HOOFDSTUK 8 WEGOPPERVLAKEIGENSCHAPPEN

Transcriptie

1 249 HOOFDSTUK 8 WEGOPPERVLAKEIGENSCHAPPEN

2 Inleiding: Voor een veilig en comfortabel gebruik van de weg zijn vooral de eigenschappen van het oppervlak van de wegconstructie van belang. Nodig zijn voldoende stijfheid, snelle afvoer van op de weg aanwezig water, vlakheid, goede reflectie van (kunst)verlichting en beperkte geluidproductie tussen band en wegdek. Gestreefd moet worden naar handhaving van deze eigenschappen gedurende een lange tijd, bijv. de levensduur van de verharding. In de volgende paragrafen wordt nader ingegaan op de gewenste oppervlakeigenschappen. 8.2 Stroefheid: Een voertuig kan zich op een weg voortbewegen dankzij de wrijving in het contactvlak tussen band en wegoppervlak. Onder stroefheid wordt verstaan de wrijvingscoëfficiënt, gemeten volgens een gestandaardiseerde methode. De wrijvingskracht tussen rubberband en wegdek kan zijn opgebouwd uit 3 componenten, te weten: 1. de adhesie- of kleefcomponent die ontstaat door moleculaire aantrekking tussen het loopvlak van de band en het wegdek. Dit is de belangrijkste component bij een droog wegdek. Deze component neemt af bij toenemende textuur (ruwheid) van de weg. 2. de hysteresis- of vervormingscomponent die ontstaat bij vervormingen van de band. Deze component neem toe met de textuur van de weg en is het belangrijkste bij een nat wegdek. 3. de cohesie- of slijtagecomponent die ontstaat door de weerstand van rubber tegen verbreking van de inwendige samenhang Invloedsfactoren: Als belangrijkste factoren, die van invloed zijn op de totale wrijvingscoëfficiënt, kunnen worden genoemd: 1. wegdek, 2. band, 3. weersgesteldheid, 4. snelheid voertuig, 5. wielslip en drifthoek. Ad 1. Wegdek Bij de invloed van het wegdek op de wrijvingscoëfficiënt kunnen de volgende grootheden worden onderscheiden: a. de textuur van het wegdek. Bij de textuur, daaronder wordt hier verstaan de geometrie van het wegoppervlak, kunnen we onderscheiden een macroschaal en een microschaal (figuur 8.1). De textuur op macroschaal is nodig om op een nat wegdek, vooral bij hogere snelheden, op snelle wijze het water uit het contactvlak band-wegdek af te voeren. De macrotextuur wordt bepaald door de steenafmetingen in het wegoppervlak. De ruwheid en de scherpte van het steenoppervlak zelf bepalen de microtextuur, die

3 251 ervoor zorgt dat de laatste watersporen van die plaatsen kunnen worden afgevoerd, waar hoge vlaktedrukken tussen steen en rubber optreden. Figuur 8.1: Verschillende wegoppervlaktexturen. b. het toeslagmateriaal in het wegdek. Hiervan zijn de volgende grootheden van belang ten aanzien van de stroefheid: - de vorm en de grootte - de weerstand tegen polijsten - de weerstand tegen verbrijzeling - de hechting aan het bindmiddel. Gebroken materialen bezitten in het algemeen een scherp en ruw oppervlak, wat gunstig is voor de textuur en de stroefheid. Onder invloed van het verkeer vindt polijsting plaats, waarvan de mate afhankelijk is van onder meer het soort gesteente en de verkeersintensiteit. Door verbrijzeling en loslaten van aggregaat in het wegoppervlak wordt de stroefheid ongunstig beïnvloed. c. toestand van het wegdek. Op een nat wegdek kan het water het contact tussen band en wegoppervlak gedeeltelijk of geheel verbreken, waardoor de wrijvingscoëfficiënt µ afneemt. Nodig is een snelle afvoer van op de weg aanwezig water en het voorkómen van plasvorming (figuur 8.2). In dit kader is het doel van het afschot van het wegdek relevant: het snel zijdelings afvoeren van het oppervlakwater. Het toegepaste percentage afschot hangt daarbij af van het type wegverharding; zo heeft men bijv. internationaal besloten het afschot voor een asfaltverharding te brengen op 2½%, dit ter meerdere zekerheid tegen plasvorming.

4 252 Figuur 8.2: Gevaar voor plasvorming nabij wegdekmarkering en in rijsporen bij spoorvorming. Ongunstig kan ook de aanwezigheid van verontreinigingen zijn. Zo kan stof met water een emulsie vormen die tijdelijk als een smeermiddel gaat werken (figuur 8.3). Bij voortdurende regenval spoelt het wegdek schoon en neemt de wrijvingscoëfficiënt weer toe. Figuur 8.3: De wrijvingscoëfficiënt als functie van de tijd bij een regenbui na een lange droge periode. Ad 2. Band Het loopvlak van personenautobanden wordt overwegend van synthetisch rubber gemaakt. Het voordeel ten opzichte van het gebruik van natuurrubber is een grotere wrijvingscoëfficiënt door grotere adhesie en hysteresis. Een nadeel is een grotere warmte-ontwikkeling. Voor vrachtautobanden wordt uit economische overwegingen (geringere slijtage) veelal nog natuurrubber toegepast. Het loopvlak van de band moet zodanig geprofileerd zijn dat het water in het contactvlak band-wegdek voldoende snel kan ontwijken; van belang zijn de vorm en de diepte van de profilering.

5 253 Ad 3. Weersgesteldheid Bij stroefheidsmetingen voor wegdekken wordt ervan uitgegaan dat het wegoppervlak middels gladheidsbestrijding sneeuw- en ijsvrij wordt gehouden. De invloed van regen komt naar voren in de vorm van afname van de stroefheid en gevaar van aquaplaning. Aquaplaning is het verschijnsel waarbij een rijdend voertuig op banden bij voldoende hoge snelheid, voldoende grote waterlaagdikte en onvoldoende bandprofiel onbestuurbaar wordt doordat de band in het gehele contactvlak met het wegdek door een waterfilm van de verharding wordt gescheiden. Figuur 8.4 geeft schematisch weer hoe een rubberband over een nat wegoppervlak rolt of glijdt. Hierbij worden 3 zones onderscheiden: zone 1 (geen contact), zone 2 (plaatselijk contact) en zone 3 (droog contact). Naarmate zone 1 groter wordt, treedt afname van de wrijvingscoëfficiënt op, uitmondend in aquaplaning. Dit effect wordt versterkt wanneer een stilstaand wiel snel in rotatie wordt gebracht, hetgeen optreedt bij de landing van vliegtuigen waar dit verschijnsel als eerste is geconstateerd. Figuur 8.4: Schematische voorstelling van een rollende band op een nat verhardingsoppervlak. Ad 4. Snelheid voertuig De invloed van de snelheid van het wiel (voertuig) op de wrijvingscoëfficiënt tussen band en wegdek is op een droog wegdek in het algemeen beperkt. Bij een nat wegdek daalt de wrijvingscoëfficiënt bij toenemende voertuigsnelheid en waterfilmdikte sterk (figuur 8.5). De wrijvingscoëfficiënt wordt slechts dan groter indien de automobilist langzamer rijdt of wanneer de waterlaagdikte geringer wordt (b.v. door afschotverhoging).

6 254 Figuur 8.5: Het verband tussen de snelheid en de wrijvingscoëfficiënt als functie van de waterlaagdikte bij 100% slip en een geprofileerde radiaalband op een cementbetonnen wegdek met fijne textuur. Ad. 5 Wielslip en drifthoek Een wiel kan zodanig worden afgeremd dat uitsluitend langskrachten in het contactvlak band-wegdek ontstaan. Is ω 1 de hoeksnelheid van het afgeremde ω0 ω1 wiel en ω 0 die van een vrij rollend wiel, dan is de wielslip ( ) x 100%. ω0 De grootte van de langskracht varieert met het percentage slip. Daarnaast kan een remmend wiel een zgn. drifthoek maken met de rijrichting (bijv. remmen in een bocht). De opgebouwde spoorkrachten zijn afhankelijk van de grootte van de drifthoek Stroefheidsnormen: Aan de stroefheid in langsrichting worden, uit oogpunt van verkeersveiligheid, minimum eisen gesteld. De in Nederland gehanteerde normen zijn gebaseerd op door de S.W.O.V. (Stichting Wetenschappelijk Onderzoek Verkeersveiligheid) ontwikkelde relaties tussen de stroefheid van een wegdek en de ongevallenkans. In tabel 8.1 zijn karakteristieke waarden gegeven voor de stroefheid van buitenwegen in Nederland, gemeten volgens de standaardmethode van de Dienst Weg- en Waterbouwkunde (DWW) van Rijkswaterstaat. De normen zijn gebaseerd op metingen met een vertraagd wiel met 86% langsslip, waterlaagdikte 0,5 mm, snelheid 50 km/h. De meetband is een in internationaal verband gestandaardiseerde band (geen profiel). Minimumwaarde richtwaarde = afkeurgrens kortingsgrens ,45 0,52 Tabel 8.1: Karakteristieke waarden voor de stroefheid van buitenwegen.

7 255 Indien bij de oplevering van een weg de stroefheid geringer is dan de kortingsgrens, wordt een korting op de aanneemsom toegepast. Is de stroefheid geringer dan de richtwaarde, dan moeten door de aannemer zodanige maatregelen getroffen worden dat de richtwaarde nergens wordt onderschreden. 8.3 Rijkwaliteit en vlakheid: Rijkwaliteit is enerzijds uit te drukken als rijcomfort, dit is een maat voor de hinder die de passagiers in een voertuig ervaren tengevolge van het rijden over een weg. Deze hinder omvat in hoofdzaak de tijdsduur, de frequentie, de verplaatsingsamplitude, de snelheid en de versnelling van de trillingen die de passagiers ondergaan tengevolge van wegoneffenheden. De bewegingen die passagiers ondergaan kunnen worden ontbonden in horizontale en verticale componenten, waarbij middels onderzoekingen is vastgesteld dat voornamelijk de verticale component door de passagier als onprettig wordt ervaren. Anderzijds is rijkwaliteit uit te drukken als veiligheid, dit is een maat van risico voor het sturen van het voertuig. Deze veiligheid omvat in hoofdzaak de relatie tussen (beladen) voertuigeigenschap, rijsnelheid, wegdekeigenschap en stuurcapaciteit van de chauffeur. Bij disharmonie tussen deze factoren ontstaat een gevaarlijke situatie voor het eigen voertuig als ook voor medeweggebruikers. Vlakheid is te definiëren als een maat voor de grootte en aard van relatieve afwijkingen in een wegdek t.o.v. het vooraf gewenste absolute hoogteniveau (bijv. rechte lijn, voetboog, etc.). Bij vlakheid is verder onderscheid te maken in macro- en microvlakheid. Macrovlakheid is bepalend voor de rijkwaliteit naar comfort en veiligheid bij hogere snelheden, terwijl de microvlakheid (= oppervlaktextuur met golflengten tot 3 mm) invloed heeft op de stroef-heid, het wegverlichtingseffect en op de geluidproductie (bandengeluid), dus op de veiligheid. Bij de beoordeling van de vlakheid van de weg wordt normaal de microvlakheid (nog) zelden beschouwd. Daar heden ten dage wegvakken voornamelijk machinaal worden aangelegd, kan reeds een zeer hoge mate van beginvlakheid worden gerealiseerd. De achteruitgang van de vlakheid en rijkwaliteit met de tijd is te beschouwen als een relatie tussen de totale constructie en het verkeer. De wijzigingen van de macrovlakheid ontstaan voornamelijk door (ongelijkmatige) zetting van de ondergrond, permanente deformaties in verhardingsmaterialen als ook scheurvorming en voortgaande bezwijking; uitbrokkeling en oppervlakdesintegratie beïnvloeden de microvlakheid Deformaties in langsrichting: De deformaties van het wegoppervlak in langsrichting worden gewoonlijk geschematiseerd m.b.v. golven. Ze zullen in het algemeen bestaan uit combinaties van golflengten. Dit is in zekere zin een voordeel daar een regelmatig patroon van aanstoting een ongunstige invloed op de rijkwaliteit

8 256 van het wegdek zal hebben (bijv. de regelmatig optredende stoot bij dwarsvoegen in oude cementbetonwegen). Uit metingen, en ook wel uit ervaringen, is bekend, dat afgezien van zeer plaatselijke kuilen en hobbels, bij de meeste typen wegverharding de oneffenheden met grote golflengten steeds een grotere amplitude hebben dan die met kleine golflengten. Daar bij hogere snelheden de trillingsvormen van het voertuig door grotere golflengten worden bepaald, betekent dit dat vergroting van de snelheid op eenzelfde wegdek de versnelling van het voertuig (en inzittenden) zal doen toenemen en de bestuurbaarheid zal doen afnemen. Omgekeerd kan worden gesteld dat, om bij hogere snelheden de versnellingen van het voertuig en inzitttenden en de daarmee gepaard gaande krachten niet te doen toenemen, het wegdek qua (macro)vlakheid aan hogere eisen moet voldoen Deformaties in dwarsrichting: Deformaties in dwarsrichting zijn spoorvorming bij asfalt- en elementenverhardingen, mogelijke onvlakheid t.p.v. een langsvoeg in betonwegen en mogelijke scheurvorming t.p.v. de las van tegen elkaar aansluitende bitumineuze deklagen. Mat name spoorvorming is qua aard en grootte een belangrijke bron van onvlakheid in dwarsrichting. Spoorvorming kan worden omschreven als een wijziging van het dwarsprofiel van een wegdek onder rijdend verkeer in een golfpatroon dat wordt gekenmerkt door golfdalen onder beide rijsporen (figuur 8.6). Zoals reeds in figuur 8.2 werd aangeduid ontstaat hierbij het gevaar voor plasvorming bij nat weer. Figuur 8.6: Schema van het dwarsprofiel van de weg bij spoorvorming. Ook bij droog weer wordt de bestuurbaarheid van een voertuig door spoorvorming bemoeilijkt, vooral bij hoge snelheden of zwaar beladen vrachtautocombinaties.

9 Realisering van de gewenste oppervlakkarakteristieken: Bij de realisering van de gewenste oppervlakkarakteristieken dient onderscheid gemaakt te worden tussen de verhardingstypen, dit als gevolg van de (natuurlijke) eigenschappen van de verhardingsmaterialen Elementenverharding: Betonstraatstenen en straatklinkers worden toegepast voor wegen, waarop de snelheid van het verkeer gering is (woonstraten, ontsluitingswegen). Aan de vlakheid worden dan geen al te hoge eisen gesteld, terwijl stroefheid (gezien de snelheid) en lichtreflectie voldoende zijn. Door het open karakter van de verharding zijn de waterafvoer en waterberging goed. Ten dele worden in oudere binnensteden zgn. kinderkopjes toegepast, een natuursteen welke door zijn polijstgevoeligheid bij nat wegdek onvoldoende stroefheid bezit Betonnen wegdekken: De gewenste textuur voor deze wegdekken wordt verkregen door het verse betonoppervlak te behandelen (bezemen, groeven trekken). Doorgaans zal een goed uitgevoerde betonverharding geen onvlakheid behoeven te vertonen. De diffuse lichtreflectie is door de lichte kleur van het materiaal voldoende Bitumineuze wegdekken: De stroefheid van een wegdek wordt gerealiseerd door de scherpkantige korrels aan het wegoppervlak. Onder invloed van het verkeer slijt het bitumenhuidje eraf, of is in het geheel niet aanwezig nl. wanneer split wordt ingestrooid. Dit laatste vindt daarom bijna altijd plaats op nieuwe dichte wegdekken. De lichtreflectie kan worden verbeterd door het toepassen van lichtgekleurd aggregaat in de deklaag. Bij z.o.a.b. is de stroefheid bij nat weer over het algemeen geen probleem omdat het water door de poriën wordt afgevoerd. Alleen bij nieuw aangelegd z.o.a.b. kan zich bij droog weer een periode voordoen gedurende welke er sprake is van een wat lagere stroefheid. Dat heeft te maken met het feit dat de steenkorrels zijn omhuld met bitumen. Deze bitumenhuid moet eerst van het aggregaat afgesleten zijn wil de micro textuur van het aggregaat bijdragen aan de stroefheid. Afstrooien met split om een zekere aanvangstroefheid te realiseren gaat niet omdat daardoor de poriestructuur verstopt raakt. 8.5 Geluidsproductie van wegdekken: Bronnen van weg-verkeersgeluid zijn niet alleen de motoren en uitlaten van de voertuigen, maar ook het wegdek in combinatie met de banden. Daarom wordt er onderscheid gemaakt in aandrijfgeluid en rolgeluid; dat laatste wordt gegenereerd door de band en het wegdek.

10 258 Met oplopende rijsnelheid neemt het rolgeluid sterk toe, sterker dan het aandrijfgeluid. Vanaf ca. 30 km/h bij personenauto s en ca. 60 km/h bij vrachtauto s gaat het rolgeluid het aandrijfgeluid overstemmen. Ter bestrijding van het rolgeluid moeten de oplossingen dus gezocht worden in de banden en het wegdek. In deze paragraaf wordt slechts ingegaan op de beïnvloeding van het wegdek. Uit akoestische overwegingen volgt dat textuurdiepte en textuurgolflengte grote invloed hebben op de geluidproductie. Beide worden bepaald door de gebruikte korreldiameter, immers hoe kleiner de korreldiameter, hoe geringer de textuurdiepte en hoe geringer de textuurgolflengte. Uit een studie welke is uitgevoerd ten behoeve van VBW-Asfalt (1) blijkt dat indien verschillende wegtypen vergeleken worden met dicht asfaltbeton globaal de verschillen worden gevonden als weergegeven in tabel 8.2. Uit deze tabel blijkt dat z.o.a.b. een bijdrage kan leveren aan de reductie van het rolgeluid. Straatsteenverharding gebezemd cementbeton dicht asfaltbeton zeer open asfaltbeton + 2 tot + 5 db (A) + 2 db (A) 0 db (A) - 3 db (A) Tabel 8.2: Equivalent geluiddrukniveau van verschillende wegdekken vergeleken met dicht asfaltbeton. 8.6 Literatuur: 1. VBW-Asfalt. Asfalt en geluidhinder. Uitgave nr. 9; Breukelen 1986.