Omgaan met vermoeiings- en stijfheidseigenschappen van asfaltbeton onder de CE - markering

Transcriptie

1 Omgaan met vermoeiings- en stijfheidseigenschappen van asfaltbeton onder de CE - markering Arthur van Dommelen, Dave van Vliet Rijkswaterstaat Dienst verkeer en scheepvaart Jan Telman TNO Industrie en Techniek Samenvatting Deze bijdrage beschrijft een aantal gevolgen van het invoeren van CE - markering van asfaltbeton voor het verhardingsontwerp en de wijze waarop RWS hier in de dimensionering mee zal omgaan. Allereerst wordt een samenvatting gegeven van een referentie-onderzoek naar de vermoeiings - en stijfheidseigenschappen van de huidige steenslagasfaltbeton(stab)mengsels volgens de Standaard RAW-Bepalingen 2005, maar dan beproefd met de proefstukvervaardigingsmethode, beproevingswijze en analysemethode zoals die onder de CE - markering zal gelden. Hierbij wordt nagegaan of onder de nieuwe werkwijze andere eigenschappen worden gevonden dan voorheen. Vervolgens wordt ingegaan op de wijze waarop het effect van de gewijzigde statistische betrouwbaarheid van vermoeiingsweerstand en stijfheid zoals verkregen bij Type Testing van producentspecifieke mengsels kan worden verdisconteerd in het ontwerp. Daarbij wordt uitgegaan van een aanpassing van de ontwerpmethodiek richting het ontwerpen met karakteristieke vermoeiings- en stijfheidsrelaties in combinatie met partiële veiligheidsfactoren, aansluitend op NEN-EN1990 Eurocode 0. Tenslotte wordt ingegaan op de wijze waarop in de nabije toekomst omgegaan zal worden met praktijk - shiftfactoren, als uitvloeisel van de Benelux Bitumen asfalttechnologendagen van 2007 en het daaropvolgend gehouden overleg tussen RWS en VBW-Asfalt. 1

2 1. Inleiding Het invoeren van CE - markering voor asfalt kan belangrijke gevolgen hebben voor de vermoeiings- en stijfheidseigenschappen van asfaltbeton. Hierbij speelt het volgende: - voor asfaltbeton wordt in Nederland het functionele pad uit de norm (EN ) gekozen. Dat houdt in dat asfaltbeton wordt omschreven in termen van functionele (performance)eigenschappen in plaats van samenstellingen. Deze eigenschappen omvatten onder meer vermoeiingsweerstand en stijfheid. - de norm zelf geeft een groot aantal keuzemogelijkheden voor het vereiste niveau van deze eigenschappen. Voor asfaltbeton in onderlagen zullen hieruit door RWS geen nadere keuzen worden gemaakt. De opdrachtnemer krijgt de (ontwerp)vrijheid om mengsels met productspecifieke eigenschappen toe te passen in samenhang met de dimensionering van de verharding (dit in tegenstelling tot de aanpak binnen de nieuwe standaard RAW - bepalingen die wel eisen stellen aan de stijfheid en vermoeiingsweerstand van asfaltbeton in onderlagen). De geldende ontwerpmethode laat al toe om te ontwerpen met productspecifieke materiaaleigenschappen. - de productspecifieke functionele eigenschappen worden bepaald middels een functionele type testing. Vermoeiings- en stijfheidsonderzoek wordt voortaan echter uitgevoerd op laboratoriumvervaardigde platen terwijl de tot nu toe gebruikte ontwerpkarakteristieken gebaseerd zijn op onderzoek op proefstukken die uit de weg werden gezaagd. De vraag is of dit voor de nu gangbare mengsels kan leiden tot andere eigenschappen en daarmee andere uitkomsten van de dimensioneringsberekeningen. Een dergelijk effect is ongewenst omdat de ontwerpmethodiek mechanistisch - empirisch is; de methodiek is aan de praktijk geijkt via een praktijk-shiftfactor. Bij een andere uitkomst van de gewijzigde proeven voor de nu gangbare mengsels moet genoemde factor dus eerst worden aangepast voordat de ontwerpmethode kan worden ingezet voor afwijkende mengsels. - terwijl voor de vroegere RAW - standaardmengsels een ruim aantal vermoeiingsonderzoeken beschikbaar waren die een beeld gaven van de gehele 'populatie' aan de vermoeiingslijnen, hoeft nu per specifiek asfaltmengsel in principe slechts eenmalig een vermoeiings- en stijfheidsonderzoek te worden gedaan (één 'trekking'). Aan de andere kant is de toelaatbare samenstellingsvariatie voor een specifiek asfaltmengsel onder de CE - markering kleiner dan de bandbreedte van de vroegere RAW - standaardmengsels. Door beide effecten kan de statistische betrouwbaarheid van de in het ontwerp gehanteerde materiaalkarakteristieken veranderen. - de vrijheid in samenstelling kan tot gevolg hebben dat er sterk afwijkende mengsels gaan ontstaan waarbij de relatie tussen laboratoriumeigenschappen en praktijkgedrag eveneens gaat afwijken. Dit roept de vraag op of de in het verleden gehanteerde enkele praktijk - shiftfactor ook nog moet worden gedifferentieerd en zo ja, hoe. In deze bijdrage wordt een vergelijkend onderzoek besproken dat is uitgevoerd om na te gaan welke stijfheids- en vermoeiingseigenschappen met de nieuwe onderzoekswijze worden verkregen voor de standaardmengsels uit de RAW Deze eigenschappen worden vergeleken met de voormalige materiaalkarakteristieken om na te gaan of er een verschuiving ontstaan is door de nieuwe werkwijze. Indien er een significante verandering is opgetreden kan het nodig zijn om de ontwerpmethode daarop bij te stellen, er van uit gaande dat het ontwerp nu voldoet. 2

3 Ook worden nieuwe kentallen vastgesteld voor de spreidingen in eigenschappen van de nu gangbare STAB - mengsels en voor de bronnen van deze spreiding. Vervolgens wordt ingegaan op de gewenste aanpassingen van de veiligheidsbenadering in het ontwerp om op relatief eenvoudige wijze te kunnen omgaan met de (veranderde) statistische betrouwbaarheid van de vermoeiings- en stijfheidseigenschappen in de nieuwe situatie. Tenslotte wordt beperkt aandacht geschonken aan de praktijk - shiftfactoren, de recente pogingen om daar meer greep op te krijgen en de voorlopige aanpak die, mede naar aanleiding van de Beneluxbitume - technologendagen en het daaropvolgende overleg tussen RWS en VBW - Asfalt, zal worden gekozen. 2. Laboratoriumonderzoek In de periode september 2007 t/m april 2008 heeft de Rijkswaterstaat Dienst Verkeer en Scheepvaart een vergelijkend onderzoek laten uitvoeren naar stijfheid en vermoeiingseigenschappen van een vijftal STAB-mengsels. Dit onderzoek had als doel: - het verkrijgen van een voldoende betrouwbare schatting van de vermoeiings- en stijfheidseigenschappen voor Standaard RAW 2005 STAB-mengsels, bepaald conform de nieuwe CEN norm (inclusief de bijbehorende afspraken, vastgelegd in de Standaard RAW - Bepalingen Wijziging mei 2008). - het verkrijgen van een nulmeting voor de reproduceerbaarheid van vierpuntsbuigproeven uitgevoerd volgens de vastgelegde protocollen, met daarbij ook inzicht in het aandeel van de proefstukvervaardiging en de eigenlijke proefuitvoering op de reproduceerbaarheid Opzet en uitvoering In dit onderzoek zijn vijf mengsels (aangeduid als mensel A t/m E) onderzocht, alle STABmengsels voor verkeersklasse 4 conform de RAW 2005 met 50 % asfaltgranulaat. Er is gebruik gemaakt van recente vooronderzoeken van gangbare mengsels van een aantal asfaltproducenten. De mengsels bevatten verscheidene typen steenslag, zand en vulstof. Ook de marshalleigenschappen, holle ruimte percentages en vullingsgraden zijn divers. Dit alles is gedaan om te komen tot een gevarieerde steekproef uit de huidige populatie STAB-mengsels. Alle benodigde materialen voor de mengsels zijn centraal ingekocht en aan de diverse deelnemende laboratoria geleverd. Ieder laboratorium heeft zelf per mengsel 3 tot 6 platen gemaakt, waaruit balkjes zijn vervaardigd voor de 4-punts buigproef. Als dichtheid voor de balken is de marshalldichtheid van het vooronderzoek aangehouden. Vijf partijen hebben deelgenomen aan dit onderzoek, te weten KOAC-NPC, KWS, Heijmans, TU Delft en het Christian Doppler Labor (CDL) in Wenen. In elk van de Nederlandse laboratoria zijn de balken (18 balken per mengsel, bij 20 C) bij dezelfde drie rekniveaus beproefd op vermoeiingsweerstand. Tevens is een stijfheidsbepaling uitgevoerd bij meerdere frequenties (frequency sweep). Alle metingen zijn uitgevoerd met de conventionele inklemming met rollen. KWS, Heijmans, en TU Delft hebben ieder 2 mengsels onderzocht, te weten A en B. KOAC-NPC heeft alle vijf de mengsels A t/m E onderzocht. Additioneel heeft KOAC-NPC voor de mengsels A en B stijfheids metingen uitgevoerd bij 0, 10 en 30 C. 3

4 mengsel laboratorium Heijmans KOAC KWS TUD CDL A maal 6 B maal 6 C D E Tabel 1 Overzicht aantal metingen Elk der Nederlandse laboratoria heeft per mengsel extra balken vervaardigd met als doel om 7 balken (6 + 1 reserve, geselecteerd door DVS) naar Wenen te versturen voor een crosscheck door CDL. Deze check is uitgevoerd door twee balken per rekniveau te onderzoeken van de door de diverse deelnemers vervaardigde mengsels A en B (van de overige drie mengsels worden de controlebalken voorlopig opgeslagen). Zelf heeft het Labor van mengsel A en B ook 2 balken per rekniveau gemaakt en onderzocht. Doel hiervan was het scheiden van het effect van mogelijke verschillen in de proefstukvervaardiging van dat van mogelijke verschillen in proefuitvoering. De metingen van CDL worden in deze bijdrage niet besproken. Analyse van het vermoeiingsonderzoek Als eerste stap is een regressieanalyse uitgevoerd van 10 log(nf) (de logaritme van de vermoeiingslevensduur) tegen 10 log(ε) (de logaritme van de rek), met een gemeenschappelijke helling van de regressielijn, maar per mengsel per laboratorium een afzonderlijke hoogteligging. Dit levert 10 parallelle lijnen op (de gegevens van Heijmans van mengsel A waren ten tijde van deze analyse nog niet beschikbaar). Daarbij bleek de gemeenschappelijke helling ("exponent vermoeiingswet") - 4,795 te bedragen, met een onzekerheid s = 0215 bij 169 vrijheidsgraden. Dit betekent dat de 95% onzekerheidsmarge op deze helling +/- 0,424 bedraagt. Vervolgens is per vermoeiingslijn de logaritme van de levensduur bij een rekniveau van 100μm/m bepaald. Een overzicht van de gemiddelden per mengsel per laboratorium staat in tabel 2. Hierop is een variantieanalyse uitgevoerd om de volgende verschillen te toetsen: - tussen de mengsels. Omdat niet alle laboratoria alle mengsels hebben beproefd, is een directe vergelijking tussen de mengsels niet zuiver. Daarom zijn op basis van de labverschillen bij mengsel B (waar alle 4 laboratoria hebben meegedaan) de gemiddelden voor de overige mengsels gecorrigeerd. Dit bleek overigens geen effect te hebben op de significantie van de verschillen. Gerangschikt naar toenemende levensduur was de volgorde van de mengsels A, D, E, C en B. Daarbij waren A en D niet significant verschillend, waren D t/m C niet significant verschillend en waren C en B niet significant verschillend. - tussen de laboratoria voor eenzelfde mengsel. Dit kon onderzocht worden voor mengsels A (3 laboratoria) en B. Voor mengsel A leverde dit op dat KOAC (de laagste) significant lager lag dan TUD en KWS en dat TUD en KWS onderling niet verschillend waren. Voor mengsel B waren de verschillen tussen labs gering. Heijmans (de laagste) lag significant lager dan TUD (de hoogste). De overige onderlinge verschillen waren niet significant. - tussen de platen van hetzelfde mengsel binnen een laboratorium. Per laboratorium is per mengsel getoetst op significante verschillen tussen de platen. Hieruit bleek dat er nauwelijks significante verschillen tussen platen voorkwamen. Daaruit kan worden geconcludeerd dat in het algemeen de variatie tussen platen verwaarloosbaar is ten opzichte van de variatie tussen proefstukken binnen platen. 4

5 mengsel Heijmans KOAC KWS TUD gemiddeld gemiddeld gecorrigeerd A 5,581 5,983 5,898 5,812 (n = 54) 5,796 B 6,096 6,116 6,190 6,287 6,172 (n = 72) 6,172 C 6,068 6,068 (n = 18) 6,124 D 5,935 5,935 (n = 18) 5,991 E 6,010 6,010 (n = 18) 6,066 Tabel 2 Gemiddelden 10 log(nf) per lab per mengsel Een overzicht van de bijdrage van de diverse bronnen aan de spreiding staat in tabel 3. Hieruit blijkt dat de restspreiding de grootste bron van variatie is. Deze bron staat voor de verschillen tussen proefstukken binnen een plaat plus de meetfout. Verder dragen verschillen tussen mengsels en verschillen tussen labs per mengsel nog bij aan de spreiding. De effecten van verschillen tussen platen zijn gering. Aanvullend is nog onderzocht of de verschillen in 10 log(nf) samenhangen met de verschillen in dichtheid van de proefstukken. Daarbij bleek dat de verschillen in levensduur tussen de mengsels niet systematisch samenhingen met de dichtheid. Wel bleek uit de resultaten voor mengsel A en B dat de verschillen in levensduur tussen de laboratoria samenhingen met de verschillen in dichtheid: KWS en TUD hadden een lagere dichtheid maar een hogere levensduur in vergelijking met KOAC en Heijmans. Vervolgens is een vergelijking gemaakt met de 18 beschikbare vermoeiingsonderzoeken voor STAB. Deze onderzoeken zijn uitgevoerd vanaf 1987, nadat de bekende F78 / S78 materiaalkarakteristieken zijn bepaald. Getoetst is of de hellingen, het niveau bij een rek van 100μm en de spreidingen verschillend zijn. Hierbij is het volgende gevonden: - voor de mengsels A t/m E vonden we een helling van , met een onzekerheid s = bij 169 vrijheidsgraden. Voor de 18 oude vermoeiingsonderzoeken geldt een helling van , met een onzekerheid s = bij 180 vrijheidsgraden. De vermoeiingslijn voor mengsels A t/m E loopt dus duidelijk steiler dan die volgens de oude vermoeiingsonderzoeken. Dit verschil is statistisch significant. - het gemiddelde voor 10 log(nf) bij een rek van 100μm/m bedraagt bij de mengsels A t/m E en bij de oude vermoeiingsonderzoeken. Daarmee liggen de mengsels A t/m E dus hoger dan de oude onderzoeken en ook dit verschil is statistisch significant. - voor het vergelijken van de spreiding geldt dat het bij de oude vermoeiingsonderzoeken niet goed mogelijk is de spreidingsbronnen te scheiden. De labs zijn niet altijd bekend en bovendien hebben de labs niet dezelfde mengsels beproefd. Verder werden er bij de oude mengsels geen laboratoriumvervaardigde platen gebruikt maar werden de monsters uit de weg gezaagd. Daarom zijn bij de oude onderzoeken slechts 2 bronnen van variatie onderzocht: het gecombineerde effect van verschillende labs & verschillende mengsels en het effect van de resterende spreidingsbronnen bij de oude werkwijze. Deze laatste bestaan voor de oude mengsels dus uit eventuele onbekende verschillen tussen de uit de weg gezaagde platen, verschillen tussen proefstukken binnen een plaat plus de meetfout. Een vergelijking van de bronnen van spreiding is weergegeven in tabel 3. Voor de tussenmengselspreiding geldt (zoals te verwachten) dat deze bij de mengsels A t/m E kleiner is (0,126) dan de spreiding door het gecombineerd effect van verschillende mengsels en verschillende laboratoria bij de oude onderzoeken (0,272). Maar het verschil is statistisch toch niet significant. Voor de restspreiding geldt dat deze voor de mengsels A t/m E vrijwel even groot is als de restspreiding bij de oude mengsels en ook niet statistisch significant verschilt. 5

6 onderzochte mengsels oude onderzoeken bron variantie stdev vrijheids graden bron variantie stdev vrijheids graden mengsel 0, ,126 1 mengsel & laboratorium 0, ,119 3 laboratorium 0, , plaat 0, ,060 1 restspreiding rest 0, , oude werkwijze 0, , totaal 0, ,325 totaal 0, ,362 Tabel 3 Bronnen van variatie in 10 log(nf) bij nieuwe en oude mengsels Tenslotte is een vergelijking gemaakt met de mengsels waarop de F78 - vermoeiingskarakteristiek is gebaseerd. De F78- karakteristiek houdt een helling van de vermoeiingslijn in van -5,24 en een niveau van 6,046 bij een rek van 100μm/m en bij de stijfheid onder de condities van de vermoeiingsproef (20 º C, 30). Dit lijkt beter aan te sluiten met de waarden die zijn gevonden in het nu uitgevoerde onderzoek dan de uitkomsten voor de hierboven besproken 18 oude mengsels. Echter de F78 - karakteristiek is opgesteld met tussenkomst van een energieconcept [4]. Als gekeken wordt naar de basis - meetresultaten voor deze mengsels wordt een helling gevonden van -4,188 en een niveau van 10 log(nf) van 5,902. Dit alles wijst er op dat vermoeiingsonderzoek volgens de type - testing procedure onder CE - markering systematisch steilere hellingen en hogere niveau's (bij een rek van 100μm/m) oplevert dan vroeger in vermoeiingsonderzoek werden gevonden. In vergelijking met de tot nu toe gehanteerde F78 - ontwerpkarakteristiek is het verschil echter beperkt. Analyse van het stijfheidsonderzoek Op de meetwaarden van de initiële stijfheid in de vermoeiingsproef S_ini (zie tabel 4) is variantieanalyse uitgevoerd om de volgende verschillen te toetsen 1 : - tussen de mengsels. Omdat niet alle laboratoria alle mengsels hebben beproefd, is een directe vergelijking tussen de mengsels niet zuiver. Daarom zijn op basis van de labverschillen bij mengsel B (waar alle 4 labs hebben meegedaan) de gemiddelden voor de overige mengsels gecorrigeerd. Overigens bleek de correctie geen effect te hebben op de significantie van de verschillen. Gerangschikt naar toenemende levensduur was de volgorde van de mengsels B, D, E, A en C. Alle mengsels bleken onderling significant verschillend. - tussen de laboratoria voor eenzelfde mengsel. Dit kon onderzocht worden voor mengsels A (3 laboratoria) en B. Voor mengsel A leverde dit op dat KWS (de laagste) significant lager lag dan KOAC en TUD (de hoogste) en dat KOAC en TUD onderling niet verschillend waren. Voor mengsel B ligt KWS (de laagste) significant lager dan KOAC die weer significant lager ligt dan TUD en Heijmans (de hoogste) Het verschil tussen TUD en Heijmans is niet significant. - tussen de platen van hetzelfde mengsel binnen een laboratorium. Per laboratorium per mengsel is getoetst op significante verschillen tussen de platen (daarbij is het aantal proefstukken dat per plaat wordt verkregen van invloed op de uitspraak over significantie). De resultaten waren: 1 Aanvullend op de analyse van S_ini is ook een analyse uitgevoerd op de stijfheidswaarden bij 8 Hz en 20 o C verkregen uit de frequency sweep tests. De resultaten daarvan worden hier niet gerapporteerd. 6

7 mengsel Heijmans KOAC KWS TUD gemiddeld gemiddeld gecorrigeerd A (n = 54) B (n = 71) C (n = 18) D (n = 18) E (n = 18) Tabel 4 Gemiddelden stijfheid per lab per mengsel - voor mengsel A werd bij KOAC 5 maal een significant verschil gevonden bij 6 mogelijke vergelijkingen (4 platen, wat = 6 te vergelijken combinaties oplevert); de verschillen waren relatief groot - voor mengsel A werd bij KWS 4 maal een significant verschil gevonden bij 15 mogelijke vergelijkingen (6 platen); de verschillen waren relatief groot - voor mengsel B werd bij Heijmans 5 maal een significant verschil gevonden bij 15 mogelijke vergelijkingen (6 platen); de verschillen waren relatief groot - voor mengsel C werd bij KOAC 2 maal een significant verschil gevonden bij 3 mogelijke vergelijkingen (3 platen) - voor mengsel D en E werd bij KOAC 1 maal een significant verschil gevonden bij 3 mogelijke vergelijkingen (3 platen). Een overzicht van de bijdrage van de diverse bronnen aan de spreiding staat in tabel 5. Hieruit blijkt dat de spreiding tussen mengsels de grootste bron van variatie is. De overige bronnen hebben ook nog een relevante bijdrage aan de spreiding in S_ini. De bron rest staat voor de verschillen tussen proefstukken binnen een plaat plus de meetfout. Ook is nog een vergelijking gemaakt met de waarden voor S_ini uit 18 beschikbare vermoeiingsonderzoeken voor STAB. Getoetst is of het niveau de spreidingen verschillend zijn. Hierbij is het volgende gevonden: - het gemiddelde voor S_ini bedraagt: MPa bij de mengsels A t/m E en 7824 MPa bij de oude onderzoeken. Bij toetsing bleek dit verschil statistisch significant. De S_ini ligt bij de nieuwe mengsels A t/m E dus op een veel hoger niveau dan de oude mengsels. - voor het vergelijken van de spreiding geldt dat het bij de oude vermoeiingsonderzoeken niet goed mogelijk is de spreiding tussen labs te bepalen. De labs zijn niet altijd bekend en bovendien hebben de labs niet dezelfde mengsels beproefd. Verder werden er bij de oude mengsels geen laboratoriumvervaardigde platen gebruikt maar werden de monsters uit de weg gezaagd. Daarom zijn bij de oude onderzoeken slechts 2 bronnen van variatie onderzocht: het gecombineerde effect van verschillende labs & verschillende mengsels en het effect van de resterende spreidingsbronnen bij de oude werkwijze. Deze bestaat voor de oude mengsels dus uit eventuele onbekende verschillen tussen de uit de weg gezaagde platen, verschillen tussen proefstukken binnen een plaat plus de meetfout. Een vergelijking van de bronnen van spreiding is weergegeven in tabel 5. Voor de tussenmengselspreiding geldt dat deze bij de nieuwe mengsels zoals te verwachten kleiner is (1085 MPa) dan de spreiding door het gecombineerd effect van verschillende mengsels en verschillende laboratoria bij de oude vermoeiingsonderzoeken (1559 MPa). Maar het verschil is statistisch toch niet significant. Voor de restspreiding geldt dat deze voor de mengsels A t/m E ook kleiner is dan de restspreiding bij de oude werkwijze. Dit verschil is wel significant. 7

8 onderzochte mengsels oude onderzoeken bron variantie stdev vrijheids graden bron variantie stdev vrijheids graden mengsel mengsel & laboratorium laboratorium plaat restspreiding rest oude werkwijze totaal totaal Tabel 5 Bronnen van variatie in stijfheid bij nieuwe en oude mengsels De stijfheid van de mengsels waarop de F78 - vermoeiingskarakteristiek is gebaseerd bedroeg gemiddeld 9715MPa onder de condities van de vermoeiingsproef (20 o C, 30). Deze waarde is dus hoger dan die voor de bovenbesproken 18 oude mengsels maar nog steeds belangrijk lager dan de voor mengsel A t/m E gevonden waarde van MPa. 3. Nieuwe veiligheidsbenadering De in het voorgaande hoofdstuk besproken statistische gegevens kunnen worden gebruikt om het betrouwbaarheidsniveau van ontwerpberekeningen op basis van Type - testing gegevens af te stemmen op het huidige betrouwbaarheidsniveau dat is gebaseerd op de spreidingen voor RAW - STAB - mengsels. Daarbij gaat het niet alleen om de eventuele veranderde waarden voor de diverse spreidingsbronnen maar spelen ook de volgende aspecten: - voortaan zal per specifiek asfaltmengsel een afzonderlijk laboratoriumonderzoek worden gedaan. Daardoor hebben we geen last meer van de tussenmengselspreiding (in dit onderzoek groot 0,126, zie tabel 3) door verschillen in recept - daar staat tegenover dat van een gegeven mengselrecept normaliter hooguit een beperkt aantal laboratoriumproducties, en soms slechts één, op vermoeiingweerstand onderzocht zal zijn. Daardoor dragen de nog resterende spreidingen in sterkere mate bij in de onzekerheid van de verkregen vermoeiings- en stijfheidskarakteristiek - enerzijd resteert de spreiding (in dit onderzoek groot 0,119, zie tabel 3) door het gecombineerd effect van verschillen tussen producties van een gegeven recept en verschillen tussen meetresultaten van diverse laboratoria - anderzijds resteert het effect van verschillen tussen platen, verschillen tussen proefstukken uit dezelfde plaat en meetfouten (de waarden 0,060 en 0,268 in tabel 3) Hiermee kan op hanteerbare wijze worden omgegaan door de stap te maken naar een karakteristieke vermoeiingslijn in plaats van een gemiddelde; alle effecten van spreidingen en omvang van het onderzoek zijn daarin te verwerken. Voor het opstellen van deze karakteristieke vermoeiingslijn is reeds een concept-procedure beschikbaar. Deze zal waar nodig nog worden aangepast op de in het hier gerapporteerde onderzoek gevonden spreidingen. De overstap naar het gebruik van een karakteristieke vermoeiings- en stijfheidslijn laat zich uitstekend combineren met een overstap naar de betrouwbaarheidsbenadering conform Eurocode 0 'Ontwerpgrondslag' (EN 1990). Deze geeft de algemene ontwerpgrondslagen en de veiligheidsfilosofie en wordt gebruikt in combinatie met Eurocode 1 (Belastingen) en met materiaalspecifieke Eurocodes (zie figuur 1). Tot op heden worden onderscheiden: staal, beton, staalbeton, hout, metselwerk, aluminium, geotechniek, aardbevingen. Voor wegenbouw is nog geen Eurocode beschikbaar of in voorbereiding. 8

9 Figuur 1 Structuur Eurocodes Wel ligt het voor de hand (en is het om een aantal redenen aantrekkelijk) om vast de aansluiting te zoeken met de grondslagen onder het Eurocode - systeem. Voor het aspect 'betrouwbaarheid' betekent dat het werken met partiële veiligheidsfactoren. Het principe van het werken met partiële veiligheidsfactoren is dat voor elke parameter i een rekenwaarde X d,i wordt gebruikt (d = design) die wordt verkregen uit een representatieve waarde voor de parameter (normaliter een karakteristieke waarde) in combinatie met een partiële veiligheidsfactor. Belastingsparameters worden vermenigvuldigd met een partiële veiligheidsfactor; sterkteparameters worden erdoor gedeeld; dus X rep, i X d, i = γ rep, i X rep, i (rekenwaarde bel.parameters) en X d, i = (rekenwaarde st.parameters) γ Met deze rekenwaarden kunnen de berekeningen gewoon als deterministische berekening worden uitgevoerd. Overall veiligheidsfactoren vervallen hiermee. De voor een bepaald betrouwbaarheidsniveau benodigde partiële veiligheidsfactoren γ rep,i worden eenmalig bepaald in probabilistische berekeningen. rep, i 4. Healing In het ontwerp wordt een praktijk - shiftfactor gebruikt om de gebleken discrepantie tussen laboratoriumgedrag en praktijkgedrag te overbruggen. Deels wordt deze discrepantie veroorzaakt door het verschijnsel "healing" (gedeeltelijk herstel van asfalt dat wordt verondersteld te worden veroorzaakt door o.a. kneedeffecten en visceus dichtvloeien van microscheuren tijdens onbelaste perioden). Andere oorzaken voor de discrepantie tussen theorie en praktijk zullen zijn gelegen in de betrekkelijkheid van de gebruikte mechanica- en materiaalmodellen. 9

10 Ook vereenvoudigingen in de ontwerpmethode, zoals het feit dat bij het afleiden van de weegkromme voor de temperatuur alleen het bezwijken van de ondergrond als faalmechanisme is beschouwd en vermoeiing in het asfalt niet is meegenomen, spelen een rol. Al dit soort discrepanties worden verdisconteerd via een empirische shiftfactor, normaliter (maar ten onrechte) "healing"factor genoemd, met een waarde van 4,0 voor STAB -mengsels. Zoals in het voorgaande naar voren is gekomen kan het nodig zijn om deze praktijk - shiftfactor bij te stellen omdat voor de huidige STAB - mengsels onder de nieuwe werkwijze andere vermoeiings- en stijfheidswaarden worden gevonden dan in het verleden. De mogelijke mengselvariatie binnen de norm voor asfaltbeton is echter veel groter dan voorheen voor de standaard STAB - mengsels. Hierdoor is het zeer onwaarschijnlijk dat een enkele praktijkfactor nog afdoende is. Zo laat de nieuwe norm een zeer brede range toe aan bitumengehaltes en bitumengrades en vallen ook harde bitumina en polymeer gemodificeerde bitumina binnen de norm. Te verwachten is bijvoorbeeld dat de praktijk - shiftfactor bij lagere bitumengehaltes en/of hardere bitumina minder gunstig zal zijn (het laatste volgt ook reeds uit de Franse ervaringen met harde bitumen [2]). Er wordt al enkele jaren onderzoek gedaan naar methoden om tenminste een deel van de praktijk-shiftfactor, te weten het gedeelte dat echt "healing" genoemd kan worden (dus zelfherstel van asfalt in rustperioden) te bepalen middels een versnelde methodiek. Een bepaling met na elke rustperiode een voldoend lange rustperiode om de healing redelijk de kans te geven, leidt namelijk tot proeven met extreem lange doorlooptijd en daarmee een grote kans van voortijdige uitval. Het met een redelijke statistische zeggingskracht bepalen van healing is op die wijze dus prohibitief moeilijk en duur. Voor versnelde methoden worden in Nederland op dit moment twee opties overwogen; de methode Kim&Lee op basis van pseudostrain en de methode Pronk, het Partial Healing - model. Op de technologendagen van Benelux Bitume van 2007 is uitgebreid ingegaan op deze problematiek. Daarbij is ook aan de orde gekomen dat DVS al geruime tijd onderzoek naar beide modellen voorbereidt. Dit heeft echter al herhaaldelijk vertraging opgelopen wegens theoretische en uitvoeringstechnische problemen. Daarom is afgesproken om te zoeken naar een voorlopige werkafspraak over de te gebruiken praktijk-shiftfactor, rekening houdend met de mate waarin een asfaltbeton dichter bij of verder van het ervaringsgebied van STAB ligt. Op een vervolgbespreking met VBW - Asfalt zijn vervolgens voorstellen van VBW en RWS besproken. Het voorstel van VBW- Asfalt was om toch reeds te gaan werken met de Kim&Lee methodiek. Er bleek hierover echter geen eenstemmigheid bij de aannemersvertegenwoordigers. Vanuit deze hoek werd gesuggereerd een andere benadering [2] te verkennen dan de Kim&Lee - methode. Er is echter behoefte aan een direct inzetbare benadering. Het voorstel van DVS was daarom om voorlopig te werken met een eenvoudige relatie op basis van engineering judgement, die voor paving grade bitumen en harde bitumen een waarde geeft voor de praktijk-shiftfactor SF als functie van bitumengehalte en bitumengrade, en die de volgende vorm heeft: SF = a + b* V b c pen d waarbij SF< 4 Hierin is V b het bitumengehalte (%m/m 'in') en pen de gemiddelde penetratie (bij 10/20 bitumen 15 en bij 40/60 bitumen 50). De constanten zullen onder meer zodanig worden bepaald dat voor een bitumengehalte van 4,5% (in!) en een bitumengrade 40/60, de praktijk - 10

11 shiftfactor volgt die nodig is om te zorgen dat dimensioneringsberekeningen met de onder de nieuwe werkwijze gevonden materiaaleigenschappen voor conventionele STAB - mengsels niet leidt tot een trendbreuk in de verkregen ontwerpdiktes. Tevens is in de bespreking van gedachten gewisseld over het feit dat de (schaarse) healingsproeven op asfalt met harde en zeer harde bitumen hogere healingsfactoren lijken op te leveren (in tegenspraak met het verwachte patroon), wat twijfel oproept over de vraag wat de relevantie is van het in de laboratoriumproeven gemeten stijfheidsherstel voor het herstel van vermoeiingsschade.voor de nabije toekomst lijkt het zinvol om onderzoek naar healing meer te richten op het verkrijgen van inzicht in de feitelijke processen die zich afspelen in asfaltbeton bij discontinue vermoeiingsproeven. Daarbij kan onder meer gekeken worden naar effecten van de warmteontwikkeling in bitumenbruggen tussen korrels (in de bitumen treedt de energiedissipatie op) en de daaropvolgende diffusie in de rustperiode van deze warmte naar de rest van het mengsel (in het verleden zijn beschouwingen van opwarming gebaseerd geweest op homogene materialen). Daarnaast kan ook gekeken worden naar effecten van thixothropie; ook kan gedacht worden aan microscopisch onderzoek naar de werkelijk optredende processen. 5. Conclusies 1. In het hier besproken onderzoek zijn voor vijf conventionele STAB - mengsels de stijfheids- en vermoeiingseigenschappen bepaald conform de proefstukbereidingswijze (laboratoriumbereide proefplaten in plaats van uit de weg gezaagde monsters) en proefuitvoering zoals deze geldt onder CE - markering. Hierbij blijkt het volgende: - de gevonden vermoeiingslijnen zijn significant steiler dan voorheen is gemeten - het niveau van deze lijnen bij 100μm/m is hoger dan de voorheen gevonden niveaus - de afwijkingen van de gevonden vermoeiingslevensduren met de voorheen gangbare F78 - vermoeiingskarakteristiek (energieconcept) zijn echter beperkt - de spreiding in de gevonden vermoeiingslevensduren wordt voor het grootste deel bepaald door de verschillen tussen proefstukken binnen een plaat plus de meetfout. De verschillen tussen mengsels en verschillen tussen labs per mengsel dragen in mindere mate bij aan de spreiding. De effecten van verschillen tussen platen zijn gering. - de gevonden stijfheden zijn eveneens significant hoger dan voorheen gemeten. - de afwijking met de gangbare S78 - stijfheidskarakteristiek is ook aanzienlijk. - de spreiding in de gevonden stijfheden wordt voor het grootste gedeelte bepaald door verschillen tussen mengsels, gevolgd door verschillen tussen laboratoria en verschillen tussen proefstukken binnen een plaat plus de meetfout. Verschillen tussen platen geven de kleinste bijdrage. 2. Het laat zich aanzien dat de ontwerpmethodiek bijstelling behoeft zodat de nieuwe werkwijze niet leidt tot een trendbreuk in de ontwerpdikte voor de nu gangbare mengsels. 3. De statistische zeggingskracht van de onder CE - markering verkregen materiaaleigenschappen gaat veranderen. Hiermee kan op hanteerbare wijze worden omgegaan door over te gaan op het gebruik van karakteristieke eigenschappen in de dimensionering in combinatie met partiele veiligheidsfactoren, dit in aansluiting op Eurocode Tussen VBW-Asfalt en DVS is overleg geweest over een voorlopige werkafspraak voor het aspect healing. Voorshands zal een op engineering judgement gebaseerde aanpak worden gevolgd waarbij de praktijk - shiftfactor voor paving grade bitumen en harde bitumen afhankelijk zal worden gesteld van bitumenhardheid en bitumengehalte. 11

12 6. Literatuur [1] A.C. Pronk, Partial Healing in Fatigue Tests on Asphalt Specimens, Int. Journ. Road Materials and Pavement Design, Vol 4, Issue 4/2001, (2001) [2] French Design Manual for Pavement Structures, LCPC, 1997 [3] Initial Development of a Calibrated Mechanistic Approach and Associated Surrogate Test Protocols for HMAC Mixture Fatigue Characterization. Lubinda F. Walubita, Amy Epps Martin, Sung Hoon Jung, and Charles J. Glover, Texas Transportation Institute, July 2006 [4] Shell Pavement Design Manual. Shell International Petroleum Company Ltd. Londen, 1978 [5] 4. Visco-elastic continuum damage model of asphalt concrete with healing; H-Y. Lee, Y.R. Kim; Journal of Engineering Mechanics; pg ; vol.124, afl. 11;