Valgewichtdeflectiemetingen op asfaltdijkbekledingen

Transcriptie

1 Valgewichtdeflectiemetingen op asfaltdijkbekledingen ir. Rien Davidse KOAC NPC, Vught, ir. Martin F. C. van de Ven University of Technology, Delft, ing. Arjan K. de Looff KOAC NPC, Vught, 1 Inleiding Grote delen van Nederland worden tegen overstroming beschermd door waterkeringen met een asfaltbekleding. Veel van deze asfaltbekledingen hebben een hoge leeftijd bereikt waardoor een afname van de sterkte heeft plaatsgevonden. Middels een wettelijk verplichte toetsing die eens in de zes jaar plaatsvindt, wordt de sterkte van de bekleding bepaald. Dit in relatie met de golfbelasting onder stormcondities. In deze toetsing worden valgewichtdeflectiemetingen uitgevoerd. Metingen met een valgewichtdeflectiemeter worden gebruikt om een uitspraak over de stijfheid van het asfalt te geven en om de rek aan de onderzijde van de bekleding te bepalen. Hierbij is het belangrijk dat er voldoende metingen worden uitgevoerd een goed beeld van de algehele sterkte van de bekleding te krijgen. Temperatuur en belastingfrequentie zijn belangrijke variabelen die het resultaat beïnvloeden. Deze paper beschrijft de methode die gevolgd wordt om de stijfheid en rekken van de asfaltbekleding te bepalen. 2 Doel van de metingen Valgewichtdeflectiemetingen op dijken worden ingezet om twee redenen. In de eerste plaats wordt uit de gemeten deflecties de rek onder de opgelegde belasting bepaald. Deze parameter wordt gebruikt om de (teruggang in) sterkte van de bekleding te monitoren. Daarnaast is de stijfheid van de bekleding nodig voor de toetsing op sterkte: De sterkte tegen bezwijken wordt getoetst door de optredende spanningen te vergelijken met de maximaal toelaatbare spanningen [1]. Om de optredende spanningen te berekenen moet de stijfheid van de bekleding bekend zijn. Om op een snelle manier een goed beeld van de stijfheid van de bekleding te krijgen, worden valgewichtdeflectiemetingen uitgevoerd. Een alternatief is het boren van kernen uit de bekleding en het uitvoeren van laboratoriumproeven op proefstukken uit de kernen. Met valgewichtdeflectiemetingen kunnen echter binnen korte tijd veel metingen worden verricht waardoor de variatie in stijfheid van verschillende locaties wordt gemeten. Per te toetsen dijkvak worden minstens 2 metingen verricht om inzicht te krijgen in de verdeling van de stijfheid. Samen met de verdeling van de drukspanningen van de

2 golfbelastingen, de hoeveelheid golven en de spreiding van de golven over het talud, wordt bepaald of de asfaltbekleding in staat is om de golfbelasting tijdens een maatgevende storm te weerstaan. 3 Stijfheidsbepaling In de wegenbouw wordt al voor lange tijd lang gebruik gemaakt van valgewichtdeflectiemetingen om de draagkracht van de wegconstructie en ondergrond te bepalen. Sinds het jaar worden valgewichtdeflectiemetingen ook op dijken uitgevoerd. Met een belasting van 1 tot 24 kn en een belastingfrequentie van 15 tot 2 Hz blijkt het valgewicht een goede simulatie te zijn van de golfbelasting op dijken. De meting bestaat uit het laten vallen van een gewicht op een set rubberen rubbers die op een ronde plaat van metaal en PVC zijn gemonteerd. Figuur 1 Het principe van valgewichtdeflectiemetingen [2] De resulterende schokgolf benadert een halve sinusgolf. Deflectiesensoren worden gebruikt om de verplaatsing loodrecht ten opzichte van het oppervlak van de bekleding te meten. Tot een helling van 1:3 kan de valgewichtdeflectiemeter worden gebruikt om nauwkeurig te meten. Op steilere taluds blijft het systeem niet stabiel op het talud staan waardoor de meting niet uitgevoerd kan worden. Omdat loodrecht op het oppervlak wordt belast en ook loodrecht op het oppervlak wordt gemeten kan ook op taluds een nauwkeurige meting uitgevoerd worden. Ook het werkelijke krachtniveau loodrecht op de bekleding wordt gemeten zodat dit geen problemen oplevert bij metingen op asfaltdijkbekledingen. De deflectiedata wordt gebruikt om de laagstijfheid van het asfalt en de ondergrond (meestal zand of klei) per meetlocatie terug te rekenen. Hiervoor moet echter extra data zoals de laagdikte per meetlocatie bekend zijn. Hiermee wijkt de procedure voor het bepalen van de stijfheid van de constructie af van de methode die in de wegenbouw wordt gebruikt waar naar een karakteristiek deflectieprofiel per homogeen subvak wordt gezocht. De laagdikte wordt bepaald met behulp van radarmetingen en voor het poissongetal worden realistische waarden aangenomen. Ook worden kernen geboord voor extra informatie. Vanwege de sterke variatie van de laagdikte is het belangrijk om de locatie van de valgewichtmeting vast te leggen op de bekleding. Door middel van zie Eigenschappen pagina 2 van 8

3 een markering met een verfspuitbus op de bekleding kunnen de exacte meetlocaties worden teruggevonden. Daarnaast worden de gps-coördinaten van elke meetlocatie vastgelegd. Figuur 2 Voorbeeld van sterk variërende laagdikte van een asfaltdijkbekleding Met geofoons wordt de verticale respons van de bekleding gemeten. Per,2 ms wordt het signaal bemonsterd. De verplaatsing wordt gemeten met negen geofoons op,,, 45, 6, 9, 1, 15 en 18 mm vanaf het centrum van de voetplaat. 4 Time History StationID 17 DropID 51 HistoryID 51 8 Deflectieprofiel StationID 17 DropID 51 Afstand (mm) Deflectie ( μm) Kracht Kracht [kn] Deflectie ( μm) R 2 =, Tiid (ms) 35 4 Figuur 3 Voorbeeld opgenomen signaal en resulterend deflectieprofiel Met het deflectieprofiel wordt de oppervlaktemodulus van de constructie berekend. De oppervlaktemodulus is de gewogen gemiddelde modulus berekend op basis van de oppervlaktedeflectie. De oppervlaktemodulus geeft een indicatie van het verloop van de stijfheid in de diepte. De stijfheid wordt iteratief bepaald met behulp van de methode van equivalente dikte. Er wordt gebruik gemaakt van het programma ELMOD om de stijfheid van het asfaltpakket en ondergrond terug te rekenen [3]. zie Eigenschappen pagina 3 van 8

4 Figuur 4 Rekenstappen bij het terugrekenen van de stijfheid De rekniveaus aan de onderzijde van de asfaltlaag veroorzaakt door het valgewicht zijn van dezelfde orde van grootte als die onder een golfbelasting ontstaan [4]. De elasticiteitsmodulus (meestal de asfaltstijfheid en ondergrondstijfheid) worden teruggerekend met behulp van de meerlagenmodellering van de bekleding en ondergrond. De stijfheid van asfalt is afhankelijk van de belastingfrequentie en de temperatuur. De temperatuur- en frequentieafhankelijkheid van het asfaltmengsel wordt bepaald met laboratoriumtesten op proefstukken van de bekleding. Door de jaren heen zijn mastercurves van een groot aantal asfaltdijkbekledingen in Nederland bepaald zodat bekend is met welke temperatuursafhankelijkheid rekening gehouden moet worden. De asfalttemperatuur wordt tijdens een valgewichtdeflectiemeting gemeten en de temperatuurgradiënt in het asfalt wordt berekend [5]. Hierbij wordt de met de BELLS3-vergelijking bepaalde asfalttemperatuur bepaald evenals de gemeten temperatuur op 12 cm diepte van de bekleding. Als de in het boorgat gemeten temperatuur meer dan 1 C afwijkt van de met BELLS3 bepaalde temperatuur, wordt de met BELLS3 bepaalde temperatuur gecorrigeerd met de helft van het verschil tussen beide metingen. De stijfheid van het zand- of kleiondergrond wordt verondersteld onafhankelijk te zijn van temperatuur en frequentie en wordt gebruikt om de veerconstante van de ondergrond te berekenen voor het GOLFKLAP model [1]. Om fouten in het terugrekenen naar de referentieomstandigheden tijdens een storm (5 C en 1 Hz) te voorkomen wordt niet gemeten bij temperaturen hoger dan 15 C. zie Eigenschappen pagina 4 van 8

5 4 Bepaling rek Naast de stijfheid wordt ook de rek aan de onderzijde van de asfaltlaag berekend. Sinds 9 wordt de rek gebruikt als parameter om de achteruitgang van de sterkte van de bekleding te monitoren. Asfaltdijkbekledingen worden met grote onregelmatigheid belast. Hierdoor is achteruitgang in conditie lastig te voorspellen en is het belangrijk dat er monitoring van de sterkte plaatsvindt. Ook spelen door de hoge leeftijd van de bekleding verouderingsprocessen zoals oxidatie, verharding van het bitumen door UVlicht en stripping van het mengsel een belangrijke rol. Met name striping kan een versnelde afname van de sterkte veroorzaken waardoor monitoring van de sterkte van groot belang is. Omdat voor het bepalen van de stijfheid van de bekleding ook radarmetingen nodig zijn, wat de meetprocedure kostbaarder maakt, is gezocht naar een parameter die op basis van alleen de valgewichtdeflectiemetingen kon worden bepaald [6]. Op basis van algemene meerlagentheorie [7] is een methode gevonden om de rek aan de onderzijde te bepalen waarbij de laagdikte van kleine invloed is op het resultaat. De rek kan worden bepaald op basis van het verschil van gemeten deflectie tussen de geofoons op afstanden,, 6 en 9 mm van het centrum van de voetplaat. De rek wordt berekend met de volgende formule: log ( ε ) = 2, ,983 log( d) 1,4151 log( d),42989 log( d 7,6848 log( SCI ) + 3,56736 log( BDI) +,39567 log( BCI) 6 6 ) + 4,32481 log( SCI waarbij ε = maximum rek onderin asfalt onder belasting van 5 kn (μm/m) h 1 = laagdikte asfalt (mm) d i = deflectie onder belasting van 5 kn gemeten op afstand i mm vanaf het lastcentrum (µm) SCI = Surface Curvature Index d - d (µm) SCI 6 = Surface Curvature Index d - d6 (µm) BDI = Base Damage Index d - d6 (µm) BCI = Base Curvature Index d6 - d9 (µm) De deflecties worden genormaliseerd naar een klapgrootte van 5 kn. Ook wordt voor temperatuursverschillen gecorrigeerd. Ook voor de rekken wordt gerekend naar referentieomstandigheden van 5 C. Temperatuurscorrectie vindt plaats met behulp van bekende mastercurves. Op basis van de centrumdeflectie wordt onderscheid in correctie gemaakt. Hierbij wordt verondersteld dat plaatsen met een hoge centrumdeflectie locaties zijn met een lage temperatuursafhankelijkheid en plaatsen met een lage centrumdeflectie locaties met een hoge temperatuursafhankelijkheid. Een lage centrumdeflectie geeft een goede asfaltkwaliteit weer wat een hoge temperatuursafhankelijkheid impliceert. Uit de praktijk blijkt dat deze methode goed werkt. Een voorbeeld van gemiddelde gemeten en gecorrigeerde deflectiecurves is gegeven in Figuur 5. ) zie Eigenschappen pagina 5 van 8

6 Gemiddelde deflectieprofielen herhalingsmeting Geofoonafstand [mm] Deflectie [ μm] Gemiddelde gemeten deflectie 9 Gemiddelde gecorrigeerde deflectie 9 Gemiddelde gemeten deflectie 4 Gemiddelde gecorrigeerde deflectie 4 Figuur 5 Voorbeeld temperatuurscorrecties op de gemiddelde deflectieprofielen De verschillen in asfaltrek die worden gemeten komen overeen met de verschillen in asfaltstijfheid die berekend zijn [8]. Asfaltrek (µm/m) Hellegatsdam vak Asfaltstijfheid (MPa) asfaltrek asfaltstijfheid Afstand (km) Figuur 6 Verloop van asfaltrek en asfaltstijfheid met afstand [8] De metingen uit verschillende jaren worden met elkaar vergeleken met behulp van de frequentieverdelingen van de rekken. In Figuur 7 is een voorbeeld van een vergelijking gegeven. zie Eigenschappen pagina 6 van 8

7 Frequentie [-] Vergelijkingen tussen 2 meetjaren (5 jaars interval) 1% 8% Frequentieverdeling 1 Frequentieverdeling 2 6% Cumulatieve verdeling 1 Cumulatieve verdeling 2 4% 2% Cumulatief[%] Rek [μm] % Figuur 7 Monitoring op basis van de rek Uit monitoringsmetingen is gebleken dat de frequentieverdeling naar verloop van tijd breder wordt. Ook worden er gemiddeld hogere rekken gemeten. Dit geeft aan dat de gemiddelde kwaliteit het asfalt in de loop van de tijd afneemt en het aantal slechte plekken toeneemt. In Figuur 8 is deze verandering schematisch weergegeven. Figuur 8 Verwachte verandering van de frequentieverdeling in de tijd Voor de veiligheidstoetsing wordt gebruik gemaakt van het 95e percentiel van de verdeling. Bij een toename van meer dan 25% van de rek worden opnieuw de breuksterkte- en vermoeiingseigenschappen bepaald. Voor breuksterkte- en vermoeiingsonderzoek worden kernen geboord op verschillende percentielen van de verdeling van de rekken. Op deze manier wordt gestreefd naar een variatie in zie Eigenschappen pagina 7 van 8

8 breuksterkte- en vermoeiingseigenschappen van de bekleding om hiermee een goed beeld van de algehele sterkte van de bekleding te verkrijgen. 5 Experimenteel onderzoek Momenteel wordt onderzoek uitgevoerd om valgewichtdeflectiemetingen te gebruiken om de sterkte van open steenasfalt te monitoren. Vanwege de grove open structuur van open steenasfalt zijn nokken op de voetplaat van het valgewicht gemonteerd om te zorgen voor een stabiele ondersteuning van de voetplaat. Deze aanpassing blijkt stabiele metingen op te leveren. Om een juiste voorspelling van de sterkte van open steenasfalt te kunnen geven worden de resultaten vergeleken met laboratoriumonderzoek. 6 Conclusies De resultaten van de valgewichtdeflectiemetingen komen overeen met metingen uitgevoerd in het laboratorium en inspecties uitgevoerd op de bekleding Hierdoor blijkt dat metingen met het valgewicht een goede methode is om de stijfheid van asfaltdijkbekledingen te bepalen en de sterkte te monitoren. 7 Referenties [1] de Looff, Arjan K., Robert 't Hart, Kees Montauban, Martin F.C. van de Ven, 6, GOLFKLAP, a model to determine the impact of waves on dike structures with an asphaltic concrete layer, Proceeding of the 3th international conference Coastal Engineering 6, Volume 4, [2] van Gurp, Christ A. P. M., 1995, Characterization of Seasonal Influences on Asphalt Pavements with the use of Falling Weight Deflectometers, Delft University of Technology. [3] Guidance notes on backcalculation of layer moduli and estimation of residual life using falling weight deflectometer test data, Highways department, October [4] Ruygrok, Peter A., 1994, Dimensioneren van asfaltbekledingen op golfklappen, analyse van de relatie tussen golfbelasting en rekken (in Dutch) (Report CO-34716/17), Grondmechanica Delft, Delft [5] Lukanen E.O, Stubstad R.N, Briggs, R,, Temperature Predictions and Adjustment Factors for Asphalt Pavements. Report No. FHWA-RD Federal Highway Administration. [6] van Gurp, Christ A.P.M, Westera, Gerrit E., de Looff, Arjan K., 8, Vervolgonderzoek monitoringsprogramma en validatie/verbetering van huidige beoordeling op golfklappen (rapport e8644-2), KOAC NPC [7] Huang, Yang H., 1993, Pavement analysis and design, Prentice Hall, Englewood Cliffs, N.J., USA [8] van Gurp, Christ A.P.M., Westera, Gerrit E., de Looff, Arjan K., 7, Relatie tussen sterkte en stijfheid in de context van de inspectiemethode meerjarig onderzoek asfaltdijkbekledingen (rapport e717-2), KOAC NPC zie Eigenschappen pagina 8 van 8