3 e CROW-workshop Vliegveldverhardingen. 4/5 november 1997 Schiphol

Transcriptie

1 3 e CROW-workshop Vliegveldverhardingen 4/5 november 1997 Schiphol

2 1 Asfalt op maat voor vliegvelden ir. A.H. de Bondt Ooms Avenhorn bv ir. R.C. van Rooijen Unihorn bv

3 2 Inhoud Pagina Samenvatting/summary 3 1. Inleiding 4 2. Structurele schades op vliegveldverhardingen Scheurvorming 2.2 Spoorvorming 3. Mechanische eisen voor bitumen / asfalt Bitumen-eisen 3.2 Mengsel-eisen 4. Toepassingen Sealoflex gemodificeerd asfalt Schiphol 4.2 Kuala Lumpur International Airport 4.3 Caïro International Airport Conclusie 20 Literatuur 20 Asfalt op maat voor vliegvelden

4 3 Samenvatting Na eerst in te gaan op zowel de structurele schadefenomenen die op vliegveldverhardingen optreden, alsmede de mechanische eisen die hieruit voortvloeien voor zowel bitumen als asfalt, worden in deze bijdrage enkele recente vliegveldprojecten besproken, die in Sealoflex polymeer gemodificeerd asfalt zijn uitgevoerd. Gebleken is dat het met dit bindmiddel mogelijk is, zelfs met locale basismaterialen (bitumen en/of mineralen) van wat mindere kwaliteit, een hoogwaardig asfaltmengsel te maken, dat bestand is tegen scheurdoorgroei en permanente deformatie; zelfs lekkage van kerosine is geen probleem. Taylor-made asphalt for airports Summary First of all, the distresses of a so-called structural nature, usually found on airfield pavements, and the specifications for the bitumen and the asphalt mixture as a result of these phenomena, are discussed. After this, some recent airfield projects are described in which Sealoflex polymer modified asphalt has been applied. It has become clear that by using this type of bitumen it is even possible to utilize local mixture components (bitumen and/or aggregates) of a lower quality, for the production of a high-quality asphalt, that is capable of resisting reflective cracking and permanent deformation; even spillage of jet fuel does not pose any problem. 1. Inleiding Vanwege de toenemende drukte op civiele luchthavens, enerzijds doordat het aantal

5 4 vliegtuigbewegingen jaar na jaar groeit en anderzijds doordat de overheid beperkingen oplegt in de vorm van een verbod op nachtvluchten en bovendien een terughoudend beleid voert m.b.t. de uitbreiding van start- en landingsfaciliteiten, is het duidelijk dat de verhardingen geen spelbreker voor de bedrijfsvoering mogen zijn. Dit betekent dat voor onderhoud weinig tijd beschikbaar is en dit dus zoveel mogelijk vermeden dient te worden en/of zeer snel moet worden uitgevoerd. Vanwege ruimtegebrek zowel in de lucht alsmede op de grond is de verwachting dat vliegtuigen steeds groter en zwaarder zullen worden. Dit laatste houdt in, dat niet alleen door de toenemende drukte het aantal optredende vliegtuigpassages zal toenemen, maar door de grotere vliegtuigen ook het destructieve effect van een enkele passage. Uit het voorgaande is het duidelijk dat allereerst funderingen van vliegveldverhardingen steeds zwaarder uitgevoerd dienen te worden. Hierbij is het tegenwoordig gebruikelijk dat hierin bouw- en sloopafval in cementgebonden vorm verwerkt wordt. Voordelen van deze aanpak zijn de betere spreiding van de lasten naar de ondergrond en het gemak tijdens de uitvoering. Bij een dikke gebonden toepassing kunnen ook variaties in de draagkracht van de ondergrond beter worden vereffend. Het is duidelijk dat bij een zeer buigstijve fundering in theorie slechts een afdichting tegen erosie voldoende zou zijn. Echter, in de praktijk is gezien problemen met wilde scheurgroei (waterindringing) en benodigde oppervlakte-eigenschappen een bedekking van asfalt noodzakelijk. Ook in het geval van onderhoud van allerlei typen vliegveldverhardingen (flexibel, semi-stijf en stijf) wordt in het algemeen asfalt toegepast, vaak vanwege de korte buitendienststelling die dan slechts benodigd is. Indien de (gebonden) fundering een voldoende grote buigstijfheid en een grote vervormingsweerstand heeft, zullen onvlakheden t.g.v. passerende aslasten slechts veroorzaakt kunnen worden door permanente deformatie van de asfaltlagen zelf. Het verminderen hiervan zou dan natuurlijk kunnen door het asfaltpakket dunner te maken. Echter, door de geringere constructiehoogte zullen dan de door de passerende lasten geïnitieerde spanningen toenemen, met eerder optredende scheurvorming als resultaat. Het is dus duidelijk dat de set van mogelijke oplossingen zich binnen een zekere bandbreedte zal bevinden. Een complicatie in het geval van onderhoud is, dat ter plekke van discontinuïteiten (scheuren/voegen) in het oude verhardingsoppervlak, als gevolg van de effecten van passerend verkeer en temperatuur-wisselingen, spanningsconcentraties in de asfaltoverlaging zullen optreden; de scheuren/voegen in het bestaande oppervlak fungeren namelijk als initiatoren. Uit het bovenstaande kan geconcludeerd worden dat per lokatie optimalisering van de verhardingskarakteristieken nodig zal zijn, in het bijzonder in de situatie van onderhoud. In deze bijdrage wordt aangegeven op welke wijze polymeer gemodificeerd asfalt hier in een behoefte voorziet. 2. Structurele schades op vliegveldverhardingen 2.1 Scheurvorming

6 5 Traditionele vermoeiingsscheuren door herhaald optredende trekspanningen aan de onderzijde van de asfaltlagen zijn tegenwoordig amper maatgevend meer voor de dimensionering van een vliegveldverharding; dit vanwege de dikke en stijve funderingen die heden ten dage toegepast worden [1]. Wel is het zo dat een andere vorm van scheurvorming problemen kan geven: reflectiescheurgroei. Dit is het fenomeen dat binnen enkele jaren na het aanbrengen van een laag asfalt het nieuwe oppervlak hetzelfde patroon aan scheuren, voegen en naden te zien geeft als de oude onderliggende lagen. Dit verschijnsel treedt natuurlijk bij cementgebonden funderingen in de nieuwbouwfase ook op. Het doorgroeien van scheuren kan veroorzaakt worden door verkeer, temperatuurwisselingen en ongelijkmatige bewegingen van de ondergrond. De laatstgenoemde factor speelt echter maar zelden een rol bij civiele vliegveldverhardingen. De onderstaande figuur geeft een (uitvergroot) beeld van de vervormingen die optreden indien een wiellast een continue en een discontinue verharding passeert. Het is duidelijk dat door de aanwezigheid van een scheur, voeg of naad een forse spanningsconcentratie ontstaat in het nieuwe (nog) maagdelijke asfalt. Figuur 1 Effect van discontinuïteit Scheurdoorgroei in asfaltverhardingen wordt vaak geanalyseerd m.b.v. de zogeheten wet van Paris, welke luidt: met: c = scheurlengte (mm) N = aantal lastwisselingen A,n = materiaalparameters K I,eq = equivalente mode I spanningsintensiteitsfactor (N/mm 1.5 )

7 6 Hierin beschrijft de grootheid K het spanningsveld rondom de tip van de zich voortplantende scheur (= drijvende kracht achter het scheurdoorgroeiproces) en wordt de weerstand van het asfalt hiertegen gekarakteriseerd door de parameters A en n. In de equivalente spanningsintensiteitsfactor zijn de afzonderlijke componenten door buiging K I ( mode I ) en afschuiving K II ( mode II ), die kunnen optreden, verwerkt. In het unieke geval dat een wiel boven een scheur staat treedt natuurlijk alleen buiging ( mode I ) op. Uitgebreide analyses [2] hebben uitgewezen dat bij verhardingsconstructies die een grote mate van doorbuiging vertonen, deze laatste lastpositie de grootste equivalente spanningsintensiteitsfactor tijdens de gehele passage oplevert. In het geval van een geringe doorbuiging is de lastpositie net naast de discontinuïteit bepalend. Het is duidelijk dat in het geval van thermisch geïnduceerde reflectiescheurgroei slechts waarden van de factor K I zullen voorkomen. De spanningsintensiteitsfactoren kunnen m.b.v. speciale eindige elementenmethode-programmatuur zoals CAPA [3] en CRACKTIP [4] berekend worden; helaas is dit ondanks grote sprongen voorwaarts nog steeds een tijdrovend en complex proces. De waarden van K I en K II nemen toe met toenemende stijfheid van het omliggende materiaal en toenemende grootte van de relatieve verplaatsingen juist achter de tip van de zich voortplantende scheur [5]; deze laatste betreffen opening ( mode I ) en/of slip ( mode II ). Het is dus duidelijk dat in minder stijf asfalt, de drijvende kracht achter het scheurdoorgroeiproces geringer is. Wel moet bedacht worden dat bij verkeersbelastingen een lagere asfaltstijfheid vaak inhoudt dat de doorbuiging van de gehele verhardingsconstructie groter wordt, wat op zich een negatief effect op de K- factoren heeft. Inzicht in dit laatstgenoemde effect kan verkregen worden via het model zoals getoond in figuur 2. Indien de combinatie asfalt + fundering wordt gezien als een half-oneindige balk die op (verticale) veren opgelegd is, kan m.b.v. de elasticiteitstheorie afgeleid worden [2], dat het verticale verplaatsingsverschil )v over een voeg, t.g.v. een gelijkmatig verdeelde belasting juist aan de rand, gelijk is aan: met: q 0 = gelijkmatig verdeelde belasting (MPa) k = beddingconstante ondergrond ((N/mm)/mm 2 ) ß = (k/4ei) ¼, reciproke van dempingslengte (1/mm) EI = buigstijfheid asfalt + fundering (Nmm 2 ) a = lengte waarover belasting aangrijpt (mm)

8 7 Figuur 2 Modellering van effect voeg Uit deze vergelijking is het duidelijk dat met toenemende buigstijfheid EI (afnemende waarde voor ß), de verplaatsing aan de vrije rand minder zal zijn. Dit zou kunnen betekenen dat in het geval van een dikke en stijve bestaande verharding, het effect van de stijfheid van het asfaltmengsel dat wordt gebruikt ter overlaging, op de doorbuiging nabij de voeg van gering belang is. In zo n situatie kan met het oog op scheurdoorgroei (K eq -waarden!) de nieuwe asfaltlaag dus beter een niet al te hoge stijfheid bezitten. Uit het bovenstaande kan geconcludeerd worden, dat in het geval van te verwachten reflectiescheurgroei, optimalisatie m.b.t. de stijfheid van het toe te passen asfaltmengsel mogelijk is. Elk materiaal in een verharding is onderhevig aan temperatuurschommelingen. Indien de lucht een sterke daling in temperatuur vertoont, kan spontane scheurvorming optreden binnen één van de lagen waaruit de constructie is opgebouwd; dit doordat krimp in meer of mindere mate wordt verhinderd. In het geval van volledige verhindering zal een spanning ter grootte van: E A " A )T worden ontwikkeld binnen elke laag (met E: stijfheid, ": uitzettings coëfficiënt en )T : temperatuurdaling), welke natuurlijk maximaal is aan de bovenzijde van het asfalt, aangezien de temperatuursprong hier het grootst is. Uit het bovenstaande is het duidelijk dat zogeheten lage temperatuurscheurvorming verhinderd kan worden door een combinatie van een (relatief) slap asfaltmengsel met een hoge treksterkte F t ; bij volledige verhindering is het criterium: F t /E > " A )T. In de situatie dat de verhardingsconstructie bestaat uit (stijve) discontinue lagen, die bedekt zijn met asfalt, treedt in het geval van in de tijd optredende temperatuurvariaties, het verschijnsel op dat deze lagen een openscheurende actie uitoefenen op de asfaltdeklaag. M.b.v. elementaire staaftheorie kan afgeleid [2] worden, dat voor het simpele geval dat een continue asfaltlaag, die via afschuifveren verbonden is met stijve platen met een zekere lengte L, die wrijvingsloos over de ondergrond kunnen bewegen (zie figuur 3), de trekspanning in het asfalt boven de voeg, die optreedt als gevolg van een temperatuurdaling in de platen, gelijk is aan:

9 8 met: F asfalt = trekspanning in asfalt (MPa) E asfalt = stijfheid asfalt (MPa) k if = afschuifstijfheid interface ((N/mm)/mm 2 ) h asfalt = dikte asfalt (mm) " plaat = uitzettingscoëfficiënt materiaal plaat (-//C) )T plaat = temperatuurdaling in plaat (/C) L = plaatlengte (m) De lineaire afschuifveren met stijfheid k if (= schuifspanning / slip) beschrijven de mate van wrijving tussen asfalt en onderliggende platen. Via de hoeveelheid en het type kleef materiaal is deze stijfheid te beïnvloeden. Door de aanwezige bitumineuze component is er een afhankelijkheid van temperatuur en verplaatsingssnelheid; de waarde kan simpel bepaald worden door kernen in een afschuifmal te beproeven [2]. Figuur 3 Asfalt op discontinue lagen Uit de bovenstaande vergelijking is duidelijk dat in de situatie van thermisch geïnduceerde bewegingen, een slap asfaltmengsel dat enigszins kan glijden over de bestaande discontinue verharding, te prefereren is. 2.2 Spoorvorming Ofschoon scheurvorming een belangrijk item is, mag niet vergeten worden, dat permanente deformatie in de vorm van spoorvorming ook zo min mogelijk dient op te treden. In de onderstaande figuur wordt voor een flexibele verhardingsconstructie bestaande uit 250 mm asfalt (stijfheid 2500 MPa) op een ondergrond met een stijfheid van 100 MPa, de verticale en de horizontale spanning beide tegen de diepte uitgezet, juist onder de 100 kn last, die verdeeld is over een cirkel met straal 150 mm.

10 9 Figuur 4 Berekende spanningen in een flexibele verharding

11 In de figuren kunnen ruwweg drie gebieden worden onderscheiden: 1: boven - grote verticale druk, maar goede opsluiting 2: midden - lagere verticale druk, echter geringe/geen opsluiting 3: onder - geringe verticale druk, maar trek horizontaal 10 Vaak wordt aangenomen dat voor het hierboven geschetste constructie-type (asfalt op granulaire materialen), de asfaltkarakteristieken op een diepte beneden het oppervlak van 40 tot 80 mm, maatgevend zijn m.b.t. het schadebeeld primaire spoorvorming. In het geval van een stijvere ondersteuning, door het toepassen van cementgebonden funderingen, zal het spanningsverloop in de asfaltlaag als volgt wijzigen: de verticale spanningen in het asfalt (!) zullen minder snel in de diepte afnemen, daar de belasting minder door het asfalt gespreid wordt; dit is ongunstig. Echter, de trekcomponent van de horizontale spanningen in het asfalt vervalt, met andere woorden, de opsluitspanningen worden groter. Uitgebreid triaxiaal-onderzoek zal nodig zijn om het netto-effect van deze verandering proefondervinderlijk te achterhalen. In de volgende paragraaf wordt ingegaan op de mechanische eisen die tegenwoordig aan bitumen in het algemeen en aan asfaltmengsels in het bijzonder voor vliegveldverhardingen worden gesteld. 3. Mechanische eisen voor bitumen / asfalt 3.1 Bitumen-eisen Binnen SHRP-verband zijn in het kader van SUPERPAVE [6] de volgende eisen gesteld aan de mechanische eigenschappen van het te gebruiken bitumen, te weten: permanente deformatie: In de DSR ( Dynamic Shear Rheometer ), een krachtgestuurde schuifproef op bitumen, dient bij een oscillatie-snelheid van 10 rad/s en een door de toepassing bepaalde temperatuur T hoog, de grootheid G* / sin * groter te zijn dan 1.0 kpa voor het originele bitumen en groter te zijn dan 2.2 kpa voor het verouderde bitumen (RTFO-procedure). Hierbij is G* de complexe glijmodulus en * de fasehoek. Uit deze eisen is het duidelijk dat gezocht wordt naar een bitumen, die onder deze omstandigheden stijf en elastisch is. vermoeiingsscheurvorming: In de DSR-opstelling wordt bij een oscillatie-snelheid van 10 rad/s en een specifieke temperatuur, geëist dat G* A sin * kleiner is dan 5000 kpa (na RFTO en PAV). Dit houdt in dat gestreefd wordt naar een elastische bitumen met een

12 11 niet al te hoge stijfheid. lage temperatuurscheurvorming: In de BBR ( Bending Beam Rheometer ), een verplaatsingsgestuurde monotone buigproef, uitgevoerd op verouderde bitumen (RTFO en PAV), dient de kruipstijfheid na 60 s, bij een beproevingstemperatuur T laag + 10 /C, lager te zijn dan 300 MPa. Bovendien moet de helling m van de curve kruipstijfheid tegen belastingtijd (logaritmisch uitgezet) groter zijn dan 0.3. Dit houdt in dat in feite alleen de bitumenstijfheid gelimiteerd is. Gezien het fenomeen dat speelt (zie paragraaf 2.1) lijkt dit vreemd. Later is echter toegevoegd dat indien de kruipstijfheid ligt tussen 300 en 600 MPa, het bitumen alsnog voldoet, indien in een directe trekproef ( DTT ), blijkt dat na uitvoeren bij dezelfde temperatuur, de bezwijkrek groter is dan 1.0 %. Opvallend is het gebrek aan een direct criterium voor het schadeverschijnsel reflectiescheurgroei. Dit is inmiddels erkend en hier wordt dan ook aan gewerkt. Interessant te vermelden is dat de bovengenoemde SUPERPAVE-specificaties hetzelfde zijn voor alle performance grades. Echter, de temperatuur waarbij deze eigenschappen moeten worden bereikt, varieert, afhankelijk van de lokale omstandigheden (temperatuurcondities en hoeveelheid verkeer), waaronder het bitumen zal worden gebruikt. Een PG grade is bijvoorbeeld geschikt om gebruikt te worden bij snel rijdend verkeer, voor een aantal standaardaslasten kleiner dan 10 7 en in een omgeving waarin de gemiddelde zevendaagse maximum ontwerptemperatuur op 20 mm beneden het verhardingsoppervlak (T hoog ) 52 /C is en de minimum ontwerptemperatuur aan het oppervlak (T laag ) -40 /C. Voor Nederland met zijn breedtegraad van 52 / is T hoog uitgaande van een zevendaagse maximum luchttemperatuur van 30 /C gelijk aan 47 /C en die van T laag op basis van een minimum luchtemperatuur van -20 / gelijk aan -16 /C [6]. Een positief aspect van het bovengenoemde stelsel van eisen is, dat een producent van polymeerbitumen (PMB) uitgaande van welk type basisbitumen dan ook, dit kan opwerken tot een bepaalde performance grade, zoals beschreven door Srivastava en Baumgardner [7]. Het is natuurlijk duidelijk dat voor vliegvelden dit alleen niet voldoende is; de interactie met het aggregaat dient ook te worden meegenomen. 3.2 Mengsel-eisen Aangezien bij de huidige vliegveldverhardingen scheurdoorgroei en permanente vervorming de kritische factoren voor het asfalt zijn, worden de eisen voor de mengsels hier natuurlijk op afgestemd. M.b.t. het criterium scheurdoorgroei is het duidelijk dat in feite de parameters A en n van een asfaltmengsel bekend dienen te zijn; dit voor specifieke omstandigheden (temperatuur en frequentie). Deze weerstandsparameters kunnen bepaald worden uit

13 12 cyclische directe trekproeven, waarbij het scheurverloop c wordt geregistreerd als functie van het aantal lastherhalingen N. Aangezien voor deze testconfiguratie de verdeling van de spanningsintensiteitsfactor K I bekend is, kunnen de waarden van A en n simpel verkregen worden door log (dc/dn) grafisch uit te zetten tegen de parameter log A + n A log (K I ). De waarde van A is dan de doorsnijding bij de as en die van n de helling van de lijn. Proeven, zoals gerapporteerd door Srivastava c.s. [8] gaven aan dat toepassing van Sealoflex SBS-polymeer gemodificeerde bitumen het effect had, dat de waarde van A slechts een kwart van die van het conventionele standaard-asfalt was, terwijl n constant bleef. Dit houdt, onafhankelijk van de toepassing (type constructie), een levensduurverlenging in met een factor 4. Een nadeel van de bepaling van de weerstandsparameters A en n op bovengenoemde wijze is, dat dit tijdrovend is en bovendien nog kostbare servo-hydraulische apparatuur vereist. Onderzoek van Jacobs [9] heeft gelukkig uitgewezen dat voor ontwerpdoeleinden A en n ook kunnen worden bepaald via de volgende procedure: beschrijf voor een specifieke temperatuur de relatie tussen S mix (mengselstijfheid) en de belastingfrequentie f op een dubbel-logaritmische schaal aan de hand van laboratoriumproeven (directe trek-, indirecte trek- of buigconfiguratie); deze exercitie levert direct de helling m op, de waarde van n kan dan worden bepaald via: n = 2/m, een indirecte trekproef (splijtproef) geeft de treksterke F t en de splijtenergie per oppervlak ' (eenheid: (Nmm)/mm 2!), de waarde van A volgt dan uit: waarin a, b, c en d constanten zijn. Voor een beperkt aantal asfaltmengsels zijn waarden voor de constanten a, b, c en d bekend [9]. Interessant te melden is dat volgens Jacobs voor de typische constructiematerialen zoals asfalt en beton, de volgende karakteristieke relatie bestaat tussen A en n: log A = a A + b A A n. De waarde van de coëfficiënten a A en b A varieert per mengsel. Figuur 5 toont de relaties, zoals die gevonden werden voor een standaardmengsel en een met Sealoflex SFB5-50 gemodificeerd asfaltmengsel.

14 13 Figuur 5 Effect van polymeer-modificatie [9] In de praktijk van vliegveldverhardingen wordt aan asfaltmengsels m.b.t. het criterium scheurvorming, tegenwoordig een eis gesteld m.b.t. de minimale waarde van F t en ', welke dan verkregen wordt uit makkelijk uit te voeren indirecte trekproeven. Het niveau van deze minima hangt natuurlijk af van de locale situatie (kenmerken constructie, verkeersbelasting, type ondergrond en klimaat). Gezien het viskeuze karakter van asfalt is het duidelijk dat de permanente vervorming die in een verharding in de loop der tijd ontstaat, afhankelijk is van de opgelegde frequentie en dus de rijsnelheid van het verkeer. Figuur 6 toont indicatief voor twee willekeurige waarden van de viscositeit 0, het grote effect van rijsnelheid op de grootte van de spoordiepte, zoals dat kan worden bepaald met het programma VEROAD [10]. Figuur 6 VEROAD berekeningsresultaten De bovengenoemde viscositeit 0 kan worden verkregen door de relatieve permanente vervorming (t.o.v. de initiële hoogte) van een asfaltproefstuk te registreren dat bij een specifieke temperatuur onderhevig is aan pulserende drukbelastingen. De waarde van 0 volgt dan uit de volgende relatie: F = 0 A d, p /dt, waarin F de opgelegde spanning is en d, p /dt de helling van het vervormingscurve. Een veelgebruikte laboratoriumopstelling voor het onderzoek naar spoorvorming is de zogeheten dynamische kruipproef (of beter gedefinieerd: cyclische drukproef). Het

15 14 lineaire gedeelte van de vervormingscurve die wordt verkregen, kan direct voor de bepaling van de waarde van 0 gebruikt worden. Er moet echter wel beseft worden dat deze 0 strikt genomen slechts geldig is voor de spanningscondities (verticaal t.o.v. horizontaal), zoals die zich in de proef voordeden (meestal uniaxiale druk). Figuur 7 geeft waarden voor 0, zoals verkregen zijn uit cyclische drukproeven, uitgevoerd op Duitse mengsels met verschillende bitumina [11]. De basiseigenschappen van de gebruikte bitumina worden gegeven in tabel 1. Mits niet voortijdig bezweken, waarvoor als criterium 7.5 % permanente vervorming werd gehanteerd, duurde iedere proef lastherhalingen. Figuur 7 Gemeten viscositeits waarden [11] bitumen pen (na terugwinning) ABI-mengsel pen (na terugwinning) SMA-mengsel B PMB 45 A SFB PMB 65 A - 54 Tabel 1 Basis-eigenschappen bitumen [12] De keuze voor een aantal lastwisselingen van is gebaseerd op het feit, dat de helling van de vervormingscurve dan nauwkeuriger te bepalen is. De PMB 45 A en PMB 65 A zijn twee standaardtypen gemodificeerde bitumen uit Duitsland; beide zijn een lichte vorm van modificatie. Bitumen 65 A is een conventioneel bitumen. Uit de staafdiagrammen is het duidelijk dat de weerstand tegen permanente deformatie, gekarakteriseerd in termen van de waarde van de viscositeit 0, toeneemt in de volgorde B65 - PMB 65 A - PMB 45 A - SFB5-50; dit voor beide asfaltmengsels. Interessant is ook het feit dat blijkt dat het type modificatie van invloed is op de spreiding in proefresultaten.

16 15 Aangezien asfalt zich tijdens de eerste lastpulsen enigszins gaat herschikken, vertonen vervormingscurves van kruipproeven altijd initieel een sterke toename, voordat het lineaire gedeelte bereikt wordt. Dit kan maatgevend zijn indien zeer strenge spoordiepte-criteria worden gehanteerd. Dit is dan ook de reden dat vaak bij vliegveldverhardingen de totale permanente rek wordt gehanteerd. Afhankelijk van de lokale situatie mag deze na een zeker aantal lastherhalingen een aangegeven waarde niet te boven gaan. Een alternatieve aanpak is dat bij een dubbel-logaritmische presentatie van de proefresultaten, volgens: log (, p ) = a + b A log (N), de doorsnijding aan de verticale as (a) en de helling (b) aan een maximum zijn gebonden. In de volgende paragraaf worden enkele toepassingen van Sealoflex op vliegvelden besproken, waarbij wordt ingegaan hoe aan de door de verhardingsadviseur gestelde eisen is voldaan. 4. Toepassingen Sealoflex gemodificeerd asfalt 4.1 Schiphol Na enige problemen met de tot dan toe gebruikte polymeermodificatie, besloot de luchthaven Schiphol in 1993 tot een uitgebreid onderzoek naar een optimaal gemodificeerd asfaltmengsel voor de taxibanen van de nieuwe D-pier. Er werd gezocht naar een bitumen dat in staat was een besparing van 70 mm asfalt te genereren op een standaard en in het verleden naar tevredenheid functionerende verhardingsconstructie die opgebouwd is uit 270 mm asfalt op een gekerfde 650 mm dikke cementgebonden fundering op 300 mm zand; dit alles op een weinig draagkrachtige ondergrond (CBR 2 à 5 %). Bij een reductie in asfaltdikte van 270 mm naar 200 mm was namelijk gebleken dat gemodificeerd asfalt economisch aantrekkelijk zou zijn. Qua belasting diende uitgegaan te worden van equivalente bewegingen van een MD-11. Als maatgevende schades werden in beschouwing genomen: scheurdoorgoei vanuit de cementgebonden fundering en primaire spoorvorming. Indien op basis van deze aspecten gemodificeerd asfalt in een dikte van 200 mm toepasbaar zou zijn, dan zou ook nog het extra voordeel van een superieure duurzaamheid ter beschikking komen. M.b.t. het schadecriterium scheurdoorgroei werd door de adviseurs van de luchthaven Schiphol gekozen voor de splijtproef bij een temperatuur van 0/C en een verplaatsingssnelheid van 0.85 mm/s [13]. De gestelde eis en de gemeten waarden voor de splijtsterkte en de splijtenergie per oppervlak (ook wel scheurtaaiheid genoemd) van de Sealoflex -modificatie worden vermeld in onderstaande tabel. asfaltmengsel splijtsterkte (MPa) splijtenergie / oppervlak ((Nmm)/mm 2 ) DAB met SFB

17 16 OAB met SFB eis Tabel 2 Splijtproefresultaten Schiphol [13] M.b.t. het aspect permanente deformatie werden dynamische kruipproeven gedaan bij een temperatuur van 40 /C, een belasting van 0.4 MPa en een last/rust verhouding van 0.5 versus 3.5 s. In de onderstaande figuur worden de resultaten hiervan weergegeven. Duidelijk is dat de standaardmengsels vrij snel na aanvang te veel permanente deformatie vertonen, terwijl de Sealoflex -mengsels aan de gestelde eis voldoen, ook qua helling van de lijn. Figuur 8 Resultaten spoorvormingsonderzoek [13] Op basis van een vergelijkend onderzoek met verschillende polymeer-modificaties werd Sealoflex gemodificeerde bitumen gekozen als het standaard bindmiddel voor de luchthaven Schiphol. 4.2 Kuala Lumpur International Airport Het nieuwe vliegveld van Kuala Lumpur, in eerste instantie geschikt voor 25 miljoen passagiers per jaar (zie onderstaande figuur) zal naar verwachting in gebruik worden genomen begin 1998.

18 17 Figuur 9 Overzicht Kuala Lumpur International Airport De twee start- en landingsbanen zijn door de verhardingsadviseur NACO bv, ieder ontworpen op een te verwachten verkeersbelasting van equivalente vliegtuigen van het type MD-11. De verhardingsconstructie bestaat uit 150 mm polymeer gemodificeerd asfalt op een 100 mm dik gap-graded asfaltmengsel met grof aggregaat (0-25 mm), veel holle ruimte (een minimum van 20 %) en relatief weinig bindmiddel ( % m/m). De laatstgenoemde laag dient als scheurstopper ( Crack Relief Layer ), daar een cementgebonden fundering (dikte 450 mm) is gebruikt als voornaamste drager van de asfaltlagen. Hieronder bevindt zich een laag van 550 mm granulair materiaal op een slechte ondergrond (CBR 2%). De luchttemperatuur in Kuala Lumpur varieert tussen 19 en 38 /C; de relatieve vochtigheid ligt tussen 24 en 100 %. De regenval kan soms oplopen tot 120 mm/uur. In het bestek werden een aantal SUPERPAVE-eisen gesteld voor het bindmiddel. Dit moest namelijk o.a. voldoen aan de eisen voor PG 76 (eisen voor lage temperatuur zijn hier natuurlijk niet relevant). Met lokale bitumen en de Sealoflex modificatie-techniek is Ooms Avenhorn er in geslaagd een bindmiddel te maken dat aan alle eisen voldeed. Op grond hiervan en het feit dat deze bitumen ter plekke gemaakt kan worden m.b.v. semi-mobiele installaties, zoals die door Ooms Avenhorn bv ontwikkeld zijn, is Sealoflex gekozen als bindmiddel voor een groot deel van de asfaltlagen. Het inzetten van semi-mobiele installaties heeft als voordeel dat goed ingespeeld kan worden op de lokaal beschikbare bitumen; dit bespaart transportkosten. De mechanische eisen, zoals die door de adviseur NACO bv gesteld werden aan het asfaltmengsel (DAB 0/25), waren: stijfheidsmodulus (proef-astm 4123): > 2500 MPa bij 25 /C treksterkte in splijtproef: > 1.0 MPa bij 25 /C splijtenergie / oppervlak: > 8.0 (Nmm)/mm 2 bij 25 /C stijfheidsmodulus in statische kruipproef: > 75 MPa

19 18 na 60 minuten bij 40 /C en een belasting van 0.3 MPa De holle ruimte van het asfaltmengsel moest in verband met duurzaamheid liggen tussen 1.5 en 2.0 %. In de mengselontwerpstudie is aangetoond dat Sealoflex aan deze strikte specificaties kon voldoen [14]. Interessant te melden is dat een additionele eis werd gesteld m.b.t. de bestendigheid tegen kerosine. Dit is geverifieerd door van Marshall-tabletten die 24 uur ondergedompeld zijn geweest in kerosine, na 24 uur drogen het massaverlies te bepalen. Dit mocht niet meer bedragen dan 1 %. Vanwege dit aspect is dan ook een vliegtuigbrandstofbestendig Sealoflex gebruikt, genaamd: SFB 5-JR. Dit mengsel gaf een massaverlies van 0.2 % te zien na 24 uur, wat ruimschoots beneden de toegestane waarde zit. Ter illustratie: ongemodificeerde bitumina vertonen waarden variërend tussen 7 en 10% [15]. 4.3 Caïro International Airport Om in de pas te blijven met de huidige ontwikkelingen was het noodzakelijk dat het drukste vliegveld van het Midden-Oosten aangepast werd. Dit hield in dat de start- en landingsbanen verbreed dienden te worden (zie onderstaande figuur). Bovendien was een nieuw verhardingsoppervlak nodig, daar de huidige deklaag grotendeels verweerd was. Dit vindt o.a. zijn oorzaak in de matige kwaliteit van de Egyptische bitumensoorten en de bijzonder intensieve zonnestraling (ultraviolette straling); het bindmiddel van de bestaande deklaag bleek een lage penetratie (10 à 20) en een hoge verwekingstemperatuur Ring & Kogel (70 à 80 /C) te bezitten. De bestaande constructie bestond uit een laag van 300 mm asfalt op 400 mm ongewapend cementbeton met als ondergrond een stevig zand/klei mengsel (CBR 15 %). Figuur 10 Overzicht Caïro International Airport Uitgaande van de luchttemperaturen, zoals die in deze zeer warme regio kunnen optreden, kan afgeleid worden, dat de SUPERPAVE -specificaties bij een maximum -temperatuur van 76 /C (T hoog ) en een minimum -temperatuur van 0 /C (T laag ) gehaald dienen te worden, m.a.w. een PG bitumen is nodig. Een lokale PG bitumen is hiertoe m.b.v. Sealoflex modificatie-technieken opgewaardeerd tot een PG M.b.t. het mengsel (DAB 0/19) werden, uitgaande van een levensduurverlenging van de huidige constructie met 20 jaar, naast kerosinebestendigheid, door de adviseur NACO bv, de volgende mechanische eisen gesteld:

20 stijfheid (ASTM 4123): < MPa (0/C) en > 2500 MPa (25 /C) treksterkte in splijtproef: > 3.5 MPa (0/C) en > 1.0 MPa (25 /C) splijtenergie / oppervlak: > 10.0 (Nmm)/mm 2 (bij 0 en 25 /C) permanente vervorming in cyclische kruipproef: < 1.5 % na lasten bij 40 /C en een belasting van 0.4 MPa (blok - rust: s) + helling bij weergave op log-log schaal: < De onderhoudsmaatregel, die eind 1997 wordt uitgevoerd, bestaat uit: frezen van de bestaande deklaag tot een diepte van 50 mm, lokale versterking m.b.v. makkelijk en snel aan te brengen asfaltwapening (type GlasGrid) daar waar scheurvorming zichtbaar is, vervolgens het aanbrengen van 50 mm zeer open asfalt ( Crack Relief Layer ), en uiteindelijk overlagen met 120 mm gemodificeerd asfalt. Aangezien ook een verbreding van de bestaande banen nodig was, zou ter plekke van de aansluiting oud/nieuw een probleem op het vlak van scheurdoorgroei kunnen ontstaan. Effecten van verkeer en ongelijkmatige zettingen zijn berucht bij constructie-naden. In dit specifieke geval werden deze factoren echter van minder belang geacht, gezien het feit, dat vliegtuigen zelden aan de rand van de baan rijden en de ondergrond een goede kwaliteit had. Als zijnde maatgevend is het effect van een in korte tijd (12 uur) optredende temperatuurdaling aan het verhardingsoppervlak ter grootte Figuur 11 Opgelegde daling in temperatuur in 12 uur van 30 /C, op de spanningsintensiteitsfactoren die in de overlaging boven de voeg worden opgewekt, onderzocht. Met behulp van de relatie, zoals opgesteld door Jayawickrama c.s. [16], is allereerst de verdeling van de temperatuurdaling in de diepte bepaald (zie figuur 11). Het is duidelijk dat met toenemende diepte een sterke demping optreedt; op een afstand van 0.6 m is geen effect meer zichtbaar. Vervolgens zijn de verkregen temperatuurdalingen met behulp van het eindige elementenmethodeprogramma CAPA [3] opgelegd aan de verschillende lagen van de gemodelleerde constructie. Figuur 12 toont de hierdoor optredende vervormingen van het gehele elementennet sterk uitvergroot weer.

21 20 Figuur 12 Vervormingen gehele elementennet Duidelijk is het openscheurende effect van de discontinue lagen te zien, zoals reeds beschreven in paragraaf 2.1. Uit de berekende spanningsintensiteitsfactoren leek het, dat het wellicht zinvol was om een asfaltwapening toe te passen. Het aanbrengen van een wapening in een situatie als deze beïnvloedt de optredende thermische bewegingen nauwelijks, echter de hierdoor ontwikkelde krachten worden daardoor gunstiger verdeeld. De wapening dient dan wel een voldoend grote rekstijfheid (EA) te bezitten. Uit extra berekeningen bleek dat ter verkrijging van een duurzaam scheurvrije aansluiting oud/nieuw, het inderdaad beter was om een stijve wapening toe te passen; de scheur in de overlaging vertoont dan een geringere mate van opening (zie figuur 13). Experimenten in het laboratorium, zoals gerapporteerd door Francken en Vanelstraete [17] hadden dit effect voor enigzins soortgelijke omstandigheden ook al aangetoond. Conclusie Figuur 13 Detail van elementennet bij tip van scheur Met behulp van de Sealoflex -technologie is het in de praktijk mogelijk gebleken om met locale componenten (mineralen en bitumen!) een hoogwaardig asfaltmengsel te maken, dat zowel bestand is tegen scheurdoorgroei alsmede permanente deformatie;

22 21 zelfs kerosine is geen probleem. De bitumen kan door middel van semi-mobiele installaties ter plekke gefabriceerd worden. Vanwege deze bijzondere eigenschappen is het toegepast onder allerlei klimatologische omstandigheden op verschillende continenten, zoals: Europa (Schiphol), Noord-Amerika (USA: Illinois - Michigan, waaronder het zeer drukke Chicago O Hare), Azië (Kuala Lumpur), Australië (Melbourne - Sydney) en Afrika (Caïro); in de laatste 9 jaar in totaal op 30 verschillende (grote en kleine) vliegvelden. Dankwoord De luchthaven Schiphol en NACO bv worden bedankt voor het beschikbaar stellen van informatie. Literatuur 1. Nataraj, A.R. Mechanical Properties of Modified Asphaltic Concretes. 5 th Eurobitume Congress, Stockholm, de Bondt, A.H. Anti-Reflective Cracking Design of (Reinforced) Asphaltic Overlays. Proefschrift (in afronding), Scarpas, A., de Bondt, A.H., Molenaar, A.A.A. en Gaarkeuken, G. Finite Elements Modelling of Cracking in Pavements. RILEM Conference on Reflective Cracking, Maastricht, Jayawickrama, P.W. en Lytton, R.L. Methodology for Predicting Asphalt Concrete Overlay Design Life against Reflective Cracking. Texas Transportation Institute, College Station - Texas, USA, Ingraffea, A.R. en Manu, C. Stress-Intensity Factor Computation in Three Dimensions with Quarter- Point Cracktip Elements. International Journal on Numerical Methods in Engineering, Vol. 12, SUPERPAVE - Performance Graded Asphalt Binder Specification and Testing - Series No.1 (SP-1). Asphalt Institute. 7. Srivastava, A. en Baumgardner, G.L. Polymer Modified Bitumen and Related Functional and Performance Based Properties. Eurasphalt & Eurobitume Congress, Strasbourg, Srivastava, A., Hopman, A. en Molenaar, A.A.A. SBS Polymer Modified Asphalt Binder and its Implications on Overlay

23 22 Design in Polymer Modified Asphalt Binders by Wardlaw/Shuler, ASTM - STP 1108, Jacobs, M.M.J. Crack Growth in Asphaltic Mixtures. Proefschrift, Technische Universiteit Delft, VEROAD karakteristieken - brochure Unihorn, van Rooijen, R. Laboratory Tests on German ABI 0/22 and SMA 0/11 Mixtures. Report , Unihorn bv, Untersuchung über die Standfestigkeit von Asphaltbinder 0/22 und Splittmastixasphalt 0/11S unter Verwendung polymermodifizierter Bindemittel. Gutachten Nr. 9619, Asphalt-Labor Arno J. Hinrichsen GmbH & Co, Molenaar, A.A.A., v.d. Meent, A., Mul, N.C., Nataraj, A.R. en Don, W. Design of Polymer Modified Asphalt Mixtures for Amsterdam s Schiphol Airport. 9th AAPA International Asphalt Conference, Australië, Hopman, P.C. Characterization of Sealoflex -Modified Bitumen and Asphaltic Mixes. Technische Universiteit Delft, Nataraj, A.R. Design of Pavements Cairo International Airport. NACO bv, Jayawickrama, P.W., Smith, R.E., Lytton, R.L. en Tirado, M.R. Development of Asphalt Concrete Overlay Design Equations. Texas Transportation Institute, College Station - Texas, USA, Francken, L. en Vanelstraete, A. Laboratory Testing and Numerical Modelling of Overlay Systems on Cement Concrete Slabs. RILEM Conference on Reflective Cracking, Maastricht, 1996.