CHW Korte toelichting Colleges Asfalt (10 paginas)

Transcriptie

1 CHW Korte toelichting Colleges Asfalt (10 paginas) Literatuur Road Engineering Lectures Lecture notes College Windesheim (notes from Molenaar and Houben) Lecture Notes CT3041 CT3041 Geometrisch en constructief ontwerp van wegen en spoorwegen Deel C: Constructief ontwerp van wegen. Relevante stukken uit het dictaat: Onderwerp Hoofdstuk bladzijden Bitumina Asfaltmengsels 4.10, 4.11, 4.12, App , Asfaltverhardingen Levensduurberekeningen Uitvoering en kosten van asfalt verhardingen Mijn presentatie gecopieerd door studenten tijdens de colleges van USB en ook beschikbaar bij CHW als CD. Introductie bedrijfstak Doel van de colleges Wegen verschillen niet alleen in verkeerskundig opzicht (breedte, aantal rijbanen en stroken), maar ook in constructieve zin. De plaatselijk optredende verkeers- en belastingspatronen leiden, in samenhang met de draagkracht van de ondergrond, tot een verschillende opbouw van de constructie. De eisen die het verkeer stelt aan een weg zijn dus belangrijk.de verkeerskundige hoeft geen constructief ontwerper van wegen te zijn, maar het is wel belangrijk dat hij begrip heeft wat er omgaat in de sector en hoe belangrijk zijn ontwerpgegevens zijn voor de constructie. Hierdoor kan hij beter in teamverband communiceren en ook beperkingen aanvoelen vanuit de kant van de verharding. In dit geval wordt de asfalt kant toegelicht. Het lijkt vreemd dat er vanuit het materiaal asfalt wordt gekeken en dat is het ook. In principe moet er worden gewerkt vanuit de piramide van eisen. 1

2 Abstractieniveau Hoog Laag Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 Niveau 4 Niveau 5 eisen gebruikers functionele eisen eisen aan constructief gedrag eisen aan materiaalgedrag interactie eisen aan de aard van het materiaal (weg)oppervlak eigenschappen Piramide van eisen Echter in de loop van tientallen jaren zijn bepaalde types constructies uit functioneel, economisch, milieutechnisch, etc, oogpunt boven komen drijven ( zie ook de colleges over dimensionering). Een type constructie is de flexibele verhardingsconstructie, ook wel genoemd asfalt constructie. Uiteraard is het van het grootste belang om bij gewijzigde eisen te starten aan de bovenkant van de piramide. Zo is een nieuwe eis die van boven komt: geluidsreductie. 2

3 Direct betrokkenen in de bedrijfstak De bedrijfstak kan als multi-disciplinair worden beschouwd. De toeleverende industrie levert de grondstoffen voor asfalt (groeves, olieproducenten) maar ook de installaties en machines die gebruikt worden in deze bedrijfstak. Asfaltfabrieken, zijn installaties waarin het gewenste materiaal in de juiste verhoudingen wordt samengesteld en gemengd. Transportbedrijven vervoeren het in de fabriek gemaakte halfproduct (in Nederland meestal rond 150 C) naar de werkplek Wegenbouwbedrijven verwerken het gemengde halfproduct tot het uiteindelijke materiaal asfalt op de weg. Het materiaal wordt dus uiteindelijk gemaakt (gespreid en verdicht) in de werksituatie. Ter vergelijking, materialen als staal en aluminium worden in de fabriek gemaakt. 3

4 Hoeveelheden Per jaar worden grote hoeveelheden asfalt verwerkt. Momenteel schommelt de asfalt productie tussen de 5 en 7 miljoen ton (7 miljard kg). Hiervoor zijn dus ook grote hoeveelheden steen, zand, vulstof en bitumen nodig. Bijna de hele hoeveelheid geproduceerd asfalt wordt warm (bij hoge temperatuur) bereid in een fabriek. Door de grote hoeveelheden materiaal die omgaan in de wegenbouw lijkt deze bedrijfstak uitermate geschikt om grote hoeveelheden secundaire materialen (ook afval) in te verwerken. Gewaarschuwd moet worden dat toepassing van secundaire materialen niet ten koste mag gaan van de kwaliteit. Toepassingen De verschillende producten die van de grondstoffen worden gemaakt worden gebruikt voor vele toepassing, ook afzonderlijk. Het bindmiddel bitumen wordt b.v. ook gebruikt als afdichtingsmateriaal, in verf, in dakbedekkingen (gemodificeerd), etcetera Indien we ons tot wegen beperken zijn bekende toepassingen: De bovenste lagen van flexibele wegverhardingsconstructies, of als deklaag op een andere constructie(b.v. beton) Vliegveldverhardingen Industrie terreinen dijkbekledingen fietspaden onder spoorwegen in trambanen Wat is asfalt Asfalt is (meestal) een warm bereid mengsel met een continue of discontinue gradering van steenslag (of grind), zand en vulstof met als bindmiddel bitumen. Het beste kan asfalt worden vergeleken met beton, waarin het bindmiddel cement is. Bij beton is het nodig om water mee te mengen met het cement. Het cement reageert chemisch met het water en vormt cementsteen, een hard materiaal, dat niet van eigenschappen verandert in het temperatuurgebied waar wij beton toepassen. Asfalt wordt in Nederland meestal gemaakt door het bitumen en het mineraal aggregaat te verhitten tot hoge temperatuur. Dit is nodig om het bitumen dun vloeibaar te krijgen en geschikt 4

5 te maken voor het mengproces. In principe vindt geen chemische reactie plaats, maar door het afkoelen wordt het bitumen geleidelijk een min of meer vaste stof. Asfalt Beton matrix Mineraal aggregaat Mineraal aggregaat Bindmiddel Bitumen Cement +water Mengtemperatuur Hoog (boven 150 C) Boven 10 C Productie temperatuur Boven 135 C Boven 5 C Type uitharding afkoelen Chemische reactie met water Samenstelling. Asfalt zoals het in de weg ligt bestaat uit de basis componenten: Bindmiddel (meestal bitumen) Vulstoffen Zand Steenslag Lucht (holle ruimte) Mineraalaggregaat De steenslag, het zand en de vulstof worden samen het mineraal aggregaat genoemd. Ze komen voor het grootste gedeelte uit de aardkorst ( soms worden staalslakken toegepast als steenslag)en komen allen uit de groep van de gesteentes. Het verschil tussen steenslag, zand en vulstof wordt kunstmatig gelegd bij de grootte van de korrels. In Nederland wordt de volgende groepsindeling aangehouden: >2 mm steenslag mm < zand<2 mm < mm vulstof De steenfractie bestaat uit gebroken of rond materiaal (riviergrind was onze enige natuurlijke bron). De grootste korrelafmeting is afhankelijk van de laagdikte waarin het wordt verwerkt. Aan de steenfractie worden eisen gesteld met betrekking tot de korrelverdeling. De korrelvorm dient zoveel mogelijk kubusvormig te zijn in verband met de grootst mogelijke weerstand tegen verbrijzeling en de sterkte van het mengsel. De hechting van het bindmiddel aan het gesteente is van het grootste belang. Gladde, dichte breukvlakken en zuur reagerende gesteentes leveren in dit opzicht vak moeilijkheden op. Aan steenslag voor deklagen worden andere eisen gesteld dan aan steenslag voor funderingen. Zo worden eisen gesteld aan de weerstand van het materiaal tegen polijsten voor steenslag in deklagen (glad worden onder verkeer). De zandfractie bestaat uit een of uit een mengsel van zandsoorten. De korrelverdeling speelt een grote rol ren aanzien van de stabiliteit, de holle ruimte en de bindmiddel behoefte van het asfaltmengsel. De korrelverdeling van de zandfractie is voorgeschreven, of moet worden gekozen via laboratorium onderzoek. Aan de bovenloop van de grote rivieren zal zich door de hogere stroomsnelheid grind en grof zand afzetten, meer zeewaarts steeds fijner zand. 5

6 De vulstof fractie bestaat in Nederland voornamelijk uit fabrieksmatig vervaardigde vulstof (mengsel van vliegassen/kalsteenmeel, kalksteenmeel/kalkhydraat, kalksteenmeel/minerale silicaten). Een beperkt percentage mag uit het zand worden toegepast. Aan de gradering worden eisen gesteld. Bindmiddelen Diverse bindmiddelen worden /werden toegepast. Zo werd tot 1980 volop gebruik gemaakt van teer als bindmiddel. Toepassing van teer is nu bij de wet verboden (milieu). Momenteel wordt voornamelijk gebruik gemaakt van bitumen of hiervan afgeleide producten. Zo wordt er voor speciale toepassingen steeds meer gebruik gemaakt van Polymeer Gemodificeerde Bitumen (PMB). Bitumen gedraagt zich bij hoge gebruikstemperatuur en/of langdurige belasting als een zeer viskeuze (boven 40 C, hoge temperatuur) en bij lage temperaturen en/of zeer korte belastingtijden als een vaste stof. Boven 70 C gedraagt bitumen zich als een vloeistof en bij temperaturen boven 135 C kan het gemengd, gepompt, gesproeid worden. Types asfalt mengsels Vele types asfalt mengsels zijn ontwikkeld in het verleden en worden ontwikkeld afhankelijk van de functionele eisen, beschikbare materialen, geldmiddelen, e.d. Voorbeelden zijn: Type Dominante toepassing Specifieke kenmerken GAB-grindasfaltbeton Onderlagen lichter belaste wegen Continu gegradeerd, dicht mengsel, harde bitumen STAB_steenslagasfaltbeton Onderlagen zwaar belaste wegen Continu gegradeerd, dicht mengsel, harde bitumen OAB-openasfaltbeton Tussenlagen Continu gegradeerd, redelijk dicht mengsel DAB-dichtasfaltbeton Deklagen Continu gegradeerd, dicht, zachte bitumen SMA-steenmastiekasfalt Deklagen, Macrotextuur, steenskeletmengsel, dicht ZOAB-zeeropenasfaltbeton Deklagen Macrotextuur, zeer hoge holle ruimte, steenskelet Warme, half warme, koude mengsels. Alle type mengsels zoals hierboven gegeven worden in Nederland bij hoge temperatuur gemaakt. Het is ook mogelijk om mengsels bij (veel) lagere temperaturen te produceren. Hiervoor worden emulsies en schuimbitumen gebruikt. Uit milieu oogpunt is het een belangrijke ontwikkeling die hier door tijdgebrek niet verder wordt behandeld. Ontwerp van mengsels. 6

7 Mengsels worden vooraf in het laboratorium ontworpen. Hierbij wordt de werkelijkheid zo goed mogelijk nagebootst. Dit betekent dat gebruikte materialen en gebruikte methodes van vervaardigen van het materiaal zo goed mogelijk moeten overeen komen met de werkelijkheid. Gepoogd wordt om de bemonsterde materialen, het afwegen en bij elkaar voegen van de materialen, het mengen van de materialen en het verdichten van proefstukken zo realistisch mogelijk na te bootsen. Hiervoor wordt momenteel de z.g. Marshall methode gebruikt (zie ook diktaat), een methode die in de tweede wereldoorlog in de VS is ontwikkeld voor het snel ontwerpen van asfalt mengsels voor start- en landingsbanen van leger vliegvelden. Productie en verwerking (nadruk op warm) Het uiteindelijke product(materiaal) wordt op het werk gemaakt Dit betekent dat rekening moet worden gehouden met werk omstandigheden die sterk kunnen wijzigen in korte tijd. Wind, regen, temperatuur beinvloeden de werksituatie enorm. Dit betekent dat de uitvoering grote invloed heeft op de uiteindelijke kwaliteit van het materiaal asfalt. Voorbeeld: indien het materiaal zeer snel afkoelt in de spreidmachine en onder de walsen, dan kan het mogelijk zijn dat er niet voldoende tijd beschikbaar (ook afhankelijk van de verdichtingscapaciteit) om het betreffende materiaal voldoende te verdichten. Ook is er een groot verschil tussen dag- en nachtwerk. In Nederland is het zo druk op de weg dat in een groot aantal gevallen het alleen mogelijk is om s nachts aan de weg te werken. Warm asfalt versus koud asfalt Warm asfalt is kritisch voor wat betreft de uitvoeringstijd indien het materiaal eenmaal in de spreidmachine is beland. Indien het materiaal eenmaal is verdicht kan er weinig meer gebeuren. Het tegenovergestelde geldt meestal voor koude mengsels (gebaseerd op bitumen emulsies). Omdat de bitumen met water is gemengd, is de uitvoeringstijd niet erg belangrijk, maar daarentegen blijft er altijd een hoeveelheid water achter in de verdichte laag. Dit water moet uit het mengsel kunnen evaproreren alvorens een koud mengsel een redelijke stijfheid bereikt. Mixed in place, mixed in fabriek Warme mengsels worden altijd in de fabriek gemaakt. Koude mengsels kunnen echter ook op het werk in de weg worden gemaakt. Hiervoor zijn speciale machines ontwikkeld. Door het in de weg verwerken van het reeds aanwezige materiaal, samen met nieuw toegvoegd materiaal, is de constantheid van de kwaliteit van het product natuurlijk veel moeilijker te handhaven. De asfaltmenginstallatie Tot de jaren 1970 toen er nog grote projecten waren met de aanleg van nieuwe autobanen waren veel asfaltmenginstallaties mobiel. Vanaf de zeventiger jaren in de vorige eeuw, zijn steeds meer installaties permanent geworden vanwege het sterk afnemen van nieuwe grote werken en de overgang naar vooral onderhoud. Bovendien werd het steeds moeilijker om vergunningen te krijgen voor mobiele installaties vanwege milieuredenen. 7

8 Momenteel staan er in Nederland ongeveer 60 asfaltcentrales (fabrieken) verspreid over het hele land. Het is daarom mogelijk om binnen een redelijke afstand warm bereid asfalt te bestellen en laten bezorgen. Dit draagt bij aan de uiteindelijke kwaliteit, omdat de kans dat de vrachtwagens in files komen te staan hierdoor veel kleiner wordt, zodat te veel afkoelen en dergelijke redelijk in de hand kan worden gehouden. Twee belangrijke installatie types zijn: installaties volgens het discontinue systeem installaties werkend volgens het continue systeem Bijna alle asfaltmenginstallaties in Nederland werken volgens het discontinue principe. Indien grote hoeveelheden materiaal van dezelfde soort verwerkt kunnen worden zou kunnen worden overwogen over te stappen op het continue systeem, omdat hiermee grotere producties kunnen worden gerealiseerd. In de nederlandse situatie, waarbij vele verschillende mengsels worden gevraagd (kruidenier) met meestal vrij geringe aantal tonnen, is het meestal handiger om het discontinue systeem toe te passen. Bovendien kan met het discontinue systeem zeer nauwkeurig worden gewerkt. In Nederland is het ook belangrijk dat oud asfalt kan worden toegevoegd aan het nieuw te maken mengsel. Hiertoe moeten er speciale voorzieningen worden gerealiseerd aan de asfalt installatie.al het weggebroken asfalt van oude verhardingen wordt in Nederland hergebruikt. Wij hebben zelf geen grondstoffen en moeten dus alles uit het buitenland inkopen. Zowel economisch als milieu-technisch is het hergebruik van asfalt dus een uitstekende zaak. Verwerking (transport, spreiden, verdichten) De gemengde materialen worden bij de installatie in een silo geplaatst. Speciale vrachtwagens transporteren vervolgens het warme asfalt naar het werk. De vrachtwagens moeten zeer schoon zijn om vervuiling van het onverdichte asfalt te voorkomen. Bovendien moeten de vrachtwagens in principe geisoleerd zijn (met bovenkap) om te voorkomen dat het onverdichte asfalt afkoelt tijdens transport. Het spreiden gebeurt in een speciale spreidmachine. (zie ook diktaat). Het beste product wordt verkregen als de spreidmachine continu met een constante snelheid kan doorlopen. Belangrijk is hierbij dat de vrachtwagens die telkens tussendoor moeten wisselen om de opvangbak (hopper) vol genoeg te houden, zo zachtjes mogelijk tegen de spreidmachine worden geplaatst en geen stoten veroorzaken. Stilstaan en stoten komen terug in het wegdek als onvlakheden. De spreidbreedte kan enorm varieren voor een spreidmachine (3 tot 12 meter, terwijl er speciale machines zijn met kleinere werkbreedte voor fietspaden e.d.). Voor grote oppervlakken zoals bij startbanen van vliegvelden of grote industrie terreinen worden meerdere afwerkmachines gestaffeld naast elkaar geplaatst en kunnen enorme breedtes in een keer warm worden uitgevoerd. Dit vereist natuurlijk wel de nodige logistieke inspanningen, omdat grote hoeveelheden warm asfalt (dus vele vrachtwagens moeten continu klaarstaan met lading warme asfalt) continu op het werk beschikbaar moeten zijn. 8

9 Zoals aangegeven in het diktaat wordt in de spreidmachine reeds een redelijke voorverdichting gerealiseerd, afhankelijk van de mogelijkheden. De eindverdichting en dus min of meer het eindproduct wordt gerealiseerd door middel van het walsen. Walsen kunnen worden onderscheiden in: Statische walsen Trilwalsen Een andere indeling is: stalen walswielen, van grotere afmetingen bandenwalsen (relatief kleine luchtbanden) Het verdichtingsresultaat is van een groot aantal factoren afhankelijk (zie diktaat). Belangrijk is te realizeren dat deze eindverdichting moet plaatsvinden in de buitenlucht. Het afkoelen van het warme mengsel hangt ook sterk af van de weersomstandigheden (temperatuur, wind, regen). Zoals al kon worden gezien van de BTDC, is er slechts een beperkt temperatuur gebied waarin het bitumen visceus genoeg is om te kunnen verdichten. Onderzoek en controle bij productie en verwerking Onderzoek en controle maken deel uit van het meten van de kwaliteit van een product. Een en ander wordt vastgelegd in het bestek en de daarin van toepassing verklaarde voorschriften. In het bestek is de relatie tussen de opdrachtgever en de aannemer van het werk geregeld. In het kader van de productie en de verwerking zijn de volgende activiteiten te onderscheiden: Vooronderzoek: ter vaststelling van de samenstellingen en eigenschappen van het in het werk te brengen asfalt Bedrijfscontrole: omvattende de bewaking van de samenstelling en eigenschappen van het product tijdens de productie en verwerking Controle-onderzoek in het kader van de oplevering: ter beoordeling van de samenstellingen en eigenschappen van het in het werk gebrachte asfalt (opleveringscontrole). Het vooronderzoek en de bedrijfscontrole behoren volgens de gangbare besteksbepalingen tot de taak van de aannemer. Het vooronderzoek wordt ook beschreven in het diktaat ( en ) en is gedetaileerd beschreven in de stanaard 2000 Bij de keuze van de bouwstoffen en de mengselsamenstelling wormen de kosten uiteraard een belangrijke factor. Om echter economische argumenten niet de overhand te laten krijgen boven technische, zijn in de besteksvoorschriften wijzigingen van het bitumengehalte en steenslag en zand verrekenbaar gesteld ten opzichte van een standaard samenstelling Het vooronderzoek wordt veelal uitgevoerd in een meestal bij de asfaltmenginstallatie geplaatst bedrijfslaboratorium.. De opleveringscontrole als kwaliteitsbeoordeling, behoort tot de taak van de directie. Deze kan daarbij gebruik maken van de gegevens die de bedrijfscontrole heeft opgeleverd. Nog een stap verder gaat certificatie: de oplevering berust in dat geval op een door een certificatie-instituut gewaarmerkte controle, die door de aannemer wordt uitgevoerd. Certificatie van asfaltspecie is momenteel in behandeling. 9

10 Wanneer Voor de aanbesteding Tijdens aanleg Na gehele of gedeeltelijke voltooing Wat Vooronderzoek Bedrijfscontrole Opleveringscontrole Bedrijfscontrole (bouwstoffen, bereiding, verwerking) De bedrijfscontrole omvat: De eigenschappen van de te verwerken bouwstoffen De samenstelling en de korrelvorm van het asfaltmengsel De laagdikten De verdichting Voor de deklaag de vlakheid en de stroefheid Op grond van de resultaten van dit onderzoek wordt vastgesteld of het productieproces moet worden bijgestuurd. Opleveringscontrole De opleveringscontrole, uitgevoerd in het kader van de oplevering van het werk, verloopt volgens in het bestek vermelde voorschriften en geeft de directie gegeven voor de beoordeling van de kwaliteit. Het onderzoek van uit de weg geboorde monsters wordt in een laboratorium van de directie of een door de directie aangewezen laboratorium verricht. Besteksbepalingen Eisen voor bouwstoffen en mengsels Het bestek bevat eisen, waaraan de grondstoffen en het gerede product moeten voldoen ten aanzien van onder andere: de korrelverdeling mengselsamenstelling laagdikten verdichting vlakheid stroefheid Bovendien worden verwerkingsvoorschriften gegeven en wordt in vele gevallen vermeld, op welke wijze het nakomen van de gestelde eisen zal worden gecontroleerd. Door vele directies zijn in het verleden voorwaarden en beplaingen opgesteld, die in bestekken van toepassing werden verklaard. Tegenwoordig worden voornamelijk de standaard RAW bepalingen toegepast. Deze wordt ieder 5 jaar herzien en uitgebracht door het CROW. Hierdoor ontstaat een uniforme manier van bestekken voorschrijven, die zeer up to date is en ieder aannemer goede kansen geeft. 10

11 Hoeveelheden; verrekening De hoeveelheid asfalt wordt soms wel en soms niet verrekenbaar gesteld. Verrekenbaar wil zeggen dat de geleverde heoveelheid asfalt vergeleken wordt met de in het bestek genoemde hoeveelheid, waarna voor het meer geleverde bijbetaling en voor het minder geleverde aftrek volgt. De verwerkte hoeveelheid wordt bepaald aan de hand van bonnen van de weegbrug (bij de asfaltmenginstallatie). Deze moet ongeveer overeenkomen met de hoeveelheid berekend uit: (Verwerkt oppervlak) x (gemiddelde laagdikte)x (gemiddelde dichtheid van het asfalt) Bepaling van de hoeveelheid vindt meestal per dag plaats. Ook na afloop van het werk kan een verrekening betreffende de samenstelling van het asfalt plaatsvinden. Bereiding en verwerking van asfalt Algemeen kan worden opgemerkt dat de in de Standaard 2000 nagestreefde mengvorm, van voorschriften, waarbij een principe omschrijving van werkwijze en materiaal is gekoppeld aan goed geformuleerde kwaliteitseisen de voor dit moment juiste oplossing is. Een goed voorbeeld in de RAW 2000 is de eisen met betrekking tot het aantal en type walsen. De walscapaciteit dient te zijn afgestemd op de behoefte van het werk. Reservecapaciteit dient op of nabij het werk aanwezig te zijn. Hierbij wordt het walstype en het aantal walsen volledig aan de verantwoordelijkheid van aannemer overgelaten, die immers deskundig is. In nieuwe contractvormen, waarbij alleen op functionele eisen wordt gecontroleerd, zal de bereiding en verwerking volledig voor verantwoordelijkheid van de aannemer zijn. Oplevering en garantie. Onder oplevering van een werk wordt verstaan de overdracht van het voltooide werk door de aannemer aan de opdrachtgever. Een werk wordt beschouwd te zijn opgeleverd indien de directie het werk op verzoek van de aannemer heeft opgenomen en goedgekeurd. Dit gebeurt dan meestal na een controle onderzoek van de directie, de zg. opleveringscontrole. Men moet zich wel realiseren dat deze gegeven vaak lang na het moment van opname ter beschikking komen. In de standaard 2000 is in aansluiting op de oplevering een garantieperiode van 3 jaar vastgesteld, waarbinnen de aannemer zich verbindt alle gebreken aan de verharding te zullen herstellen (op rekening van de verantwoordelijke voor de oorzaak van de schade). Martin van de Ven, Delft 11