Postbus 1 Tel 0229 547700 1633 ZG Avenhorn Fax 0229 547701 www.ooms.nl/onderzoek Research & Development publicatie dr.ir. Niki Kringos dr. Tom Scarpas ir. Radjan Khedoe dr.ir. A.H. de Bondt FUNDAMENTEEL ONDERZOEK NAAR WATERSCHADE IN ZOAB FASE 2: MASTIEK STERKTE IN DE AANWEZIGHEID VAN VOCHT CROW Infradagen 2010 23 24 juni 2010 Papendal
Fundamenteel Onderzoek naar Waterschade in ZOAB Fase 2: Mastiek sterkte in de aanwezigheid van vocht Dr. ir. Niki Kringos & Dr. Tom Scarpas Group of Mechanics of Infrastructure Materials, TU Delft ir. Radjan Khedoe & Dr. ir. A. de Bondt Ooms Nederland Holding Samenvatting Rafeling is een complex schadeproces waarbij zowel de watergevoeligheid van de mastieksteen hechting en de watergevoeligheid van de mastiek zelf een belangrijke rol spelen. In deze bijdrage worden de conclusies van de tweede fase van een DVS/TU Delft project samengevat en gecombineerd met de conclusies van fase 1. De resultaten van de eerste fase, gepresenteerd in voorgaande Infradagen, lieten de ontwikkeling en implementatie van een nieuw procedure zien waarmee de binding tussen de steen en de mastiek in de aanwezigheid van vocht kan worden geoptimaliseerd. Hierbij werd een koppeling gemaakt tussen vochtdiffusie, mechanische schade in de mastiek-steen binding en thermodynamische eigenschappen van de materialen. Uit de resultaten van fase 1 bleek dat de voorgestelde snelle thermodynamische materiaalselectie procedure goed in staat was om de goede en slecht mastiek-steen combinaties te identificeren, terwijl de trekspanning proeven nodig zijn om de bindingdegradatie te kwantificeren. De definitieve conclusies over de waterschadegevoeligheid van de onderzochte asfaltmengsels kan alleen gemaakt worden als tevens de verzwakking van de mastiek zelf onderzocht wordt. Dit wordt in fase 2 van dit project gedaan waarvan de tot dusver verkregen resultaten in dit artikel worden gepresenteerd. Hiervoor zijn nieuwe proefstukken en een innovatieve waterschade gevoeligheid testprocedure voor het meten van waterschade van mastiek ontwikkeld. Door middel van een combinatie van eindige elementen analyses van de vochtinfiltratie in de mastiek en metingen in het laboratorium, wordt de vochtconcentratie in de proefstukken vastgesteld op het moment van de trekspanning proeven. In deze bijdrage wordt een overzicht gegeven van de voorlopige conclusies van dit waterschade project. 1
1. Waterschadegevoeligheid van asfaltmengsels Ontwikkeling van een nieuwe methodiek De afgelopen jaren is het steeds duidelijker geworden dat het vroegtijdige steenverlies uit het asfaltmengsel een maatgevende schadevorm in ZOAB deklagen is en een belangrijke kostenpost in het jaarlijkse onderhoud van wegdekken. Deze rafeling of stripping van het ZOAB is een complex fenomeen waarbij zowel de watergevoeligheid van de mastiek-steen hechting als dat van de mastiek zelf een belangrijke rol spelen. Gezien de bijna permanente aanwezigheid van vocht in de Nederlandse omgeving is het van essentieel belang dat de materialen die in ZOAB toegepast worden hun initiële sterkte, stijfheid en flexibiliteit zo lang mogelijk behouden onder de langdurige belastingen van verkeer en omgeving. In de Infrastructuurmaterialen Mechanica Groep op de TU Delft wordt sinds 2003 internationaal erkend onderzoek gedaan op dit onderwerp [Kringos et. al 2005-2009]. In dit onderzoek is gespecialiseerde software ontwikkeld, genaamd RoAM (Raveling of Asphaltic Mixes), als integraal onderdeel van het eindige elementen pakket CAPA-3D (Computer Aided Pavement Analyses-3D) [Scarpas 2005]. Deze software stelt in staat om verschillende waterschade gerelateerde fenomenen in asfaltmengsels te simuleren, zoals ondermeer: - erosie van de mastiek door snelle waterstromingen - verzwakking van de mastiek door vochtinfiltratie - onthechting van de stenen door vochtinfiltratie - scheurvorming door ijsformatie Naast the ontwikkelde software wordt tevens een nieuwe experimentele procedure ontwikkeld om de verschillende dominante waterschade materiaalparameters te bepalen. In deze bijdrage wordt een samenvatting van de voortgang van het samenwerkingsproject DWW-2971 tussen de TU Delft, Ooms Nederland Holding en DVS-Rijkswaterstaat gegeven. In dit project wordt in twee fasen de ontwikkelde software en nieuwe testprocedures voor de eerste keer toegepast op de Nederlandse ZOAB mengsels, waarbij gekeken wordt naar de verzwakking van de mastiek en de onthechting van de stenen door vochtinfiltratie. In een aparte publicatie voor de CROW 2010 Infradagen (getiteld: Simulatie van vorstschade in asfaltmengsels) wordt de ontwikkelde software tevens gebruikt om inzicht te krijgen in schadeontwikkeling door ijsformatie in ZOAB. Onderzoeksdoelstellingen De doelstellingen van dit waterschade project zijn als volgt: Verkrijgen van fundamentele inzichten over de vochtgevoeligheid van de materialen die in het verleden, succesvol en minder succesvol, toegepast zijn in ZOAB mengsels en over de tijdsduur waarop waterschade verwacht kan worden; Een bewezen methodiek waarin, op basis van thermodynamisch materiaal eigenschappen en fundamentele mechanische eigenschappen, materiaal combinaties geselecteerd kunnen worden die in een vochtige omgeving voor een stabiele langdurende performance van de ZOAB deklaag zullen zorgen; 2
Directe do s en dont s als het aankomt op het maken van keuzes voor de stenen, de bitumen, de vulstoffen en het toepassen van polymeren in ZOAB mengsels. Tabel 1: Mastiek types MASTIEK TYPE 1: Bitumen: Pen 70/100 (25% by weight) Filler: Wigras 60 (25 % by weight) Sand: Noors brekerzand (50% by weight) MASTIEK TYPE II: Bitumen: Pen 70/100 (25% by weight) Filler: Wigro 60k (25 % by weight) Sand: Noors brekerzand (50% by weight) MASTIEK TYPE III: Bitumen: Cariphalte XS (25% by weight) Filler: Wigro 60k (25 % by weight) Sand: Noors brekerzand (50% by weight) MASTIEK TYPE IV: Bitumen: Sealoflex 5-50(PA) (25% by weight) Filler: Wigro 60k (25 % by weight) Sand: Noors brekerzand (50% by weight) In dit project worden vier verschillende mastiek types (Tabel 1) en twee verschillende aggregaten (bestone en graniet) onderzocht. In Fase 1 van dit project is voor een zestal mastiek-steen combinaties (Tabel 2) bepaald binnen welk tijdsbestek het vocht dusdanig in de mastiek-steen interface geïnfiltreerd is, om in staat te zijn de bindingsterkte te degraderen. In Fase 2 van dit project wordt de watergevoeligheid van de mastiek onderzocht en deze bijdrage geeft een samenvatting van de huidige ontwikkelingen van dit onderzoek. In de volgende sectie wordt eerst een korte samenvatting gegeven van de resultaten van Fase 1. Vochtgevoeligheid mastiek-aggregaat bindingssterkte In Fase 1 van dit project is gebruik gemaakt van mechanische trekspanning- experimenten, moleculaire vochtabsorptie experimenten en eindige elementen simulaties met RoAM om te bepalen welke mastiek-steen combinaties zich optimaal gedragen in de aanwezigheid van vocht. Vervolgens is een op oppervlakte energie gebaseerde thermodynamische selectieprocedure ontwikkeld voor de componenten van het asfaltmengsel. Deze kan bijdragen aan een verbeterde methode om stenen, bitumen en vulstoffen van te voren te screenen om zo de ZOAB weerstand tegen waterschade te maximaliseren. Tabel 2: Onderzochte steen-mastiek combinaties Aggregaat Type Bestone Combi 2 Mastiek Type I II III IV Combi 3 Combi 4 Combi 6 Graniet Combi 1 Combi 5 (a) (b) Damage_S [-] 0.5 0.3 De hechtsterkte van de geconditioneerde proefstukken werd bepaald met behulp van een hydraulisch vijzel, Figuur 1(b). Gebruik makend van de benodigde hulpstukken wordt de steenslagschijf, Figuur 1(a), van de mastiek getrokken. Dit gebeurde bij constante verplaatsingsnelheid van 5 mm/s en een temperatuur van 18 ± 2 C. Combi 1 Combi 2 Combi 3 Combi 4 Combi 5 Combi 6 (c ) 0.1 0 0.8 Moisture content [-] Figuur 1: Optimale combinaties obv sterkte metingen 3
Weerstand tegen waterschade [-] Door de proefstukken na verschillende conditioneringstijden te beproeven en RoAM vochtinfiltratie simulaties uit te voeren, kon bepaald worden hoe de bindingssterkte tussen de aggregaten en de mastiek afhangt van de vochtconcentratie in de mastiek-steen interface, Figuur 1(c). Om tot een optimale mastiek-steen bindingssterkte in de aanwezigheid van vocht te komen, zou een optimale combinatie gekozen moeten worden die een stabiele binding met elkaar maken. Dit is in Fase 1 bepaald door het meten 0 0.19 0.18 0.17 0.16 0.15 0.14 0.13 Graniet/Mastiek IV (Combi 5) Bestone/Mastiek IV (Combi 6) 0.12 Graniet/Mastiek III Graniet/Mastiek II 0.11 Graniet/Mastiek I (Combi 1) 0.10 30 35 40 45 50 55 60 (mastiek & aggregaten combinaties) Bestone/Mastiek III (Combi 4) Bestone/Mastiek I (Combi 2) Bestone/Mastiek II (Combi 3) WOA [mn/m] Figuur 2: Optimale combinaties obv oppervlakte energie metingen van de oppervlakte energie van de componenten, waardoor het mogelijk is om de adhesie kwaliteit van de binding in de aanwezigheid van water te berekenen. Om de optimale mastiek -steen combinatie zichtbaar te maken, zijn de gemeten waarden uiteengezet, Figuur 2, waarbij op de horizontale as de adhesie energie (WOA) en op de verticale as de weerstand tegen het optreden van waterschade. Uit het onderzoek van Fase 1 is gebleken dat Combi 6 en 3 het minst gevoelig zijn voor vochtinfiltratie, terwijl Combi 1 en 2 het meeste gevoelig zijn. Combi 4 en 5 zitten hier tussenin. De definitieve conclusies over de meest optimale mastiek-steen combinaties om waterschade in asfaltmengsels tegen te gaan kan alleen gemaakt worden als tevens de verzwakking van de mastiek zelf onderzocht wordt, aangezien ook cohesief falen door waterinfiltratie moet worden geminimaliseerd. Meer details over de methodiek en resultaten van Fase 1 kunnen worden gevonden in [Kringos et.al CROW 2008, Kringos et al AAPT 2008]. 2. Waterschadegevoeligheid van mastiek Relatie Fase 1 & Fase 2 De vochtconcentraties die in de praktijk de mastieksteen binding bereiken zijn meestal afhankelijk van de vochtabsorptie karakteristieken van de mastiek en zullen uiteindelijk bepalend zijn voor zowel de hoeveelheid schade die op zal treden als de tijdsduur waarover dit gebeurd. Dus op basis van alleen de sterkte degradatie gemeten in Fase 1, Figuur 1(c), kunnen nog geen conclusies getrokken worden. Het zou bijvoorbeeld zo kunnen zijn dat een zeer sterkte, niet vochtgevoelige, mastiek-steen combinatie een zeer vochtgevoelige mastiek heeft, waardoor vroegtijdige cohesieve schade (i.e. in de mastiek zelf) tot veel schade in het mengsel kan leiden. Sterkte Adhesie breuk in de mastiek-steen binding Cohesie breuk in de mastiek Vochtgehalte Figuur 3: Cohesie versus adhesie schade 4
In Fase 2 wordt daarom de vochtgevoeligheid en de tijdsduur waarop waterschade in de mastiek zelf zal optreden onderzocht. De uiteindelijke ranking ten aanzien van vochtgevoeligheid van asfaltmengsels met de onderzochte mastiek-steen combinaties kan dus pas gemaakt worden als de adhesie schadefuncties gecombineerd wordt met de cohesie vochtschade functies, Figuur 3. Mastieken proefstukontwikkeling Voor het testen van de vochtgevoeligheid van de mastiek zijn er nieuwe proefstukken ontwikkeld om zowel een homogeen vochtprofiel als een homogeen spanningsveld op de 20 mm locatie van falen te creëren en tevens in staat te zijn het 15 mm proefstuk met behulp van een stalen ring hydraulisch vijzel te kunnen beproeven. Belangrijke aspecten interface hierbij waren de vorm en mastiek aanhechting van de trekring en de 70 mm geometrie van het proefstuk. (a) 15 mm (b) Door gevoeligheidsanalyses uit te voeren met het eindige elementen systeem CAPA-3D, Figuur 4, en verschillende test proefstukken in het laboratorium θ = 5 θ = 20 θ = 30 θ = 45 uit te proberen, Figuur 5, is uiteindelijk een procedure ontwikkeld waarbij zowel de geometrie van het proefstuk als de hechtring aansluiting optimaal zijn. (c) Figuur 4: Proefstukoptimalisatie via eindige elementen analyse Figuur 5: Test proefstukken 5
Zoals uit Figuur 5 duidelijk blijkt was het bij sommige beproefde geometrie opties moeilijk om een breuk in het midden van het proefstuk te creëren en was het vaak dicht bij de lijmlaag waar het proefstuk faalde. Uiteindelijk is een procedure ontwikkeld om een optimaal proefstuk te ontwikkelen die altijd in het midden van het proefstuk faalt en tevens optimale vochtconditionering condities toelaat. In Figuur 6 staan de dimensies van het proefstuk weergegeven. 40 mm 15mm (a) (b) 70 mm 30 mm (c) (d) Figuur 6: Speciaal ontwikkelde mastiek proefstuk In een aparte publicatie voor de CROW 2010 Infradagen (getiteld: Waterschade in ZOAB - Ontwikkeling van proefstukken voor laboratorium beproevingen op mastiek) wordt in meer detail ingegaan op de proefstukontwikkeling. Proefstuk vochtconditionering De proefstukken zijn geconditioneerd in een waterbad met op de bodem een fijne zandlaag om kruipvervormingen te voorkomen, Figuur 7. Voor de vochtinfiltratie van de proefstukken is het belangrijk om op het moment van testen een uniforme vochtconcentratie op de faallocatie (in het midden) te hebben. Op deze wijze kan een directe correlatie gemaakt worden tussen de breuksterkte en de aanwezige vochtconcentratie. De proefstukken worden hierbij eerst geconditioneerd in het waterbad totdat een maximale vochtopname in het midden van het proefstuk is bereikt. Hierna wordt de breuksterkte per mastiek getest voor 4 proefstukken en de overige proefstukken worden in een droogkamer geplaatst. In dit drogingproces wordt de zijkant van de proefstukken afgeschermd zodat het water alleen aan de onder en bovenkant kan verdampen. Met behulp van metingen en eindige elementen analyses wordt vervolgens bepaald wat de vochtconcentratie in het midden van de proefstukken is, zodat de proefstukken bij de gewenste concentraties getest kunnen worden. 6
Dit drogingproces is momenteel nog aan de gang en deze bijdrage rapporteert de voorlopige resultaten van de volledig natte ( θ = ) breuksterktes van de mastiek. Hierbij is θ gedefinieerd als de genormaliseerde vochtconcentratie θ= c(t). cmax Figuur 7: Waterconditionering mastiek proefstukken Figuur 8 geeft voor alle proefstukken de opname van vocht versus tijd in het waterbad weer en Figuur 9 laat de RoAM simulatie van de vochtinfiltratie in de mastiek zien. moisture uptake [gr] 1.6 1.4 1.2 0.8 mastic 1 mastic 2 mastic 3 mastic 4 time [days] 0 20 40 60 80 100 Figuur 8: Vochtopname metingen Uit de metingen en simulaties blijkt dat mastiek 1 (Pen 20/100, wigras 60) initieel het snelst vocht opneemt, gevolgd door mastiek 3 (cariphalte XS, wigro 60K) en dan mastiek 2 (pen 70/100, wigro 60k). Voor mastiek 4 (sealoflex 5-50, wigro 60k) is geen data beschikbaar voor de initiële vochtopname door een vakantie onderbreking. Echter, uit de eerdere vochtinfiltratie metingen gedaan in een klimaatkamer in Fase 1 is al gebleken dat Mastiek 4 een trage initiële vochtopname had. De uiteindelijke totale nominale vochtopname is het meest voor de proefstukken van mastiek 3 en 1 en het minst voor mastiek 4 en mastiek 2. 7
t 0 t 1 t 2 t 3 t 4 t 5 genormaliseerde vochtconcentratie t 6 t 7 t n Figuur 9: Simulatie van vochtinfiltratie Sterktereductie als functie van vochtconcentratie De maximale vochtconcentratie ( t n in Figuur 9) is bereikt voor mastiek 4 rond 50 dagen conditionering en voor de overige drie mastieken rond de 100 dagen conditionering. Van elke type mastiek zijn vervolgens 4 proefstukken getest op hun treksterkte. Dit gebeurde bij constante verplaatsingsnelheid van 5 mm/s en temperatuur van 18 ± 2 C. De overige proefstukken staan momenteel in een droogkamer om tot verschillende concentratieprofielen te komen om de gehele breuksterkte reductiecurve als functie van de vochtconcentratie te kunnen bepalen. Dit onderzoek zal voor de zomer 2010 afgerond zijn. In Tabel 3 staan de gemeten treksterkte waarden voor de 4 mastiek types bij de maximale vochtconcentratie ( θ= ). 8
Tabel 3: Treksterkte resultaten Breukspanning [MPa] Bij maximale saturatie ( θ = ) mastic 1 mastic 2 mastic 3 mastic 4 Proefstuk 1 0.717 38 1.133 62 Proefstuk 2 81 57 54 90 Proefstuk 3 30 90 0.938 85 Proefstuk 4 48 50 96 72 Proefstuk 5 69 59 55 78 gemiddelde 69 59 55 78 3. Voorlopige conclusies en aanbevelingen Uit de waarden in Tabel 3 blijkt dat mastiek 3 het sterkst is van de beproefde mastiek types, gevolgd door mastiek 4, mastiek 1 en dan mastiek 2. Dit zegt op zichzelf nog niets over de waterschade van de verschillende mastiek soorten, aangezien de afname ten opzichte van de initiële breuksterktes ook van belang is om te weten wat het effect van de vochtinfiltratie is. De treksterkte bij geen waterschade ( θ = ) en lagere vochtconcentraties in het breukvlak ( <θ< ) zullen in het vervolg van dit onderzoek bepaald worden. Strength [MPa] Strength [MPa] 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 Combi 1 Combi 2 Mastiek 1 0 5 10 15 Moisture [x e-06 g/mm3] Combi 4 mastiek 3 (a) 0 5 10 15 Moisture [x e-06 g/mm3] Strength [MPa] 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 Combi 3 mastiek 2 0 5 10 15 Moisture [x e-06 g/mm3] (c) (d) Figuur 10: Vergelijking cohesief vs adhesief falen voor onderzochte mastiek-steen combinaties Strength [MPa] 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 (b) Combi 5 Combi 6 mastiek 4 0 5 10 15 Moisture [x e-06 g/mm3] Door de voorlopige resultaten van de cohesieve treksterkte te vergelijken met de adhesieve hechtsterkte reductie curves, zoals gemeten in Fase 1 van dit project, kan er echter al enig inzicht verkregen worden welke mastiek- aggregaat combinaties een grotere kans hebben op 9
adhesief (in de steen-aggregaat hechtlaag) falen en welke op cohesief (in de mastiek). In Tabel 2 staat een overzicht van de mastiek-aggregaat combinaties. In Figuur 10(a) wordt de hechtsterkte van de aggregaat-mastiek combinaties die gemaakt waren met mastiek 1, vergeleken met de breuksterkte van mastiek 1, als een functie van de vochtconcentratie. Hieruit blijkt dat in ieder geval bij hogere vochtconcentraties dit mengsel (onder de gegeven condities van 5 mm/s en temperatuur van 18 ± 2 C) adhesief zal falen. Of dit ook het geval zal zijn bij lagere concentraties, zal moeten blijken uit de hechtsterkte waarden bij lagere vochtconcentraties. Uit Figuur 10(c) blijkt dat bij een zelfde vochtconcentratie in het geval van combi 4 altijd een adhesief dalen op zal treden voordat er in de mastiek zelf (cohesief) zal falen. Uit Figuur 10(b) en Figuur 10(d) blijkt dat voor hogere vochtconcentraties mastiek 2 en mastiek 4 zullen falen voordat de hechting met het aggregaat zal falen. Uit de verdere testdata zal moeten blijken of dit ook het geval is bij de lagere concentraties, aangezien de curven elkaar wellicht kunnen kruizen. De connectie tussen deze curven en het daadwerkelijke waterschadegedrag van deze asfaltmengsels in de praktijk, en de tijdsduur waarover vochtschade zal optreden, hangt dan af van de filmdikte en de diffusiecoëfficiënt van de mastiek. Hier zal in het vervolg van dit onderzoek naar gekeken worden zodra de proefstukken met de verschillende waterconcentraties in het breukvlak (i.e. θ< ) getest zijn. Dit onderzoek is opgezet als een pilot project om een nieuwe testmethode voor waterschade gevoeligheid van asfaltmengsels te testen. Hierdoor is er een beperkt aantal proefstukken, materialen en condities meegenomen in het onderzoek. Het is dan ook zeker een aanbeveling om dit onderzoek in de toekomst verder uit te breiden voor verschillende condities (e.g. temperatuur, strain-rates, verouderde mastiek, etc) om een volledig beeld te krijgen voor de waterschade gevoeligheid van de geteste mengsels. 4. Referenties Kringos, N. and Scarpas, A. Ravelling of asphaltic mixes: Computational identification of controlling parameters. In: Transportation Research Record, Journal of the Transportation Research Board, No.1929, p.79, 2005 Kringos N., Scarpas A and Kasbergen C., Three Dimensional Elasto-Visco-Plastic Finite Element Model for Combined Physical-Mechanical Moisture Induced Damage in Asphaltic Mixes, Association of Asphalt Paving Technologists Journal, Volume 76. Kringos N., Modeling of Combined Physical-Mechanical Moisture Induced Damage in Asphaltic Mixes, PhD dissertation, TU Delft, ISBN 978-90-9021765-9, 2007 Kringos N. and Scarpas A. Determination of Moisture Susceptibility of Mastic-Stone Bond Strength and Comparison to Thermodynamical Properties, Journal Association of Asphalt Paving Technologists, 77, 2008 Kringos N. and Scarpas A., Physical and Mechanical Moisture Susceptibility of Asphaltic Mixtures, International Journal of Solids and Structures, Vol. 45, 2008, 2671-2685 Kringos N, Scarpas A. and Bondt de A. Fundamenteel Experimenteel en Numeriek Onderzoek naar Rafeling in ZOAB door Waterschade, Fase 1: Mastiek-Steen Bindingssterkte in de Aanwezigheid van Vocht, Proceedings CROW Infradagen, juni 2008 (in Dutch) Kringos N, Azari H and Scarpas A., Micro-Scale Finite Element Analysis of Moisture Infiltration in the Modified Lottman test, Transportation Research Record, Journal of the Transportation Research Board, accepted for publication, 2009. Scarpas A., CAPA-3D: A Mechanics Based Computational Platform for Pavement Engineering, ISBN 90-9019040-6, 2005 10