Oktober 2008
Eerste verkenning naar de bruikbaarheid van retained proeven voor het levensduur model van WAB
Martin van de Ven TU Delft
Inhoud 1. 2. 3. 4.
Inleiding Retained proeven Retained proeven en levensduur model WAB Aanbevelingen
1
1. INLEIDING Vochtschade in asfalt mengsels kan worden gedefinieerd als het verlies van de sterkte en de stijfheid ten gevolge van de aanwezigheid van vocht in het mengsel. Het vocht kan adhesief bezwijken van de bitumen-aggregaat interface en/of cohesief bezwijken in het bitumen of bitumen-vulstof mengsel tot gevolg hebben. Een mogelijkheid om de invloed van vocht te evalueren zijn de zogenaamde retained proeven op asfalt mengsels.Voor het ontwikkelen van een levensduurmodel voor waterbouwasfaltbeton (WAB) is het voorspellen van de inwerking van vocht in de tijd essentieel. Uit de literatuurstudie ten behoeve van het levensduur model [1] is vooralsnog gebleken dat er geen duidelijke gidsparameters voor een levensduur model beschikbaar zijn. Hoewel er internationaal veel onderzoek loopt naar de invloed van veroudering en indringing van vocht op de levensduur van asfalt in de wegenbouw zijn er nog geen bruikbare modellen beschikbaar, waarbij deze twee aspecten gedurende de gebruiksperiode kunnen worden voorspeld. Een van de problemen is, dat veroudering, belasting en vocht indringing tijdens gebruik in de tijd tegelijk een rol spelen en waarschijnlijk interacties hebben die we niet kennen (ook nog afhankelijk van holle ruimte mengsel en samenstelling). In [1] wordt voorgesteld om op basis van werkelijke data van WAB na te gaan of het mogelijk is een verouderingmodel op te stellen, waarbij de holle ruimte als richting gevende parameter wordt gebruikt (zie tabel 6 op blz 25 van het rapport [1]). Echter ook hier wordt erkend, dat tegelijkertijd met het introduceren van holle ruimte water indringing een belangrijke rol kan spelen. Water indringing kan zowel de veroudering van het bindmiddel als de adhesie met het aggregaat be誰nvloeden. De complexiteit van het vraagstuk blijkt ook uit het onderzoek dat het Forum of European National Highway Research Laboratories (FEHRL) heeft laten uitvoeren in het kader van het BitVal project [2] waar een uitgebreide literatuurstudie is samengevat naar proeven die betrekking hebben op adhesie. Deze literatuur is specifiek bestudeerd, omdat het een van de weinige studies is waarin is getracht per proef informatie te vinden over de relatie met andere proeven, ervaring met de proef, relatie met praktijk ervaring, betekenis voor duurzaamheid, e.d.
2. RETAINED PROEVEN Retained proeven kunnen worden gedefinieerd als proeven, waarbij een bepaalde mechanische eigenschap (sterkte, stijfheid, e.d.) voor en na blootstelling aan water/temperatuur wordt bepaald voor een asfalt mengsel. De verhouding tussen deze twee resultaten wordt gezien als een indicatie voor de gevoeligheid van het materiaal voor de opgelegde conditionering. De proef wordt in de asfalt industrie meestal tijdens het mengselontwerp uitgevoerd. Het principe is altijd hetzelfde: een bepaalde eigenschap van het materiaal (b.v. Marshall parameters, druksterkte, stijfheid, indirecte treksterkte, vermoeiing) wordt bepaald aan proefstukken van zowel het nieuwe mengsel zonder conditionering, als aan proefstukken die blootgesteld zijn aan een hoge/lage
2
temperatuur/water conditionering. Vervolgens wordt de verhouding tussen de waarde van de aan behandeling blootgestelde en het onbehandelde mengsel bepaald. Deze verhouding geeft dan aan of het materiaal gevoelig is voor deze aantasting en of het materiaal voldoet aan in de eisen gestelde waardes. In alle gevallen is water conditionering de relevante factor. In [2] worden een groot aantal proeven beschreven die betrekking hebben op de adhesie eigenschappen van asfalt. Retained proeven op het complete mengsel zijn in dit verband erg populair, omdat ze een indicatie over de invloed van vocht op de eigenschappen van het mengsel kunnen geven. Retained proeven spelen al vele jaren een belangrijke rol in het mengsel ontwerp om de watergevoeligheid van asfalt mengsels te onderzoek. In [2] wordt gesteld dat de meest gebruikte proef om de watergevoeligheid van een verdicht asfalt mengsel te bepalen de proef is, waarbij voor en na conditionering de indirecte treksterkte van het mengsel wordt bepaald (figuur 1).
Figuur 1. Eenvoudige opstelling ITS proef Het is een typisch voorbeeld van een proef waarbij de proefstukken worden beproefd voor en na conditionering in water en de verhouding tussen geconditioneerde en ongeconditioneerde sterkte of stijfheid wordt vastgelegd. Een groot aantal varianten van deze proef zijn in omloop, waarvan de AASHTO T283 (Modified Lotman ITS test procedure) de meest bekende is. Een uitgebreide omschrijving en evaluatie van deze test is gegeven in [6]. In tabel 1 is een samenvatting gegeven van de AASHTO T283 zoals uitgevoerd volgens Superpave. In [2] wordt verslag gedaan van de ervaring met de proef en vooral ook de relatie met praktijk ervaring. Uit de resultaten blijkt dat met AASHTO T283 een redelijke voorspelling van het gedrag in de praktijk kon worden gedaan (b.v. als de minimum eis 80% was werd in 76 % van de gevallen geen probleem met water
3
ervaren in de praktijk, terwijl dit percentage lager werd als de minimum eis lager werd gesteld).
Tabel 1. AASHTO T283 uitgevoerd volgens Superpave. Test Parameter Test Requirement Short term aging Loose mix: 16 hrs at 60 C Compacted mix: 72-96 hrs at 25 C Air voids compacted specimens 6 to 8 % Sample grouping Saturation
Average air voids of two subsets should be equal 55 to 80 %
Swell determination
None
Freeze
Minimum 16 hrs at -18 C (optional)
Hot water soak
24 hrs at 60 C
Strength property
Indirect tensile strength
Loading rate
51 mm/min at 25 C
Precision statement
None
Short term aging protocol of AASHTO T283 does not match short-term aging protocol of Superpave. Suggest using T283 procedure of 16 hours at 60 C.
Ter ondersteuning van de overweging om retained proeven te gaan toepassen bij de ontwikkeling van het levensduurmodel wordt hier nadrukkelijk opgemerkt dat eenzelfde proef voor het bepalen van de watergevoeligheid van asfaltmengsels in de wegenbouw is opgenomen in de nieuwe CE-markering. Voor dicht asfaltbeton mengsels die aan de CE markering moeten voldoen worden de mechanische eigenschappen bepaald zoals gegeven in tabel 2. Dit betekent dat in de nabije toekomst veel ervaring wordt opgedaan met de proef en dat er veel resultaten beschikbaar zullen komen. De eis met betrekking tot de watergevoeligheid geldt voor alle mengsels. Voor een beschrijving van de indirecte trekproef wordt verwezen naar de Europese normen [4,5]. Ter informatie is in figuur 2 het principe van de proef en de berekende indirecte treksterkte uit de maximale kracht gegeven. Op eenvoudige manier kan ook de stijfheid worden bepaald, alleen moeten dan de horizontale en de verticale verplaatsing nauwkeurig worden bepaald bij een spanning die beduidend lager ligt dan de treksterkte van het materiaal
4
Tabel 2. CE markering: Mechanische proeven voor CE markering van asfaltbeton in Nederland [3 ] Algemene eigenschappen Functionele eigenschappen Watergevoeligheid o Indirecte trekproef
Stijfheid o Vierpuntsbuigproef (4pb) Vermoeiing o 4pb Vervorming o Triaxiaalproef
tension
compression
compression σ xx σ
vert
σ yy
vert
ITS =
yy horz
σ xx horz
,
2F π .l.D
tension x y
Figuur 2. Voorbeeld van de spanningsverdeling tijdens de indirecte trekproef en de berekening van de indirecte treksterkte uit de maximale kracht F.
Een voorbeeld van een mogelijke klasse indeling voor CE markering van retained waardes voor de indirecte treksterkte voor Nederland is gegeven in tabel 3. Het idee is dan dat klasse A betekent dat er geen watergevoeligheid is waargenomen voor het bewuste mengsel en dat klasse F betekent, dat het materiaal extreem gevoelig is voor water. Tabel 3. Mogelijke indeling watergevoeligheid volgens klasses. klasse A B C D E F ITSR ≥ 90 ≥ 80 en ≥ 60 en ≥ 40 en ≥ 20 en ‹ 20 [%] ‹ 90 ‹ 80 ‹ 60 ‹ 40
Overigens in in Nederland gekozen voor een temperatuur van 15°C voor het uitvoeren van de proef [3]. Evenals in AAHTO T283 moeten de natte proefstukken onder vacuum
5
worden verzadigd (10 minuten een absolute druk (residuele) druk van 6.7 Âą 0.3 kPa), alvorens volgens [5] de proefstukken voor een periode van 68 tot 72 uur biji 40 C onder water te bewaren. Uit deze korte uitleg blijkt al dat de proef zoals die in Nederland wordt uitgevoerd sterk afwijkt van AASHTO T283 (in ieder geval verschil in temperatuur en tijdsduur onder water en beproeving temperatuur). De mogelijkheid om vorst/dooi proeven mee te nemen zoals in AASHTO T283 is niet direct opgenomen in de Europese versie van de proef voor Nederland. In tabel 4 is het standpunt over de Retained indirecte trekproef volgens [2] samengevat.
Tabel 4. Mogelijkheden retained indirecte trekproef [2] Voordelen Beperkingen Houdt rekening met het Validering met praktijk Indirecte treksterkte effect van water gedrag is niet eenduidig conditionering Vele varianten door andere Proef wordt uitgevoerd op proefomstandigheden een compleet asfalt mengsel Interpretatie van de proef resultaten op basis van een enkele parameter (water) is discutabel. Duidelijk is dat een asfalt mengsel een dynamisch systeem is (ook veroudering en/of verkeerschade spelen een rol), waardoor de gevoeligheid voor vochtschade of verlies van adhesie eigenschappen kan veranderen in de tijd. In ieder geval is de relatie met het praktijkgedrag in de tijd niet goed gelegd en zijn er ook met retained proeven geen modellen beschikbaar. Een van de oorzaken zijn de vele varianten van de retained indirekte trekproef. Met een voorbeeld kan duidelijk aangeven hoe verschillend de resultaten waarschijnlijk kunnen zijn vanwege omstandigheden in de proeven. AASHTO T283 kiest bewust voor een percentage holle ruimte van ongeveer 7 %. Het mengsel moet bewust worden verdicht tot 7% holle ruimte. Door deze keuze dacht de bedenker van de proef Lothmann er zo goed als zeker van te zijn dat hij door middel van vacuum zuigen voldoende vocht in het mengsel zou kunnen zuigen om de watergevoeligheid van dat mengsel te bepalen. In de Europese norm mag de proef op ieder gewenst percentage holle ruimte worden toegepast en dat is momenteel de holle ruimte van het verdichte proefstuk, welke meestal veel lager dan 7 % zal zijn. Hoe het vacuum zuigen verloopt voor verschillende mengsels bij verschillende percentages holle ruimtes is niet duidelijk (hangt ook sterk af van de porienstructuur). Hierdoor zal het resultaat sterk kunnen worden beĂŻnvloed.
3. RETAINED PROEVEN VOOR WAB Zoals in [1] is aangegeven geldt voor dijkbekledingen een andere situatie dan voor wegen. Als we ons in eerste instantie concentreren op WAB, dan kan worden gesteld dat er sprake is van een redelijk uniform mengsel, terwijl in de wegenbouw vele asfaltbeton
6
samenstellingen worden gebruikt. In principe worden dijkbekledingen gedurende hun levensduur nauwelijks belast (de winterstormen even daargelaten) door ‘verkeer’. Wel kunnen temperatuurbelastingen een rol spelen, maar deze zullen waarschijnlijk direct zichtbaar worden in scheuren op bepaalde plekken die dan kunnen worden behandeld. De vraag zal dus zijn of de dijkbekleding op het moment van de Superstorm sterk genoeg is om deze storm te kunnen weerstaan. Het lijkt dan ook erg nuttig om na te gaan welke rol een parameter zoals de ITSR [5] kan spelen ter ondersteuning van een levensduurmodel voor WAB. Indien immers de verkeersbelasting kan worden uitgeschakeld, dan lijken voornamelijk veroudering van het bindmiddel en water indringing in de tijd de twee belangrijke parameters die het mechanisch gedrag van WAB in de tijd bepalen. Hierbij wordt dan aangenomen dat biologische aantasting door regelmatig onderhoud wordt voorkomen. Dit is ook de basis van tabel 5 die is overgenomen uit [1].
Tabel 5. Verwachte invloeden op de levensduur op basis van de holle ruimte. HR < 5 % 5 % < HR < 10 % HR > 10 % Veroudering Veroudering Veroudering + + Stripping Stripping Biologische aantasting Voor het opzetten van een model in de tijd kunnen retained proeven een belangrijke rol spelen. KOAC-NPC heeft al laten zien bij de probleemdijken in Friesland [8], dat de buigtreksterkte in de driepuntbuigproef van de slechte en de goede plekken sterk verschilden. In [1] is aangegeven dat de Saturation Ageing Tensile Stiffness test (SATS) in dit verband een interessante proef is, omdat zowel veroudering als vocht inwerking worden meegenomen in deze proef. Bovendien wordt in de SATS test gebruik gemaakt van de stijfheid als de bepalende parameter in plaats van de indirecte treksterkte, hetgeen ook interessant is voor WAB bekledingen in relatie tot de valgewicht deflectie (VGD) metingen die regelmatig worden uitgevoerd in verband met de toetsing. De proef is ook weer uitvoerig recentelijk besproken in [7]. Vooral omdat wordt gesteld dat er een duidelijke relatie zou zijn met het praktijkgedrag in de tijd. Uiteraard moeten nog nadere analyses worden uitgevoerd, maar een dergelijke benadering lijkt zeer wel in staat om een relatie met praktijkgedrag aan te tonen, zoals in [2] is aangegeven. Eens te meer zou dit kunnen gelden voor dijkbekledingen, waarin een lastige parameter (verkeersbelasting) ontbreekt, die een grote invloed heeft op de schade in de wegenbouw. Hierdoor zou het systeem wellicht zeer geschikt kunnen zijn.
4. AANBEVELINGEN Aanbevolen wordt om retained proeven een belangrijke rol te laten spelen bij het opzetten van een levensduur model (mede ook gezien de recente ervaringen in Friesland).
7
Hierbij moet niet alleen gedacht worden aan sterkte bepalingen, maar vooral ook aan stijfheid bepalingen. De voorkeur gaat namelijk ook sterk uit naar stijfheidbepalingen, omdat deze mogelijk gekoppeld kunnen worden aan VGD metingen, die met regelmatige tussenperiodes worden gemeten in het kader van de toetsing. Na de stijfheidbepaling kan op eenvoudige wijze ook de sterkte bepaling nog worden uitgevoerd, zodat beide parameters beschikbaar kunnen komen. Een testcase voor de bijdrage aan de levensduur in de tijd zou kunnen worden uitgevoerd, door van een bekend mengsel in het laboratorium zowel retained proeven uit te voeren op korte termijn verouderd verdicht materiaal en op lange termijn verouderd verdicht materiaal. De resultaten zouden dan kunnen worden vergeleken met de actuele retained waardes van een identiek mengsel in bestaande dijkbekledingen van verschillende leeftijden. Dit moet nog wel nader worden uitgewerkt. Aanbevolen wordt om na te gaan of de indirecte trekproef kan worden ingezet in plaats van de driepuntsbuigproef. Verreweg de meeste ervaring op het gebied van retained proeven is met de indirecte trekproef. Daarnaast is de ITSR verplicht volgens de nieuwe CE markering voor alle asfaltmengsels in Nederland. Met deze proef kunnen bij 5°C uitstekend zowel stijfheidmetingen als sterktemetingen worden uitgevoerd (eventueel zelfs vermoeiing). Indien een goede relatie met de driepunt buigproef voor de stijfheid en de sterkte kan worden aangetoond, dan verdient het sterk de voorkeur om over te stappen op deze proef (cilindervormige proefstukken, eventueel 100 mm diameter boorkernen afhankelijk van de maximale korrel). Aanbevolen wordt om na te gaan of de SATS gebruikt kan worden voor het onderzoek ten behoeve van het levensduur model. In deze proef kunnen tegelijk veroudering en vocht indringing worden onderzocht.
REFERENTIES [1]. M.F.C. van de Ven. Levensduur model waterbouwasfaltbeton. Rapport 7-07133-11 TU Delft, november 2007. [2]. Bitval-analysis of available data for validation of bitumen tests. Phase 1 report FEHRL 2006. [3]. Addendum RAW 2005. Deelhoofdstuk 31.2 Asfaltverhardingen. CROW, actualisering November 2007. [4]. EN 12697-23. Bituminous mixtures – Test methods for hot mix asphalt – Part 23: Determination of the indirect tensile strength of bituminous specimens. [5]. EN12697-12. Bituminous mixtures – Test methods for hot mix asphalt – Part 12: Determination of the water sensitivity of bituminous specimens.
8
[6]. Sebaaly, P.E.;Hajj, E.Y. Evaluation of AASHTO T-283 moisture sensitivity test. Proceedings of the International ISAP Symposium 18th-20th August, 2008 Zurich Switzerland. [7]. Airey, G.D.;Caro, S.; Masad, E.A.; Bhasin, A.; Little, D.N. Moisture susceptibility of asphalt mixtures combined with surface energy and fracture property characterization. Proceedings of the International ISAP Symposium 18th-20th August, 2008 Zurich Switzerland. [8]. Rapporten KOAC-NPC met betrekking tot de probleemdijken in Friesland.
9