ONTWIKKELING VAN EEN PROEFMETHODE OM OP EEN OBJECTIEVE MANIER DE KLEUR VAN GEKLEURDE BITUMINEUZE VERHARDINGEN TE BEPALEN dr KATLEEN DENOLF, dr NATHALIE PIÉRARD, dr ANN VANELSTRAETE Opzoekingscentrum voor de Wegenbouw Summary Gekleurde asfaltverhardingen duiken de dag van vandaag meer en meer op in ons straatbeeld. Zo zijn gekleurde fietspaden al lang geen uitzondering meer maar eerder een regel. De kleur van gekleurde verhardingen vormt echter vaak een punt van discussie tussen opdrachtgever en aannemer. Een fietspad kan voor de opdrachtgever bruin lijken, terwijl de aannemer vindt dat hij een bordeaux fietspad heeft aangelegd. In dit onderzoek wordt er op zoek gegaan naar een objectieve methode om de kleur van bitumineuze verhardingen op te meten met behulp van een spectrofotometer. Het artikel behandelt enerzijds een meetmethode om de kleur van kernen te meten in het laboratorium, anderzijds wordt er een meetmethode voor het meten van kleur op werf beschreven. Verscheidene gekleurde kernen en asfaltverhardingen werden opgemeten. De resultaten werden geanalyseerd en hebben geleid tot een eerste opdeling in 10 verschillende kleurklassen. Les revêtements bitumineux colorés sont de plus en plus souvent appliqués aujourd hui sur nos routes. Ainsi, des pistes cyclables colorées ne sont plus une exception mais plutôt la règle. La couleur des revêtements colorés est cependant souvent un sujet de discussion entre le client et l'entrepreneur. Une piste cyclable pourra sembler "brune" pour le client, tandis que l'entrepreneur qui l a construit la trouvera "bordeaux". Dans cette recherche, une méthode objective pour mesurer la couleur des enrobés bitumineux à l'aide d'un spectrophotomètre a été recherchée. L'article présente deux méthodes de mesures : l une pour mesurer la couleur des carottes en laboratoire, l'autre pour déterminer la couleur des enrobés sur chantier. Plusieurs carottes et chaussées en asphalte coloré ont été mesurées. Les résultats ont été analysés et permis d établir une première classification des différents couleurs (10 classes ont ainsi été identifiées). 1
1. Inleiding 1.1 Perceptie van kleur De perceptie van kleur is afhankelijk van verschillende factoren: De observator: Het waarnemen van kleur is een subjectieve interpretatie van bepaalde prikkels en dus erg persoonsgebonden. Een gekleurde asfaltverharding die voor de ene persoon bruin is, kan voor iemand anders bordeaux zijn. De toestand van het object: Een nat wegdek heeft niet dezelfde kleur als een droog wegdek (zie figuur 1), een vuil wegdek kan lichter of donkerder lijken dan zijn propere variant, Figuur 1: Invloed van de toestand van het wegdek op de perceptie van de kleur. De lichtbron: De kleur van een wegdek is onder andere erg afhankelijk van de weersomstandigheden. Zo kan een wegdek in de zon rood lijken en in de schaduw donker bruin (zie figuur 2a). In figuur 2b worden twee foto s weergegeven van eenzelfde wegdek: in volle zon lijkt dit wegdek okerkleurig te zijn (foto links) terwijl ditzelfde wegdek in de schaduw grijs lijkt (foto rechts). (a) (b) Figuur 2: Invloed van de lichtbron op de perceptie van kleur. 2
De positie van de observator: De afstand tussen het object en de observator en de hoek waaronder de observator naar het object kijkt, kunnen een kleurwaarneming beïnvloeden. Vandaar dat het belangrijk is om deze parameters constant te houden. Verder is het niet evident om over kleur te communiceren. Zo is het bijvoorbeeld moeilijk om in woorden te beschrijven wat men met een bordeaux wegdek bedoelt. Men kan aangeven dat het om een donker rood wegdek gaat maar uiteindelijk is het moeilijk om deze kleur exact te beschrijven. Dit alles maakt dat het enerzijds voor een klant niet evident is om aan te geven welke kleur hij wenst voor zijn bitumineuze verharding, anderzijds is het voor een aannemer niet gemakkelijk om te begrijpen welke kleur er gevraagd wordt. Om een oplossing te bieden voor de hierboven vermelde problematiek werd er op zoek gegaan werd naar een objectieve methode om kleur te meten. In dit onderzoek wordt er gebruikt gemaakt van een spectrofotometer om kleur te meten en wordt kleur uitgedrukt met behulp van de L*a*b* kleurenruimte. 1.2 Spectrofotometers Het werkingsprincipe van een spectrofotometer (zie figuur 3) is eenvoudig: het toestel wordt op een object geplaatst, de ingebouwde lichtbron belicht het object en vervolgens wordt de gereflecteerde straling geanalyseerd. Dit resulteert in een waarde voor L*, a* en b*. Figuur 3: Spectrofotometer. L*, a* en b* zijn dimensieloze grootheden en worden de kleurcoördinaten genoemd. De helderheid van de kleur wordt weergegeven door L* en varieert tussen 0 (donker) en 100 (licht). De chroma of kleur wordt bepaald door a* en b*: +a* is de rode en -a* is de groene richting, +b* is de gele en b* is de blauwe richting (zie figuur 4). Er zijn geen grenzen vastgelegd voor a* en b*, maar globaal gezien kan men aannemen dat ze variëren tussen - 100 en +100. Het centrum van de bol weergegeven in figuur 4 is kleurloos. Naarmate de absolute waarde van a* en b* toeneemt, zal de verzadiging van de kleur toenemen. 3
Een spectrofotometer laat de keuze aan de gebruiker voor bepaalde instellingen zoals het type illuminant en de grootte het gezichtsveld (of viewing angle ). In deze studie werd er voor de D65 illuminant en het gezichtsveld van 10 gekozen (ref. 1). Figuur 4: L*a*b* kleurenruimte. Er bestaan twee types spectrofotometers: enerzijds deze met een 45 /0 geometrie (zie figuur 5a) en anderzijds deze met een d/8 geometrie (zie figuur 5b). Voor de 45 /0 geometrie valt het licht in onder een hoek van 45 t.o.v. de normaal op het oppervlak en wordt de gereflecteerde straling geanalyseerd onder hoek van 0 met de normaal op het oppervlak. In dit onderzoek werd er gebruik gemaakt van een 45 /0 spectrofotometer met circulaire belichting. Dit wil zeggen dat de belichting van het object onafhankelijk is van de richting van het object. De d/8 spectrofotometer zal het object op een diffuse manier belichten. Hiervoor wordt er gebruikt gemaakt van een bol ( Ulbrecht sphere ) die van binnen een witte coating heeft en die het invallende licht in alle richtingen verstrooit. De door het object gereflecteerde straling wordt geanalyseerd onder een hoek van 8 met de normaal op het oppervlak. (a) Observer (b) Observer 8 Circular illumination 45 Diffuse illumination Sample Sample Figuur 5: (a): 45 /0 geometrie; (b): d/8 geometrie. De textuur van een oppervlak heeft een invloed op de visuele perceptie van kleur. Omwille van de geometrie van een 45 /0 spectrofotometer zal de oppervlaktetextuur een invloed hebben op een kleurmeting met dit toestel. Dit is niet zo bij een d/8 spectrofotometer: de diffuse belichting zal ervoor zorgen dat schaduweffecten geen rol spelen. Twee stalen met 4
eenzelfde pigmentatie en een verschillende textuur, zullen door het menselijk oog en de 45 /0 spectrofotometer als verschillend gezien worden en door de d/8 spectrofotometer als gelijk beschouwd worden. 2. Meetmethodes In een eerste fase van deze studie werden de kleurmetingen op kernen en op werven uitgevoerd met de twee types spectrofotometers (45 /0 en d/8 geometrie) (ref. 1). Omwille van de heterogene en grove textuur van het asfalt en de beperkte diameter van het meetvenster (11 mm) konden de metingen uitgevoerd met de twee types spectrofotometers binnen de precisie van de proef meestal niet onderscheiden worden. Vandaar dat er werd besloten om enkel nog metingen uit te voeren met de spectrofotometer met de 45 /0 geometrie. 2.1 Meetmethode voor kernen Vooraleer een kern gemeten wordt, dienen eventuele bevuilingen verwijderd te worden met een harde borstel. De kern wordt vervolgens in vier kwadranten verdeeld en per kwadrant wordt er 1 meting uitgevoerd. De gemiddelde L*, a* en b* waarden van deze vier metingen worden beschouwd als de kleurcoördinaten van de kern (ref. 1). 2.2 Meetmethode voor werven Om de kleur van een asfaltverharding te meten, is het belangrijk dat het te meten oppervlak droog en proper is. Meestal zal een reiniging op de meetlocatie met een harde borstel volstaan, maar in sommige gevallen van ernstige bevuiling dient het oppervlak nat gereinigd te worden. De meting dient wel op een droog oppervlak te gebeuren. 2.2.1 Meetmethode voor wegen, fiets- en voetpaden Hierbij wordt er een onderscheid gemaakt tussen kleine (lengte < 50 meter) en grote werven (lengte 50 meter): Voor kleine wegen, fiets- en voetpaden (lengte < 50 meter) wordt de lengte van de sectie opgemeten (L). Er worden vijf vierkante oppervlakken van 20 cm bij 20 cm gemeten, verspreid over de gehele breedte van de weg bij verschillende lengtecoördinaten zoals afgebeeld in figuur 6. Voor grote wegen, fiets- en voetpaden (lengte 50 meter) wordt er iedere 10 meter een vierkant oppervlak van 20 cm bij 20 cm gemeten zoals afgebeeld in figuur 7. 5
Per vierkant worden er vier kleurmetingen uitgevoerd: één in ieder hoekpunt van het vierkant. Een houten frame van 20 cm bij 20 cm is hierbij een handig hulpmiddel (zie figuur 8). Een meting wordt gedefinieerd als het gemiddelde van deze vier meetpunten: L = a = b = (1) (2) (3) Waarbij (,, ), (,, ), (,, ) en (,, ) de kleurcoördinaten voorstellen van ieder hoekpunt in het houten kader. 1 2 3 4 5 0 m L/5 m 2L/5 m 3L/5 m 4L/5 m L m Figuur 6: Schema voor kleine wegen, fiets- en voetpaden. 1 1 2 2 3 3 4 0 m 10 m 20 m 30 m 40 m 50 m 5 60 m 70 m 80 m Figuur 7: Schema voor grote wegen, fiets- en voetpaden. 6
Figuur 8: Vierkant oppervlak van 20 cm bij 20 cm. De kleurcoördinaten van de ganse werf worden bekomen door het gemiddelde te nemen van alle metingen. Voor een werf met n metingen worden de kleurcoördinaten dus als volgt bepaald: = (4) = (5) = (6) 2.2.2 Meetmethode voor pleinen Hierbij wordt er een onderscheid gemaakt tussen kleine (oppervlakte < 2500 m²) en grote pleinen (lengte 2500 m²): Voor kleine pleinen (oppervlakte < 2500 m²) worden er vijf vierkante oppervlakken van 20 cm bij 20 cm gemeten, verspreid over het plein zoals afgebeeld in figuur 9. Voor grote pleinen (oppervlakte 2500 m²) wordt de totale oppervlakte van het plein, S, bepaald en gedeeld door 2500 m². Vervolgens wordt de bekomen waarde, x, afgerond tot een natuurlijk getal, n, wat het aantal delen voorstelt waarin het plein onderverdeeld dient te worden. De delen worden zo gekozen dat de oppervlakte van ieder deel ongeveer gelijk is. Per deel worden vijf vierkante oppervlakken van 20 cm bij 20 cm gemeten, verspreid over het deel zoals afgebeeld in figuur 9. Per vierkant worden vier meetpunten genomen: één in ieder hoekpunt van het vierkant. Een houten frame van 20 cm bij 20 cm is hierbij een handig hulpmiddel (zie figuur 8). Een meting wordt gedefinieerd als het gemiddelde van deze vier meetpunten (zie formule 1, 2, 3). De kleurcoördinaten van de ganse werf worden bekomen door het gemiddelde te nemen van alle metingen (zie formule 4, 5, 6). 7
B 3B/4 B/2 B/4 0 L/4 L/2 3L/4 L Figuur 9: Schema proefmethode voor pleinen. 3. Kleurklassen Het finale doel van deze studie is om eisen voor L*, a* en b* voor een aantal kleurklassen vast te leggen. Om hiertoe te komen werden de metingen op kernen en deze op werven samen gezet. In totaal werden er 111 verschillende kernen opgemeten en vonden er 24 kleurmetingen op werf plaats. Om de kleur van de kernen visueel te bepalen werd er een lichtkast gebruikt met een D65 lichtbron naar analogie met de instellingen van de spectrofotometer. De kleur van de werven werd visueel ter plaatse bepaald. Op basis van deze visuele waarnemingen konden er 10 voorlopige kleurklassen onderscheiden worden: groen, blauw, zwart, donker grijs/bruin, licht grijs, grijs-beige, beige, oker, roos en rood. Kleurklasse Grenzen L* Grenzen a* Grenzen b* 1 groen 31 < L* < 33-3,9 < a* < -3,1 11 < b* < 11,9 2 Blauw* 3 zwart 23 < L* < 24 0,1 < a* < 0,2-0,1 < b* < 1,5 4 donker grijs/bruin 27 < L* < 45 0,3 < a* < 3,3 3,4 < b* < 8,9 5 licht grijs 49 < L* < 69 0,9 < a* < 3,1 9,7 < b* < 11,7 6 grijs-beige 48 < L* < 54 2,5 < a* < 3,9 13,7 < b* < 16,7 7 beige 44 < L* < 68 2,8 < a* < 10 17 < b* < 31,3 8 oker 37 < L* < 43 7,4 < a* < 10,1 23,2 < b* < 28,8 9 roos 36 < L* < 39 4,7 < a* < 6,6 7,4 < b* < 11,0 10 rood 25 < L* < 40 9,9 < a* < 22,4 7,8 < b* < 16,3 * Er worden geen grenzen weergegeven omdat er maar 1 kern beschikbaar was Tabel 1: Voorlopige grenzen kleurklassen. De resultaten van de kleurmetingen op kernen en op werf staan samengevat in figuur 10 en 11. Een voorlopige opdeling in kleurklassen kan ook terug gevonden worden in deze figuren. De voorlopige grenzen voor iedere kleurklasse staan samengevat in tabel 1. Hieruit blijkt dat 8
er een onderscheid kan gemaakt worden tussen de kleurklassen en dat de visuele perceptie goed overeen komt met de kleurmetingen. In de toekomst zullen er bijkomende kernen en werven opgemeten worden om de grenzen van de kleurklassen verder te preciseren. Er zal ook nader bekeken worden hoe er met de toleranties op de kleurmetingen zal omgegaan worden. Figuur 10: b* als functie van a* voor metingen op kernen (ο) en op werf (). 9
Figuur 11: L* als functie van a* voor metingen op kernen (ο) en op werf (). 4. Conclusies Er werden meetmethodes ontwikkeld om op een objectieve manier de kleur van kernen en werven te bepalen aan de hand van een spectrofotometer met een 45 /0 geometrie. Deze meetmethodes werden toegepast op verscheidene kernen en werven met een eerste opdeling in 10 verschillende kleurklassen als gevolg. Er is bijkomend onderzoek nodig om de grenzen van de verschillende kleurklassen verder te preciseren en om na te gaan hoe er met de toleranties op de kleurmetingen dient omgegaan te worden. Dankbetuiging Dit onderzoek werd mogelijk gemaakt mede dankzij de financiële steun van het Bureau voor Normalisatie voor het project CC-CCN/PN/NBN 707/757 Développement des essais de performance pour les revêtements bitumineux colorés et détermination de leurs performances. Daarnaast gaat onze dank naar de aannemers die ons gekleurde asfaltkernen en werven doorgegeven hebben. 10
Referenties [1] Development of a research method to objectively determine the colour of coloured asphalts; K. Denolf, N. Piérard, A. Vanelstraete; Proceedings of Eurasphalt & Eurobitume Congress (13-15 june 2012, Istanbul). 11