Inhoudsopgave - Asfaltblij · Asfaltkunde, Inhoudsopgave, maart 2006 1 Inhoudsopgave Inhoudsopgave...

Asfaltkunde, Inhoudsopgave, maart 2006

1

Inhoudsopgave

Inhoudsopgave Verantwoording

Voorwoord

Module 1: De piramiden

Module 2: Mengselopbouw

Module 3: Mechanica van de verharding

Module 4: Mechanica van mengsels

Module 5: Mengselontwerpmethoden

Bijlage 5: Case N249

Module 6: Aggregaten

Module 7: Functie van bindmiddelen

Module 8: Interactie bindmiddelen / vulstof

Module 9: Speciale mengsels

Module 10: Productie en verwerking

Asfaltkunde, verantwoording en dankwoord, maart 2006 1

Verantwoording

Verantwoording en Dankwoord Moderne wegenbouwtechniek vraagt inzicht in verbanden tussen de samen-stelling en functie van asfaltmengsels in een verharding. Dit inzicht moet worden verworven, uitgedragen en toegepast. De cursus Asfaltkunde hoopt hier in belangrijke mate aan bij te dragen. Asfaltmengsels dienen tegemoet te komen aan de eisen die de gebruiker en belanghebbende aan een asfaltverharding stelt. De automobilist wil zich vlug veilig en voordelig kunnen verplaatsen, de werkzaamheden op een bedrijfsvloer moeten ongestoord voortgaan. Belanghebbenden zijn er velen. Zo is er de beheerder, zijn er de omwonenden, is er de belastingbetaler. Ook ‘de maatschappij’ is een belanghebbende. Hierbij valt te denken aan initiatieven als Duurzaam Bouwen, en aan het belang van inzet van secundaire (of bij-) producten van industriële processen (hergebruik). De technologie van asfaltmengsels is de wetenschap die ons in staat stelt de gevraagde mengsels te maken. Zelfs zo te maken dat ze kosten effectief zijn, niet belastend zijn voor het milieu, onderhoudsarm zijn, file voorkomen, en zo voort. Natuurlijk zijn een aantal van deze eisen onderling tegenstrijdig. Het maken van de juiste technische keuze, binnen deze steeds veranderende set van eisen, is een belangrijk onderdeel van Asfaltkunde. De cursus ‘Asfaltkunde’ heeft tot doel inzicht te geven in de vertaling van de eisen en wensen van gebruikers en maatschappij naar eisen aan de verhardingsconstructie. Daarbij wordt het hele traject doorlopen: van de volwaardige constructie tot het niveau van grond- en bouwstof. En vervolgens retour: van bouwstof tot constructie. De cursus is geslaagd als de deelnemers na afloop inzicht hebben verworven in de wijze waarop de optimale verharding efficiënt gerealiseerd kan worden. Dit betekent dat kennis is verworven met betrekking tot de samenhang van de componenten van asfaltmengsels, hun functie in de verharding. De cursisten kunnen de specifieke kwaliteiten van de mengsels herkennen en optimaal gebruiken in asfaltconstructies. Ze kunnen ook gefundeerd innovaties afleiden, herkennen en waarderen. De cursus is bedoeld voor professionele asfalttechnologen, die door ervaring of opleiding een algemene kennis hebben van asfaltmengsels op MBO/HBO-niveau. Deze technici werken bij asfaltverwerkers, asfaltcentrales, overheden, ingenieursbureaus, beheerders van bedrijfsterreinen en kennisinstellingen. De cursus is op HBO-niveau.

Asfaltkunde, verantwoording en dankwoord, maart 2006 2

Verantwoording

De stof wordt diepgaand behandeld, tot op het niveau van ‘State of the Art’. Toch wordt zeer veel teruggegrepen op voorbeelden uit de praktijk. Daarmee wordt immers het beste het doel van de cursus gediend. De cursus is tot stand gekomen op initiatief van KOAC•NPC, dat een zeer actieve en prettige ondersteuning ondervond van ir. A.C.A. De Jonghe van Benelux Bitume en mr.ir. W. Pieterse van VBW-Asfalt. Deze samenwerking laat zich het best verwoorden door te verwijzen naar de cursusbrochure, waar staat dat KOAC•NPC de cursus organiseert onder auspiciën van beide verenigingen. Bij een cursus hoort een dictaat. Concepten voor de verschillende modules zijn gemaakt door ing. H.C. Bakker (module 1, 2, 5, 6 en 7), ir. P.J. Galjaard (module 3), ir. G. Gaarkeuken (module 9) en Dr. P.C. Hopman (module 0, 4, 8). Aan al mijn mede-auteurs spreek ik mijn hartelijke dank en gemeende waardering uit. Hun bijdragen hebben essentieel bijgedragen aan de kwaliteit van het definitieve dictaat. Dr. ir. M. Huurman bedank ik hartelijk voor de vele korte en lange gesprekken over de vormgeving en vooral inhoud van de sheets. Zeer erkentelijk ben ik voor het commentaar dat ik mocht ontvangen van de deelnemers aan de pilot-cursus, die gehouden is als voorbereiding. In het bijzonder noem ik hier ir. F. Stas, die met enkele zeer ter zake doende aanwijzingen de didactiek van de cursus op een hoog niveau heeft helpen brengen. Ook dank ik mijn mede-docenten: door hun verschillende ervaring en achtergrond en door hun enthousiasme dragen zij intensief bij aan het succes van de cursus. Tenslotte wens ik de deelnemers aan de cursus interessante cursusdagen toe en spreek ik de hoop en het vertrouwen uit dat de opgedane kennis toepassing in de praktijk zal vinden. Dr. P.C. Hopman KOAC•NPC Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden vermenigvuldigd en/of openbaar gemaakt door middel van druk, fotokopie, microfilm of op welke wijze dan ook, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van NPC. © 2006 KOAC•NPC

Asfaltkunde, voorwoord, maart 2006 1

Voorwoord

ASFALTKUNDE

Praktijk onderbouwd

Asfaltmengsels dienen tegemoet te komen aan de eisen die de gebruikers en belanghebbenden aan een asfaltverharding stellen. De gebruiker, veelal de automobilist, wil zich vlug, veilig en voordelig kunnen verplaatsen. Is de verharding een bedrijfsvloer dan zijn er andere eisen. Belanghebbenden zijn er velen. Zo zijn er de beheerder, de omwonenden en de belastingbetaler. Ook ‘de maatschappij’ is een belanghebbende. Hierbij valt te denken aan initiatieven als Duurzaam Bouwen en aan het belang van inzet van secundaire (of bij-) producten van industriële processen (hergebruik). Ook het streven naar beperking van het gebruik van natuurlijke grondstoffen en het terugdringen van de geluidsproductie door het wegverkeer zijn maatschappelijke belangen. De technologie van asfaltmengsels is de kennis achter de techniek, men mag het wetenschap noemen, die ons in staat stelt de gevraagde mengsels te maken. En niet alleen te maken; dat moet gedaan worden binnen een reeks van eisen. Enkele daarvan zijn: kosten-effectief, niet belastend voor het milieu, onderhoudsarm, file voorkomend, en zo voort. Natuurlijk zijn een aantal van deze eisen onderling tegenstrijdig. Het maken van de juiste technische keuze, binnen deze steeds veranderende set van eisen, is een belangrijk onderdeel van Asfaltkunde. De ontwerper van de asfaltverharding en van de -mengsels hebben tot taak dit pakket van eisen en wensen te vertalen in een verhardingsconstructie. Die taak kan bereikt worden door ‘trial and error’. Deze benadering van het door schade en schande wijs worden is zinvol in een niet of langzaam veranderende omgeving. Echter de kans is groot dat een dergelijke aanpak onbetaalbaar is bij sterk toenemende verkeersbelasting, veranderende aslastconfiguraties en wielstellen (breedbanden) en nieuwe maatschappelijke eisen. De cursus ‘Asfaltkunde’ heeft tot doel inzicht te geven in de vertaling van de eisen en wensen van gebruikers en maatschappij naar eisen aan de verhardingsconstructie. Daarbij wordt het hele traject doorlopen: van de volwaardige constructie terug tot het niveau van grond- en bouwstof. Module 1 behandelt aan de hand van de drie Piramiden de plaats van de

technoloog in het asfalttechnologisch krachtenveld. Ook wordt de relatie tussen ‘functionele eis’ en bouwstofeigenschap gelegd.

Asfaltkunde, voorwoord, maart 2006 2

Voorwoord

Module 2 behandelt de basisprincipes van mengselopbouw: van skelet tot overvulling. Hierbij worden kort de Nederlandse mengsels gepositioneerd.

Module 3 behandelt de mechanica van de verharding. Principes worden

besproken aan de hand van een balkje op twee steunpunten. Inzicht zal worden verworven in de spanningen, de rekken en verplaatsingen die als gevolg van verkeer en klimaat in een verhardingsconstructie optreden.

Module 4 gaat in op de mechanica van mengsels, in het bijzonder op de

mechanismen die leiden tot mechanische schaden: vermoeiing, viskeuze en plastische spoorvorming en scheurgroei.

Module 5 behandelt de ontwerpmethoden, zowel enkele empirische als

functionele. Er wordt ingegaan op de eisen waaraan zo een methode moet voldoen. Nieuwe ontwikkelingen op dit gebied worden besproken.

Module 6 bespreekt de aggregaten en toeslagstoffen. Bediscussieerd

wordt dat aggregaten een veelheid aan chemisch/fysische reacties aan kunnen gaan. Praktische gevolgen daarvan worden besproken.

Module 7 gaat in op de bindmiddelen, zowel conventionele als

gemodificeerde. De samenstelling van beide en hun wisselwerking worden besproken. Ingegaan wordt op de effecten die modificaties hebben op de eigenschappen van het bindmiddel.

Module 8 behandelt de interacties tussen aggregaten en bindmiddel, met

het doel inzicht te krijgen in de effecten die de combinatie van beide heeft: een asfaltmengsel is meer dan de som der delen.

Module 9 behandelt enkele speciale mengsels die recentelijk op de markt

zijn gekomen. Module 10 behandelt de productie en verwerking van asfalt en de

mogelijkheden tot toepassing van secundaire materialen.

Asfaltkunde; module 1, maart 2006 1

Module 1

ASFALTKUNDE

Praktijk onderbouwd

Module 1:

De Piramiden 1 FUNCTIONELE EIGENSCHAPPEN......................................................................2

1.1 VAN GEBRUIKERSEISEN NAAR BOUWSTOFEISEN......................................................2 1.2 WENSEN VAN GEBRUIKERS / BELANGHEBBENDEN ...................................................4 1.3 EISEN AAN DE ASFALTVERHARDING ........................................................................4 1.4 RANDVOORWAARDEN BIJ REALISATIE VAN DE WEG..................................................6


Module 1

1 Functionele eigenschappen 1.1 Van gebruikerseisen naar bouwstofeisen

Via drie piramiden –misschien is het woord stroomschema beter- is structuur aangebracht in de eisen die aan wegen kunnen worden gesteld en de onderlinge relaties tussen diverse betrokkenen. Ze laten de stappen zien die zitten tussen ‘het publiek’ en ‘de bouwstoffen’. Er is daarbij onderscheid aangebracht tussen een politieke, een technische en een contractuele piramide, die overigens niet per niveau naast elkaar gezet mogen worden. De politieke piramide is, met enige voor de hand liggende wijzigingen, ook te lezen voor het geval de opdrachtgever een particulier of een bedrijf is.

Er is een vraag of behoefte van een partij, publiek of werknemers in bedrijven, die door de politiek of de bedrijfsleiding al dan niet gehonoreerd wordt. Bij honorering worden (meestal) eerst de vervoersstromen in kaart gebracht en de gewenste tracé’s ontworpen. Vervolgens wordt de constructie bepaald (wegbouwkundig ontwerp), waarna de mengsels ingevuld worden. Tenslotte worden, om aan de mengsels te komen, bouwstoffen gekozen.

In de technische piramide zijn vijf niveaus te onderscheiden. Niveau 1 bevat de eisen van belanghebbenden en de gebruikers. Daarvan afgeleid zijn de eisen geformuleerd die aan de functie (prestatie) van de verharding gesteld worden. Dit zijn de functionele eisen (niveau 2). Deze functionele eisen omvatten ook de eisen die de realisatie met zich meebrengt. Niveau 3 bevat het constructief gedrag, waarbij de oppervlakte-eigenschap-pen apart genoemd zijn; hier wordt dus het mechanische gedrag van de constructie losgekoppeld van het functionele gedrag van het oppervlak.

PUBLIEK

BELEID

VERKEERSKUNDIGONTWERP

WEGBOUWKUNDIGONTWERP

MATERIALEN

BOUWSTOFFEN

Figuur 1-1: Politieke piramide Figuur 1-2: Technische piramide

Aard /typebouwstoffen

Gebruikerswensen

Functioneleeigenschappen

Constructiefgedrag

Materiaalgedrag

HOOG

LAAG

ABSTRACTIE

Oppervlakteeigenschappen


Module 1

Niveau 4 heeft betrekking op de eisen die als gevolg daarvan gesteld worden aan het materiaalgedrag. Voor de asfalttechnoloog is ‘materiaal’ synoniem aan ‘mengsel’. Niveau 5, tenslotte heeft betrekking op eisen die aan de afzonderlijke bouwstoffen gesteld worden. Deze piramide is omkeerbaar. In omgekeerde volgorde zullen bouwstoffen invloed hebben op het gedrag en de eigenschappen van de mengsels, die weer het gedrag van de verharding beïnvloeden. Dit is weer afhankelijk van de laagdikten en de plaats in de constructie waar die mengsels zitten. Als het constructief gedrag overeenkomt met de eisen die er aan worden gesteld, kan de verhardingsconstructie gerealiseerd worden. Opgemerkt wordt nog dat de wensen of eisen van de gebruikers en de belanghebbenden tijdens de levenscyclus van de verhardingsconstructie kunnen veranderen.

Het is van belang ook een contractuele piramide te onderkennen (figuur 1-3). In deze piramide is de contractuele rolverdeling, en daarmee de commerciële, weergegeven. Men kan het de branchekolom noemen. In deze piramide zijn de asfaltverwerker en asfaltproducent losgekoppeld en weergegeven als zelfstandige rechts-personen. Er zijn bedrijven die asfalt produceren en verwerken binnen één rechtspersoon. Voor hen vallen de twee betreffende vakken samen. De contractuele piramide maakt duidelijk op welke niveaus de producteisen gesteld moeten worden, of zouden moeten worden. Het verwarrende element is dat de RAW-Standaard, die Marshall-based is, niet aansluit op deze bedrijfskolom. Immers, met de Standaard in de hand schrijft de opdrachtgever voor welk

bindmiddel er in welk type mengsel moet. Het veroorzaakt daarmee een kortsluiting over het werkgebied van de asfaltverwerker en de asfaltproducent heen. Dat maakt een consequent gebruik van de technische piramide zeer moeilijk.

Tegelijk moet gesteld worden dat normering en specificering van bouwstoffen zeer belangrijk is: men moet de karakteristieken van de materialen kennen. Ook is er een belang om samenstellingen van (standaard)mengsels voor te schrijven. Het voorkomt dat er basale fouten gemaakt worden. Jammer blijft dat gebruik van de Standaard vaak leidt tot het niet gebruiken van de technische piramide.

Belasting-betaler

Asfalt-verwerker

Asfalt-producent

Grondstof-leverancier

OpdrachtgeverEigenaar /

Figuur 1-3: Contractuele piramide


Module 1

1.2 Wensen van gebruikers / belanghebbenden

De automobilist, de financier, de beheerder en de personen en instellingen in de directe omgeving van de weg hebben allemaal hun wensen. Dit zijn allemaal wensen van ‘het publiek’. Eigenlijk is hier het begrip ‘vervoersvoorziening’ meer op zijn plaats dan de term ‘weg’. Meestal worden de wensen door de (latere) opdrachtgever vertaald in een pakket van eisen. Dit pakket kan de volgende elementen omvatten: • capaciteit en beschikbaarheid van de weg; • geen hinder voor de omgeving; • veiligheid van de weggebruiker; • comfort voor de weggebruiker; • inpassing in het landschap (esthetica); • grondstoffenbeleid (hergebruik, gebruik bijproducten); • milieubeleid; • arbo-beleid; • economie. De capaciteit is het maximale aantal voertuigen dat per tijdseenheid een bepaald punt van een rijstrook of rijbaan kan passeren. Deze capaciteit zal afhankelijk zijn van externe factoren als het weer, maar ook van verkeerskundige voorzieningen. De geometrie van de verharding en het verkeerstechnisch ontwerp zullen zijn afgestemd op de gewenste capaciteit. Deze geometrie zal bij voorkeur ook onderhoudswerkzaamheden toestaan zonder dat de capaciteit wordt aangetast. De eisen laten zich hier vaak constructie- en materiaalonafhankelijk formuleren. 1.3 Eisen aan de asfaltverharding

De prestatie-eisen, onderworpen aan de randvoorwaarde met betrekking tot de realiseerbaarheid kunnen worden omgezet in eisen te stellen aan de asfaltverharding. Die moet in staat zijn om de verkeersbelasting over te brengen naar de ondergrond onder vele omstandigheden (vorst, dooi, hoge grondwaterstanden)1. Ook dienen de gebruikerseisen over langere tijdsduur gehandhaafd te blijven. Om deze vertaling (prestatie-eisen naar eisen aan het constructief gedrag) te kunnen doen is inzicht noodzakelijk in de faalmechanismen die voor een asfaltverharding van belang zijn. Falen betekent hier: het niet voldoen aan de gestelde prestatie-eisen. In tabel 1-1 is een bediscussieerbare voorzet gegeven voor een relatie tussen de eisen en het gedrag. De wensen die vanwege de gebruiker aan de constructie worden gesteld, zijn toe te delen aan het asfaltmateriaal via drie klassen: vervorming, sterkte en duurzaamheid.

1 Een aantal prestatie-eisen komen niet terug bij de eisen aan het constructief gedrag. Aan deze eisen is elders voldaan (zo is de verkeerskunde een ander vak); zij zijn niet van belang voor het constructief gedrag van de verharding.


Module 1

Tabel 1-1: Bediscussieerbare relaties tussen eisen aan constructie en eigenschappen van asfaltverharding

Eigenschappen asfaltlaag

Weerstand tegen vervorming Sterkte Duurzaamheid

elastische doorbuiging

elastische samendrukking

blijvende vervorming

temperatuur-gevoeligheid

(uitzetten / krimpen)

scheur-weerstand

weerstand tegen

vermoeiing

lastspreidend

klimaat invloed

slijtage / rafeling

vlak (A,G)

+ - 1:1 + + + 1:1 - -

stroef (G)

- - + - - - - + +

niet scheurend (G)

+ - + + 1:1 + + -

reversibele vervormingen (G)

1:1 1:1 - + + + +

irreversibele vervormingen (G)

+ - 1:1 + + + 1:1 -

uitneembaar (S)

- - - - - - -

C o n s t r u c t i e

herbruikbaar (S)

Fase waarin van belang: + : van groot belang A : aanleg : van incidenteel / gering belang G : gebruik - : niet van belang S : sloop 1:1 : vanzelfsprekende relatie Voor het vertalen van de constructieve eigenschappen naar eisen die aan de materiaaleigenschappen gesteld moeten worden, is het niet alleen noodzakelijk te weten wat de effecten zijn van verkeersbelasting en klimaatbelasting op de verschillende lagen van een asfaltverharding. Ook moeten begrippen als ‘elastische doorbuiging’ en ‘lastspreiding’ eenduidig gedefinieerd zijn. Deze ‘Mechanica van de weg’ wordt later besproken. Het spreekt voor zich dat de materiaal-, of beter mengsel-, eigenschappen kunnen worden ‘gestuurd’ door gebruik te maken van de juiste bouwstoffen en hun onderlinge mengverhouding.


Module 1

1.4 Randvoorwaarden bij realisatie van de weg

De wensen en randvoorwaarden die aan de vervoersvoorziening worden gesteld door het publiek, moeten worden vertaald in eisen aan de constructie2. Deze vertaalslag wordt in het publieke domein doorgaans gemaakt door overheidsdiensten, in het particuliere domein vaak door ingenieursbureaus of door aannemers. De gebruiker heeft vele wensen, maar of daar aan voldaan kan worden hangt af van randvoorwaarden die gesteld worden door ‘het beleid’. Voorbeelden zijn: • realiseerbaarheid van de constructie; • veiligheid; • capaciteit; • waterhuishouding; • hergebruik; • milieukundig acceptabel; • kosten.

2 H.C.Bakker, Eindrapport CROW-werkgroep ‘Functionele Eisen Wegfunderingen, CROW Ede, 1997.

Asfaltkunde, module 1 7

Module 1

Tabel 1.1 Relatie tussen de wensen van de gebruikers en belanghebbenden en de randvoorwaarden bij realisatie

Niveau 1 Niveau 2: Randvoorwaarden bij realisatie van de weg Realiseerbaar Veilig Capaciteit Waterhuishouding Hergebruik Milieu Kosten Wensen van

gebruikers tech-nisch

veilig / gezond

zonder hinder

begaan-baar

vlak

stroef

geometrisch / verkeers-

kundig

dimensione-ring

grondwater oppervlakte-water

toepassen aangewezen materialen

materiaal uitneem-

baar

materiaal herbruik-

baar

materiaal-winning

aanleg

wegcon-structie

sloop

haal-baar

Capaciteit / beschikbaar

- - 1:1 ! ! ! 1:1 - - - - - - - - -

Geen hinder voor om-geving

1:1 - - - ! - - ! ! -

Verkeers-veiligheid

- - - ! 1:1 ! ! - - - - - - - - - -

Comfort

- - - ! 1:1 ! ! ! - - - - - - - - - -

Esthetica

! - ! - - - ! ! - - - - - !

Grondstof-fenbeleid

! - - - - 1:1 1:1 1:1 1:1 - ! - !

Milieubeleid

! ! ! - - - - - ! ! ! ! ! 1:1 - 1:1 1:1 !

Arbobeleid

! 1:1 - - - - - - - ! ! ! ! - - ! !

Economie

! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 1:1

Fase

(A) (-) (-) (-) (G) (G) (A) (G) (A, G, S) (A, G, S) (A) (S) (S) (A) (A) (G) (S) (-)

! = van groot belang Fase waarin van belang: A : aanleg = van incidenteel/gering belang G: gebruik; duurzaam onder alle condities - = niet van belang S: sloop 1:1 = vanzelfsprekende relatie - : niet fase gebonden

Asfaltkunde, module 2, maart 2006 1

Module 2

ASFALTKUNDE

Praktijk onderbouwd

Module 2:

Mengselopbouw 2. MENGSELTYPEN...............................................................................................2

2.1 ALGEMEEN ......................................................................................................2 2.2 HET ‘SKELET’ VAN ASFALTMENGSELS ................................................................3 2.3 VOLUMETRIE VAN ASFALTMENGSELS.................................................................5

2.3.1 Algemeen...............................................................................................5 2.3.2 Rekenvoorbeeld.....................................................................................8

2.4 VOLUMETRISCHE MENGSELTECHNOLOGIE ...................................................... 10 2.4.1 Waterdichtheid.................................................................................... 10 2.4.2 Vermoeiing.......................................................................................... 10

2.5 VOLUMETRISCHE CONTROLE VAN ASFALTMENGSELS....................................... 10 2.5.1 Algemeen............................................................................................ 10 2.5.2 De vullingsratio ................................................................................... 11


Module 2

2. Mengseltypen

2.1 Algemeen

In de Standaard RAW Bepalingen is ‘Asfalt’ gedefinieerd als een mengsel van mineraal aggregaat, een bitumineus bindmiddel en eventuele toeslagstoffen. De Standaard kent de hoofdgroepen grindasfaltbeton, steenslagasfaltbeton, open asfaltbeton, dicht asfaltbeton, zeer open asfaltbeton, steenmastiekasfalt, koud asfalt, gietasfalt en emulsie-asfaltbeton. Deze hoofdgroepen kunnen worden onderverdeeld in asfaltsoorten op basis van de nominale gradering, bijvoorbeeld dicht asfaltbeton 0/11 of 0/16. Een nader onderscheid is mogelijk door te kijken naar verschillen in korrelverdeling en bitumengehalte, bijvoorbeeld steenmastiekasfalt 0/11 type 1 en type 2. De naamgeving is overigens in de loop van de tijd vervaagd. Oorspronkelijk is ‘beton’ een losgestorte hoop aggregaat, waarvan de zeefanalyse continu verdeeld is. Dat losse materiaal kan gebonden worden met een bindmiddel, in ons geval is dat asfalt. Asfalt is weer het Amerikaanse woord voor bitumen. Men kan dicht of open asfaltbeton hebben, natuurlijk in de variaties die boven beschreven zijn. Soms vindt men het echter nodig nader aan te geven welk soort aggregaat gebruikt is. Dan ontstaan aanduidingen als grind en steenslagasfaltbeton. In de naam is niet duidelijk of het een dicht of een open mengsel is. Uit deze alinea mag ook blijken dat de aanduiding zeer open asfalt beton niet correct is: het is geen beton, want de gradering is niet continu. Namen als steenmastiekasfalt en gietasfalt zijn weer wel ‘historisch’ correct. Qua toepassingsgebied worden in de Standaard alleen met name genoemd • de deklaag, • de profileerlaag, • de profileerdeklaag en • de bovenlaag. De nadere aanduiding van deze toepassingsgebieden is noodzakelijk in verband met aan deze benamingen gerelateerde bepalingen voor de ‘Kwaliteitsbeoordeling door de directie’. In de voorganger van de Standaard stonden soortgelijke asfalttypen vermeld. Daarbij stond ook informatie als: Dicht asfaltbeton 0/16 is bestemd voor deklagen met een nominale dikte van ten minste 40 mm. In de ‘Handleiding RAW systematiek’ wordt nog wel aangegeven voor welk toepassingsgebied bepaalde asfaltmengsels geschikt zijn. Dit zijn: Onderlaag, de onderste laag van een asfaltconstructie, die ook uit

meerdere lagen kan bestaan: grindasfaltbeton en steenslagasfaltbeton; Tussenlaag, de asfaltlaag tussen onder- en deklaag: open asfaltbeton

0/16 type 2 en 0/22; Deklaag, de asfaltlaag die langer dan een jaar aan verkeer en klimaat

kan worden blootgesteld: dicht asfaltbeton, zeer open asfaltbeton, steenmastiekasfalt, koud asfalt, gietasfalt en emulsie-asfaltbeton;


Module 2

Profileerlagen, bedoeld om het gewenste profiel in langs- en dwarsrichting te verkrijgen: grindasfaltbeton, steenslagasfaltbeton en open asfaltbeton;

Tijdelijke deklaag, een asfaltlaag die ten hoogste een jaar als deklaag dienst mag doen: open asfaltbeton 0/16 type 1 (verkeersklasse 2) en open asfaltbeton 0/16 type 3 (verkeersklassen 3, 4 en 5).

Overigens wordt –hopelijk ten overvloede- in de Handleiding ook opgemerkt dat de Standaard geen ontwerpvoorschrift is. Bij de ontwerper van de verhardingsconstructie en de ontwerper van asfaltmengsels wordt de nodige technologische kennis verondersteld. 2.2 Het ‘skelet’ van asfaltmengsels

De krachten die door het verkeer op het asfalt worden uitgeoefend dienen, zonder (permanente) vervorming, door het asfalt te worden gespreid over een groot oppervlak en zo aan de ondergrond doorgegeven. Daartoe dient het asfalt stijf te zijn. Omdat asfaltmengsels mengsels zijn van

verschillende componenten is de stijfheid een resultante van de samenstellende delen. Onder druk zullen de aggregaten de spanningen doorgeven en spreiden. Tenminste als ze op hun plaats blijven. Een klein beetje beweging is altijd nodig om spanning door te geven; dan moet die beweging wel tot gevolg hebben dat een volgend aggregaatdeeltje gaat bewegen. Juist door dat

oproepen van een volgende beweging ontstaat lastspreiding (figuur 2-1). Onder trek speelt uiteraard ook het bindmiddel een belangrijke rol. Het zal duidelijk zijn dat de hechting van het bindmiddel aan het aggregaat van groot belang is. De spanningen mogen niet tot te grote vervorming leiden. Asfaltmengsels ontlenen deze weerstand in hoge mate aan een ‘dragend’ korrelskelet. Van een dragend skelet is sprake als er voldoende contactpunten tussen de aggregaten zijn om de krachtlijnen door te voeren naar de ondergrond.

Figuur 2-1 : Lastspreiding via het skelet

Figuur 2-2: Steenskelet Figuur 2-3: Zandskelet


Module 2

Overmatige vervorming kan niet optreden als de aggregaten elkaar op de plaats houden. Er worden twee typen skeletten onderscheiden: steen- en zandskelet-mengsels. Bij de steenskeletmengsels (figuur 2-2) worden de krachten overgebracht via de contactpunten van de stenen (diameter groter dan 2 mm). Bij de zandskeletmengsels (figuur 2-3) vormen de zandkorrels het dragende skelet. Het onderscheid tussen zand en steen is kunstmatig: het is alleen gebaseerd op grootte. Een skelet heeft ongevulde ruimten tussen de opbouwende delen. Het spreekt voor zich dat het skelet alleen dragend kan zijn als deze holle ruimten niet gevuld -en al helemaal niet overvuld- zijn met andere bouwstoffen. Die andere bouwstoffen kunnen zijn de mortel (bitumen met vulstof) of de mastiek (bitumen met vulstof en zand)1. Er zijn drie typen te onderscheiden:

a) ondervulde mengsels; de holle ruimten in het skelet zijn niet volledig gevuld en staan in open verbinding met elkaar (figuur 2-4a, bijvoorbeeld open en zeer open asfaltbeton);

b) gevulde mengsels; de holle ruimten van het skelet zijn vrijwel gevuld met mortel of mastiek, de resterende poriën staan niet in open verbinding met elkaar. Voorbeelden van gevulde mengsels zijn dicht asfaltbeton en steenmastiekasfalt.

c) overvulde mengsels; bij dergelijke mengsels is er meer mortel aanwezig dan de holle ruimten tussen het grovere aggregaat kunnen bergen (figuur 2-4b). Het grovere aggregaat ‘drijft’ als het ware in de mortel. Een voorbeeld is gietasfalt. Dit type mengsels ontleent haar draagvermogen aan de stijfheid van de mortel. We spreken hier ook wel van ‘vulstofskeletmengsels’.

Vanwege de productie van asfaltmengsels wordt de samenstelling aangegeven in massaverhoudingen. Het blijkt hier hoe belangrijk de volumeverhoudingen zijn, deze geven immers de ruimtelijke opbouw aan. Voor mengsels die niet mogen vervormen dient overvulling te allen tijde te worden voorkomen.

1 In België wordt met mastiek het mengsel bitumen / vulstof bedoeld, terwijl het mengsel bitumen / vulstof / zand mortel genoemd wordt.

Figuur 2-4: Een ondervuld (a) en een overvuld mengsel (b).


Module 2

In de weg zal door het verkeer het asfalt altijd enigszins worden naverdicht. Indien hierdoor het mengsel overvuld raakt, zal onherroepelijk spoorvorming optreden. Let wel: 2% naverdichting doet het volume van de holle ruimte mogelijk met 50% afnemen. Ook kan door verwarmen in de zomer ‘plotselinge’ overvulling optreden: De warmteuitzettingscoëfficiënt van bitumen is ongeveer drie maal zo groot als dat van steen. Bij een temperatuursverhoging van 20 naar 60°C kan dat 1% van de holle ruimte schelen. Dat is mogelijk 25 tot 50 % van het beschikbare volume! Overigens, te vroeg openstellen van de asfaltverharding kan ook gevaarlijk zijn vanwege het nog vrij grote volume van het bitumen (zeker als de aangebrachte laag wat dikker is). Men zou uit bovenstaande kunnen concluderen dat schrale mengsels dus ‘moeten’: er is dan immers geen spoorvorming te verwachten. Op zich is dat juist. Echter, te schrale deklaagmengsels zullen snel rafelen en steenverlies vertonen, te schrale onderlagen zullen gevoelig zijn voor vermoeiing. Ook zal het volume van het bitumen van grote invloed zijn op de scheurgroei. En wat te denken van de verwerkbaarheid? 2.3 Volumetrie van asfaltmengsels

2.3.1 Algemeen In de Standaard worden eisen gesteld aan het percentage holle ruimte (v/v) en de vullingsgraad. De holle ruimte is gedefinieerd als het percentage (ingesloten) lucht in een verdicht2 asfaltmengsel. Dit percentage wordt berekend uit de dichtheid proefstuk (dhp), het ‘volume gewicht’ en de dichtheid mengsel (dhm), het ‘soortelijk gewicht’ volgens:

%100*dhm

dhpdhmHR −= (2-1)

De vullingsgraad is gedefinieerd als het percentage holle ruimte in het aggregaat (steen, zand en vulstof) dat gevuld is door bitumen (niet door mortel). Voor de bepaling van de vullingsgraad moet het aggregaat uiteraard wel volledig verdicht zijn. Gewoonlijk worden de volgende karakteristieken3 gebruikt: • ms, mz, mf, mb: massapercentages [% m/m] (steen, zand, vulstof (“filler”)

en bitumen; • ds, dz, dd, db: dichtheid [kg/m3 ] (steen, zand, vulstof en bitumen); • dm: dichtheid mengsel [kg/m3 ] (mengsel zonder ingesloten lucht); • dp: dichtheid proefstuk [kg/m3 ] (verdicht asfalt inclusief holle ruimte); • HR: de holle ruimte in het proefstuk [% v/v] );

2 Te vaak wordt verondersteld dat de holle ruimte van een mengsel een maat is voor de verdichtingsgraad. Dat is natuurlik alleen waar als deze holle ruimte wordt afgemeten aan die waarde die het heeft bij een verdichtingsgraad van 100%. 3 Asfalt in de Wegen- en Waterbouw, VBW-Asfalt, Breukelen 1996


Module 2

• HR’: de holle ruimte in het mineraal aggregaat [% v/v]; dit is het poriënvolume in het aggregaat zonder bitumen en heet ook wel VMA (Voids in Mineral Aggregate);

• HR’’ of VGR: de vullingsgraad van het verdichte asfalt [%]; het is het percentage van HR’ dat is gevuld met bitumen;

• B, F: het volume [% v/v] van het bitumen (B) respectievelijk vulstof (F), in het mengsel zonder holle ruimte;

• Vz, Vs: het volume [% v/v ] zand, respectievelijk steen, in het mengsel (zonder holle ruimte);

• F/B: de volumeverhouding van vulstof en bitumen. In Nederland is het in de wegenbouw gebruikelijk om de totale hoeveelheid aggregaat (steen + zand + vulstof) op 100,0 % te stellen en het bitumen aan te geven als percentage “op”. Voor de berekening van volumeverhoudingen in een asfaltmengsel is het handiger met bitumen “in” te rekenen:

ms + mz + mf + mb = 100 % (m/m) (2-2)

De dichtheid van het mengsel dm is:

b

b

f

f

z

z

s

sm

dm

dm

dm

dm

d+++

=100 (2-3)

De holle ruimte in het mineraal aggregaat HR’ is gelijk aan de holle ruimte in het proefstuk plus het volume aan bitumen:

mb

b ddmHRHR *' += (2-4)

De vullingsgraad HR’’ of VGR is het percentage van de holle ruimte in het mineraal aggregaat (HR’) dat gevuld is met bitumen:

'

**100

HR

ddm

VGRm

b

b

= (2-5)

De vullingsgraad heeft daarmee betrekking op het totale mengsel. Voor de vormstabiliteit van de mengsels is het belangrijk dat de vullingsgraad niet boven een maximum uitgaat. Dit maximum is voor de dichte mengsels voorgeschreven (90% voor dab / verkeersklasse 1 en 82 % voor dab verkeersklasse 4). De opbouw van een mengsel volgens de volumetrische benadering is gegeven in figuur 2-54. Voor de bouwstoffen steen, zand en vulstof zijn de volumina aangegeven die ingenomen worden door de vaste stof en door de 4 Voskuilen J. en Westera G.; A new mix design method based on a volumtric approach; 7th Conference on Asphalt Pavements for Southern Africa.


Module 2

holle ruimte van die bouwstof (HR). De holle ruimte in de steen (> 2mm) is, geheel of gedeeltelijk, gevuld met zand (< 2 mm en > 63 μm). De holle ruimte van het zand wordt door de aanwezigheid van de steen wat groter: elke steen is een rand voor het zandskelet. Vaak wordt dit opruiming genoemd (OP in figuur 2-5) en op 2% van het volume gesteld. De holle ruimte in het zand is, geheel of gedeeltelijk, gevuld met vulstof. De holle ruimte die in totaal overblijft wordt gedeeltelijk gevuld met bitumen.

Duidelijk is dat de holle ruimte van het zand (inclusief de opruiming) van groot belang is om in het mengsel nog holle ruimte over te houden. Men kan uit figuur 2-5 aflezen dat het om een zandskeletmengsel gaat via de opmerking dat er binnen

het zand holle ruimte overblijft die niet gevuld wordt met een ander aggregaat.

Indien de passing van bijvoorbeeld de vulstof in het zandskelet verandert, zal de holle ruimte die beschikbaar is voor het bindmiddel afnemen. Die verandering kan optreden als de herkomst van het zand verandert –net iets andere gradering of vorm- of als de vulstof verandert. In figuur 2-6 is een voorbeeld gegeven. In een bepaald asfaltmengsel is 37% zand en 7% vulstof

toegepast. Het mengsel zand / vulstof heeft dus 7/44 = 16% vulstof en 37/44 = 84% zand. Het gebruikte zand heeft een holle ruimte van 34 %. Door menging met een vulstof zal die afnemen. Totdat de vulstof niet meer past en er zowel opruiming optreedt als dat de holle ruimte van de vulstof bepalend wordt. In figuur 2-6 is het effect van drie verkrijgbare vulstoffen weergegeven, bij menging met een ‘gewoon’ Nederlands zand. De vulstoffen verschillen in hun gradering. Als men doseert in een vaste verhouding (bijvoorbeeld 37% zand en 7% vulstof) dan kan dit effect 3 tot 5 % zijn, dat wil zeggen 10 tot 17 % van de maximaal beschikbare holle ruimte. Of anders verwoord: het kan de beschikbare holle ruimte in het mengsel geheel teniet doen en direct leiden tot overvulling. Door Van Bochove5 is grafisch voorgesteld hoe de verschillende hoofd-groepen van de mengsels ten opzichte van elkaar liggen (figuur 2-7). In de grafiek staat op de horizontale as het volume van de mastiek en op de 5 G.G. van Bochove, Een methode voor het analyseren van asfaltmengsels, Heijmans Weg- en Waterbouw, Rosmalen 1987

HR OP

HR

HR

Steen

Zand

Vulstof

Bitumen

HR in mengsel

Figuur 2-5: Volumetrische opbouw van zandskeletmengsels.

zand : 100 90 80 70 60

HRm35

30

25

20

HRm

40 : vulstof3020100

35

30

25

20

37 % zand 7% vulstof

Figuur 2-6: Holle ruimte in het zand-vulstof mengsel voor drie verschil-lende vulstoffen en één zand.


Module 2

verticale as het bitumengehalte van de mastiek6 (massapercentage). Als er weinig mastiek in het mengsel is, zal er altijd wel een steenskelet ontstaan. De verticale balk geeft de overgang weer tussen steenskelet en zandskelet. De horizontale balk geeft de overgang weer tussen overvulde en ondervulde mastiek: als er teveel bitumen in de mastiek zit zal er geen zand- of vulstofskelet kunnen ontstaan. In de linker twee kwadranten liggen dus mengsels die vormstabiel zijn vanwege een steenskelet. In de

onderste twee liggen de mengsels die dat zijn vanwege een zand (of vulstof) skelet. In het kwadrant rechtsbo-ven liggen de vorm-instabiele mengsels: de mastiek is overvuld én de mortel is overvuld. Samenvattend: de verticale balk geeft van links naar rechts de overgang van steen- naar zandskelet en de horizontale balk de

overgang van zand/vulstof skelet naar overvulde mastiek. In figuur 2-7 worden verschillende typen mengsels gepositioneerd, zonder dat weergegeven wordt wat het gehalte aan vulstof is in de mastiek. Die varieert immers over de verschillende mengseltypen. Men dient deze figuur dan ook als hulpmiddel te zien, niet als absolute referentie. Duidelijk is dat dicht en open asfaltbeton en steenmastiekasfalt kritische mengsels zijn: er hoeft maar iets mis te gaan en het mengsel zal gevoelig zijn voor vervorming.

2.3.2 Rekenvoorbeeld In deze paragraaf wordt een voorbeeld gegeven van de berekening van het volumepercentage van de mastiek in een mengsel en van het massa-percentage bitumen in de mastiek. De berekening wordt uitgevoerd aan de hand van de samenstelling van een oab 0/16 type 3. Vanzelfsprekend geldt dezelfde berekening -met andere getalswaarden- voor alle andere bitumineuze mengsels. In tabel 2-1 is de samenstelling van oab 0/16 type 3 gegeven.

6 De nuancering ‘fictief’ is hier weggelaten. Zie het originele artikel.

Figuur 2-7: Volumetrische positionering van de mengsels.

mastiek asfalt

Massa perc. bit. in mastiek

OAB

SMA

StABGAB

ZOAB

28

8

4

0

24

40

20

16

12

30200 7050 6010Volume mastiek

DAB


Module 2

Tabel 2-1 Samenstelling OAB 0/16 type 3

Op zeef % [m/m] C16 C11.2 C 8 C 5.6 2 mm 63 μm

- - - -

67.0 94.0

Bitumen 'op' 5.4 Totaal 105.4

We blijven eerst in massaprocenten denken en zien dat het mengsel 67.0% steen bevat, 27% zand en 6% vulstof. Daar bovenop zit er nog 5.4% bitumen in. In totaal dus 105.4%. Om deze getallen terug te vertalen naar in totaal 100 % (inclusief bitumen), moeten ze vermenigvuldigd worden met 100/105.4 = 0.949. Zo ontstaat de tweede kolom in tabel 2-2, waarin de volumetrische samenstelling van het mengsel is gegeven. Tabel 2-2 Volumetrische samenstelling Bouwstof Hoeveelheid

[% m/m] Hoeveelheid

[liter] Hoeveelheid

[% v/v] Steen 63.6 236 58.4 Zand 25.6 95 23.5 Vulstof 5.7 22.8 5.7 Bitumen 'in' 5.1 50.0 12.4 Totaal 100 403.8 100 mastiek 36.4 41.6

Allereerst merken we op dat het massapercentage bitumen in het mastiek bekend is: 5.1/36.4 = 14%. We rekenen nu de massapercentages om naar volumedelen. Dan is de soortelijke dichtheid van de componenten nodig. We nemen aan dat de soortelijke dichtheid van de steen en het zand 2700 kg/m3 is, voor de vulstof is het 2500 kg/m3 en voor het bitumen 1030 kg/m3. De steen en het zand nemen per gewichtseenheid minder ruimte in dan de vulstof en veel minder dan het bitumen. Dit wordt verrekend door de hoeveelheden van elke bouwstof te delen door hun soortelijke massa. Als we aannemen dat het totale mengsel 1000 kg weegt, dan is het volume steen 1000*0.636/2700 m3 = 236 liter. Het zand neemt 1000*0.256/2700 m3 = 95 liter. De vulstof neemt 1000*0.057/2500 m3 = 22.8 liter en het bitumen neemt 1000*0.051/1030 = 50.0 liter. Dit is kolom 3. Vervolgens moet de volumesamenstelling in totaal op 100 % uitkomen. Kolom drie moet dus vermenigvuldigd worden met 100/403.8 = 0.248. Het percentage mastiek is de som van de percentages voor zand, vulstof en bitumen: 41.6%


Module 2

De antwoorden zijn nu beschikbaar. Het volume van de mastiek in het mengsel is 41.6%. Het massa percentage bitumen in het mastiek is 5.1/36.4 = 14%. Door het mengsel te plaatsen in de grafiek blijkt dat het mengsel een overvuld steenskelet heeft (het moet zijn weerstand tegen spoorvorming dus halen uit het zandskelet) en dat de mastiek ook overvuld is. Met andere woorden: er is niet echt een mooi stabiel steenskelet. Dit mengsel is overigens wel duurzaam! 2.4 Volumetrische mengseltechnologie

Het is zeer interessant figuur 2-7 nader te beschouwen en na te gaan hoe gewenste eigenschappen verkregen kunnen worden.

2.4.1 Waterdichtheid Waterdichte mengsels dienen een holle ruimte te hebben die is opgebouwd uit zeer veel zeer kleine ruimtes (die niet onderling in verbinding staan). Dit betekent dat de steenfractie overvuld moet zijn. Eigenlijk moet ook de zandfractie overvuld zijn. Dan is immers de maximale grootte van de holle ruimte gelijk aan een fractie van de vulstofkorrels. Dit type mengsels ligt dus rechtsboven in de figuur. Indien er bovendien vormstabiliteit gevraagd wordt zal het mengsel richting het kwadrant rechts beneden verschuiven.

2.4.2 Vermoeiing Hoewel vermoeiing later besproken wordt, dienen mengsels voldoende bitumen rijk te zijn om een goede weerstand tegen vermoeiing te hebben. Ook zal men ‘beweging’ binnen het mengsel willen toelaten. Mengsels die linksonder in de figuur liggen zullen een zeer geringe weerstand tegen vermoeiing hebben. Die rechtsboven liggen hebben de beste vermoeiingsweerstand. 2.5 Volumetrische controle van asfaltmengsels

2.5.1 Algemeen In de Standaard wordt in beperkte mate aandacht besteed aan het volumetrisch ontwerpen van asfaltmengsels. Het volstaat met het stellen van eisen aan de Marshalleigenschappen en aan de holle ruimte en de vullingsgraad. Een correctie voor de invloed van verschillen van dichtheden moet alleen worden doorgevoerd voor het bitumengehalte, tenminste indien de gewogen minerale dichtheid groter is dan 2700 kg/m3 of kleiner dan 2600 kg/m3 (proef 127). De Marshallontwerpmethode is bedoeld voor het verkrijgen van mengsels met een zo groot mogelijke dichtheid. Marshall ging er blijkbaar vanuit dat dichtere mengsels ‘beter’ zijn. In veel gevallen zijn ze dat ook, vaak ook niet (zoab). Hij wilde die hoogste dichtheid overigens bereiken door gebruik te maken van zo weinig mogelijk bitumen. Vandaar de korrelopbouw, waarvoor de Füller-kromme de bekende leidraad is.


Module 2

In de praktijk blijken mengsels die volgens deze methodiek zijn ontworpen in het algemeen7 redelijk te voldoen. Helaas blijkt ook regelmatig dat onverwacht spoorvorming optreedt. Dit vindt mogelijk zijn oorzaak in het feit dat de holle ruimte en de vullingsgraad wel een indruk geven van het totale volume aan poriën in een asfaltmengsel, maar ze geven geen informatie over de wijze waarop deze door het asfalt zijn verdeeld. Een volumetrische controle is gewenst, zo niet noodzakelijk, om ‘verrassingen’ zoveel mogelijk uit te sluiten.

Naast het volumeverhoudingen is de korrelgrootte en -vorm van het grove en het fijne aggregaat zeer belangrijk voor de holle ruimte in het totale aggregaat. Een bekend voorbeeld is dat twee zandsoorten, die ieder een holle ruimte van 38% (v/v) hebben, gemengd een holle ruimte van slechts 32% bleken op te leveren (zie module 6). De korrelgrootten vulden elkaar kennelijk zo aan dat de ene in de holle ruimte van de andere paste. Natuurlijke variaties in korrelvorm en korrelgrootte kunnen van grote invloed zijn op de beschikbare holle ruimte. Uit figuur 2-7 blijkt hoe kritisch open asfaltbeton en steenmastiek asfalt zijn voor kleine veranderingen van het zandskelet. Immers, neemt de holle ruimte in dit skelet af en is de hoeveelheid mastiek onveranderd, dan is er grote kans op overvulling en daarmee op grote gevoeligheid voor vervorming.

2.5.2 De vullingsratio Goos en anderen8 hebben de term ‘berekende vullingsratio’ ingevoerd, die gelijk is aan de ‘vullingsratio + 1’. Beide controleren op de mogelijkheid een dragend steen- dan wel (zand)korrelskelet te ontwikkelen. Ze stellen daarbij dat, voor het tot stand komen van een dragend zandskelet, het volume van de vulstof en het bitumen samen moet passen in het door de (verdichte) zandfractie ter beschikking gestelde holle ruimte. Voor een dragend steenskelet moet het volume van de vulstof plus bitumen (plus afdruipremmer) passen in de holle ruimte van de combinatie van het verdichte steen - zand. Het begrip is dus net wat anders dan het begrip vullingsgraad. Bij de vullingsgraad gaat het om de vulling van de totale holle ruimte in het verdichte minerale mengsel, bij de vullingsratio gaat het om de hoeveelheid mortel in het zandskelet of om de hoeveelheid mastiek in het steenskelet. Voor een zandskeletmengsel is de berekende vullingsratio gelijk aan het quotiënt van het volume van (bitumen + vulstof + eventuele afdruipremmer) en de holle ruimte in zandskelet. In formulevorm:

7 In het algemeen betekent ‘de bulk’, zoals dat op een commodity markt geleverd wordt. Specialere toepassingen of bijzondere verhardingen (bedrijfsterreinen, terminals, opritten) vragen een meer geavanceerde aanpak. 8 D. Goos, A. Houtepen, P. Landa, F. Ysewijn; Beheersen van volumetrische samenstelling tijdens ontwerp en productie; Wegbouwkundige Werkdagen 1996.


Module 2

(2-6)

waarin: VR: de berekende vullingsratio [-] V mortel: het volume van de mortel [%v/v] HRs-z: de holle ruimte in het steen – zandskelet [%v/v]9. Als de berekende vullingsratio betrekking heeft op een steenskelet mengsel dient de holle ruimte in het steenskelet genomen te worden. De holle ruimte in het steen – zand skelet wordt gegeven door:

steenzandzand

zandzandzs mHR

HRmHR *02,0

*)100(*

+−

=− ρ (2-7)

waarin mzand: de massa van het zand [% m/m] HRzand: de holle ruimte van het verdichte zand alleen [% v/v] msteen: de massa van het steen [% m/m] ρzand: de specifieke dichtheid van het zand [kg/m3] De holle ruimte van het verdichte zand (HRzand) wordt bepaald met de stampvolumemeter van Engelsmann (proef 112 van de Standaard). Door de interactie tussen zand- en steenfractie ontstaat een ‘opruimend effect’ bij zandskeletmengsels op de holle ruimte van het zand/steenskelet. Dit effect, het bruto volume van het zand, wordt gesteld op 2% van het massapercentage steen10. Voor de vorming van een ‘dragend’ zandskelet voor zandskeletmengsels moet de berekende vullingsratio kleiner dan 1,00 tot 1,10 zijn. Bij steenskeletmengsels is de ‘vullingsratio’:

zandskeletHRsteenzandskeletHRsteenmerafdruipremmortelvolume

//)( −+

(2-8)

Voor de vorming van een ‘dragend’ steenskelet dient de berekende vullingsratio kleiner dan 1,00 te zijn.

9 Het steen – zandskelet is in feite een zandskelet, waarin zich stenen bevinden; de stenen zijn een soort versnijding van het zand. 10 P. Verbert, Invloed van de vullingsgraad op de weerstand tegen het vervormen van asfaltmengsels (zandskeletmengsels), Bitumeninfo 37/1979

zs

mortel

HRVVR

−

=


Module 3

ASFALTKUNDE

Praktijk onderbouwd

MODULE 3:

MECHANICA VAN DE VERHARDING 1 MECHANICA VAN DE VERHARDING..................................................................2

1.1 KARAKTERISTIEKE VERHARDINGSCONSTRUCTIES....................................................2 1.1.1 Voet- en fietspaden ....................................................................................2 1.1.2 Wegen van de eerste en de tweede orde ..................................................2

1.2 BEDRIJFSVERHARDINGEN EN OPSLAGTERREINEN....................................................2 1.3 STARTBANEN EN OPSTELPLATFORMS .....................................................................3

2 VERKEERSBELASTING.......................................................................................3

2.1 AS- EN WIELLAST ..................................................................................................3 2.2 AS- EN WIELCONFIGURATIE....................................................................................3 2.3 BANDENSPANNING EN CONTACTSPANNING .............................................................4

2.3.1 Verticale belastingen ..................................................................................4 2.4 HERHAALDE, STATISCHE EN DYNAMISCHE BELASTING..............................................6

3 KLIMAAT EN OMGEVING.....................................................................................6

3.1 TEMPERATUUR .....................................................................................................6 3.2 TEMPERATUURVARIATIES ......................................................................................7 3.3 VOCHT .................................................................................................................8 3.4 BEGROEIING .........................................................................................................8

4 SPANNINGEN, REKKEN EN ELASTISCHE VERVORMINGEN..........................8

4.1 SPANNINGSVERDELING..........................................................................................8 4.2 REKVERDELING.....................................................................................................9 4.3 ELASTISCHE VERVORMING...................................................................................10 4.4 HET BELANG VAN GOEDE HECHTING .....................................................................11

5 ANALYTISCHE BENADERING..........................................................................11

5.1 LASTSPREIDING VOLGENS BOUSSINESQ ...............................................................11 5.2 LAAGEQUIVALENTIE VOLGENS ODEMARK..............................................................13 5.3 BUIG- EN SCHUIFSPANNINGEN..............................................................................14

6 COMPUTERPROGRAMMA'S .............................................................................15

6.1 DE INVOERGEGEVENS .........................................................................................15 6.2 DE GESCHEMATISEERDE BELASTING ....................................................................16 6.3 DE DIKTE VAN DE LAGEN......................................................................................16 6.4 DE MATERIAALEIGENSCHAPPEN ...........................................................................16 6.5 DE MATE VAN HECHTING......................................................................................17

7 DE STANDAARDASLAST ..................................................................................17


Module 3

1 Mechanica van de verharding 1.1 Karakteristieke verhardingsconstructies

Verhardingsconstructies worden ingedeeld naar het type belasting waarvoor ze ontworpen zijn. Voor elke verhardingen is aan te geven welke belasting te verwachten is en waarop de constructie gedimensioneerd dient te worden. Het maakt een groot verschil of de belasting op de constructie overwegend een statische belasting is, zoals bij parkeerterreinen of opslagterreinen, of dat de belasting overwegend cyclisch van aard is zoals het geval is op autosnelwegen. Met name op grond van het type belasting zal men moeten komen tot een verantwoorde constructie. Het is duidelijk dat naarmate de belasting groter is de optredende spanningen in de weg groter worden. Ook de rijsnelheid –daarmee de belastingstijd- is van invloed. Zo is door het visco-elastische gedrag van asfalt de stijfheid afhankelijk van de belastingstijd. De optredende spanningen in de constructie worden hierdoor weer beïnvloed. Een ander effect is dat een bepaald type spoorvorming in asfalt toeneemt wanneer de rijsnelheid lager is. De constructielagen onder de asfaltverharding zijn natuurlijk van groot belang voor het gedrag van de constructie. In deze cursus zal de technologie van ondergrondverbetering, van materiaalkeuze en funderingstechnieken slechts zijdelings behandeld worden.

1.1.1 Voet- en fietspaden Deze verhardingsconstructies worden niet alleen belast door voetgangers of (brom)fietsers maar zo nu en dan ook door zwaardere voertuigen: grasmaaimachines (op kleine banden), auto's van hulpdiensten, vrachtwagens en personenauto's of motoren.

1.1.2 Wegen van de eerste en de tweede orde Deze hoofdaders van het wegennet kenmerken zich door de grote verkeersintensiteit en het hoge percentage zware vrachtauto's. 1.2 Bedrijfsverhardingen en opslagterreinen

Hier komt eigenlijk uitsluitend langzaam rijdend en stilstaand verkeer voor, waaronder voertuigen als vorkheftrucks. Factoren als massieve rubber wielen (hoge contactspanningen) en manoeuvrerende vrachtwagens (wringing) spelen een rol. Als bijzonderheid kan genoemd worden de zich automatisch voortbewegende transportmiddelen (AGV - Automatic Guided Vehicles) op


Module 3

containerterminals. Deze voertuigen rijden in het algemeen precies volgens dezelfde lijn, zodat spoorvorming zich snel kan ontwikkelen. Een veel voorkomende belasting is die van de opslag van goederen in stellingen of containers, met hoge contactspanningen die bovendien langdurig aanwezig zijn. 1.3 Startbanen en opstelplatforms

Deze constructies worden blootgesteld aan bijzonder hoge wielbelastingen in een geheel eigen configuratie. De duur van de belasting varieert sterk, waardoor de gestelde eisen nogal uiteen lopen. Uit het oogpunt van duurzaamheid worden bovendien aanvullende eisen aan de verharding gesteld, zoals bestand zijn tegen kerosine.

2 Verkeersbelasting Bij verkeersbelasting moet niet alleen gedacht worden aan rijdend verkeer, ook stilstaande belasting behoort ertoe. Een bijzondere belasting zijn opgeslagen goederen, al dan niet in containers. In het onderstaande wordt de nadruk gelegd op de door vrachtwagens uitgeoefende belasting. Daar waar relevant zullen stilstaande belastingen in de bespreking betrokken worden. 2.1 As- en wiellast

De belasting wordt in de eerste plaats bepaald door de grootte van de aslast. Deze is afhankelijk van het totaalgewicht van een vrachtwagen(combinatie) en de verdeling van het gewicht over de assen. De wettelijk toegestane maximale aslast bedraagt in Nederland 11.500 kg (115 kN, 11,5 ton) voor een aangedreven as en 10.000 kg (100 kN) voor een niet-aangedreven as. Dit betekent niet dat in de dagelijkse praktijk hogere aslasten niet voorkomen! Door meerdere assen tot een asstel te combineren kan het laadvermogen van een vrachtwagen(combinatie) worden vergroot. De wiellast zal de helft of een kwart van de aslast zijn: dit is uiteraard direct verbonden met de wielconfiguratie op de betreffende as. Het maximale bruto voertuiggewicht is gesteld op 50.000 kg. Dit gewicht wordt overigens meer bepaald door de verkeersveiligheid dan door de wegbouw-kunde. Het is niet eenvoudig een massa van (meer dan) 50 ton met een snelheid van 90 km/uur tot stilstand te brengen. 2.2 As- en wielconfiguratie

Voor de optredende spanningen en rekken in de wegconstructie is de onderlinge afstand van de assen van belang, alsmede het type band. Vaak worden meer assen achter elkaar geplaatst om het totale laadvermogen te vergroten en de last op de weg te spreiden. Wanneer een asstel bestaat uit


Module 3

twee assen wordt gesproken van een tandem. Als drie assen gegroepeerd zijn wordt gesproken van een tridem. Per wiel kan nog onderscheid gemaakt worden tussen een enkele standaard band, een dubbele montage (dubbellucht) of een "super single" (breedband). Dit type band vervangt de combinatie van twee naast elkaar gemonteerde banden. De afgelopen jaren is het gebruik ervan sterk toegenomen. De meest recente ontwikkeling is overigens die van hoge druk banden. Deze banden hebben een contactoppervlak ongeveer gelijk aan dat van een standaardband, maar ze kunnen de last van een breedband dragen. 2.3 Bandenspanning en contactspanning

Er worden twee belastingsvormen onderscheiden: horizontale en verticale. De verticale belasting resulteert in het ontwerp van de verhardingsconstructie (opbouw en materiaalkeuzes). De horizontale belasting moet worden opgevangen door de mengsels die dicht aan het verhardingsoppervlak liggen.

2.3.1 Verticale belastingen De belasting die door een vrachtwagenwiel op de wegconstructie wordt overgedragen is verdeeld over het contactoppervlak tussen de band en de weg. De grootte van dit oppervlak wordt bepaald door de wiellast en de bandenspanning. Een relatie tussen de twee wordt gegeven door: σ = F / A waarbij: σ: de contactspanning [MPa] F: de wiellast [N] A: het contactoppervlak [mm2]

Voor de eenvoud wordt verondersteld dat het contactoppervlak cirkelvormig is. Dit betekent dat A = πr2, waarbij r de straal is van het oppervlak. De contactspanning wordt gelijk genomen aan de bandenspanning. Dit mag alleen als de band niet teveel gewapend is. Als bij gelijkblijvende wielbelasting de bandenspanning verhoogd wordt, wordt het contact-oppervlak kleiner. Met name voor de bovenste lagen zijn de details van de verdeling van de spanning over het contactoppervlak van belang. Dieper

Figuur 3-1a: Verdeling van verticale spanning onder vrachtwagenband

2 MPa

Voorzijde

Achterzijde Breedte band


Module 3

in de constructie is dat veel minder: op grotere afstand ziet men geen details meer1. In figuur 3-1a is de verdeling gegeven van de verticale spanning, zoals die gemeten is aan een vrachtwagenband2 die langzaam rijdt (0.3 m/s). Duidelijk zijn de twee randen te zien, die een gevolg zijn de wapening van de band. Men kan zeggen dat de band op twee schaatsen staat! Vanzelfsprekend is het voor het oppervlak van de weg een flinke aanname te stellen dat de contactspanning overal gelijk is.

Een langzaam rijdend wiel genereert, dankzij de vervor-ming die optreedt bij het maken van het contact met het wegdek, schuifspanningen aan het oppervlak. De vorm daarvan is vrij grillig, zoals blijkt uit figuur 3-1b. De precieze vorm hangt sterk af van de vorm van de buitenkant van de band, van de wapening van de band, de bandenspanning en de wiellast.

Naast deze belastingen zijn er nog andere: optrekken en afremmen, zijwind en ten gevolge van de verkanting van de weg. Ook deze belasting wordt naar het wegoppervlak overgedragen door wrijving tussen band en wegdek. Ook bij het rijden van krappe bogen ontstaan schuifkrachten aan het oppervlak. Al deze belastingen worden naar het wegoppervlak overgedragen door wrijving tussen band en wegdek.

Tenslotte wordt opgemerkt dat, vooral voor ongewapende banden, er nog een fenomeen is. Afhankelijk van de mate waarin de band gewapend en opgepompt is en van de grootte van de wielbelasting zal het gedeelte van de 1 Het principe van Saint-Venant 2 J. Groenendijk, Proefschrift Technische Universiteit Delft.

0.4 MPa

Breedte band

Voorzijde

Achterzijde

Figuur 3-1b: Verdeling van een horizontale (schuif)spanning onder een vrachtwagenband

Figuur 3-2b: Outward shearFiguur 3-2a: Inward shearFiguur 3-2a: Inward shear Figuur 3-2b: Outward shear


Module 3

band dat contact met het wegdek maakt uitzetten of krimpen. Zo ontstaat er inward (figuur 3-2a) en outward shear (figuur 3-2b). Al deze schuifspanningen kunnen leiden tot versnelde rafeling of tot oppervlaktescheuren. 2.4 Herhaalde, statische en dynamische belasting

Een verharding wordt door rijdend verkeer herhaaldelijk belast door de passerende voertuigen. Deze belasting zorgt voor steeds wisselende spanningstoestanden in het materiaal waardoor op den duur vermoeiing kan optreden. Bovendien kan de belasting van plek tot plek verschillen als gevolg van onvlakheid. Hierdoor ontstaan dynamische effecten. Zowel het aantal lastherhalingen als de tijdsduur van de belasting zijn van invloed op het mechanische gedrag van bitumineuze mengsels. Een extreem geval van statische belasting vormt de geconcentreerde belasting bij de opslag van goederen. De spanningen onder de steunpunten van stellingen en (opgestapelde) containers zijn groot en langdurig aanwezig. Als er geen voorziening voor getroffen wordt, geeft deze vorm van belasting aanleiding tot kruip, wat een in de tijd oplopende vervorming is.

3 Klimaat en omgeving De temperatuur is belangrijk voor het mechanische gedrag van asfaltmengsels: spoorvorming treedt makkelijker op bij hoge temperaturen en dwarsscheuren bij (zeer) lage. Voor open mengsels is ook regen van belang (stripping). Behalve deze zijn er nog andere natuurlijke invloeden, zoals die van begroeiing. 3.1 Temperatuur

De temperatuur beïnvloedt in hoge mate het mechanisch gedrag van asfalt. Zo is de stijfheid van asfalt bij lage temperaturen hoog: het gedrag gaat steeds meer op dat van beton lijken. Stijf materiaal is goed in staat om de belastingen te spreiden. De onderliggende lagen worden dan minder belast, maar de spanningen in het asfalt zelf lopen op. Mogelijk overschrijdt de optredende spanning zelfs de sterkte van het asfalt. Scheurvorming is het gevolg. In figuur 3-3a3 is een grafiek gegeven waarin de treksterkte van een asfaltmengsel staat, tezamen met de temperatuurspanning, als functie van de temperatuur. De temperatuurspanning is een direct gevolg van het feit dat een materiaal wil krimpen als het afkoelt, maar niet kan: de weg blijft even lang. Bij een zekere lage temperatuur is de treksterkte te klein om de spanning te

3 Arand W.; Kälteverhalten von Asphalt; Teil 1 und 2; Die Asphaltstrasse – Das stationäre Mischwerk 21 (1987) 3, 5 – 16 und 4, 7 - 20


Module 3

kunnen weerstaan: breuk is het gevolg. Bij de hogere temperaturen is er een spanningsruimte tussen de temperatuurspanning en de treksterkte. Deze spanningsruimte wordt ook wel reservespanning genoemd (figuur 3-3b). Bij voorkeur is deze reservespanning groot.

Bij hoge temperaturen neemt de stijfheid af. Dit gaat gepaard met een meer visceus / visco-elastisch gedrag. Als gevolg hiervan is de belastingsspreiding veel minder en worden de onderliggende lagen zwaarder aangesproken, terwijl de spanningen in het asfalt geringer zijn. Dit wil echter niet zeggen dat scheurvorming door overbelasting niet kan optreden. Immers ook de sterkte van het asfalt neemt af met stijgende temperatuur. De verticale spanning direct onder het wiel is overigens in beide gevallen gelijk: de belasting hangt niet af van de temperatuur. Een tweede aspect is de optredende permanente vervorming (spoorvorming): bij hogere temperaturen zal deze zich veel sneller ontwikkelen. 3.2 Temperatuurvariaties

Zoals bij vele composiet materialen, leiden temperatuurvariaties bij asfalt mengsels tot spanningen in het materiaal. Wanneer het materiaal vrij zou kunnen vervormen leidt een temperatuurverhoging tot verlenging en temperatuurverlaging tot verkorting. Volledig vrije vervorming kan in de praktijk echter nooit optreden. Als lagen aan elkaar gehecht zijn en er een verschil is in uitzetting ten gevolge van temperatuurveranderingen, dan zal er spanning tussen de lagen ontstaan. Dit kan in principe tot onthechting van de lagen leiden. In de Nederlandse praktijk valt dit effect mee. Overigens is het viskeuze karakter van asfalt hier een voordeel omdat de spanningen altijd zullen wegrelaxeren.

Figuur 3-3a: Treksterkte en tempera-tuurspanning in een mengsel, als functie van de temperatuur

Figuur 3-3b: Reservespanning als functie van de temperatuur

0

2

4

6

-40 -20 0 20

Spanning [MPa]

Temperatuur [0C]

0

2

4

6

-40 -20 0 20

Spanning [MPa]

Temperatuur [0C]


Module 3

3.3 Vocht

De hechting (bindmiddel – aggregaat) zal onder invloed van vocht op de lange duur achteruit gaan. Het mechanisch gedrag wordt niet van het ene op het andere moment beïnvloed. Deze hechting (bindmiddel – aggregaat) wordt in een later hoofdstuk besproken. Indirect is water wel belangrijk voor het draagvermogen van de weg. Dit omdat de materialen die onder het asfalt toegepast zijn er meestal wel gevoelig voor zijn. Zo hangt de stijfheid van die materialen in veel gevallen af van het heersende vochtgehalte. Via de stijfheid wordt de spanningsverdeling binnen en over de verschillende lagen beïnvloed. 3.4 Begroeiing

Bomen langs de kant van de weg kunnen de verharding mechanisch belasten: wortelgroei. Dit is een langzaam proces, maar krachtig genoeg om te leiden tot scheurvorming en onvlakheid. Dit proces kan worden tegengegaan door zorg te dragen voor een luchtdoorlatende verharding boven de wortelgroei – of door de keuze van een soort bomen dat dit gedrag niet heeft. Ook kan door de bomen zoveel water aan een weglichaam worden onttrokken dat er lokaal krimp ontstaat in het weglichaam waardoor ook schade aan het asfalt wordt toegebracht.

4 Spanningen, rekken en elastische vervormingen Om inzicht te verschaffen in de spanningen, rekken en vervormingen die optreden in een wegconstructie wordt hier de analogie gebruikt die er is tussen een weg enerzijds en een balk op twee steunpunten anderzijds. In beide gevallen wordt de belasting door een stijf element overgebracht naar een ondersteuning. Bij de wegconstructie bestaat de ondersteuning uit (funderings)lagen die het asfalt verend ondersteunen. De stijfheid van deze lagen is meestal een stuk lager dan die van asfalt. Bij de balk wordt de belasting afgedragen naar de twee steunpunten. Het verbaast niet dat de spannings- en rekverdelingen in de weg en de balk sterk op elkaar lijken. 4.1 Spanningsverdeling

De optredende spanningen in de asfaltlaag worden bepaald door de stijfheidsverhouding van de verschillende lagen, de dikten van de lagen en door de mate van hechting tussen de lagen. De verticale spanningen zullen als gevolg van lastspreiding door de asfaltlaag afnemen met de diepte. Naarmate de asfaltlaag stijver is (lage temperaturen) zal de lastspreiding toenemen en nemen de verticale spanningen sterker af met toenemende diepte. De verticale spanningen zijn uiteraard drukspanningen.


Module 3

Onder belasting zal de asfaltlaag hol gebogen worden. Hierbij zullen aan de bovenzijde van het asfalt drukspanningen ontstaan en aan de onderzijde trekspanningen. Deze spanningen zijn horizontaal. Omdat ver weg van het wiel het oppervlak weer horizontaal zal lopen, zal er naast het wiel ook een bolle kromming ontstaan. Het verloop van de horizontale spanning onder het hart van contactoppervlak is schematisch weergegeven in figuur 3.4. Het vlak waar de (horizontale)

spanningen nul zijn, wordt aangeduid als het ‘neutrale vlak’. De grootte van de maximaal optredende spanning is voor een belangrijk deel afhankelijk van de gekozen laagdikte van het asfalt. In de balk-analogie is dit de hoogte van de balk. Voor de maximale horizontale spanning σmax in een rechthoekige balk geldt:

WM

=maxσ (3-1)

waarin: M: buigend moment [Nm] W: weerstandsmoment van de balk [m3] Het weerstandsmoment W van een rechthoekige balk is:

2

61 bhW = (3-2)

waarin: b: breedte van de balk [m] h: hoogte van de balk [m] De invloed van de hoogte op de optredende horizontale spanningen in de balk is dus groot. Dit zal bij de asfaltlaag ook het geval zijn: de spanningen nemen meer dan recht evenredig af met toenemende laagdikte. 4.2 Rekverdeling

De optredende rekken hangen direct samen met de spanningen. Ze zijn aan elkaar gerelateerd door de elasticiteitsmodulus. In zijn een-dimensionale vorm is de relatie tussen spanning en rek:

trekspanningen

drukspanningen

Figuur 3-4: Verdeling van horizontale spanning in een belaste asfaltlaag


Module 3

Eσε = (3-3)

met: ε: rek [m/m]

σ: spanning [Pa] E: elasticiteitsmodulus [Pa]

Het lineaire verband tussen spanning en rek geldt voor slanke elementen als een balk; voor een asfaltlaag is de relatie complexer. In dat geval hangt de rek af van de spanningstoestand in drie richtingen. Omwille van de eenvoud wordt daar aan voorbijgegaan. 4.3 Elastische vervorming

De optredende elastische vervormingen hangen af van de maximale rek en van de dikte van de asfaltlaag. Vervorming is de sommatie van de rek over de afstand. Voor een balk op twee steunpunten, belast door een puntlast, geldt voor de zakking in het midden:

EIPlw

3

481

= (3-4)

waarin w: zakking t.p.v. het midden [m] P: lastgrootte [N] l: overspanning [m] E: elasticiteitsmodulus [Pa] I: traagheidsmoment van de balk [m4] Het traagheidsmoment I is gedefinieerd als:

3

121 bhI = (3-5)

waarin b: breedte van de balk [m] h: hoogte van de balk [m] De vervorming wordt dus in zeer sterke mate bepaald door de grootheid EI. Dit is de stijfheid van de balk (hier is de balk een constructie, niet een materiaal). Bij een asfaltlaag is dit net zo: de stijfheid van de asfaltlaag wordt ongeveer bepaald door een factor Eh3.

Figuur 3-5 illustreert de elastische vervorming van de wegconstructie onder wielbelasting.

asfalt

fundering

ondergrond

Figuur 3-5 Elastische vervorming onder wielbelasting


Module 3

Overigens suggereert de analogie van de balk dat de zakking evenredig is met de belasting P en omgekeerd evenredig met de stijfheid E (of Smix) en omgekeerd evenredig met de derde macht van de hoogte h.

4.4 Het belang van goede hechting

Duidelijk zal zijn dat hechting tussen de lagen een belangrijke rol speelt. Hechting betekent dat de lagen in mechanische zin samenwerken: twee op elkaar gelijmde planken leveren een stijver geheel dan twee losliggende en over elkaar heen schuivende planken. In termen van het traagheidsmoment I: Als de planken volledig verlijmd zijn wordt de nieuwe hoogte van de balk 2*h, wat betekent dat het traagheidsmoment 23=8 keer groter wordt. Liggen de planken los dan liggen er eigenlijk twee balkjes op elkaar: het traagheidsmoment wordt dan 2 keer zo groot. Verlijmen –hechting- resulteert dus in een veel langere levensduur.

5 Analytische benadering 5.1 Lastspreiding volgens Boussinesq

In 1885 formuleerde Boussinesq vergelijkingen voor het berekenen van spanningen, rekken en verplaatsingen in een homogene isotrope lineair elastische halfruimte onder een puntlast. Vrij vertaald betekent dit het volgende. Uitgangspunt is een oneindig groot vlak, aan de ene kant van dit vlak bevindt zich materiaal aan de andere kant van dit vlak is geen materiaal aanwezig (halfruimte). Het materiaal gedraagt zich overal hetzelfde (homogeen) en gedraagt zich in alle richtingen gelijk (isotroop). Het materiaal vertoont een vaste relatie tussen rek en spanning (is lineair elastisch en laat zich dus beschrijven door E en ν). De vergelijkingen van Boussinesq geven inzicht in de spanningen, rekken en verplaatsingen die in het materiaal optreden wanneer het oneindig grote scheidingsvlak ergens wordt belast door een puntlast loodrecht op dit vlak. De oplossing van Boussinesq is vandaag de dag nog even geldig als ruim 100 jaar geleden. Wegen worden helaas niet belast door puntlasten maar door meer gelijkmatig verdeelde belastingen. Gelukkig kunnen de vergelijkingen van Boussinesq worden geïntegreerd over een cirkel-vormig oppervlak voor de situatie dat men recht onder dit oppervlak kijkt (r=0). Duidelijk zal zijn dat een gelijkmatige belasting op een cirkel-vormig oppervlak al veel meer overeenkomt met een wiellast. Recht onder het wiel resulteren de vergelijkingen van Boussinesq na integratie in het volgende.

( )ασ 3sin1−= pz (3-6)


Module 3

( )[ ]ααυυσ 3sinsin12212

++−+=p

x (3-7)

( ) ( ) ( ) ( )[ ]αυαυυυ 2222122 sin1sin2112 +−−−−−+= zaEpuz (3-8)

Waarin: σz: verticale spanning [MPa] σx: horizontale spanning [MPa] uz: zakking [mm] a: straal lastoppervlak [mm] p: contactspanning [MPa] z: diepte [mm] E: stijfheid van het materiaal in de halfruimte [MPa] ν: dwarscontractiecoëfficiënt

Zie tevens bijgaande figuur 3-6. Wanneer de vergelijkingen van Boussinesq worden bezien valt op dat σz niet afhankelijk is van E en/of ν. Dit betekent dat het verloop van σz niet afhankelijk is van het materiaal in de halfruimte. Het verloop van de horizontale spanning en σx blijkt afhankelijk van de dwarscontractie-coëfficiënt ν van het materiaal. De stijfheid E is niet van invloed op het verloop van σx. Figuur 3-7 geeft het verloop van σz en σx

volgens Boussinesq voor een halfruimte belast door een 50 kN last op een lastoppervlak met een straal

van 150 mm. Gegeven is het verloop over de eerste meter onder de last. De horizontale span-ningen zijn bepaald uitgaande van een dwarscontractiecoëfficiënt van 0,35.

a a

α

σxσz

z

Figuur 3-6: Schematisering volgens Boussinesq

0

250

500

750

1000

-0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8

spanning [MPa]

Die

pte

[mm

]

szsx

Figuur 3-7: Spanningsverloop volgens Boussinesq


Module 3

Op basis van de theorie van Boussinesq kan worden afgeleid dat lastspreiding plaatsvindt onder een hoek van ca. 55 0. Om aan de veilige klant te blijven, en om de zaken niet moeilijker te maken dan ze zijn, wordt in de praktijk vaak een hoek van 450 aangehouden. 5.2 Laagequivalentie volgens Odemark

De theorie van Boussinesq, hoe mooi die ook mag zijn, is niet toepasbaar op wegen. Wegen bestaan immers uit verschillende lagen, waarvan de stijfheid over het algemeen afneemt met de diepte. Om dit probleem op te lossen hebben Odemark en Ivanov laagequivalentie theorieën ontwikkeld. Uitgangspunt bij is dat een laag met een dikte h1 en een stijfheid E1 wordt vertaald naar een laag met een dikte h2 en een stijfheid E2. Bij deze vertaling wordt de buigstijfheid, die afhankelijk is van E.h3, van de twee lagen gelijk gehouden. De door Odemark opgestelde vergelijkingen resulteren bij een gelijke dwarscontractiecoëfficiënt in alle lagen in de volgende vergelijking.

31

2

11 ** ⎥

⎦

⎤⎢⎣

⎡=

EEhfhe (3-9)

Waarin: he: equivalente laagdikte van de bovenste laag 1 [mm] h1: werkelijke laagdikte van de bovenste laag [mm] E1: stijfheid van de bovenste laag [MPa] E2: stijfheid van de onderste laag [MPa] f: = 0,9 voor tweelagen systeem [-] = 0,8 voor meerlagen systeem behalve voor eerste scheidingsvlak [-] = 1,0 voor eerste scheidingsvlak in meerlagen systeem [-] Odemark vertaalt aldus alle bovenste lagen naar hun equivalent met een stijfheid gelijk aan die van de onderste laag. Met Odemark wordt het mogelijk meer inzicht te krijgen in het gedrag van wegen. Hierna volgt een voorbeeld. Tabel 3-1: Laag equivalentie volgens Odemark

Verharding Equivalente lagen Materiaal E [MPa] h [mm] Ee [MPa] he [mm] Asfalt 4000 120 40 557 Granulaat 500 250 40 464 Zand 100 500 40 543 Ondergrond 40 oneindig 40 oneindig

Volgens Odemark zijn de spanningen onder een (120+250+500) 870 mm dikke verharding zoals omschreven gelijk aan de spanningen die optreden op een diepte van (557+464+543) 1567 mm wanneer geen verharding aanwezig is. Uitgaande van een hoek van lastspreiding van 450 wordt nu het volgende beeld verkregen.


Module 3

In de bovenstaande figuur is geeft het linker deel lastspreiding onder 450 weer. Van de verschillende lagen is de equivalente laagdikte aangegeven. In het rechter deel van de figuur is op basis van de equivalente laagdikte de werkelijke lastspreiding weergegeven. De figuur geeft duidelijk aan dat de meest stijve lagen sterk bijdragen aan de lastspreiding van de totale verhardingsconstructie. Hierbij wordt opgemerkt dat niet de absolute stijfheid van een laag bepaald hoeveel lastspreding deze laag geeft. De theorie van Ivanof geeft duidelijk aan dat relatieve stijfheden van belang zijn. Verhogen we in het voorgaande voorbeeld alle stijfheden met een factor 100 dan blijft de lastspreiding gelijk. 5.3 Buig- en schuifspanningen

In het voorgaande voorbeeld is duidelijk geworden dat de meest stijve lagen in een verharding de sterkste bijdrage leveren aan lastspreiding. De hoek waarin

lastspreiding in deze lagen plaatsvindt is hierdoor veel groter dan 450. Als we bijvoorbeeld de asfaltlaag uit het voorgaande voorbeeld bekijken zien we het beeld in figuur 3-9.

Wanneer we een doorsnede vlak naast de last bekijken ontdekken we dat lastspreiding resulteert in buigspanningen (trek en druk) en schuifspanningen. De buigspanningen geven boven in de laag druk en onder in de laag trek. De schuifspaningen willen als het ware het belaste gebied van de asfaltlaag de fundering in ponsen. De grootte van de optredende schuif-en buigspanningen zijn o.a. afhankelijk van de lastspreiding in de laag. Hoe groter de lastspreiding hoe groter de buig- en schuif-spanningen. Dit wordt duidelijk wanneer we een wiel op een kolom zetten. Er is nu totaal geen lastspreiding, de kolom

E= 40 MPa

E= 40 MPa

E= 40 MPa

E= 40 MPa

E= 4000 MPa

Fundering

Zand

Ondergrond

Asfalt E= 100 MPa

E= 40 MPa

E= 500 MPa

Figuur 3-8: Lastspreiding in een systeem met stijve lagen hoog in de constructie

Figuur 3-9: Lastspreiding in een stijve laag.

Figuur 3-10: Buiging en afschuiving ten gevolge van lastspreiding.


Module 3

wordt immers naar beneden toe niet breder. Buiging zal er in de kolom dan ook niet optreden. Ook afschuiving treedt nu niet op. Volgens de theorie van Odemark neemt de lastspreiding van een laag toe wanneer de stijfheid van deze laag ten opzichte van de stijfheid van de ondergrond toeneemt. Dit verklaart waarom een asfaltlaag die op zand (E=100 MPa) goed voldoet, bij gelijke belasting op veen (E=30 MPa) snel zal bezwijken.

6 Computerprogramma's Met behulp van zogenaamde meerlagen-programma’s kan men spanningen, rekken en verplaatsingen in een wegconstructie berekenen. Er zijn twee typen programma’s: de eindige elementen en de meerlagenprogramma’s. In de eerste worden de constructies beschreven door een systeem van cellen. Aan elke cel worden materiaalparameters toegekend. Door één cel te belasten verandert de vorm of grootte ervan en daardoor komen de buurcellen onder belasting te staan. Die zullen ook vervormen en zo wordt de hele constructie doorgerekend. Sterke punten van dit type programma’s zijn dat ze spanningsafhankelijkheid in rekening kunnen brengen, scheurgroei kunnen simuleren, vele vormen van constructies aan kunnen. Voor meer informatie omtrent deze programma’s wordt naar de literatuur verwezen. Meerlagenprogramma’s gaan er bij voorbaat van uit dat de constructie opgebouwd is uit horizontaal oneindige lagen. Dit uitgangspunt maakt een meer analytische oplossing mogelijk. Het meest bekende voorbeeld is BISAR, waarin het materiaal (lineair) elastisch verondersteld wordt. VEROAD behoort ook tot deze klasse, al wordt het materiaal daar visco-elastisch genomen. Voor de berekening zijn verschillende gegevens nodig zoals opbouw van de constructie, materiaaleigenschappen en belasting. Hier zal kort worden ingegaan op de benodigde invoer voor dergelijke programma's. 6.1 De invoergegevens

De berekening van de spanningen, rekken en verplaatsingen gebeurt aan de hand van de invoergegevens welke bestaan uit: • de belasting • de dikte van de lagen • de materiaaleigenschappen (materiaalparameters) • de mate van hechting tussen de lagen


Module 3

6.2 De geschematiseerde belasting

Meestal wordt de wielbelasting geschematiseerd als een verticale gelijkmatig verdeelde belasting op één of twee cirkelvormige oppervlakken (enkele band of dubbellucht wiel). Soms worden ook schuifkrachten aan het oppervlak als invoer gegeven. Het visco-elastische meerlagen-programma VEROAD heeft uiteraard ook de rijsnelheid nodig als invoergegeven. In figuur 3-11 is een veel gebruikte schematisering van een dubbellucht wiel gegeven. 6.3 De dikte van de lagen

Meerlagen-programma’s veronderstellen de constructielagen oneindig uitgestrekt. Daarom is, als karakterisering van de laagafmetingen alleen de dikte nodig. Dit houdt in dat dergelijke programma’s gebruikt kunnen worden voor belastingen die ver van de rand van de constructie verwijderd zijn. In het algemeen wordt voor deze afstand ca. 1 m aangehouden. Veelal zal dit geen probleem opleveren. Voor kortere afstanden tot de rand is men aangewezen op de meer complexe eindige elementen programma's. Tenslotte wordt nog opgemerkt dat voor de onderste laag geen dikte hoeft te worden ingevuld: deze strekt zich in het rekenmodel uit tot oneindige diepte. 6.4 De materiaaleigenschappen

Om spanningen, vervormingen en verplaatsingen te kunnen berekenen moeten de materiaalkarakteristieken ingevoerd worden. Het betreft hier parameters die informatie geven over het stijfheidsgedrag. Er zijn vier van deze parameters. Deze hangen onderling samen en kent men er twee, dan zijn de andere direct uit te rekenen (voor lineair –spanningsonafhankelijk- materiaal) . 1. De meest bekende is de elasticiteitsmodulus, die het verband aangeeft

tussen optredende spanningen en rekken. 2. De tweede is de dwarscontractie-coëfficiënt, ook wel het Poissongetal

genoemd. Dit getal geeft de verhouding tussen de horizontale (radiale) en verticale (axiale) rek bij belasting in verticale richting (bij vrije vervorming in horizontale richting). Men kan zeggen dat het aangeeft wat de weerstand is tegen volumeverandering en vormverandering tegelijk. Immers: als een proefstuk alleen axiaal vervormt, dan verandert het volume. Als het materiaal bij die axiale vervorming niet van volume wil veranderen dan moet het radiaal van grootte veranderen. En dat geeft het Poissongetal aan.

bovenaanzicht

asfalt

fundering

ondergrond

Dubbele wiellast

Figuur 3-11: Schematisering van dubbellucht-systeem


Module 3

3. De derde is de bulkmodulus, ook wel volume-stijfheid genoemd. Dit getal geeft de weerstand van het materiaal tegen volumeverandering als het alzijdig onder spanning wordt gezet.

4. De vierde geeft de weerstand tegen vormverandering aan die het mengsel heeft als het door schuifspanning wordt belast. Deze heet de schuif- of de glijdingsmodulus.

Elastische programma’s hebben als stijfheidsmodulus de elasticiteitsmodulus nodig –de elastische variant van de stijfheidsmodulus-. VEROAD heeft de visco-elastische variant daarvan nodig (VEROAD houdt rekening met het gedrag van het asfalt). 6.5 De mate van hechting

Sommige (elastische) programma’s vragen een kental voor de mate van hechting, variërend van geen hechting tot volledige hechting. Men dient hier zeer zorgvuldig mee om te gaan. Dit omdat de term ‘hechting’ niet uniform gedefinieerd is; men verstaat allemaal wat anders onder deze term. Men is het wel eens over de betekenis van ‘volledige’ hechting. Overigens kan men hechtingsgebrek (slip) ook zien als het effect dat een dunne en slappe tussenlaag heeft op de constructie.

7 De Standaardaslast In de Standaard kent men een Standaardaslast, die gebruikt wordt bij de omschrijving van de verkeersklassen. Het aantal standaardaslasten is ook een maat voor het totaal aan (vracht)verkeer dat tijdens de levensduur over de weg gaat. In tabel 3-2 is de indeling in verkeersklassen gegeven.

Tabel 3-2 Verkeersklassen in De Standaard

Verkeersklasse SAL100 Toelichting 2 < 500 Licht belaste verhardingen 3 < 4000 Intensief belaste verhardingen 4 > 4000 Zeer intensief belaste verhardingen 5 > 500 Intensief belaste verhardingen met langzaam

rijdend en stilstaand zwaar verkeer, bij een rijsnelheid kleiner dan 15 km/uur

SAL100 is het equivalent aantal standaardaslasten van 100 kN per etmaal voor de zwaarst belaste rijstrook. Andere dan 100 kN lasten worden naar SAL100 teruggerekend via de 4e machtsrelatie op de aslasten:

SAL100 = (L1/100)4

waarbij L1 de om te rekenen last is [kN].


Module 3

Als schatting wordt gehanteerd:

SAL100 = Iv · VSF100 waarbij: Iv de intensiteit van het vrachtverkeer is op de zwaarst belaste

rijstrook VSF100 de VrachtwagenSchadeFactor in equivalente aslasten van 100 kN.

Deze omrekening moet bevreemden. Immers, uit de elastische analyse van het opgelegde balkje blijkt dat de belasting recht evenredig is met de maximaal te verwachten spanning en met de zakking. Het verschil tussen een lineair verband en een vierde-machts verband is te groot om als modelfout te kenmerken. De vierde macht komt uit een AASHO-road test en is een waargenomen relatie tussen i

Inhoudsopgave - Asfaltblij · Asfaltkunde, Inhoudsopgave, maart 2006 1 Inhoudsopgave Inhoudsopgave...

Documents

Transcript of Inhoudsopgave - Asfaltblij · Asfaltkunde, Inhoudsopgave, maart 2006 1 Inhoudsopgave Inhoudsopgave...