HOOFDSTUK 8 WEGOPPERVLAKEIGENSCHAPPEN

249
HOOFDSTUK 8
WEGOPPERVLAKEIGENSCHAPPEN
250
8.1
Inleiding:
Voor een veilig en comfortabel gebruik van de weg zijn vooral de eigenschappen van het oppervlak van de wegconstructie van belang. Nodig zijn
voldoende stijfheid, snelle afvoer van op de weg aanwezig water, vlakheid,
goede reflectie van (kunst)verlichting en beperkte geluidproductie tussen
band en wegdek. Gestreefd moet worden naar handhaving van deze eigenschappen gedurende een lange tijd, bijv. de levensduur van de verharding. In
de volgende paragrafen wordt nader ingegaan op de gewenste
oppervlakeigenschappen.
8.2
Stroefheid:
Een voertuig kan zich op een weg voortbewegen dankzij de wrijving in het
contactvlak tussen band en wegoppervlak. Onder stroefheid wordt verstaan
de wrijvingscoëfficiënt, gemeten volgens een gestandaardiseerde methode.
De wrijvingskracht tussen rubberband en wegdek kan zijn opgebouwd uit 3
componenten, te weten:
1. de adhesie- of kleefcomponent die ontstaat door moleculaire aantrekking
tussen het loopvlak van de band en het wegdek. Dit is de belangrijkste
component bij een droog wegdek. Deze component neemt af bij
toenemende textuur (ruwheid) van de weg.
2. de hysteresis- of vervormingscomponent die ontstaat bij vervormingen van
de band. Deze component neem toe met de textuur van de weg en is het
belangrijkste bij een nat wegdek.
3. de cohesie- of slijtagecomponent die ontstaat door de weerstand van
rubber tegen verbreking van de inwendige samenhang.
8.2.1 Invloedsfactoren:
Als belangrijkste factoren, die van invloed zijn op de totale wrijvingscoëfficiënt,
kunnen worden genoemd:
1. wegdek,
2. band,
3. weersgesteldheid,
4. snelheid voertuig,
5. wielslip en drifthoek.
Ad 1. Wegdek
Bij de invloed van het wegdek op de wrijvingscoëfficiënt kunnen de volgende
grootheden worden onderscheiden:
a. de textuur van het wegdek. Bij de textuur, daaronder wordt hier verstaan de
geometrie van het wegoppervlak, kunnen we onderscheiden een
macroschaal en een microschaal (figuur 8.1). De textuur op macroschaal is
nodig om op een nat wegdek, vooral bij hogere snelheden, op snelle wijze
het water uit het contactvlak band-wegdek af te voeren. De macrotextuur
wordt bepaald door de steenafmetingen in het wegoppervlak. De ruwheid
en de scherpte van het steenoppervlak zelf bepalen de microtextuur, die
251
ervoor zorgt dat de laatste watersporen van die plaatsen kunnen worden
afgevoerd, waar hoge vlaktedrukken tussen steen en rubber optreden.
Figuur 8.1: Verschillende wegoppervlaktexturen.
b. het toeslagmateriaal in het wegdek. Hiervan zijn de volgende grootheden
van belang ten aanzien van de stroefheid:
- de vorm en de grootte
- de weerstand tegen polijsten
- de weerstand tegen verbrijzeling
- de hechting aan het bindmiddel.
Gebroken materialen bezitten in het algemeen een scherp en ruw
oppervlak, wat gunstig is voor de textuur en de stroefheid. Onder invloed
van het verkeer vindt polijsting plaats, waarvan de mate afhankelijk is van
onder meer het soort gesteente en de verkeersintensiteit. Door verbrijzeling
en loslaten van aggregaat in het wegoppervlak wordt de stroefheid
ongunstig beïnvloed.
c. toestand van het wegdek. Op een nat wegdek kan het water het contact
tussen band en wegoppervlak gedeeltelijk of geheel verbreken, waardoor
de wrijvingscoëfficiënt µ afneemt.
Nodig is een snelle afvoer van op de weg aanwezig water en het
voorkómen van plasvorming (figuur 8.2).
In dit kader is het doel van het afschot van het wegdek relevant: het snel
zijdelings afvoeren van het oppervlakwater. Het toegepaste percentage
afschot hangt daarbij af van het type wegverharding; zo heeft men bijv.
internationaal besloten het afschot voor een asfaltverharding te brengen op
2½%, dit ter meerdere zekerheid tegen plasvorming.
252
Figuur 8.2: Gevaar voor plasvorming nabij wegdekmarkering en in rijsporen
bij spoorvorming.
Ongunstig kan ook de aanwezigheid van verontreinigingen zijn. Zo kan
stof met water een emulsie vormen die tijdelijk als een smeermiddel gaat
werken (figuur 8.3). Bij voortdurende regenval spoelt het wegdek schoon
en neemt de wrijvingscoëfficiënt weer toe.
Figuur 8.3:
De wrijvingscoëfficiënt als functie van de tijd bij een regenbui na
een lange droge periode.
Ad 2. Band
Het loopvlak van personenautobanden wordt overwegend van synthetisch
rubber gemaakt. Het voordeel ten opzichte van het gebruik van natuurrubber
is een grotere wrijvingscoëfficiënt door grotere adhesie en hysteresis. Een
nadeel is een grotere warmte-ontwikkeling.
Voor vrachtautobanden wordt uit economische overwegingen (geringere
slijtage) veelal nog natuurrubber toegepast.
Het loopvlak van de band moet zodanig geprofileerd zijn dat het water in het
contactvlak band-wegdek voldoende snel kan ontwijken; van belang zijn de
vorm en de diepte van de profilering.
253
Ad 3. Weersgesteldheid
Bij stroefheidsmetingen voor wegdekken wordt ervan uitgegaan dat het
wegoppervlak middels gladheidsbestrijding sneeuw- en ijsvrij wordt
gehouden. De invloed van regen komt naar voren in de vorm van afname van
de stroefheid en gevaar van aquaplaning. Aquaplaning is het verschijnsel
waarbij een rijdend voertuig op banden bij voldoende hoge snelheid,
voldoende grote waterlaagdikte en onvoldoende bandprofiel onbestuurbaar
wordt doordat de band in het gehele “contactvlak” met het wegdek door een
waterfilm van de verharding wordt gescheiden.
Figuur 8.4 geeft schematisch weer hoe een rubberband over een nat
wegoppervlak rolt of glijdt. Hierbij worden 3 zones onderscheiden: zone 1
(geen contact), zone 2 (plaatselijk contact) en zone 3 (droog contact).
Naarmate zone 1 groter wordt, treedt afname van de wrijvingscoëfficiënt op,
uitmondend in aquaplaning. Dit effect wordt versterkt wanneer een stilstaand
wiel snel in rotatie wordt gebracht, hetgeen optreedt bij de landing van
vliegtuigen waar dit verschijnsel als eerste is geconstateerd.
Figuur 8.4: Schematische voorstelling van een rollende band op een nat
verhardingsoppervlak.
Ad 4. Snelheid voertuig
De invloed van de snelheid van het wiel (voertuig) op de wrijvingscoëfficiënt
tussen band en wegdek is op een droog wegdek in het algemeen beperkt.
Bij een nat wegdek daalt de wrijvingscoëfficiënt bij toenemende
voertuigsnelheid en waterfilmdikte sterk (figuur 8.5). De wrijvingscoëfficiënt
wordt slechts dan groter indien de automobilist langzamer rijdt of wanneer de
waterlaagdikte geringer wordt (b.v. door afschotverhoging).
254
Figuur 8.5: Het verband tussen de snelheid en de wrijvingscoëfficiënt als
functie van de waterlaagdikte bij 100% slip en een geprofileerde
radiaalband op een cementbetonnen wegdek met fijne textuur.
Ad. 5 Wielslip en drifthoek
Een wiel kan zodanig worden afgeremd dat uitsluitend langskrachten in het
contactvlak band-wegdek ontstaan. Is ω1 de hoeksnelheid van het afgeremde
ω − ω1
wiel en ω0 die van een vrij rollend wiel, dan is de wielslip ( 0
) x 100%.
ω0
De grootte van de langskracht varieert met het percentage slip.
Daarnaast kan een remmend wiel een zgn. drifthoek maken met de rijrichting
(bijv. remmen in een bocht). De opgebouwde spoorkrachten zijn afhankelijk
van de grootte van de drifthoek.
8.2.2 Stroefheidsnormen:
Aan de stroefheid in langsrichting worden, uit oogpunt van verkeersveiligheid,
minimum eisen gesteld.
De in Nederland gehanteerde normen zijn gebaseerd op door de S.W.O.V.
(Stichting Wetenschappelijk Onderzoek Verkeersveiligheid) ontwikkelde
relaties tussen de stroefheid van een wegdek en de ongevallenkans.
In tabel 8.1 zijn karakteristieke waarden gegeven voor de stroefheid van
buitenwegen in Nederland, gemeten volgens de standaardmethode van de
Dienst Weg- en Waterbouwkunde (DWW) van Rijkswaterstaat. De normen
zijn gebaseerd op metingen met een ‘vertraagd wiel’ met 86% langsslip,
waterlaagdikte 0,5 mm, snelheid 50 km/h. De meetband is een in internationaal verband gestandaardiseerde band (geen profiel).
Minimumwaarde
richtwaarde = afkeurgrens
kortingsgrens
0.38
0,45
0,52
Tabel 8.1: Karakteristieke waarden voor de stroefheid van buitenwegen.
255
Indien bij de oplevering van een weg de stroefheid geringer is dan de
kortingsgrens, wordt een korting op de aanneemsom toegepast. Is de
stroefheid geringer dan de richtwaarde, dan moeten door de aannemer
zodanige maatregelen getroffen worden dat de richtwaarde nergens wordt
onderschreden.
8.3
Rijkwaliteit en vlakheid:
Rijkwaliteit is enerzijds uit te drukken als rijcomfort, dit is een maat voor de
“hinder” die de passagiers in een voertuig ervaren tengevolge van het rijden
over een weg. Deze hinder omvat in hoofdzaak de tijdsduur, de frequentie, de
verplaatsingsamplitude, de snelheid en de versnelling van de trillingen die de
passagiers ondergaan tengevolge van wegoneffenheden. De bewegingen die
passagiers ondergaan kunnen worden ontbonden in horizontale en verticale
componenten, waarbij middels onderzoekingen is vastgesteld dat
voornamelijk de verticale component door de passagier als onprettig wordt
ervaren.
Anderzijds is rijkwaliteit uit te drukken als veiligheid, dit is een maat van
“risico” voor het sturen van het voertuig. Deze veiligheid omvat in hoofdzaak
de relatie tussen (beladen) voertuigeigenschap, rijsnelheid, wegdekeigenschap en stuurcapaciteit van de chauffeur.
Bij disharmonie tussen deze factoren ontstaat een gevaarlijke situatie voor het
eigen voertuig als ook voor medeweggebruikers.
Vlakheid is te definiëren als een maat voor de grootte en aard van relatieve
afwijkingen in een wegdek t.o.v. het vooraf gewenste absolute hoogteniveau
(bijv. rechte lijn, voetboog, etc.). Bij vlakheid is verder onderscheid te maken
in macro- en microvlakheid. Macrovlakheid is bepalend voor de rijkwaliteit
naar comfort en veiligheid bij hogere snelheden, terwijl de microvlakheid (=
oppervlaktextuur met “golflengten” tot 3 mm) invloed heeft op de stroef-heid,
het wegverlichtingseffect en op de geluidproductie (bandengeluid), dus op de
veiligheid. Bij de beoordeling van de vlakheid van de weg wordt normaal de
microvlakheid (nog) zelden beschouwd.
Daar heden ten dage wegvakken voornamelijk machinaal worden aangelegd,
kan reeds een zeer hoge mate van “beginvlakheid” worden gerealiseerd. De
achteruitgang van de vlakheid en rijkwaliteit met de tijd is te beschouwen als
een relatie tussen de totale constructie en het verkeer. De wijzigingen van de
macrovlakheid ontstaan voornamelijk door (ongelijkmatige) zetting van de
ondergrond, permanente deformaties in verhardingsmaterialen als ook
scheurvorming
en
voortgaande
bezwijking;
uitbrokkeling
en
oppervlakdesintegratie beïnvloeden de microvlakheid.
8.3.1 Deformaties in langsrichting:
De deformaties van het wegoppervlak in langsrichting worden gewoonlijk
geschematiseerd m.b.v. golven. Ze zullen in het algemeen bestaan uit
combinaties van golflengten. Dit is in zekere zin een voordeel daar een
regelmatig patroon van aanstoting een ongunstige invloed op de rijkwaliteit
256
van het wegdek zal hebben (bijv. de regelmatig optredende stoot bij
dwarsvoegen in oude cementbetonwegen).
Uit metingen, en ook wel uit ervaringen, is bekend, dat afgezien van zeer
plaatselijke kuilen en hobbels, bij de meeste typen wegverharding de
oneffenheden met grote golflengten steeds een grotere amplitude hebben dan
die met kleine golflengten. Daar bij hogere snelheden de trillingsvormen van
het voertuig door grotere golflengten worden bepaald, betekent dit dat
vergroting van de snelheid op eenzelfde wegdek de versnelling van het
voertuig (en inzittenden) zal doen toenemen en de bestuurbaarheid zal doen
afnemen.
Omgekeerd kan worden gesteld dat, om bij hogere snelheden de versnellingen van het voertuig en inzitttenden en de daarmee gepaard gaande
krachten niet te doen toenemen, het wegdek qua (macro)vlakheid aan hogere
eisen moet voldoen.
8.3.2 Deformaties in dwarsrichting:
Deformaties in dwarsrichting zijn spoorvorming bij asfalt- en
elementenverhardingen, mogelijke onvlakheid t.p.v. een langsvoeg in
betonwegen en mogelijke scheurvorming t.p.v. de las van tegen elkaar
aansluitende bitumineuze deklagen. Mat name spoorvorming is qua aard en
grootte een belangrijke bron van onvlakheid in dwarsrichting.
Spoorvorming kan worden omschreven als een wijziging van het dwarsprofiel
van een wegdek onder rijdend verkeer in een golfpatroon dat wordt
gekenmerkt door golfdalen onder beide rijsporen (figuur 8.6).
Zoals reeds in figuur 8.2 werd aangeduid ontstaat hierbij het gevaar voor
plasvorming bij nat weer.
Figuur 8.6: Schema van het dwarsprofiel van de weg bij spoorvorming.
Ook bij droog weer wordt de bestuurbaarheid van een voertuig door spoorvorming bemoeilijkt, vooral bij hoge snelheden of zwaar beladen vrachtautocombinaties.
257
8.4
Realisering van de gewenste oppervlakkarakteristieken:
Bij de realisering van de gewenste oppervlakkarakteristieken dient
onderscheid gemaakt te worden tussen de verhardingstypen, dit als gevolg
van de (natuurlijke) eigenschappen van de verhardingsmaterialen.
8.4.1 Elementenverharding:
Betonstraatstenen en straatklinkers worden toegepast voor wegen, waarop de
snelheid van het verkeer gering is (woonstraten, ontsluitingswegen). Aan de
vlakheid worden dan geen al te hoge eisen gesteld, terwijl stroefheid (gezien
de snelheid) en lichtreflectie voldoende zijn. Door het open karakter van de
verharding zijn de waterafvoer en waterberging goed.
Ten dele worden in oudere binnensteden zgn. “kinderkopjes” toegepast, een
natuursteen welke door zijn polijstgevoeligheid bij nat wegdek onvoldoende
stroefheid bezit.
8.4.2 Betonnen wegdekken:
De gewenste textuur voor deze wegdekken wordt verkregen door het verse
betonoppervlak te behandelen (bezemen, groeven trekken). Doorgaans zal
een goed uitgevoerde betonverharding geen onvlakheid behoeven te
vertonen. De diffuse lichtreflectie is door de lichte kleur van het materiaal
voldoende.
8.4.3 Bitumineuze wegdekken:
De stroefheid van een wegdek wordt gerealiseerd door de scherpkantige
korrels aan het wegoppervlak. Onder invloed van het verkeer slijt het
bitumenhuidje eraf, of is in het geheel niet aanwezig nl. wanneer split wordt
ingestrooid. Dit laatste vindt daarom bijna altijd plaats op nieuwe dichte
wegdekken.
De lichtreflectie kan worden verbeterd door het toepassen van lichtgekleurd
aggregaat in de deklaag.
Bij z.o.a.b. is de stroefheid bij nat weer over het algemeen geen probleem
omdat het water door de poriën wordt afgevoerd. Alleen bij nieuw aangelegd
z.o.a.b. kan zich bij droog weer een periode voordoen gedurende welke er
sprake is van een wat lagere stroefheid.
Dat heeft te maken met het feit dat de steenkorrels zijn omhuld met bitumen.
Deze bitumenhuid moet eerst van het aggregaat afgesleten zijn wil de micro
textuur van het aggregaat bijdragen aan de stroefheid. Afstrooien met split om
een zekere aanvangstroefheid te realiseren gaat niet omdat daardoor de
poriestructuur verstopt raakt.
8.5
Geluidsproductie van wegdekken:
Bronnen van weg-verkeersgeluid zijn niet alleen de motoren en uitlaten van
de voertuigen, maar ook het wegdek in combinatie met de banden. Daarom
wordt er onderscheid gemaakt in aandrijfgeluid en rolgeluid; dat laatste wordt
gegenereerd door de band en het wegdek.
258
Met oplopende rijsnelheid neemt het rolgeluid sterk toe, sterker dan het
aandrijfgeluid. Vanaf ca. 30 km/h bij personenauto’s en ca. 60 km/h bij
vrachtauto’s gaat het rolgeluid het aandrijfgeluid overstemmen.
Ter bestrijding van het rolgeluid moeten de oplossingen dus gezocht worden
in de banden en het wegdek. In deze paragraaf wordt slechts ingegaan op de
beïnvloeding van het wegdek.
Uit akoestische overwegingen volgt dat textuurdiepte en textuurgolflengte
grote invloed hebben op de geluidproductie. Beide worden bepaald door de
gebruikte korreldiameter, immers hoe kleiner de korreldiameter, hoe geringer
de textuurdiepte en hoe geringer de textuurgolflengte. Uit een studie welke is
uitgevoerd ten behoeve van VBW-Asfalt (1) blijkt dat indien verschillende
wegtypen vergeleken worden met dicht asfaltbeton globaal de verschillen
worden gevonden als weergegeven in tabel 8.2.
Uit deze tabel blijkt dat z.o.a.b. een bijdrage kan leveren aan de reductie van
het rolgeluid.
Straatsteenverharding
gebezemd cementbeton
dicht asfaltbeton
zeer open asfaltbeton
+ 2 tot + 5 dB (A)
+2
dB (A)
0
dB (A)
-3
dB (A)
Tabel 8.2: Equivalent geluiddrukniveau van verschillende wegdekken
vergeleken met dicht asfaltbeton.
8.6
Literatuur:
1.
VBW-Asfalt.
Asfalt en geluidhinder.
Uitgave nr. 9; Breukelen – 1986.