HOOFDSTUK 4 MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN van

123
HOOFDSTUK 4
MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN van
WEGENBOUWMATERIALEN
124
4.1
Inleiding:
In de weg- en spoorwegbouw wordt een grote diversiteit aan materialen
toegepast zoals:
„ klei
„ zand
„ gebroken ongebonden steenslag voor funderingen en ballastbed
„ asfalt
„ beton
Een belangrijk aspect heden ten dage is de noodzaak om zo veel mogelijk
restmaterialen te hergebruiken. De wegenbouw leent zich uitstekend voor
toepassing van opgewerkte restmaterialen omdat de hoeveelheden die
kunnen worden verwerkt groot zijn en omdat de bewerkingen die uitgevoerd
moeten worden om het materiaal “op te werken”, d.w.z. geschikt te maken
voor toepassing in de wegenbouw, relatief eenvoudig zijn. Een en ander betekent dat betongranulaat (gebroken betonpuin), menggranulaat (mengsel van
gebroken betonpuin en metselwerkpuin) en allerlei slakken (staalslakken,
hoogovenslakken) veelvuldig worden gebruikt als materiaal voor ongebonden
steenfunderingen. Ook kunnen slakken van afvalverbrandingsinstallaties in
bepaalde gevallen zeer goed als ophoogmateriaal worden gebruikt. Hergebruik van asfalt in de vorm van warm hergebruik, waarbij oud gebroken
asfalt d.m.v. een bepaalde verwerkingstechniek weer wordt opgewerkt tot
“nieuw” asfalt, is een in Nederland zeer gangbare techniek. Daarnaast wordt
veel asfalt dat niet geschikt is voor warm hergebruik, in een koude vorm
hergebruikt. Daarbij wordt het tot granulaat gebroken asfalt gemengd met
cement of een bitumenemulsie.
Al met al is er een groot scala aan materialen beschikbaar en om in staat te
zijn wegconstructies naar behoren te (her)dimensioneren is kennis van het
gedrag van materialen onder belasting essentieel. Wil men immers weten hoe
dik een constructie moet worden gebouwd en welke materialen daarbij nodig
zijn dan is kennis nodig omtrent:
a. de grootte van de optredende spanningen en rekken
b. het aantal malen dat deze spanningen en rekken op zullen treden
c. de sterkte, c.q. vermoeiings- en vervormingsweerstand, van de gebruikte
materialen.
Met name aan de onder c. genoemde aspecten zal in dit hoofdstuk aandacht
worden besteed.
Allereerst zal ingegaan worden op de principes van het elastisch en blijvende
vervormingsgedrag van zand en ongebonden funderingsmaterialen. Eigenlijk
moeten er voor het karakteriseren van de mechanische eigenschappen van
dit soort materialen triaxiaalproeven worden uitgevoerd. Omdat deze proef als
redelijk lastig maar vooral als tijdrovend wordt ervaren, wordt deze nog niet
veel toegepast in de wegenbouw maar wordt gebruik gemaakt van de in de
dertiger jaren ontwikkelde CBR-proef. Omdat dit een universeel bekende
proef is zal deze proef worden beschreven en op basis daarvan zal worden
ingegaan op relaties tussen vochtgehalte, verdichtingsenergie, dichtheid en
draagvermogen. Daarna zal in het kort worden ingegaan op stabilisaties en tot
slot zal in het kort worden ingegaan op het gedrag van asfaltmengsels.
125
4.2
Elastisch vervormingsgedrag van zand en
ongebonden funderingsmaterialen:
Zand en ongebonden funderingsmaterialen zijn materialen die van nature
geen samenhang hebben. Als men gaat staan op een hoop los gestort zand
dan zal men wegzakken, m.a.w. er treedt afschuiving op.
Als datzelfde zand in een emmer wordt gestort dan blijkt het materiaal opeens
een grote sterkte, c.q. samenhang en stijfheid, te hebben (zie figuur 4.1). Men
zakt niet meer weg en er treedt geen afschuiving meer op.
Figuur 4.1: Steundruk is essentieel voor het draagvermogen van zand en
andere ongebonden materialen.
De sterkte van ongebonden materialen wordt dus in hoge mate beïnvloed
door de mate waarin dit soort materialen zijdelings wordt ondersteund. Is deze
zijdelingse opsluiting gelijk aan nul (los gestort zand) dan zijn de stijfheid en
126
sterkte zeer laag (afschuiving), is deze hoog (zand in emmer) dan zijn de
stijfheid en sterkte ook hoog.
Dit gedrag maakt berekeningen aan wegconstructies gecompliceerd. Duidelijk
is dat het spanningsniveau de sterkte en de stijfheid van ongebonden
materialen bepaalt maar om de optredende spanningen te kunnen berekenen
moet de stijfheid van de materialen bekend zijn. Een en ander impliceert dat
de berekeningen iteratief moeten worden uitgevoerd. In eerste instantie
worden bepaalde stijfheidskarakteristieken aangenomen waarmee de
spanningen worden berekend. Vervolgens worden de stijfheidskarakteristieken bijgesteld op basis van de berekende spanningen etc. etc. totdat de
spanningen en stijfheden niet meer veranderen.
4.2.1 Triaxiaalproef:
Dit zgn. spanningsafhankelijke gedrag van ongebonden funderingsmaterialen
en zand kan worden bepaald met behulp van de triaxiaalproef (zie figuur 4.2).
Figuur 4.2 Voorbeeld van een triaxiaalopstelling.
Het principe van de triaxiaalproef wordt uitgelegd aan de hand van de figuren
4.3 en 4.4.
127
σ1
Er is een alzijdige celdruk σ3 en er wordt een
axiale spanning σ1 aangebracht.
De deviatorspanning σd = (σ1 + σ3) - σ3 = σ1
εv = ∆h/h
∆h
h
σ3
Figuur 4.3: Principe van de triaxiaalproef.
σ1
Het vervormingsgedrag dat tijdens zo’n
proef wordt waargenomen ziet er alsvolgt
uit (figuur 4.4).
toenemende σ3
E
εv
Figuur 4.4: Principeschets van het resultaat van een triaxiaalproef.
Dit betekent dat de “E-waarde” toe zal nemen bij toenemende steundruk σ3. In
zijn algemeenheid geldt dat de spanningsafhankelijkheid van de E-waarde
van dit soort materialen alsvolgt kan worden weergegeven (zie figuur 4.5).
log E
toenemende σd
log σ3
Figuur 4.5: Spanningsafhankelijke “E-waarde”.
De E-waarde neemt toe met toenemende steundruk σ3. Een toenemende
deviatorspanning σd zal in eerste instantie tot een geringe afname van de E
leiden, als de deviatorspanning echter zo hoog wordt dat afschuiving optreedt
dan zal de E naar nul naderen.
128
Omdat in de triaxiaalproef de invloed van de steunspanning op de som van de
hoofdspanningen relatief groot is wordt de spanningsafhankelijkheid van de Ewaarde van granulaire materialen ook wel weergegeven als functie van de
som van de hoofdspanningen (zie figuur 4.6).
log E
log θ = log (σ1 + 3σ3)
Figuur 4.6: Veelgebruikte weergave voor het spanningsafhankelijke gedrag
van ongebonden materialen.
Men moet zich realiseren dat het op deze wijze weergeven van het
spanningsafhankelijke gedrag in principe onjuist is.
4.2.2 Vuistregels:
Het bovenstaande betekent dat triaxiaalproeven moeten worden uitgevoerd
om de E-waarde in afhankelijkheid van het spanningsniveau te kunnen
bepalen. Dit is nogal omslachtig, althans zo ervaart men dat, en het wordt
daarom vooralsnog niet veel gedaan in de wegenbouw. Voor het bepalen van
de elasticiteitsmodulus wordt veelal gebruik gemaakt van vuistregels. Voor
zanden geldt bijv. de relatie:
E = 10 CBR
E in MPa
CBR in % (de betekenis van de CBR en de CBR proef worden in paragraaf
4.5 behandeld)
Voor veel Nederlandse zanden geldt dat:
CBR = 10%
dus E = 100 MPa
Het gebruik van deze relaties is discutabel omdat de CBR-waarde in feite de
kracht weergeeft die voor een bepaalde vervorming nodig is (0,1 of 0,2 inch).
Deze vervorming is vnl. opgebouwd uit blijvende vervorming.
Desalniettemin geeft de CBR-proef de relatie tussen kracht en verplaatsing en
zegt daarmee wel degelijk iets over het elastisch vervormingsgedrag. De
randvoorwaarden laten zich echter bij de CBR zodanig moeilijk kwantificeren
(hoe groot zijn de horizontale spanningen bij de rand van de CBR-pot) dat een
129
directe relatie tussen de E zoals bepaald m.b.v. een triaxiaalproef en de CBRwaarde met de nodige voorzichtigheid moet worden gebruikt.
Voor funderingsmaterialen die op een zandbed of andere onderbouw worden
aangebracht wordt voor de bepaling van de E-modulus wel de volgende
vuistregel gehanteerd.
Ef
=
waarbij
0.2 hf0.45 Ez
hf = dikte fundering [mm],
Ez = E-waarde zandbed dat direct onder de fundering ligt
[MPa],
Ef = E-waarde fundering [MPa].
Als randvoorwaarde geldt:
Ef
=
2 à 4 Ez
Bij deze vuistregel moet men bedenken dat hij in de jaren ‘60 proefondervindelijk opgesteld is voor de toen gebruikelijke funderingsmaterialen
(harde natuurlijke steenslag). Met name voor de later gebruikte funderingsmaterialen als hoogovenslakken, lava, puingranulaten etc. kan gebruik van
deze vuistregel tot aanzienlijke verschillen leiden tussen de werkelijke E en de
voorspelde E. Voor sommige soorten lava kan bijv. gelden:
Ef
=
1,2 à 1,5 Ez
terwijl voor sommige soorten hoogovenslakken, ten gevolge van een bij deze
materialen optredende cementerende werking, kan gelden
Ef
=
5 à 10 Ez
Ook hier geldt weer dat het dus goed oppassen is met het gebruiken van dit
soort vuistregels. Het m.b.v. triaxiaalproeven proefondervinderlijk vaststellen
van de E-waarden is eigenlijk de aangewezen weg. Met triaxiaalproeven
worden weer relaties gevonden als weergegeven in figuur 4.7.
log E
Betongranulaat
Menggranulaat
Zand
log θ
Figuur 4.7: Voorbeelden van de spanningsafhankelijkheid van de
stijfheidsmodulus van funderingsmaterialen.
130
Is de vuistregel dan gebaseerd op onzin? Zeker niet, omdat aangetoond kan
worden dat zowel de ondergrond stijfheid (klankbodem voor verdichting)
alswel de dikte van de funderingslaag mede bepalend zullen zijn voor de
uiteindelijke E-modulus welke representatief geacht kan worden voor de
gehele fundering. Het grote nadeel van de gegeven vuistregel is dat in het
geheel geen rekening wordt gehouden met de invloed van het type materiaal.
Dit blijkt evenwel een wezenlijke factor te zijn.
4.3
Blijvend vervormingsgedrag van zand en ongebonden
funderingsmaterialen:
Uit de grondmechanica is bekend dat zolang de spanningstoestand maar
zodanig is dat de omhullende van Coulomb niet wordt doorsneden, er geen
afschuiving zal optreden (zie figuur 4.8).
Mohr – Coulomb faallijn
τ
spanningsconditie leidt
niet tot falen.
σ
Spanningsconditie
leidt tot falen.
Figuur 4.8: Mohr-Coulomb criterium.
Dit afschuifgedrag is echter gebaseerd op een eenmalige belasting hetgeen
niet representatief is voor de situatie in een wegverharding. Deze wordt
immers onderworpen aan vele miljoenen lastherhalingen. Het is dus van
belang om te weten wat het effect is van de herhaalde belasting op het
afschuifgedrag en de ontwikkeling van blijvende vervormingen in het zandbed
en de ongebonden fundering.
Zoals bekend zullen blijvende vormveranderingen in de fundering en zandbed
zich aan het wegoppervlak uiten als spoorvorming en onvlakheid.
De optredende blijvende vervormingen zijn afhankelijk van de
spanningsconditie en de geaardheid van het materiaal. Ook hier geldt weer
dat een triaxiaalproef, uitgevoerd met een dynamische (herhaalde) belasting,
de aangewezen weg is om de eigenschappen te bepalen. Veelal worden dan
resultaten verkregen welke in figuur 4.9 schematisch zijn weergegeven.
131
log εp
toenemende σd
metselwerkgranulaat
betongranulaat
log N
Figuur 4.9: Blijvende vervormingen zoals bepaald m.b.v. een triaxiaalproef
uitgevoerd met een herhaalde belasting.
Het uitvoeren van dit soort proeven is nogal tijdrovend en gecompliceerd. Ze
worden daarom tot nu toe voornamelijk voor onderzoeksdoeleinden uitgevoerd ondanks het feit dat er belangrijke informatie mee wordt ingewonnen.
Uiteraard zijn daarom diverse vereenvoudigde modellen ontwikkeld waarmee
het blijvend vervormingsgedrag bij benadering beschreven kan worden. Eén
van die benaderingen is weergegeven in de volgende relatie.
εp
=
εel * a * Nb
Hierbij wordt de blijvende vervorming εp gerelateerd aan de elastische
vervorming per last-cyclus (εel) en aan het aantal optredende lastherhalingen
(N). Het probleem is weer dat a en b afhankelijk zullen zijn van het type
materiaal. Als grove eerste benadering kunnen evenwel de volgende waarden
worden aangehouden.
a≈2
b ≈ 0,2 à 0,3
Een nog verdergaande vereenvoudiging is de relatie waarbij de verticale
elastische deformatie bovenin de ondergrond (zandbed) εv direct is
gerelateerd aan het aantal lastherhalingen waarbij een bepaalde hoeveelheid
vervorming van de wegconstructie optreedt.
Deze relatie is ontwikkeld in de U.S.A. in het begin van de 60-er jaren op
basis van de resultaten van de AASHO Road Test. In deze Road Test zijn
een groot aantal proefvakken, variërend in dikte en opbouw, aan een groot
aantal lastherhalingen onderworpen. Daarbij is nagegaan hoe de schade zich
ontwikkelde en ook bij welk schade-niveau de weggebruiker de schade nog
wel acceptabel vindt c.q. de weg bruikbaar acht. Dit laatste werd bepaald door
groepen huisvrouwen, kinderen, white en blue collar workers etc. over de
proefvakken te rijden en met een cijfer de kwaliteit van de verharding te
132
waarderen. Een 5 werd gegeven voor een perfecte verharding, een 0 voor
een hopeloze verharding.
Uit dit onderzoek bleek dat onderhoud wenselijk werd wanneer dit
bruikbaarheidscijfer (PSI, Present Serviceability Index) een waarde tussen de
2 en 2.5 had.
Vervolgens werd dit bruikbaarheidscijfer gerelateerd aan de schade die
zichtbaar was aan het wegoppervlak. De PSI bleek in hoge mate afhankelijk
te zijn van de langsonvlakheid, vervolgens van de spoordiepte en daarna pas
van de scheurvorming. Ook werd nagegaan bij welk aantal lastherhalingen de
PSI was gedaald tot 2.5 (Npsi = 2.5). Dit aantal lastherhalingen werd
vervolgens gerelateerd aan de verticale elastische vervorming bovenin de
ondergrond, en resulteerde in het zgn. “ondergrond stuik criterium”. In
formulevorm is dit criterium:
εo = 2.8 x 10-2 x N-0.25
Waarbij: ε0
N
= vertikale stuik bovenin de ondergrond [m/m],
= aantal malen dat die stuik op mag treden voordat er te grote
deformaties ontstaan.
Dit criterium wordt ook nu nog, bij gebrek aan beter, gebruikt als criterium bij
de dimensionering van asfaltverhardingen. Het beperken van de elastische
deformatie leidt tot een beperken van de blijvende vormveranderingen en
daarmee tot een verhoging van de levensduur (de onvlakheid zal zich minder
snel ontwikkelen).
4.4
Materiaaleigenschappen die het elastische en blijvende
vormveranderingsgedrag beïnvloeden:
Zanden en ongebonden funderingsmaterialen zijn relatief simpele materialen.
De gradering, de verdichtingsgraad, de korrelvorm en de hardheid zijn de
belangrijkste grootheden die het gedrag van dit soort materialen bepalen.
In het algemeen kan men stellen dat een zo hoog mogelijke relatieve
dichtheid, welke wordt bereikt met een zeefkromme welke de Fuller-curve
benadert en met een goede verdichting, een positieve invloed heeft op de
elastische en blijvende vervormingsweerstand. Hoekigheid van het materiaal
draagt positief bij in de toename van de elastische en blijvende
vormveranderingsweerstand. De hardheid heeft vooral te maken met de
verbrijzelingsgevoeligheid van het materiaal. Verbrijzeling moet worden
voorkomen om afwijking van de optimale gradering te voorkomen.
4.5
CBR-proef:
De California Bearing Ratio proef, afgekort tot CBR-proef, is eind dertiger
jaren ontwikkeld door de California State Highway Department voor de
bepaling van de sterkte van grond. De proef is in de veertiger jaren
geadopteerd door het U.S. Corps of Engineers voor de dimensionering van
flexibele verhardingen. Zoals gesteld is in de loop der tijd de proef over de
133
gehele wereld in gebruik genomen als een methode om op eenvoudige wijze
de sterkte van grond, zand en funderingsmaterialen te bepalen.
Het principe van de proef is weergegeven in figuur 4.10, terwijl een voorbeeld
van het kracht-verplaatsingsdiagram is weergegeven in figuur 4.11. Uit figuur
4.11 blijkt dat het gemeten verband tussen kracht en verplaatsing wordt
vergeleken met dat wat bepaald is voor een standaard mengsel van gebroken
steen.
Figuur 4.10: Schema van de CBR-apparatuur voor het laboratorium.
Figuur 4.11: Bepaling van de CBR-waarde.
De CBR-waarde volgt nu uit
CBR0,1 =
of uit
P0,1
P0,1 st
*100%
134
CBR0,2 =
P0,2
P0,2 st
*100%
indien blijkt dat de CBR0,2 groter is dan de CBR0,1
dan is de CBR0,2 maatgevend
Zoals uit het karakter van deze stempelproef blijkt, kan de CBR-waarde alleen
worden bepaald van ongebonden en niet te grofkorrelige materialen, bijv. klei,
zand etc. Voor de bepaling van de draagkracht van gebonden materialen is
de proef niet geschikt.
Zoals vermeld wordt de proef ook gebruikt voor de bepaling van de CBR van
funderingsmaterialen. Deze hebben veelal korreldiameters van 0 - 40 mm, en
zijn daarom te grofkorrelig om direct te worden beproefd. In die gevallen wordt
danook al het materiaal met een diameter groter dan 22.4 mm afgezeefd.
Voor materialen gebruikt voor de aardebaan wordt al het materiaal met een
diameter groter dan 4 mm afgezeefd.
Met de proef wordt de weerstand tegen blijvende vervorming van ongebonden
materialen bepaald. Indien de proef wordt doorgezet totdat de maximale
kracht is bereikt (figuur 4.12a) wordt de schuifweerstand gemeten en worden
schuifvlakken gevonden zoals weergegeven in figuur 4.12b.
kracht
kracht tot afschuiven
zakking
Figuur 4.12a: Kracht-zakkingsverloop bij CBR-proef.
Figuur 4.12b: Schuifvlakken bij bereiken maximale kracht.
135
4.6
CBR-waarde in situ:
In 4.5 is de CBR-proef beschreven zoals die in het laboratorium wordt
uitgevoerd. De proef kan ook in situ worden uitgevoerd bijv. door het vijzel dat
de kracht genereert en de CBR-stempel aan de achterkant van een
vrachtauto te monteren. Een andere methode is de schatting van de CBRwaarde uit gegevens van andere proeven zoals bijv. die welke worden
verkregen met behulp van sonderingen.
Sonderingen geven een indicatie van het draagvermogen van de ondergrond.
De sonderingen worden tevens gebruikt als controle op de homogeniteit van
de lagen in een ondergrond. Bij deze terreinproef wordt een standaard-conus
met een doorsnede van 1000 mm² en een tophoek van 60° (figuur 4.13a) met
een bepaalde snelheid in de laag gedrukt waarvan men de zgn.
conusweerstand wil meten. De krachten die gemeten worden zijn de
conusweerstand en de mantelwrijving.
Figuur 4.13: Schema van de sonderstang (a) en de conusweerstand als
functie van de diepte (b).
Er bestaat voor fijnkorrelige gronden (klei, licht kleihoudend zanden en fijne
ophoogzanden) een globale relatie tussen de in-situ CBR-waarde en de
conusweerstand Cs:
CBR (in %) = 4 * Cs (in N/mm²)
Daarnaast zijn er nog een groot aantal andere proeven zoals bijv.
plaatbelastingproeven, trillingsmetingen, slagsonderingen en Clegg hammer
waarmee de draagkracht van grond in situ kan worden bepaald. Deze zullen
hier echter niet worden behandeld, verwezen wordt naar de colleges
“Wegenbouwmaterialen”.
136
4.7
Dichtheid - vochtgehalte – draagvermogen:
Dat een grotere dichtheid van een korrelskelet tot een groter draagvermogen
leidt zal geen verbazing wekken. Immers het porievolume zal bij toenemende
dichtheid afnemen, het aantal contactpunten tussen de korrels zal toenemen
waardoor de wrijving tussen de korrels onderling en ook de schuifweerstand
toenemen. Zoals al eerder aangegeven heeft ook het vochtgehalte een grote
invloed. Het beste is dat te illustreren met de begaanbaarheid van het strand.
Dicht bij de duinen is het zand droog en heeft het geen samenhang, u kunt
daar niet tot nauwelijks fietsen. Bij de vloedlijn is het zand zo nat dat het ook
daar een gering draagvermogen heeft, ook daar zakt uw fiets in het zand. In
het droogvallende gebied is er evenwel een zône waar de capillaire krachten,
de zuigspanningen, in het zand zo hoog zijn dat het korrelskelet als het ware
wordt voorgespannen. Daardoor krijgt het skelet voldoende zijdelingse
ondersteuning waardoor het een zekere sterkte heeft. U kunt daar dan ook
fietsen zonder weg te zakken. De hierboven geschetste problemen zijn nog
eens op een begrijpelijke manier weergegeven in figuur 4.14.
Teneinde een zo hoog mogelijke dichtheid te krijgen is natuurlijk
verdichtingsenergie maar ook een zeker vochtgehalte nodig. Het vocht werkt
nu als smeer-middel tussen de korrels. In figuur 4.15a is voor een aantal
Nederlandse zanden het verband weergegeven tussen het vochtgehalte en
de dichtheid bepaald met de zogenaamde Proctor-verdichtingsproef. In figuur
4.15b zijn de bijbehorende zeefkrommen weergegeven.
Figuur 4.14 Bij een bepaald vochtgehalte heeft zand een optimaal
draagvermogen (1)
137
Figuur 4.15a: Proctor curven voor een aantal Nederlandse zanden (1).
138
Figuur 4.15b: Zeefkrommen behorende bij de zanden uit figuur 4.15a (1)
139
4.7.1 Proctorproef:
De Proctorproef is een over de gehele wereld bekende standaardproef voor
de bepaling van de relatie vochtgehalte-verdichtingsenergie-dichtheid. De
proef is in feite simpel. In een stalen vorm met een inwendige diameter van
101.6 mm en een hoogte van 126.4 mm wordt het te onderzoeken materiaal
aangebracht in drie lagen van ongeveer 40 mm dikte. Om één en ander
mogelijk te maken is een opzetstuk nodig van 60 mm hoogte en dezelfde
diameter. Elke laag wordt verdicht door 25 slagen van een stamper met een
massa van 2.5 kg. De diameter van het grondvlak van de stamper is 50.8 mm,
de valhoogte 305 mm. Als de proef op deze wijze wordt uitgevoerd wordt het
de normale (standard) Proctorproef genoemd.
Bij de verzwaarde (modified) proef wordt uitgegaan van 5 lagen van ongeveer
25 mm, een valhoogte van 457 mm en een massa van de stamper van 4.54
kg.
Daar de diameter van de vorm relatief klein is, wordt ook hier het grove
materiaal uitgezeefd, voor de werkwijze wordt verwezen naar de literatuur (2).
De Proctorcurven voor zand zijn over het algemeen vrij vlak, voor andere
materialen kunnen ze op een veel duidelijker relatie tussen vochtgehalte en
dichtheid duiden. Dit is bijv. het geval voor lateriet, een in tropische gebieden
veel voorkomend materiaal (zie figuur 4.16a).
Figuur 4.16a: Proctorkrommen voor een lateriet.
140
Figuur 4.16b: Zeefkromme behorend bij het lateriet uit figuur 4.16a.
4.7.2 CBR - dichtheid – vochtgehalte:
De invloed van de dichtheid, vochtgehalte en de CBR is voor de zanden uit
figuur 4.15 weergegeven in figuur 4.17, en voor het lateriet uit figuur 4.16 in
figuur 4.18.
Uit alle gegeven informatie blijkt dat er voor zowel de dichtheid als de CBR
een optimaal vochtgehalte is waarbij de hoogste dichtheid dan wel CBR wordt
behaald.
Het optimale vochtgehalte om de maximale dichtheid te halen ligt veelal wat
hoger dan het optimale vochtgehalte voor de maximale CBR.
141
Figuur 4.17: Relatie CBR - dichtheid bij verschillende vochtgehalten voor de zanden uit figuur 4.15 (1).
142
Figuur 4.18: CBR waarden voor de lateriet uit figuur 4.16.
4.8
Stabilisaties:
Soms zijn de eigenschappen van het aardebaanmateriaal, het zandbed of de
fundering niet voldoende om toegepast te kunnen worden in de constructie (te
gering draagvermogen, vocht- en vorstgevoeligheid). In die gevallen wordt het
materiaal gestabiliseerd zodanig dat de gewenste eigenschappen wel worden
verkregen.
In zijn algemeenheid zijn, afhankelijk van de gevolgde methode, de volgende
typen stabilisatie te onderscheiden:
1. mechanische stabilisatie. Hieronder wordt verstaan het optimaal verdichten
van het materiaal,
2. fysisch-mechanische stabilisatie. Hieronder wordt verstaan het verbeteren
van de korrelopbouw in combinatie met mechanisch verdichten,
3. chemisch-fysische stabilisatie. Hieronder wordt verstaan het mengen van
het basismateriaal met een bindmiddel (meestal cement, kalk of bitumen)
in combinatie met mechanisch verdichten.
De keuze tussen deze typen stabilisatie wordt bepaald door de aard van het
te stabiliseren materiaal (cement en bitumen laten zich bijv. zeer slecht
mengen met zware klei) en de functie van de stabilisatie in de wegconstructie
(werkvloer, beschermingslaag tegen klimaatsinvloeden en/of constructielaag).
Op de stabilisatie-technieken en het gedrag van gestabiliseerde materialen
wordt hier niet ingegaan. Verwezen wordt naar het dictaat Soil Stabilization
dat in het kader van het college ‘Wegenbouwmaterialen’ is uitgegeven. Hier
zullen slechts enkele theoretische achtergronden worden behandeld.
143
Uit de grondmechanica is bekend dat het verband tussen de schuifweerstand
(τ) en de normaalspanning (σn) wordt gegeven door de wet van Coulomb:
τ = c + f σn
De term c wordt veelal aangeduid als cohesie en de term f als
wrijvingscoëfficiënt met f = tg ϕ, waarbij ϕ de hoek van inwendige wrijving
voorstelt.
Door het materiaal te stabiliseren wordt de c danwel de ϕ beïnvloed. Als
bijvoorbeeld door bijmenging de korrelverdeling van een ongebonden
materiaal wordt beïnvloed, zal vooral de ϕ toenemen. Als een ongebonden
materiaal wordt gemengd met cement zal vooral de cohesie toenemen.
4.9
Bitumina:
Bitumineus gebonden materialen kunnen worden gebruikt in de fundering
(asfaltfundering) en in het overige deel van de (asfalt)verharding. Een
bitumineus mengsel is in wezen een mineraalmengsel (vulstof, zand, grind of
steenslag), samengekit door een bitumineus bindmiddel. Daarbij worden door
het steenskelet voornamelijk drukspanningen opgenomen, terwijl het bitumen
trekspanningen opneemt. De aard en hoeveelheden van beide componenten
bepalen in hoge mate de mechanische eigenschappen van het mengsel; het
bindmiddel speelt daarbij een belangrijke rol en verdient speciale aandacht.
4.9.1 Bitumineuze bindmiddelen:
Bitumen wordt verkregen door destillatie van ruwe aardolie in een
olieraffinaderij, e.e.a. is schematisch weergegeven in figuur 4.19. Bij hoge
temperaturen is bitumen een vloeistof, bij lage temperaturen is het hard en
glasachtig.
Figuur 4.19: Bereiding van bitumen uit aardolie.
144
Het gedrag onder belasting wordt sterk beïnvloed door de temperatuur (T) en
de belastingtijd (t). Het materiaal heeft visco-elastische eigenschappen en kan
worden gekarakteriseerd met een zgn. stijfheidsmodulus S(t,T). Vanwege dit
complexe gedrag zal hieraan in de volgende paragraaf meer aandacht
worden besteed.
4.9.2 Visco-elastisch gedrag van bitumina in relatie tot temperatuur en
belastingtijd:
Net als bij elk ander olieproduct is het gedrag van bitumen afhankelijk van de
temperatuur en de belastingtijd. Bij hoge temperaturen en lange
belastingtijden gedraagt het zich als een vloeistof (visceus) terwijl het zich bij
lage temperaturen en korte belastingtijden gedraagt als een vaste stof
(elastisch). In het tussenliggende traject gedraagt het zich visco-elastisch.
Teneinde tegen zo laag mogelijke energiekosten (verwarming) een goede
menging van het bitumen met het aggregaat (zand, steenslag en vulstof)
mogelijk te maken is het wenselijk dat het bitumen zich reeds bij relatief lage
temperaturen als een vloeistof gedraagt. Daartegenover staat dat het uit
gebruiksoverwegingen onwenselijk is als het materiaal bij gebruikstemperaturen, de temperatuur kan in een asfaltdeklaag ’s zomers oplopen tot
ca. 60° C, zich te visceus gedraagt; grote spoorvorming is dan het gevolg.
Ook is bros gedrag bij lage temperaturen, als het bitumen zich gedraagt als
een vaste stof, niet gewenst. Al met al betekent dit dat het gedrag van een
bitumen moet worden geoptimaliseerd.
Laat ons nu eerst nagaan hoe de verschillende fasen van het gedrag van
bitumina, elastisch, visceus, en vertraagd elastisch, kunnen worden
gemodelleerd.
In figuur 4.20 is aangegeven dat het elastisch gedrag kan worden
gemodelleerd met een veer. Als de trekbelasting wordt aangebracht treedt er
een instantane verlenging van de veer op, terwijl als de belasting wordt
weggenomen de veer weer direct in zijn oorspronkelijke toestand terugkeert.
Het visceuze gedrag kan worden gemodelleerd met een smoorpot of
schokdemper. Als de belasting wordt aangebracht zal de vervorming
geleidelijk aan groeien. Hoe langer de belasting aangrijpt des te groter wordt
de deformatie. Als de belasting wordt weggenomen blijft de smoorpot in de
vervormde toestand.
Het vertraagd elastische gedrag kan worden gemodelleerd door een veer die
parallel geschakeld is met een smoorpot. Als de belasting wordt aangebracht
zal de veer direct willen deformeren maar dat wordt tegengewerkt door de
smoorpot. Als de belasting wordt weggenomen wil de smoorpot in de
vervormde toestand blijven staan maar de veer, die direct naar zijn
oorspronkelijke toestand wil terugkeren, zal de smoorpot “terugtrekken” naar
de oorspronkelijke situatie; dit kost echter enige tijd.
Het totale deformatiegedrag van bitumina kan nu worden beschreven met een
stelsel van veren en smoorpotten die de elastische, vertraagd elastische en
visceuze deformatie representeren. Dit model, ook wel het Burgers model
genoemd, is eveneens weergegeven in figuur 4.20. De mate waarin de
smoorpotten dan wel de veren het gedrag bepalen hangt af van de
temperatuur en de belastingtijd alsmede van het type c.q. de geaardheid van
145
de bitumen. Deze geaardheid van bitumina wordt bepaald door de chemische
samenstelling. Met name het al of niet voorkomen van asfalteenketens, dit zijn
lange koolwaterstofketens met een hoog molecuulgewicht, is van belang. De
geaardheid van de bitumen wordt beschreven met de PI, de penetratie-index,
die de gevoeligheid van de bitumen voor temperatuurvariaties weergeeft.
Studenten van de subfaculteit Civiele Techniek hebben in het
tweedejaarspracticum “Materiaalkunde” de PI moeten bepalen uit de
penetratie (pen) en de ring en kogel temperatuur (Tr&k), hen wordt aangeraden
dat laboratoriumverslag nog eens na te lezen.
In figuur 4.21 is aangegeven in welke mate het elastische dan wel vertraagd
elastische c.q. het visceuze gedrag de totale respons van een bitumen
beïnvloedt, in relatie tot de bitumenstijfheid Sbit en de PI. Voor toepassingen in
de wegenbouw wordt, als compromis tussen verwerking en gedrag in de weg,
meestal een bitumen gekozen met een PI tussen de –1 en +1. Het zal
duidelijk zijn dat het gedrag van de bitumen zoals weergegeven in figuur 4.21,
direct zijn weerslag heeft op het gedrag van het asfaltmengsel.
In figuur 4.21 is aangegeven dat, afhankelijk van de belastingtijd en
temperatuur weergegeven in de stijfheidsparameter Sbit, de verhouding tussen
het elastische, vertraagd elastische en visceuse deel van de deformatie
verandert.
Naarmate de temperatuur lager en de belastingtijd korter wordt (Sbit wordt
hoger) neemt het aandeel van de elastische verplaatsing in de totale
verplaatsing toe, terwijl bij hoge temperaturen en lange belastingtijden (Sbit
wordt lager) het materiaal zich vrijwel geheel visceus gedraagt.
De stijheidsparameter S wordt verkregen door de opgelegde spanning te
delen door de uit de totale deformatie berekende totale rek. Opgemerkt wordt
dat aldus geen echte maar een schijnbare elasticiteitsmodulus berekend
wordt want de waarde is afhankelijk van de belastingtijd en temperatuur.
Daarom wordt deze grootheid niet aangeduid als E maar als stijfheid S.
Er geldt dus:
S( t , T ) =
σ
ε( t , T )
Stijfheid als functie van
belastingtijd en temperatuur
=
opgelegde spanning
rek als functie van
temperatuur en belastingtijd
Een voorbeeld van zo’n relatie is weergegeven in figuur 4.22.
Met name door Shell is veel onderzoek uitgevoerd naar het stijfheidsgedrag
van bitumina. Dit heeft onder andere geresulteerd in het nomogram
weergegeven in figuur 4.23 (3) waarmee de stijfheid van bitumen Sbit als
functie van de belastingtijd, de temperatuur en de bitumeneigenschappen kan
worden bepaald.
146
Figuur 4.20: Schematisering van het gedrag van bitumina.
147
Figuur 4.21: Gedrag van bitumina in relatie tot Sbit en PI.
Figuur 4.22: Invloed van temperatuur en belastingtijd op het gedrag van twee
sterk van elkaar verschillende bitumina.
148
Figuur 4.23: Nomogram voor de bepaling van de bitumenstijfheid.
149
4.10 Asfaltmengsels
Asfaltmengsels c.q. bitumineuze mengsels zijn belangrijke wegenbouwmaterialen.
Per jaar wordt zo’n 7 miljoen ton asfalt verwerkt. De kosten van een
asfaltmengsel zijn van diverse factoren afhankelijk maar globaal kan worden
gesteld dat de kosten voor één ton asfalt tussen de 50,- en 70,- euro liggen.
Diverse asfaltmengsels laten zich onderscheiden nl.:
a. grindasfaltbeton (g.a.b. voor de onderlagen van lichter belaste wegen),
b. steenslagasfaltbeton (st.a.b. voor onderlagen van zwaar belaste wegen),
c. openasfaltbeton (o.a.b. voor de tussenlagen),
d. dichtasfaltbeton (d.a.b. voor de deklagen),
e. steenmastiekasfalt (s.m.a. voor deklagen),
f. zeer open asfaltbeton (z.o.a.b. voor deklagen).
Al deze mengsels zijn zgn. warmbereide mengsels, d.w.z. dat de menging
van zand, steenslag, vulstof en bitumen bij een temperatuur van ca. 180°C
plaatsvindt. Deze hoge temperatuur is nodig om het bitumen de juiste
viscositeit (vloeibaarheid) te geven om de menging mogelijk te maken.
De hier genoemde asfaltsoorten zullen later meer in detail worden besproken.
Allereerst zal evenwel aandacht worden geschonken aan enkele
basisprincipes. Vervolgens zal in het kort worden ingegaan op de
mechanische eigenschappen van asfaltmengsels. Tot slot zal een korte
globale beschrijving van de diverse asfaltmengsels worden gegeven.
4.10.1 Mengselopbouw en eisen aan mengsels
Asfaltmengsels zijn opgebouwd uit:
a. bitumen,
b. vulstof, mineraal poeder met een korreldiameter < 63 µm,
c. zand,
d. steenslag.
Bitumen is, zoals beschreven, een residu bij de raffinage van ruwe olie. Het
gedrag van bitumen is afhankelijk van de belastingtijd en temperatuur, en
omdat het bitumen als lijm fungeert in het asfaltmengsel zal een
asfaltmengsel zich ook temperatuur en belastingtijd afhankelijk gedragen.
In tabel 4.1 zijn de samenstellingen weergegeven van enkele van de
genoemde asfaltmengsels. In tabel 4.2 zijn de eisen weergegeven waaraan
de mengsels voor verkeersklasse 4 moeten voldoen. Opgemerkt dient te
worden dat het in de tabellen gaat om de gewichtssamenstelling en dat de
gewichtshoeveelheid bitumen is uitgedrukt t.o.v. 100% mineraal aggregaat.
Opvallend is dat de gewichtshoeveelheid bitumen varieert tussen 4%
(minimale hoeveelheid voor steenslag asfaltbeton) en 6.4% (maximale
hoeveelheid voor dicht asfaltbeton). De holle ruimte is sterk afhankelijk van
het type mengsel: voor d.a.b. mag het maximaal 6% zijn, terwijl voor z.o.a.b.
het holle ruimte percentage in het vooronderzoek tenminste 20% dient te zijn.
Z.o.a.b. is daarmee een zeer open mengsel met een grote drainerende
150
werking (geen splash en spray) dat bovendien door zijn open structuur een
sterk geluidreducerende werking heeft.
Het zal opvallen dat de samenstelling en de eisen waaraan de asfaltmengsels
moeten voldoen, afhankelijk zijn gesteld van een verkeersklasse. Deze
verkeersklassen zijn gerelateerd aan de hoeveelheid zwaar verkeer die op de
weg per dag wordt verwacht. Een overzicht van deze verkeersklassen is
weergegeven in tabel 4.3.
Steenslag
asfaltbeton
0/22
open asfaltbeton
0/16
type 3
dicht asfaltbeton
0/16
zeer open
asfaltbeton
0/16
C22,4
C16
C11,2
C8
C5,6
2 mm
63 µm
0-6
15 - 40
54 - 60
92 - 94
0-6
10 - 20
35 - 50
64 - 70
93 - 95
0-6
5 - 25
30 - 55
57 - 63
y - 0.5 y + 1.0
0-7
15 - 30
50 - 65
70 - 85
85
95.5
bitumen gehalte
4-5
4.8 - 5.8
6.0 - 6.4
4.5
N.B.
-
y = 100 - 7 x dichtheid vulstof/2700
voor verkeersklasse 4 moet altijd 45/60 penetratie bitumen worden
toegepast, voor z.o.a.b. dient pen 80/100 bitumen te worden gebruikt
Tabel 4.1: Samenstellingseisen in massapercentages voor diverse
asfaltmengsels voor verkeersklasse 4 (2).
Marshall stabiliteit (N)
Marshall vloei (mm)
Marshall quotient (N/mm)
holle ruimte % (V/V)
vullingsgraad % (V/V)
verdichtingsgraad %
steenslag
asfaltbeton
open asfaltbeton
type 3
dicht
asfaltbeton
zeer open
asfaltbeton
> 6000
1.5 - 3
> 3000
<7
50 - 68
> 98
> 7000
2-4
> 3000
<7
< 72
> 98
> 7500
2-4
> 3000
<6
< 80
> 98
97
Tabel 4.2: Eisen aan verschillende asfaltmengsels gesteld bij toepassing voor
verkeersklasse 4 (2).
4.10.2 Marshall proef:
Zoals uit tabellen 4.1 en 4.2 valt op te maken, hebben de eisen betrekking op
de samenstelling en de Marshalleigenschappen. Deze laatstgenoemde
eigenschappen worden bepaald m.b.v. de zogenaamde Marshallproef.
Daartoe worden monsters vervaardigd met een diameter van 100 mm en een
hoogte van 50 mm (de verdichtingswijze is de Marshall-verdichting, een
stampverdichting welke nauwkeurig is omschreven).
De proeven worden uitgevoerd bij 60°C bij een belastingsnelheid van 0.83
mm/sec. De last wordt aangebracht d.m.v. nauwkeurig omschreven bekkens
(zie figuur 4.24). Tijdens de proef wordt het last-zakkingsdiagram gemeten
(figuur 4.25), waaruit op de in de figuur aangegeven wijze de stabiliteit Pm en
151
de vloeiwaarde Fm wordt bepaald. Het Marshall-quotiënt is de verhouding
tussen stabiliteit en vloei.
De Marshallproef wordt uitgevoerd om inzicht te krijgen in de stabiliteit van het
mengsel bij hoge temperaturen; een hoge stabiliteit betekent in het algemeen
een hoge weerstand tegen blijvende vormverandering (spoorvorming).
Verkeersklasse
SAL100
Toelichting
2
3
4
5
< 500
500 - 4000
> 4000
> 5000
licht belaste verhardingen
intensief belaste verhardingen
zeer intensief belaste verhardingen
intensief belaste verhardingen met
langzaam rijdend en stilstaand zwaar
verkeer bij een rijsnelheid kleiner dan 15
km/h
SAL100 = Iv ⋅ VSF100
Iv = intensiteit van het vrachtverkeer op de zwaarst belaste strook (werkdag jaargemiddelde in één
rijrichting)
VSF100 = vrachtwagen - schade factor
type vrachtverkeer
licht
middelzwaar
zwaar
VSF100
gemiddeld < 2.5 as per vrachtauto
gemiddeld 2.5 - 3 as per vrachtauto
gemiddeld > 3 as per vrachtauto
0.2 - 0.5
0.5 - 1.0
1.0 - 2.0
Tabel 4.3: Verkeersklassen (2).
Weliswaar zijn de specificaties gericht op de gewichtssamenstelling, maar uit
onderzoek is gebleken dat vooral de volumetrische samenstelling van belang
is. Uitgaande van de dichtheid van mineraal aggregaat (ca. 27 kN/m3) en die
van bitumen (iets hoger dan 10 kN/m3) kan de volumetrische samenstelling
gemakkelijk worden berekend. Globaal kan worden gesteld dat het volume
percentage bitumen (Vb) ligt tussen de 9% en 13%, terwijl het volume
percentage mineraal aggregaat (Vg) ligt tussen de 80% en 85%; met mineraal
aggregaat wordt bedoeld het zand, de steenslag en de vulstof. Daarnaast
dient elk asfaltmengsel een zeker volume percentage lucht (Va), ook wel
genoemd Holle Ruimte percentage, te bevatten; behoudens bij zeer open
asfaltbeton ligt Va veelal tussen 3% en 7%.
152
Figuur 4.24: Doorsnede van de Marshall drukvorm. Maten in mm bij
kamertemperatuur, tolerantie ± 0,1 mm.
Figuur 4.25: Schematisch Marshalldiagram.
153
4.10.3 Het steenskelet:
In het voorgaande is al genoemd dat een asfaltmengsel bestaat uit bitumen,
vulstof, zand en steenslag. Eerder is al ingegaan op de eigenschappen van
bitumen. In deze paragraaf zal worden ingegaan op het steenskelet.
Vulstof
Vulstof is een fijn mineraal poeder met een diameter kleiner dan 63 µm.
Kalksteenmeel en vliegas zijn voorbeelden van een vulstof. De vulstof draagt
bij in de opbouw van het minerale skelet. Daarnaast vormt het met de bitumen
de mortel die de grotere korrels aan elkaar kit. Niet elke vulstof werkt
hetzelfde; de ene vulstof kan aanzienlijk meer bitumen binden dan een
andere. Dit betekent dat de vulstof mede van invloed is op de
verwerkbaarheid maar ook op de mechanische eigenschappen.
Zand en Steenslag
Het zand en de steenslag zijn de “dragers” in het asfaltmengsel. Korrelvorm
(hoekig of niet), absorptie vermogen (poreus of niet) en zuurgraad zijn
belangrijke factoren die de hechting tussen de mortel en het aggregaat
beïnvloeden. Zoals later zal blijken is de korrelopbouw (gradering) vooral van
belang voor de weerstand tegen spoorvorming
4.11 Mechanische eigenschappen van asfaltmengsels:
Asfaltmengsels moeten bepaalde eigenschappen hebben om aan de eisen te
kunnen voldoen die gesteld worden uit vervormings-, scheurvormings- en
duurzaamheids overwegingen. Aan deze drie aspecten zal in het hierna
volgende aandacht worden geschonken.
4.11.1 Vervormingseigenschappen:
Mengselstijfheid
Teneinde een zo groot mogelijk lastspreidend vermogen te hebben, is het
wenselijk dat asfaltmengsels een hoge stijfheid (elasticiteitsmodulus) hebben.
Deze hoge stijfheid wordt bereikt met een mengsel waarin:
„ zo weinig mogelijk holle ruimte aanwezig is;
„ zo weinig mogelijk bitumen aanwezig is;
„ het type bitumen zodanig is dat temperatuur en belastingtijd de stijfheid zo
weinig mogelijk beïnvloeden;
„ een goede hechting aanwezig is tussen de bitumineuze mortel en het
minerale aggregaat.
Ook naar de stijfheid van asfaltmengsels is door Shell veel studie verricht en
één en ander heeft geresulteerd in een nomogram waarmee de stijfheid van
het mengsel (Smix) kan worden bepaald uit de stijfheid van het bitumen (Sbit)
en de volumetrische mengselsamenstelling. Dit nomogram is weergegeven in
figuur 4.26 (3).
154
Zoals blijkt uit figuur 4.26 wordt de mangselstijfheid bepaald door de stijfheid
van het bitumen en de volumetrische samenstelling. Omdat de mengselsamenstelling meestal in gewichtspercentages bekend is moet er een
omrekening plaatsvinden naar de volumetrische samenstelling. Hiervoor kan
de werkwijze worden gevolgd die in Appendix I is beschreven.
Blijvende vormverandering
Teneinde een zo hoog mogelijke weerstand tegen blijvende vormveranderingen te hebben dienen de mengsels:
a. een zodanige korrelopbouw te hebben dat de schuifweerstand van het
minerale mengsel zo hoog mogelijk is; veelal betekent dat een dichte
pakking,
b. het mineraal aggregaat zodanig van vorm is dat een zo hoog mogelijke
haakweerstand wordt bereikt,
c. zo weinig mogelijk bitumen te bevatten,
d. een bitumensoort te bevatten die weinig gevoelig is voor variaties in
temperatuur en belastingtijd.
Samenvattend kan worden gesteld dat in het algemeen een mengsel met een
hoge elastische stijfheid ook een hoge weerstand tegen permanente
deformatie heeft. Met nadruk wordt erop gewezen dat dit geldt voor de
klassieke mengsels. Een mengsel zoals z.o.a.b. heeft een goede
spoorvormingsweerstand ondanks het feit dat het een zeer hoog holle ruimte
percentage heeft. Een s.m.a. mengsel heeft ook een goede
spoorvormingsweerstand ondanks het feit dat het veel bitumen bevat. In deze
twee gevallen is een uitgekiend korrelskelet de basis voor de goede
permanente vervormingsweerstand.
De hierboven genoemde klassieke mengsels met een hoge stijfheid zijn over
het algemeen lastig verwerkbaar.
Het voorspellen van de optredende spoorvorming is, door het grote aantal
invloedsfactoren, een complexe zaak. Mede daardoor bestaat er ook geen
nomogram, zoals voor de mengselstijfheid, om de weerstand tegen
permanente deformatie van asfaltmengsels te voorspellen. Om toch enig
inzicht te krijgen in de wijze waarop blijvende vervorming kan worden
berekend, wordt hierna het model besproken dat door Shell hiervoor is
ontwikkeld.
In het spoorvormingsmodel van de Shell wordt ervan uitgegaan dat de
blijvende vervorming in asfaltmengsels bepaald wordt door de visceuze
vervorming van het mengsel. Hoe het vervormingsgedrag van een bitumen
uiteenvalt in een visceuze, vertraagd elastische en elastische component is
hierboven al beschreven.
155
Figuur 4.26: Nomogram voor de bepaling van de mengselstijfheid.
156
De visceuze stijfheid van een bitumen kan, uitgaande van een constante
wielbelasting en een constante temperatuur worden berekend met:
Sbit,visc = 3 / (N t/η)
met:
Sbit,visc
N
t
η
=
=
=
=
visceuze stijfheid van het bitumen [MPa]
aantal lastherhalingen
belastingtijd bij een wielpassage [s]
viscositeit [MPa.s]
De η is afhankelijk van de temperatuur, de belastingtijd en het type bitumen;
waarden ervoor kunnen m.b.v. viscositeitsmetingen worden bepaald. De
Sbit,visc kan evenwel ook direct uit in figuur 4.27 worden bepaald.
Figuur 4.27: Grafiek ter bepaling van de bitumenviscositeit.
Het is nu van belang om uit de Sbit,visc de Smix,visc te bepalen; dit kan
proefondervindelijk met bijv. de statische kruipproef, maar ook een uniaxiale
drukproef met herhaalde belasting kan worden gebruikt. Men krijgt dan
resultaten als weergegeven in figuur 4.28; deze figuur kan ook in
157
“noodgevallen” worden toegepast als er geen proefresultaten beschikbaar
zijn.
Figuur 4.28: Bepaling van Smix,visc uit Sbit,visc.
De blijvende vormverandering wordt vervolgens berekend met:
∆h = C * h * σz,gem / Smix,visc
waarbij:
∆h
C
h
σz,gem
Smix,visc
= visceuze vervorming van de asfaltlaag [mm],
= factor om het dynamische effect van de
wielbelasting te verdisconteren; 1 ≤ C ≤ 2,
= dikte van de asfaltlaag [mm],
= gemiddelde vertikale spanning in de asfaltlaag
[MPa],
= visceuze mengselstijfheid [MPa].
Zoals gesteld heeft de temperatuur een belangrijke invloed op de
spoorvorming in een asfaltmengsel en daarom is in figuur 4.29 een relatie
gegeven tussen de luchttemperatuur en de asfalttemperatuur. De uitdrukking
MMAT betekent “mean monthly air temperature”; in dit college zal niet worden
ingegaan op de berekeningswijze van MMAT.
De methode zal aan de hand van een voorbeeld worden toegelicht. Stel dat
men de spoorvorming wil kennen van een 150 mm dikke asfaltlaag welke rust
op een zandbed waarvan de modulus, Ezand, 100 MPa bedraagt. Het aantal
last-wisselingen N waarvoor de spoorvorming moet worden berekend
bedraagt 1000000. Het gaat om langzaamrijdend verkeer waarvan de
snelheid 36 km/h (10 m/s) bedraagt. De belasting wordt gevormd door zware
wiellasten van 75 kN met een bandspanning p van 1.05 MPa. Hieruit volgt dat
158
de straal van het lastoppervlak 150 mm bedraagt, dus de diameter 300 mm.
Uit dit alles volgt dat de belastingtijd van een wielpassage 0.03 s bedraagt. De
totale belastingtijd N * t bedraagt dus 0.03 * 1000000 = 30000 s.
Figuur 4.29: Relatie tussen de gemiddelde luchttemperatuur MMAT en de
asfalttemperatuur.
De luchttemperatuur is 35°C en de Tr&k van het bitumen is 55°C; de PI van de
bitumen is 0. Met enige extrapolatie volgt uit figuur 4.29 dat de asfalttemperatuur ca. 45°C is. Dit leidt tot een T – Tr&k van –10° C; indien deze waarde
samen met de PI in figuur 4.27 wordt ingevoerd, vinden we dat η = 1.7 * 104
Pa.s; hieruit wordt weer berekend dat Sbit,visc = 1.7 Pa. Met behulp van figuur
4.28 wordt dan afgeleid dat voor een grindasfaltbeton de Smix,visc = 10 MPa.
Uit de grafieken voor de bepaling van de vertikale spanning in een tweelagen
systeem, zie hoofdstuk 7, kan worden afgeleid dat onderin de asfaltlaag σz =
0.8 p, waarbij p de contactspanning is. Bovenin het asfalt is de σz natuurlijk
gelijk aan de contactspanning. Dit betekent dat de σz,gem = 0.9 p = 0.945 MPa.
Als nu voor de dynamische factor C de waarde 1.5 wordt genomen, wordt de
spoorvorming berekend met:
∆h = 1.5 * 150 * 0.945/10 = 21 mm
Een paar opmerkingen moeten worden gemaakt bij de toepassing van de
Shell methode. Deze zijn:
159
a. er wordt alleen rekening gehouden met visceuze deformatie terwijl er in
werkelijkheid ook plastische deformatie optreedt vanuit het korrelskelet,
b. er wordt geen rekening gehouden met het feit dat met name de
horizontale steunspanningen het blijvende vervormingsgedrag van een
asfaltmengsel sterk beïnvloeden (in gunstige zin),
c. de methode is oorspronkelijk ontwikkeld rond de statische kruipproef
terwijl de belasting in werkelijkheid dynamisch is; de relatie tussen Sbit,visc
en Smix,visc zoals bepaald met proeven met een herhaald aangebrachte
belasting verschilt van de relatie zoals die bepaald wordt met een
statische kruipproef. Dit betekent dat de methode eigenlijk alleen maar
geschikt is om het effect te bepalen van verschillende typen bitumina op
het vervormingsgedrag van een en hetzelfde mengsel.
4.11.2 Vermoeiing:
Vermoeiing houdt in het ontstaan van scheurvorming t.g.v. herhaald optredende belastingen. Het behoeft geen betoog dat de vermoeiingsweerstand
positief wordt beïnvloed door een toenemend bitumen-gehalte, een afnemend
holle ruimte gehalte en een goede hechting tussen de korrels en de mortel. Bij
zeer sterke mortels en een zeer goede hechting kan ook de sterkte van de
steenslag een rol spelen. Uiteraard zal een zwakke steenslag de
vermoeiings-weerstand nadelig beïnvloeden.
Voor de bepaling van de vermoeiingseigenschappen is kostbaar en langdurig
vermoeiingsonderzoek nodig. Een voorbeeld van een vermoeiingsproef is
weergegeven in figuur 4.30.
Figuur 4.30: De vierpuntsbuigvermoeiingsproef.
160
Het is de zgn. vierpuntsbuigproef waarbij een balk aan herhaalde buiging
wordt onderworpen. Men kan in principe de proef op twee manieren
uitvoeren. Bij de ene methode wordt de grootte van de herhaald
aangebrachte kracht constant gehouden en men ziet dan de doorbuiging in
het midden van het proefstuk langzaam maar zeker toenemen totdat breuk
optreedt. Dit type proef wordt de “constante kracht” of ook wel “constante
spanning” vermoeiingsproef genoemd. Bij de andere methode wordt de
herhaald aangebrachte doorbuiging constant gehouden en men ziet dan de
kracht die nodig is om de verplaatsing constant te houden langzaam maar
zeker afnemen. Deze proef wordt wel de “constante verplaatsing” of ook wel
“constante rek” vermoeiingsproef genoemd. Dat in het ene geval de
verplaatsing toeneemt en in het andere geval de kracht afneemt is eenvoudig
met de doorbuigingsformule af te leiden, immers:
∆ = f( F/E*h3)
waarbij ∆ de doorbuiging in het balkmidden is, F de aangebrachte kracht, E
de elasticiteitsmodulus van de balk en h de balkhoogte. Door scheurvorming
zal de effectieve h afnemen waardoor de verplaatsing c.q. de kracht wordt
beïnvloed.
Om nu de bepaling van de vermoeiingsweerstand te vergemakkelijken heeft
het Shell laboratorium in Amsterdam een nomogram opgesteld waarmee de
vermoeiingsweerstand als funktie van de mengselsamenstelling is
weergegeven. Dit nomogram is weergegeven in figuur 4.31. Het is voor het
ontwerp gebruikelijk om van de “constant strain” relatie uit te gaan. Zoals blijkt
uit het nomogram zijn de hoeveelheid bitumen, de mengselstijfheid en het
type bitumen (PI) belangrijke factoren die de vermoeiingsweerstand van het
asfaltmengsel bepalen. Ook blijkt dat het gaat om de volumetrische
samenstelling.
Al eerder is betoogd dat de in het laboratorium bepaalde vermoeiingsrelaties
niet direct kunnen worden toegepast in de praktijk. Er moet immers rekening
worden gehouden met de gunstige invloed van versporing en healing.
Versporing houdt in dat niet alle vrachtauto’s in exact hetzelfde spoor rijden
hetgeen dus betekent dat het aantal lastherhalingen op een bepaald punt niet
exact gelijk is aan het aantal aspassages. Verder geldt dat er, in tegenstelling
tot wat er bij een vermoeiingsproef gebeurt, rustpauzes tussen de wiellasten
aanwezig zijn. Als bv de diameter van de bandprint 200 mm is en de afstand
tussen de voor- en achteras 5000 mm is, dan zal bij een snelheid van 80 km/h
de duur van de lastpuls 0.009 s zijn en de duur van de rustperiode tussen de
belasting van de vooras en die van de achteras 0.225 s zijn. De verhouding
tussen de rust- en lastperiode is daarmee gelijk aan 25. Verder geldt dat de
rustperiode tussen de passage van de ene vrachtauto en de andere
vrachtauto nog veel langer zal zijn. De duur van de rustperiode en met name
de verhouding van de rust-/lastperiode is van groot belang voor het gedrag
van asfaltmengsels. De bitumineuze mortel (bitumen + vulstof + fijn zand)
heeft nl een zelfherstellend vermogen, dwz een deel van de opgelopen
schade herstelt zich zelf gedurende de rustperiode. Dit herstellend vermogen,
ook wel healing genoemd, hangt af van de mengselsamenstelling en de
161
verhouding rust-/lastperiode. Een eerste schatting van de grootte van de
healingfactor kan worden gemaakt mbv figuur 4.32.
Figuur 4.31: Nomogram ter bepaling van de vermoeiingsweerstand van
asfaltmengsels.
162
Figuur 4.32: Grafiek ter bepaling van de grootte van de healingfactor.
De vermoeiingslevensduur waarmee men dan in de praktijk kan rekenen
wordt dan alsvolgt bepaald:
Nveld = H x V x Nlab
Waarbij: Nlab = levensduur zoals bepaald met figuur 4.31,
H = healingsfactor zoals bepaald met figuur 4.32,
V = versporingsfactor, voor autosnelwegen is die ca 2.5,
Nveld = levensduur die van de weg verwacht mag worden.
4.12 Duurzaamheid:
Bitumen veroudert, wordt vervolgens bros en de kans is dan groot dat door
breuk van de bitumenfilm het asfaltmengsel zijn samenhang verliest.
Teneinde de asfaltmengsels resistent tegen veroudering te maken zijn er in
principe twee mogelijkheden. De ene is om de invloed van de factoren die
veroudering bevorderen te reduceren. Daar zonlicht en met name zuurstof de
veroudering veroorzaken en water het verlies aan samenhang bevordert,
dient te worden voorkomen dat zuurstof en water gemakkelijk het mengsel
kunnen penetreren. Dit betekent dat het mengsel zo dicht mogelijk moet zijn;
het moet een laag holle ruimte percentage hebben.
De tweede mogelijkheid om de veroudering tegen te gaan, is de weerstand
tegen veroudering te vergroten. Vergroting van de bitumenfilmdikte (dus
verhoging van het bitumengehalte) is daarbij uiterst effectief. Een andere
mogelijkheid
is
om
door
toevoeging
van
polymeren
de
163
verouderingsgevoeligheid van asfaltmengsels te verlagen. Dit laatste wordt
evenwel nog relatief weinig gedaan.
Uit het bovenstaande blijkt dat z.o.a.b. in principe een kwetsbaar mengsel is
in duurzaamheidsopzicht. S.m.a. is om dezelfde reden een duurzaam
mengsel, omdat dit mengsel zoals de naam mastiek al aanduidt, rijk aan
bitumen is en een relatief laag holle ruimte percentage heeft.
Samenvattend kan worden gesteld dat het voor een duurzaam mengsel
essentieel is dat:
a. de bitumenfilm dik is,
b. het holle ruimte percentage laag is,
c. de hechting tussen mortel en steen goed is.
4.13 Resumé:
Uit het bovenstaande is gebleken dat een goede spoorvormingsweerstand
zich in principe niet laat combineren met een goede vermoeiingsweerstand!
Afhankelijk van de plaats van het mengsel in de constructie komt de nadruk
dus te liggen op een hogere spoorvormingsweerstand dan wel een hogere
vermoeiingsweerstand. Daarbij komt nog dat deklagen een goede duurzaamheid dienen te hebben en bij voorkeur ook een goede vermoeiingsweerstand. Teneinde een betere vermoeiingsweerstand en een grotere
duurzaamheid te realiseren zijn over het algemeen wat hogere bitumengehalten nodig terwijl voor een goede weerstand tegen permanente
deformatie juist wat lagere bitumengehalten gewenst zijn.
4.14 Globale beschrijving van de functie van de verschillende
asfaltmengsels:
In het voorgaande is al aangegeven dat er onderscheid is tussen
deklaagmengsels, mengsels die als tussenlaag worden gebruikt en de
onderlaagmengsels. De spanningscondities waaraan de verschillende lagen
zijn onderworpen zijn schematisch weergegeven in figuur 4.33.
-
Asfalt
+
Zand
Verloop verticale spanningen
Verloop horizontale spanningen
Figuur 4.33: Spanningsverloop in een wegconstructie.
164
Uit deze schematische figuur blijkt dat de onderste asfaltlaag (s.t.a.b.) vooral
op vermoeiing wordt belast.
De tussenlaag (o.a.b.) dient vooral weerstand tegen permanente deformatie
te hebben. De deviatorspanning (σv - σh) kan daar aanzienlijk zijn.
De deklaag (d.a.b.) dient een goede weerstand te hebben tegen permanente
defor-matie alsook een hoge duurzaamheid. Verder dient deze laag als rijoppervlak, hetgeen betekent dat deze laag voldoende stroefheid moet
bezitten. Rond aggregaat met een gepolijst oppervlak is daarom niet
toelaatbaar in deze laag.
Samenvattend kan daarom het volgende worden gesteld.
d.a.b.
• toepassing gebroken materiaal i.v.m. spoorvormingsweerstand en
stroefheid
• laag holle ruimte percentage i.v.m. duurzaamheid
• relatief hoog bitumengehalte i.v.m. duurzaamheid
o.a.b.
• toepassing gebroken materiaal i.v.m. spoorvormingsweerstand
• lager bitumengehalte dan d.a.b. i.v.m. spoorvormingsweerstand
s.t.a.b
• toepassing van gebroken grind i.v.m. vervormingsweerstand; materiaal
wordt niet toegepast als deklaag
• relatief laag bitumengehalte; dit is niet wat men zou verwachten, voor een
optimale vermoeiingsweerstand zou een hoger bitumengehalte te
overwegen zijn, maar dan wordt het mengsel weer gevoeliger voor
spoorvorming.
Geconcludeerd kan worden dat de samenstelling van d.a.b. en o.a.b. logisch
lijkt gegeven de functie die deze materialen dienen te vervullen. Het s.t.a.b.
lijkt een samenstelling te hebben die enigszins onlogisch is gegeven de
functie die dit materiaal dient te vervullen. In vergelijking met d.a.b. heeft
s.t.a.b. minder goede vermoeiingseigenschappen. Daarom wordt gestudeerd
op de mogelijkheid om op zwaar belaste wegen een asfaltmengsel toe te
passen als onderlaag dat sterk lijkt op dicht asfaltbeton.
Zoals gesteld zijn de deklaagmengsels z.o.a.b. en s.m.a. gebaseerd op een
totaal andere conceptie.
Z.o.a.b. is als eerste toegepast op vliegveldverhardingen, met name om
aquaplaning op startbanen te voorkomen.
Het zeer grote holle ruimte percentage (> 19%) geeft deze laag niet alleen
een zeer hoog drainerend vermogen, maar levert tevens een grote bijdrage
aan het terugdringen van het geluidniveau.
De conceptie van z.o.a.b. is een tamelijk uniform gegradeerd steenmengsel
als drager (vergelijk de zeefkrommen (tabel 4.1) van d.a.b. en z.o.a.b. met
elkaar!), de zandfractie is slechts beperkt aanwezig. Het bitumengehalte is
relatief laag.
De samenstelling is zodanig dat het mengsel een goede weerstand heeft
tegen permanente deformatie mits voldoende zijdelingse steundruk aanwezig
is. Marshall-proeven, splijtproeven en driepuntsbuigproeven hebben op dit
165
materiaal weinig zin omdat dan lage waarden worden gevonden welke geen
goed beeld geven van het in de praktijk waargenomen goede gedrag. Door de
open structuur en het lage bitumengehalte is het mengsel wel gevoelig voor
veroudering.
De conceptie van s.m.a. is weer een geheel andere. De duurzaamheid en een
hoge vervormingsweerstand zijn in dit geval met elkaar gecombineerd
hetgeen, zoals uit het voorgaande is gebleken, een niet erg voor de hand
liggende combinatie is. Het hoge bitumengehalte wordt mogelijk door
toepassing van afdruipremmende middelen als bijv. cellulose vezels.
De goede weerstand tegen permanente deformatie wordt bij deze mengsels
verkregen door een uitgekiende korrelopbouw.
Door het hoge bitumengehalte heeft s.m.a. ook een relatief hoge weerstand
tegen vermoeiing.
4.15 Ontwerp van asfaltmengsels:
Dit college is niet de juiste plaats om in extenso in te gaan op het ontwerpen
van asfaltmengsels; desalniettemin dient enige basiskennis aanwezig te zijn
en hier worden dan ook enkele basisprincipes behandeld. Het zal duidelijk zijn
dat de mengsels aan de gestelde eisen moeten voldoen zoals die zijn
weergegeven in de tabellen 4.1 en 4.2. Gebruikelijk is het om een Marshallvooronderzoek te doen waarbij bijv. met verschillende typen aggregaten (bijv.
porfier, morene, grauwacke, Nederlandse steenslag) en verschillende
bitumengehaltes een aantal mengsels worden gemaakt. Daarna bepaalt men
in hoeverre aan de eisen gesteld aan de Marshall-eigenschappen, het holle
ruimte percentage en de vullingsgraad wordt voldaan. Een voorbeeld van het
resultaat is weergegeven in figuur 4.34 (4); op basis van deze resultaten kan
dan een keuze worden gemaakt van de te kiezen mengselsamenstelling.
Men moet zich echter goed realiseren dat men op deze wijze geen inzicht
krijgt in de mechanische eigenschappen, zoals stijfheid en vermoeiingsweerstand, die men voor het ontwerp nodig heeft. Weliswaar kunnen daarvoor
schattingen worden gemaakt uitgaande van de in dit dictaat gegeven
nomogrammen, maar het mengsel wordt niet ontworpen met het doel deze
eigenschappen te optimaliseren. De verwachting is evenwel dat in de
komende jaren het zgn. functioneel ontwerpen van mengsels steeds meer
ingang zal vinden. Daarmee bedoelt men dat de mengsel ontwerpprocedure
het maximaliseren beoogt van de stijfheid, vermoeiingsweerstand, spoorvormingsweerstand, duurzaamheid en verwerkbaarheid.
De huidige op ervaring gebaseerde Marshallontwerpprocedure zal dan
worden vervangen.
166
Figuur 4.34: Voorbeeld resultaten Marshall-onderzoek.
167
4.16 Beton en andere cementgebonden materialen:
Zoals eerder gesteld wordt cement in de wegenbouw veel toegepast in
stabilisaties. Bekende toepassingen zijn die in funderingen van zand-cement,
schrale beton en asfaltgranulaatcement. Het ontwerp van deze mengsels is er
altijd op gericht een bepaalde druksterkte te halen. Zo moeten bijv. cilinders
die 28 dagen na aanleg uit een zandcement fundering worden geboord
minimaal een druksterkte van 1.5 MPa hebben. De benodigde sterkte voor
bijv. schraal beton wordt bepaald door de sterkte die voor het ontwerp nodig.
is. Dit is bijna altijd de buigtreksterkte; deze waarde wordt evenwel vrijwel
nooit rechtstreeks bepaald doch afgeleid uit de druksterkte; daarvoor staan
allerlei omrekeningsformules ter beschikking.
Alhoewel cementbetonwegen in ons land (te) weinig worden gebouwd, vindt
cementbeton grootschalige toepassing op bijv. platforms voor luchthavens.
Ook hier geldt weer dat het ontwerp-criterium de buigtreksterkte is terwijl
veelal op druksterkte wordt gecontroleerd.
Op het ontwerpen van betonmengsels wordt hier niet ingegaan; daarvoor
wordt o.a. verwezen naar de materiaalkunde colleges.
Voor eisen aan de mengselsamenstelling etc. wordt verwezen naar (2).
4.17 Literatuur:
1.
SCW
Various properties of natural sands for Netherlands highway engineering
Record 4; Arnhem – 1978.
2.
CROW
Standaard RAW Bepalingen 2000
Ede – 2000.
3.
Shell bitumen handbook
Shell Bitumen U.K.; Chertsey – 1990.
4.
VBW-Asfalt
Richtlijnen vooronderzoek van asfalt
Breukelen – 1985.
168
APPENDIX I
Berekening van de Volumetrische Samenstelling van een
Asfaltmengsel uit de Gewichtssamenstelling
169
170
171