Postbus 1 Tel 0229 547700 1633 ZG Avenhorn Fax 0229 547701 www.ooms.nl/onderzoek Research & Development - Publicatie dr.ir. N. Kringos dr.ir. A. Scarpas dr.ir. A.H. de Bondt FUNDAMENTEEL EXPERIMENTEEL EN NUMERIEK ONDERZOEK NAAR RAFELING IN ZOAB DOOR WATERSCHADE CROW Infradagen, Delft Juni 2008
Fundamenteel Experimenteel en Numeriek Onderzoek naar Rafeling in ZOAB door Waterschade Fase 1: Mastiek-steen bindingssterkte in de aanwezigheid van vocht Dr. ir. Niki Kringos (Sectie ConstructieMechanica, Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen,TU Delft) Dr. ir. Tom Scarpas (Sectie ConstructieMechanica, Faculteit Civiele Techniek en Geowetenschappen,TU Delft) Dr. ir. A. de Bondt (Ooms Nederland Holding bv) Samenvatting Rafeling is een complex fenomeen waarbij zowel de watergevoeligheid van de mastiek-steen hechting en de watergevoeligheid van de mastiek zelf een belangrijke rol spelen. In deze bijdrage worden de conclusies van de eerste fase van het DWW project 2971 samengevat. De doelstelling van deze fase van het project was de ontwikkeling en implementatie van een procedure waarmee de binding tussen de steen en de mastiek in de aanwezigheid van vocht kan worden geoptimaliseerd. Hierbij wordt een koppeling gemaakt tussen vochtdiffusie, mechanische schade in de mastiek-steen binding en thermodynamische eigenschappen van de materialen. Een zestal mastiek-steen combinaties zijn gekozen binnen welk tijdsbestek het vocht dusdanig in de mastiek-steen interface geïnfiltreerd is, om in staat te zijn de bindingsterkte te degraderen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van mechanische trekspanning experimenten, moleculaire vochtabsorptie experimenten en eindige elementen simulaties met RoAM, als subsysteem van CAPA-3D. Vervolgens is een thermodynamische selectieprocedure ontwikkeld voor de asfaltmengsel componenten, die zal bijdragen aan een verbeterde methode om stenen, bitumen en vulstoffen van te voren te screenen om zo de ZOAB weerstand tegen waterschade te maximaliseren. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van oppervlakte-energie metingen en thermodynamische berekeningen. De voorkeursranking van mastiek-steen combinaties die volgt uit beide procedures is vervolgens vergeleken. Uit de resultaten van Fase I van dit project blijkt dat de voorgestelde snelle thermodynamische materiaalselectie procedure goed in staat is 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 meest optimale mastieksteen combinaties om waterschade tegen te gaan kan alleen gemaakt worden als tevens de verzwakking van de mastiek zelf onderzocht wordt. Dit zal in Fase 2 van het project gedaan worden. 1
1. Introductie project DWW-2971 De maatgevende schadevorm in ZOAB deklagen is het vroegtijdige steenverlies uit het asfalt mengsel (genoemd rafeling of stripping van het ZOAB), wat is uitgegroeid tot de belangrijkste kostenpost in het jaarlijkse Rijkswaterstaat onderhoud van wegdekken. Rafeling is een complex fenomeen waarbij zowel de watergevoeligheid van de mastiek-steen hechting en de watergevoeligheid 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 materialen in ZOAB toegepast worden die hun initiële sterkte, waarop het wegdek ontworpen is, zo lang mogelijk zullen behouden onder de belasting van zowel verkeer als vocht in de tijd. Tijdens het recentelijk afgeronde promotie onderzoek aan de TU Delft [Kringos, 2007] in samenwerking met Ooms Nederland Holding en het onderzoekslaboratorium van de Amerikaanse Federal Highway Administration (FHWA) [Kringos et.al 2008(a)], zijn nieuwe experimentele methodes en eindige elementen technieken ontwikkeld, die toegespitst zijn op de simulatie en voorspelling van waterschade in asfaltmengsels. In dit project (DWW-2971) wordt in twee Fases, voor de eerste keer, de ontwikkelde technieken toegepast op de Nederlandse situatie en de Nederlandse ZOAB mengsels [Kringos et.al 2007]. De doelstellingen van dit 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; 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. Een zestal mastiek-steen combinaties zijn gekozen binnen welk tijdsbestek het vocht dusdanig in de mastiek-steen interface geïnfiltreerd is, om in staat te zijn de bindingsterkte te degraderen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van mechanische trekspanning experimenten, moleculaire vochtabsorptie experimenten en eindige elementen simulaties met RoAM, als subsysteem van CAPA-3D. Vervolgens is een thermodynamische selectieprocedure ontwikkeld voor de asfaltmengsel componenten, die zal bijdragen aan een verbeterde methode om stenen, bitumen en vulstoffen van te voren te screenen om zo de ZOAB weerstand tegen waterschade te maximaliseren. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van oppervlakte-energie metingen en thermodynamische berekeningen. De voorkeursranking van mastiek-steen combinaties die volgt uit beide procedures wordt vervolgens vergeleken. 2. Materiaal gebruik In dit project worden materialen gebruikt die in huidige ZOAB mengsels worden gebruikt of in het verleden zijn toegepast en waar dus praktijk ervaring is over het optreden van rafeling schade. Gezien de randvoorwaarden qua tijd en middelen is binnen dit project een beperkt aantal asfalt componenten onderzocht, waarbij er een voldoende variatie qua materialen types aangebracht is om de voorgestelde methodiek te kunnen demonstreren. Er is één type grovere vulstof (het zand) onderzocht. Voor de stenen worden twee soorten aggregaat onderzocht: een zandsteen en een granieten steen. Uit de praktijk is gebleken dat de granieten steen een grotere stripper is dan de zandsteen. Voor de bitumen wordt een standaard, een ligt polymeer gemodificeerd en een hooggemodificeerd bitumen onderzocht. Voor de fijne 2
vulstoffen wordt een standaard en een betere vulstof onderzocht. In dit project worden de resultaten van de trekspanning proeven en de thermodynamische materiaal selectie procedure altijd vergeleken met de verwachte resultaten uit het praktijk gedrag van de materialen. Voor de bitumen wordt Pen 70/100, Cariphalte XS en Sealoflex 5-50(PA) gebruikt. Voor het bereiden van de mastieken, is Wigras 60 en een vulstof met hydroxide (Wigro 60k) als vulstof en Noors brekerzand als toegevoegd zand gebruikt. De twee stenen die onderzocht worden is een Bestone (zandsteen uit de Bremanger Quarry in Noorwegen) en een Schots Graniet. In Tabel 1 staan de vier verschillende mastiek types die in dit onderzoek behandeld worden. 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) De steen-mastiek combinaties die onderzocht zijn: Combi I: Mastiek I & graniet Combi II: Mastiek I & bestone Combi III: Mastiek II & bestone Combi IV: Mastiek III & bestone Combi V: Mastiek IV & graniet Combi VI: Mastiek IV & bestone De keuze voor deze onderzochte combinatie van materialen is gemaakt in overleg met DWW. 3. Procedure om de optimale mastiek-steen bindingssterkte te bepalen Om de mastiek-steen bindingssterkte te bepalen, wordt een dunne laag mastiek geadheerd aan een stenen blok. Het proefstuk wordt vervolgens geconditioneerd in een waterbad, waar het water de steen-mastiek interface alleen kan bereiken via de steen, zodat een gecombineerde verzwakking van zowel de mastiek als the bindlaag vermeden wordt. De mastiek-steen bindingssterkte wordt vervolgens in kaart gebracht door met een MTS trek-opstelling de bindingsterkte te meten, nadat de proefstukken voor verschillende tijden in het waterbad geconditioneerd zijn. Uit de bindingssterkte metingen voor de verschillende conditioneringtijden kan de reductie van de bindingssterkte van de mastiek-steen als functie van de conditioneringtijd worden bepaald. Hieruit kan echter nog geen conclusie worden getrokken ten aanzien van welke mastiek-steen combinatie het beste is, omdat deze relatie nog afhankelijk is van de hoeveelheid vocht die door de steen naar de mastiek-steen binding infiltreert. Om deze reden wordt in dit onderzoek de vochtabsorptie karakteristieken van de stenen onderzocht, waaruit de vocht diffusiecoëfficiënten van de stenen volgt. Voor beide steen types wordt vervolgens een eindige elementen analyse uitgevoerd met RoAM [Kringos 2007], de Raveling of Asphaltic Mixes software die ontwikkeld is in de Sectie Constructiemechanica in het raamwerk van CAPA-3D [Scarpas 2004]. In deze analyses wordt de hoeveelheid vocht 3
berekend die, ten tijde van het meten van de bindingssterkte, in de mastiek-steen interface geïnfiltreerd was. Door de resultaten van de bindingssterkte metingen als functie van de conditioneringtijden, Figuur Bond strength Moisture content in IF mm (b) 37 h (a) Figuur 1: Bindingsterkte als functie van de vochtconcentratie 1(a), te combineren met de vochtconcentratie toename in de mastiek-steen interface als functie van conditioneringtijd, Figuur 1(b), kan de relatie tussen de degradatie van de bindingssterkte en de vochtconcentratie gelegd worden, Figuur 1(c). De bindingssterkte versus vochtconcentratie relatie is een zeer belangrijke relatie die onafhankelijk is van de geometrie van de proefstukken en de conditionering randvoorwaarden en waaruit bepaald kan worden welke materialen de beste weerstand geven tegen waterschade in de mastiek-steen binding. Deze relatie kan vervolgens in een FEM levensduur analyses gebruikt worden, waarbij de vochtinfiltratie, overeenkomstig met de praktijk, door de mastiekfilm infiltreert. Om deze analyses uit te voeren worden in dit project tevens de vochtinfiltratie karakteristieken van de 4 mastiek types bepaald en worden deze gebruikt in de eindige elementen analyse waarbij de mastiek dikte variabel wordt gehouden. 4. Bindingssterkte versus tijd in het waterbad Materiaalpreparaties Bond strength (c) Moisture content in IF Het steenslagoppervlak is gezaagd, gereinigd met hogedrukspuit en 48 uur gedroogd in een geventileerde stoof op 60 C, verhit tot 300 C en vervolgens afgekoeld. De schijven worden opgewarmd tot de mengtemperatuur van het betreffende mastiek. Op de hete schijven komt een 4 mm dikke vulmal te liggen en deze wordt volgegoten met mastiek, eventuele oneffenheden worden weggewerkt met een spatel en een heteluchtföhn, Figuur 2. Na afkoelen gaat de vulring van de steen af en worden de (koude) stalen schijven verlijmd op het mastiek. Alle proefstukken worden vervolgens gedurende een (a) (b) vaste tijd bij 18 ± 2 C opgeslagen. Figuur 2:Bereiding proefstukken 4
In Figuur 3 zijn de afmetingen van de proefstukken schematisch weergeven. Blootstelling aan water vindt plaats door de proefstukken met de steenslagkant in een bak met gedestilleerd water te plaatsen. De waterdiepte wordt constant gehouden. Het wateroppervlak bevindt zich onder de mastieklaag. De bak wordt geplaatst in een open ruimte met een temperatuur van 18 ± 2 C. In totaal worden 6 mastiek-steen types getest op 4 laag mastiek 4 mm verschillende 150 mm 100 mm conditioneringtijden (0, 2, 4 en 6 weken). Alle testen worden 20 mm bestone/granieten schijf driemaal uitgevoerd. Dit betekent een totaal van 72 proefstukken. waterbad Figuur 3: Afmetingen proefstuk (a) (b) De hechtsterkte wordt bepaald met behulp van een hydraulisch vijzel. Gebruik makend van de benodigde hulpstukken wordt de steenslagschijf van de mastiek getrokken. Dit gebeurt bij constante belasting/verplaatsingsnelheid van 0.05 mm/s en temperatuur van 18 ± 2 C. Tijdens de proef wordt de rek gemeten, Figuur 4. Figuur 4: (a) Proefstukken (b) MTS opstelling Resultaten trekspanning experimenten Per mastiek-steen combinatie en conditioneringtijd zijn 3 proefstukken getest. Alle proeven zijn uitgevoerd bij een constante belasting/verplaatsingsnelheid van 0.05 mm/s en temperatuur van 18 ± 2 C. Alleen proefstukken die adhesief falen worden meegenomen in de analyse. Over het algemeen was de herhaalbaarheid van het experiment vrij goed, op een enkele uitzondering na, met een standaard deviatie voor de hechtsterkte metingen van ± 0.02. De gemiddelde maximale trekspanning voor alle proefstukken staat samengevat in Tabel 2. Een overzicht van alle data is te vinden in [Kringos et.al, 2007, 2008(b)] Tabel 2: Samenvatting trekspanningsproeven COMBI S [MPa] 0 wk 2 wk 4 wk 6 wk 1 1.28 0.97 0.96 0.69 2 1.79 1.29 1.22 0.99 3 1.15 1.09 1.06 1.00 4 0.94 0.77 0.74 0.69 5 1.15 0.89 0.84 0.83 6 1.24 0.97 0.91 0.90 Alle mastiek-steen combinatie hebben een initiële (droge) breuksterkte van 0.9 1.8 MPa en een breukenergie van 0.4 0.9 Nmm/mm 2. Omdat het belangrijk is om de sterktereductie versus vochtconcentratie te weten, worden eerst vocht diffusie simulaties uitgevoerd. 5
Eindige elementen simulaties Voor de meting van de vochtabsorptie karakteristieken van de twee soorten stenen, worden de stenen voor 150 uur in een waterbad ondergedompeld. De gewichtstoename van de stenen wordt regelmatig gemeten met een microbalans totdat deze stabiel blijft. Door toepassing van Fick s law op de data worden de diffusie coëfficiënten voor bestone en graniet, respectievelijk, gevonden als 0.72 en 0.44 θ mm 2 /hr. Voor de simulatie van de 0.0 vochtinfiltratie in de steen, wordt de steen gemodelleerd met het eindige elementen programma RoAM/CAPA-3D. Door symmetrie overwegingen hoeft enkel een kwart van de steen daadwerkelijk gesimuleerd te worden. In de simulaties worden de geometrie van de steen en het 1.0 waterniveau overeenkomstig met de proefstukken aangepast, Figuur 5. Figuur 5: Water infiltratie simulatie Uit de analyses wordt vervolgens de vochtconcentratie in de mastiek-steen interface locatie ten tijde van het uitvoeren van de trekspanning test bepaald. Mastiek-steen bindingssterkte versus vochtconcentratie Door het combineren van de breukspanning metingen en de FEM simulaties, kan de fundamentele bindingssterkte versus vochtconcentratie relatie bepaald worden waarbij de geometrie en de tijd geen rol meer spelen. Om de waterschade gevoeligheid van de mastieksteen combinaties nog beter in kaart te brengen wordt een waterschade functie opgesteld: S( θ) ds ( θ ) = 1 (1) S0 waarbij S 0 de initiële (droge) bindingssterkte is. Voor ds ( θ ) = 0.0 is er geen waterschade opgetreden en voor ds ( θ ) = 1.0 is er een dusdanige waterschade opgetreden dat de mastieksteen binding zijn gehele binding heeft verloren. Deze functie is geplot voor elke mastieksteen combinatie, Figuur 6. Deze functies zijn belangrijk om de daadwerkelijke reductie van de droge mastiek-steen hechtsterkte onderling te kunnen vergelijken. Wat van groot belang is in de bepaling van waterschade gevoeligheid van asfalt mengsels, is de tijdsduur waarop waterschade een rol gaat spelen in de uiteindelijke performance. Hiervoor is het van belang om de tijdsduur vast te stellen waarop de mengsels, 10%, 20% -100% van hun bindingssterkte zouden verliezen als ze aan vocht blootgesteld zijn. Details van de levensduur analyse van de zes mastiek-steen combinaties kunnen nagelezen worden in [Kringos et.al, 2007, 2008(b)]. Uit Figuur 6 kan gehaald worden 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. 6
Damage_S [-] 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 Combi 1 Combi 2 Combi 3 Combi 4 Combi 5 Combi 6 0.1 0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Moisture content [-] Figuur 6: Waterschade gevoeligheidsfuncties 5. Verbeterde materiaal selectieprocedure Om tot een optimale mastiek-steen bindingssterkte te komen, in de aanwezigheid van vocht, moet ten eerste zorg worden gedragen dat er een mastiek-steen combinatie gekozen wordt die een stabiele binding met elkaar maken, zelfs in de aanwezigheid van vocht. Dit wordt in dit project in kaart gebracht door het meten van de oppervlakte energie van de componenten, waardoor het mogelijk wordt om de adhesie kwaliteit van de binding in de aanwezigheid van water te berekenen. Voor een uitgebreide theoretische achtergrond wordt de lezer verwezen naar [Kringos et.al 2007]. Om de mogelijkheid te verkleinen dat een adhesieve breuk in de steen-mastiek binding vroegtijdig optreedt door waterinfiltratie, moet de mate waarin de steen een binding met het water prefereert over een binding met de mastiek worden geminimaliseerd. Dit kan uitgedrukt worden in een ratio dat aangeeft in welke mate de steen een binding met de mastiek prefereert over een binding met het water: IFT ( steen water) IFT _RATIO = (2) IFT(steen mastiek) De IFT (interfacial tension) waarden worden berekend uit de oppervlakte energie van de componenten. Voor het optimaliseren van de waterschade weerstand moeten materialen geselecteerd worden met een zo hoog mogelijk IFT_RATIO. (a) (b) Figuur 7: Oppervlakte energie metingen (a) mastiek (b) bestone 7
De oppervlakte-energie van de mastiek en de stenen is gemeten met de Sessile Drop methode. Deze methode houdt in dat een druppel van 2 μl op het oppervlak van het onderzochte materiaal aangebracht wordt, waarna direct de omtrek van de druppel optisch vastgelegd wordt, Figuur 7. De vorm van de druppels van de drie testvloeistoffen wordt vervolgens optisch geanalyseerd waaruit de oppervlakte energie wordt berekend. Hieruit kunnen vervolgend de adhesie energie (WOA) en de IFT waarden berekend worden voor de verschillende mastiek-steen combinaties. Om de optimale mastiek/bitumen-steen combinatie zichtbaar te maken, zijn de gemeten waarden in Figuur 8 uiteengezet, waarbij op de horizontale as de WOA en op de verticale as de weerstand tegen het optreden van waterschade (de IFT_RATIO) staat uitgezet. Weerstand tegen waterschade [-] 0.20 0.19 0.18 0.17 0.16 0.15 0.14 0.13 Graniet/Mastiek IV (Combi 5) Bestone/Mastiek III (Combi 4) Bestone/Mastiek IV (Combi 6) Bestone/Mastiek I (Combi 2) Bestone/Mastiek II (Combi 3) 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) WOA [mn/m] Figuur 8: Optimale mastiek steen combinaties Uit Figuur 8 volgt dat Combi 6 en 3 het minst gevoelig zijn voor vochtinfiltratie en Combi 1 en 5 het meest. 6. Vergelijking thermodynamische ranking met trekexperimenten In de voorgaande paragrafen zijn de zes mastiek-steen combinaties op twee verschillende wijzen onderzocht op hun geschiktheid om rafeling schade te weerstaan. De eerste methode combineert trekspanning experimenten met vochtdiffusie simulaties om de bindingssterkte als functie van vochtconcentratie in kaart te brengen. De tweede methode bepaalt de thermodynamische eigenschappen van de oppervlakte van de stenen en de mastiek combinaties, om tot de meest geschikte combinatie en meest stabiele combinatie in de aanwezigheid van vocht te komen. Uit de thermodynamische ranking volgt dat verwacht wordt dat Combi 1 en Combi 5 (de twee mengsels met de granieten aggregaat) de slechte rafelingweerstand zullen geven, Combi 6 en Combi 3 de beste rafelingweerstand hebben en Combi 2 en Combi 4 een gemiddelde rafelingweerstand zullen geven. Uit de trekspanning experimenten volgt dat Combi 1 en Combi 2 (de twee mengsels met de 70/100 bitumen) de slechte waterschade weerstand zullen hebben, Combi 6 en Combi 3 de beste rafelingsweerstand zullen geven en Combi 4 en 5 een gemiddelde rafelingsweerstand zullen geven. Wat hieruit blijkt is dat de thermodynamische selectie procedure redelijk goed in staat is om de best gedragende en de slechts gedragende mastiek-steen combinatie te identificeren. 8
De enige mastiek-steen combinatie waarin er een zeer groot verschil in ranking blijkt te zijn, is Combi 5, de hooggemodificeerde bitumen met de granieten steen. Uit de trekspanning experimenten volgt dat deze combinatie geen slecht gedrag vertoont onder toename van de waterconcentratie, terwijl de thermodynamische selectieprocedure deze combinatie als op één na slechtste beschouwt. Een verklaring hiervoor kan gevonden worden in het feit dat het hooggemodificeerd bitumen waarschijnlijk verder indringt in het granieten steenoppervlak, en een sterkere binding aangaat dan de Lifshitz-van der Waals en zuur-base bindingen, waaruit de oppervlakte energieën bepaald worden. Hieruit zou dus geconcludeerd kunnen worden dat het gedrag van hooggemodificeerd bitumen met een slechte aggregaat onderschat wordt in de thermodynamische selectie procedure. Tenslotte, als laatste observatie, kan de gemeten breukenergie met de thermodynamische work of adhesion (WOA) waarden uit vergeleken worden: Tabel 3: vergelijking WOA uit twee methodes Bond energie [N/m] MTS thermodynamic factor Combi 1 610 4.02E-02 1.52E+04 Combi 2 920 5.28E-02 1.74E+04 Combi 3 400 5.64E-02 7.10E+03 Combi 4 410 4.94E-02 8.30E+03 Combi 5 590 3.76E-02 1.57E+04 Combi 6 540 5.09E-02 1.06E+04 Uit Tabel 3 wordt duidelijk dat er kwantitatief een verschil van orde grootte 10 3-10 4 tussen de thermodynamische WOA en de gemeten breukenergie zit. Een verklaring hiervoor kan als volgt gegeven worden: de kwaliteit van de binding tussen de mastiek en de stenen hangt in grote mate af van de wetting van de mastiek op de steen (i.e. de spreiding van de mastiek op het steenoppervlak). Deze wetting staat in direct verband met de thermodynamische waarden van de stenen en de mastiek. Hoe beter het contact tussen de mastiek en de stenen gedurende de fase waarin de mastiek vloeibaar is, hoe meer mogelijkheden voor de mastiek op in het oppervlak van de steen in te drinken en zogeheten ankers te vormen. Deze ankers geven, als het mengsel vast geworden is, de mechanische sterkte van de binding, die dus vele malen hoger is dan de thermodynamische WOA. Met andere woorden: de thermodynamische waarden kunnen gebruikt worden om een zo optimale mastiek-steen combinatie te kiezen die zoveel mogelijk hydrofoob is (i.e. niet wil binden met water), maar de waarde van de mechanische sterkte is daaruit niet af te leiden. 7. Conclusies en aanbevelingen Uit het onderzoek blijkt dat de voorgestelde, relatief eenvoudige, thermodynamische selectie procedure, waarbij geen trekspanning experimenten worden uitgevoerd, maar waarbij de oppervlakte energieën van de asfaltmengsel componenten individueel bepaald worden om tot een maximale binding te komen, zeer goed in staat is om geschikte en minder geschikte combinaties te selecteren voor het tegengaan van waterschade in de mastiek-steen binding en dus zeker bij zal dragen aan een betere materiaalselectie om slechte beginkeuzes te voorkomen. Bij het uitvoeren van de voorgestelde thermodynamische selectie procedure kunnen de materialen gekozen worden die de beste rafelingsweerstand zullen geven, door de volgende aspecten in acht te nemen: de stenen met een zo laag mogelijke polariteit zullen een betere waterschade weerstand hebben; de mastiek soorten met een zo hoog mogelijke polariteit zullen een betere binding aangaan met de stenen; 9
de affiniteit van de steen om een binding aan te gaan met water (i.p.v. met de mastiek) moet zo veel mogelijk geminimaliseerd worden. Dit kan gedaan worden door stenen te selecteren die een zo hoog mogelijke IFT waarde met water hebben; door het nader bij elkaar brengen van de polariteit van de asfaltmengsel componenten zullen gunstigere bindingsomstandigheden gecreëerd worden, die een hogere weerstand hebben tegen het optreden van waterschade. bij het toepassen van een steen met zeer hoge polariteit is het te allen tijde aan te raden om een PMB gemodificeerd bitumen te gebruiken. De waterschade gevoeligheidsfuncties, die in dit project bepaald zijn voor de zes onderzochte mastiek-steen combinaties, zijn van groot belang om de daadwerkelijke reductie van de initiële (droge) mastiek-steen hechtsterkte in kaart te kunnen brengen en onderling te kunnen vergelijken. Het is van essentieel belang om de vocht absorptie karakteristieken (i.e. maximale verzadigingsgraad en diffusiecoëfficiënt) van de toegepaste mastiek in ZOAB te bepalen. Uit dit onderzoek is gebleken dat de Pen 70/100 bitumen en de Wigras 60 vulstof een 200x zo hoger maximale verzadigingsgraad heeft dan de overige onderzochte mastiek soorten. Dit kan enorme gevolgen hebben voor het vroegtijdig optreden van rafeling in ZOAB mengsels. Het moet in gedachten worden gehouden dat de vochtconcentraties die in de praktijk de mastiek-steen binding bereiken afhankelijk zullen zijn van de vochtabsorptie karakteristieken van de mastiek, en dat deze uiteindelijk bepalend zijn voor zowel de hoeveelheid schade die op zal treden in de hechtsterkte als de tijdsduur waarover dit gebeurd. Het zou bijvoorbeeld zo kunnen zijn dat een zeer sterkte, niet vochtgevoelige, mastiek-steen combinatie een zeer vochtgevoelige mastiek heeft, waardoor een vroegtijdige cohesieve breuk (i.e. in het mastiek zelf) tot rafeling schade kan optreden, of visa versa. Het is dus voorbarig om definitieve conclusies te trekken op basis van de resultaten van Fase I alleen. Sterkte Adhesie breuk in de mastiek-steen binding Cohesie breuk in de mastiek Vochtgehalte De definitieve conclusies over de meest optimale mastiek-steen combinaties om waterschade tegen te gaan kan alleen gemaakt worden als tevens de verzwakking van de mastiek zelf onderzocht wordt. In Fase II zal de vochtgevoeligheid en de tijdsduur waarop waterschade in de mastiek zelf zal optreden onderzocht worden. De uiteindelijke ranking ten aanzien van vochtgevoeligheid van de onderzochte mastiek-steen combinaties kan dus pas gemaakt worden als de adhesieve schade functie gecombineerd wordt met de cohesieve vochtschade functie, Figuur 9. Figuur 9: Bepaling weerstand tegen rafeling 8. Referenties Scarpas, A Mechanics Based Computational Platform for Pavement Engineering, TU Delft publication, ISBN 90-9019040-6, 2004 Kringos N., Modeling of Combined Physical-Mechanical Moisture Induced Damage in Asphaltic Mixes, PhD dissertation, June 2007, TU Delft, ISBN 978-90-9021765-9 Kringos N., Scarpas A en de Bondt A. Eindrapportage DWW-2971, juli 2007 Kringos N., Scarpas A., Copeland A. and Youtcheff J., Modeling of combined physical-mechanical moisture induced damage in asphaltic mixes- Part 2: moisture susceptibility parameters, International Journal of Pavement Eng, Vol 9, 2008(a), 129-151 Kringos N, Scarpas A. and Bondt, A. de. Determination of Moisture Susceptibility of Mastic-Stone Bond Strength and Comparison to Thermodynamical Properties, Journal Association of Asphalt Paving Technologists, Vol. 77, 2008(b). 10