De Combinatiedeklaag verder verbeterd - Hoogwaardige toepassingen Combinatiedeklaag

Transcriptie

1 De Combinatiedeklaag verder verbeterd - Hoogwaardige toepassingen Combinatiedeklaag Ir. C.P. Plug Ooms Nederland Holding bv Dr.ir. A.H. de Bondt Ooms Nederland Holding bv Ing. B.J. van der Woerd Multicell/Cobeton bv Ing. G. Steensma STEBO-CON bv Samenvatting Uit diverse onderzoeken is naar voren gekomen dat de combinatiedeklaag moet worden gezien als een interessante optie als deklaag indien zware statische belastingen optreden. De ondanks hoge stabiliteit toch flexibele eigenschappen van de combinatiedeklaag worden verkregen door de toepassing van bitumen in het skelet. Er blijkt duidelijk, dat de bitumenfilm om het aggregaat van grote invloed is op de mechanische eigenschappen van de combinatiedeklaag. Ook de onder diverse praktijkomstandigheden opgedane ervaringen tonen aan dat de kwaliteit van de Combi-ZOAB sterk bepalend is voor de prestatie van de combinatiedeklaag als geheel. In deze bijdrage wordt aan de hand van laboratoriumonderzoek en twee praktijkprojecten behandeld hoe door middel van het toepassen van een polymeergemodificeerde bitumen in combinatie met een middelsterke mortel een combinatiedeklaag verder qua kosten-effectiviteit verbeterd is / kan worden. Trefwoorden Combinatiedeklaag, polymeergemodificeerde bitumen, scheurvorming, spoorvorming, statische belastingen

2 1. Inleiding Een combinatiedeklaag is een deklaag waarin de eigenschappen van twee verschillende soorten materialen worden gecombineerd. Een voorbeeld van een dergelijke deklaag is ZOAB gevuld met een (kunststof)gemodificeerde cementmortel. Hierdoor ontstaat een semi-flexibele laag, welke een hoge en langdurige drukbelasting kan verdragen. Combinatiedeklagen worden veelvuldig succesvol op zwaar belaste locaties toegepast. Een nadeel van een dergelijke deklaag kan echter het optreden van (vroegtijdige) scheurvorming zijn, welke door verschillende mechanismen veroorzaakt kan worden. Aan de hand van laboratoriumonderzoeken en praktijkervaringen is door diverse partijen gerapporteerd, dat de kwaliteit van de ZOAB van grote invloed is op het goed functioneren van de combinatiedeklaag (denk hierbij aan de mechanische eigenschappen van de componenten en zaken zoals holle ruimte en ontmengingsgevoeligheid); dit naast het vakkundig en bij de juiste weersomstandigheden aanbrengen van een voldoende sterke mortel. Met deze kennis en ervaringen voor ogen is in een samenwerking tussen Ooms Nederland Holding, Multicell/Cobeton en STEBO-CON, onderzoek uitgevoerd en een project gerealiseerd, waarbij de Combi-ZOAB qua eigenschappen en kosten-effectiviteit is verbeterd door het toepassen van polymeergemodificeerde bitumen in combinatie met een goed verwerkbare mortel. Hierbij spelen de volgende verbeterpunten: hogere indringweerstand en stabiliteit met name bij hogere temperaturen in gebruiksfase als deklaag, verminderde kans op ontmenging van de Combi-ZOAB, meer uniforme dikte van de bitumenfilm om het aggregaat, betere chemische resistentie, verbetering van de vermoeiingseigenschappen, optimalisatie van het stijfheidsgedrag (aan beide uiteinden van het mastercurve spectrum), vermindering van de scheurgevoeligheid van de combinatiedeklaag. Vooral voor situaties met zware belastingen in gebieden met een slappe ondergrond, te denken valt aan containerterminals en vliegveldverhardingen, kan de zorgvuldige toepassing van polymeergemodificeerde bitumen in de Combi-ZOAB, naast het gebruik van een goed verwerkbare kwaliteitsmortel, een extra dimensie toevoegen aan de toepassingsmogelijkheden van de combinatiedeklaag. Het in de bijdrage gepresenteerde laboratoriumonderzoek en de ervaringen die inmiddels in de praktijk zijn opgedaan, geven voor deze bovengenoemde stelling de onderbouwing. 2

3 2. Effect asfaltmengsel op composietgedrag De mechanische eigenschappen van een combinatiedeklaag zijn o.a. afhankelijk van de korrelgradering van de ZOAB, de eigenschappen van de gebruikte bitumen (+ hoeveelheid) en het type cementeuze mortel (sterk, middelsterk of zwak). Het asfalt voor een combinatiedeklaag bestaat uit een aangepast ZOAB-mengsel met een holle ruimte gehalte van circa 25%. Bij een te laag holle ruimte gehalte bestaat het gevaar dat niet alle holten gevuld worden met mortel en bij een te hoog holle ruimte gehalte bestaat er gevaar op plaatwerking. Veel gebruikte graderingen zijn ZOAB 8/11, 8/16 of 11/16 (VBW Asfalt, 2004), afhankelijk van de laagdikte. Uit onderzoek (Menninga, 2002) is gebleken dat het toegepaste bitumen in het ZOABmengsel van grote invloed is op de eigenschappen van de combinatiedeklaag. Door het toepassen van een hardere bitumen neemt de indringweerstand bij hogere temperaturen toe. Verder zal ook de stijfheid van een combinatiedeklaag toenemen bij toepassing van een hardere bitumen. Hierbij zijn er natuurlijk limieten betreffende de scheurweerstand. In dit onderzoek is tevens gebleken dat een mortelsterkte groter dan circa 40 MPa, geen extra bijdrage levert aan de sterkte van de combinatiedeklaag. Een nadeel van een hoge sterkte mortel is, dat er kans bestaat dat de betoneigenschappen gaan overheersen met als gevolg scheurvorming door krimp, temperatuurverschillen of ongelijkmatige zetting. Door er voor te zorgen dat de asfalteigenschappen blijven overheersen, kunnen optredende spanningen in de combinatiedeklaag schadevrij worden opgevangen. Ter verbetering van de asfalteigenschappen kan een polymeergemodificeerde bitumen worden gebruikt. In de praktijk blijken bepaalde polymeergemodificeerde asfaltmengsels een hoge scheurtaaiheid en een hoge stabiliteit te bezitten (dit laatste bij met name hoge temperaturen (De Bondt, 2004)). Door de hoge viscositeit van een polymeergemodificeerde bitumen kan verder een meer uniforme en dikkere bitumenfilm (hoger bitumengehalte) om het aggregaat verkregen worden, waardoor er geen bitumenafdruiping of ontmenging van de asfaltspecie plaatsvindt (CROW, 2004). Afhankelijk van het toegepaste polymeerbitumen is het verder mogelijk de chemische resistentie van de combinatiedeklaag te verbeteren, waardoor de geschiktheid van de combinatiedeklaag op bedrijfsterreinen waar dit speelt aantrekkelijker wordt. 3

4 3. Combi-ZOAB met polymeergemodificeerde bitumen De bitumenfilm om het aggregaat is van grote invloed op de mechanische eigenschappen van de combinatiedeklaag. Door het toepassen van een (hoogwaardige) polymeergemodificeerde bitumen (PMB) in de combinatiedeklaag zullen de mechanische eigenschappen van het eindproduct verder verbeteren. Bitumen De rheologische eigenschappen van met name elastomeer (SBS) gemodificeerde bitumina zijn bij hoge temperaturen duidelijk beter dan van een standaard bitumen. Dit kan duidelijk worden gemaakt met de complexe modulus (G*). De complexe modulus is een maat voor de totale bestendigheid van een bitumen tegen vervorming bij continue blootstelling aan schuifspanningspulsen en deze is afhankelijk van zowel belastingfrequentie als temperatuur. In onderstaande figuur is G* uitgezet tegen de temperatuur bij een frequentie van 0,4 Hz van Sealoflex SFB 5-50 (JR) in vergelijking met standaard bitumina. Het blijkt, dat de complexe modulus van het polymeer gemodificeerde bitumen bij hoge temperaturen hoger is dan van de standaard bitumina. Bij lage temperaturen is dit andersom (Airey, 1999). 1.0E E+07 SFB 5-50 (JR) B70/100 B40/60 odulus [Pa Complexe m ] 1.0E E E E E E Temperatuur [ C] Figuur 1: Complexe modulus bitumen uitgezet tegen temperatuur (bij frequentie van 0,4 Hz) Laboratoriumonderzoek Ter vergelijking van een standaard combinatiedeklaag en een polymeergemodificeerde variant, is het volgende laboratoriumonderzoek uitgevoerd: 3 ZOAB proefplaten (van ongeveer 2 x 1,15 x 0,06 m) zijn vervaardigd met molengemengd ZOAB; dit met behulp van zo representatief mogelijk walsmaterieel (geen handwals). Voor de gradering werd de door de mortelleverancier opgegeven ZOAB samenstelling van een standaard combinatiedeklaag gebruikt met 4,3% B70/100 bitumen, respectievelijk 4,3% en 4,7% polymeergemodificeerde bitumen (m/m% op). 4

5 Na 1 dag zijn de ZOAB proefplaten gevuld met mortel. Hierbij is de proefplaat met het standaard bitumen gevuld met een sterke mortel en beide polymeergemodificeerde platen met een goed verwerkbare middelsterke mortel (STEBO-FLEX ). Verder zijn prisma s gevuld met mortel ter bepaling van de 28-daagse druksterkte. Na 2 weken uitharding in de buitenlucht zijn uit de proefplaten kernen geboord (Ø 100 en 150 mm). Van deze kernen zijn na voorbehandeling en in totaal na 28 dagen uitharding, de volgende eigenschappen onderzocht: - Stempeldruksterkte 40x40 mm (Stebocon stempelproef) bij 20 en 40ºC (vijzelsnelheid 0,085 mm/s). - Splijtsterkte (en breuktaaiheid) bij 0 en 20ºC (vijzelsnelheid 0,85 mm/s). - Driepuntsbuigproef (en breuktaaiheid) met SCB-opstelling (Jacobs, 2000) bij 0 en 20ºC (vijzelsnelheid 0,085 mm/s). Resultaten De 28-daagse druksterkte van de sterke mortel was 104 MPa en van de middelsterke mortel 42 MPa. Het gerealiseerde holle ruimte gehalte van de ZOAB platen was circa 30%. Na vullen met mortel, was de vullingsgraad van alle onderzochte kernen visueel meer dan 95% (gangbare waarde). Figuur 2: Detail doorsnede combinatiedeklagen (1: B70/100; 2: 4,3% PMB; 3: 4,7% PMB) Op de Ø 150 mm kernen zijn na 28 dagen stempeldrukproeven uitgevoerd bij 20 en 40 C met behulp van een hydraulisch vijzelsysteem (zie figuur 3). Tabel 1: Stempeldruksterkte 40x40 mm na 28 dagen (n=6) Temperatuur [ C] ,3% B70/100 [MPa] 16,4 8,3 PMB 4,3% [MPa] 18,8 8,1 PMB 4,7% [MPa] 19,7 8,4 Uit de resultaten blijkt dat de stempeldruksterkte bij 20 C bij de polymeergemodificeerde varianten hoger is dan de standaard variant. Dit ondanks het feit dat de mortel bij de standaard bitumen een hogere druksterkte heeft dan de gebruikte mortel in de polymeergemodificeerde varianten (voor de duidelijkheid 104 MPa vs. 42 Mpa). Bij 40 C blijkt de stempeldruksterkte in alle 3 de varianten ongeveer gelijk te zijn. Bij 0 en 20 C zijn ook met behulp van een hydraulisch vijzelsysteem, splijt- en driepuntsbuigproeven uitgevoerd na 28 dagen. Voor de splijtproeven is gebruik gemaakt van Ø 100 mm 5

6 kernen en voor de driepuntsbuigproef zijn uit door midden gezaagde Ø 150 mm kernen, balkjes gezaagd van ca. 150*40*40 mm (zie figuur 4). Tabel 2: Gemiddelde splijt- en driepuntsbuigresultaten bij 0 en 20 C na 28 dagen (n=6) Proef 4,3% B70/100 PMB 4,3% PMB 4,7% Temperatuur [ C] Splijtsterkte [MPa] 2,5 1,7 2,6 1,4 2,6 1,4 Scheurtaaiheid splijt [Nmm/mm 2 ] 3,7 4,3 4,0 5,2 4,5 5,3 Buigtreksterkte [MPa] 5,7 3,0 6,0 2,9 5,5 3,0 Scheurtaaiheid buig [Nmm/mm 2 ] 0,41 0,62 0,52 0,69 0,55 0,74 De scheurtaaiheid van beide polymeergemodificeerde varianten blijkt bij beide beproevingstemperaturen hoger te zijn dan bij de standaard combinatiedeklaag, terwijl de sterktes over het algemeen soortgelijk zijn (uitgezonderd de buigtreksterkte, waar wat meer spreiding zichtbaar is). Dit kan worden verklaard uit de gunstige eigenschappen van het hoogwaardige polymeergemodificeerde bitumen tegen scheurvorming (taaiheidsverbetering). Bij een hoger bitumengehalte neemt de scheurtaaiheid verder toe. Figuur 3: Opstelling Stebocon stempelproef Figuur 4: Opstelling driepuntsbuigproef 6

7 4. Combinatiedeklaag in de praktijk Op grond van het uitgevoerde laboratoriumonderzoek is de verbeterde combinatiedeklaag in de praktijk toegepast. Paleiskade Den Helder Op de locatie Paleiskade te Den Helder (overslag van materialen t.b.v. de offshore industrie) is een combinatiedeklaagconstructie aangebracht, waarbij naast een standaard combinatiedeklaag, ook een deel met de besproken verbeterde samenstelling is toegepast. Dit laatste ter plaatse van een zogeheten milieuplaat (= afgeschermd deel v.h. terrein waar milieu belastende vloeistoffen kunnen vrijkomen / lekken), waar hoge eisen m.b.t. de wijdte van (eventuele) scheuren, de chemische resistentie en de weerstand tegen statische lasten werden gesteld. Verhardingsopbouw De verhardingsopbouw zoals ontworpen door Ooms Nederland Holding is als volgt: Figuur 5: Verhardingsopbouw Paleiskade In deze verhardingsconstructie wordt de vloeistofdichtheid bereikt door tussen de STABtussenlagen bitumineuze membranen (Sealoflex SC-33) aan te brengen (luchtdrukproeven insitu hebben dit bevestigd). Mechanische eigenschappen Na 85 dagen uitharding zijn uit de combinatiedeklaag kernen geboord (Ø 100 en Ø 150 mm). Van deze kernen zijn na in totaal 90 dagen uitharding, de splijt- en stempeldruksterkte bij 20 C bepaald. Tabel 3: Resultaten splijt en stempeldrukproeven bij 20 C na 90 dagen (n=5) Proef Milieuplaat Splijtsterkte [MPa] 1,6 Scheurtaaiheid splijt [Nmm/mm 2 ] 7,6 Stempeldruksterkte [MPa] 18,9 7

8 Visuele beoordeling na 2 jaar gebruik Een visuele inspectie van de milieuplaat is uitgevoerd na 2 jaar gebruik. Tijdens deze inspectie kon er geen scheurvorming, spoorvorming, indrukkingen of chemische aantasting worden geconstateerd. Wel waren er kleurverschillen aan het oppervlak zichtbaar door roest of andere gelekte chemische bestanddelen (zie onderstaande foto s ter illustratie). Figuur 6: Overzicht locatie te Den Helder Figuur 7: Detail kleurverschillen aan het oppervlak na 2 jaar gebruik 8

9 Euromax Maasvlakte Ten behoeve van de aanleg van de containerterminal Euromax te Rotterdam wordt een combinatiedeklaag aangelegd (periode ). De combinatiedeklaag wordt toegepast om spoorvorming door de niet-versporende AGV s (Automatic Guided Vehicles) zoveel mogelijk te voorkomen (op deze locatie worden zelfs 2 containers op een AGV gezet). De toepassing van polymeergemodificeerde bitumen in de combinatiedeklaag verbetert hier de weerstand tegen spoorvorming, scheurvorming en inwerking van chemische stoffen door bijvoorbeeld olielekkage. Bovendien wordt hierdoor de uniformiteit van de Combi-ZOAB sterk verbeterd (geen afdruipen/ontmenging). Verhardingsopbouw De verhardingsopbouw van de constructie, zoals ontworpen door Ooms Nederland Holding / Unihorn wordt als volgt: Figuur 8: Verhardingsopbouw containerterminal Euromax te Rotterdam Ook de lagen onder de combinatiedeklaag verdienen hier bijzondere aandacht. Bij in het verleden uitgevoerde havenprojecten is er vaak permanente vervorming in de tussenlaag (onder de combinatiedeklaag) opgetreden. Dit had zijn oorzaak in onvoldoende aandacht voor de mechanische eigenschappen van het bitumen in deze tussenlaag. Er is daarom bij dit project gekozen voor een speciale hardere polymeergemodificeerde bitumen in de eerste laag onder de combinatiedeklaag. De Zero-shear viscositeit (= maat voor bijdrage bitumen aan spoorvormingweerstand ) van dit bindmiddel is bijzonder te noemen (van Rooijen en de Bondt, 2005). 9

10 5. Conclusie Door middel van gericht onderzoek en de juiste keuzes betreffende bindmiddel en mortel is het mogelijk voor grote toepassingslocaties een meer optimale, kosten-effectievere combinatiedeklaag te realiseren (circa 15% kostenreductie) Referenties VBW-Asfalt. Richtlijnen combinatiedeklagen. VBW-Asfalt, Breukelen, Menninga, H. Combinatiedeklagen, Een oriënterend materiaalonderzoek op combinatiedeklagen. TU-Delft, Sectie Verkeersbouwkunde, april De Bondt, A.H. Polymeerbitumen in de wegenbouw. Ooms Avenhorn Holding bv, 2004 (te downloaden van CROW. Ontmenging ZOAB ontrafeld. CROW-rapport Ede, maart 2004 (te downloaden van Airey, G.D. Fundamental binder and practical asphalt mixture evaluation of Sealoflex. Sealoflex world conference Tokyo, Ooms Avenhorn Holding bv, april Stebocon stempelproef. Info Stebocon. Jacobs, M.M.J. en Moenielal, M. Ontwikkelingen op het gebied van combinatiedeklagen. Wegbouwkundige werkdagen 2000, CROW, Ede, Van Rooijen R.C. en de Bondt A.H. A step towards improved functional specifications for asphalt mixture and bitumen properties for airfield applications. Ooms Avenhorn Holding bv, 2005 (te downloaden van 1] Ooms Nederland Holding is inmiddels begonnen met het in de markt zetten van deze producten onder de naam StabiFalt. 10