Consequenties van de functionele CE-markering voor het dimensioneren van asfaltverhardingen

Transcriptie

1 Consequenties van de functionele CE-markering voor het dimensioneren van asfaltverhardingen ir. B.W. Sluer, dr.ir. M.M.J. Jacobs BAM Wegen B.V. Samenvatting Het ontwerpen van asfaltverhardingen is in Nederland van oudsher gebaseerd op de Shell Pavement Design Manual van Hierop voortbordurend heeft Rijkswaterstaat CARE ontwikkeld. In beide benaderingen is uitgegaan van gestandaardiseerde eigenschappen voor asfaltmengsels, maar dit standpunt wordt geleidelijk onhoudbaar door het ontwikkelen van asfaltmengsels met verbeterde mechanische eigenschappen. Zeker met de introductie van de functionele benadering van asfalt in het kader van de Europese asfaltnormen komt dit uitgangspunt steeds meer onder druk te staan. In deze bijdrage wordt ingegaan op de verschillen die optreden bij de dimensionering van asfaltverhardingen waarbij gebruik gemaakt wordt van de traditionele set van materiaalgegevens en van nieuwe mengselparameters. Geconcludeerd wordt dat de verschillen nogal dramatisch zijn en dat het noodzakelijk is om zo snel mogelijk een nieuwe dimensioneringsmethode van asfaltverhardingen op te gaan zetten die recht doet aan de marktontwikkelingen. 1

2 Inleiding Met het beschikbaar komen van de Shell Pavement Design Manual (SPDM) in 1978 en het Addendum van de SPDM in 1985 heeft Shell de basis gelegd voor het dimensioneren van asfaltverhardingen. Nog vandaag wordt de SPDM gebruikt bij het ontwerpen van deze verhardingen waarbij men zich af kan vragen of de materialenkarakteristieken nog wel actueel zijn. Zeker wat bouwstoffen en samenstelling van asfaltmengsels betreft hebben zich in de laatste 30 jaar een groot aantal wijzigingen voorgedaan waarvan we ons nu moeten afvragen of de S1, S2, F1 en F2 mengselkarakterisering nog wel juist is. Zeker nu er in het kader van de functionele type testing op dit moment van een groot aantal asfaltmengsels de stijfheids- en vermoeiingseigenschappen bepaald wordt en deze eigenschappen direct in ontwerpberekeningen moeten worden toegepast. In deze bijdrage wordt vanuit historisch perspectief naar de uitgangspunten van de SPDM gekeken en wordt ingegaan op de toepasbaarheid van de SPDM materiaalkarakterisering voor de huidige generatie asfaltmengsels. Tevens wordt aandacht besteed aan de consequenties die de nieuwe kennis van de materiaaleigenschappen heeft voor de dimensionering van asfaltverhardingen. Hoe zijn de S78 en F78 karakteristieken tot stand gekomen? Door Shell is in de 70-ger jaren van de vorige eeuw grootschalig onderzoek gedaan naar de beschrijving van de schadebeelden spoorvorming en scheurvorming in asfaltlagen. Op basis van een vergelijking van de voorkomende schade aan proefplaten in een wielspoorproef en dynamische materiaalkarakterisering werd geconstateerd dat zowel de 2- als 3-puntsbuigproef geschikt waren bij het voorspellen van vermoeiingsschade in asfaltverhardingen. De stijfheids- en vermoeiingsproeven werden uitgevoerd met verplaatsingsgestuurde 2- of 3- puntbuigproeven. Ter bepaling van de karakteristieke stijfheid werd een belastingtijd van 0,02 s (= 50Hz) aangenomen, waarvan werd aangegeven dat deze kenmerkend zou zijn voor een voertuigsnelheid van km/h. Uiteindelijk hebben de proeven geresulteerd in het definiëren van: een S1- en S2-stijfheidskarakteristiek, waarbij S1 van toepassing was voor de toen meest gangbare dichte asfaltbetonachtige mengsels en S2 voor open, maar ook voor meer mastiekachtige mengsels met een laag bitumengehalte. Bij het bepalen van stijfheidskarakteristieken van andere mengsels werd geadviseerd via het nomogram van Van der Poel (bitumenstijfheid op basis van penetratie, belastingtijd, verwekingspunt en temperatuur) en Bonnaure (mengselstijfheid op basis van bitumenstijfheid en de volumetrische hoeveelheden bitumen, mineraal aggregaat en lucht) de desbetreffende waarde te benaderen; een F1- en F2-vermoeiingskarakteristiek, waarbij F1 een mengsel vertegenwoordigde met doorgaans goede vermoeiingseigenschappen en F2 een open asfaltmengsel met mindere vermoeiingseigenschappen als gevolg van een hoger percentage holle ruimte. Daarnaast werd in de karakterisering van de asfaltmengsels ook nog gerefereerd aan de penetratie van het toegepaste bitumen: 50 (voor een bitumen 45/60) en 100 (voor een bitumen 80/100). 2

3 Deze omschrijving geeft aan dat de huidige praktijk behoorlijk verschilt ten opzichte van de SPDM uitgangspunten. Zo wordt nu aangenomen dat een frequentie van 30 Hz representatief is voor een voertuigsnelheid van km/h en zijn de mengselsamenstellingen en bitumenkeuze dermate ruim dat het haast niet meer mogelijk is om over het standaard asfaltmengsel te praten. Overigens kan nog opgemerkt worden dat de verificatie van de relatie tussen praktijkgedrag en laboratorium bepaalde vermoeiingseigenschappen in het kader van het tot stand komen van de SPDM wel heel gewaagd is geweest [2]. In eerste instantie bleek dat de schade in een proefvak onder reële verkeersbelasting totaal niet overeen kwam met de voorspelde schade op basis van de vermoeiingsproeven in het lab. Er ontstond zelfs helemaal geen schade. Daarna werden in het laboratorium wielspoorproeven uitgevoerd (zie figuur 1; 6 cm dikke asfaltplaten op een rubber onderplaat), waarbij uiteindelijk bleek dat het tijdstip van het ontstaan van scheuren in de plaat redelijk overeenkwam met de voorspelde levensduur op basis van vermoeiingsproeven. Dat deze gewaagde conclusie uiteindelijk redelijk juist is geweest heeft de verdere toepassing van de SPDM in de praktijk uitgewezen. Figuur 1: Verificatie vermoeiing SPDM op basis van wielspoorproeven [2] Men kan zich de vraag stellen hoe de F78-karakteristiek beoordeeld moet worden ten opzichte van de functionele eigenschappen die worden bepaald aan de hand van de huidige Europese asfaltnormen. Anders geformuleerd: wat zijn de kenmerkende verschillen tussen de achterliggende concepten voor de bepaling van de karakteristieken? Een antwoord op deze vraag is niet snel te geven, maar men moet zich realiseren dat de oorspronkelijke en huidige stijfheids- en vermoeiingsbepaling nogal significant van elkaar verschillen. Werd er bij het tot stand komen van de SPDM gebruik gemaakt van krachtsgestuurde 2- en 3-punts buigproeven bij 50 Hz en 20 C, tegenwoordig worden de vermoeiingsproeven uitgevoerd met behulp van 4-puntsbuigproeven bij 30 Hz. Van beide proeven wordt beweerd dat de frequentie overeenkomt met een rijdend wiel van 50 á 60 km/h, 3

4 maar mogelijk zijn beide gelijkwaardig als er rekening wordt gehouden met de beoogde laagdikte van het asfaltpakket. Uiteindelijk kan met alleen concluderen dat de gebruikte vermoeiingseigenschappen significant van elkaar verschillen. Dit wordt in de volgende paragraaf nader toegelicht. Klassieke en hedendaagse mengselkarakteristieken In figuur 2 en 3 zijn de stijfheids- en vermoeiingseigenschappen van een aantal mengsel grafisch weergegeven. In deze grafieken zijn naast de bekende SPDM-mengsels ook 2 andere mengsels opgenomen: Een EME met Nederlandse steenslag van BAM Wegen; De F78-CEk, de opvolger van de F78-karakteristiek [1]. De F78-CEk relatie is gebaseerd is op de 85% karakteristieke vermoeiingsrelatie van het F78-mengsel en kan bepaald worden op basis van de data die uit de functionele type test komen in het kader van de CE-markering van asfaltmengsels. De grafieken geven duidelijk aan dat er grote verschillen bestaan tussen de oude en nieuwere mengsels. Wat stijfheid betreft is het opvallend dat de stijfheid van het S78-mengsels beduidend lager is dan voor een EME. Stijfheid [MPa] S1-50 S1-100 S2-50 S2-100 S78 EME Ndl.stsl Frequentie [Hz] Figuur 2: Stijfheidskarakteristiek oude en nieuwe asfaltmengsels bij 20 C Wat vermoeiing betreft zijn de verschillen tussen de oude en nieuwe mengsels nog duidelijker. Hadden de oorspronkelijke Shell-mengsels F1 en F2 goede vermoeiingseigenschappen, de huidige mengsels hebben beduidend minder goede eigenschappen. Wat hiervan de oorzaak is is niet direct te traceren, maar mogelijk dat dit mede veroorzaakt wordt door afwijkende proefconfiguraties. 4

5 N [-] 1,E+11 1,E+10 1,E+09 1,E+08 F1 F2 F78 F78-CEk EME Ndl.stsl 1,E+07 1,E+06 1,E Rek [um/m] Figuur 3: Vermoeiingskarakteristiek oude en nieuwe asfaltmengsels bij 20 C In tabel 1 is van de hierboven genoemde mengsels de karakteristieke vermoeiingswaarde ε 6 weergegeven. Deze ε 6 (de rek die een levensduur oplevert van 10 6 lastherhalingen) wordt in de Europese productnorm NEN-EN beschreven als karakteriserende parameter voor de vermoeiingseigenschappen van een asfaltmengsel. Tabel 1: ε 6 diverse asfaltmengsels Mengsel ε 6 [μm/m] F1 228 F2 154 F F78-CEk 81 EME 140 Er bestaan grote verschillen tussen de vermoeiingseigenschappen van de verschillende mengsels. Deze verschillen zijn niet alleen het gevolg van gewijzigde proefcondities en mengselsamenstellingen, maar vermoedelijk ook van wijzigingen in verwerkingssoftware. Om te staven of de F78- en F78-CEk-karakteristieken ook daadwerkelijk overeenkomen met de karakteristieken van de huidige mengsels is een analyse gemaakt van de data die in de RWS-databank van vermoeiingsproeven staan. In deze databank zijn alle resultaten van vermoeiingsproeven opgenomen, die RWS-DWW sinds 1987 heeft uitgevoerd of heeft laten uitvoeren. In deze database zijn verschillende mengsels beschikbaar, maar de analyse heeft zich beperkt tot StAB en OAB data bij 20 C. In figuur 4 zijn de beschikbare vermoeiingsdata van StAB weergegeven. 5

6 7 Alle StAB-data bij 20 C 6,5 6 Log (levensduur) 5,5 5 4,5 4 3,5 3 1,8 1,9 2 2,1 2,2 2,3 2,4 Log (rek) Figuur 4: Beschikbare vermoeiingsdata StAB in de RWS-database Op basis van deze RWS-data kan een stijfheid bij 20 C en 8 Hz (de stijfheid die op het CEcertificaat van het functionele type-onderzoek moet worden bepaald) en een ε 6 -waarde worden bepaald. De resultaten zijn weergegeven in tabel 2. Tabel 2: Vermoeiingseigenschappen RWS-database Mengsel S mix [MPa] ε 6 [μm/m] StAB OAB Een soortgelijke analyse is ook uitgevoerd voor de beschikbare data van nieuwe type tests (conform de Europese normen voor CE-markering) die momenteel in de databank van BAM Wegen reeds beschikbaar zijn. Voor het illustreren van de consequenties van de toepassing van de nieuwe data voor resultaten van ontwerpberekeningen zijn in tabel 3 de resultaten van StAB en EME weergegeven. Tabel 3: Vermoeiingseigenschappen BAM Wegen database Mengsel Aantal type-onderzoeken ε 6 [μm/m] gemeten ε 6 [μm/m] gemiddeld StAB EME Op basis van een vergelijking van de data van tabel 1 met de data in tabel 2 en 3 kan geconcludeerd worden dat de werkelijke vermoeiingseigenschappen van de hedendaagse conventionele StAB-mengsels nagenoeg in overeenstemming zijn met de F78-CEkkarakteristiek. De oude F78-karakteristiek is daarmee absoluut niet meer representatief voor hedendaagse standaard onderlaagmengsels. Tevens blijkt dat de representatieve vermoeiingskarakteristiek van de EME-mengsels van BAM Wegen sinds de introductie van het eerste mengsel nagenoeg gelijk is gebleven. 6

7 Consequenties voor de dimensionering van verhardingen De huidige inzichten in de mengselkarakteristieken van de hedendaagse asfaltmengsels voor onderlagen hebben uiteraard consequenties voor de dimensionering van verhardingen. Om dit te illustreren zijn er met het computerprogramma CARE van RWS-DVS berekeningen uitgevoerd met de F78, F78CEk en BAM-EME vermoeiingskarakteristieken. Hierbij zijn de vermoeiingskarakteristieken conform de handleiding van CARE beschreven in de vorm van de volgende vergelijking: ln (N f ) = C1.[ln(E asfalt )] 3 + C2.[ln(E asfalt )] 2 + C3.[ln(E asfalt )] + C4 + C5.ln(ε asfalt ) De coëfficiënten C1 t/m C5 zijn in tabel 4 weergegeven. Tabel 4: Vermoeiingskarakteristieken F78, F78CEk en BAM-EME Mengsel ε 6 [μm/m] C1 C2 C3 C4 C5 F , , ,142-5,2438 F78-CEk , , ,768-3,8985 EME ,430-4,9820 Deze vermoeiingskarakteristieken zijn in CARE ingevoerd. Voor alle berekeningen is gebruik gemaakt van de S78-stijfheidskarakteristiek. De berekeningsresultaten voor de constructies met EME zijn daarmee aan de conservatieve kant, omdat de representatieve stijfheidsmodulus van BAM-EME % hoger ligt dan de stijfheidsmodulus die voor de S78 wordt gehanteerd bij 20 C en 8 Hz. De ontwerpberekeningen zijn uitgevoerd voor de verharding van een rijksweg en een gemeenteweg. De gehanteerde ontwerpparameters zijn in tabel 5 opgenomen. De onderbouw van de wegen is zand en de fundering bestaat uit 250 mm menggranulaat. Tabel 5: Ontwerpparameters dimensionering verhardingen Ontwerpparameter Rijksweg Gemeenteweg Betrouwbaarheid asfaltrekcriterium Snelheid vrachtverkeer Rijstrookbreedte Voertuigintensiteit Percentage zwaar verkeer Factor onzekerheid verkeersgegevens Vrachtwagenintensiteit Groei vrachtverkeer Vrachtwagenschadefactor Aantal werkdagen per jaar Aantal rijstroken per rijrichting Percentage breedbanden Ontwerplevensduur 85% 80 km/uur 3,5 m mvt/etmaal 15% 1, vw/etmaal 3,5% per jaar 1, % 20 jaar 70% 50 km/uur 3,0 m 3000 mvt/etmaal 8% 1, vw/etmaal 2,0% per jaar 1, % 20 jaar Wat healing betreft zijn de berekeningen voor de rijkswegverharding uitgevoerd met een healingfactor van zowel 1,0 als 4,0. Dit vanwege het feit dat Rijkswaterstaat voor niet- Standaard RAW onderlaagmengsels een healingfactor van 1,0 hanteert en niet de gebruikelijke 4,0 als voor alle Standaard RAW asfaltmengsels. 7

8 Tabel 6: Berekende asfaltlaagdikte voorbeeldconstructies Mengsel Rijksweg Healing = 4,0 Healing = 1,0 Gemeenteweg F mm 388 mm 164 mm F78-CEk 474 mm > 500 mm 211 mm EME 275 mm 334 mm 123 mm De in tabel 6 gepresenteerde resultaten van berekeningen zijn op z n minst opmerkelijk te noemen. Enkele conclusies: Bij toepassing van de werkelijke vermoeiingskarakteristieken van de hedendaagse StABmengsels in CARE moet bij handhaving van de huidige veiligheidsbenadering in de ontwerpmethode de asfaltdikte circa 150 mm groter zijn dan de dikte die bij toepassing van de F78 karakteristiek wordt gevonden; Bij toepassing van een healingfactor 1,0 voor EME blijkt uit de berekeningen dat het gebruik van dit onderlaagmengsel geen enkel voordeel heeft ten opzichte van de toepassing van een standaard onderlaagmengsel, als voor de standaardmengsels de F78- vermoeiingkarakteristiek wordt gebruikt in combinatie met een healingfactor van 4,0; Bij toepassing van de werkelijke vermoeiingkarakteristiek voor de hedendaagse standaard onderlaagmengsels F78-CEk in combinatie met een healingfactor van 4,0, blijkt ook bij toepassing van een healingfactor van 1,0 voor EME dat de asfaltreductie bij toepassing van EME ten minste 140 mm bedraagt. De hogere stijfheidsmodulus van EME is immers in de uitgevoerde berekeningen niet benut; Om op identieke berekeningsresultaten uit te komen voor de F78-CEk karakteristiek als voor F78-karakteristiek moet de healingfactor op circa 30 worden ingesteld. Dit houdt in dat de veiligheid in de nieuwe F78-CEk vermoeiingkarakteristiek met circa een factor 7,5 (30/4,0) moet worden gecorrigeerd ten opzichte van de veiligheid in de oude F78 karakteristiek, om bij het werken met de werkelijke vermoeiingseigenschappen van de hedendaagse standaardmengsels op dezelfde benodigde asfaltdikten uit te komen. Anders geformuleerd: de veiligheidsfactoren in de ontwerpmodule van CARE zouden met een factor 7,5 verlaagd moeten worden om bij gebruik van de vermoeiingskarakteristieken die uit de type-onderzoeken voor CE-markering volgen nog op dezelfde asfaltdikten uit te komen als bij gebruik van de F78-karakteristiek. Conclusies Het is natuurlijk onzin om er vanuit te gaan dat asfaltverhardingen met CARE nog op een verantwoorde wijze worden gedimensioneerd als de F78-karakteristiek in het programma wordt vervangen door de werkelijke vermoeiingskarakteristieken die in het kader van CEmarkering voor hedendaagse onderlaagmengsels worden gevonden. Klinkklare onzin, verondersteld dat dit de overtreffende trap is van onzin, is het om enkel de veiligheden (en aanverwante factoren) in een ontwerpmethode voor asfaltverhardingen aan te passen, teneinde te bewerkstelligen dat de asfaltdikten die met de nieuwe F78-CEk vermoeiingskarakteristiek worden berekend weer in lijn worden gebracht met de asfaltdikten die met de oude F78- karakteristiek worden gevonden. De gepresenteerde berekeningsresultaten mogen maar tot één enkele conclusie leiden, namelijk dat de dimensioneringsmethoden voor asfaltverhardingen in Nederland aan een grondige renovatie toe zijn. Kernvragen in dit verband zijn onder andere: 8

9 Wat is een verantwoorde veiligheidbenadering voor de dimensionering van asfaltverhardingen? Is de vermoeiingskarakteristiek, zoals bepaald met de vierpuntsbuigproef conform NEN- EN , werkelijk representatief voor het vermoeiingsgedrag van een asfaltmengsel in een verharding? Is healing een relevante mengseleigenschap bij de dimensionering van een asfaltverharding? Zo ja, hoe moet de healing van een asfaltmengsel dan worden bepaald? Zijn er nog andere mengseleigenschappen, bijvoorbeeld veroudering, relevant voor de dimensionering van asfaltverhardingen? Wat is de procedure voor de validatie van de ontwerpmethode voor asfaltverhardingen? Indien er voor wat betreft een veldcalibratie- of lab/veld-factor onderscheid wordt gemaakt in asfaltmengsels voor onderlagen waar reeds veel ervaring mee is en nieuwe innovatieve mengsels, op welk moment of volgens welke procedure krijgt een mengsel dan het predikaat bekend mengsel? Kortom, er is (heel veel) werk aan de winkel om in Nederland tot een verantwoorde dimensioneringmethode van asfaltverhardingen te komen. Feit is dat de huidige methoden niet meer tot geloofwaardige berekeningsresultaten leiden en aan renovatie toe zijn [5]. Stellingen CE-markering is een zegen voor de Nederlandse wegenbouw. De keuze voor de functionele benadering voor het specificeren van asfaltmengsels heeft nu reeds de werkelijke zwakheden en risico s bij het ontwerpen van asfaltverhardingen aan het licht gebracht. Dit dwingt tot nieuwe bundeling van kennis, met als uiteindelijk resultaat een verhoging van het kennisniveau van de wegbouwkunde in Nederland. Als het in de zeventiger jaren mogelijk is geweest om SHELL blindelings te vertrouwen, dan moet het met alle ontwikkelingen die de laatste dertig jaren zijn doorgemaakt in de wegenbouw toch echt mogelijk zijn om voorzichtig van geijkte paden af te wijken. Geraadpleegde literatuur 1. Van Dommelen A.E., Procedure voor het vaststellen van karakteristieke vermoeiingsrelaties voor gebruik in de standaard ontwerpprogramma s, Notitie opgesteld voor de CROW-werkgroep OntwerpInstrumentaruim Asfaltverhardingen (OIA), Van Dijk, W et al. The fatigue of bitumen and bituminous mixes, Proceedings Third International Conference on the Structural design of asphalt pavements, England, 1972, pp Handleiding Ontwerp- en Herontwerpsysteem Asfaltbetonverhardingen CARE, DWWpublicatie P-DWW van RWS-DWW 4. Shell Pavement Design Manual (SPDM) 1978 en Addendum Sluer, B.W., Wegbouwkunde in Nederland, het recht van de sterkste?, Bijdrage aan Infradagen