Äe~ RIJKSWATERSTAAT DIRECTIE NOORD- HOLLAND

Transcriptie

1 Äe~ RIJKSWATERSTAAT DIRECTIE NOORD- HOLLAND

2

3 CJC. H: L tothee K RIJ KSWTEPQTAT NOOLLD AN t TOEPASSING VAN ZANDCEMENT VAN GROTERE DIKTE ALS FUNDERINGSLAAG IN WEGVER- HARDINGEN. Door: Ir. J.A. de Jong - Dienst Voorbereiding K.N.H.M. -. KONINKLIJKE NEDERLANDSCHE HEIDEMAATSCHAPPIJ ARNHEM

4

5 - - RIJK, DIFECTIE NOORDHOLLAND 1. ASPECTEN VAN DE HUIDIGE ZANDSTABILISATIE MET CEMENT Met de huidige in gebruik zijnde stabilisatiemachines is het mogelijk de bovenste laag van het zandbed van de weg te stabiliseren met cement tot een dikte van 15 á 20 cm. Meestal wordt een laagdikte van 15 cm toegepast. Het doel van deze stabilisatie is een werkvloer ten behoeve van de uitvoering te verkrijgen. Tevens is dan een goede klankbodem aanwezig ten behoeve van de verdichting van de eerste aan te brengen bitumineuze laag. In wegverhardingen, bestemd voor zwaar verkeer, kent men over het algemeen aan een dergelijke gestabiliseerde laag niet of nauwelijks een constructieve functie toe. Enerzijds ligt dit in het feit, dat men bevreesd is voor beschadiging van deze laag door het bouwverkeer, anderzijds in het feit, dat vroeger van diverse zijden gewaarschuwd werd voor desintegratie van deze laag onder invloed van zwaar verkeer. Uit diverse praktijkwaarnemingen is gebleken, dat dit over het algemeen niet juist is. De eigenschappen van zandcement zijn afhankelijk van o.a. de aard en de korrelverdeling van het zand, het cementgehalte, de dichtheid van het mengsel, de omstandigheden tijdens de uitvoering en de verharding (o.a. vochtgehalte en temperatuur) en de homogeniteit van het mengsel. De "Eisen der Rijkswaterstaat, gesteld aan bouwstoffen voor de wegenbouw" vermelden, dat de druksterkte van uit een laag zandcement geboorde cylinders tenminste moet bedragen 25 kg/cm2 na

6

7 een verhardingsduur van 28 dagen en 40 kg/cm2 na een verhardingsduur van 90 dagen. Het cementgehalte dat in Nederland noodzakelijk is om deze vereiste druksterkten te behalen, bedraagt 6-10 gewichtsprocent van het droge zand. Dit wil zeggen kg cement per m3 verdicht mengsel van zand en cement. Als regel bedraagt het percentage 8 â 9. Volgens gegevens van het Rijkswegenbouwlaboratorium zijn de mechanische eigenschappen na 28 dagen verharding: druksterkte kg/cm2 buigtreksterkte kg/cm2 dynamische elasticiteits kg/cm2 modulus In de weg zal de buigtreksterkte liggen tussen 8 en 12 kg/cm2, o.a. afhankelijk van de behaalde elasticiteitsmodulus. Men beschikt thans over een groot aantal gegevens van eigenschappen van zandcement, zoals het in de weg vervaardigd wordt. Een van de belangrijkste gegevens is wel de dynamische elasticiteitsmodulus van de zandcementlaag. Op niet-destructieve wijze, door middel van de trillingstechniek, zoals toegepast door het Rijkswegenbouwlaboratorium, kan men de E-waarde in de weg meten. Uit deze gegevens blijkt, dat in de praktijk de elasticiteitsmodulus over het algemeen een waarde heeft van kg/cm2. Dit geldt alleen voor de zanden zoals deze in de Nederlandse wegenbouw worden toegepast. Onder gelijkwaardige omstandigheden kunnen de E-waarden voor zanden met verschillende samenstelling uiteenlopen, doch een duidelijk verband is nog niet aangetoond.

8 -3- Gezien de voornoemde bereikbare mechanische eigenschappen van zandcement ligt het voor de hand ervan uit te gaan, dat dit materiaal toegepast in dikkere lagen (25-50 cm) zeker een constructieve functie in de verhardingsconstructie kan vervullen. Proeven op cylinders, geboord uit enkele onlangs uitgevoerde dikkere funderingslagen van cement hebben aangetoond, dat de bovengenoemde mechanische eigenschappen ook bereikbaar zijn voor lagen van grotere dikte. Het is thans niet mogelijk te verwijzen naar verkeerswegen in Nederland, waar dergelijke dikke lagen zandcement zijn toegepast. Voor zware belastingen op industrieterreinen zijn diktei tot 0,40 m echter reeds gerealiseerd. Men beschikt echter nog niet over E-waardemetingen op deze dikke lagen. In het navolgende worden uitgevoerde theoretische berekeningen besproken voor constructies, bestaande uit zandcementfunderingslagen, variërend in dikte van cm, met een bitumineuze bovenbouw van cm dikte.

9 -4-2. ALGEMENE ASPECTEN VAN DIMENSIONERINGSMETHODEN. Voor wegverhardingen, bestaande uit gén of meer lagen, aangelegd op een zandbed, zijn thans diverse dimensioneringsmethoden ontworpen. Voor starre verhardingen (beton) zijn de theoretische grondslagen ontwikkeld en uitgewerkt door o.a. Westergaard en Odemark:, en voor flexibele verhardingen door o.a. Burmister, Acuur/Fox, Jones, Jeuffroy en Bachelez. De rekenmethoden voor flexibele verhardingen worden thans het meest toegepast. Deze berekeningen zijn gebaseerd op een volledig elastisch gedrag van alle verhardingslagen, waarbij de elastische media isotroop en homogeen zijn. De dwarscontractie coëfficint is gesteld op 0,5. Tevens is onderscheid mogelijk in het al of niet optreden van wrijving tussen de lagen onderling. De wielbelasting is gelijkmatig verdeeld gedacht over een cirkelvormig contactvlak band/wegdek. De criteria voor het bezwijken van de verhardingsconstructie zijn de optredende horizontale en verticale trek- en drukspanningen, c.q. vervormingen in de materialen op de grensviakken tussen de lagen waaruit de constructie is opgebouwd. Theoretisch kunnen deze waarden worden berekend (al of niet benaderend) voor diverse constructies, afmetingen en belastinggrootten. Laboratorium- en veldonderzoek leveren practische gegevens voor toelaatbare waarden van spanningen en vervormingen op, gerelateerd aan het aantal belastingherhaliflgen en waardecijfers voor de berijdbaarheid. De combinatie van theoretische berekeningen en practisch materiaal-,c.q. constructieonderzoek, levert voor de praktijkont werper hanteerbare dimensioneringsmethoden op. De "Shell-ontwerpmethode voor flexibele verhardingen" is zeer bruikbaar en wordt in Nederland veel toegepast.

10 -5-3. THEORETISCHE DIMESIONERING VAN ZANDCEMENTFUNDERINGSLAGEN. In een constructie, bestaande uit een zandcementfunderingslaag van grotere dikte (20-50 cm) met een bitumineuze bovenbouw van cm zijn de volgende optredende spanningen en vervormingen aan de orde: - de verticale druk op,c.q. relatieve verticale vervorming van de ondergrond (zandbed); - de radiale trekspanniflg, c.q. relatieve radiale vervorming van de onderste vezels van de zandcementfunderiflg - de radiale spanning, c.q. relatieve radiale vervorming aan de onderzijde van de bitumineuze bovenbouw en - de verticale druk op het scheidingsviak tussen asfalt en zandcement. Bij een volledig flexibele verharding, bestaande uit een bitumineuze bovenbouw en een ongebonden funderingslaag (granulair materiaal) zijn de criteria voor de houdbaarheid van de constructie respectievelijk de druk op,c.q. relatieve verticale vervorming van de ondergrond (zandbed) en de relatieve radiale rek aan de onderzijde van de asfaitbovenbouw. Aangezien de elasticiteitsmodulus van de zandcementfunderings laag (wanneer niet gescheurd tengevolge van verkeersbelastingen) aanzienlijk (ca 20 á 30 maal) hoger is dan die van een ongebonden granulaire fundering en de totale buigingsstijfheid van de beschouwde constructie dus ook aanzienlijk groter is, zal de druk op de ondergrond zodanig gering zijn, dat deze geen criterium meer vormt. Dit is gemakkelijk theoretisch aan te tonen. Bij constructies, bestaande uit een zandcementfunderiflg van 25 cm en meer en een asfaltbovenbouw van cm, zal de trekspanning, ofwel de radiale rek aan de onderzijde van de asfaitbovenbouw ook geen criterium meer vormen bij belasting door verkeerslasten.

11 -6- Bij een hoge verhouding van de elasticiteitsmoduli van bovenbouw en fundering zal er zelfs een drukspanning aan de onderzijde van de asfaltlaag gaan optreden. Ook dit is vrij eenvoudig theoretisch aan te tonen. Maatgevend is echter de grootte van de optredende trekspanning aan de onderzijde van de zandcementfundering. Deze mag niet zodanig groot zijn, dat bij een bepaald aantal belastingsherhaling beneden het aantal, waarvoor de constructie geschikt moet zijn, scheurvorming optreedt. De buigtreksterkte is in de berekeningen gesteld op 10 kg/cm2 en de relatieve rek bij breuk Ten behoeve van de voor dit doel gemaakte berekeningen is eerst bepaald met welke maatgevende wiellast gerekend moet worden om, in relatie met het aantal lo-tons aslastpassages (N), een goede vergelijking met constructies volgens de "Shell-design" mogelijk te maken. Hiertoe is uitgegaan van een volledige bituniineuze verharding van 23 cm op een zandbed met een CBR-waarde van 10. Deze constructie is volgens de Shell-design geschikt om 10 6 aslastpassages van 10 ton te weerstaan. Bij een dergelijke constructie wordt bij een E-waarde van de asfalt van kg/cm2 de toelaatbare relatieve verticale vervorming van het zandbed (E= 6,5 x 10) bereikt, terwijl tevens de toelaatbare relatieve radiale vervorming aan de oriderzijde van de asfaltlaag bereikt wordt. Deze constructie is doorgerekend met behulp van de theoretische berekeningsgegevens van Fox/ Burmister (wrijving tussen de lagen, ofwel "no slab action"). Hieruit volgt, dat voor de bovenbedoelde maatgevende wiellast gerekend moest worden met p = 5650 kg, een contactdruk band/ wegdek van 8 kg/cm 2 en een cirkelvormig contactvlak met een straal van 15 cm. Om aansluiting te vinden met de in Nederland wettelijk toelaatbare asbelasting van 10 ton, is bij de berekeningen uit-

12 -7- gegaan van een wiellast van 5000 kg, een contactdruk van 7,1 kg/cm2 en een contactvlak met een straal van 15 cm. Een drielagensysteem asfalt/zandcement/zandbed kan het beste in verband met de aansluiting aan de werkelijkheid doorgerekend worden volgens de methode Burmister (wrijving tussen de lagen). De door Jones uitgewerkte tabellen, gebaseerd op de opgestelde formules, zijn echter moeilijk toegankelijk voor waarden van parameters, gelegen tussen de gegeven waarden. Dit vereist moeizame interpolatie. Het systeem is daarom doorgerekend met behulp van beter toegankelijke grafieken, gebaseerd op de rekenntethode van Jeuffroy. Bij deze methode moest worden uitgegaan van het afwezig zijn van bedoelde wrijving tussen de lagen (slabaction), terwijl wrijving in werkelijkheid wel aanwezig is. Daarom is aanpassing van de becijferde waarden noodzakelijk. De grootste waarde van de buigtrekspanning in de zandcementlaag treedt op bij een lage elasticiteitsmodulus van de asfaltlaag ( kg/cm2). De dikte van de asfaltlaag is gesteld op cm, terwijl de zandcementfundering in dikte varieert van cm. Uit de berekening is gebleken, dat de dikte van de zandcementlaag een grote invloed heeft op de buigtrekspannirig. Dikke lagen zijn gunstig. Bij hoge E-waarden van het zandcement neemt de trekspanriing toe, doch de radiale rek neemt af. Wanneer de radiale rek als criterium genomen wordt, zijn dus hoge E-waarden gunstig. De kwaliteit van de grondslag tussen de grenzen CBR = 7 en CBR = 17 heeft betrekkelijk weinig invloed. Aan te nemen is, zoals reeds genoemd, dat bij lage E-waarden van de asfalt (kritische situatie) wel wrijving optreedt tussen asfalt en zandcement. De doorbuiging van het zandcement

13 -8- is zodanig gering, dat in het grensviak asfalt/zandcement hierdoor slechts geringe schuif spanningen optreden. In dit geval is de totale buigingsstijfheid van de constructie groter dan wanneer geen wrijving optreedt. Met andere woorden, de berekende trekspanningen zullen in werkelijkheid geringer zijn en wel des te geringer bij een relatie dikkere/bitumineuze bovenbouw. Uit berekening volgt, dat de reductie bij 12, respectievelijk 16 cm asfalt en een grondslag met CBR-waarde 10 gesteld kan worden op 30 resp. 40% bij geringe dikte van de zandcementlaag (20 cm) en 11 resp. 15% bij grote dikte van de zandcementlaag (50 cm). Verder speelt een rol de toelaatbare buigtrekspanning, c.q. rek, in het zandcement bij diverse aantallen belastingherhalingen. Vermoeidheidsproeven op zandcement zijn in Nederland, voorzover bekend, niet uitgevoerd. Uit diverse buitenlandse publicaties zijn bruikbare gegevens ontleend.

14 -9-4. KOSTENVERGELIJKING VAN ALTERNATIEVE CONSTRUCTIES. Op grond van de bovengenoemde berekeningen komt men tot de volgende theoretisch vergelijkbare constructies: a. Bij N = 10 6 belastingherhalingen en CBR zandbed = 10: T. 23 cm asfalt, bestaande uit 15 cm grindasfaltbeton, 4 cm open asfaitbeton en 4 cm dicht asfaltbeton. Dit is een huidige toepassing volgens de Shell-design. 16 cm asfalt (8 cm grindasfaltbeton en 2 x 4 cm asfaltbeton) op 35 cm zandcement. 12 cm asfalt (5 cm grindasfaltbeton en 7 cm asfaltbeton) op 38 cm zandcement. De kosten van de respectievelijke constructies bedragen: Constructie 1 f 18,70 (inclusief stabiel maken van zandbed, c.q. asfaltverlies tengevolge van onstabiliteit). Constructie II. f 18,30 Constructie III. f 16,50 b. Bil N = 10 belastingherhalingen en CBR zandbed = 10: T. 29 cm asfalt (3 x 7cm grindasfaltbeton en 2 x 4 cm asfaitbeton). Dit is een huidige toepassing volgens de Shelldesign. 16 cm asfalt op 38 cm zandcement. 12 cm asfalt op 40 cm zandcement.

15 De kosten zijn: Constructie 1. f 22,75 Constructie J' 19,00 Constructie f 16,70 hieruit blijkt, dat toepassing van dikkere zandcementfunderingsiagen vooral voor wegen met zwaar verkeer enerzijds goedkoper kan zijn, anderzijds tegen dezelfde kostprijs sterker. Voor de kostprijsberekening is uitgegaan van werken van middelgrote omvang. Van geval tot geval kunnen uiteraard variaties optreden, doch de kostenverhouding van de diverse alternatieven blijft ongeveer dezelfde.

16 5. OVERIGE ASPECTEN. Het probleem van de scheurvorming in het zandcement blijft een onderwerp van onderzoek. Mits goed gedimensioneerd, zal tengevolge van verkeersbelastingen geen scheurvorming optreden. Toch zijn er altijd dwarsscheuren om de 4 â 10 m aanwezig, veroorzaakt door verhardingskrimp, uitdrogingskrimp en afkoelingskrimp. Bij het ontstaan van scheuren zal er tengevolge van de grotere dikte een zodanig"aggregate interlocking" effect in het scheurvlak ontstaan, dat dwarskrachten kunnen worden overgebracht. De asfaitbovenbouw dient een zodanige dikte te bezitten, dat voldoende wiellastoverdracht door het asfalt ter plaatse van krimpscheuren in de zandcementfundering gewaarborgd wordt, terwijl tevens voorkomen moet worden, dat krimpscheuren in het zandcement doorkomen in het asfalt. Uit literatuurgegevens en S.C.W.-proeven is geconcludeerd, dat bij asfaltiaagdikten van ± 10 cm en meer geen scheuren in de bituinineuze bovenbouw doorkomen. Nogmaals dient gesteld te worden, dat de juiste berekeningsmethode niet gevonden is. Dit vereiste integratie van theorie en empirie. De gebruikte methoden zijn benaderingsmethoden, welke echter o.i. als indicatie betrouwbaar zijn.