COMPASS + De volgende stap in het specificeren van asfaltmengsels. Eindrapport CROW-werkgroep FEA. CROW-rapport 06-09

Transcriptie

1 kennisplatform voor infrastructuur, verkeer, vervoer en openbare ruimte COMPASS + De volgende stap in het specificeren van asfaltmengsels Eindrapport CROW-werkgroep FEA CROW-rapport Thema: Infrastructuur

2 CROW is het nationale kennisplatform voor infrastructuur, verkeer, vervoer en openbare ruimte. Deze notfor-profitorganisatie ontwikkelt, verspreidt en beheert praktisch toepasbare kennis voor beleidsvoorbereiding, planning, ontwerp, aanleg, beheer en onderhoud. Dit gebeurt in samenwerking met alle belanghebbende partijen, waaronder Rijk, provincies, gemeenten, adviesbureaus, uitvoerende bouwbedrijven in de grond-, water- en wegenbouw, toeleveranciers en vervoerorganisaties. De kennis, veelal in de vorm van richtlijnen, aanbevelingen en systematieken, vindt haar weg naar de doelgroepen via websites, publicaties, cursussen en congressen. CROW heeft zijn activiteiten gebundeld in zeven thema s: Openbare ruimte Mobiliteit & Transport Verkeerstechniek Infrastructuur Besteksregelgeving Contractvormen Bouwprocesmanagement CROW en diegenen die aan deze rapportage hebben meegewerkt, hebben de hierin opgenomen gegevens zorgvuldig verzameld naar de laatste stand van wetenschap en techniek. Desondanks kunnen er onjuistheden in deze rapportage voorkomen. Gebruikers aanvaarden het risico daarvan. CROW sluit mede ten behoeve van diegenen die aan deze rapportage hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeien uit het gebruik van de gegevens. De inhoud van deze rapportage valt onder bescherming van de auteurswet. De auteursrechten berusten bij CROW. CROW Galvanistraat 1, 6716 AE Ede Postbus 37, 6710 BA Ede Telefoon (0318) Fax (0318) Website

3 Woord vooraf Na de CROW-publicaties 93 Op naar functionele mengsels en 140 Geïntegreerd ontwerpen van asfaltmengsels en asfaltverhardingen met COMPASS is deze publicatie te beschouwen als de derde in deze reeks. Met recht getiteld De volgende stap in het functioneel specificeren van asfaltmengsels. Een reeks die aangeeft dat er door maatschappelijke en technologische ontwikkelingen steeds meer behoefte is aan en mogelijkheden zijn voor het specificeren van asfaltmengsels en verhardingen op basis van functionele eisen. Functionele eisen van opdrachtgevers die door opdrachtnemers vertaald moeten worden in eisen aan het constructieve gedrag van de verschillende lagen van een verhardingsconstructie en aan de eigenschappen van asfaltmengsels die in die lagen zullen worden toegepast. Een dergelijke vertaling is op vele manieren mogelijk. Naast een eenduidige formulering van functionele eisen is daarom ook een eenduidig toetsingskader nodig waarmee opdrachtgevers aanbiedingen van verschillende opdrachtnemers op hun prijs/kwaliteit/functionaliteit kunnen beoordelen. In de regelgeving zal een eerste stap in deze richting worden gezet na invoering van de Europese normen voor asfalt. Alleen voor continu gegradeerde asfaltmengsels (asfaltbeton) is, wat wordt genoemd, een fundamental (functionele) mengselontwerpmethode opgenomen. Onderkend en erkend moet echter worden dat deze genormeerde methode maar een beperkt aantal functionele eigenschappen van asfaltbeton bij het mengselontwerp betreft en geen eisen stelt aan het materiaal in de weg. Met de introductie van de COMPASS-procedure in 1999 is voor de eerste maal een geïntegreerde methode beschikbaar gekomen voor het bepalen van functionele mengseleigenschappen en het beoordelen van die eigenschappen op hun effecten in de verhardingsconstructie. Een procedure die ook internationaal veel waardering heeft gekregen. Maar ook een procedure die uiteraard voor verbetering en uitbreiding vatbaar is. Na een inventarisatie van de ervaringen met COMPASS en de mogelijke uitbreidings- en verbetermogelijkheden heeft de werkgroep Functionele Eisen Asfaltverhardingen (FEA) haar activiteiten gericht op vooral praktijk gerichte mogelijkheden voor het verbeteren en uitbreiden van COMPASS. Dit heeft geresulteerd in COMPASS +, waarin twee belangrijke uitbreidingen van COMPASS zijn opgenomen. De eerste uitbreiding betreft een methode om healing, het zelfherstellend vermogen van asfalt, op een snelle manier te kwantificeren en toepassingsgericht bij de dimensionering van verhardingsconstructies in rekening te kunnen brengen. De tweede uitbreiding is een procedure om de weerstand tegen scheurdoorgroei van asfaltmengsels te bepalen. Deze eigenschap is in toenemende mate van belang door het steeds groter wordende aandeel onderhoudswerken en de aanleg van nieuwe wegen op gebonden (scheurgevoelige) wegfunderingen. Ook is onderzoek gedaan naar mogelijkheden om de weerstand tegen permanente vervorming van gemodificeerde asfaltmengsels en steenskeletmengsels, zoals steenmastiekasfalt, beter te kunnen bepalen en de resultaten beter in overeenstemming te brengen met gemeten vervormingen in proefvakken dan nu het geval is. Binnen de aan de werkgroep toegemeten tijd en de ter beschikking gestelde middelen kon dit niet volledig worden gerealiseerd. Wel is uit het onderzoek gebleken in welke richting verder onderzoek dringend wordt aanbevolen. Het zou de innovatie in de branche ten goede komen als op redelijke termijn adequaat invulling zou kunnen worden gegeven aan een bestekseis als bijvoorbeeld maximaal x mm spoorvorming in y jaar. Ook zijn in COMPASS + niet alle functionele eisen opgenomen die aan asfaltverhardingen kunnen worden gesteld. Uitbreidingsmogelijkheden zijn er onder andere op het gebied van de weerstand tegen rafeling (steenverlies) en de duurzaamheid van wegoppervlakeigenschappen. COMPASS + kan en mag daarom ook niet het einde zijn van het specificeren en uitwerken van functionele eisen voor asfaltverhardingen. COMPASS + is echter in de huidige vorm wel een gereedschap waarmee door de branche gewerkt kan worden. Wij hopen en verwachten dan ook dat door velen met COMPASS + ervaring zal worden opgedaan. Verbetering en uitbreiding van deze methode moeten worden beschouwd als een belang van de totale branche. Er is immers dringend behoefte aan een branchebreed geaccepteerd toetsingskader. Deze verbeteringen en uitbreidingen kunnen echter alleen worden gerealiseerd door toepassing in de praktijk, terugkoppeling van ervaringen en het beschikbaar stellen van de benodigde menskracht en financiële middelen.

4 Wij danken allen die aan het tot stand komen van COMPASS + hebben meegewerkt en deze werkzaamheden financieel mogelijk hebben gemaakt. Vanuit CROW is de werkgroep begeleid door dr.ir. M.M.J. Jacobs. De publicatie is, onder verantwoordelijkheid van de werkgroep, uitgewerkt door ing. H.C. Bakker. CROW dr.ir. I.W. Koster, directeur De werkgroep Functionele Eisen Asfaltverhardingen was bij het afronden van haar werkzaamheden als volgt samengesteld: ir. A.S.M. Houtepen Gemeente Tilburg (voorzitter) ing. H.C. Bakker Adviesbureau Bakker (secretaris) dr.ir. A.H. de Bondt Ooms Avenhorn Holding ing. G. Brinkman Gemeentewerken Rotterdam, Ingenieursbureau ir. A.E. van Dommelen RWS-DWW (afdeling IR) dr. P.C. Hopman KOAC NPC dr.ir. M.M.J. Jacobs CROW (projectmanager) ir. R.W.M. Naus Dura Vermeer Infrastructuur ir. B.W. Sluer Kon. BAM Groep ir. W.F. Stas VBW-Asfalt 4

5 Inhoud Samenvatting... 8 Summary Inleiding De aanleiding tot FEA De ambitie van FEA De aanpak van FEA Relatie met Europese normering Uitgevoerd onderzoek Resultaten van FEA Leeswijzer Van COMPASS naar COMPASS Het doel van COMPASS Van COMPASS naar COMPASS COMPASS Schematische weergave Proefstukbereiding Testmethoden Testcondities Samenvatting en conclusies Spoorvorming Resultaten inventarisatie Resultaten bureaustudies Rekenmodellen Testmethoden Resultaten onderzoek De LinTrack proefvakken Triaxiaalonderzoek FEA Samenvatting en conclusies Healing Resultaten inventarisatie Bureaustudies Bepaling van healing Theoretische achtergronden bepaling healing Resultaten onderzoek Experimenteel onderzoek Van Model naar Factor voor zelfherstelling Samenvatting en conclusies Scheurvorming Resultaten inventarisatie Bureaustudies Oriënterende literatuurstudie Vervolgstudie Resultaten onderzoek Oriënterend onderzoek Onderzoek steenslagasfaltbeton Samenvatting en conclusies

6 6 Conclusies en aanbevelingen Conclusies Aanbevelingen Literatuur Bijlage A: PERMANENTE VERVORMING Inleiding Viskeuze vervorming Plastische vervorming (bezwijken) Triaxiaalonderzoek Testcondities EN LinTrack proefvakken Spanningspaden Van spanningspaden naar triaxiaalcondities Triaxiaalonderzoek FEA Triaxiaalonderzoek Aken Berekening η 1 -waarden Vervolgonderzoek Overzicht η 1 - resultaten Samenvatting en conclusies Geraadpleegde literatuur Appendix A Bijlage B: HEALING Inleiding Bureaustudies Bepaling van healing Theoretische achtergronden bepaling healingpotentie Resultaten onderzoek Experimenteel onderzoek Van Model naar Factor voor zelfherstelling Zelfherstellingsfactor Samenvatting en conclusies Geraadpleegde literatuur Appendix B Bijlage C: SCHEURVORMING Inleiding Resultaten inventarisatie Bureaustudies Oriënterende literatuurstudie Vervolgstudie Resultaten onderzoek Oriënterend onderzoek Onderzoek steenslagasfaltbeton Proefbeschrijving Bepaling scheurgroeiweerstand van asfalt met behulp van cyclische SCBproeven Algemeen Proefstukken Proefopstelling Uitvoering Verwerking meetresultaten Rapportage Samenvatting en conclusies Geraadpleegde literatuur Appendix C

7 Bijlage D: Module COMPASS Inleiding Vervorming Module permanente vervorming Plastische vervorming Viskeuze vervorming Toetsing Module vermoeiing Weerstand tegen vermoeiing Healing Ontwerpberekening Toetsing Module scheurreflectie Ontwerpberekening Toetsing Geraadpleegde literatuur Appendix D

8 Samenvatting In 1995 is in CROW-publicatie 140 Geïntegreerd ontwerpen van asfaltmengsels en asfaltverhardingen met COMPASS (COmparing Mix and PAvement StructureS) een methode gepresenteerd om de gebruiker in staat te stellen asfaltmengsels en -verhardingsconstructies te ontwerpen op basis van gedragsgerelateerde, functionele, eigenschappen. COMPASS bestaat uit een aantal testmethoden voor het bepalen van functionele eigenschappen van asfaltmengsels en het visco-elastische rekenprogramma VEROAD, waarmee deze eigenschappen direct te relateren zijn aan het gedrag, de performance, van een verhardingsconstructie in de praktijk. De ervaringen met COMPASS zijn geëvalueerd, waarbij een aantal uitbreidings- en verbeterpunten zijn geconstateerd. Deze punten bleken met name betrekking te hebben op onderzoekmethoden voor de bepaling van de weerstand tegen permanente vervorming (spoorvorming), de bepaling van het zelfherstellend vermogen (healing) en de bepaling van de weerstand tegen scheurdoorgroei van asfaltmengsels die op een gescheurde onderlaag worden aangebracht. In Nederland worden in toenemende mate zogenaamde Prestatiebestekken aanbesteed. Bestekken waarin de besteksvoorwaarden zijn gebaseerd op functionele eisen waaraan het eindproduct, de asfaltverharding, moet voldoen. Ook in Europees verband voltrekken zich overeenkomstige ontwikkelingen. Zo is in de geharmoniseerde Europese norm voor het mengselontwerp van continu gegradeerde asfaltbetonmengsels de mogelijk opgenomen dergelijke mengsels te ontwerpen op basis van functionele eisen (fundamental requirements). De bijbehorende testmethoden betreffen echter een beperkt aantal van de functionele eigenschappen die aan asfaltmengsels gesteld kunnen worden. Bovendien laten deze testmethoden diverse mogelijkheden voor de te gebruiken apparatuur en testcondities open. Zo is de procedure voor de bepaling van de weerstand tegen vermoeiing afhankelijk gesteld van de nationale dimensioneringsmethode. Het stellen van functionele eisen aan asfaltverhardingen heeft echter tot gevolg dat er diverse aanbiedingen van potentiële opdrachtnemers mogelijk zijn, aanbiedingen die door de opdrachtgever niet alleen op prijs maar ook op functionaliteit moeten worden beoordeeld. Er is daarom duidelijk behoefte aan een eenduidig toetsingskader voor opdrachtgevers en opdrachtnemers. Met het oog op dit eenduidige toetsingskader en de geconstateerde uitbreidings- en verbetermogelijkheden van COMPASS heeft de CROW-werkgroep Functionele Eisen Asfaltverhardingen (FEA) eerst via inventarisatie en bureaustudies onderzocht welke mogelijkheden er zijn voor het verbeteren van de onderzoekmethode voor de bepaling van de weerstand tegen permanente vervorming, de bepaling van healing en de bepaling van de weerstand tegen scheurdoorgroei. Vervolgens is onderzoek uitgevoerd, waarbij voor de bepaling van de weerstand tegen permanente vervorming, de onderzoekresultaten konden worden vergeleken met gemeten vervormingen bij proefvakken. Het onderzoek heeft geresulteerd in uitbreiding van de procedure COMPASS tot COMPASS + door het scherper definiëren van testmethoden en condities en toevoeging van testmethoden en rekenmodellen voor de bepaling van de healing en de weerstand tegen scheurdoorgroei. De resultaten van het onderzoek naar de bepaling van de weerstand tegen permanente vervorming van continu gegradeerde asfaltbetonmengsels met een gemodificeerd bindmiddel en steenskeletmengsels door variabele spanningscondities bij triaxiaalonderzoek bleken helaas nog niet in overeenstemming te brengen met het gedrag van de onderzochte mengsels in de proefvakken. Wel konden aanbevelingen worden geformuleerd voor nader onderzoek. COMPASS + mag daarom beschouwd worden als de volgende stap in het functioneel specificeren van asfaltmengsels en verhardingsconstructies. Het onderzoek heeft tevens geresulteerd in een aanzet voor aanpassing en uitbreiding van de tweede generatie geharmoniseerde Europese normen voor asfaltonderzoek. 8

9 Summary In Europe there is an increasing interest, strongly stimulated by the European Commission, to prescribe the quality of products in terms of functional requirements. As a result the new harmonised European Standard for Asphalt Concrete, NEN-EN , offers the opportunity to choose between an empirical and a fundamental, functional, approach for the mix design. It should however been recognised that the fundamental approach does not cover all possible functional requirements on asphalt mixtures, is only related to the mix and therefore does not cover the functional requirements on the asphalt pavement itself. In 1995 the method COMPASS, COmparing Mix and PAvement StructureS [2], was introduced in The Netherlands. This method made it possible to relate quantitatively the effects of variations in functional properties of asphalt mixes to the behaviour of the road structure as a whole. The method also deals with the test methods needed to establish the input parameters. Three of these methods, to determine the functional properties stiffness, fatigue and resistance against permanent deformation are now available as a harmonised European Standard. A general comment on these Standards is that several equipment and test conditions are allowed. This makes it very difficult for a road authority to compare different bids on price and quality for a contract based on functional requirements on an asphalt pavement. In general there is an increasing need for a common accepted tool, by contractors as well as Road Authorities, to compose and compare bids for this kind of contracts. COMPASS has the potential to be such a tool. After an evaluation of the experiences with COMPASS the CROW-working group Functional Requirements on Asphalt Pavements (FEA) was established in Scope of FEA was the improvement and possible extension of COMPASS. With respect to the available lifetime and financial resources of FEA three work items has been selected: 1) Improvement of the test conditions of the triaxial compression test in order to make it possible to determine the resistance against permanent deformation also for mixes of asphalt concrete with modified binders and stone skeleton mixes; 2) To draft a quick test and evaluation method to determine the healing potential of asphalt mixes; 3) To draft a relatively simple test and evaluation method to determine the resistance against crack propagation of asphalt mixes. The results of those studies, investigations and experiments are as follows. Item 1). It was possible to compare the results (ranking) of several different mix types by triaxial compression testing with the ranking of the same mixes in trial sections (LinTrack trial sections of the Delft University). Tests have been carried out with several levels of a variable axial pressure and constant radial pressure. A limited number of tests have been carried out with a special triaxial device. This device not only makes it possible to apply a variable (haversine) axial load, but also a variable (haversine) radial load. In general FEA did not succeed to draft a method of triaxial testing conditions with test results compatible with the ranking of the mixes in the trial sections. The very limited number of the testing in Aachen with variable axial and radial loads indicate that this is a very promising way and should be investigated further on. Item 2). The standard test method to determine the resistance against fatigue and the stiffness in The Netherlands is the four point bending test. It is well known that after a rest period during this test the stiffness of the asphalt increases again. This is called healing. To determine healing in this way is very, very time consuming. Based on the research of Kim et al [23] a test method was drafted to establish the healing potential in a much quicker way. After determining the fatigue curve in the normal way a test specimen is subjected to different numbers of cycles and different levels of loads. After each number of loads different resting periods are applied. A developed program (Excel spreadsheet) calculates the increase of the stiffness after the rest periods and the decrease during the next number of load cycles. Those results are compared with the declination of the stiffness in the original fatigue curve. The result of this test is the healing potential. If this test also has been carried out at different temperatures the healing of a specific mix can be calculated for different circumstances referring to loading and temperature. 9

10 Item 3). Regarding the increase of maintenance contracts and the construction of new roads with (cement) bound baselayers, the importance of determining the resistance of asphalt mixes against crack propagation is also increasing. Therefore there is a need for a relatively quick and simple test method. The Semi-Circular Bending Test (SCB-test) has the potential to be such a test, but the standard way of testing is a static way. FEA has drafted a dynamic way of testing and it was found that this test method is very simply to perform but the interpretation of the test data, to calculate the parameters A and n in Paris Law [28], was very complicated. At the end however the experiments and efforts resulted in a practically suitable test method using the dynamic SCB-test with Crack Opening Displacement (COD) devices, to relate the crack opening to the length of the crack, and a calculation program to determine A and n. With the above-mentioned results COMPASS has been extended to COMPASS +. COMPASS + has to be considered as the next step in functionally specifying asphalt mixes and as the next step as a tool suitable for discussions between Road Authorities and contractors on functional specifications and functional properties. 10

11 1 Inleiding 1.1 De aanleiding tot FEA Het instellen van de CROW-werkgroep Functionele Eisen Asfaltverhardingen (FEA) is gebaseerd op twee ontwikkelingen, een maatschappelijke en een technische. In de huidige maatschappij is sprake van een terugtredende overheid. Voor de (asfalt)wegenbouw betekent dit onder andere dat in toenemende mate functionele bestekken, vaak prestatiebestekken genoemd, worden aanbesteed. Bestekken waarin geen specifieke eisen aan asfaltmengsels worden gesteld in termen van nauwkeurig omschreven bouwstoffen, mengselsamenstellingen, marshalleigenschappen en laagdiktes. In een prestatiebestek is, op basis van een Programma van Eisen, omschreven wat de functionele eigenschappen van een (asfalt)verhardingsconstructie moeten zijn. Bijvoorbeeld welke prestatie de verharding moet leveren in termen van onder andere duurzaamheid, weerstand tegen spoorvorming en scheurvorming. Deze veranderende vraagstelling, toenemende verkeersbelastingen en mede daardoor de ontwikkeling van nieuwe producten, vereist ook een ander technisch toetsingskader. Een kader dat niet meer is gebaseerd op ervaringen met asfaltmengsels in het verleden. Maar een kader dat is gebaseerd op de weerstand die asfaltmengsels moeten bieden tegen de in de praktijk optredende spanningen en vervormingen in de diverse lagen van een verhardingsconstructie. Een kader ook waarop een potentiële opdrachtnemer een aanbieding kan baseren en de opdrachtgever verschillende aanbiedingen op prijs/kwaliteitsverhouding kan beoordelen. In [1] is reeds in 1995 door de voormalige CROW-werkgroep B15 Functioneel mengselontwerp een methode gepresenteerd voor het ontwerpen van asfaltmengsels op basis van functionele eigenschappen. Deze methode is verder ontwikkeld en gecombineerd met het verhardingsontwerp door de CROWwerkgroep B-19 Zwaarbelaste verhardingen tot de methode COMPASS, COmparing Mix and PAvement StructureS [2]. De aanbevelingen van B-19 en de ervaringen met de methode COMPASS in de praktijk hebben de basis gevormd voor de activiteiten van FEA. Bij deze activiteiten is ook op de ontwikkeling van geharmoniseerde Europese normen voor het ontwerpen en testen van asfaltmengsels gelet. De ambitie van FEA Voor het opstellen van een Programma van Eisen (PvE) op basis van functionele eigenschappen en het uitwerken van dit PvE tot concrete asfaltmengsels en verhardingconstructies wordt in het algemeen de zogenaamde Piramide van Eisen gebruikt. Abstractieniveau Hoog Laag Figuur 1 Niveau 1 Niveau 2 Niveau 3 Niveau 4 Niveau 5 Piramide van Eisen eisen gebruikers functionele eisen eisen aan constructief gedrag eisen aan materiaalgedrag interactie eisen aan de aard van het materiaal (weg)oppervlak eigenschappen De piramide van eisen maakt onderscheid in vijf niveaus en brengt in beeld hoe uit de heel abstracte eisen van gebruikers, zoals veilig, duurzaam en dergelijke, uiteindelijk concrete eisen aan mengseleigenschappen en de aard van materialen kunnen worden afgeleid. Ook het omgekeerde geldt. Uitgaande van (enigszins) willekeurige materialen met bepaalde mengseleigenschappen zal dit (asfalt)mengsel, in een zekere laagdikte, constructieve, functionele en specifieke gebruikerseigenschappen hebben. Als nu de eisen aan 11

12 het constructieve gedrag overeenkomen met de constructieve eigenschappen (niveau 3), kan een verhardingsconstructie veilig worden gerealiseerd. Bij het constructief ontwerpen van verhardingsconstructies moeten functionele eisen worden vertaald in eisen aan het constructieve gedrag. Functionele eisen (niveau 2) aan wegen hebben betrekking op: - de realiseerbaarheid (onder andere technisch en veilig realiseerbaar zonder gezondheidsrisico s); - de veiligheid en comfort (onder andere vlakheid, stroefheid en overige wegoppervlakeigenschappen); - de capaciteit en beschikbaarheid (onder andere onderhoudsgevoeligheid); - hergebruik (van te gebruiken materialen en/of na sloop van de verhardingsconstructie); - het milieu (onder andere met betrekking tot de winning van de te gebruiken materialen, maar ook de milieubelasting voor de wegomgeving); - omgeving (geluid); - de kosten, de financiële haalbaarheid. Uit deze functionele eisen volgen eisen aan het constructieve gedrag (niveau 3), zoals: - sterkte; - stijfheid; - eisen aan de duurzaamheid van de wegoppervlakeigenschappen. Eisen die bij de dimensionering worden gebruikt hebben betrekking op de volgende mengseleigenschappen (niveau 4): - de weerstand tegen permanente vervorming; - de weerstand tegen vermoeiing; - de weerstand tegen scheurvorming van de asfaltmengsels boven en onder in de constructie. Voor het asfaltmengsel dat voor de deklaag zal worden gebruikt kunnen onder andere de volgende wegoppervlakeigenschappen van belang zijn: - de weerstand tegen materiaalverlies (rafeling); - de weerstand tegen polijsten (van de gebruikte steenslag); - de geluidsreducerende eigenschappen; - de kleur, lichtreflecterende eigenschappen en dergelijke. Onvoldoende weerstand resulteert in schade door: - rafeling; - gladheid; - spoorvorming; - scheurvorming. In de COMPASS-procedure worden voor het onderzoek naar relevante mengseleigenschappen met betrekking tot deze schadebeelden de volgende onderzoekmethoden geadviseerd: - de vierpuntsbuigproef voor de bepaling van de weerstand tegen vermoeiing en de stijfheid - de cyclische triaxiale kruipproef voor de karakterisering van de weerstand tegen viskeuze permanente vervorming; - de cyclische uniaxiale trek/drukproef, voor de bepaling van stijfheden en fasehoeken bij verschillende temperaturen; - de directe trekproef voor de bepaling van weerstand tegen scheurvorming. Mede op basis van de ervaringen met COMPASS is de ambitie van FEA geweest het nauwkeuriger specificeren van testcondities en het uitbreiden van COMPASS tot COMPASS +, het reeds genoemde toetsingskader en objectiverend middel voor discussie tussen opdrachtgever en opdrachtnemer bij het functioneel specificeren en de uitwerking hiervan tot concrete asfaltmengsels en -constructies. De aanpak van FEA Relatie met Europese normering Met een mandaat van de Europese Commissie worden door de werkgroep 1 (WG1) van de technische commissie 227 (TC227) van het Comité Européen de Normalisation (CEN) geharmoniseerde productnormen en testmethoden voor asfalt opgesteld. Het doel van deze harmonisatie is het wegnemen van handelsbelemmeringen tussen de lidstaten van de Europese Unie. Na vaststelling van deze Europese 12

13 normen zullen ze verplicht door de lidstaten moeten worden ingevoerd en zo de nationale regelgeving gaan vervangen. In Nederland onderzoekt de CROW-werkgroep CIENA (Consequenties Implementatie Europese Normen voor Asfalt) de effecten van wijzigingen van testmethoden en/of de invoering van nieuwe testmethoden op de eigenschappen van de in Nederland gebruikelijke soorten asfalt. Met betrekking tot de productnormen komen er aparte normen voor onder andere steenmastiekasfalt en zeer open asfaltbeton. Voor de continu gegradeerde soorten asfaltbeton, de huidige soorten grindasfaltbeton (GAB), steenslagasfaltbeton (StAB), open asfaltbeton (OAB) en dicht asfaltbeton (DAB) komt er echter maar één productnorm, NEN-EN Asfaltbeton. De mogelijkheden in deze norm voor het mengselontwerp sluiten goed aan bij de filosofie van FEA. Behalve een op empirie gebaseerde mengselontwerpmethode biedt deze norm namelijk ook de mogelijkheid tot een functioneel mengselontwerp. De mengseleigenschappen waaraan in deze norm bij de functionele mengselontwerpmethode eisen (kunnen) worden gesteld zijn: - de stijfheid; - de weerstand tegen permanente vervorming; - de weerstand tegen vermoeiing; - de watergevoeligheid; - het minimum en maximum percentage holle ruimte - in beperkte mate aan de korrelverdeling. Voor het niveau van deze eigenschappen zijn categorie-indelingen opgenomen. Door CIENA zijn diverse gangbare Nederlandse mengselsamenstellingen onderzocht met door CIENA gekozen testmethoden en testcondities ter karakterisering (categoriebepaling) van deze mengsels. De Europese normen stellen geen eisen aan het asfalt na verwerking. Het door FEA uitgevoerde onderzoek is een stap verder gegaan. Waar mogelijk en door de werkgroep wenselijk geacht is aangesloten bij de Europese normering en de bevindingen van CIENA. Om echter te komen tot haar doel, het realiseren van COMPASS +, heeft FEA onderzoek gedaan naar: - modificaties van Europese testmethoden en condities die naar haar mening een beter inzicht kunnen geven in functionele mengseleigenschappen; - testmethoden en condities voor functionele mengseleigenschappen die niet in de Europese normen zijn opgenomen; - testmethoden en condities die mogelijk in de tweede generatie Europese normen kunnen worden opgenomen Uitgevoerd onderzoek De schadebeelden die in Nederland de belangrijkste oorzaak zijn voor het uitvoeren van onderhoudsmaatregelen aan asfaltverhardingen zijn: - dwarsonvlakheid (spoorvorming); - rafeling (ZOAB); - stroefheid - langsonvlakheid; - scheurvorming. Langsonvlakheid wordt vrijwel altijd veroorzaakt door ongelijkmatige zettingen van de onder de verhardingsconstructie gelegen lagen en wordt, met uitzondering van ribbelvorming, niet beïnvloed door mengseleigenschappen. De gevoeligheid voor het ontstaan van spoorvorming is wel een mengseleigenschap. FEA heeft daarom onderzoek gedaan naar de mogelijkheden om de testcondities bij triaxiaalonderzoek zodanig te modificeren dat een correlatie bepaald kon worden met de gemeten spoorvorming bij LinTrack-proefvakken op het terrein van de Technische Universiteit Delft. Scheurvorming kan zowel aan de boven- als onderkant van een verhardingsconstructie ontstaan. Bij de huidige COMPASS-methode wordt de gevoeligheid voor scheurvorming gekarakteriseerd door de bepaling van de directe treksterkte, de stijfheid van asfaltmengsels en de weerstand tegen vermoeiing. De bepaling van de directe treksterkte en de daarbij optredende rek geeft echter weinig inzicht in de gevoeligheid voor scheurdoorgroei van asfaltmengsels omdat het een eenmalige belasting is. Bovendien speelt bij het ontstaan van scheuren ook het zelfherstellende vermogen van asfalt, de healing, een belangrijke rol. Bij het dimensioneren van asfaltverhardingsconstructies wordt in het algemeen voor healing een factor 4 aangehouden. Dit is echter een empirische factor waarin, behalve healing, meerdere factoren zijn inbegrepen. FEA heeft daarom onderzoek gedaan naar methoden om de gevoeligheid voor scheurvorming 13

14 en scheurdoorgroei te karakteriseren en healing op een, ten opzichte van de huidige methode, snellere manier te bepalen. FEA heeft zicht niet gericht op onderzoek van wegoppervlakeigenschappen. Zo is de gevoeligheid voor rafeling, materiaalverlies aan het wegoppervlak, niet door FEA onderzocht. Reden hiervoor is geweest dat naar de gevoeligheid voor rafeling en de complexe factoren die hierbij een rol spelen elders onderzoek wordt gedaan. Bovendien maakte het beschikbare budget keuzes uit mogelijkheden voor onderzoek door de werkgroep noodzakelijk. Resultaten van FEA Het onderzoek heeft geresulteerd in twee uitbreidingen van COMPASS: - een module met een proefbeschrijving voor de bepaling van de scheurgevoeligheid met de SCBproef en de uitwerking van de onderzoekresultaten; - een versnelde procedure voor het bepalen van healing. Zoals ook bij veel andere onderzoekswerkgroepen het geval is geweest, geeft het uitgevoerde onderzoek aanleiding tot het nemen van initiatieven voor nieuw onderzoek. Dit betreft met name de bepaling van de weerstand tegen permanente vervorming door middel van triaxiaalonderzoek. De ideale situatie is immers het met een praktisch aanvaardbare nauwkeurigheid kunnen voorspellen van te verwachten spoordieptes op basis van laboratoriumonderzoek. Deze situatie heeft de werkgroep helaas niet kunnen bereiken. De diverse varianten in testcondities bij het uitgevoerde onderzoek hebben wel geresulteerd in het vinden van een richting waarin verder onderzoek ten zeerste wordt aanbevolen. De werkgroep is wel van mening dat, met de genoemde uitbreidingen van COMPASS tot COMPASS + een beter toetsingskader voor het uitwerken van een functioneel programma van eisen voor asfaltverhardingen is gerealiseerd. De werkgroep realiseert zich echter ook dat deze versie van COMPASS + geen eindversie kan en mag zijn. Het verzamelen van ervaringen met en het valideren van de resultaten van COMPASS + vraagt nu eenmaal aanmerkelijk meer tijd en middelen dan aan de werkgroep FEA waren toebedeeld. Het woord is daarom nu aan de praktijk van opdrachtgevers, adviesbureaus, opdrachtnemers en laboratoria. Hun ervaringen kunnen zonodig weer gebruikt worden voor een volgende stap in het functioneel specificeren van asfaltmengsels. Met nadruk wordt er op gewezen dat de vermelde onderzoekresultaten alleen gelden voor de onderzochte mengsels en niet als algemeen geldend voor mengseltypen mogen worden beschouwd. Leeswijzer Hoofdstuk 2 geeft eerst een beschrijving van de methode COMPASS. Daarna wordt toegelicht hoe COMPASS is uitgebreid tot COMPASS + met de resultaten van het FEA-onderzoek en wat hiervan de meerwaarde is. Het onderzoek van de werkgroep FEA is gericht geweest op: - spoorvorming; - healing - scheurgevoeligheid; In de hoofdstukken 3 en 4 en 5 worden deze items achtereenvolgens beknopt toegelicht volgens dezelfde opzet: - resultaten inventarisatiestudie; - resultaten bureaustudie; - resultaten materiaalstudie; - conclusies. Hoofdstuk 6 bevat de conclusies en aanbevelingen van de werkgroep. Tot slot is een overzicht opgenomen van de geraadpleegde literatuur. Meer uitgebreide beschrijvingen van het onderzoek, inclusief de resultaten, zijn opgenomen in respectievelijk Bijlage A, B en C. In Bijlage D is een praktische toelichting opgenomen over de modules die bij COMPASS + kunnen worden onderscheiden. 14

15 2 Van COMPASS naar COMPASS + Het doel van COMPASS COMPASS, COmparing Mix and PAvement StructureS, is een geïntegreerde ontwerpmethode die de gebruiker in staat stelt om wijzigingen in functionele eigenschappen (performance-based) van asfaltmengsels direct te relateren aan het gedrag van de verhardingsconstructie. COMPASS is bedoeld als gereedschap voor het bepalen en vergelijken van functionele mengseleigenschappen en het effect van die eigenschappen op gekozen constructievarianten. Uit deze vergelijking kunnen conclusies worden getrokken omtrent het acteren in de praktijk (beter of slechter) en kunnen kostenvergelijkingen worden gemaakt. Hoe een verhardingsconstructie zich in de praktijk onder verkeersbelasting gedraagt is onder andere na te gaan door het uitvoeren van visuele inspecties. Hierbij wordt nagegaan of en zo ja in welke mate er schades zijn ontstaan, onder andere in de vorm van: - rafeling; - dwarsonvlakheid (spoorvorming); - scheurvorming. Nu behoeven alle constructies, dus ook asfaltverhardingen, door het gebruik onderhoud. Weggebruikers en wegbeheerders hebben er echter alle belang bij dat het tijdsinterval tussen het moeten uitvoeren van onderhoudsmaatregelen zo groot mogelijk is. In Hoofdstuk 1, 1.2, is toegelicht hoe met behulp van de Piramide van Eisen, vanuit dergelijke gebruikerseisen eisen kunnen worden afgeleid aan het constructieve gedrag van de verhardingsconstructie en aan relevante, functionele, mengseleigenschappen. In COMPASS [2] worden voor het bepalen van deze functionele eigenschappen de volgende testmethoden gebruikt: - de vierpuntsbuigproef voor de bepaling van de weerstand tegen vermoeiing en de stijfheid; - de cyclische triaxiale kruipproef voor de karakterisering van de weerstand tegen viskeuze permanente vervorming; - de cyclische uniaxiale trek/drukproef, voor de bepaling van stijfheden en fasehoeken bij verschillende temperaturen; - de directe trekproef voor de bepaling van de treksterkte. De onderzoekresultaten, uit onderzoek of op basis van historische gegevens, vormen vervolgens de input van het in COMPASS opgenomen rekenprogramma VEROAD (Visco Elastic ROad Analysis Delft). VEROAD berekent of de door een aangenomen verkeersbelasting optredende spanningen, rekken en vervormingen de toelaatbare, op basis van de mengseleigenschappen en de ontwerp-verhardingsconstructie, niet overschrijden. Het effect van een wijziging in mengseleigenschappen, bijvoorbeeld een hogere stijfheid van mengsel B ten opzichte van mengsel A, op optredende spanningen en rekken bij diverse laagdiktes met mengsel A of B kan direct doorgerekend worden. Figuur 2 laat het stroomschema van COMPASS zien. 15

16 Verharding Ontwerpcondities Mengsel/Samenstel aantal lagen laagdikte rondergrond verkeer levensduur temperatuur materiaal Proefstuk bereiden Cylinders 100 mm Cylinders 100 mm Cyclische triaxiale kruipproef Frequency sweep Directe trek- of drukproef Lineair Visco-Elastische Response Berekening Permanente vervormin Vermoeiing Scheurgroei Viskeus Plastisch Energie Nee Ontwerpcriteria voldaan? Ja KLAAR Nee Figuur 2. Stroomschema COMPASS [2] Van COMPASS naar COMPASS + Na het verschijnen van CROW-publicatie 140 Geïntegreerd ontwerpen van asfaltmengsels en asfaltverhardingen met COMPASS [2] in 1999 is de methode COMPASS toegelicht in workshops en op (inter)nationale congressen en symposia. Voorafgaand aan het opstellen van een werkplan voor de installatie van de werkgroep FEA is een bijeenkomst georganiseerd met de samenstellers van COMPASS, de voormalige CROW-werkgroep B-19, om ervaringen te inventariseren. Bij deze inventarisatie is onder andere naar voren gekomen dat: - de methode COMPASS als een goede benadering wordt beschouwd; - met COMPASS een realistische technische risicoanalyse uitgevoerd moet kunnen worden die ingepast kan worden in de verantwoordelijkheidsverdeling tussen opdrachtgever en opdrachtnemer (contractverhouding); - testmethoden en testcondities scherper gedefinieerd moeten worden; - COMPASS overwegend gebruikt wordt voor productontwikkeling en speciale projecten, maar op termijn onderdeel zou moeten zijn van de routinematige advisering en dimensionering; - uitbreidings- en verbetermogelijkheden van COMPASS waarschijnlijk mogelijk zijn door het verbeteren van modellen voor de voorspelling van spoorvorming en duurzaamheidseffecten; - validatie van de methode zeer belangrijk is. In het projectplan voor FEA [3] heeft de werkgroep tot taak gekregen om de uitgangspunten van het model te evalueren en verifiëren met gebruikmaking van de huidige kennis en inzichten. Ook dienden materiaalmodellen in COMPASS zonodig te worden aangepast en modellen voor nog ontbrekende schadebeelden en mechanismen te worden geïntroduceerd. 16

17 De activiteiten van FEA hebben zich bij de uitbreiding en verbetering van COMPASS tot COMPASS + vooral gericht op: 1. verbetering van de onderzoekmethode voor het voorspellen van spoorvorming; 2. het ontwikkelen van een testmethode en analysemethode voor het kwantificeren van de healing van asfaltmengsels; 3. het ontwikkelen van een testmethode en analysemethode voor het bepalen van de weerstand tegen scheurdoorgroei van asfaltmengsels; 4. het vastleggen van testcondities voor de gekozen testmethoden; 5. het inventariseren van de verschillen tussen de gekozen testmethoden en testcondities en de testmethoden en condities volgens de Europese normen, met als doel eventueel voorstellen te doen voor de tweede generatie van deze EN-normen. Zoals in de Inleiding al is aangegeven zijn wegoppervlakeigenschappen, zoals het schadebeeld rafeling, buiten beschouwing gelaten omdat hier in ander verband onderzoek naar wordt gedaan. COMPASS Schematische weergave Figuur 3 laat een schematische weergave van COMPASS + zien. Verharding Ontwerpcondities Mengselsamenstelling Aardebaan Laagdikte Ondergrond Verkeer Levensduur Temperatuur Materiaal Balkjes 50*50*450 mm Proefstukken vervaardigen Cilinders Ø100 mm Cilinders Ø 150 mm Laboratoriumonderzoek Stijfheid/frequency sweep Vermoeiing Healing Cyclische triaxiaalproef Directe treken/of drukproef SCB-proef Analyse Rekenprogramma s (Responseberekeningen, EEM, Healingfactor, scheurgroei) Toetsingscriteria Toets viskeuze permanente vervorming Toets plastische vervorming Toets structurele levensduur Toets scheurreflectie nee Aan ontwerpcriteria voldaan? nee ja KLAAR Figuur 3 Stroomschema COMPASS + Toelichting stroomschema In eerste instantie wordt een mengselsamenstelling gekozen, waarmee proefstukken worden vervaardigd. Vervolgens zijn de onderzoekmethoden weergegeven, waarvan de onderzoekresultaten als invoerparameters samen met het ontwerp van de verhardingsconstructie en de ontwerpcondities, in een lineair visco-elastische response berekening worden gebruikt. In COMPASS en COMPASS + wordt voor deze berekening VEROAD gebruikt, maar ook andere rekenmodellen zijn mogelijk. Deze berekeningen resulteren in te verwachten gedrag van de ontwerp-verhardingsconstructie bij de ontwerpcondities met betrekking tot permanente vervorming (viskeuze vervorming en eventueel plastisch bezwijken), de kans op het ontstaan en de groei van scheuren (scheurreflectie) en de structurele levensduur. De totaal te verwachten levensduur wordt beïnvloed door de (nieuwe) modules healing (verlenging vermoeiingslevensduur) en de weerstand tegen scheurdoorgroei. Indien niet aan de ontwerpcriteria wordt voldaan dient de verhardingsconstructie en/of de mengselsamenstelling te worden aangepast. COMPASS + kan worden beschouwd als een geïntegreerde methode dat uit 3 modules is opgebouwd: 17

18 Een module vervorming (permanente viskeuze vervorming en plastische vervorming). Voor de toets op viskeuze permanente vervorming dienen de onderzoekresultaten van de bepaling van stijfheid/ frequency sweep en de cyclische triaxiaalproef als invoer voor de responsberekening (VEROAD). De resultaten van directe trek- en/of drukproeven worden gebruikt voor de toets op mogelijke plastische vervorming. Een module structurele levensduur, waarin voor de responsberekening gebruikt worden de onderzoekresultaten van de bepaling van stijfheid/frequency sweep en vermoeiingsonderzoek. De verlenging van de levensduur door healing wordt bepaald door de nieuwe testmethode voor het bepalen van de healingfactor. Een module scheurreflectie. Ten opzichte van COMPASS is in COMPASS + toegevoegd het berekenen van de gevoeligheid van asfaltmengsels voor scheurgroei met de resultaten van de SCBproef. Een uitgebreide beschrijving met stroomschema s van deze drie modules is opgenomen in Bijlage D Proefstukbereiding Cilindrische proefstukken met een diameter van 100 en 150 mm moeten met behulp van een gyrator (NEN- EN ) [4] worden vervaardigd of worden door het boren van kernen uit proefplaten verkregen. Het aantal gyratoromwentelingen dient: - voor asfaltmengsels met een CE-markering te voldoen aan NEN-EN Type Testing [5]; - door de asfaltproducent te worden vastgelegd. De hoogte van de proefstukken is 75 mm, voor de SCB-proef 50 mm. Het vervaardigen van proefplaten voor het zagen van balkjes of het boren van cilinders dient te geschieden volgens NEN-EN [6] Testmethoden In de geharmoniseerde Europese normen voor asfalt is alleen voor asfaltbeton (continu gegradeerd asfalt) een functionele route voor het mengselontwerp opgenomen. Bij het functioneel mengselontwerp van asfaltbeton volgens NEN-EN [7] moet de producent voor de CE-markering opgave doen van: - het bitumengehalte; - de korrelverdeling; - de watergevoeligheid; - de stijfheid, meerdere testmethoden mogelijk [8]* - de weerstand tegen permanente vervorming, bepaald met de triaxiale (cyclische) kruipproef [9]; - de weerstand tegen vermoeiing, bepaald met de twee-, drie- of vierpuntsbuigproef [10]. * In [8] zijn verschillende testmethoden voor de bepaling van de stijfheid opgenomen. Uitgangspunt bij de EN-normen is dat er per eigenschap één testmethode is, tenzij meerdere testmethoden voor die eigenschap hetzelfde onderzoekresultaat geven of een specifieke testmethode onderdeel is van de nationale dimensioneringsmethode. Zo zijn voor de bepaling van de stijfheid opgenomen de twee-, drie- en vierpuntsbuigproef, de (in)directe trekproef en de directe trek/druk proef. Bij de testcondities die zijn opgenomen voor de Typekeuring in tabel D.3 van [5] worden de onderzoekresultaten als gelijkwaardig beschouwd. In Nederland zal voor de bepaling van de stijfheid en de weerstand tegen vermoeiing gekozen worden voor de vierpuntsbuigproef. In COMPASS + wordt zoveel mogelijk aangesloten bij de EN-normen. Er zijn keuzes gemaakt uit testmethoden en testcondities, keuzes die overeenkomen met de aanbevelingen van de CROW-werkgroep Consequenties Implementatie Europese Normen voor Asfalt (CIENA). In COMPASS + zijn, zoals eerder vermeld, echter ook testmethoden opgenomen voor de bepaling van healing en de weerstand tegen scheurdoorgroei. Naar aanleiding van het FEA-onderzoek zullen voor de tweede generatie EN-normen door Nederland voorstellen worden ingebracht voor uitbreiding van bestaande normen en het opstellen van nieuwe normen. Voor het onderzoek van de functionele mengseleigenschappen die onderdeel zijn van COMPASS + hebben de volgende testmethoden de voorkeur gekregen: - de bepaling van de directe treksterkte voor de bepaling van de faallijn in een Mohr-Coulomb faalmodel; - de cyclische triaxiaalproef voor de bepaling van de weerstand tegen permanente vervorming; 18

19 - de vierpuntsbuigproef voor de bepaling van de stijfheid, de weerstand tegen vermoeiing, de healing en de bepaling van het spectrum (frequentie- en temperatuurafhankelijkheid) van stijfheid en fasehoek (frequency sweep); - de dynamische SCB-proef voor de bepaling van de weerstand tegen scheurgroei. De te gebruiken apparatuur is schematisch weergegeven in de volgende figuur. Directe treksterkte Cyclische triaxiaalproef Laststrip Vijzel Verplaatsingsopnemer Vierpuntsbuigproef Brug Proefstuk Voetplaat Zaagsnede Roloplegging 120 mm SCB-proef Figuur 4 Apparatuur bepaling functionele eigenschappen Testcondities Stijfheid en frequency sweep (met vierpuntsbuigproef) De te gebruiken apparatuur is beschreven in NEN-EN [8]. Aanbevolen wordt de stijfheidsmodulus te bepalen bij meerdere temperaturen met voor elke temperatuur zes frequenties. Gebruikelijke temperaturen zijn 0, 10, 20 en 30 o C, gebruikelijke frequenties 0,1; 0,3; 1,0; 3,0; 10 en 20 Hz (frequency sweep). Per frequentie/temperatuur zijn zeven tot tien belastingsherhalingen voldoende. Onderzoekresultaten Uit de tijdsvertraging tussen de opgelegde belasting en de gemeten vervorming wordt de fasehoek φ berekend. De stijfheidsmodulus wordt berekend uit de amplitude van de benodigde spanning (σ 0 in MPa) voor de amplitude van de opgelegde rek (ε 0 = 50 ± 3 µm/m). Uit de onderzoekresultaten wordt een stijfheidskarakteristiek vervaardigd waarin de relatie tussen fasehoek en mengselstijfheid bij verschillende temperaturen en frequenties is aangegeven Directe treksterkte De te gebruiken apparatuur is beschreven in Annex E van NEN-EN [8]. Bij de bepaling van de directe treksterkte wordt het proefstuk aan de onder- en bovenzijde vastgelijmd. De proef wordt uitgevoerd bij 40 o C voor onder- en tussenlagen en bij 50 o C voor deklagen. Het proefstuk wordt stukgetrokken bij 0,5; 1,0 en 2,0 maal de verplaatsingssnelheid van de marshallpers (= 0,85 mm/s). 19

20 Onderzoekresultaten Tijdens de trekproef worden de benodigde kracht en de verplaatsing continu geregistreerd. De trekspanning σ t (MPa) wordt berekend uit de maximale kracht en het oppervlak van de dwarsdoorsnede van het breukvlak. De breukenergie wordt berekend uit het oppervlak van het spannings/rekdiagram, dat direct verkregen kan worden uit het kracht/verplaatsingsdiagram. De trekspanning σ t kan gecombineerd worden met de drukspanning uit een statische uniaxiale drukproef voor het construeren van de faallijn in een Mohr-Coulomb faalmodel Cyclische triaxiaalproef De te gebruiken apparatuur is beschreven in NEN-EN [9]. Deze norm biedt de mogelijk te kiezen uit diverse testcondities. Voor standaardmengsels dienen de door de CROW-werkgroep CIENA aanbevolen testcondities te worden gebruikt (zie Bijlage A). Uit het onderzoek van de werkgroep FEA is gebleken dat deze condities voor asfaltmengsels met een gemodificeerd bindmiddel en voor steenskeletmengsels niet resulteren in een ranking van mengsels die op basis van LinTrack-proefvakken mag worden verwacht. De meest veelbelovende resultaten zijn verkregen bij onderzoek in Aken, waar de proefstukken zijn belast met een sinusoïdale steunspanning met een langere periode maar lagere amplitude dan de axiale spanning (zie hoofdstuk 3 en Bijlage A). Onderzoekresultaten Uit de gemeten axiale vervorming tegen het aantal belastingsherhalingen wordt een kruipcurve geconstrueerd. Axiale vervorming Tijd of aantal lastherhalingen Figuur 5 Kruipcurve Uit het lineaire 2 e deel van deze curve wordt de viscositeitsparameter η (η 1 in het Burgers model) berekend, die gebruikt wordt bij het berekenen van de permanente vervorming Vierpuntsbuigproef Weerstand tegen vermoeiing De te gebruiken apparatuur is beschreven in NEN-EN Annex D [10]. Volgens art. D.3.4 moeten de proefstukken worden onderzocht tussen 2 en 8 weken nadat ze zijn gezaagd. De eisen aan de apparatuur komen overeen met de eisen volgens de thans in Nederland gebruikelijke methode [11]. Voor het bepalen van de weerstand tegen vermoeiing dienen volgens de EN-norm bij drie belastingscondities (verplaatsings- of krachtgestuurd) per conditie tenminste zes proefstukken (totaal minimaal 18 proefstukken) te worden onderzocht. Het totale onderzoek moet worden uitgevoerd bij 1 temperatuur, 1 frequentie en 3 rekniveau s. Gerapporteerd moeten worden de berekende initiële rek die overeenkomt met een vermoeiingslevensduur van 10 6 belastingsherhalingen (ε 6 ) voor het gekozen faalcriterium, de set testcondities en de helling van de vermoeiingslijn. In de Europese norm voor Typekeuring [5] zijn de testcondities voor de CE-markering vermeld. 20

21 Healing Met healing wordt bedoeld het zelfherstellend vermogen van asfalt. Microscheurtjes die door vermoeiing van asfalt ontstaan groeien weer dicht tijdens rustperiodes. De klassieke manier om healing te bepalen is het uitvoeren van een normale vierpuntsbuigproef, gevolgd door een tweede proef op een overeenkomstig proefstuk met een rustperiode tussen iedere belastingsherhaling. Deze manier houdt in dat het totale onderzoek zeer lang duurt. In dimensioneringsberekeningen wordt vaak voor healing met een laboratorium/veldfactor, een kalibratiefactor van 4 gerekend. In deze factor 4 zijn echter meerdere invloedsfactoren op de levensduur verdisconteerd. Een snelle manier om de healing van asfaltmengsels te bepalen en daardoor mengsels op deze eigenschap met elkaar te kunnen vergelijken is een belangrijke uitbreiding in COMPASS +. Op basis van Amerikaans onderzoek is de werkgroep er in geslaagd een dergelijke methode uit te werken voor vierpuntsbuigonderzoek. Bij deze methode wordt een proefstuk onderworpen aan een wisselend aantal belastingsherhalingen gevolgd door wisselende rustperiodes. Uit de toename van de stijfheid na een rustperiode en de afname na een aantal belastingsherhalingen in vergelijking tot die afname bij een normale proef wordt met het ontwikkelde rekenprogramma de healing berekend. Voor meer details van het bepalen van de healing wordt verwezen naar Bijlage B Dynamische SCB-proef In toenemende mate vindt in Nederland een verschuiving plaats van de aanleg van nieuwe wegen naar onderhoud en verbreding van bestaande wegen. Kennis van de weerstand tegen scheur(door)groei van asfaltmengsels die worden aangelegd op een verharding of fundering met scheuren of voegen wordt daarom steeds belangrijker. De meest gebruikelijke manier om scheurgroei te beschrijven is de empirische machtswet van Paris. De werkgroep heeft geïnventariseerd welke testmethoden internationaal gebruikt worden om de materiaalparameters A en n uit deze wet van Paris te bepalen. Nu wordt voor de bepaling van de breuktaaiheid en breukenergie van asfaltmengsels en gebonden funderingsmaterialen in Nederland al geruime tijd de statische SCB-proef (Semi-Circular Bending test) gebruikt. Voor de beschrijving van de benodigde apparatuur en de uitvoering van de statische SCB-proef wordt verwezen naar [12]. De werkgroep is er in geslaagd om een dynamische uitvoering van deze SCB-proef en een analyse van de meetgegevens te ontwikkelen waarmee met een voor de praktijk geschikte nauwkeurigheid de parameters A en n bepaald kunnen worden. De proefomschrijving voor de uitvoering van de dynamische SCB-proef is opgenomen in Bijlage C. Samenvatting en conclusies. Na inventarisatie van de ervaringen met COMPASS heeft de werkgroep FEA tot taak gekregen uitbreidings- en verbetermogelijkheden van COMPASS te onderzoeken en testmethoden en -condities zo nauwkeurig mogelijk te definiëren. Uiteraard heeft FEA de ontwikkeling van Europese normen voor asfalt bij de uitvoering van deze taak nauwlettend gevolgd. Uitgangspunten van COMPASS zijn de functionele eigenschappen van asfalt, eigenschappen die in samenhang met de opbouw van de verhardingsconstructie, het gedrag in de praktijk onder verkeer bepalen. In Europees verband zal bij de eerste generatie EN-normen alleen voor continu gegradeerd asfaltbeton een functionele mengselontwerpmethode in een norm worden vastgelegd. In datzelfde Europees verband wordt ook onderkend en erkend dat in deze genormeerde methode niet alle functionele eigenschappen van asfaltmengsels worden afgedekt. FEA heeft om dezelfde reden wel de Europese systematiek gevolgd maar, zoals ook in haar taakomschrijving aangegeven, heeft zich daardoor niet gebonden gevoeld. De activiteiten van FEA hebben zich vooral gericht op testmethoden en testcondities voor: - een betere ranking van mengsels met betrekking tot de weerstand tegen permanente vervorming; - het bepalen van de healing van asfaltmengsels, omdat in de huidige dimensioneringsmodellen wordt gerekend met een kalibratiefactor ; - het bepalen van de weerstand van asfaltmengsels tegen scheurgroei. In COMPASS ontbreekt een module voor wegoppervlakeigenschappen, zoals rafeling. Naar rafeling wordt in ander verband onderzoek gedaan. De werkgroep FEA is erin geslaagd om COMPASS tot COMPASS +, de volgende stap naar een functioneel mengselontwerp, uit te breiden door toevoeging van praktische onderzoekprocedures voor: - het bepalen van de healing van asfaltmengsels; - het bepalen van de weerstand tegen scheur(door)groei. 21

22 Het valideren van deze onderzoekmethoden door onderzoek op verschillende mengsels en toetsing aan de praktijk heeft binnen de beschikbare tijd en financiële middelen niet kunnen plaatsvinden. Voor het aspect spoorvorming was wel een mogelijkheid tot validatie beschikbaar in de vorm van semipraktijkonderzoek (LinTrack-proefvakken). Voor dit aspect is met name gezocht naar verbetering van de beschikbare methodiek, met name voor mengsels met een gemodificeerd bindmiddel en steenskeletmengsels. Dit is helaas binnen de beschikbaar gestelde tijd en financiën niet gelukt. Wel zijn in Hoofdstuk 6 aanbevelingen opgenomen voor verder onderzoek naar aanleiding van de opgedane ervaringen. In dit hoofdstuk zijn ook aanbevelingen opgenomen voor de tweede generatie van de Europese normen voor asfalt. 22

23 3 Spoorvorming Resultaten inventarisatie In een eind augustus 2001 georganiseerde bijeenkomst ter evaluatie van COMPASS van de voormalige CROW-werkgroep Zwaarbelaste verhardingen is opgemerkt dat er behoefte is om de bestaande module ter voorspelling van te verwachten spoorvorming te verbeteren. Een dergelijke verbetering kan op twee manieren, of zonodig een combinatie hiervan, worden gerealiseerd: - verbetering van de onderzoekmethode, door het beter aanpassen van de testcondities aan de in de praktijk optredende condities; - validatie van onderzoekresultaten en rekenmodellen met praktijkproeven. De ideale situatie is hierbij dat de berekende vervormingen corresponderen met of te correleren zijn aan de in proefvakken gemeten vervormingen. Een lager ambitieniveau is dat de resultaten van onderzoek en berekeningen resulteren in een ranking van mengseltypen of samenstellingen, die overeenkomt met de ranking in proefvakken. In de taakomschrijving van FEA is opgenomen dat FEA vooral pragmatisch te werk diende te gaan en aan te sluiten bij de bestaande praktijk. Door FEA diende geen nieuwe technologie ontwikkeld te worden. In het model COMPASS is op niveau 3 van de piramide van eisen gekozen voor het rekenprogramma VEROAD (Visco-Elastic Road Analysis Delft), een programma dat rekening houdt met de visco-elastische eigenschappen van asfalt volgens het bekende Burgers' model. Sinds het verschijnen van CROW-publicatie 140 [2] is discussie ontstaan over de niet exact gedefinieerde testcondities in deze publicatie, twijfels aan het onderscheidend vermogen van de testmethoden en twijfels aan de voorspellingskracht van het Burgers' model. Permanente deformatie, die zichtbaar wordt als spoorvorming, kan optreden door viskeuze vervorming of plastisch bezwijken. Spoorvorming als gevolg van viskeuze vloei, viskeuze vervorming, kan optreden doordat een materiaal meer of minder stroperig is. In modellen wordt viskeuze vloei voorgesteld door een zuiger of smoorpot. Voor viskeuze vervorming geldt dat deze recht evenredig is met de belastingstijd en met de schuifspanning (de vervorming is recht evenredig met de schuifspanning). Voor rijdend verkeer op een asfaltverharding neemt de belastingstijd af naarmate de verkeerssnelheid toeneemt. Gesteld wordt dan ook dat de vervorming omgekeerd evenredig is met de belastingstijd. Voor het bepalen van de gevoeligheid voor viskeuze vervorming worden in COMPASS de kruipeigenschappen van asfaltmengsels bepaald met de cyclische triaxiale kruipproef. Plastisch bezwijken treedt op als de sterkte van het asfalt onvoldoende weerstand biedt tegen de hierop uitgeoefende krachten. Bij plastisch bezwijken treedt de eindtoestand praktisch onmiddellijk (schoksgewijs) op, waarna bij asfaltverhardingen een nieuwe evenwichtstoestand ontstaat. De kans op bezwijken wordt bepaald door enerzijds de optredende spanningen als gevolg van de belasting en de plaats in de verhardingsconstructie. Anderzijds door mengselstijfheid S mix, de cohesie en de toelaatbare trekspanning van het mengsel. In COMPASS worden stijfheden en fasehoeken bepaald bij verschillende temperaturen met de cyclische uniaxiale trek/drukproef. Hiervoor kan echter ook een vierpuntsbuigopstelling worden gebruikt. Het uitvoeren van deze proef bij meerdere frequenties wordt frequency sweep genoemd. Uit de trekspanning en de drukspanning, welke laatste wordt bepaald uit de statische uniaxiale drukproef, wordt een Mohr-Coulomb faalmodel geconstrueerd. Omdat de hoek van inwendige wrijving van asfalt ligt tussen 35 en 40 o kan voor dit faalmodel volstaan worden met alleen het uitvoeren van trekproeven. 3.2 Resultaten bureaustudies Zoals onder 3.1 is aangegeven kan de betrouwbaarheid van prognoses voor spoorvorming worden bereikt door verbetering van de testmethode(n) en/of validatie van de uitkomsten van testmethoden en rekenmodellen door praktijkproeven. Bij de voorbereiding voor het uitvoeren van onderzoek door de werkgroep is voor het aspect spoorvormingsgevoeligheid, in relatie tot de niveaus in de Piramide van Eisen, het volgende gesteld: - Niveau 2 (functioneel): als voorbeeld moet een eis gesteld kunnen worden van bijvoorbeeld maximaal 18 mm spoorvorming in 15 jaar als gevolg van dynamische belasting. - Niveau 3 (constructief): er moet een op wetenschappelijke basis gefundeerde berekeningsmethode zijn voor permanente vervorming. 23

24 - Niveau 4 (mengsels): er moeten eisen aan proefresultaten gesteld kunnen worden. - Niveau 5 (materialen): er moeten eisen aan bouwstoffen gesteld kunnen worden Rekenmodellen Het rekenmodel VEROAD is onderdeel van de methode COMPASS. Als mogelijke alternatieven zijn ontwikkelingen bij de DWW en bij de TU Delft in ogenschouw genomen. Deze ontwikkelingen waren echter nog in een pril stadium, waarop besloten is te trachten de spoorvormingsmodule van COMPASS te verbeteren [13, 14, 15 en 16]. Desgewenst konden hier elementen uit de beide andere concepten aan worden toegevoegd. Voor de validatie van deze aanpassing heeft de werkgroep gebruik kunnen maken van de resultaten van LinTrack-proefvakken die aangelegd zijn op het terrein van de TU Delft in opdracht van de RWS-DWW Testmethoden Voor functioneel onderzoek naar de gevoeligheid van asfaltmengsels voor permanente vervorming is de cyclische triaxiaalproef de meest gebruikte methode, voor empirisch onderzoek worden wielspoorproeven gebruikt. De proefomstandigheden tijdens een triaxiaalproef kunnen afhankelijk zijn van de plaats die het desbetreffende asfalt in de verhardingsconstructie heeft. Hierdoor kunnen de proefcondities verschillen wat de testtemperatuur, de (variatie in) radiale steunspanning en de (variatie in) axiale belasting betreft. De werkgroep heeft eerst een bureaustudie [17] uit laten voeren naar de spanningscondities op verschillende niveaus in een asfaltverhardingsconstructie tijdens een wielpassage. Uit deze studie zijn theoretische testcondities berekend (zie tabel 1). Tabel 1: Theoretische testcondities voor triaxiaalonderzoek bij 40 o C Voor het asfalt op 25 mm diepte 75 mm diepte Periode cyclisch signaal 0,25 s 0,25 s Halfwaardebreedte axiale spanning 0,021 s 0,028 s Halfwaardebreedte steunspanning 0,016 s 0,032 s Minimale axiale spanning - 1,0 MPa - 0,8 MPa Minimale steunspanning - 0,8 MPa - 0,4 MPa Opmerkingen: - Het teken bij de spanningen geeft aan dat een drukspanning moet worden opgelegd; - Deze testcondities gelden uitsluitend bij een temperatuur van 40 o C. Verwacht mag worden dat bij hogere temperaturen het asfalt slapper zal zijn met als gevolg nog kortere halfwaarde tijden. Consequenties theoretische testcondities - de periode is sterk verkort ten opzichte van de gebruikelijke periode van 1 sec bij dynamisch kruip- en triaxiaalonderzoek; - de axiale pulsduur is verkort ten opzichte van gebruikelijk onderzoek en komt overeen met een voertuigsnelheid van 50 km/h. - bij de traditionele testuitvoering wordt een constante steunspanning opgelegd. In het aangepaste, proefvoorstel wordt uitgegaan van een cyclische steunspanning; - met de beschikbare apparatuur in Nederland is het mogelijk een cyclische axiale spanning op te leggen, maar (nog) geen radiale cyclische spanning. 24

25 midden onder het wiel, 25 mm diepte spanning [MPa] steunspanning axiale spanning tijd [sec] Figuur 6 Voorbeeld theoretische testcondities Resultaten onderzoek De LinTrack proefvakken De werkelijk gemeten spoorvorming en op basis hiervan de ranking van de mengsels die in de LinTrack proefvakken zijn verwerkt, zijn gebruikt voor de validatie van diverse varianten van testcondities bij de triaxiaalproef. Dit betreft met name de vakken 5 en 6. De opbouw van deze proefvakken is weergegeven in tabel 2 [18]. Tabel 2 Constructievarianten LinTrack-proefvakken Vak Laag 1 Laag 2 Laag 3 Laag 4 Laag mm DAB 80/ mm OAB 1 80 mm StAB 2 90 mm StAB mm AGRAC 2 40 mm DAB 45/60 60 mm OAB 2 80 mm StAB 2 90 mm StAB mm AGRAC 3 50 mm ZOAB 60 mm StAB 3 80 mm StAB 2 90 mm StAB mm AGRAC 4 50 mm ZOAB 60 mm MStAB 3 (multigrade) 80 mm StAB 2 90 mm StAB mm AGRAC 5 40 mm DAB M (polymeer) 60 mm StAB 4 80 mm StAB 2 90 mm StAB mm AGRAC 6 40 mm SMA 0/11 type 2 60 mm StAB 4 80 mm StAB 2 90 mm StAB mm AGRAC Verder kunnen de volgende opmerkingen over de verschillende mengsels worden gemaakt: - DAB, OAB en ZOAB zijn 0/16 mengsels; - OAB 1 en 2 zijn van gelijke samenstelling (met 50 % asfaltgranulaat) maar op een verschillend tijdstip aangelegd. OAB 2 bleek slechter verdicht; - StAB 1 en 2 zijn 0/22 mengsels met 50 % asfaltgranulaat; - StAB 3 is een 0/22 mengsel met maagdelijk materiaal; - MStAB 3 is gelijk aan StAB 3 met een multigrade bitumen; - StAB 4 is een 0/22 mengsel met Schotse graniet. 25

26 Naast de proefvakken zijn monstervakken aangelegd om proefstukken van voldoende afmetingen voor nader onderzoek te kunnen nemen. Zo is er uitgebreid triaxiaalonderzoek uitgevoerd met diverse combinaties van niveaus van cyclische axiale en constante radiale spanning. Als naar deze triaxiaalresultaten wordt gekeken zou verwacht mogen worden dat: - het proefvak met DAB 80/100 het slechts zou acteren; - de het op een na slechtste proefvak het vak met DAB 45/60 of het proefvak met gemodificeerd DAB moet zijn; - de beide ZOAB-vakken en het SMA-vak zouden zich ongeveer gelijk moeten gedragen en duidelijk beter moeten acteren dan de rest. Deze verwachtingen corresponderen op een aantal punten niet met de waarnemingen van de proefvakken: - het gemodificeerde DAB gedroeg zich veruit het beste, al ontstond er bij de belasting met dubbellucht wel een kleine langsscheur tussen de banden; - het conventionele DAB 45/60 gedroeg zich nagenoeg gelijk aan de ZOAB-vakken en het SMA-vak; - het bezwijkgedrag van de SMA kwam in de triaxiaalproeven niet tot uitdrukking. Het DAB 80/100 acteerde naar verwachting het slechtst Triaxiaalonderzoek FEA Uit de LinTrack-proefvakken en het aanvullende triaxiaalonderzoek is gebleken dat de verwachtingen op basis van de onderzoekresultaten niet geheel in overeenstemming waren met het gedrag in de proefvakken. De werkgroep heeft daarom onderzoek gedaan met variaties in testcondities om de ranking van de gebruikte asfaltmengsels bij triaxiaalonderzoek beter in overeenstemming te brengen met de praktijkresultaten. Als belangrijkste variant is hierbij gezien het aanleggen van een variabele steunspanning. Deze gewenste belasting kon worden opgelegd door apparatuur van de Rheinisch- Westfälische Technische Hochschule, Institut für Straßenwesen in Aken. Deze apparatuur bestaat uit een dynamische bank met een speciale triaxiaalcel. De axiale spanning wordt opgelegd door middel van een hydraulische vijzel, de radiale spanningen door een met olie gevulde mantel van de triaxiaalcel. Door olie in en uit de mantel te laten vloeien kan de radiale druk worden gevarieerd. De gewenste halfwaardebreedte van axiale en radiale spanning (zie tabel 1) bleek echter niet realiseerbaar en moest worden verlengd. Onderzoek [19] is uitgevoerd op: - 8 gyratorvervaardige proefstukken StAB 0/16, diameter 100 mm, hoog 65 mm; - 8 boorkernen (LinTrack-vak) gemodificeerde DAB 0/16 (Flexxipave), diameter 100 mm, hoog 60 mm; - 8 boorkernen (LinTrack-vak) SMA 0/11, diameter 100 mm, hoog 60 mm. Per materiaal zijn 4 proefstukken gebruikt voor triaxiaalproeven met een constante radiale druk en 4 proefstukken met een variabele radiale druk. De spanningscondities zijn weergegeven in figuur 7: sec 0.6 sec 0.5 axial : 0,4 sec radial: 0,46 sec Spanning [MPa] Axiale spanning Radiale spanning Sp an 0.3 ni ng [M Pa 0.2 ] Radiale spanning Axiale Spanning Tijd [sec] Figuur 7 Constante en variabele steunspanning Tijd [sec] 26

27 Uit de resultaten van dit onderzoek bleek dat voor de StAB 0/16 en de SMA 0/11 de viscositeitsparameter η 1 met een factor 2 respectievelijk 3,5 toeneemt bij een variabele steunspanning. Bij de gemodificeerde DAB zijn de η 1 -resultaten echter iets lager dan bij de constante radiale spanning. De resultaten bij deze testvarianten waren derhalve niet eenduidig. Bovendien is de halfwaardebreedte van axiale en radiale spanning gelijk geweest wat niet de opzet van de werkgroep was (zie tabel 1). Daarom is besloten om de proeven nogmaals uit te voeren, maar nu met een bredere variabele radiaalspanning en blokvormige axiaalspanning (figuur 8). 0,5 0,4 spanning [MPa] 0,3 0,2 radiale spanning axiale spanning 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 tijd [sec] Figuur 8 Variabele radiale spanning en blokvormige axiaalspanning In figuur 9 is een overzicht opgenomen van de berekende gemiddelde η-waarden (η 1 uit het Burgers model) per soort asfalt bij de gebruikte testcondities. 1,60E+06 1,40E+06 1,20E+06 ηgemiddeld [MPa.s] 1,00E+06 8,00E+05 6,00E+05 constante radiaalspanning Radiaal sinusvormig, axiaal sinusvormig Radiaal sinusvormig, axiaal blokvormig 4,00E+05 2,00E+05 0,00E+00 STAB 0/16 (gyrator) DAB 0/16 Flexxipave SMA 0/11 Figuur 9 Overzicht van gemiddelde η-waarden per proefconditie per materiaalsoort. 27

28 De invloed van de proefomstandigheden op de η-waarde blijkt voor de verschillende materialen niet eenduidig te zijn. De spanningscondities hebben de minste invloed op de η van gemodificeerde DAB 0/16 en de meeste invloed op de η van SMA. De variatie in η bij de SMA is zeer groot (maximaal een factor 10). Ook de ranking van de materialen wat weerstand tegen spoorvorming betreft verandert. Hypothese naar aanleiding van onderzoekresultaten De hypothese is dat het interne materiaalmechanisme in de normale triaxiaalproef (constante steundruk) niet goed tot zijn recht komt doordat het steenskelet de kans krijgt te "consolideren". Naar verwachting krijgt het korrelskelet in de verharding hiervoor de kans niet omdat de richtingen van de spanningen steeds wisselen. In de weg zou het steenskelet bij elke wielovergang daardoor ook steeds weer iets losser gemaakt worden. De triaxiaalproef met constante steunspanning overschat door deze consolidatie de bijdrage van het korrelskelet. Daarom wordt het effect van de modificatie in de triaxiaalproef niet zichtbaar terwijl dit effect in de verharding wel groot is. Op basis van de resultaten van de proef met sinusvormige radiaalspanning en blokvormige axiaalspanning kan het consolidatie-effect wel worden bewezen. De invloed van de spanningscondities op de vervorming is bij een korrelskelet-mengsel als SMA erg groot. In de proef met sinusvormige radiaalspanning en blokvormige axiaalspanning is de radiaalspanning al tot meer dan de helft van de maximale radiaalspanning opgebouwd (zie figuur 8) voordat de axiaalspanning wordt opgebouwd. Het steenskelet wordt in radiale richting voorgekneed, het proefstuk wordt als het ware dunner en langer, voordat de axiale druk wordt aangebracht met meer verticale vervorming tot gevolg. Vervolgonderzoek Uit het in Aken [19] uitgevoerde onderzoek met variabele radiale spanning en blokvormige axiaalspanning is geconcludeerd dat de hypothese redelijk is, maar dat de proefuitvoering technisch moeilijk is en een behoorlijke investering vergt. Daarom is vervolgonderzoek [20] uitgevoerd om na te gaan of het bedoelde effect ook met in Nederland beschikbare apparatuur te bereiken is. In dit vervolgonderzoek is de horizontale spanning groter gekozen dan de minimale verticale spanning. Dit gaf de volgende resultaten. De SMA-proefstukken vertonen een individueel en vaak een bijzonder vervormingsgedrag. In bijna alle gevallen treedt naast een verkorting van het proefstuk ook gedurende enige tijd een verlenging op. Het optreden van een verlenging wordt verklaard uit de bijzondere spanningscondities. De DAB-proefstukken vertonen op één na een gebruikelijk vervormingsbeeld. Bij dit proefstuk met afwijkend gedrag trad, evenals bij de SMA-proefstukken, een verlenging op. De vervormingen waren globaal gezien kleiner dan wat bij de conventionele testcondities wordt waargenomen. De StAB-proefstukken laten de gebruikelijke vervormingsbeelden zien. De vervormingen waren globaal gezien kleiner dan wat bij de conventionele testcondities wordt waargenomen. Samenvatting en conclusies Triaxiaalonderzoek is in Nederland de gebruikelijke functionele (performance-based) onderzoekmethode om de gevoeligheid voor permanente vervorming van asfaltmengsels te onderzoeken. De onderzoekresultaten worden als invoerparameters voor spoorvormingsmodellen gebruikt. Deze onderzoekmethode is ook onderdeel van COMPASS +. Bij de gebruikelijke triaxiaalcondities (een constante radiaalspanning en een variabele axiaalspanning) bleek de ranking van de LinTrack-mengsels echter niet in overeenstemming te zijn met de mate van spoorvorming in de proefvakken. De optredende spoorvorming van het SMA 0/11 bleek duidelijk groter dan op grond van de testresultaten mocht worden verwacht. Het omgekeerde bleek het geval te zijn bij een DAB met polymeer gemodificeerd bitumen. Om de ranking van steenskeletmengsels en mengsels met een gemodificeerd bindmiddel bij dit type onderzoek beter in overeenstemming met de praktijkgegevens te brengen, en zo COMPASS te verbeteren, zijn eerst de spanningspaden in een verharding onder een passerend wiel berekend. Vervolgens is onderzoek gedaan in Aken, waarin een dergelijk spanningspad is gesimuleerd door het aanleggen van een variabele radiale spanning en een blokvormige axiale spanning. De onderzoekresultaten waren hoopgevend, maar de testmethode zelf technisch moeilijk uitvoerbaar en relatief kostbaar. Daarom is vervolgonderzoek in Nederland uitgevoerd met een blokvormige axiale spanning en een constante radiaalspanning, maar op een hoger niveau dan de minimale axiaalspanning. De resultaten van de proeven voldeden echter niet aan de verwachtingen. Er moet worden geconcludeerd dat de ranking van asfaltsoorten wat spoorvorming betreft met relatief eenvoudig triaxiaalonderzoek (constante radiaalspanning en variabele axiaalspanning) ten opzichte van de ranking in de LinTrack-vakken niet voor alle toegepaste mengselvarianten met elkaar in overeenstemming kan worden gebracht. Dit geldt met name voor het gebruikte steenskeletmengsel SMA en voor dicht 28

29 asfaltbeton met een (polymeer) gemodificeerd bindmiddel. Opgemerkt moet worden dat bij onderzoek met de empirische wielspoorproef de ranking na lastherhalingen wel correspondeerde. Mede op basis van visuele beoordeling is door de werkgroep opgemerkt dat het onderzochte SMA mogelijk niet als representatief beschouwd mag worden voor de in Nederland gebruikelijke mengselsamenstelling door een enigszins overvuld uiterlijk en de aanwezigheid van een relatief hoog percentage platte stukken in de steenslag. Mogelijk zijn ook de testcondities bij het LinTrack-onderzoek zwaarder geweest dan die welke in de praktijk optreden. Figuur 10, die verder wordt toegelicht in Bijlage A, geeft een indruk van de invloed van testcondities en testmethoden op de berekende η 1 -waarden. Alle monsters zijn afkomstig uit LinTrack materiaalvakken, behalve de in Aken beproefde STAB mengsels (dit waren gyratorvervaardigde laboratoriummengsels). Tussen haakjes is in figuur 10 het aantal onderzochte monsters vermeld. 2,50E+06 η 1 (Mpa.s) 2,00E+06 (5) SMA STAB gyratorvervaardigd STAB 1,50E+06 (4) DAB-EVA 1,00E+06 (3) (3) (3) 5,00E+05 0,00E+00 (4) (4) Aken steundruk constant axiaal sinus (4) (4) (4) Aken steundruk sinus axiaal sinus (2) (2) Aken steundruk sinus axiaal blok (3) KOAC - NPC (3) (3) (3) (3) (3) (3) Wielspoor (hechting bakranden) Wielspoor (slip bakranden) (3) DWW CIENA condities Figuur 10 Overzicht van alle η 1 waarden Het onderzoek in Aken, met variabele axiaal- en radiaalspanning, is slechts op een beperkt aantal proefstukken uitgevoerd. Toch mag op grond van deze onderzoekresultaten voorzichtig worden geconcludeerd dat spanningscondities die zo goed mogelijk overeenkomen met berekende spanningspaden wel tot een met het praktijkgedrag overeenkomende ranking lijken te leiden. Voor steenskeletmengsels en mengsels met gemodificeerde bindmiddelen wordt nader onderzoek met deze testcondities ten zeerste aanbevolen. Bij bevredigende resultaten zou deze onderzoeksvariant voor de genoemde mengseltypen opgenomen kunnen worden in de Europese norm [9]. Een tweede aanbeveling is om per mengsel 2 triaxiaalproeven te doen met verschillende testcondities. Deze aanbeveling is niet door de werkgroep getoetst. Als varianten voor testcondities gaat het daarbij met name om het niveau van de (constante) radiaalspanning. Onderzocht moet worden of op basis van de η-waarden conclusies kunnen worden getrokken. 29

30 4. Healing Resultaten inventarisatie Healing is het zelfherstellend vermogen van asfalt. Sinds de jaren zestig van de vorige eeuw is in het laboratorium onderzoek uitgevoerd dat heeft aangetoond dat de vermoeiingslevensduur van asfalt bij cyclische belastingen met rustperioden hoger ligt dan bij dezelfde belasting zonder rustperioden. Bij dergelijk onderzoek is in hoofdzaak gewerkt met verplaatsingsgestuurde buigproeven. Hierbij is een verlenging van de vermoeiingslevensduur, een healingfactor, gevonden van 1,5 tot 11. Healing is, voor zover uit de literatuur bekend, te danken aan een zekere mate van herstel van (micro)scheuren, waarbij viscositeit, oppervlakte-energie en moleculaire binding een rol spelen. Bij het structureel ontwerp van asfaltverhardingsconstructies wordt ook met healing rekening gehouden. Ook in de Handleiding Ontwerp Verhardingen van de DWW [21] is een kalibratiefactor healing opgenomen. In feite is healing hierin geintroduceerd als empirische factor die het verschil tussen theorie en praktijkgedrag verdisconteerd. In deze factor zit echte healing, maar ook veroudering, verschil in spannings-en rektoestand tussen laboratoriumproef en weg, etc. etc. Voor deze empirische factor wordt in het algemeen een factor 4 aangehouden. Deze factor is echter niet hard onderbouwd. De werkgroep FEA heeft zich daarom voor het aspect healing tot taak gesteld om: - te komen tot een door de branche algemeen aanvaarde onderzoekmethode voor het meten van healing in het laboratorium; - het introduceren van een healingmodule in COMPASS; - zo mogelijk de bepaling van een empirische kalibratiefactor voor het verschil tussen meetwaarde in het laboratorium en het praktijkgedrag. In dit kader is in eerste instantie een literatuurstudie uitgevoerd naar de manier waarop (inter)nationaal healing wordt bepaald. Bureaustudies Bepaling van healing In eerste instantie is een literatuurstudie [22] uitgevoerd naar testmethoden en onderzoekresultaten voor de bepaling van healing in binnen- en buitenland. In dit rapport wordt geconcludeerd dat vóór 1987 voor healing en temperatuurcorrectie in de DWW-ontwerpmethode een factor 6 tot 7 werd gehanteerd. Deze factor is teruggebracht tot een factor 4 in verband met te weinig kennis over de healingeigenschappen van asfaltmengsels met lagere bitumengehaltes, mengsels die sinds de Eisen 1978 worden gebruikt. De factor 4 is echter niet hard onderbouwd en corrigeert niet uitsluitend voor het healingeffect. In Nederland zijn in de periode healingonderzoeken uitgevoerd, in opdracht van DWW en CROW, met 2-, 3- en 4-puntsbuigproeven, zowel rek- als verplaatsingsgestuurd. De healingfactor is berekend als het quotiënt van de vermoeiingslevensduur onder intermitterende en continue belasting. Als levensduur zijn verschillende criteria beschouwd: - N f : de klassieke vermoeiingslevensduur op basis van halvering van de initiële stijfheidsmodulus; - N f : op basis van breuk van het proefstuk (concept OCW bij krachtgestuurde proef); - N 1 : op basis van de energieratio (concept Hopman, Kunst en Pronk). Uit het bestudeerde onderzoek wordt onder andere geconcludeerd dat bij de standaard vermoeiingsproef in Nederland (de verplaatsingsgestuurde 4-puntsbuigproef bij 30 Hz) alleen healing van betekenis wordt gevonden bij lage rekniveaus (< 100 µm/m). Verder zijn de volgende conclusies te trekken: - De traditionele bepaling van de healingfactor Nf rust /Nf cont is tijdrovend en duur; - Er is een evident verschil tussen enerzijds de 2-puntsbuigproef en anderzijds de 3- en 4-puntsbuigproef. De healingfactor bij 2-puntsbuigproeven is een factor 1,5 à 2 groter. Een mogelijke verklaring is de verticale positie van het proefstuk bij 2-punts buigproeven, waardoor in rustperioden een geringe statische druk als gevolg van het eigen gewicht een rol kan spelen; - De vermoeiingslevensduur kan bij een verplaatsingsgestuurde proef tot een factor 10 hoger liggen in vergelijking tot een krachtgestuurde proef indien vanaf dezelfde initiële rek wordt gestart; - De grootte van de echte healingfactor uit de proeven is lager dan de factor 4 die in de DWWontwerpmethode voor healing die, zoals eerder aangegeven, in combinatie met andere factoren bij de dimensionering van verhardingsconstructies wordt gebruikt. 30

31 Indien als uitgangspunt wordt genomen dat schade in de praktijk primair berust op (micro)scheurvorming, dan kan uit de literatuurstudie worden geconcludeerd dat healing van een asfaltmengsel moet worden onderzocht met een proef die het herstel van deze schade zo goed mogelijk meet. De klassieke benadering, om de levensduurverlenging als gevolg van rustperioden te meten, voldoet in de praktijk door de lange onderzoeksperiode daarvoor niet. Het alternatief dat uit de literatuur duidelijk naar voren komt is de benadering via energiedissipatie. De healing van asfaltmengsels kan worden gekwantificeerd door de verschillen in het oppervlak dat wordt ingesloten door de spanning versus (pseudo) rekcurve vóór en na rustperioden. Deze methode is volgens de onderzoekers Kim et al. [23] met succes toegepast om de healing van mengsels te kwantificeren. Deze methode, die verder de Methode Lee-Kim zal worden genoemd, is er op gebaseerd dat visco-elastische materialen hysteresis vertonen. Het omsloten oppervlak van de hysteresislus, het verloop van spanning en rek bij het be- en ontlasten van het materiaal, is representattief voor de gedissipeerde energie. Bij de methode Lee-Kim wordt een proefstuk telkens belast door gelijke perioden met een continue cyclische belasting, gescheiden door rustperioden met telkens een andere tijdsduur. De essentie van deze methode is dat de energiedissipatie vóór elke rustperiode wordt vergeleken met de energiedissipatie na die rustperiode. Uit de verschillen in energiedissipatie wordt de healing van asfaltmengsels berekend. De werkgroep heeft op basis van deze conclusie besloten tot een verdere theoretische analyse van de Lee-Kim methode en het uitvoeren van experimenteel onderzoek Theoretische achtergronden bepaling healing In deze paragraaf worden de meest essentiële punten van methode Lee-Kim beknopt toegelicht. Een uitvoerige toelichting op de achterliggende theorie en de resultaten van het experimenteel onderzoek zijn opgenomen in [24]. Deze punten zijn: a Het materiaal asfalt wordt als een continuüm opgevat. Dit houdt in dat het gedrag van individuele onderdelen (en niet een generiek onderdeel, zoals bijvoorbeeld het type vulstof) waarmee dit materiaal is opgebouwd het gedrag van het materiaal niet zodanig beïnvloeden dat deze eigenlijk in de beschouwing mee zou moeten worden genomen; b De hoeveelheid energiedissipatie als gevolg van het niet-lineair visco-elastische gedrag gedurende een lastcyclus is een maat voor de gedurende deze lastcyclus in het materiaal ontwikkelde schade. Hierbij is schade de structurele verandering in het continuüm materiaal. Om van de theorie gebruik te maken is het noodzakelijk om de lineariteitsgrenzen van het materiaal te bepalen. Volgens deze theorie is een via perpetua mogelijk, indien het rekniveau in het materiaal in de weg binnen de lineariteitsgrenzen blijft. Om de mate van niet-lineariteit tot uitdrukking te brengen wordt gebruik gemaakt van pseudovariabelen: pseudo-rek en pseudo-stijfheid. Door toepassing van pseudo-variabelen wordt het mogelijk om wiskundig het visco-elastische gedrag van asfalt te vertalen in een elastisch equivalent en is het mogelijk om de schadeontwikkeling door nietlineariteit in rekening te brengen. Zo is de grootte van de pseudo-rek gelijk aan de spanning die zou zijn opgetreden als het materiaal naar de spanning lineair gedrag zou vertonen. Om uiteindelijk een qua dimensie correcte waarde te verkrijgen wordt de op deze manier berekende spanning gedeeld door een referentie-stijfheidsmodulus ( E R ) van een arbitrair gekozen grootte. De (pseudo-)stijfheid is gedefinieerd als de verhouding van (pseudo-)spanning en (pseudo-)rek. Dan geldt dat indien het materiaal binnen de lineariteitsgrenzen belast wordt, de pseudo-stijfheid gelijk is aan de referentie-modulus. Bij belasting buiten de lineariteitsgrenzen is de pseudo-stijfheid gelijk aan een deel van de referentie-stijfheidswaarde. In figuur 11 is een voorbeeld opgenomen waarin de genormeerde pseudo-stijfheid (verticaal) tegen het aantal lastherhalingen (horizontaal) is uitgezet. Over het verloop van de schadeontwikkeling in figuur 11 kunnen de volgende opmerkingen gemaakt worden: - Door een continue belasting treedt vermoeiing op. Deze veroorzaakt een constant dalend verloop van de stijfheid (uitgezet tegen de hoeveelheid lastherhalingen). Deze stijfheid zal, indien gesproken wordt over schade ontwikkeling in een continuüm en volgens de gekozen beschrijving, steeds minder afnemen naarmate het materiaal aan meer lastherhalingen is blootgesteld. Dit materiaalgedrag wordt beschreven door de functie C 1 ( S 1 ) ; - Na een rustperiode wordt (een deel) van de stijfheid teruggewonnen. Het verloop van de stijfheidsafname bij hernieuwde belasting is sneller dan voor de rustperiode tot het moment dat het 31

32 stijfheidsniveau gelijk is aan het niveau voor de rustperiode. De stijfheidsafname die vervolgens optreedt is gelijk aan de stijfheidsafname als er geen rustperiode was geweest. - De hoeveelheid teruggewonnen stijfheid door een rustperiode wordt beschreven door de functie C 2 ( S 2 ) - Het versnelde vermoeiingsverloop na een rustperiode wordt beschreven door de functie C 3 ( S 3 ) - Door de herhaalde belasting na een rustperiode treden schijnbaar twee fenomenen tegelijkertijd op: o de door de rustperiode herstelde bindingen worden versneld afgebroken; o de bindingen waarvoor geen herstel nodig was worden verder vermoeid. C [-] 1 C nr,1 C 3 (S 3 ) C nr,1 C nr,2 C vr,1 C zh,1 Cvr,2 Czh,2 C 3 (S 3 ) C nr,2 C 1 (S 1 ) t r,1 (rustperiode) t r,2 (rustperiode) N [-] Figuur 11 Lastsignaal Voorbeeld proefstukgedrag met twee rustperioden. De hoeveelheid lastherhalingen die het materiaal als gevolg van rust extra kan weerstaan wordt dus bepaald door de combinatie van drie functies C 1 ( S 1 ), C 2 ( S 2 ) en C 3 ( S 3 ). (S) is een schade ontwikkelingsparameter (zie Bijlage C). De uit deze functies af te leiden parameters kunnen gebruikt worden om in een proef een willekeurige conditie te simuleren en op deze manier een (project)-specifieke healingsfactor te bepalen, die bijvoorbeeld afhankelijk van de rekgrootte is. 32

33 4.3 Resultaten onderzoek Experimenteel onderzoek De theorie achter de methode Lee-Kim is uitgewerkt en aangepast voor healingsonderzoek met de in Nederland gebruikelijke vierpuntsbuigproef [11]. Verplaatsing (v) Kracht (F) Temperatuur is constant Figuur 12: Vierpuntsbuigopstelling. Om ervaring met de methode op te doen is een experimenteel onderzoek uitgevoerd. Voor dit onderzoek [24] is STAB 0/16 zonder PR gebruikt (conform verkeersklasse 4 van de Standaard RAW Bepalingen 2000). Uit 2 platen zijn balkjes gezaagd (2 maal 12 stuks). Het experimenteel onderzoek heeft bestaan uit: - Vermoeiingsonderzoek: bij 20 o C en 29,3 Hz, rekniveau 100 en 150 µm/m, 3 herhalingen per rekniveau, aantal proefstukken 6, einde proef bij halvering van de stijfheid (halvering op te leggen kracht na eerste 100 lastherhalingen) of lastherhalingen; - Conventionele healingmeting: bij 20 o C en 29,3 Hz, sinusvormige puls gevolgd door rustperiode, de rustperiode tussen de lastpulsen is gelijk aan de tijd van 2 en 5 cycli, rekniveau 150 µm/m, 3 herhalingen per rekniveau-rustduur combinatie, aantal proefstukken 6, einde proef bij halvering van de stijfheid (halvering op te leggen kracht na eerste 100 lastherhalingen) of lastherhalingen (één lastherhaling is één volledige puls); - Alternatieve healingsmeting: bij 20 o C en 29,3 en/of 9,8 Hz, opeenvolging van een variabele hoeveelheid sinusvormige pulsen gevolgd door een variabele lengte aan rustperioden, variabele rekniveaus tussen 100 en 150 µm/m, 1 herhaling per rekniveau-rustduur combinatie, aantal proefstukken 4, einde proef bij wegvallen sinusvormigheid van het resulterende krachtsignaal. In figuur 13 zijn de onderzoekresultaten weergegeven van het vermoeiingsonderzoek en de conventionele bepaling van healing. In de ingezette figuur staat het verband tussen de rustperiode en de healingfactor H weergegeven. 33

34 Samenvatting 4 He 3.5 ali 3 ng 2.5 sfa cto r [- ] y = 0.47x + 1 R 2 = Rustperiode [in pulsen] log(n) [-] y = -2.92x R 2 = 0.86 Geen rust 2 pulsen rust 5 pulsen rust Lineair (Geen rust) R=5 R=2 5 Figuur Log(ε kl ) [µm/m] Overzicht standaard resultaten inclusief het resulterende model en de resulterende extrapolatie voor praktijkberekeningen. De parameters van de alternatieve schadebepaling zijn vergeleken met (teruggerekende) waarden uit Amerikaans onderzoek. Uit dit experimenteel onderzoek kunnen de volgende conclusies worden getrokken: a) Het is mogelijk om modelwaarden voor Nederlandse mengsels met behulp van de vierpuntsbuigproef te bepalen en qua orde van grootte vergelijkbare waarden met waarden uit de literatuur te vinden; b) Met de data (vermoeiing en stijfheid) van mengsels die zijn bepaald volgens standaard vermoeiingsonderzoek [11] is het mogelijk om de modelparameters voor C 1 ( S 1 ) te bepalen. Dit betekent dat voor de materialen waarvoor dit bekend is alleen proeven met rustperioden uitgevoerd hoeven te worden; c) De theorie beschrijft het fenomeen van schade-ontwikkeling in een asfaltmengsel, waarbij er vanuit gegaan mag worden dat de schade-ontwikkeling (vanwege de beperkte grootte van de optredende vervormingen en krachten) optreedt in het bindmiddel en/of in de hechting tussen bindmiddel en aggregaat. Uitgegaan wordt van één schade-ontwikkelingsparameter, waarvan de verloopsnelheid afhankelijk is van een bekende belastingshistorie Van Model naar Factor voor zelfherstelling In het experimenteel onderzoek [24] is aangetoond dat de parameters, die in het Lee-Kim model worden genoemd, voor Nederlandse mengsels zijn te bepalen met een vierpuntsbuigproef. Deze parameters beschrijven drie onderdelen van het vermoeiingsproces: 1. de normale afname van de stijfheid als functie van het aantal lastherhalingen, of van de tijd; 2. de toename van de stijfheid tijdens een rustperiode (als er even geen belasting op het proefstuk opgelegd wordt). Deze toename is een functie van de tijd; 3. de afname van de stijfheid als na een rustperiode weer een belasting wordt opgelegd. Deze afname gaat iets sneller dan de normale afname. In [25] zijn de experimentele parameters gebruikt om, via hetzelfde Lee-Kim model, de effecten terug te rekenen van rustperioden zoals die in een verharding op kunnen treden. Het blijkt ook mogelijk om met het ontwikkelde (terug-)rekenmodel alle mogelijke varianten door te rekenen en ook direct de conventionele factor H voor healing te bepalen. Indien van een asfaltmengsel de vermoeiingscurve bekend is (bepaald op de conventionele manier met de vierpuntsbuigproef), dan is slechts een beperkt aanvullend onderzoek van enkele dagen nodig om de benodigde experimentele gegevens te meten. Voor de validatie van de methodiek en het rekenmodel is vanwege de hoge kosten afgezien van een echte validatie met een volledig continue en discontinu vermoeiingsonderzoek. Er is gekozen voor een onderzoek [26] dat vertrouwen moet onderbouwen. Van een StAB 0/16 mengsel met een relatief hoog percentage 34 R=0

35 bitumen (5,0 % m/m op ) zijn twee proefplaten vervaardigd, waaruit in totaal 12 balkjes zijn gezaagd. Van een dergelijk mengsel mag op grond van eerder onderzoek [16] (bij omgevingstemperatuur en rustperioden van een factor 3 ten opzichte van de continue belastingperiode) een conventionele healingsfactor van 3 worden verwacht. Bij een hogere beproevingstemperatuur mag een hogere, bij een lagere temperatuur een lagere healingfactor verwacht worden. Bij het in [26] gerapporteerde onderzoek is gekozen voor onderzoek bij 10 en 30 o C. Omdat de vermoeiingslijn bij deze temperaturen niet bekend was, is eerst een vermoeiingsonderzoek uitgevoerd ter bepaling van het verloop van de curve C 1 (S 1 ) (zie figuur 11). De discontinue proeven zijn uitgevoerd bij frequenties van 9,8 en 29,3 Hz. Tijdens de proef zijn voor een bepaald aantal lastherhalingen sinusvormige pulsen met gelijke karakteristieken opgelegd. Tussen deze belastingsgroepen zijn rustperioden toegepast, variërend tussen 0 en 2880 seconden. Stapsgewijs zijn eerst kleinere en vervolgens steeds grotere verplaatsingen opgelegd (stapgrootte µm/m). Er is geen grotere rek opgelegd dan µm/m. De berekende healingfactor H blijkt sterk afhankelijk van de temperatuur en de gekozen condities. Zo bleek bij dit onderzoek de waarde H = 1,4 voor 10 o C en H = 4,3 voor 30 o C te bedragen. De healingfactor is niet sterk afhankelijk van de belastingsfrequentie. Uiteraard is de snelheid waarmee vermoeiing optreedt dat wel: die is veel langzamer als de frequentie klein is. Op deze manier kunnen vele varianten in belastingscondities bestudeerd worden. Samenvatting en conclusies Voor het in rekening brengen van het zelfherstellend vermogen of healing van asfalt wordt gewoonlijk bij dimensioneringsberekeningen een kalibratiefactor 4 gebruikt. Een factor waarin, naast echte healing, ook andere aspecten zijn verdisconteerd. Het meten van healing op de traditionele manier, het na elkaar uitvoeren van een volledig continu en discontinu vermoeiingsonderzoek, vergt zeer veel tijd en is daarom kostbaar. Een verbeterpunt voor het model COMPASS is dan ook het in rekening kunnen brengen van de echte healing van asfaltmengsels onder gegeven condities door versneld onderzoek. Uit literatuuronderzoek is gebleken dat de methode Lee-Kim voor dit doel het meeste perspectief bood. De metingen voor de Lee-Kim methode vallen uiteen in de volgende delen: 1. het bepalen van de lineariteitsgrens (dat is de maximale rek die men kan opleggen zonder dat de stijfheid verandert); 2. het doen van continue vermoeiingsproeven, om het basisgedrag van het mengsel bij vermoeiing vast te leggen; 3. het doen van vermoeiingsproeven onder wisselende condities (variatie in rustperioden, grotere en kleinere rek, etc.). Indien het vermoeiingsgedrag bij een continue proef bekend is, behoeft alleen het onderzoek onder punt 3 te worden uitgevoerd. Dit neemt slechts enkele dagen in beslag. Met behulp van het ontwikkelde rekenprogramma kunnen vervolgens de benodigde twaalf parameters berekend worden die het gedrag karakteriseren van een asfaltmengsel door: - continue vermoeiing - het zelfherstel (healing) door een rustperiode en - het (versnelde) vermoeiingsgedrag indien het asfalt na een rustperiode opnieuw wordt vermoeid. Uit deze gegevens kan met het rekenprogramma vervolgens voor gekozen condities de healingfactor H berekend worden, waardoor vele varianten kunnen worden bestudeerd. Het resultaat van onderzoek op een StAB-mengsel volgens het ontwikkelde model komt goed overeen met de verwachtingen. De werkgroep FEA concludeert dan ook dat de nieuwe methode om healing te meten betrouwbaar is en geschikt lijkt om de potentie van asfaltmengsels te karakteriseren om vermoeiingsschade te herstellen. Nader onderzoek blijft gewenst: het uitgevoerde onderzoek is te gering in omvang om meer algemene uitspraken te kunnen doen. Voor details van de methode en de onderzoekresultaten wordt verwezen naar Bijlage B. In deze bijlage is ook nader uitgewerkt welk effect een meting van healing heeft ten opzichte van de thans gehanteerde factoren die samen onderdeel uitmaken van de kalibratiefactor 4. 35

36 5 Scheurvorming Resultaten inventarisatie De gevoeligheid van asfaltmengsels voor scheurgroei is een belangrijke functionele eis die beter onderbouwd moet worden en realistischer in het ontwerp van asfaltverhardingen moet worden meegenomen dan thans het geval is. Voor niet-gescheurde verhardingen is vooral de initiatie van scheurvorming een belangrijke grootheid. Bij nieuwe constructies worden daarom criteria gebruikt voor de vermoeiingslevensduur en healing (zie hoofdstuk 4). Bij het overlagen van gescheurde wegverhardingen, verhardingen met voegen of bij de aanleg van asfalt op een (cement)gebonden fundering is het reduceren van scheur(door)groei een belangrijk aspect. Het optreden van (zichtbare) scheuren, geïnitieerd aan de boven- of onderkant van de verhardingsconstructie, heeft op zich geen negatieve invloed op de functionaliteit van de weg voor de weggebruiker. De eventuele gevolgen zijn echter wel van invloed: - grote scheurwijdte (gevaarlijk voor voertuigen met twee wielen); - hoogteverschil tussen de scheurranden; - losliggend materiaal door afbrokkelende scheurranden; - verergering van schade door waterindringing (vorstschade en/of verweking van ondergelegen lagen); - onkruidgroei in scheuren; - verlies aan structurele sterkte. Er worden drie verschillende typen ( mode in het Engels) belasting bij scheurvorming onderscheiden [27], zie figuur 14: mode I: trek ( opening in het Engels) mode II: afschuiven ( sliding in het Engels) mode III: scheuren ( tearing in het Engels) Figuur 14 Verschillende modes voor scheurgroei [27] In de wegenbouwpraktijk kunnen alle drie de typen voorkomen, al dan niet in onderlinge combinaties. Bij een combinatie van scheurmodes wordt vaak een equivalente waarde voor mode I gehanteerd. In de lineair-elastische breukmechanica kan scheurgroei beschreven worden met de Wet van Paris [28, 29]: dc n = A. K dn waarin: c = scheurlengte; N = aantal lastcycli; K = spanningsintensiteitsfactor (deze is afhankelijk van de scheurlengte c); A, n = materiaalparameters. Asfalt is echter een visco-elastisch materiaal en is feitelijk niet homogeen en isotroop. Figuur 15 laat resultaten zien van scheurgroeimetingen van verschillende mengsels. 36

37 Figuur 15 Resultaten scheurgroeimetingen [32] In COMPASS (zie [2] 7.3 en 8.4) wordt voor de gevoeligheid voor scheurvorming ook uitgegaan van de wet van Paris en wordt verwezen naar mogelijke methoden voor de indirecte bepaling van de A- en n- waarden. Een goed gedocumenteerde en onderscheidende methode voor de directe bepaling van de gevoeligheid voor scheurgroei is dan ook te beschouwen als een belangrijke verbetering van COMPASS. Hierbij spelen drie aspecten een rol: - welke proefstukgeometrie met welke bijbehorende apparatuur verdient uit praktisch oogpunt de voorkeur; - welke methode voor het meten van scheurpropagatie in een proefstuk verdient uit praktisch oogpunt de voorkeur; - met welk materiaalmodel kan de gevoeligheid voor scheurvorming het beste worden beschreven? Bureaustudies Oriënterende literatuurstudie In [30] zijn de resultaten gerapporteerd van een beperkte literatuurstudie naar scheurgroeimechanismen in asfalt. Geconstateerd is dat er verschillende benaderingen van vermoeiing/healing/scheurgroei kunnen worden onderscheiden en dat de klassieke vermoeiingsbenadering enkele nadelen kent: - scheurinitiatie en propagatie wordt niet beschreven; - healing wordt niet (goed) meegenomen; - er wordt geen rekening gehouden met initiële imperfecties (scheurtjes, holle ruimten); - einde levensduur is gedefinieerd onder laboratoriumomstandigheden, maar de relatie met verhardingsconstructies in de praktijk is enigszins onduidelijk. Deze benadering is in staat om een fenomenologische beschrijving te geven van het proces tot aan het ontstaan van (zichtbare) macro-scheuren. Dit omvat het ontstaan (en healing) van micro-schade en de initiatie (en healing) en groei van microscheuren, totdat deze samengroeien tot macroscheuren. Door het beschouwen van de gedissipeerde energie wint deze benadering aan verklarende kracht. Ook de lineair-elastische breukmechanica (beschreven met de wet van Paris) kent enkele nadelen: - Er wordt continue scheurgroei voorspeld, terwijl deze in werkelijkheid discontinu is; - Er wordt geen rekening gehouden met scheurinitiatie; - Er wordt geen rekening gehouden met healing; - Er wordt geen rekening gehouden met het visco-elastische karakter van asfalt. Uit onderzoek [31] blijkt dat het scheurgroeiproces van asfalt (bij benadering) redelijk valt te beschrijven vanaf het tijdstip dat er macroscheuren gaan ontstaan. Voor onderzoek in Nederland is in de literatuurstudie vooral gebruik gemaakt van het promotieonderzoek van Jacobs [32] en recenter onderzoek door de DWW en de TU Delft (o.a. [33]) met de SCB-proef (Semi-circular Bending Test). 37

38 Op basis van de evaluatie, conclusies en aanbevelingen van de literatuurstudie heeft de werkgroep FEA [34] besloten om de wet van Paris te gebruiken voor de beschrijving van het scheurgroeiproces in asfalt. De werkgroep is van mening dat met de wet van Paris een praktisch bruikbare en voldoende nauwkeurige benadering van de werkelijkheid kan worden bereikt. Vervolgens is besloten tot het uitvoeren van een experimenteel onderzoek met SCB-proeven en gebruik te maken van COD-opnemers (Crack Opening Displacement) om de scheurlengte te bepalen. De proefuitvoering voor de (statische) SCB-proef is beschreven in [12] en figuur 16 laat de proefopstelling zien. Figuur 16 Geometrie Semi-Circular Bending (SCB) proef [31] Proefstukken kunnen worden verkregen uit in het laboratorium verdicht materiaal of uit boorkernen (diameter 150 mm en 50 mm dik). Voor de SCB-proef worden de ronde proefstukken in tweeën gezaagd (halve cilinder) en desgewenst voorzien van een (gestandaardiseerde) zaagsnede (Engels notch ) ter inleiding van de scheur. In [35] zijn de spanningscondities in een asfaltlaag boven een voeg of een scheur berekend. Uit eerder uitgevoerd berekeningen met het eindige elementen programma CAPA-3D [36] blijkt dat deze spanningscondities in een SCB-proef zijn na te bootsen. Het meten van scheurgroei door het meten van de toename van de breedte van de zaagsnede met COD-opnemers (Crack Opening Displacement) heeft ten opzichte van andere meetmethoden het voordeel dat de opnemers eenvoudig geplaatst kunnen worden en slechts eenmalig aangeschaft behoeven te worden. Deze COD-metingen geven indirect informatie over de grootte van de scheur. Door middel van eindige elementen berekeningen kan de relatie tussen CODwaarde en scheurlengte bepaald worden. Bij het experimenteel onderzoek [37] zijn dynamische scheurgroeiproeven uitgevoerd op proefstukken van SMA 0/11, zowel bij 0 o C als bij 20 o C. De scheurgroei is bepaald als functie van het aantal lastwisselingen door meting van de COD-waarde, voor een gedeelte aangevuld met metingen met scheurfolie. Uit dit onderzoek zijn n-waarden (de macht in de Wet van Paris) berekend tussen 7 en 13 bij 0 C. Met name de analyse van de meetdata bleek een probleem. Uit het onderzoek is wel gebleken dat: - er vertrouwen is in de methode; - de uitwerkingsmethode van de meetdata goed beschreven moet worden; - er diverse verstorende fenomenen zijn onderkend, die vereisen dat de (on)mogelijkheden van de SCBmethode gekwantificeerd moeten worden en er keuzes gemaakt moeten worden bij de testcondities. Dit is aanleiding geweest tot een vervolgstudie met als doel: - een nadere analyse van mogelijke proefopstellingen; - het type belasting (de R-waarde, de verhouding tussen de minimum en maximum kracht bij een cyclische belasting en kracht- of verplaatsingsgestuurde proef); - de analysemethode van het gemeten signaal; - de beproevingstemperatuur. 38

39 5.2.2 Vervolgstudie In een vervolgstudie [38] zijn de problemen met het uitvoeren van het onderzoek en de data-analyse nader bestudeerd en zijn voorstellen voor oplossingen aangedragen. In deze studie is in eerste instantie dieper ingegaan op de theoretische benadering van scheurvorming dan in de oriënterende studie [31]. In [38] wordt geconstateerd dat het rechtstreeks meten van een scheurlengte haast onmogelijk is. Daarom moet een indirecte wijze van meten worden gevolgd, waarbij de scheurgeometrie sterk wordt geabstraheerd. Hierdoor kan de scheurlengte rechtstreeks aan de scheurwijdte worden gekoppeld. Dit heeft met name tot gevolg dat er principieel verschillende methoden gebruikt kunnen worden om de effectieve scheurlengte te bepalen. Al deze modellen leiden er toe dat 'scheurlengte' geaccepteerd moet worden als een fictief begrip en een min of meer grove benadering van de werkelijkheid is. In de vervolgstudie wordt geconstateerd dat de meest gebruikelijke manier om scheurgroei te beschrijven de empirische machtswet van Paris is. Er zijn in de wet van Paris (zie 5.1 en figuur 17) twee waarden van K waartussen de scheurgroei lineair toeneemt: - de ondergrens is het ontstaan van een macroscheur K i ; - de bovengrens is het instabiel bezwijken K i( c ) (de breuktaaiheid, fracture toughness). dc/dt Instabiele scheurgroei, breuk Scheur initiatie Stabiele scheurgroei K Figuur 17 K i K i( c ) Wet van Paris Voor het bepalen van de vier scheurparameters (K i, A, n, K i(c) ) zijn vele proeven en spanningscondities denkbaar. In de regel is K i voor scheurgroeionderzoek niet interessant (het vermoeiingstraject dat niet duidelijk onderscheiden kan worden van de eigenlijke scheurgroei). K i(c) kan worden afgeleid uit scheurgroeiproeven. Voor het scheurgroeionderzoek zijn K i en K i(c) in die zin van belang dat hiermee het gebied wordt begrensd waarover de Paris' vergelijking wordt gefit. Voorkomen moet worden dat te kleine of te grote waarden van K in de fit van de meetpunten worden meegenomen. De studie [38] komt onder andere tot de volgende conclusies: 1. Zorg voor een voldoende mogelijke scheurlengte ten opzichte van de korreldiameter om spreiding te reduceren. De keuze van een proef kan het best gebaseerd worden op praktische en ''politieke'' gronden (aansluiten bij ontwikkelingen die de boventoon voeren). De spreiding in de resultaten van scheurgroeiproeven is groot en veel effecten dienen met inzicht geëlimineerd te worden. In dit opzicht is de SCB proef vrij geschikt (hoogte h = 150/2 = 75 mm); 2. Scheurgroeiproeven zijn gevoelig voor onzorgvuldigheden. Het verdient aanbeveling doordachte proeven aan goede proefstukken met een correct gekozen uitvoering te verrichten boven het verzamelen van data op ''bulk''wijze. Inzicht in de oorzaak van de fenomenen is belangrijk; 3. Uit [35] volgen praktische waarden voor het spanningsniveau (de K-waarde uit de Wet van Paris) en de stress ratio R = K max / K min uit eindige elementen berekeningen. In de praktijk blijkt dat de waarde R tussen 0,1 en + 0,1 ligt. 39

40 Resultaten onderzoek Oriënterend onderzoek In deze paragraaf wordt eerst een toelichting gegeven op het oriënterend onderzoek op basis van de inventarisatie [31] van methoden en modellen voor het bepalen van de gevoeligheid voor scheurvorming. Hierbij zijn 7 dynamische SCB-scheurgroeiproeven [37] uitgevoerd op een SMA 0/11 type 1 onder de volgende condities: - proefstukvorm: halve cilinder met diameter 150 mm, dikte 50 mm met een kerf 0,35 mm, diep 10 mm, halverwege de platte zijde; - beproevingstemperatuur 0 o C; - frequentie circa 30 Hz; - 5 proefstukken zijn beproefd met een krachtsgestuurde sinusvormige belasting tussen 300 en 3000 N (R = K max /K min = 0,1), spanning aan de scheurtip circa 1,5 MPa; - 2 proefstukken zijn beproefd met een verplaatsingsgestuurde belasting, basiskracht 300 N, hier bovenop een sinusvormige vijzelverplaatsing van 170 µm (20 50 µm op het proefstuk), overeenkomend met een krachtsrimpel van circa 2700 N aan het begin van de proef. Bij de proeven is de scheurlengte gemeten, direct via scheurfolies (aan voor- en achterkant van het proefstuk) of indirect via COD-metingen (over de mond van de kerf). De resultaten zijn verwerkt tot waardeparen, log(k) versus log(dc/dn), waarop lineaire regressie is gepleegd om de parameters A en n van de wet van Paris te bepalen. Bij de krachtgestuurde proeven is de scheurlengte alleen bepaald via COD-metingen. De piekwaarden van deze metingen zijn vertaald naar een equivalente scheurlengte c eq door middel van een regressierelatie tussen scheurlengte c en de COD-waarde op basis van computersimulaties met CAPA-3D. Bij deze proeven is slechts een beperkt aantal (circa 50-60) metingen verricht over de duur van de proef. Als resultaat van deze proeven zijn n-waarden berekend tussen 7 en 13 bij equivalente scheurlengtes c eq, de scheurlengte waartussen A en n zijn bepaald, van mm tot mm. Bij de verplaatsingsgestuurde proeven zijn zowel COD-metingen als scheurfoliemetingen verricht. De circa metingen zijn eerst gereduceerd tot circa meetwaarden en daarna gesmoothed door een 51-punts lopend gemiddelde. Deze methode resulteerde in waarden voor n tussen eveneens 7 en 13 over een fitbaar bereik van circa 15 tot circa 50 mm. Als mogelijke oorzaak voor de, ten opzichte van de literatuur, hoge n-waarden is de beproevingstemperatuur van 0 C onderkend. Er zijn daarom aanvullend twee verplaatsingsgestuurde proeven uitgevoerd bij 20 C. Hierbij is de scheurlengte indirect met COD-metingen en direct met een scheurfolie aan één kant van het proefstuk bepaald. Tevens is op de vlakke kant van het proefstuk, net naast de kerf, een verplaatsingsopnemer (LVDT) geplaatst. Om de asfaltstijfheid te bepalen, die nodig is om de COD pp (piek-piek waarde van de COD) te transformeren naar scheurlengtes, zijn de gemeten COD- en LVDTwaarden (met de bijbehorende gemeten kracht) aan het begin van de proef vergeleken met de berekende waarden uit de CAPA-3D berekeningen [36]. De COD- en LVDT-metingen bleken hierbij tot een verschillende asfaltstijfheid te leiden. De resultaten van de verplaatsingsgestuurde proeven bij 20 o C zijn opgenomen in tabel 3. Tabel 3 Resultaten verplaatsingsgestuurde proeven bij 20 o C [37] Proefstuk 6 B 12 B Nmax Scheurmeting COD Scheurfolie COD Scheurfolie Waarden voor n op basis van: metingen gefit model 1 gefit model 2 5,1 4,9 3,7 1,8 3,0 2,5 2,9 5,0 3,1 2,3 1,9 1,9 40

41 Uit dit onderzoek kan, op basis van 9 dynamische SCB-scheurgroeiproeven van slechts één asfaltmengsel (SMA 0/11 type 1), worden geconcludeerd dat de COD-scheurlengte in absolute waarde heel redelijk overeenkomt met de gemiddelde waarde van de beide scheurgroeifolies. De scheurgroeifolies leverden een discontinuer beeld van de scheurgroei dan de COD-metingen. In de SCB-proef treedt een traject van stabiele scheurgroei op tussen circa 15 à 20 en 35 à 40 mm scheurlengte, waarin de Paris-parameters bepaald kunnen worden. Een groot probleem zijn echter de berekende n-waarden, die afwijken van wat op basis van de literatuur verwacht mocht worden. Helaas blijken de einduitkomsten gevoelig voor de wijze van fitten van de meetpunten ( smoothen ) en de gekozen regressievergelijkingen. De benodigde formules voor de uitwerking van de SCB-proef zijn nog niet eenduidig vast te stellen. Zoals onder is aangegeven, is dan ook een vervolgstudie gestart [38] die heeft geresulteerd in een concept proefvoorschrift [39] Onderzoek steenslagasfaltbeton De ervaringen bij het verzamelen van meetdata met de dynamische SCB-proef en COD-metingen bij het oriënterend onderzoek [37] waren op zich positief. De resultaten van de analyse van de meetdata bleken echter niet eenduidig te zijn en sterk afhankelijk van de voorkeursmethode(n) van de analist. Vraagpunten waren onder andere: - Welke orde moet het polynoom hebben die gelegd wordt om een relatie te krijgen tussen de spanningsintensiteitsfactor en de relatieve scheurlengte? - Zijn er voldoende berekende punten van de spanningsintensiteitsfactor bij gegeven scheurlengte? Is dit niet het geval, worden er dan dwangpunten meegenomen (bijvoorbeeld een waarde van K bij scheurlengte 0)? - Is het voorlopige voorschrift 0,25 < c/h < 0,6 (verhouding scheurdiepte/proefstukhoogte) strikt of kan het opgerekt worden? - Welke functie moet gebruikt worden om de scheurlengte tegen het aantal lastherhalingen vast te leggen? - Welke procedure wordt gebruikt om de parameters van deze functie te bepalen? Volgens het concept proefvoorschrift [39] is onderzoek uitgevoerd op twee mengsels StAB 0/16, verkeersklasse 4, zonder hergebruik. Doel van dit onderzoek was vooral ook na te gaan op welke manier de analyse van de meetdata verbeterd zou kunnen worden. De resultaten zijn gerapporteerd in [40]. Het onderzoek is uitgevoerd op twee StAB-mengsels met een verschillend bitumenpercentage. Het onderzoek heeft bestaan uit twee delen: voor ieder mengsel het bepalen van de kritische spanningsintensiteitsfactor met de statische SCB-proef (proefstukken met kerf van 10 mm) bij 0 o C; voor ieder mengsel het bepalen van de parameters van de wet van Paris met de dynamische SCB-proef (proefstukken met kerf van 10 mm) bij 0 o C en één belasting. De kritische spanningsintensiteitsfactor K Ic moet eerst worden bepaald uit de statische SCB-proef om de grootte van de opgelegde spanning bij krachtgestuurde dynamische proeven te bepalen. De dynamische spanning moet zodanig worden gekozen dat het proefstuk binnen een redelijk aantal belastingsherhalingen zal bezwijken, maar dat tevens voldoende meetpunten verzameld kunnen worden in de fase van de stabiele scheurgroei. Bij het hierop volgende dynamische SCB-onderzoek zijn de proefstukken onderworpen aan een sinusvormige belasting van maximaal 60 % van de maximale bezwijkkracht (0,6 F max,i ) en minimaal 10 % van de berekende maximale kracht (dus 10% van 0,6 F max,i ), bij een temperatuur van 0 0 C en een frequentie van 30 Hz. De meetdata van de COD-opnemers zijn vervolgens op twee manieren uitgewerkt tot de parameters A en n uit de wet van Paris: volgens de in [38] voorgestelde methode voor het traject 0,25 < c/h < 0,6; volgens een in [40] voorgestelde methode, waarbij de totale scheurlengte in gelijke stappen wordt verdeeld en per stap de scheurgroei wordt bepaald. De uiteindelijke resultaten zijn opgenomen in tabel 4. Deze uitwerking wordt hier niet verder besproken, omdat het onderzoek in [40] aanleiding is geweest het concept proefvoorschrift [39] te wijzigen en aan te vullen tot een nieuw, voor de praktijk geschikt, voorschrift [41] dat volledig in Bijlage C is opgenomen. 41

42 Tabel 4 Resultaten A en n volgens twee uitwerkingsmethoden StAB 5,0 % StAB 4,5 % Proefstukcode 3430-o b o o b o-2 Alle data 0,25 < c/h < 0,6 A n A n 5,3 4, ,9 4,0 2, ,6 4,9 2, ,6 1, , , , , , ,8 4,3 4,7 2, , , ,7 3,9 3,4 Samenvatting en conclusies Door vermoeiing ontstaat scheurvorming in materialen, ook in asfalt. In eerste instantie ontstaan microscheuren, die bij herhaalde belasting uitgroeien tot een scheur die doorgroeit door het materiaal (de laag asfalt). De snelheid waarmee dit gebeurt, de scheurdoorgroei, wordt voor lineair elastische materialen gekarakteriseerd met de wet van Paris. Ook voor visco-elastische materialen, zoals asfalt, wordt de wet van Paris gebruikt. In de literatuur is echter geen eenduidige en praktische methode gevonden om de materiaalparameters A en n te bepalen. Het kunnen vergelijken van asfaltmengsels op hun weerstand tegen scheurdoorgroei is met name van belang bij overlagingen van een gescheurde onderlaag of de aanleg van een bitumineuze verhardingsconstructie op een (cement)gebonden fundering. Tot heden is dit echter een vrij onderbelicht aspect geweest. De beschikbaarheid van een door de branche geaccepteerde onderzoekmethode en analysetechniek voor het bepalen van de parameters A en n in de wet van Paris kan dan ook als een welkome aanvulling op COMPASS worden beschouwd. De werkgroep FEA heeft daarom onderzoek gedaan met de relatief snelle en eenvoudige dynamische SCBproef. Bij deze proef wordt een halfcirkelvormig proefstuk, bijvoorbeeld een halve boorkern of gyratorproefstuk, cyclisch belast in een driepuntsbuigproef. In het proefstuk is aan de vlakke onderzijde een zaagsnede aangebracht. De toename van de opening van de zaagsnede door het belasten wordt gemeten met COD-opnemers (Crack Opening Displacement) en kan gerelateerd worden aan de scheurgroei. Het onderzoek zelf, het verzamelen van meetdata, bleek geen problemen te geven. Bij de analyse van de data, om hieruit de parameters A en n te bepalen, traden echter wel problemen op. Geconcludeerd mag echter worden dat er thans een eenduidige en praktische proefbeschrijving beschikbaar is voor het vergelijken van asfaltmengsels op hun weerstand tegen scheurdoorgroei. 42

43 6 Conclusies en aanbevelingen Conclusies Veel opdrachtgevers en opdrachtnemers hebben al ervaring opgedaan met het aanbesteden van bestekken die geheel of gedeeltelijk afwijken van de traditionele besteksvorm volgens de Standaard RAW Bepalingen. In dergelijke vraagspecificaties worden eisen aan het eindproduct gespecificeerd in termen van de te leveren prestatie of functionaliteit. Potentiële opdrachtnemers hebben bij nieuwe contractvormen meer mogelijkheden om op basis van eigen kennis, ervaring en producten volgens de bepalingen van de UAV- GC en met een Model Basisovereenkomst [42] werken aan te nemen en uit te voeren. Door deze mogelijkheden kunnen er echter ook aanzienlijke verschillen ontstaan tussen de inhoudelijke aanbiedingen. Voor beide partijen, opdrachtgever en opdrachtnemer, is het van belang dat bekend is op welke basis de verhouding prijs/functionaliteit zal worden beoordeeld. Opdrachtgevers moeten in een eenduidige terminologie de gewenste functionaliteit specificeren. Opdrachtnemers moeten weten welk toetsingskader voor aanbiedingen zal worden gehanteerd. Geconcludeerd kan worden dat de belangrijkste voorwaarden voor een dergelijk toetsingskader voor asfaltverhardingen zijn: - De eenduidigheid van testmethoden en testcondities; - Onderzoekresultaten moeten inzicht geven in de functionaliteit van de onderzochte asfaltmengsels in relatie tot belasting (statisch/dynamisch/chemisch/klimaat) en plaats in de verhardingsconstructie; - Dit inzicht moet zijn gevalideerd door bijvoorbeeld proefvakken; - Er moet voldoende onderzoekscapaciteit voor deze testmethoden zijn; - De onderzoekskosten moeten economisch verantwoord zijn; - De voor onderzoek benodigde tijd moet realistisch zijn; - Onderzoekresultaten en dimensioneringsberekeningen moeten een ranking in prijs/ functionaliteit mogelijk maken. Voor een dergelijk toetsingskader biedt COMPASS + de volgende mogelijkheden: - testmethoden en testcondities zijn eenduidig; - waar mogelijk is aangesloten bij in (NEN-)EN normen vastgelegde testmethoden; - de testmethoden geven inzicht in: de weerstand tegen vermoeiing; de verlenging van de vermoeiingslevensduur door de bepaling van de healing; de weerstand tegen permanente vervorming; de weerstand tegen plastisch bezwijken de weerstand tegen scheurvorming; de weerstand tegen scheurdoorgroei; stijfheid en fasehoek onder wisselende condities; - voor deze testmethoden is de benodigde apparatuur in Nederland aanwezig; - het rekenmodel VEROAD is onderdeel van COMPASS +, ook andere rekenmodellen zijn mogelijk; - COMPASS + maakt een ranking van constructievarianten met de daarin toe te passen (asfalt)mengsels en laagdikten op prijs/functionaliteit mogelijk. Aanbevelingen Zoals de titel van deze publicatie De volgende stap in het specificeren van asfaltmengsels ook aangeeft biedt COMPASS + geen allesomvattende antwoorden op vragen die gesteld kunnen worden bij het opstellen en uitwerken van functionele eisen voor asfaltverhardingen. Bovendien kan bij een aantal onderdelen van COMPASS + terecht de vraag gesteld worden of het antwoord van COMPASS + wel het goede antwoord is en of er misschien een beter antwoord mogelijk is. De eerste aanbeveling is dan ook: 1) doe ervaring op met COMPASS + en maak CROW deelgenoot van die ervaringen. Concreet zijn er door het onderzoek van de werkgroep de volgende aanbevelingen voor nader onderzoek naar voren gekomen: 2) uitbreiding van het onderzoek naar de healing van asfaltmengsels; 43

44 3) uitbreiding van het onderzoek naar de weerstand tegen scheurdoorgroei met de SCB-proef; 4) nader onderzoek en validatie van de bepaling van de weerstand tegen permanente deformatie door triaxiaalonderzoek met variabele axiale en radiale spanning; 5) nader onderzoek en validatie van de bepaling van de weerstand tegen permanente deformatie door triaxiaalonderzoek met variabele axiale spanning en twee constante niveaus van de radiaalspanning. Door de Europese Commissie wordt er naar gestreefd om producten te (laten) specificeren op basis van functionele eigenschappen. Voor continu gegradeerde asfaltbetonmengsels heeft dit streven geresulteerd in drie in 2005 te publiceren geharmoniseerde normen voor de bepaling van de stijfheid [8], de weerstand tegen permanente vervorming [9] en de weerstand tegen vermoeiing [10]. Het is de intentie van de werkgroep FEA om voor de tweede generatie geharmoniseerde Europese normen via de Nederlandse vertegenwoordiging in CEN TC 227 / WG1 aanbevelingen te doen voor het opstellen c.q. uitbreiden van geharmoniseerde Europese normen voor: 6) de SCB-proef, statische en dynamische uitvoering, ter bepaling van de breuktaaiheid, de breukenergie en de weerstand tegen scheurdoorgroei; 7) de bepaling van de healing door middel van de vierpuntsbuigproef; 8) de uitbreiding van [9] voor de bepaling van de weerstand tegen permanente vervorming voor alle soorten asfaltmengsels met en zonder gemodificeerd bindmiddel. De realisatie van dit voornemen zal ongetwijfeld bijdragen aan de acceptatie van COMPASS + door opdrachtgevers en opdrachtnemers als toetsingskader voor prestatiebestekken. Aan deze intentie kan echter alleen invulling worden gegeven als er voldoende reacties binnenkomen op aanbeveling 1). 44

45 Literatuur 1 Op naar functionele asfaltmengsels. Ede, CROW-publicatie 93, Geïntegreerd ontwerpen van asfaltmengsels en asfaltverhardingen met COMPASS. Ede, CROWpublicatie 140, Projectplan FEA. Ede, CROW, 18 februari 2002 (FEA-001) 4 NEN-EN Vervaardigen proefstuk door gyratorverdichting 5 NEN-EN Typekeuring 6 NEN-EN Vervaardigen proefstuk door walsverdichting 7 NEN-EN Asfaltbeton 8 NEN-EN Stijfheid 9 NEN-EN Cyclische drukproef 10 NEN-EN Weerstand tegen vermoeiing 11 Standaard uitvoering van de dynamische vierpuntsbuigproef ter bepaling van de vermoeiingslevensduur. Rapport W-DWW Delft, Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde (met medewerking van KOAC, NPC en Aveco), Proefomschrijving Semi Circular Bending proef (SCB) versie 3.1 (IL-N-98-38). R. Hofman, DWW Delft, 15 februari Berekening spoorvorming met COMPASS. Werkgroepdocument FEA-040, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door NPC, opdrachtnummer , oktober Systematiek spoorvormingsmodel DWW. Werkgroepdocument FEA-039, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door NPC, opdrachtnummer , november Systematiek spoorvormingsmodel Huurman. Werkgroepdocument FEA-038, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door NPC, opdrachtnummer , november Keuzemodel spoorvormingsmodellen. Werkgroepdocument FEA-041, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door NPC, opdrachtnummer , december Spanningspaden ten gevolge van een passerend wiel. Werkgroepdocument FEA-097, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door NPC, opdrachtnummer , november LinTrack spoorvormingsonderzoek. Executive Summary. A.E. van Dommelen, Delft, Dienst Wegen Waterbouwkunde, februari Triaxiaalonderzoek met variabele steundruk. Werkgroepdocument FEA-105, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door NPC, projectnummer 38295, 20 februari Vervormingsgedrag van SMA, DAB en StAB bij hogere steunspanning en alternatief belastingssignaal. Werkgroepdocument FEA-147, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door KOAC NPC, opdrachtnummer o048365, november Handleiding Wegenbouw Ontwerp Verhardingen. Delft, DWW, december Het aspect healing van asfalt. Werkgroepdocument FEA-043, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door KOAC WMD, opdrachtnummer e , maart Use of dynamic mechanical analysis (DMA) to evaluate the fatigue and healing potential of asphalt binders in sand asphalt mixtures. Y.R.. Kim, D,L. Little, R.R. Lytton, Proceedings AAPT Zelfherstelling asfaltmengsels Versnelde experimentele bepaling volgens Lee-Kim. Werkgroepdocument FEA-106, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door KOAC NPC, Projectnummer , februari Van Model naar Factor voor zelfherstelling in asfalt. Werkgroepdocument FEA-136, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door KOAC NPC, opdrachtnummer e048216, december Bepaling zelfherstellingsfactoren volgens Kim-Lee bij twee temperaturen. Werkgroepdocument FEA-148, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door KOAC NPC, opdrachtnummer e048365, mei Fracture mechanics; Ewalds, H.L. & Wanhill, R.J.H. DUM / Arnold; Delft, NL / London, UK, The fracture mechanics approach to fatigue. Paris, P.C. 10th Sagamore Army Materials Research Conf. 1963; Syracuse University Press; pp ; Syracuse, NY, USA, A critical analysis of crack propagation laws. Paris, P.C. & Erdogan, F. Transactions of the ASME, Journal of basic engineering, Series D, 85, No. 3.; American Society of Mechanical Engineers ASME, Scheurgroei in asfalt. Werkgroepdocument FEA-064, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door KOAC WMD, opdrachtnummer e , maart

46 31 Evaluation of laboratory-measured crack growth rate for asphalt mixtures. Zhang, Z., Roque, R. & Birgisson, B. Transportation Research Record TRR 1767, paper ; Transportation Research Board TRB; pp 67-75; Washington, DC, USA, Crack growth in asphaltic mixes. Jacobs, M.M.J., Ph.D. dissertation. Delft University of Technology, Faculty of Civil Engineering; Delft, Onderzoek naar 4 scheurgroeiparameters voor de karakterisering van scheurvorming in DAB en SMA. Geuzebroek, S.E. Delft, RWS-DWW, Rapport IL-R , FEA werkplan onderdeel Vermoeiing en scheurvorming. Werkgroepdocument FEA-084, juni Spanningscondities in een asfaltlaag boven een voeg of een scheur. Van Bijsterveld, W.T en De Bondt, A.H, Ooms Avenhorn Holding bv R&D, Avenhorn, 2 februari CAPA-3D Eindige Elementen Berekening voor de SCB-proef. Werkgroepdocument FEA-092, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door KOAC WMD, oktober Scheurgroeionderzoek voor CROW-werkgroep Functionele Eisen Asfaltverhardingen. Werkgroepdocument FEA-123, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door KOAC WMD, opdrachtnummer e030449, 14 juli Inventarisatie van problemen bij het onderzoek van FEA en voorstellen voor oplossingen. Werkgroepdocument FEA-150, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door KOAC NPC, opdrachtnummer e2107/1450/mj/, 6 april Voorschrift scheurgroeiproeven FEA, cyclische SCB proef. Werkgroepdocument FEA-139c, februari Het bepalen van de gevoeligheid voor scheurgroei met de cyclische SCB-proef. Werkgroepdocument FEA-146, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door KOAC NPC, opdrachtnummer e , maart Proefvoorschrift Bepaling scheurgroeiweerstand van asfalt met behulp van cyclische SCB-proeven. Ede. Werkgroepdocument FEA-153, juli Uniforme Administratieve Voorwaarden geïntegreerde contracten Ede, CROW,

47 Bijlage A 1 PERMANENTE VERVORMING 1 Bij deze bijlage hoort een aparte literatuurlijst, die aan het einde van de bijlage is weergegeven 47

48 1 Inleiding 1.1 Viskeuze vervorming Asfalt is een visco-elastisch materiaal. Dit houdt in dat de vervorming die in het materiaal door een belasting ontstaat voor een deel elastisch zal terugveren, maar voor een ander deel blijvend zal zijn. Voor de modellering van dit gedrag wordt vaak het Burgers model gebruikt (figuur 1). Stijfheid Model Respons 0 0,2 0,4 0,6 0,8 Tijd [s] E 1 lastpuls E 1 η 2 η 1 E 2 E 2 en η 2 η1 totaal Vervor min g Burgers model Figuur 1 Het elastische gedrag wordt in dit model aangegeven door de veerconstanten (stijfheidsmoduli) E 1 en E 2 (MPa). Het viskeuze gedrag wordt gemodelleerd door de smoorpotten (viscositeitsparameters) η 1 en η 2 (MPa.s) [1]. Voor het bepalen van de stijfheidsmodulus wordt in Nederland de vierpuntsbuigproef [2], [3] gebruikt. De stijfheidsmodulus is echter afhankelijk van de temperatuur en frequentie waarmee het onderzoek wordt opgesteld. De stijfheidskarakteristiek van een asfaltmengsel wordt bepaald door het uitvoeren van de proef bij meerdere temperaturen en frequenties, de zogenaamde frequency sweep (zie van het hoofdrapport).de viscositeitsparameter η 1 wordt berekend uit de helling van het lineaire deel van de kruipcurve bij een cyclische triaxiaalproef. In de Europese norm voor continu gegradeerde asfaltmengsels [4] is voor de functionele ontwerpmethode ter karakterisering van de gevoeligheid voor permanente vervorming een categorie-indeling opgenomen voor de helling van het lineaire deel van de kruipcurve bij de cyclische triaxiaalproef. De viscositeitsparameter η 1, die voor visco-elastische response berekeningen wordt gebruikt, hoeft niet te worden berekend. Uit onderzoek blijkt dat de waarde van η 1 sterk afhankelijk is van gebruikte testcondities bij het uitvoeren van de triaxiaalproef. In de desbetreffende Europese norm [5] zijn geen testcriteria voorgeschreven, maar kan binnen zekere grenzen een keuze voor de testcondities worden gemaakt. Voor het berekenen van permanente vervorming is het uiteraard van belang om in het laboratorium de testcondities zo goed mogelijk in overeenstemming te brengen met de praktijk, de belasting door een passerend wiel. De werkgroep FEA heeft daarom eerst een bureaustudie uit laten voeren naar de spanningspaden onder een passerend wiel [6]. Opmerking Voor empirisch onderzoek naar de gevoeligheid voor permanente vervorming worden wielspoorproeven gebruikt [7]. In het kader van een functioneel mengselontwerp kunnen wielspoorproeven worden gebruikt voor een eerste selectie van mogelijk toepasbare mengselsamenstellingen. 48

49 1.2 Plastische vervorming (bezwijken) In COMPASS en COMPASS + wordt voor de berekening van permanente vervorming onderscheid gemaakt tussen viskeuze vervorming en (de kans op) plotseling bezwijken door overschrijding van de toelaatbare trek- of drukspanningen. Voor de berekening van de veiligheid ten aanzien van plastisch bezwijken wordt gebruik gemaakt van het Mohr-Coulomb faalmodel. Mohr-Coulomb faalmodel Schuifspanning Faallijn Cohesie Hoek van inwendige wrijving Treksterkte s 3,f s 3 s 1 s 1,f Normaal spanning Figuur 2 Mohr-Coulomb faalmodel De trekspanning wordt berekend uit de treksterkte bij een directe trekproef [5]. De druksterkte kan bepaald worden uit een uniaxiale drukproef. Met deze resultaten kan de faallijn in het model wordt geconstrueerd en de hoek van inwendige wrijving en de cohesie worden bepaald. Omdat de hoek van inwendige wrijving voor asfalt normaal tussen 35 en 40 o ligt, kan voor praktijkdoeleinden worden volstaan met alleen het bepalen van de trekspanning. De kans op plastisch bezwijken kan worden uitgedrukt in de ratio R. σ σ = 1 3 R (σ 3 = σ 3,f ) σ 1, f σ 3 Bij een waarde van R groter dan 1 zal het materiaal bezwijken. De ligging van de faallijn is gedurende de levensduur van een laag asfalt niet constant, maar zal door veroudering en vermoeiing wijzigingen ondergaan. De waarde R zal daardoor ook veranderen. Aanbevolen wordt bij het verhardingsontwerp voor R een waarde kleiner of gelijk aan 0,6 aan te houden. 49

50 2 Triaxiaalonderzoek Testcondities EN In de Europese norm voor triaxiaalonderzoek [9] zijn meerdere testcondities toelaatbaar: - beproevingstemperatuur in het algemeen tussen 30 en 50 o C; - frequenties in het algemeen tussen 1 en 5 Hz; - diverse mogelijkheden voor het belastingssignaal. Door de CROW-werkgroep Consequenties Implementatie Europese Normen voor Asfalt (CIENA) worden de in tabel 1 vermelde condities aanbevolen. De daadwerkelijk toe te passen condities worden, op basis van het advies van CIENA, vastgesteld door de NEN/CROW-werkgroep Asfaltverhardingen. Door CIENA worden voor triaxiaalonderzoek volgens NEN-EN Deel B [9] de in tabel 1 vermelde testcondities aanbevolen Tabel 1 Aanbevelingen CIENA voor triaxiaalonderzoek Principeschets: Steundruk : σ c CRR-OCW σ A (t) Haversine Confining axiale pressure spanning : σ : σ c a (t) = σ v [1 + sin (0,5 π ωt)] Haversinusoidal pressure σa (t) = σv (1 + sin ωt) Totale T axiale pressure spanning: σa (t) = σa σ(t) A (t) + = σcσ a (t) + σ c σ c σ c σ A (t) Total axial pressure σ A (t) σ v σ c Time Belastingscondities: Algemeen: - Totaal aantal lastpulsen = (= s); - De proeven dienen uitgevoerd te worden met een wrijvingsreducerend systeem tussen de belastingsplaten en het proefstuk; - De vervorming dient gemeten te worden vlak voor de volgende belastingspuls opgelegd wordt. Voor deklaagmengsels: bijv. SMA ZOAB DAB (zowel met penetratiebitumen als met PMB) Voor tussen- en onderlaagmengsels: bijv. OAB STAB GAB Temperatuur = 50 C σ C = 0,15 MPa; σ V = 0,30 MPa; σ A,max = σ C + 2σ V = 0,75 MPa; p = ⅓(σ A,max +2σ c ) = 0,35 MPa; q = σ A,max - σ c = 0,60 MPa; q/p = 1,71 Temperatuur = 40 C σ C = 0,05 MPa; σ V = 0,20 MPa; σ A,max = σ C + 2σ V = 0,45 MPa; p = ⅓(σ A,max +2σ c ) = 0,183 MPa; q = σ A,max - σ c = 0,40 MPa; q/p = 2,18 50

51 In deze tabel zijn ook voorstellen opgenomen voor triaxiaalonderzoek van ZOAB, SMA en gemodificeerd DAB, waarvoor in de Europese normen geen eisen zijn opgenomen. De voorstellen zijn gebaseerd op een door CIENA uitgevoerde inventarisatie van eigen en door derden verricht onderzoek. 2.2 LinTrack proefvakken Bij het maken van prognoses voor permanente vervorming is de ideale situatie dat de uitkomsten van laboratoriumonderzoek en rekenmodel vrijwel gelijk zijn aan gemeten vervormingen bij onder geconditioneerde omstandigheden aangelegde en belaste proefvakken. De werkgroep FEA heeft kunnen beschikken over de meetresultaten van LinTrack-proefvakken, de onderzoekresultaten van in het kader van deze vakken uitgevoerd triaxiaalonderzoek [10], terwijl ook boorkernen uit deze vakken ter beschikking zijn gesteld. Het triaxiaalonderzoek is uitgevoerd door de Technische Universiteit Delft met selecties van de in tabel 2 vermelde condities. Tabel 2. Spanningscondities triaxiaalonderzoek TU Delft [10] σ vcycl (Mpa) σ c (Mpa) σ v (Mpa) p (Mpa) Q (Mpa) De verticale spanning was een haversine met amplitude σ vcycl, een pulsduur van 0.2 sec (bij 40 en 50 o C) of 0.05 sec (bij 40 o C) en een rustduur van 0.8 sec. Deze spanning werd gesuperponeerd op een constante alzijdige steundruk σ c. De maximale waarde van de verticale spanning σ v is dus de som van de amplitude σ vcycl van het verticale spanningssignaal en de constante steundruk σ c. De proefvakken bestonden uit de in tabel 3 vermelde constructies en mengsels. Tabel 3 Constructievarianten LinTrack-proefvakken Vak Laag 1 Laag 2 Laag 3 Laag 4 Laag mm DAB 80/ mm OAB 1 80 mm StAB 2 90 mm StAB mm AGRAC 2 40 mm DAB 45/60 60 mm OAB 2 80 mm StAB 2 90 mm StAB mm AGRAC 3 50 mm ZOAB 60 mm StAB 3 80 mm StAB 2 90 mm StAB mm AGRAC 4 50 mm ZOAB 60 mm MStAB 3 (multigrade) 80 mm StAB 2 90 mm StAB mm AGRAC 5 40 mm DAB M (polymeer) 60 mm StAB 4 80 mm StAB 2 90 mm StAB mm AGRAC 6 40 mm SMA 0/11 type 2 60 mm StAB 4 80 mm StAB 2 90 mm StAB mm AGRAC 51

52 Met betrekking tot de toegepaste materialen kunnen de volgende opmerkingen worden gemaakt: - De DAB-, OAB- en ZOAB-mengsels zijn 0/16 mengsels; - OAB 1 en 2 zijn van gelijke samenstelling (met 50 % asfaltgranulaat) maar op een verschillend tijdstip aangelegd. OAB 2 bleek slechter verdicht; - StAB 1 en 2 zijn 0/22 mengsels met 50 % asfaltgranulaat; - StAB 3 is een 0/22 mengsel met maagdelijk materiaal; - MStAB 3 is gelijk aan StAB 3 met een multigrade bitumen; - StAB 4 is een 0/22 mengsel met Schotse graniet Naast de proefvakken zijn monstervakken aangelegd om monsters van voldoende afmetingen voor nader onderzoek te kunnen nemen. Als naar de triaxiaalresultaten wordt gekeken zou verwacht mogen worden dat: - het proefvak met DAB 80/100 het slechts zou acteren; - het een na slechtste zou het proefvak met DAB 45/60 of het proefvak met gemodificeerd DAB moeten zijn; - de beide ZOAB-vakken en het SMA zouden zich ongeveer gelijk moeten gedragen en duidelijk beter moeten acteren dan de rest. Deze verwachtingen corresponderen op een aantal punten niet met waarnemingen van de proefvakken: - het gemodificeerde DAB gedroeg zich veruit het beste, al ontstond er bij de belasting met dubbellucht wel een kleine langsscheur tussen de banden; - het conventionele DAB 45/60 gedroeg zich nagenoeg gelijk aan de ZOAB-vakken en het SMA-vak; - het bezwijkgedrag van de SMA kwam in de triaxiaalproeven niet tot uitdrukking.. Het DAB 80/100 acteerde naar verwachting het slechtst. Ook later uitgevoerd triaxiaalonderzoek met de CIENA-condities resulteerde niet in een gelijke ranking van de mengsels met de proefvakken 5 en 6, die voor dit vergelijkend onderzoek zijn gebruikt. Mogelijke oorzaken van verschillen in ranking op basis van triaxiaalonderzoek en op basis van praktijkgedrag kunnen, als alleen het triaxiaalonderzoek in beschouwing wordt genomen, zijn dat de gekozen testcondities niet in overeenstemming zijn met de opgetreden spanningscondities in de proefvakken. FEA heeft daarom besloten een bureaustudie uit te laten voeren om de spanningspaden onder een passerend wiel te berekenen. 52

53 2 Spanningspaden De parameter η 1 (Burgers model) voor het uitvoeren van vervormingsberekeningen wordt bepaald uit de helling van de kruipcurve bij een triaxiale kruipproef. Bij de gangbare testuitvoering wordt de verticale (axiale) spanning cyclisch gevarieerd en de horizontale (radiale) opsluitspanning constant gehouden. Een mogelijkheid om de situatie van een asfaltverharding onder verkeer te simuleren is om ook de radiale spanning te variëren. De spanningsrotatie in de verharding door een passerend wiel wordt hierdoor nagebootst. De aggregaten van het asfaltmengsel worden dan niet in één richting (de verticale) tot een skelet gedwongen, maar afwisselend in verticale en horizontale richting los gelaten en aangedrukt. Naar verwachting wordt hierdoor een grotere vervorming bereikt dan bij de traditionele spanningscondities. Het doel van de bureaustudie Spanningspaden onder een passerend wiel [6] was antwoord te geven op de vraag hoe bij een dergelijk type triaxiaalproef de tijdsafhankelijkheden en de spanningen gekozen moeten worden. Met het programma VEROAD zijn spanningspaden berekend, zoals die optreden op de volgende posities in een verhardingsconstructie: - midden onder het wiel aan het wegoppervlak; - midden onder het wiel op een diepte van 25 mm; - midden onder het wiel op een diepte van 75 mm; - midden onder het wiel op een diepte van 150 mm; - midden onder het wiel op een diepte van 225 mm; - op 150 mm uit het midden van het wiel aan het wegoppervlak; - op 150 mm uit het midden van het wiel op een diepte van 25 mm; - op 150 mm uit het midden van het wiel op een diepte van 75 mm; - op 150 mm uit het midden van het wiel op een diepte van 150 mm; - op 150 mm uit het midden van het wiel op een diepte van 225 mm. De belastingscondities komen overeen met een wiellast van 50 kn en een snelheid van 50 km/h. Met VEROAD zijn met deze condities de spanningspaden in x-, y- en z-richting berekend (Sxx, Syy, Szz en Sxz. Sxz is de schuifspanning in xz-richting door het passerende wiel). De x-richting is horizontaal in de rijrichting, de y-richting horizontaal maar loodrecht op de rijrichting en de z-richting is de verticale richting. Midden onder het wiel, aan het oppervlak spanning [MPa] Sxx Syy Szz tijd [sec] Figuur 3 Spanningspad midden onder het wiel aan het wegoppervlak Uit figuur 3 blijkt dat er bij 50 km/uur een verticale blokvormige puls optreedt die ca seconde duurt. Omdat alle schuifspanningen gelijk zijn aan 0, zijn dit tevens de hoofdspanningen. 53

54 De puls is op grotere diepte niet meer blokvormig, zie onderstaande figuren 4 en 5. Midden onder het wiel, 25 mm diepte spanning [MPa] Sxx Syy Szz Sxz tijd [sec] Figuur 4 Spanningspad midden onder het wiel op 25 mm onder het wegoppervlak Midden onder het wiel, 75 mm diepte spanning [MPa] Sxx Syy Szz Sxz tijd [sec] Figuur 5 Spanningspaden midden onder het wiel op 75 mm onder wegoppervlak In de figuren 4 en 5 zijn, in tegenstelling tot de spanningscondities aan het oppervlak, niet de hoofdspanningen weergegeven (niet alle schuifspanningen zijn gelijk aan 0). Vervolgens zijn de hoofdspanningen σ 1, σ 2 en σ 3 uitgerekend. 54

55 0.2 Midden onder het wiel, 25 mm diepte hoofdspanningen sp an ni ng [M Pa ] σ1 σ2 σ tijd [sec] Figuur 6 Hoofdspanningen midden onder het wiel op 25 mm onder wegoppervlak Midden onder het wiel, 75 mm diepte hoofdspanningen spanning [MPa] σ1 σ2 σ tijd [sec] Figuur 7 Hoofdspanningen midden onder het wiel op 75 mm onder wegoppervlak Bol- en schuifspanning in de weg In de triaxiaalopstelling kan maar één steundruk worden toegepast. In onderstaande figuur 8 zijn voor de condities midden onder het wiel op 25 en 75 mm diepte de bolspanning p en de schuif(deviator)spanning q weergegeven, waarbij: 55

56 1 p = 3 [ σ + σ + σ ] q = [( σ σ ) + ( σ σ ) + ( σ σ ) ] midden onder het wiel, 25 mm diepte spanning [MPa] bolspanning p schuifspanning q tijd [sec] midden onder het wiel, 75 mm diepte spanning [MPa] bolspanning p schuifspanning q tijd [sec] Figuur 8 Bol- en schuifspanning, midden onder het wiel, 25 en 75 mm diepte 56

57 4 Van spanningspaden naar triaxiaalcondities Bij het gebruikelijke triaxiaalonderzoek zijn de beide horizontale (steun)spanningen gelijk aan σ h (σ h = σ 2 =σ 3 ) en is de axiale spanning σ v (σ v = σ i ). De hoofdspanning σ V en de alzijdige steundruk (σ 2 of σ 3 ) kunnen nu uit de bol- en schuifspanning worden bepaald: Er geldt dan: 1 p = [ σ V + 2 * σ h ] 3 q = σ σ of q = σ v h h σ v Er zijn dus twee oplossingen om σ v en σ h te bepalen bij een gegeven p en q. Geschreven in onafhankelijk van elkaar op te leggen spanningen op het proefstuk in een triaxiaalcel zijn deze oplossingen: Voor σ v > σ h (1) 2 σ v = p + q 3 1 σ h = p q 3 en voor σ v < σ h : (2) 2 σ v = p q 3 1 σ h = p + q 3 Bij de vertaling van de p en q in de weg naar p en q in de triaxiaalcel treedt de complicatie op dat de richting van de hoofdspanningen in de weg verloren is gegaan. Wel is de absolute grootte correct. Bij de toekenning van de optredende p en q aan de proefopstelling moet er weer richting aan de hoofdspanningen toegekend worden. In concreto betekent dit dat het verloop van de axiale spanning en de steunspanning in de tijd (het passerend wiel) niet met slechts één van de voorgaande relaties kan worden bepaald. De spanningen kunnen in de tijd overgaan van relatie (1) naar relatie (2). Voor het tijdstip van overgaan zijn de volgende criteria gebruikt: Onder het wiel is gebruik gemaakt van σ v < σ h. Dit is geverifieerd aan de hand van de berekende spanningscondities in x-, y- en z-richting; Over het algemeen treedt voor en achter het wiel een overgang op van σ v < σ h naar σ v > σ h. De locatie waar dit optreedt, komt ongeveer overeen met de locatie waar de schuifspanningen maximaal zijn. De locatie is mede bepaald aan de hand van de berekende spanningscondities in x-, y- en z- richting. Gevolg van de overgang van relatie (1) naar relatie (2) is dat de spanningspaden voor de axiale spanning en de steunspanning niet vloeiend verlopen. Er treedt ter plaatse van de overgang een sprong op, die er in werkelijkheid niet zal zijn. Er is daarom een vloeiende lijn getrokken door de resultaten. In de meeste gevallen lijkt de axiale spanning het meest op de Szz. 57

58 midden onder het wiel, 25 mm diepte spanning [MPa] steunspanning axiale spanning tijd [sec] 0.2 σv > σh midden onder het wiel, 75 mm diepte σv < σv > σh σh spanning [MPa] steunspanning axiale spanning -0.8 Figuur 9-1 tijd [sec] Hoofdspanning en steundruk. Uit de in figuur 9 gegeven voorbeelden blijkt dat de meest optimale methode om de spanningscondities door een passerend wiel bij triaxiaalonderzoek na te bootsen gezocht moet worden in een dubbel-cyclische triaxiaalproef. Dubbel-cyclisch door ook de steunspanning variabel te maken. De figuren 10 en 11 laten de theoretische spanningscondities zien voor een passerend wiel bij een snelheid van 50 km/uur op een diepte van 25 en 75 mm onder het wegoppervlak. 58

59 midden onder het wiel, 25 mm diepte spanning [MPa] steunspanning axiale spanning tijd [sec] Figuur 10 Spanningscondities triaxiaalonderzoek op 25 mm diepte, 50 km/uur midden onder het wiel, 75 mm diepte spanning [MPa] steunspanning axiale spanning tijd [sec] Figuur 11 Spanningscondities triaxiaalonderzoek op 75 mm diepte, 50 km/uur Uit de figuren 10 en 11 is de onderstaande tabel samengesteld worden. Hierin is met het begrip halfwaardebreedte bedoeld de breedte van het signaal op de helft van de maximale uitslag. Uitdrukkelijk wordt vermeld dat de theoretische waarden in deze tabel zijn afgeleid voor een temperatuur van het asfalt van 40 C. Men moet verwachten dat hogere temperaturen leiden tot slappere mengsels en bijgevolg tot kortere halfwaarde tijden. 59

60 Tabel 1 Theoretische testcondities voor triaxiaalonderzoek bij 40 o C 25 mm diepte 75 mm diepte Periode dubbel cyclisch signaal 0,25 s 0,25 s Halfwaardebreedte axiale spanning 0,021 s 0,028 s Halfwaardebreedte steunspanning 0,016 s 0,032 s Minimale axiale spanning -1,0 MPa -0,8 MPa Minimale steunspanning -0,8 MPa -0,4 MPa Het teken bij de spanningen geeft aan dat een drukspanning moet worden opgelegd. De tabel houdt geen rekening met de haalbaarheid van de pulsen. 5 Triaxiaalonderzoek FEA 5.1 Triaxiaalonderzoek Aken In tabel 1 zijn de testcondities vermeld, zoals die zijn aanbevolen uit de berekening van de bureaustudie spanningspaden [6]. De gewenste apparatuur is gevonden in Aken, bij de Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, Institut für Straßenwesen. Deze apparatuur bestaat uit een dynamische bank met een speciale triaxiaalcel. Volgens informatie bedragen de kosten van deze cel ca De axiale spanning wordt opgelegd door middel van een hydraulische vijzel. De radiale spanningen worden opgelegd door een met olie gevulde mantel van de triaxiaalcel. Door olie in en uit de mantel te laten vloeien kan de radiale druk worden gevarieerd. Ook met deze apparatuur bleek het echter noodzakelijk de theoretisch berekende halfwaardebreedtes te verlengen. Vergelijkend onderzoek is uitgevoerd op in het laboratorium vervaardigd materiaal (a) en op boorkernen uit het LinTrack proefvak (b en c). a) 12 gyratorproefstukken StAB 0/16; b) 10 boorkernen DAB 0/16, met een gemodificeerd bindmiddel; c) 10 boorkernen SMA 0/11 vk 4. Per materiaal zijn uitgevoerd: - 4 triaxiaalonderzoeken met constante radiale druk en sinusvormige axiale druk; - 4 triaxiaalonderzoeken met variabele radiale druk en sinusvormige axiale druk; - 2 triaxiaalonderzoeken met variabele radiale druk en blokvormige axiale druk (op de gyratorproefstukken in viervoud). De proefstukken zijn bij een temperatuur van 40 o C met lastherhalingen beproefd. Bij de proeven met variabele radiaalspanning en sinusvormige axiaalspanning zijn de spanningscondities toegepast zoals aangegeven in figuur 12. De periodes van de beide haversines zijn in verhouding gelijk gehouden met de verhouding in halfwaardebreedtes in de bureaustudie [12]. De spanningscondities zijn weergegeven in figuur sec 0.6 sec 0.5 axial : 0,4 sec radial: 0,46 sec Spanning [MPa] Axiale spanning Radiale spanning Sp an 0.3 ni ng [M Pa 0.2 ] Radiale spanning Axiale Spanning Tijd [sec] Tijd [sec] Figuur 12 Constante en variabele steunspanning 60

61 Uit figuur 12 blijkt dat afgeweken is van de gewenste proefopzet. Tabel 1 laat zien dat de halfwaardebreedtes voor de radiale en axiale spanning niet gelijk zijn, bij het in eerste instantie uitgevoerde onderzoek zijn deze wel gelijk gehouden. Uit de resultaten van dit onderzoek is gebleken dat voor de StAB 0/16 en de SMA 0/11 de viscositeitsparameter η 1 met een factor 2 respectievelijk 3,5 toeneemt bij een variabele steunspanning. Bij de gemodificeerde DAB zijn de η 1 -resultaten echter iets lager dan bij de constante radiale spanning. De resultaten bij deze testvarianten waren derhalve niet eenduidig. Uit [6] blijkt dat de axiale spanning op 75 mm diepte nog redelijk blokvormig is. De in de vorige proef toegepaste halfwaardebreedtes voor de axiale spanning hebben daarom tot gevolg dat de breedte van de haversine voor de axiale spanning ten opzichte van de radiale spanning te groot is. In werkelijkheid is de radiale spanning al ongeveer op de helft van de maximum te bereiken radiale spanning voordat de axiale spanning zich pas opbouwt. Daarom is besloten om de proeven nogmaals uit te voeren, maar nu met variabele radiaalspanning en blokvormige axiaalspanning. 0,5 0,4 spanning [MPa] 0,3 0,2 radiale spanning axiale spanning 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 tijd [sec] Figuur 13 Variabele radiale spanning en blokvormige axiaalspanning 61

62 5.2 Berekening η 1 -waarden De belastingpuls en de vervormingskromme zijn nodig om uiteindelijk de parameter η 1 te bepalen volgens: dε τ = η. dt Δε ΔN τ = η.. ΔN Δt Δε τ. Δt = η.. ΔN ΔN met Δε : helling van de vervormingscurve, ΔN dus per lastherhaling τ. dt = η. helling 1. τ = σ σ ( σ η = met ( σ axiaal axiaal ( σ axiaal σ axiaal σ -0,05 radiaal radiaal σ helling radiaal ). dt = η. helling radiaal ). dt ). dt = oppervlak per lastherhaling (zie figuur 14) 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45-0,1-0,15 spanning [MPa] -0,2-0,25-0,3-0,35-0,4 constante radiaalspanning sinusvormige axiaalspanning axiaalspanning radiaalspanning tau -0,45-0,5 Tijd [sec] 62

63 0,1 0,05-0, ,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5-0,1 spanning [MPa] -0,15-0,2-0,25-0,3 sinusvormige radiaalspanning axiaalspanning radiaalspanning tau -0,35 sinusvormige axiaalspanning -0,4-0,45-0,5 Tijd [sec] 0,2 0,15 0,1 0,05 spanning [MPa] 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45 0,5-0,05-0,1-0,15-0,2 axiaalspanning radiaalspanning tau -0,25-0,3-0,35-0,4 sinusvormige radiaalspanning blokvormige axiaalspanning -0,45-0,5 Tijd [sec] Figuur 14 Oppervlak onder de τ-kromme bij 3 belastingscondities σ v σ h Vaak wordt voor de berekening van de parameter η 1 de formule η 1 = [MPa.s] gebruikt b Z Omdat de teller van deze formule afwisselend positief en negatief is (als de steunspanning groter dan de axiale spanning), kan deze parameter op deze manier bij deze spanningscondities niet berekend worden. In deze formules is: b = Parameter [μm/m] (helling van de kruipcurve); σ v = Verticale piekspanning [MPa]; σ h = Horizontale steunspanning [MPa]. η 1 = Mengselvicositeit [MPa.s] Z = een experimentfactor [-]. 63

64 Z is de factor waarmee de variabele axiale spanning vermenigvuldigd moet worden om als totale belasting gelijk te zijn aan een blokbelasting van één seconde, met een hoogte gelijk aan de piekspanning. In het geval de feitelijke belasting een blokspanning is van 0,2 s is Z=1/0,2=5. In figuur 15 is een overzicht opgenomen van de berekende gemiddelde η 1 -waarden per soort asfalt bij de gebruikte testcondities. 1,60E+06 1,40E+06 1,20E+06 ηgemiddeld [MPa.s] 1,00E+06 8,00E+05 6,00E+05 constante radiaalspanning Radiaal sinusvormig, axiaal sinusvormig Radiaal sinusvormig, axiaal blokvormig 4,00E+05 2,00E+05 0,00E+00 STAB 0/16 (gyrator) DAB 0/16 Flexxipave SMA 0/11 Figuur 15 Overzicht van gemiddelde η 1 -waarden per proefconditie per materiaalsoort. De invloed van de proefomstandigheden op de η-waarde is voor de verschillende materialen niet eenduidig. De spanningscondities hebben de minste invloed op de η van de gemodificeerde DAB 0/16 en de meeste invloed op de η van de SMA. De variatie in η bij de SMA is zeer groot (maximaal een factor 10). De maximale η wordt niet bij ieder materiaal bij dezelfde proefomstandigheden gevonden. Bij de STAB en de DAB wordt de maximale η gevonden bij de proef met een sinusvormige radiaalspanning en een blokvormige axiaalspanning. Bij de SMA wordt de maximale η echter gevonden bij een sinusvormige radiaalspanning en een sinusvormige axiaalspanning. Ook de ranking van de materialen verandert. Bij de proef met constante radiaalspanning en sinusvormige axiaalspanning en de proef met sinusvormige radiaal- en axiaalspanning presteert de SMA 0/11 beter dan de STAB en de DAB. Bij de proef met sinusvormige radiaalspanning en blokvormige axiaalspanning presteert de SMA echter als slechtste. Bij alle spanningscondities presteert de STAB beter dan de DAB. De verwachting was dat bij de proef met een variabele steundruk een lagere η zou worden gevonden. De hypothese is dat het interne materiaalmechanisme in de normale triaxiaalproef (constante steundruk) niet goed tot zijn recht komt doordat het steenskelet de kans krijgt te "consolideren". Ook uit dit onderzoek is duidelijk dat de vervormingskromme in de triaxiaalproef na een initiële fase nagenoeg horizontaal gaat lopen. Naar verwachting krijgt het korrelskelet in de verharding hiervoor de kans niet omdat de richtingen van de spanningen steeds wisselen. De triaxiaalproef overschat dus de bijdrage van het korrelskelet. Daarom wordt het effect van de modificatie in de triaxiaalproef niet zichtbaar terwijl dit effect in de verharding wel groot is. Op basis van de resultaten van de proef met sinusvormige radiaalspanning en blokvormige axiaalspanning kan het consolidatie-effect wel worden bewezen. De invloed van de spanningscondities op de vervorming is bij een korrelskelet-mengsel als SMA erg groot. In de proef met sinusvormige radiaalspanning en blokvormige axiaalspanning is de radiaalspanning al tot meer dan de helft van de maximale radiaalspanning opgebouwd voordat de axiaalspanning wordt opgebouwd. Het steenskelet wordt in radiale richting voorgekneed voordat de axiale druk wordt aangebracht met meer vervorming tot gevolg. De ranking komt daarmee ook overeen met de praktijkproeven uit de LinTrack (alleen gemodificeerde DAB en SMA 0/11). 64

65 5.3 Vervolgonderzoek Discussies in de werkgroep leidden tot de veronderstelling dat de alzijdige druk bij de gebruikelijke uitvoering van de triaxiaalproef het steenskelet ten onrechte (radiaal) steeds vaster op elkaar drukt. In de weg zou het steenskelet bij elke wielovergang steeds weer iets losser gemaakt worden. Deze aanname is in de korte serie proeven in Aken (zie 5.1) getest. Uit dit onderzoek is geconcludeerd dat de veronderstelling redelijk was, maar dat de proefuitvoering technisch moeilijk is en een behoorlijke investering vergt. Daarom is vervolgonderzoek uitgevoerd om na te gaan of het bedoelde effect ook met in Nederland beschikbare apparatuur te bereiken is [11]. In dit vervolgonderzoek is de horizontale spanning groter gekozen dan de minimale verticale spanning. In figuur 16 is het verloop van de belasting weergegeven. Spanning [MPa] 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 tijd [s] Figuur 16 axiale spanning steunspanning Belastingscondities vervolgonderzoek Zoals in figuur 16 is aangegeven zijn de pulsduur en rustperiode even lang genomen. Om de effecten op de langere duur te kunnen zien is de proef voortgezet tot lastherhalingen. Ook voor dit onderzoek zijn proefstukken gebruikt van SMA, DAB en StAB die vervaardigd zijn uit boorkernen van de LinTrackvakken. De proefstukken zijn beproefd bij 40 o C, waarbij het DWW-wrijvingsreductiesysteem met siliconenvet en latexmembraan is toegepast. Per soort asfalt zijn 6 proefstukken onderzocht. Uit de gemeten vervormingen is de rek gemeten en, na fitten van de vervormingscurve, berekend na 1.000, , en lastherhalingen. Bij sommige proefstukken is de proef beëindigd bij 10 % vervorming. De rek, als functie van de vervorming, wordt bepaald volgens: ε N = 10 6 *(h 0 h N )/h 0 waarin: ε N h 0 h N = rek na N lastherhalingen (μm/m); = initiële hoogte (mm); = hoogte na N lastwisselingen (mm). Voor het fitten van de vervormingscurve zijn de volgende relaties gebruikt: - logarithmische fit log ε N = log A + B * log N - lineaire fit ε N = A 1 + B 1* N Vervolgens zijn regressieberekeningen over het gebied van 100 tot lastherhalingen voor de logarithmische fit en over het gebied van tot voor de lineaire fit. De figuren 17, 18 en 19 laten van enkele proefstukken de vervormingscurves zien. 65

66 SMA Permanente rek [μm/m] Meetwaarden Lineaire fit Logaritmische fit Aantal lastherhalingen [-] Figuur 17 Vervormingscurve SMA proefstuk DAB Permanente rek [μm/m] Meetwaarden Lineaire fit Logaritmische fit Aantal lastherhalingen [-] Figuur 18 Vervormingscurve DAB proefstuk

67 STAB Permanente rek [μm/m] Meetwaarden Lineaire fit Logaritmische fit Aantal lastherhalingen [-] Figuur 19 Vervormingscurve StAB proefstuk De SMA-proefstukken vertonen een individueel en vaak bijzonder vervormingsgedrag. In bijna alle gevallen treedt naast een verkorting van het proefstuk ook gedurende enige tijd een verlenging op. Het optreden van een verlenging wordt verklaard uit de bijzondere spanningscondities. De DAB-proefstukken vertonen op één na een gebruikelijk vervormingsbeeld. Bij dit proefstuk trad, evenals bij de SMA-proefstukken, een verlenging op. De vervormingen waren globaal gezien kleiner dan wat bij de conventionele testcondities wordt waargenomen. De StAB-proefstukken laten de gebruikelijke vervormingsbeelden zien. De vervormingen waren globaal gezien kleiner dan wat bij de conventionele testcondities wordt waargenomen. Overzicht η 1 - resultaten In figuur 20 wordt de berekende VEROAD - invoerparameter η 1, die de permanente vervorming beschrijft, weergegeven als resultaat van verschillende proeven en testcondities. Daarbij is de η 1 -waarde steeds uit de helling van de kruipcurve bepaald. De proeven waren: - de bij TU Aken ter referentie uitgevoerde proeven met constante horizontale steundruk; deze steundruk bedroeg 0,05 MPa. Verticaal is ook een druk van 0,05 MPa aangebracht met daarop gesuperponeerd een haversine belastingssignaal met een piekwaarde van 0,4 MPa (maximale verticale belasting dus 0,45 MPa), een pulsduur van 0,2 s (halfwaardebreedte) en een rustduur van 0,6 seconde (totale cyclusduur 1,0 s). - de bij TU Aken uitgevoerde proeven met dezelfde verticale puls als hierboven maar met variabele (eveneens haversine) horizontale steundruk tussen 0,05 MPa en 0,225 MPa. Echter door een miscommunicatie waren de pulsduren (halfwaardebreedten) van horizontale puls resp. verticale puls nagenoeg gelijk, te weten 0,23 s resp. 0,20 s. - de bij TU Aken uitgevoerde proeven met variabele steundruk, waarbij de pulsduur (halfwaardebreedte) van de horizontale puls wederom 0,23 s bedroeg maar waarbij de verticale puls min of meer blokvormig was met een pulsduur van 0,18 s. - de bij KOAC NPC uitgevoerde proeven waarbij een constante horizontale steundruk van 0,2 MPa is aangebracht en een verticaal belastingsignaal bestaande uit een blokpuls van 0,45 MPa over een tijdsduur van 0,25 s, gevolgd door een "rustperiode" van eveneens 0,25 s met verticale belasting 0,05 MPa (in de "rustperiode was de horizontale spanning dus groter van de verticale). - de bij DWW uitgevoerde wielspoorproeven: deze proeven zijn in de grafiek aangeduid als "Wielspoor (slip bakranden)" en "Wielspoor (hechting bakranden)" afhankelijk van de wijze van interpretatie (zie verder) - de bij DWW uitgevoerde triaxiaalproeven volgens (voormalige) CIENA - condities, zijnde: 67

68 - voor de deklaagmengsels SMA en DAB+EVA-modificatie een constante alzijdige steundruk van 0,15 MPa, met daarop verticaal een blokvormig signaal met piekwaarde 0,6 MPa (maximale spanning dus 0,75 MPa), pulsduur 0,2 s en rustduur 0,8 s - voor het tussenlaagmengsel STAB een constante alzijdige steundruk van 0,05 MPa, met daarop verticaal een blokvormig signaal met piekwaarde 0,4 MPa (maximale spanning dus 0,45 MPa), pulsduur 0,2 s en rustduur 0,8 s. Alle proeven zijn uitgevoerd bij een temperatuur van 40 o C. De interpretatie heeft, behalve voor de wielspoorproeven, plaatsgevonden door de rektoename Δε cyclus per lastcyclus te bepalen uit de helling van de vervormingskromme tussen en lastherhalingen. Omdat voor een zuiver viskeus en volumevast materiaal onder triaxiale condities geldt: ε = t ( σ σ ) v η 1 h kan de η 1 uit deze rektoename worden bepaald volgens η = 1 cyclus ( σ σ ) v Δε h cyclus t Voor het bepalen van de η 1 uit de wielspoorproef is de terugrekenprocedure uit [12] gevolgd waarbij de wielspoorproef met VEROAD is gemodelleerd met een η 1 van 1000MPa. Vergelijken van de gemeten en berekende vervormingstoename per cyclus (hellende deel) is dan de actuele η 1 te bepalen. Echter de mate van wrijvingsweerstand langs de bakranden is daarbij een probleem. Daarom zijn twee situaties bekeken: ongehinderde verticale verplaatsing langs de bakranden en verhinderde verticale verplaatsingen langs de bakranden. 2,50E+06 η 1 (Mpa.s) 2,00E+06 (5) SMA STAB gyratorvervaardigd STAB 1,50E+06 (4) DAB-EVA 1,00E+06 (3) (3) (3) 5,00E+05 0,00E+00 (4) (4) Aken steundruk constant axiaal sinus (4) (4) (4) Aken steundruk sinus axiaal sinus (2) (2) Aken steundruk sinus axiaal blok (3) KOAC - NPC (3) (3) (3) (3) (3) (3) Wielspoor (hechting bakranden) Wielspoor (slip bakranden) (3) DWW CIENA condities Figuur 20 Overzicht van alle η 1 waarden Bij het beschouwen van de resultaten moeten de volgende kanttekeningen worden geplaatst: 68

69 - De figuur geeft het gemiddelde van de geslaagde proeven. Het aantal geslaagde proeven is echter niet constant geweest en is daarom tussen haakjes boven de betreffende staaf aangegeven. Met name de proeven bij NPC op SMA gaven een inconsistent beeld en slechts een van deze proeven was interpreteerbaar volgens bovengenoemde methodiek. De resulterende η 1 was echter dermate hoog dat deze niet in de grafiek was weer te geven en als niet representatief is weggelaten; - De proeven in Aken met variabele steundruk en blokvormige axiale druk zijn bemoedigend omdat het in de LinTrack-proeven slecht acterende SMA hier de laagste η 1 te zien gaf. Dit ondersteunt de theorie dat spanningsrotatie een belangrijke rol speelt. Echter aangetekend moet worden dat het resultaat slechts is gebaseerd op twee proeven waarvan de uitkomsten nogal verschilden, zodat voorzichtigheid geboden is bij het trekken van conclusies; - De StAB-mengsels die in Aken zijn beproefd zijn gyratorvervaardigde proefstukken, in tegenstelling tot de StAB-mengsels in de proeven bij NPC de CIENA-proeven bij DWW en de wielspoorproeven, waarvoor steeds materiaal uit de LinTrack-vakken is genomen. Voor SMA en DAB met EVA - modificatie zijn in alle gevallen (ook in Aken) monsters uit de LinTrack-vakken gebruikt. 6 Samenvatting en conclusies Triaxiaalonderzoek is bij functioneel mengselontwerp internationaal de gebruikelijke onderzoekmethode om de gevoeligheid voor permanente vervorming van asfaltmengsels te onderzoeken. De onderzoekresultaten worden als invoerparameters voor spoorvormingsmodellen gebruikt. Deze onderzoekmethode is ook onderdeel van COMPASS. Bij de gebruikelijke testcondities bij triaxiaalonderzoek, een constante radiaalspanning en een variabele axiaalspanning, bleek de ranking van in LinTrack-proefvakken verwerkte mengsels echter niet in overeenstemming te zijn met de mate van spoorvorming in de proefvakken. De optredende spoorvorming van het gebruikte SMA 0/11 mengsel bleek duidelijk groter dan op grond van de testresultaten mocht worden verwacht. Het omgekeerde bleek het geval te zijn bij een DAB met polymeer gemodificeerd bitumen. Om in ieder geval te proberen de ranking van mengsels beter in overeenstemming met de praktijkgegevens te brengen, en zo COMPASS te verbeteren, zijn eerst de spanningspaden in een verharding onder een passerend wiel berekend. Vervolgens is onderzoek gedaan in Aken, waarbij een dergelijk spanningspad is gesimuleerd door het aanleggen van een variabele radiale spanning en een blokvormige axiale spanning. De onderzoekresultaten waren hoopgevend, maar de testmethode zelf technisch moeilijk uitvoerbaar en relatief kostbaar. Daarom is vervolgonderzoek in Nederland uitgevoerd met een blokvormige axiale spanning en een constante radiaalspanning, maar op een hoger niveau dan de minimale axiaalspanning. Uit dit onderzoek kunnen de volgende conclusies worden getrokken: De vervorming van de SMA-proefstukken ontwikkelt zich bij aanvang van de proef zeer snel en blijft dan vrij constant. Er lijkt zich dan een evenwicht te ontwikkelen, dat overigens labiel is en makkelijk wat verschuift. Voor de DAB-mengsels lijkt de initiële ontwikkeling veel langzamer te gaan. Ook lijkt er geen evenwicht te ontstaan: er is sprake van doorgaande vervorming. Het StAB-mengsel lijkt er zich tussenin te bevinden. Een veronderstelling kan zijn dat het bindmiddel zich gedraagt als een interne opsluitspanning: hier wordt niet een feitelijke spanning bedoeld, maar meer een drempelwaarde waaronder er niks gebeurt. Dan kan het zijn dat het bindmiddel effectiever is in het DAB-mengsel dan in het SMA mengsel. De toegenomen opsluitspanning van het DAB doet niet zoveel: er was bij de kleinere opsluitspanningen al voldoende spanningsruimte voor het mengsel om weerstand te bieden tegen vervorming. Aanvullend, of daarnaast, kan verondersteld worden dat snelle initiële effecten -bij SMA bijvoorbeeldaangeven dat het mengsel in wezen instabiel is. Alleen dankzij de hoge opsluitspanning wordt er een evenwicht gevonden. In de weg of in het proefvak ontbreekt die opsluitspanning en `faalt' het mengsel in de spoorvorming. De SMA proefstukken vertonen een individueel en vaak bijzonder vervormingsgedrag. In bijna alle gevallen treedt naast een verkorting van het proefstuk ook gedurende enige tijd een verlenging op. Het optreden van een verlenging wordt verklaard uit de bijzondere spanningscondities: gedurende de helft van de belastingstijd is de horizontale spanning groter dan de verticale. Afhankelijk van de ligging van de spanningscirkels in de Mohr-Coulomb grafiek ten opzichte van de ligging van de faallijn kan deze belastingsconditie bepalend zijn voor het vervormingsgedrag. Dit is geïllustreerd in figuur 21. In het geval van de "onbelaste" toestand (linker cirkel) zal faallijn 1 (lijn met de grotere helling) aanleiding geven tot grotere vervormingen. Bij faallijn 2 is dit 69

70 juist het geval in de belaste toestand, waarbij de vervorming tegengesteld is gericht. Hoe de faallijnen zijn gepositioneerd hangt af van het mengsel. De lijnen kunnen verschuiven of kantelen ten gevolge van een aantal effecten: - verandering van vullingsgraad ten gevolge van naverdichting: mogelijk zakt de lijn en wordt minder steil; - (na)verdichting zonder overvulling: meer interne frictie leidt tot een steilere lijn, sterker wordend materiaal leidt tot het omhoog schuiven van de lijn; - verzwakken van proefstukken door een vorm van vermoeiing: de lijn zakt; - opdrukken van stenen en daarmee verlies van interne frictie: de lijn wordt mogelijk minder steil. Deze effecten kunnen ook andersom werken. Mohr-Coulomb 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 0,00 0,20 0,40 0,60 Spanningen [MPa] Onbelast Belast Faallijn 1 Faallijn 2 Figuur 21 Ligging spanningscirkels t.o.v. faallijn De faallijnen zullen voor een isotroop materiaal in alle richtingen gelijk zijn. Dit is niet noodzakelijk het geval voor asfaltproefstukken. Bovendien kunnen de gevoeligheden voor vervorming verschillen in horizontale en verticale richting. Kortom: de proef en zijn analyse is complex. Bij dit onderzoek zijn geen waarden voor η 1 uitgerekend, omdat deze bij dit onderzoek zowel positief als negatief bleken te zijn. Helaas moet worden geconcludeerd dat de ranking van asfaltsoorten met relatief eenvoudig triaxiaalonderzoek, constante radiaalspanning en variabele axiaalspanning, ten opzichte de ranking gedrag in de LinTrack-vakken niet voor alle toegepaste asfaltvarianten met elkaar in overeenstemming kan worden gebracht. Dit geldt met name voor het gebruikte steenskeletmengsel SMA en voor dicht asfaltbeton met een (polymeer) gemodificeerd bindmiddel. Opgemerkt moet worden dat bij onderzoek met de empirische wielspoorproef de ranking na lastherhalingen wel correspondeerde. Mede op basis van visuele beoordeling is door de werkgroep opgemerkt dat het onderzochte SMA mogelijk niet als representatief beschouwd mag worden voor de in Nederland gebruikelijke mengselsamenstelling door een enigszins overvuld uiterlijk en de aanwezigheid van een relatief hoog percentage platte stukken in de steenslag. Mogelijk zijn ook de testcondities bij het LinTrack-onderzoek zwaarder geweest dan die welke in de praktijk optreden. Het onderzoek in Aken, met variabele axiaal- en radiaalspanning, is slechts op een beperkt aantal proefstukken uitgevoerd. Toch mag op grond van deze onderzoekresultaten voorzichtig geconcludeerd worden dat spanningscondities die zo goed mogelijk overeenkomen met berekende spanningspaden wel tot een met het praktijkgedrag overeenkomende ranking lijken te leiden. Voor steenskeletmengsels en mengsels met gemodificeerde bindmiddelen wordt nader onderzoek met deze testcondities ten zeerste aanbevolen. Bij bevredigende resultaten zou deze onderzoeksvariant voor de genoemde mengseltypen opgenomen kunnen worden in de Europese norm NEN-EN Een tweede aanbeveling, die de werkgroep FEA door gebrek aan tijd en financiële middelen niet heeft kunnen uitwerken, is om per mengsel 2 triaxiaalproeven te doen met verschillende testcondities. Als varianten voor testcondities gaat het daarbij met name om het niveau van de (constante) radiaalspanning. Onderzocht moet worden of op basis van de η 1 -waarden conclusies kunnen worden getrokken. 70

71 Geraadpleegde literatuur Appendix A 1 Performance related characterisation of the mechanical behaviour of asphalt mixtures. Molenaar, J.J.M., Ph.D. dissertation. Delft University of Technology, Faculty of Civil Engineering; Delft, NEN-EN Weerstand tegen vermoeiing 3 Standaard uitvoering van de dynamische vierpuntsbuigproef ter bepaling van de vermoeiingslevensduur. Rapport W-DWW Delft, Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde (met medewerking van KOAC, NPC en Aveco), NEN-EN Asfaltbeton 5 NEN-EN Stijfheid 6 Spanningspaden ten gevolge van een passerend wiel. Werkgroepdocument FEA-097, uitgevoerd door NPC, opdrachtnummer , november NEN-EN Wheel tracking 8 Proefomschrijving Semi Circular Bending proef (SCB) versie 3.1 (IL-N-98-38). R. Hofman, DWW Delft, 15 februari NEN-EN Cyclische drukproef 10 LinTrack spoorvormingsonderzoek. Executive Summary. A.E. van Dommelen, Delft, Dienst Wegen Waterbouwkunde, februari Triaxiaalonderzoek met variabele steundruk. Werkgroepdocument FEA-105, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door NPC, projectnummer 38295, 20 februari Triaxiaalproef maakt belofte nog niet waar. Wegbouwkundige Werkdagen A.E. van Dommelen, Rijkswaterstaat, Dienst Weg - en Waterbouwkunde 71

72 Bijlage B 2 HEALING 2 Bij deze bijlage hoort een aparte literatuurlijst, die aan het einde van de bijlage is weergegeven 72

73 1 Inleiding Healing is het zelfherstellend vermogen van asfalt. Sinds de jaren zestig van de vorige eeuw is in het laboratorium onderzoek uitgevoerd waarbij is aangetoond dat de vermoeiingslevensduur van asfalt bij cyclische belastingen met rustperioden hoger ligt dan bij dezelfde belasting zonder rustperioden. Bij dergelijk onderzoek is in hoofdzaak gewerkt met verplaatsingsgestuurde buigproeven. Hierbij is een verlenging van de vermoeiingslevensduur, een healingfactor, gevonden van 1,5 tot 11. Healing is, voor zover uit de literatuur bekend, te danken aan een zekere mate van herstel van (micro)scheuren, waarbij viscositeit, oppervlakte-energie en moleculaire binding een rol spelen. Bij het structureel ontwerp van asfaltverhardingsconstructies wordt ook met healing rekening gehouden. In de Handleiding Ontwerp Verhardingen van de DWW [1] wordt gerekend met een veiligheidsfactor, waarin de volgende factoren worden gebruikt: Verkeersbelasting( ESAL' s) M toel = Vermoeiingssterkte( ESAL' s)* Healing * Versporing Fr waarin: Verkeersbelasting: in equivalente standaardaslasten van 100 kn Vermoeiingssterkte: de levensduur van het asfalt volgens vierpuntsbuigproeven in het laboratorium bij het rekniveau in de weg onder standaardcondities (aslast, temperatuur). Versporing: eigenlijk geen echte factor maar een correctie die constructieafhankelijk wordt bepaald. Healing: in feite een puur empirische factor voor het verschil tussen theorie en praktijkgedrag. In deze factor zit echte healing, maar ook veroudering, verschil in spannings-en rektoestand tussen laboratoriumproef en weg, etc. etc. Voor deze empirische factor wordt in het algemeen een factor 4 aangehouden. Deze factor is echter niet hard onderbouwd. M toel : toelaatbaar Minergetal; dit geeft de verhouding aan tussen de gemiddelde belasting en de gemiddelde sterkte waarbij versterking is gewenst (in feite dus het interventieniveau Minergetal). Vanwege de fysieke spreidingen in sterkte en (in aanzienlijke mindere mate) belasting over een wegvak moet, tenzij meer dan 50 % vermoeiingsschade wordt geaccepteerd, het Minergetal < 1 zijn. F r : de eigenlijke veiligheids- of betrouwbaarheidsfactor. Deze heeft niet zozeer betrekking op het bestaan van fysieke spreidingen binnen het wegvak (die bepalen het toelaatbare Minergetal) maar eerder het feit dat gemiddelden en spreidingen niet bekend zijn. In feite gaat het om onzekerheden in plaats van spreidingen. Uit het bovenstaande blijkt dat de gebruikelijke manier waarop met healing rekening wordt gehouden bij het constructieve ontwerp geen gemeten healing is, maar een empirische factor waarin ook andere aspecten zijn verdisconteerd. Voor het vergelijken van mengseleigenschappen en verhardingsconstructies, het doel van COMPASS +, is een meer transparante opzet gewenst. Een dergelijke opzet houdt in dat: - voor healing een werkelijk gemeten healingfactor wordt gebruikt, bepaald bij zo goed mogelijk gekozen condities; - voor alle verwachtingsparameters (ook ondergrond- en funderingsmoduli) met verwachtingswaarden en niet met conservatieve waarden wordt gerekend; - voor M toel en F r wordt gerekend met de uitkomsten van probabilistische berekeningen; - voor de vertaalslag van onderzoekresultaten in het laboratorium naar het gedrag in de praktijk een expliciete empirische kalibratiefactor (E m ) wordt ingevoerd. In de vorm van een formule, vergelijkbaar met de DWW-Handleiding, betekent dit: Verkeersbe lasting( ESAL' s) Em * M toel = Vermoeiingssterkte( ESAL' s) * Echtehealing * Versporing F De werkgroep FEA heeft zich daarom voor het aspect healing tot taak gesteld om: - te komen tot een door de branche algemeen aanvaarde onderzoekmethode voor het meten van healing in het laboratorium; - het implementeren van een healingmodule in COMPASS; 73 r

74 - waar mogelijk de bepaling van de empirische kalibratiefactor E m. In dit kader is in eerste instantie een literatuurstudie uitgevoerd naar de manier waarop (inter)nationaal healing wordt bepaald. 2 Bureaustudies 2.1 Bepaling van healing In eerste instantie is een literatuurstudie [2] uitgevoerd naar testmethoden en onderzoekresultaten voor de bepaling van healing in binnen-en buitenland. In dit rapport wordt geconcludeerd dat voor 1987 voor healing en temperatuurcorrectie in de DWW-ontwerpmethode een factor 6 tot 7 werd gehanteerd. Deze factor is teruggebracht tot een factor 4 in verband met te weinig kennis over de healingeigenschappen van asfaltmengsels met lagere bitumengehaltes, mengsels die sinds de Eisen 1978 worden gebruikt. De factor 4 is echter niet hard onderbouwd en corrigeert niet uitsluitend voor het healingeffect. In Nederland zijn in de periode healingonderzoeken uitgevoerd, in opdracht van DWW en CROW, met 2-, 3- en 4-puntsbuigproeven, zowel rek- als verplaatsingsgestuurd. De healingfactor is berekend als het quotiënt van de vermoeiingslevensduur onder intermitterende en continue belasting. Als levensduur zijn verschillende criteria beschouwd: N f de klassieke vermoeiingslevensduur op basis van halvering van de initiële modulus; op basis van breuk van het proefstuk (concept OCW bij krachtgestuurde proef); N f N 1 op basis van de energieratio (concept Hopman, Kunst en Pronk). Een overzicht van de bij het onderzoek van CROW en DWW bepaalde healingfactoren is opgenomen in tabel 1. Tabel 1 Samenvatting healingfactoren uit onderzoek DWW en CROW ( ) Asfalt- Temp Freq, Proefconcept Buigproef Initiële Rust- Healing mengsel [ 0 C] [Hz] V = verpl. gestuurd rek Perioden op basis A B C D K = kracht gestuurd V V V V 4-p 4-p 4-p 4-p [µm/m] van N f 1.5 1,0 1,4 1,7 Healing op basis van N 1 B K 2-p ,4 - B K 4-p 170/ ,5 - A V 4-p - 5 1,1 8,5 - B B B B B B K K V K V V Mengsels: A GAB 0/16, soort 57 met 4% bitumen 45/60 B GAB 0/16 soort 57 met 4,5% bitumen 45/60 C GAB 0/16, soort 57 met 5% bitumen 45/60 D StAB 0/16 met 4,5% bitumen 45/60 4-p 4-p 3-p 3-p 2-p 2-p / / ,3 9,7 2,8 3,9 4,2 14, ,7 11,6 3,2 5,6 4,3 15,9 Uit de resultaten van het onderzoek zijn de volgende conclusies te trekken: - De traditionele bepaling van healing Nf rust /Nf cont vergt veel onderzoekstijd; - Er is een evident verschil tussen enerzijds de 2-punts buigproef en anderzijds de 3- en 4-punts buigproef. De healing bij 2-punts buigproeven is een factor 1,5 à 2 groter. Een mogelijke verklaring is de verticale positie van het proefstuk bij 2-punts buigproeven, waardoor in rustperioden een geringe statische druk als gevolg van het eigen gewicht een rol kan spelen; 74

75 - De vermoeiingslevensduur kan bij een verplaatsingsgestuurde proef tot een factor 10 hoger liggen in vergelijking tot een krachtgestuurde proef indien vanaf dezelfde initiële rek wordt gestart; - De grootte van de echte healing uit de proeven is lager dan de factor 4 die in de DWW-ontwerpmethode voor healing die, zoals eerder aangegeven, in combinatie met andere factoren bij de dimensionering van verhardingsconstructies wordt gebruikt. In 2002 is, in opdracht van BeneluxBitume, vermoeiings/healingonderzoek uitgevoerd op (vers) StAB 0/16 en op StAB 0/22 met 60 % (m/m) asfaltgranulaat. De resultaten van dit onderzoek zijn opgenomen in tabel 2. Tabel 2 Healing Nf rust /Nf cont bij StAB en StAB-pr (temperatuur 30 o C, frequentie 30 Hz) Materiaal Rustperioden Healing bij 150 µm/m Healing bij 250 µm/m StAB 0/ ,10-1,69 2,59 StAB 0/22 60% pr 3 6 1,23-1,22 2,47 Uit dit onderzoek blijkt de afhankelijkheid van de healing van het opgelegde rekniveau. In de literatuurstudie zijn verder samenvattingen opgenomen van onderzoek in het buitenland over de benadering van healing via energiedissipatie, onderzoek naar de healingpotentie van puur bindmiddel en de beoordeling van het healingeffect door de verhouding tussen de buigtreksterkte van gescheurde en ongescheurde proefstukken te bepalen. Uit de literatuurstudie is geconcludeerd dat, indien als uitgangspunt wordt genomen dat schade in de praktijk primair berust op (micro)scheurvorming, de healingpotentie van een asfaltmengsel moet worden onderzocht met een proef die het herstel van deze schade zo goed mogelijk meet. De klassieke benadering, om de levensduurverlenging als gevolg van rustperioden te meten, voldoet in de praktijk door de lange onderzoeksperiode daarvoor niet. Het alternatief, dat uit de literatuur duidelijk naar voren komt, is de benadering via energiedissipatie. De healing van asfaltmengsels kan hierbij worden gekwantificeerd door de verschillen in het oppervlak dat wordt ingesloten door de spanning versus (pseudo) rek curve voor en na rustperioden. Deze methode is volgens de onderzoekers Kim et al. [3] met succes toegepast om de healingpotentie van mengsels te kwantificeren. Deze methode, die verder de Methode Lee-Kim zal worden genoemd, is er op gebaseerd dat visco-elastische materialen hysteresis vertonen. Het omsloten oppervlak van de hysteresislus, het verloop van spanning en rek bij be- en ontlasten, representeert de gedissipeerde energie. Bij de methode Lee-Kim wordt een proefstuk telkens belast door gelijke perioden met een continue cyclische belasting, gescheiden door rustperioden met telkens een andere tijdsduur. De essentie van deze methode is dat de energiedissipatie vóór elke rustperiode wordt vergeleken met de energiedissipatie na die rustperiode. Uit de verschillen in energiedissipatie wordt de healingpotentie van asfaltmengsels berekend. De werkgroep heeft op basis van deze conclusie besloten tot een verdere theoretische analyse van de Lee-Kim methode en het uitvoeren van experimenteel onderzoek. 2.2 Theoretische achtergronden bepaling healingpotentie In deze paragraaf worden de meest essentiële punten van methode Lee-Kim beknopt toegelicht. Een uitvoerige toelichting op de achterliggende theorie en de resultaten van experimenteel onderzoek zijn opgenomen in [4]. Deze punten zijn: a Het materiaal asfalt wordt als een continuüm opgevat. Dit houdt in dat het gedrag van individuele onderdelen en niet een generiek onderdeel, zoals bijvoorbeeld het type vulstof waarmee dit materiaal is opgebouwd, het gedrag van het asfaltmengsel niet zodanig beïnvloeden dat deze eigenlijk in de beschouwing mee zou moeten worden genomen; b De hoeveelheid energiedissipatie als gevolg van het niet-lineair visco-elastische gedrag gedurende een lastcyclus is een maat voor de gedurende deze lastcyclus in het materiaal ontwikkelde schade. Hierbij is schade de structurele verandering in het continuüm materiaal. Om van de theorie gebruik te maken is het noodzakelijk om de lineariteitsgrenzen van het materiaal te bepalen. Volgens deze theorie is een via perpetua mogelijk indien het rekniveau in het materiaal in de weg binnen de lineariteitsgrenzen 75

76 blijft. Om de mate van niet-lineariteit tot uitdrukking te brengen wordt gebruik gemaakt van pseudovariabelen: pseudo-rek en pseudo-stijfheid. Deze uitleg kan als volgt in formulevorm worden omgezet: De wet van behoud van energie geldt oftewel Δ Wtot = 0. Als deze formule wordt uitgeschreven naar de verschillende onderdelen indien alleen sprake is van mechanische belasting (resulterend in de zogenoemde rek-energie), dan leidt dit tot: ΔW + ΔWdiss = 0, oftewel de verandering van de hoeveelheid energie die er door (eenzelfde) mechanische belasting ingestopt wordt is omgekeerd evenredig aan de gedissipeerde (verlorengegane) energie Δ W. dss c Indien vervolgens de verandering van de materiaalparameters door deze energieverandering wordt ΔW + ΔWdiss ΔW ΔWdiss berekenend, dan geldt: = 0, oftewel = ΔS m ΔS m ΔS m (S m = materiaalparameter). In woorden: De verandering van de door mechanische belasting opgelegde energie (uitgezet tegen de te volgen materiaalparameter) gedurende een aantal lastcycli is gelijk aan de verandering van de gedissipeerde energie (uitgezet tegen de te volgen materiaalparameter) in die lastcycli. Deze schade-ontwikkelingsfunctie schijnt niet zomaar praktisch toepasbaar te zijn. Hiervoor moeten twee stappen gezet worden: - het omzetten van reële naar pseudo-variabelen; - het vereenvoudigen en minder algemeen maken van de schade-ontwikkelingswet, zoals weergegeven in formule ( 1 ) ΔS Δt ΔW = ΔS ps α ( 1 ) d In woorden: De toename van de schade ( Δ S ) met de tijd is evenredig aan de afname van de ps verandering van de pseudo-energie ( ΛW ) met de schade tot de macht α (α is de schadegroei parameter[-]). Als constitutief model van het continuüm gedrag (beschrijvende tussen spanning en rek) geldt: ps ps σ = f E ε. Dit basismodel is verder uitgewerkt tot: ( ) ps ps ( ob) [ V + H + Z] ps ps σ = E ε ( 2 ) Hierbij is: ps σ Pseudo-spanning [Pa] E ps (ob) (Secans) pseudo-stijfheidsmodulus (E ps ) bepaald voor het onbeschadigde materiaal (ob). [Pa] ps ε Pseudo-rek [-] V De micro-schade ontwikkelingsfunctie die de verandering van de (secans) pseudostijfheidsmodulus beschrijft (oftewel de helling in het σ ε -diagram) ps H De hysteresis-functie, die het verschil in gedrag tussen belasting en ontlasting van het materiaal beschrijft Z De functie die het verloop van de secans pseudo-stijfheid beschrijft (oftewel de helling in ps het σ ε -diagram) vanaf het moment na zelfherstelling van het materiaal tot het moment dat het materiaal weer het stijfheidsniveau heeft bereikt van het moment voor zelfherstelling. Door toepassing van pseudo-variabelen wordt het mogelijk om wiskundig het visco-elastische gedrag van asfalt te vertalen in een elastisch equivalent en is het mogelijk om de schadeontwikkeling door niet- 76

77 lineariteit in rekening te brengen. Zo is de grootte van de pseudo-rek gelijk aan de spanning die zou zijn opgetreden als het materiaal naar de spanning lineair gedrag zou vertonen. Om uiteindelijk een qua dimensie correcte waarde te verkrijgen wordt deze berekende spanning gedeeld door een referentiestijfheidsmodulus ( E R ) van een arbitrair gekozen grootte. De (pseudo-)stijfheid is gedefinieerd als de verhouding (pseudo-)spanning staat tot (pseudo-)rek. Dan geldt ook dat, indien het materiaal binnen de lineariteitsgrenzen belast wordt, de pseudo-stijfheid gelijk is aan de referentie-modulus. Bij belasting buiten de lineariteitsgrenzen is de pseudo-stijfheid gelijk aan een deel van de referentie-stijfheidsmodulus. In figuur 1 wordt een schematische verklaring gegeven voor het begrip pseudo-rek en pseudo-stijfheid voor een continue cyclische verplaatsingsgestuurde belasting. T[ C] σ σ μ m/m A σ ε * E lin ( ob ) 1 ε 1 ps E = E ε ps R μ m/m ϕ A μ m/m t = s p T[ C] σ W ps =0 σ B σ (t) ε (t) 1 E * ( w ) ε 1 E ps ε ps μ m/m ϕ b W ps >0 t = s p * w =< * E lin E ( ) ( ob ) I II III E ps =< E Figuur 1 Schematische verklaring pseudo-rek en pseudo-stijfheid voor lineair gedrag (A) en niet-lineair gedrag (B). Schade treedt op in het niet-lineaire gebied, dus daar waar E < ER. a) De vorm van de gesloten kromme in figuur 1-B-III wordt beschreven door de hysteresis-functie. De functie H (zie punt d), formule ( 2 ) is voor de toelichting in deze paragraaf over schadeontwikkeling en zelfherstelling niet relevant en wordt buiten beschouwing gelaten. b) Door de (overblijvende) schade-ontwikkelingsfuncties V en Z (zie punt d), formule ( 2 ) wordt het verloop van de pseudo-stijfheid (de afname van de richtingscoëfficiënt van de lijn in figuur 1- III) met de schadegroei beschreven. Tijdens een verplaatsingsgestuurde vermoeiingsproef met een rustperiode tussen continue belastingscycli wordt het volgende verloop van de pseudo-stijfheid verkregen (zie figuur 2). Deze vorm wordt beschreven door de schade-ontwikkelingsfuncties V en Z. ps R 77

78 v t r,1 (rustperiode) σ N 1 N 2 N 3 E ps ( N 1 ) E ps t E ps E ps ε ps ( N 3 ) ( N 2 ) E ps ( N 1 ) ( N 3 ) E ps ( N 2 ) E ps t r,1 N < 1 < N 2 N 3 N 1 N 2 N 3 Figuur 2 Schematisch verloop (pseudo-)stijfheid tegen het aantal lastherhalingen met een rustperiode, oftewel schadegroei. De gekozen vorm van de functies V en Z is gebaseerd op het in vermoeiingsproeven geobserveerde gedrag. In figuur 3 staat het verloop van het proefstukgedrag bij een fictieve proef op basis waarvan de functies V en Z toegelicht zullen worden. In figuur 3 is de genormeerde pseudo-stijfheid (verticaal) tegen het aantal lastherhalingen (horizontaal) uitgezet. Voor proeven die zijn uitgevoerd bij dezelfde temperatuur (T ), frequentie ( f ) en rekniveau ( ε ) is de waarde van de genormeerde pseudo-stijfheid recht evenredig * met de complexe stijfheidsmodulus ( E ). C [-] 1 C nr,1 C 3 (S 3 ) C nr,1 C nr,2 C vr,1 C zh,1 Cvr,2 Czh,2 C 3 (S 3 ) C nr,2 C 1 (S 1 ) t r,1 (rustperiode) t r,2 (rustperiode) N [-] Lastsignaal Figuur 3 Voorbeeld proefstukgedrag met twee rustperioden. 78

79 Over het verloop van de schadeontwikkeling kunnen de volgende opmerkingen gemaakt worden: - Door een continue belasting treedt vermoeiing op. Deze veroorzaakt een constant dalend verloop van de stijfheid (uitgezet tegen het aantal lastherhalingen). Deze stijfheid zal, indien gesproken wordt over schade ontwikkeling in een continuüm en volgens de gekozen beschrijving, steeds minder afnemen naarmate het materiaal aan meer lastherhalingen is blootgesteld. Dit materiaalgedrag wordt beschreven door de functie C 1 ( S 1 ) ; - Na een rustperiode wordt een deel van de stijfheid door het herstel van microscheuren teruggewonnen. Het verloop van de stijfheidsafname bij hernieuwde belasting is sneller dan voor de rustperiode, tot het moment dat het stijfheidsniveau gelijk is aan het niveau voor de rustperiode. De stijfheidsafname die vervolgens optreedt is gelijk aan de stijfheidsafname als er geen rustperiode was geweest; - De hoeveelheid teruggewonnen stijfheid door een rustperiode wordt beschreven door de functie C 2 ( S 2 ) ; - Het versnelde vermoeiingsverloop na een rustperiode wordt beschreven door de functie C 3 ( S 3 ) ; - Door de herhaalde belasting na een rustperiode treden schijnbaar twee fenomenen tegelijkertijd op: o de door de rustperiode herstelde bindingen worden versneld afgebroken; o de bindingen waarvoor geen herstel nodig was worden verder vermoeid. Het aantal lastherhalingen die het materiaal als gevolg van rust extra kan weerstaan wordt dus bepaald door de combinatie van drie functies C ( 1 ), C ) en C 3 S ). 1 S 2 ( S 2 De gekozen vorm voor de functies V en Z in een verplaatsingsgestuurde proef is wiskundig als volgt: V = C 1 ( S 1 ) ( 3 ) n Z = C + C ( S ) C ( S ) C ( S C C C > C ( 4 ) Z = [ vr, j 2 2 ] ) [ vr, j zh, j ] n [ Cvr, j C zh, j ] C < Cvr, j j= 1 Als deelfuncties in ( 3 ) en ( 4 )worden de volgende drie aangehouden: j= 1 Schadegroei in nog niet beschadigd materiaal: C12 C1 ( S1) = C10 C11 S ( 5 ) 1 Mate van herstel door een rustperiode C22 C2 ( S 2 ) = C20 C21 S ( 6 ) 2 Functie als hulp in de beschrijving van de versnelde schadegroei na een rustperiode C32 C3 ( S3 ) = C30 C31 S ( 7 ) 3 waarin C 10, C 11 etc, materiaalconstanten zijn. ( 3 vr, j 79

80 Voor de theoretische uitwerking voor een verplaatsingsgestuurde vierpuntsbuigproef is het verband nodig tussen de complexe stijfheidsmodulus en de kritische (of maximale) rek voor een specifieke testtemperatuur. Uit experimentele data blijkt (ziefiguur 4) het (bi-lineaire) verband tussen beide grootheden voor de gekozen frequenties voldoende te passen en is daarom gebruikt. E* [Pa] E 1 E 2 1 Lineair gedrag Niet-lineair gedrag ε 3 ε kl [-] Figuur 4 Gebruikt verband rek-stijfheid. De E 1 in figuur 4 is de complexe stijfheidsmodulus in het lineaire gebied. De ε 3 in figuur 4 geeft de rekgrens aan waarbij de overgang plaatsvindt van lineair naar niet-lineair gedrag. De uiteindelijk uit de analyse van de methode Lee-Kim af te leiden parameters zijn opgenomen in tabel 5. Deze parameters kunnen gebruikt worden om uiteindelijk een proef voor een willekeurige conditie te simuleren waardoor bijvoorbeeld een (project-)specifieke factor voor de healing bepaald kan worden die bijvoorbeeld afhankelijk is van de grootte van de rek. Tabel 3 Overzicht parameters Relatie Parameters Schadegroei in nog onbeschadigd materiaal C 10, C11, C12, α1 Mate van herstel na rust C 20, C21, C22, α 2 Versnelde schadegroei in hersteld materiaal C 30, C31, C32, α 3 Response van het materiaal onder belasting E1, E2, ε 3 waarin: C 10 C 32 Materiaalconstanten [-]; α 1, α 2, α 3 Schadegroei parameter. 1: Toename van schade in het nog niet eerder beschadigde materiaal. 2: Afname van schade in het beschadigde materiaal. 3: Toename van schade in het materiaal waar zojuist de schade is toegenomen.; E 1, E 2 Twee parameters gebruikt voor het beschrijven van het verband tussen complexe stijfheidsmodulus en rek op de kritische locatie. [Pa]. ε Lineariteitsgrens [-]. 3 80

81 3 Resultaten onderzoek 3.1 Experimenteel onderzoek De theorie achter de methode Lee-Kim is uitgewerkt en aangepast voor healingsonderzoek met de in Nederland gebruikelijke vierpuntsbuigproef [5]. Verplaatsing (v) Kracht (F) Temperatuur is constant Figuur 5 Vierpuntsbuigopstelling. Voor het experimenteel onderzoek [4] zijn uit twee platen gezaagde balkjes (2*12 stuks) gebruikt van een StAB 0/16 met 0 % PR, dat voldeed aan de eisen voor verkeersklasse 4 van de Standaard RAW Bepalingen Het experimenteel onderzoek heeft bestaan uit: - Vermoeiingsonderzoek: bij 20 o C en 29,3 Hz, rekniveau 100 en 150 µm/m, 3 herhalingen per rekniveau, aantal proefstukken 6, einde proef bij halvering van de stijfheid (halvering op te leggen kracht na eerste 100 lastherhalingen) of lastherhalingen; - Conventionele healingsmeting: bij 20 o C en 29,3 Hz, sinusvormige puls gevolgd door rustperiode, de rustperiode tussen de lastpulsen is gelijk aan de tijd van 2 en 5 cycli, rekniveau 150 µm/m (resulterend verplaatsingsniveau 101 µm), 3 herhalingen per rekniveau-rustduur combinatie, aantal proefstukken 6, einde proef bij halvering van de stijfheid (halvering op te leggen kracht na eerste 100 lastherhalingen) of lastherhalingen (één lastherhaling is één volledige puls); - Alternatieve schademeting: bij 20 o C en 29,3 en/of 9,8 Hz, opeenvolging van een variabele hoeveelheid sinusvormige pulsen gevolgd door een variabele lengte aan rustperioden, variabele rekniveaus tussen 100 en 150 µm/m (resulterend verplaatsingsniveau 101 µm), 1 herhaling per rekniveau-rustduur combinatie, aantal proefstukken 4, einde proef bij wegvallen sinusvormigheid van het resulterende krachtsignaal. In figuur 6 zijn de onderzoekresultaten weergegeven van het vermoeiingsonderzoek en de conventionele bepaling van healing. In de ingezette figuur staat het verband tussen de rustperiode en de healingsfactor H. 81

82 Samenvatting Healingsfactor [-] y = 0.47x + 1 R 2 = Rustperiode [in pulsen] log(n) [-] Geen rust 2 pulsen rust 5 pulsen rust Lineair (Geen rust) y = -2.92x R 2 = 0.86 R=5 R= Log(ε kl ) [µm/m] R=0 Figuur 6 Overzicht standaard resultaten inclusief het resulterende model en de resulterende extrapolatie voor praktijkberekeningen. Ter vergelijking zijn de parameters van de alternatieve schadebepaling vergeleken met (teruggerekende) waarden uit Amerikaans onderzoek. Uit dit experimenteel onderzoek is geconcludeerd dat: a) Het mogelijk is om modelwaarden voor Nederlandse mengsels met behulp van de vierpuntsbuigproef en nu beschikbare apparatuur te bepalen en qua orde van grootte vergelijkbare waarden met waarden uit de literatuur te vinden. Met de gebruikte gesimplificeerde theorie bij dit onderzoek is het niet mogelijk om een rechtstreeks verband te leggen tussen de H uit de DWW-handleiding en de healingfactor zonder tot regressieverbanden over te gaan; b) Met de data (vermoeiing en stijfheid) van mengsels die zijn bepaald volgens standaard vermoeiingsonderzoek [5] is het mogelijk om de modelparameters voor C 1 ( S 1 ) te bepalen. Dit betekent dat voor de materialen waarvoor dit bekend is alleen proeven met rustperioden uitgevoerd hoeven te worden; c) De theorie beschrijft het fenomeen van schadeontwikkeling in een asfaltmengsel, waarbij er vanuit gegaan mag worden dat deze schadeontwikkeling, vanwege de beperkte grootte van de optredende vervormingen en krachten, optreedt in het bindmiddel en/of in de hechting tussen bindmiddel en aggregaat. Uitgegaan wordt van één schadeontwikkelingsparameter, waarvan de verloopsnelheid afhankelijk is van een bekende belastingshistorie. 3.2 Van Model naar Factor voor zelfherstelling In het experimenteel onderzoek [4] is aangetoond dat de parameters, die in het Lee-Kim model worden genoemd, voor Nederlandse mengsels zijn te bepalen met een vierpuntsbuigproef. Deze parameters beschrijven drie onderdelen van het vermoeiingsproces: 1. de normale afname van de stijfheid als functie van het aantal lastherhalingen, of van de tijd; 2. de toename van de stijfheid tijdens een rustperiode (als er even geen belasting op het proefstuk opgelegd wordt), deze toename is een functie van de tijd; 3. de afname van de stijfheid als na een rustperiode weer een belasting wordt opgelegd. Deze afname gaat iets sneller dan de normale afname. 82

83 In [6] zijn de experimentele parameters gebruikt om, via hetzelfde Lee-Kim model, de effecten terug te rekenen van rustperioden zoals die in een verharding op kunnen treden. Het blijkt ook mogelijk om met het ontwikkelde (terug-) rekenmodel alle mogelijke varianten door te rekenen en ook direct de conventionele factor H voor healing te bepalen. Indien van een asfaltmengsel de vermoeiingscurve bekend is, bepaald op de conventionele manier met de vierpuntsbuigproef, dan is slechts een beperkt aanvullend onderzoek van enkele dagen nodig om de benodigde experimentele gegevens te meten. 3.3 Zelfherstellingsfactor Voor de validatie van de methodiek en het rekenmodel [6] is vanwege de hoge kosten afgezien van een echte validatie met een volledig continue en discontinu vermoeiingsonderzoek. Er is gekozen voor een onderzoek dat vertrouwen moet onderbouwen. Van een StAB 0/16 mengsel met een relatief hoog percentage bitumen (5,0 % m/m op ) zijn twee proefplaten vervaardigd, waaruit in totaal 12 balkjes zijn gezaagd. Van een dergelijk mengsel mag op grond van eerder onderzoek [2] bij omgevingstemperatuur en rustperioden van een factor 3 ten opzichte van de belastingsperiode, bij conventioneel healingsonderzoek een factor voor healing van 3 verwacht worden. Bij een hogere beproevingstemperatuur mag een hogere, bij een lagere temperatuur een lagere factor voor healing verwacht worden. Bij het in [7] gerapporteerde onderzoek is gekozen voor onderzoek bij 10 en 30 o C. Omdat de vermoeiingslijn bij deze temperaturen niet bekend was, is eerst een vermoeiingsonderzoek uitgevoerd ter bepaling van het verloop van de curve C 1 (S 1 ) (zie figuur 3). De discontinue proeven zijn uitgevoerd bij frequenties van 9,8 en 29,3 Hz. Tijdens de proef zijn voor een bepaald aantal lastherhalingen sinusvormige pulsen met gelijke karakteristieken opgelegd. Tussen deze belastingsgroepen zijn rustperioden toegepast, variërend tussen 0 en 2880 seconden. Stapsgewijs zijn eerst kleinere en vervolgens steeds grotere verplaatsingen opgelegd (stapgrootte µm/m). Er is geen grotere rek opgelegd dan µm/m. Uit deze resultaten is de lineariteitsgrens (zie figuur 4) bepaald. De E * resultaten hiervan zijn weergegeven in tabel 4. De grootheid geeft de verandering weer van de stijfheid tegen de rek in het niet-lineaire gebied (helling van de lijn in het rechterdeel van figuur 4). De parameter ε 3 is de lineariteitsgrens. Tabel 4 Resultaten analyse stijfheidsresultaten. Parameter T=10 C T=30 C E 1 [MPa] bij 9,8 Hz E 1 [MPa] bij 29,3 Hz E * [MPa] 9,00 6,25 ε ε 3 (µm/m) ε 83

84 Uit het verloop van de curve C 1 (S 1 ) van de continue vermoeiingsproef worden de parameters α 1, C 11 en C 12 bepaald. Bij de discontinue proeven wordt het verloop van het herstel van de schade, de healing, bepaald uit de curve C 2 (S 2 ), waaruit via het rekenmodel de parameters α 2, C 21 en C 22 worden bepaald. Nadat het materiaal healing heeft ondergaan en opnieuw wordt vermoeid, neemt de (pseudo-) stijfheid sneller af dan bij een continue vermoeiing. Met het rekenmodel wordt de curve C 3 (S 3 ) bepaald en vervolgens de parameters α 3, C 31 en C 32. Deze resultaten zijn opgenomen in tabel 5. Tabel 5 Parameters α 1 C 11 C 12 α 2 C 21 C 22 α 3 C 31 C 32 Resultaten discontinu vermoeiingsonderzoek Temperatuur o C 10 20* 30 2,3 1,4 2,08-0, ,0009-0,0014 0,76 0,56 0,54 1,00 0,0016 0,45 2,30-0, ,70 * de waarden voor 20 o C komen uit een eerder onderzoek 1,65 0,009 0,32 4-0,0003 0,6 2,78-0, ,59 2,10-0, ,70 De berekende healing H is sterk afhankelijk van de temperatuur en de gekozen condities. Met de in tabel 5 gegeven waarden blijkt met het rekenmodel bij de volgende condities: - 30 seconden rust, gevolgd door 30 seconden continue belasting; - frequentie van de belasting 20 Hz; - rekniveau 30 µm/m boven lineairiteitsgrens, de waarde H = 1,4 bij 10 o C en H = 4,3 bij 30 o C te bedragen. De healing is niet sterk afhankelijk van de belastingsfrequentie. Uiteraard is de snelheid waarmee vermoeiing optreedt dat wel: die is veel langzamer als de frequentie klein is. Op deze manier kunnen vele varianten in belastingscondities bestudeerd worden. 3.4 Samenvatting en conclusies Voor het in rekening brengen van het zelfherstellend vermogen van asfalt, healing, wordt gewoonlijk bij dimensioneringsberekeningen een kalibratiefactor 4 gebruikt. Een factor waarin, naast echte healing, ook andere aspecten zijn verdisconteerd. Het meten van healing op de traditionele manier, het na elkaar uitvoeren van een volledig continu en discontinu vermoeiingsonderzoek, vergt zeer veel tijd en is kostbaar. Een verbeterpunt voor het model COMPASS is dan ook het in rekening kunnen brengen van de echte healingpotentie van asfaltmengsels onder gegeven condities door versneld onderzoek. Uit literatuuronderzoek is gebleken dat de methode Lee-Kim voor dit doel het meeste perspectief bood. De metingen voor de Lee-Kim methode vallen uiteen in de volgende delen: 1. het bepalen van de lineariteitsgrens (dat is de maximale rek die men kan opleggen zonder dat de stijfheid verandert); 2. het doen van continue vermoeiingsproeven, om het basisgedrag van het mengsel, voor wat betreft vermoeiing, vast te leggen; 3. het doen van vermoeiingsproeven onder wisselende condities (variatie in rustperioden, grotere en kleinere rek, etc.) Indien het vermoeiingsgedrag bij een continue proef bekend is, behoeft alleen het onderzoek onder 3. te worden uitgevoerd dat slechts enkele dagen in beslag neemt. Met behulp van het ontwikkelde rekenprogramma kunnen vervolgens de benodigde twaalf parameters (zie tabel 4 en 5) berekend worden die het gedrag karakteriseren van een asfaltmengsel door continue vermoeiing, het zelfherstel (healing) door een rustperiode en het (versnelde) vermoeiingsgedrag indien het asfalt na een rustperiode opnieuw wordt vermoeid. Uit deze gegevens kan met het rekenprogramma vervolgens voor gekozen condities de healingfactor H berekend worden, waardoor vele varianten kunnen worden bestudeerd. 84

85 Het resultaat van onderzoek op een StAB-mengsel volgens het ontwikkelde model komt goed overeen met de verwachtingen. De werkgroep FEA concludeert dan ook dat de nieuwe methode om healing te meten betrouwbaar is en geschikt lijkt om de potentie van asfaltmengsels om zelf vermoeiingsschade te herstellen te karakteriseren. Nader onderzoek blijft echter uiteraard gewenst: het uitgevoerde onderzoek is te gering in omvang om meer algemene uitspraken te kunnen doen. Het effect van een berekende factor voor healing ten opzichte van een kalibratiefactor blijkt duidelijk uit de in de Inleiding reeds vermelde verhouding: Verkeersbe lasting( ESAL' s) Em * M toel = Vermoeiingssterkte( ESAL' s) * Echtehealing * Versporing F Waar het gebruikelijk was om in deze verhouding voor healing een factor 4 in te vullen kan nu voor gegeven condities de werkelijk berekende healing worden ingevuld. Het effect van healing op de veiligheidsfactor F r van de ontwerpconstructie blijkt dan onmiddellijk. Voor het bepalen van de empirische kalibratiefactor E m, voor de vertaalslag van onderzoekresultaten in het laboratorium naar het gedrag in de praktijk, is uiteraard meer ervaring nodig dan binnen de levensduur van de werkgroep kon worden opgedaan. r Geraadpleegde literatuur Appendix B 1. Handleiding Wegenbouw Ontwerp Verhardingen. Delft, DWW, december Het aspect healing van asfalt. Werkgroepdocument FEA-043, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door KOAC WMD, opdrachtnummer e , maart Use of dynamic mechanical analysis (DMA) to evaluate the fatigue and healing potential of asphalt binders in sand asphalt mixtures. Y.R.. Kim, D,L. Little, R.R. Lytton. Proceedings AAPT Zelfherstelling asfaltmengsels Versnelde experimentele bepaling volgens Lee-Kim. Werkgroepdocument FEA-106, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door KOAC NPC, Projectnummer , februari Standaard uitvoering van de dynamische vierpuntsbuigproef ter bepaling van de vermoeiingslevensduur. Rapport W-DWW Delft, Rijkswaterstaat, Dienst Weg- en Waterbouwkunde (met medewerking van KOAC, NPC en Aveco), Van Model naar Factor voor zelfherstelling in asfalt. Werkgroepdocument FEA-136, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door KOAC NPC, opdrachtnummer e048216, december Bepaling zelfherstellingsfactoren volgens Kim-Lee bij twee temperaturen. Werkgroepdocument FEA-148, in opdracht van de werkgroep uitgevoerd door KOAC NPC, opdrachtnummer e048365, mei

86 Bijlage C 3 SCHEURVORMING 3 Bij deze bijlage hoort een aparte literatuurlijst, die aan het einde van de bijlage is weergegeven 86

87 1 Inleiding 1.1 Resultaten inventarisatie De gevoeligheid van asfaltmengsels voor scheurvorming en de daaruit voortvloeiende scheurgroei is een belangrijke functionele eis die beter onderbouwd moet worden en realistischer in het ontwerp van asfaltverhardingen moet worden meegenomen dan thans het geval is. Voor niet-gescheurde verhardingen is vooral de initiatie van scheurvorming een belangrijke grootheid. Bij nieuwe constructies worden daarom criteria gebruikt voor de vermoeiingslevensduur en healing (zie hoofdstuk 3 en Bijlage B). Voor gescheurde constructies of bij het overlagen van wegverhardingen met scheuren of voegen is het reduceren van scheurgroei een belangrijk aspect. Het optreden van (zichtbare) scheuren, geïnitieerd aan de boven- of onderkant van de verhardingsconstructie, heeft op zich geen negatieve invloed op de functionaliteit van de weg voor de weggebruiker. De eventuele gevolgen zijn echter wel van invloed: - grote scheurwijdte (gevaarlijk voor voertuigen met twee wielen); - hoogteverschil tussen de scheurranden; - losliggend materiaal door afbrokkelende scheurranden; - verergering van schade door waterindringing (vorstschade en/of verweking van ondergelegen lagen); - onkruidgroei in scheuren; - verlies aan structurele sterkte. Er worden drie verschillende typen ( mode in het Engels) belasting bij scheurvorming onderscheiden [1], zie figuur 1: - mode I: trek ( opening in het Engels) - mode II: afschuiven ( sliding in het Engels) - mode III: scheuren ( tearing in het Engels) Figuur 1 Verschillende modes voor scheurgroei [1] In de wegenbouwpraktijk kunnen alle drie de typen voorkomen, al dan niet in onderlinge combinaties. Bij een combinatie van scheurmodes wordt vaak een equivalente waarde voor mode I gehanteerd. In de lineair-elastische breukmechanica kan scheurgroei beschreven worden met de Wet van Paris [2, 3]: dc n = A. K dn waarin: c = scheurlengte; N = aantal lastcycli; K = spanningsintensiteitsfactor; A, n = materiaalparameters. In de lineair-elastische breukmechanica speelt het concept van de spanningsintensiteitsfactor een centrale rol. Dit is een maat voor de grootte van het elastische spanningsveld rond de scheurtip. De spanningsintensiteitsfactor wordt in het algemeen gegeven als: 87

88 K = σ 0 a π a f W waarin: K = spanningsintensiteitsfactor [N/mm 3/2 of wel MPa*mm 1/2 ] σ 0 = far field stress, spanning op zodanige afstand van de scheur, dat deze niet meer wordt beïnvloed door spanningsconcentraties rond de scheurtip [N/mm 2 ] a = scheurlengte [mm] W = proefstukafmeting in de scheurrichting [mm] f(a/w) = geometriefactor [dimensieloos] Voor het berekenen van de afzonderlijke K-waarden (K I, K II en K III ) voor de scheurmodes I, II en III wordt verwezen naar [4]. In de wegenbouw wordt de spanningsintensiteitsfactor K vaak uitgedrukt in MPa* mm = N/mm 1,5. In andere takken van techniek en wetenschap worden ook wel andere eenheden gebruikt. Verandering van deze eenheid heeft geen invloed op de dimensieloze regressie-exponent n, maar wel op de dimensie en getalswaarde van de regressie-parameter A. Voor de scheurlengte a wordt ook vaak het symbool c gebruikt. Ook in deze bijlage zullen beide symbolen worden gebruikt. In gevallen met cyclische belasting, zoals vermoeiingsproeven en dynamische scheurgroeiproeven, is het gebruikelijk om de wisselingen in de spanningsintensiteitsfactor als drijvende kracht te beschouwen: a ΔK = K max K min = Δσ π a f met Δσ = σ max - σ min W Vaak wordt (eigenlijk enigszins slordig) de dynamische spanningsintensiteitsfactor ΔK kortweg aangeduid met K, hetgeen ook in deze bijlage zal gebeuren. Bij cyclische belastingen wordt vaak een spanningsratio R gedefinieerd als R = σ min / σ max. Positieve R- waarden betekenen dat de opgelegde belasting altijd in dezelfde richting werkt. R = -1 betekent een zuivere wisselspanning. Asfalt is echter een visco-elastisch materiaal en is feitelijk niet homogeen en isotroop. In [5] wordt het scheurgroeiproces in asfalt geschematiseerd zoals in figuur 2 is aangegeven. Bij een toenemend aantal belastingsherhalingen ontstaan eerst microscheuren tot een (mengselafhankelijke) drempelwaarde (Threshold). De microscheurvorming gaat daarna over in een macroscheur tot het niveau waarvoor de wet van Paris geldt. Vervolgens herhaalt dit proces zich. 88

89 Figuur 2 Schematisering scheurpropagatie in asfalt [5] Figuur 3 laat de resultaten zien van scheurgroeimetingen ten opzichte van het relatieve aantal lastherhalingen. Figuur 3 Resultaten scheurgroeimetingen [8] In COMPASS (zie [6] 7.3 en 8.4) wordt voor de gevoeligheid voor scheurvorming ook uitgegaan van de wet van Paris en wordt verwezen naar mogelijke methoden ter bepaling van de A- en n-waarden. Een goed gedocumenteerde en onderscheidende methode ter bepaling van de gevoeligheid voor scheurgroei is dan ook te beschouwen als een belangrijke verbetering van COMPASS. Hierbij spelen drie aspecten een rol: - welke proefstukgeometrie met welke bijbehorende apparatuur verdient uit praktisch oogpunt de voorkeur; - welke methode voor het meten van scheurpropagatie in een proefstuk verdient uit praktisch oogpunt de voorkeur; - met welk materiaalmodel kan de gevoeligheid voor scheurvorming het beste worden beschreven? 89