Beïnvloedt het verouderingsproces de vermoeiing en het healing gedrag van bitumineuze asfaltmortels? Wim Van den bergh Artesis Hogeschool Antwerpen

Transcriptie

1 Beïnvloedt het verouderingsproces de vermoeiing en het healing gedrag van bitumineuze asfaltmortels? Wim Van den bergh Artesis Hogeschool Antwerpen

2 displacement [rad] and torque [Nm] Ter inleiding Doctoraatsonderzoek: The Effect of Ageing on the Fatigue and Healing Properties of Bituminous Mortars (TU Delft 2011) topic 1: ontwikkeling van een verouderingsprocedure voor bitumineuze mengsels (bitumen-mortel-asfalt) topic 2: evaluatie van vermoeiing en zelfherstellend vermogen van bitumineuze mortels met DSR The Effect of Ageing on the Fatigue and Healing Properties of Bituminous Mortars W. Van den bergh torque displacement Oscillation: fatigue time [s] Wim Van den bergh Bitumendag 2

3 Ter inleiding Definitie van zelfherstellend vermogen - Healing Een materiaal ondervindt door haar omgeving spanningen en vervormingen. Hierdoor kan interne materiaalschade optreden tot het materiaal stuk is en haar functie verliest (vermoeiing). Sommige materialen vertonen een zelfherstellend vermogen waardoor de levensduur verlengd wordt (healing). Hoe groter dit zelfherstellend vermogen, des te langer het materiaal haar functie kan vervullen. Er wordt rekening gehouden met dit mechanisme om de uiteindelijke levensduur in te schatten. Wim Van den bergh Bitumendag 3

4 Meten is weten? Healing kan gemeten worden: mechanisch (récupération de force, levensduurverlenging) en fysico-chemisch (oppervlakte energie) Praktijk: METEN VAN ZELFHERSTELLEND VERMOGEN HEALING (Bitumen) VIA DE MECHANISCHE BENADERING Wanneer een bitumineus materiaal (asfalt) cyclisch wordt belast, verliest dit materiaal aan sterkte/stijfheid door interne schade (vermoeiingsmechanisme - scheur). Wanneer op datzelfde materiaal dezelfde belasting wordt uitgevoerd maar met rustperioden tussenin, dan vertoont bitumineus materiaal een verlengde levensduur. De verhouding tussen de levensduur met en zonder rustperioden is de healing factor. Mechanische meting via 2-, 3- of vierpuntsvermoeiingsproef Wim Van den bergh Bitumendag 4

5 Meten van healing Een voorbeeld: Asfaltmengsel Proefmethode Proefcondities (T, t, f) Healingfactor is een aanname. Maar wel een belangrijke! Mix T [ C] f [Hz] Loading mode: Deflection Force Type of test Initial strain Rest periods Healing factor Nf [µm/m] B F 2-p B F 4-p 170/ B D 4-p B B B B B B F F D F D D 4-p 4-p 3-p 3-p 2-p 2-p / / (ref. project CROW-DWW ) Mix: dicht asfalt GAB 0/16, 4.5% bitumen 45/60 Gebruik van de healing factor in de wegdimensionering: de vermoeiingslevensduur van het asfaltmengsel, bepaald in het lab (=continue belastingscycli), wordt vermenigvuldigd met een shiftfactor waarvan healing een deelfactor is. N weg = N lab x shiftfactor [healingfactor x f(proefmethode) x f(versporing, )] Wim Van den bergh Bitumendag 5

6 Aanleiding van onderzoek - probleemstelling 1) Asfaltaggregaat is geen uitzondering meer: ton in 4.6 miljoen ton asfalt Mixture type Total ton 2009 Asphalt Total ton 2009 containing RA % mixture containing RA Toplayer AC-14 46,351 17, Toplayer AC-(10; 6,3) 467, , Base layer AC-(20;14;10;6,3) 1,069, , Other AC (non public) 849, , RA for base 18,216 18, Other AC without RA 142, Other asphalt mix 625, Total 3,218,627 1,750, (data met dank aan COPRO vzw) 2) Er mag tot 50% bindmiddel in asfalt afkomstig zijn uit asfaltaggregaat (AB-3 types). 3) Huurman en Hopman 2003: StAB met 0% AG: H = 4.8 StAB met 60% AG: H = 1.4 4) België: 7.1 onafhankelijk van mengseltype of gebruik AG. 5) Risico: geen healingtest gevraagd door aanbestedende overheid Wim Van den bergh Bitumendag 6

7 Onderzoeksvraag Bij vermoeiing: beschadigd : geen scheur: moleculen moeten zich kunnen heroriënteren (polaire delen) scheur: contact moet mogelijk zijn tussen twee scheurvlakken en voldoende aantrekkingskracht aanwezig voor - wetting (Z/B hoog) - interdifussie (Vanderwaals laag) De schade moet zich kunnen herstellen! Is AG een bedreiging voor healing? - AG hogere polariteit - hoger asfalteengehalte - hogere viscositeit - wetting versus interdiffusie Belang: Dimensionering standaardstructuren door middel van H=7.1 Indien voor een mengsel met AG de healing factor vermindert, zullen de asfaltwegen mogelijk een lagere structurele levensduur hebben dan beoogd. Probleem: healing proeven zijn langlopend (dus duur) en niet altijd uitvoerbaar met een standaard proefopstellingen of gevraagd. Wim Van den bergh Bitumendag 7

8 Aanpak Uitgangspunten / afbakening vermoeiing en healing in de mortelzone mortel =medium tussen omhulde aggregaten 0.5mm bitumen omhult al het aggregaat met een film van 5 µm Proefmateriaal: mortel Mortel = aggregaat, fijne deeltjes < 0.5mm + bitumen dat deze deeltjes omhult met 5µm bitumenfilm + vrij bitumen in het asfaltmengsel Filler en aggregaat (type en hoeveelheid) constant voor alle mortels en vergelijkbaar met korrelverdeling AB3A healing enkel beïnvloed door bitumen Proefopstelling: Aggregate Dynamic Shear Rheometer in oscillatie mode met continue en discontinue belasting H = N dis /N cont Aggregate Zone 1: Binder film - aggregate Zone 2: Binder film Zone 3: Binder film - mortar Zone 4: mortar Wim Van den bergh Bitumendag 8

9 Proefmateriaal Morteldifferentiatie 5 morteltypes: bitumengehalte en verouderingsniveau a) Bitumengehalte 1) bitumenrijkere mortel (dubbele hoeveelheid bitumen als in AB-3A) 2) mortel zoals aanwezig in AB-3A b) Verouderingsniveau van mortel: 3) niet-verouderde mortel 4) verouderde mortel d.m.v. RCAT - Rotating Cylinder Ageing Test - korte termijn: 163 O C - lange termijn: 168h (ipv 90 O C - bindmiddel in mortel: 18 dmm en chemische CO en SO index vergelijkbaar met AG 5) 1 mortel aangemaakt met bitumen teruggewonnen uit AG met gelijkwaardige pen 18 dmm en CO en SO index als in 4); Wim Van den bergh Bitumendag 9

10 Proefmateriaal Morteltypes Mortar I.D. Mortar composition m/m% type Vulstof f Aggregaat < 0.5 mm a Binder b R (f+a)/ b R m/m% verouderingstoestand MO01/02/ Niet-verouderd, bitumenrijk MO Verouderd RCAT (168hr), bitumenrijk MO Niet-verouderd, bitumen cfr. AB3A MO Verouderd RCAT (168hr), bitumen cfr. AB3A MO Mortel met bitumen uit AG Wim Van den bergh Bitumendag 10

11 1 mm 10 mm Ø 6 mm 1 mm Proefopstelling Ontwikkeling TU Delft, ref. LOT-project Cylindrische proefstukken van mortel torsie 4 mm Øi 7 mm Øe 8 mm DSR AR2000 ETC DSR shaft Test specimen Upper clamp Bottom clamp DSR shaft Upper clamp 4 mm Øi 7 mm Øe 8 mm Mortar clamps Test specimen Bottom clamp Condities: krachtgestuurd, T = 15 O C, f = 10Hz -vermoeiingstests: continue belasting -healingtest: discontinue belasting Wim Van den bergh Bitumendag 11

12 displacement [rad] torque [Nm] G*t/G*initial G* x number of cycles Vermoeiingsproef 0.15 signals at 10Hz 1.00 DSR Shear Fatigue test (torque controlled) 1.00E displacement (rad) Torque (Nm) time [s] E E E E E Number of loading cycles normalized G* N f, G*x cycles G* x number of cycles torsie Condities: krachtgestuurd, T = 15 O C, f = 10Hz Telkens wordt schade toegebracht gemeten als vermindering van G* (vervormingsweerstand) Bepaling vermoeiingslevensduur maximum in curve G* x cycli Test specimen DSR shaft Upper clamp Bottom clamp Wim Van den bergh Bitumendag 12

13 Torque [Nm] Deformation [rad] displacement [rad] torque [Nm] Healing test 0.15 signals at 10Hz displacement (rad) Torque (Nm) time [s] Discontinue belastingsconditie krachtgestuurd, T = 15 O C, f = 10Hz Opeenvolgende cycli van 3 s belasting (30 cycli) 9 s rust Healing Test torque controlled Torque 1st rest 2nd rest 3rd rest Deformation 1 st fatigue 2nd fatigue 3rd fatigue 4th fatigue Total time (auxiliary program) [s] Belastingscycli: Telkens wordt schade toegebracht gemeten als vermindering van G* (vervormingsweerstand) Rustcycli: healing? Bepaling vermoeiingslevensduur : maximum in curve G* x belastingscycli Wim Van den bergh Bitumendag 13

14 Resultaten V: Vermoeiingslijnen: virgin en verouderde mortel H: Healinglijnen: virgin en verouderde mortel MO02/03 and MO04 N f,g*xc virgin He effect of rest periods virgin mortar y = x y = 6919x virgin Fa verouderd He aged mortar y = 39084x y = x effect of rest periods verouderd Fa effect of ageing Sample stress [MPa] Fat. MO02/03 Hea. MO02/03 Fat. MO04 Hea. MO04 Wim Van den bergh Bitumendag 14

15 Resultaten (2) B Mortar Type N f,g*xc Sample stress [MPa] MO02/03 Virgin mortel Fa Bitumenrijk He MO04 Verouderde mortel Fa Bitumenrijk He MO05 Virgin mortel Fa AB3A He MO06 Verouderde mortel Fa AB3A He MO07 Mortel met Fa AG-binder He MO02/03 Virgin mortel Fa Bitumenrijk He MO04 Verouderde mortel Fa Bitumenrijk He MO05 Virgin mortel Fa AB3A He MO06 Verouderde mortel Fa AB3A He MO07 Mortel met Fa AG-binder He Factor H Vergelijking met een zelfde initiële vermoeiingslevensduur Vergelijking met een zelfde sample stress Wim Van den bergh Bitumendag 15

16 Resultaten (3) Mortar Type N f,g*xc Sample stress [MPa] MO02/03 Virgin mortel Fa Bitumenrijk He MO04 Verouderde mortel Fa Bitumenrijk He MO05 Virgin mortel Fa AB3A He MO06 Verouderde mortel Fa AB3A He MO07 Mortel met Fa AG-binder He MO02/03 Virgin mortel Fa Bitumenrijk He MO04 Verouderde mortel Fa Bitumenrijk He MO05 Virgin mortel Fa AB3A He MO06 Verouderde mortel Fa AB3A He MO07 Mortel met Fa AG-binder He Factor H Verouderen in het lab leidt tot betere healing Vergelijking met een zelfde initiële vermoeiingslevensduur Vergelijking met een zelfde sample stress Wim Van den bergh Bitumendag 16

17 Resultaten (4) Mortar Type N f,g*xc Sample stress [MPa] MO02/03 Virgin mortel Fa Bitumenrijk He MO04 Verouderde mortel Fa Bitumenrijk He MO05 Virgin mortel Fa AB3A He MO06 Verouderde mortel Fa AB3A He MO07 Mortel met Fa AG-binder He MO02/03 Virgin mortel Fa Bitumenrijk He MO04 Verouderde mortel Fa Bitumenrijk He MO05 Virgin mortel Fa AB3A He MO06 Verouderde mortel Fa AB3A He MO07 Mortel met Fa AG-binder He Factor H Verouderen in het lab leidt tot betere healing Vergelijking met een zelfde initiële vermoeiingslevensduur Effect is groter naarmate meer bitumen aanwezig is. Vergelijking met een zelfde sample stress Wim Van den bergh Bitumendag 17

18 Resultaten (5) Mortar Type N f,g*xc Sample stress [MPa] MO02/03 Virgin mortel Fa Bitumenrijk He MO04 Verouderde mortel Fa Bitumenrijk He MO05 Virgin mortel Fa AB3A He MO06 Verouderde mortel Fa AB3A He MO07 Mortel met Fa AG-binder He MO02/03 Virgin mortel Fa Bitumenrijk He MO04 Verouderde mortel Fa Bitumenrijk He MO05 Virgin mortel Fa AB3A He MO06 Verouderde mortel Fa AB3A He MO07 Mortel met Fa AG-binder He Factor H Vergelijking met een zelfde initiële vermoeiingslevensduur Veroudering in het laboratorium verschillend van AG-mortel Vergelijking met een zelfde sample stress Wim Van den bergh Bitumendag 18

19 Conclusies Aanbevelingen Op basis van dit onderzoek: Meten van vermoeiing en healing op cylindrische mortelproefstukken is mogelijk met DSR; De introductie van rustperioden leidt tot een verlengde vermoeiingslevensduur; Mortel verouderen in het laboratorium leidt tot een hogere healingfactor. Dit effect is groter naarmate er meer bitumen aanwezig is in de mortel; Maar ondanks dat de rheologische en chemische eigenschappen van het bitumen in de verouderde mortels gelijkwaardig zijn, vertoont de mortel met het bitumen uit echt asfaltaggregaat een beduidend lagere healingfactor. Geeft laboratorium-verouderd materiaal (bitumen, mortel, asfalt) wel een goed beeld van de werkelijkheid? Wanneer AG wordt gebruikt in asfaltmengsels (en wegstructuren), dient de healingfactor onderzocht of aangepast te worden? Wim Van den bergh Bitumendag 19

20 displacement [rad] and torque [Nm] Dank u voor uw interesse The Effect of Ageing on the Fatigue and Healing Properties of Bituminous Mortars Oscillation: fatigue Wim Van den bergh Artesis Hogeschool Antwerpen Opleiding Bouwkunde Paardenmarkt Antwerpen Wim.Vandenbergh@artesis.be 0.15 torque 0.1 displacement time [s] bergh W. Van den Wim Van den bergh Bitumendag 20