende StAB een aanzienlijke lagere stijfheid vertoonde dan het met maagdelijke grondstoffen vervaardigde StAB. (tabel 14; 5361 versus 7189 MPa, bij 29.3 Hz en 30 C). (Opmerking: Als ontwerpreferentie voor constructie berekeningen wordt een waarde van 7500MPa verondersteld) De gevonden lagere stijfheidwaarde voor hergebruik StAB kan verstrekkende gevolgen hebben tijdens constructie berekeningen. Daarom werd gezocht naar een andere bron waar deze afwijkende resultaten konden worden getoetst op juistheid. Ook bij het juist interpreteren van de gevonden vermoeiingresultaten leverde deze onzekerheid over de werkelijke stijfheid van asfaltgranulaat bevattend StAB een probleem op. Door de werkgroep Functionele Eisen in het Contract (FEC) is in juli 2001 gerapporteerd over de functionele eigenschappen van StAB met hergebruikt asfaltgranulaat en met maagdelijke grondstoffen gemaakt StAB. In deze FEC studie zijn zowel resultaten bekend voor op het laboratorium bereid en uit de weg genomen StAB mengsels In deze FEC studie is met maagdelijke grondstoffen StAB geproduceerd en zijn 4 mengsels gemaakt die 50% asfaltgranulaat bevatten conform de gangbare voorschriften en gewoonten in Nederland anno De uitkomst van deze FEC studie is dat de spreiding in de functionele eigenschappen, en met name de stijfheid, extreem kunnen worden genoemd (factor 2). Van twijfelachtig laag tot zeer hoge waarden ( van 2940 MPa tot 6392 MPa; de op één na hoogste waarde werd gevonden voor met maagdelijke grondstoffen gemaakt StAB. Metingen uitgevoerd bij 29.3 Hz en 30 C) In beide studies, de Healing studie en de FEC studie, blijkt exact hetzelfde referentiemengsel met maagdelijke grondstoffen van dezelfde geologische herkomst en afkomstig van dezelfde asfaltproducent, te zijn gebruikt. Dit feit maakt het mogelijk om beide studies te koppelen en sommige conclusies uit de Healing studie te toetsen aan de resultaten gevonden in de FEC studie. Helaas is in de FEC studie niet gekeken naar de vermoeiing eigenschappen van het StAB mengsel. Er is aangenomen dat deze uit ervaring bekend mochten worden verondersteld waarbij men zich baseerde op metingen die eind van de jaren 70 zijn uitgevoerd. 4

5 Gezien de gevonden resultaten in het kader van de Healing studie meende Benelux Bitume ten aanzien van deze aanname een vraagteken te moeten stellen. De zeer grote variantie in de gemeten stijfheid van de StAB met hergebruik asfaltgranulaat bevattende asfaltmengsels, een factor 2, moet onvermijdelijk grote gevolgen hebben voor de vermoeiing levenduur. Zoals reeds gesteld gaan in de praktijk ontwerpers er vanuit dat StAB een bepaalde stijfheidwaarde heeft (7500 MPa) en dat de stijfheid met hergebruik asfaltgranulaat per definitie hoger zal zijn. Verder wordt aangenomen dat de vermoeiing eigenschappen helemaal niet in het gedrang komen. De resultaten van de Healing studie en de FEC studie samen tonen aan dat deze gebruikelijk gehanteerde veronderstellingen in engineering judgement absoluut niet juist zijn. Sterker nog, er bestaat een groot gevaar voor overschatting indien de absolute en incidenteel gemeten waarden zouden worden gehanteerd in de constructie berekeningen. (Bijvoorbeeld: de hoogst gemeten waarde op StAB met hergebruik asfaltgranulaat is soms vrijwel net zo hoog als die voor een met EME klasse 2 bindmiddel gemaakt asfaltmengsel). De oorzaak van de grote stijfheidverschillen van in de FEC studie bestudeerde StAB mengsels met hergebruik asfaltgranulaat kan gelegen zijn in: - de wijze waarop de 4-punts stijfheidmeting is uitgevoerd - de bouwstoffen; de maagdelijke grondstoffen en die gebruikt in de Asfaltgranulaat bevattende mengsels Uit deze analyse van de door de FEC werkgroep beschikbaar gestelde detailgegevens, blijkt dat de spreiding niet wordt veroorzaakt door de wijze van proefuitvoering maar door de aard van de gebruikte materialen. De overeenkomst tussen de gemeten stijfheidswaarden op in het laboratorium vervaardigde StAB mengsels en op overeenkomstige wijze uit de weg afkomstige proefstukken, blijken per individueel mengsel zeer consistent te zijn. De gemeten resultaten op de individuele mengsels blijken echter zeer grote verschillen te vertonen ( FEC studie, tabel 7). De oorzaak van deze grote spreiding moet dus noodzakelijkerwijs worden gezocht in de aard van de toegepaste bouwstoffen. Deze blijken voor wat betreft de maagdelijke bouwstoffen voor alle projecten uit dezelfde kwaliteiten te bestaan (gebroken grind, natuurlijk zand, zwakke vulstof en dezelfde penetratie klasse voor het bitumen). Verder liggen de recepturen van de gerealiseerde asfaltmengsels in het werk qua korrelverdeling en bindmiddel percentages binnen zeer nauwe grenzen. Uit de ter beschikking gestelde FEC detailgegevens blijkt ook dat de vooronderzoeken van de verschillende producenten vrijwel identiek zijn en representatief zijn voor de gemiddelde Nederlandse samenstelling van hergebruik asfaltmengsel. Uit de voorgaande vaststellingen kan de conclusie worden getrokken dat de enig overblijvende oorzaak van de waargenomen grote variantie in de eigenschappen van het gebruikte asfaltgranulaat moeten worden gezocht dat per individuele asfaltmenginstallatie is toegepast. Gegevens over de actueel per producent gebruikte grondstof asfaltgranulaat ontbreken echter in FEC studie : wel is de grondstof asfaltgranulaat per producent bemonsterd voor de proefstuk bereiding in het laboratorium maar helaas is het asfaltgranulaat niet onderzocht op samenstelling. 5

6 Is de StAB veranderd sinds de late jaren 80? StAB is een zandskeletmengsel; een mengsel waarin de zandkorrels de continue fase vormen. Medio jaren 80 zijn uitvoerig StAB mengsels getest met zanden zoals die toen waren voorgeschreven met de uit de Standaard 1978 verplichte ligging in de zanddriehoek. De drijvende factor hier was dat dit soort zandsamenstelling moest worden toegepast voor het toen nog veelvuldig toegepaste GAB. Toen GAB eind jaren 80 meer en meer vervangen werd door StAB ging dit tegelijkertijd gepaard met de introductie van hogere percentages hergebruik asfaltgranulaat met behulp van de paralleltrommel. In feite zijn toen veel onderzoeken op deze StAB PR mengsels verricht in het kader van de goedkeuring van asfaltmenginstallatie als die met een paralleltrommel werd uitgerust. Door de introductie van de eis dat StAB minimaal 40% PR moest bevatten was het gebruik van het natuurlijke zand A, conform de Eisen 1978, niet meer nodig. De Standaard 2000 staat toe dat zand kan worden gebruikt met een extreme ligging aan de rand van de zanddriehoek. Dit is met name van toepassing indien éénkorrelig rivierzand wordt gebruikt. Alleen daar waar nog een natuurlijk gedolven zand wordt gebruikt, bijvoorbeeld in het Oosten van Nederland, komt de oude StAB samenstelling nog voor en dit resulteert onmiddellijk in hogere stijfheden van het betreffende StAB mengsel (conclusie gebaseerd op bestudering detail gegevens FEC studie ) De onvermijdelijke vaststelling moet zijn dat in de FEC studie een referentiemengsel van het StAB met maagdelijke grondstoffen is gebruikt dat niet vergelijkbaar is met de StAB uit het verleden. De in het verleden gedane metingen, en waarop onze huidige kennis wordt verondersteld te zijn gebaseerd, zijn dus, gezien de uitkomsten van deze studies, wellicht ook niet geldig. Deze zelfde vaststellingen gelden ook onverkort voor het met maagdelijke grondstoffen vervaardigde referentiemengsel zoals dat in de Healing studie is onderzocht. In de onderstaande zanddriehoek hebben we één en ander nog eens grafisch voorgesteld. Het meng zand A volgens de Eisen 1978 is tegenwoordig vrijwel niet meer aanwezig op menginstallaties. In plaats wordt nu meestal Rivierzand gebruikt conform de RAW 2000 eisen. 0,500-0, Rivierzand 60 volgens RAW Dientegevolge is de volume-trie van hedendaagse StAB drastisch anders dan die toen het uitgebreid is beproefd ( 70). 80 Met name op de vermoeiingseigenschappen zal dit een grote 70 invloed hebben. 2-0, Zand A volgens Eisen 78 Plaatzand ,180-0,

7 Slot opmerkingen - De eigenschappen van het asfaltgranulaat worden constant verondersteld in de dagelijkse praktijk; dus zowel qua gradering als ook het bitumengehalte dat het bevat. Ook bij de FEC studie wordt bij alle vooronderzoeken verondersteld dat op de 4 asfaltmenginstallaties het asfaltgranulaat 5.0% bitumen bevat en dat de performance van het verouderde bindmiddel door het toepassen van de penregel kan worden hersteld. In de dagelijkse praktijk wordt om een tekort aan bitumen in het geleverde eindproduct te voorkomen, het bitumengehalte van het asfaltgranulaat relatief laag gekozen. Het gevolg van dit gedrag is dat bitumen dus meestal wordt overgedoseerd. De vraag lijkt gerechtvaardigd of dit niet een belangrijke oorzaak is van de lage stijfheden van het onderzochte StAB met hergebruik asfaltgranulaat bij de meeste proefvakken. - Vrijwel zeker zal het niet corrigeren voor het werkelijke bitumengehalte in het asfaltgranulaat tot gevolg hebben dat mengsels worden geproduceerd die een hoger bitumengehalte hebben dan gewenst en dus neigen tot overvuld zijn. - Om het risico in de praktijk, de verhoogde faalkans van de ermee geproduceerde asfaltverharding, beter beheersbaar te maken voor opdrachtnemer en opdrachtgever, kunnen bindmiddelen met verbeterde eigenschappen, met polymeren of chemisch gemodificeerd, mogelijkheden bieden om de faalkans te verkleinen. Aanbevelingen - Het verdient aanbeveling de eigenschappen stijfheid en vermoeiing eigenschappen van StAB gemaakt met maagdelijke grondstoffen, nogmaals te evalueren voor mengsels zoals die in de beginperiode zijn gemaakt. (Waarbij de zanden moesten voldoen aan limieten gesteld in de zanddriehoek conform de Eisen 1978) - De kwaliteit van de grondstof Asfaltgranulaat kan niet significant worden verbeterd in de praktijk door betere sorteer processen. Het is daarom aan te bevelen om desgewenst bindmiddelen met verbeterde eigenschappen toe te passen om het faalrisico aanvaardbaar laag te laten worden. - De houdbaarheidstermijn van de data van een werkgroep moet worden beperkt. Dankwoord Aan het tot stand komen van deze bijdrage heeft Paul Landa Nynas Bitumen een grote bijdrage geleverd waarvoor wij onze dank uitspreken. Bronnen: 1 Practical fatigue characterization of bituminous mixes, W van Dijk, KSLA, Annual meeting AAPT, February 1975 and The energy approach to fatigue for pavement design, W. van Dijk, W. Visser, KSLA, AAPT, February Functionele eisen in het contract. Een onderzoek naar de uitvoerbaarheid van functionele eisen voor asfalt. hand-out avondlezing CROW-VIANED samenvatting van de resultaten van de werkgroep Functionele Eisen in het Contract, Ede, Zie ook publicatie Wegbouwkundige dagen 2002, deel 1, blz. 607 ev. J.M.M. Molenaar, J.L.M. Voskuilen, M.E. van den Bol, W.F. Stas en R.W.M. Naus. 3 De effecten van Hergebruik op healing en vermoeiing in StAB, uitgevoerd door KOAC NPC in opdracht van Benelux Bitume, juli 2004, opdracht Analyse van de FEC studie resultaten ten behoeve van het rapport De effecten van Hergebruik op healing en vermoeiing in StAB uitgevoerd voor Benelux Bitume, 2003 (KOAC NPC opdracht ). 7