KOAC • NPC Dukatenburg 88 3437 AE Nieuwegein Tel. +31 88 KOACNPC Tel. +31 88 562 26 72 Fax +31 88 562 25 11 info@koac-npc.com www.koac-npc.com
e0900755
Vergelijking resultaten SCB-proeven en 3-puntsbuigproeven op balkjes
KOAC•NPC Instituut voor materiaal- en wegbouwkundig onderzoek B.V. • K.v.K. Apeldoorn 08116066 • BTW-nr NL812515900.B.01 NL-Apeldoorn, Groningen, Nieuwegein, Vught en B-Duffel • Telefoon +31 88 KOACNPC of +31 88 562 26 72 KOAC•NPC Laboratoria en Metingen zijn RvA geaccrediteerd conform ISO/IEC 17025 KOAC•NPC vestigingen in Nederland zijn gecertificeerd conform ISO 9001
Projectnummer
:
e0900755
Offertenummer en datum
:
o090330/ov/maw d.d. 20 maart 2009
Titel rapport
:
Vergelijking SCB-proeven en 3-puntsbuigproeven
Status rapport
:
DEFINITIEF
Naam opdrachtgever
:
STOWA
Adres
:
Postbus 8090
Plaats
:
3503 RB UTRECHT
Naam contactpersoon
:
ir. L.R. Wentholt
Projectbegeleiding
:
Dr. B.G.H.M. Wichman
Datum opdracht
:
20 april 2009
Kenmerk opdracht
:
2009-0358-LRW-451190-BUB
Contactpersoon KOAC•NPC
:
ing. A.K. de Looff
Auteur(s) rapport
:
ing. A.K. de Looff
Rapportage Naam:
Autorisatie Ing. A.K. de Looff
Ir. F. Tolman
Handtekening:
Handtekening:
Datum:
Naam:
3 december 2009
Datum:
3 december 2009
Zonder schriftelijke toestemming van KOAC•NPC mag het rapport (of certificaat) niet anders dan in zijn geheel worden gereproduceerd.
e0900755
pagina 2 van 42
Inhoudsopgave 1 1.1 1.2
Inleiding....................................................................................................................... 4 Probleemstelling en doel van het project ..................................................................... 4 Aanpak ......................................................................................................................... 4
2 2.1 2.1.1 2.1.2 2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.3
Model ........................................................................................................................... 5 Proefopstellingen ......................................................................................................... 5 SCB-proef..................................................................................................................... 5 Driepunts-buigproef...................................................................................................... 5 Bepalen van de maximale spanning ............................................................................ 6 SCB-proef..................................................................................................................... 6 Driepunts-buigproef...................................................................................................... 7 Algemene formule ........................................................................................................ 7 Mogelijke correcties op maximale spanning SCB-proef .............................................. 7
3 3.1 3.2 3.3
Resultaten onderzoek.............................................................................................. 11 Dichtheden en holle ruimte ........................................................................................ 11 Breuksterkte uit de SCB-proef ................................................................................... 12 Breuksterkte uit de driepunts-buigproef ..................................................................... 13
4 4.1 4.2 4.3
Interpretatie resultaten ............................................................................................ 15 Vergelijking resultaten................................................................................................ 15 Invloed van het breuksmechanisme .......................................................................... 17 Relatie tussen breuksterkte en dichtheid proefstuk ................................................... 21
5 5.1 5.2
Conclusies en aanbevelingen................................................................................. 23 Conclusies.................................................................................................................. 23 Aanbevelingen ........................................................................................................... 23
6
Referenties................................................................................................................ 25
Bijlagen Bijlage 1: Bijlage 2: Bijlage 3: Bijlage 4:
e0900755
Resultaten SCB-proeven Resultaten driepunts-buigproeven Foto's enkele boorkernen Foto's breukvlakken proefstukken
pagina 3 van 42
1
Inleiding
1.1
Probleemstelling en doel van het project
Van veel asfalt dijkbekledingen zijn in het verleden vermoeiingseigenschappen bepaald voor het uitvoeren van een gedetailleerde beoordeling op golfklappen. Recent is vast komen te staan dat voor deze beoordeling ook de breuksterkte bij 1 lastherhaling moet worden bepaald. Voor bekledingen die al eerder gedetailleerd zijn beoordeeld is een procedure opgesteld voor periodieke beoordeling op basis van herhalingsmetingen. Een onderdeel hiervan is het vaststellen van de breuksterkte als dat nog niet eerder is gedaan. De breuksterkte moet voor deze bekledingen op een betrouwbare en zo goedkoop mogelijke wijze worden bepaald. Het meest voor de hand liggend is dan het uitvoeren van SCB-proeven. Bij deze proef worden halve cirkelvormige proefstukken belast tot bezwijken. De proef is goedkoper dan het bepalen van de breuksterkte op balkjes in de driepunts-buigproef omdat ten eerste de diameter van de boorkern kleiner is (150 mm in plaats van 250 mm) en omdat het vervaardigen van het proefstuk goedkoper is omdat er minder hoeft te worden gezaagd. In dit project zijn zowel SCB-proeven als driepunts-buigproeven op balkjes uitgevoerd. Van de proefstukken die uit dezelfde kern afkomstig zijn de resultaten met elkaar vergeleken. Doel van het project is om vast te stellen of de SCB-proef voldoende betrouwbare resultaten oplevert om te kunnen inzetten als proefmethode in de veiligheidsbeoordeling.
1.2
Aanpak
Voor dit project zijn de volgende werkzaamheden uitgevoerd: • Voorbereiden van de proefstukken (schijven zagen en kernen rond 150 mm boren). • Bepalen van de breuksterkte middels de SCB-methode (16x). • Uitvoeren van standaardonderzoek bestaande uit dichtheid proefstuk (16x), dichtheid mengsel (8x) en holle ruimte (16x). • Analyseren van de resultaten en maken van een vergelijking tussen de breuksterkte middels de SCB-methode en de driepuntsbuigopstelling. • Rapportage van de resultaten. De proefstukken zijn afkomstig van boorkernen uit de Groningse Waddenzeedijk. Deze kernen zijn onderzocht in het kader van een gedetailleerde beoordeling op golfklappen. Uit de onderste schijf zijn twee balken gezaagd, van één balkje is de breuksterkte bepaald bij een constante verplaatsingssnelheid van 0,35 mm/s, op de andere is een vermoeiingsproef uitgevoerd. Uit 16 kernen is een tweede schijf gezaagd die in de kern direct boven de onderste schijf is gepositioneerd. Hieruit is een kleinere schijf met een diameter van 150 mm geboord. Uit deze kleine schijf is een SCB-proefstuk vervaardigd waarvan de breuksterkte bij een constante verplaatsingssnelheid van 0,085 mm/s is bepaald. De breuksterkte van het balkje uit de onderste schijf en de breuksterkte van het SCB-proefstuk uit de daarboven gelegen schijf zijn met elkaar vergeleken.
e0900755
pagina 4 van 42
2
Model
2.1
Proefopstellingen
2.1.1
SCB-proef
Uit 16 kernen met een diameter van 250 mm zijn twee schijven met een dikte van 50 mm uit het onderste deel van de kern gezaagd. Uit de bovenste van deze twee schijven is een kleinere schijf (met een diameter van 150 mm) geboord. Deze schijven zijn doormidden gezaagd. Op deze halve cirkelvormige proefstukken is in een driepunts-buigopstelling zoals weergegeven in figuur 2.1 met een SCB-proef de breuksterkte bepaald. De proeven zijn uitgevoerd bij een temperatuur van 5 graden Celsius en een constante verplaatsingssnelheid van 0,085 mm/s.
Figuur 2.1: proefopstelling SCB-proef De proef is uitgevoerd volgens het DWW-proefvoorschrift [Hofman, 1999] met uitzondering van de temperatuur, hier zijn de proeven uitgevoerd bij 5 graden Celsius. 2.1.2
Driepunts-buigproef
Voor het toetsen van de bekledingen van enkele zeedijken in Groningen (projectnummer: 0803318) is de breuksterkte van het asfalt bepaald op balkjes afkomstig uit de onderste schijf uit kernen met een diameter van 250 mm. De breuksterkte is bepaald in de driepuntsbuigopstelling. In figuur 2.2 is de gebruikte proefopstelling weergegeven.
e0900755
pagina 5 van 42
Figuur 2.2: proefopstelling driepuntsbuigproef De proeven zijn uitgevoerd bij een temperatuur van 5 graden Celsius en een verplaatsingssnelheid van 0,35 mm/s. Bij deze verplaatsingssnelheid is de reksnelheid in het proefstuk vergelijkbaar met de reksnelheid in het SCB-proefstuk bij een verplaatsingssnelheid van 0,085 mm/s. In [Tolman, 2005] is de snelheid afgeleid die in de beide proefopstellingen wordt gebruikt. Voor de overige condities voor het uitvoeren van de proeven wordt verwezen naar het conceptproefvoorschrift uit 2003 [DWW/NPC, 2003-1] en [DWW/NPC, 2003-2].
2.2
Bepalen van de maximale spanning
2.2.1
SCB-proef
De in het proefvoorschrift voor de SCB-proef gegeven formule voor het bepalen van de maximale buigtrekspanning luidt [Van de Ven e.a., 1997]:
σ max =
4,263 . Fmax D.t
(1)
Hierin is: σmax = spanning bij bezwijken (N/mm²) Fmax = maximaal gemeten kracht (N) D = diameter proefstuk (mm) t = dikte van het proefstuk (mm)
e0900755
pagina 6 van 42
2.2.2
Driepunts-buigproef
De maximale spanning bij bezwijken van een statisch driepuntsbuigopstelliing kan worden bepaald met formule 2:
σ max =
bepaald
balkje
6 . Fmax . l
in
een
(2)
4.b.h2
Hierin is: σmax = spanning bij bezwijken (N/mm²) Fmax = maximaal gemeten kracht (N) l = lengte van het proefstuk (mm) b = breedte van het proefstuk (mm) h = hoogte van het proefstuk (mm) 2.2.3
Algemene formule
De formules voor afschuiving en buiging hebben de volgende algemene vorm:
σ max = α
σ max = α
σ α F l h b
Fmax (afschuiving) bh
(3)
Fmax l (buiging) bh h
(4)
spanning factor afhankelijk mechanisme kracht overspanning proefstukhoogte dikte
van
de
proefopstelling
en
het
3PB, buig 1,5x200/50=6
SCB, buig 1,5x130/75=2,6
200 50 50
130 75 50
In de SCB-formule uit [Hofman, 1999] is α = 2,132, dus 20% lager dan 2,6. Dit kan de afschuivingscomponent zijn.
2.3
Mogelijke correcties op maximale spanning SCB-proef
Omdat de breuksterkte zoals bepaald met de driepunts-buigproef is gebaseerd op de regels van de mechanica en de breuksterkte uit de SCB-proef wordt bepaald met een benaderingsformule, wordt aan de resultaten van de resultaten van de driepunts-buigproef een
e0900755
pagina 7 van 42
hogere betrouwbaarheid toegekend. In deze paragraaf volgen enkele beschouwingen om te komen tot een correctiefactor voor de resultaten van de SCB-proef.
1. SCB-proefstuk beschouwen als een buigbalk De breuksterkte van een SCB-proefstuk wordt berekend met formule (1) uit paragraaf 2.2.1 Een alternatieve benadering is om het SCBproefstuk te beschouwen als een buigbalk (zie figuur 2.3). De bijdrage van het ontbrekende materiaal uit het balkje is bij het bepalen van de maximale buigtrekspanning immers gering.
Als het SCB-proefstuk als buigbalk wordt verondersteld wordt de formule ter bepaling van de breuksterkte:
σ max =
130 6 . Fmax . . D 150 D 4 . b. 2
2
=
Figuur 2.3: SCB-proefstuk als buigbalk
5,2 . F b.D
(5)
Hierin is: = spanning bij bezwijken (N/mm²) σmax Fmax = maximaal gemeten kracht (N) D = diameter proefstuk (mm) t = dikte van het proefstuk (mm) Dit levert een breuksterkte op die een factor 1,2 hoger is dan formule (1). 2. Invloed van afschuiving in de SCB-proef Figuur 2.1 toont een bezweken SCB-proefstuk. Op de foto zijn twee scheuren zichtbaar. De onderste scheur is een scheur die is ontstaan ten gevolge van buiging. De scheur in het midden van het proefstuk staat niet in verbinding met de onderste scheur en is mogelijk ontstaan door afschuiving. Omdat er geen informatie uit metingen beschikbaar is over afschuiving of buiging, is daarover geen uitspraak te doen. Figuur 2.1 zou afschuiving (is de centrale scheur een vervolg van de onderste of juist andersom?) kunnen zijn. Weliswaar lopen afschuifscheuren in combinatie met buiging meestal onder grofweg 45º, maar hier is de ligger erg kort. Het deels bezwijken door afschuiven beïnvloedt de maximale kracht die nodig is voor bezwijken en dus de maximale buigtrekspanning die is berekend op basis van de gemeten maximale kracht. De maximale kracht zal in dit geval lager zijn dan de kracht die nodig is om een het balkje op zuivere buiging te laten bezwijken.
e0900755
pagina 8 van 42
e0900755
pagina 9 van 42
3. Breuksterkte bij plastisch bezwijken Verondersteld wordt dat asfalt elastisch zal bezwijken onder golfbelasting gezien de lage temperatuur tijdens een maatgevende storm en gezien de korte belastingtijd van een golfklap (circa 0,1 s.). Bij bestudering van de proeven is gebleken dat een deel van de proefstukken in de driepuntsbuigopstelling en vrijwel alle SCB-proeven (deels) taai bezwijken, mogelijk ten gevolge van plastische deformatie alvorens te bezwijken. Dit beïnvloedt de breuksterkte van een proefstuk. In figuur 2.4 is de spanningsverdeling van een zuiver elastisch balkje (links) en de spanningsverdeling van een zuiver plastisch balkje (rechts) gegeven. De maximale spanning wordt berekend op basis van het gegeven dat inwendige krachten met elkaar in evenwicht moeten zijn.
Figuur 3.5: Spanningsverdeling bij elastisch en plastisch bezwijken Het inwendig moment voor een elastisch balkje wordt als volgt bepaald: Minw = 1/2h.b.1/2σ.2/3h = 1/6b.h².σ
(6)
De maximale spanning kan vervolgens worden bepaald met formule (2) uit paragraaf 2.3 omdat M = 1/4 F.l Het inwendig moment voor een plastisch balkje is: Minw = 1/2h.b.σ.1/2h = 1/4b.h².σ
(7)
De maximale spanning voor een plastisch balkje wordt dan:
σ max =
Fmax . l b.h2
(8)
Het verschil tussen de maximale spanning zoals bepaald met formule (2) of formule (8) is een factor 1,5. Bij volledig plastisch bezwijken zal de breuksterkte dus een factor 1,5 lager zijn dan bij volledig elastisch bezwijken. Volledig plastisch bezwijken zal bij geen van de proefstukken opgetreden zijn. Om de breuksterkte bij elastisch bezwijken te bepalen kan bij de plastisch bezweken proefstukken de breuksterkte worden vermenigvuldigd met een correctiefactor die ligt tussen de 1,0 en 1,5.
e0900755
pagina 10 van 42
3
Resultaten onderzoek
3.1
Dichtheden en holle ruimte
Van alle onderzochte proefstukken is de dichtheid bepaald. Hiertoe zijn de proefstukken eerst gedroogd tot een constante massa. De dichtheid proefstuk van de SCB-proefstukken zijn bepaald door onder en boven water te wegen. De dichtheid proefstuk van de balkjes is bepaald door zowel onder en boven water te wegen alsook door middel van meten en wegen van de proefstukken. Van 8 restanten van de bovenste van de twee schijven is de dichtheid mengsel bepaald. De dichtheid mengsel is gegeven in tabel 3.1. Tabel 3.1: Dichtheid mengsel dichtheid Code Kern mengsel kg/m3 9B 11B 13B 15B 17B 19B 21B
2423 2430 2415 2424 2418 2429 2423
23B
2378
Gem.
2418
Van alle proefstukken is de holle ruimte berekend. Van proefstukken waarvan de dichtheid mengsel niet bekend is, is de holle ruimte berekend uit de gemiddelde dichtheid mengsel. In tabel 3.2. is de holle ruimte gegeven van de SCB-proefstukken.
e0900755
pagina 11 van 42
Tabel 3.2: Dichtheid en holle ruimte van de SCB-proefstukken holle
Dichtheid Proefstuk
mengsel
proefstuk*
code
kg/m 9BL 10BL 11BL 12BL 13BL 14BL 15BL 16BL 17BL 18BL 19BL 20BL 21BL 22BL 23BL
1)
1)
2346 2303 2352 2365 2345 2340 2339 2398 2354 2333 2372 2346 2349 2337 2311
3
2423 2418 2430 2418 2415 2418 2424 2418 2418 2418 2429 2418 2423 2418 2378
ruimte % 3.2 4.8 3.2 2.2 2.9 3.2 3.5 0.8 2.7 3.5 2.3 3.0 3.1 3.4 2.8
24BL
2357
2418
2.5
gemiddelde
2347
2418
2.9
standaardafwijking
22
11
0.8
cursief = gem dichtheid mengsel
Uit tabel 3.2 volgt dat de holle ruimte laag is en weinig spreiding vertoont. Hierdoor zal de spreiding in mechanische eigenschappen naar verwachting ook gering zijn.
3.2
Breuksterkte uit de SCB-proef
In tabel 3.3 zijn de karakteristieken van de proefstukken en de resultaten van de SCB-proeven samengevat.
e0900755
pagina 12 van 42
Tabel 3.3: Resultaten SCB-proeven Proefstuk
9BL 10BL 11Bl 12BL 13BL 14BL 15Bl 16Bl 17BL 18BL 19BL 20BL 21BL 22BL 23BL 24BL
Dikte
Volume
Dichtheid*
[mm]
[cm3]
[kg/m ]
49.9 49.6 50.2 50.2 50.1 50.1 49.8 50.2 50.0 50.2 50.0 49.9 49.7 49.9 49.9 49.6
424.6 424.3 433.8 434.1 430.7 432.3 427.6 432.2 431.2 431.3 429.4 424.8 422.6 426.5 432.3 427.6
2346 2303 2352 2365 2345 2340 2339 2398 2354 2333 2372 2346 2349 2337 2311 2357
3
Fmax [kN]
Verpl. tot Fm [mm]
Breuksterkte [MPa]
Breukenergie [kJ/m ]
8.816 8.077 8.769 9.750 9.559 9.079 7.366 12.097 10.281 9.480 9.938 6.990 9.313 6.075 10.003 7.109
2.53 2.17 2.03 1.81 1.82 1.92 2.28 1.64 2.45 2.12 0.84 0.58 2.28 1.65 2.09 2.67
5.02 4.63 4.96 5.52 5.42 5.15 4.20 6.85 5.84 5.37 5.65 3.98 5.32 3.46 5.70 4.07
66.5 53.7 70.8 46.9 51.2 52.2 24.3 58.3 71.1 62.9 13.6 6.6 82.2 14.8 61.9 49.8
3
* De dichtheid proefstuk is bepaald door onder en boven water wegen In bijlage 1 zijn de resultaten van de SCB-proeven grafisch weergegeven.
3.3
Breuksterkte uit de driepunts-buigproef
In tabel 3.4 zijn de karakteristieken van de proefstukken en de resultaten van de driepuntsbuigproeven op de balkjes samengevat.
e0900755
pagina 13 van 42
Tabel 3.4: resultaten breuksterkteproeven in driepunts-buigopstelling Proefstuk
1b 2b 3b 4b 5b 6b 7b 8b 9b 10b 11b 13b 14b 15b 16b 17b 18b 19b 20b 21b 22b 23b 24b
Hoogte
Breedte
Lengte
Massa [g]
Dichtheid (gemeten) 3 [kg/m ]
Dichtheid (gewogen) 3 [kg/m ]
[mm]
[mm]
[mm]
49.9 49.5 49.7 49.8 50.0 50.4 49.5 49.9 49.9 49.7 49.5 50.3 50.7 50.3 50.7 50.5 50.1 50.0 49.8 50.0 49.8 50.0 50.2
49.7 49.8 49.9 49.9 50.2 49.9 50.2 50 49.8 49.6 49.8 50.4 50.1 50.5 50.9 50.3 50.4 50.0 50.1 50.2 50.5 50.4 50.2
229 226 226 225 226 228 229 228 228 228 226 225 223 228 225 227 227 226 227 227 227 228 227
1300.5 1267.0 1265.6 1239.6 1293.8 1315.4 1292.9 1263.9 1323.7 1293.6 1304.9 1328.7 1317.3 1339.5 1356.6 1339.8 1337.1 1243.1 1298.3 1337.7 1330.0 1327.2 1362.5
2290 2274 2258 2217 2281 2294 2272 2222 2336 2302 2342 2329 2326 2313 2336 2324 2333 2200 2292 2348 2330 2310 2382
2309 2298 2278 2240 2298 2316 2293 2267 2346 2314 2347 2349 2332 2333 2375 2346 2330 2220 2294 2351 2333 2317 2375
Fmax [kN]
Breuksterkte [MPa]
Rek bij breuk [Âľm/m]
3.687 2.608 3.446 2.283 3.557 3.880 2.978 1.480 3.491 3.345 3.600 4.718 2.642 2.911 3.590 3.476 3.129 1.911 1.703 2.407 3.679 3.491 3.037
8.94 6.41 8.39 5.53 8.50 9.18 7.26 3.57 8.45 8.19 8.85 11.10 6.15 6.83 8.23 8.13 7.42 4.59 4.11 5.75 8.81 8.31 7.20
6961 6527 2020 1912 4166 7817 8301 2275 6063 7634 7893 4395 2799 3146 1711 2594 3803 1358 1001 1283 3376 7691 9360
Uit een vergelijking van de tabellen 3.3 en 3.4 volgt dat er bij de proefstukken uit de kernen 19 en 20 een groot verschil is in dichtheid proefstuk van de SCB-proefstukken en de driepuntsbuigbalkjes. Op grond hiervan worden deze resultaten bij de verdere analyse buiten beschouwing gelaten. In bijlage 2 zijn de resultaten van de driepunts-buigproeven op de balkjes grafisch weergegeven.
e0900755
pagina 14 van 42
4
Interpretatie resultaten
4.1
Vergelijking resultaten
De resultaten van de SCB-proeven en breuksterkteproeven op balkjes in de driepuntsbuigopstelling zijn met elkaar vergeleken. De karakteristieken zijn weergegeven in tabel 4.1. Tabel 4.1: vergelijking proefresultaten SCB-proef Proefstuk
3-puntsbuigproef
Breuksterkte [MPa]
Proefstuk
Breuksterkte [MPa]
9BL 10BL 11BL 12BL 13BL 14BL 15Bl 16Bl 17BL 18BL 21BL 22BL 23BL 24BL
5.02 4.63 4.96 5.52 5.42 5.15 4.20 6.85 5.84 5.37 5.32 3.46 5.70 4.07
9b 10b 11b 12b 13b 14b 15b 16b 17b 18b 21b 22b 23b 24b
8.45 8.19 8.85
gemiddelde aantal standaardafwijking variatiecoëfficiënt
5.11 14 0.84 16%
11.10 6.15 6.83 8.23 8.13 7.42 5.75 8.81 8.31 7.20 7.96 13 1.36 17%
Indien de proefstukken 19 en 20 in de beschouwing worden meegenomen, worden de volgende statistische waarden gevonden(tabel 4.2). Tabel 4.2: statistische waarden zonder weglating proefstukken 19 en 20 gemiddelde aantal standaardafwijking variatiecoëfficiënt
5.07 16 0.84 17%
7.48 15 1.79 24%
Het weglaten van de proefstukken blijkt vooral het gemiddelde en de standaardafwijking van de resultaten uit de driepuntsbuigproef te beïnvloeden.
e0900755
pagina 15 van 42
Uit tabel 4.1 volgt dat de gemiddelde waarden van beide verzamelingen niet overeenkomen. De breuksterkte bepaald met de driepuntsbuigproef is gemiddeld een factor 1,5 hoger dan de breuksterkte bepaald met de SCB-proef. Daarnaast is de spreiding groter dan op grond van de lage holle ruimte werd verwacht (zie paragraaf 3.1). Dit geldt met name voor de spreiding in de resultaten van de driepunts-buigproeven op de balkjes. Spreiding in de proefresultaten is het gevolg van: − Spreiding in materiaaleigenschappen van het proefstuk − Spreiding die wordt veroorzaakt door de proefopstelling De spreiding in de resultaten van de driepunts-buigproeven is wat hoger dan de spreiding in de resultaten van de SCB-proeven. Mogelijk wordt een deel van de spreiding in de resultaten van de driepunts-buigproeven dus verklaard door spreiding ten gevolge van de proefopstelling. Een proefopstelling die veel spreiding in de proefresultaten oplevert waardoor geen inzicht wordt verkregen in de spreiding in materiaaleigenschappen is niet gewenst. Geadviseerd wordt om de spreiding in de proefopstelling nader te onderzoeken op een jong en homogeen mengsel met een fijne steengradering. Ter vergelijking zijn de karakteristieken van andere dijkvakken waar eveneens de breuksterkte op balkjes in de driepuntsbuigopstelling is bepaald opgenomen in tabel 4.2. Tabel 4.2: karakteristieken breuksterkte van andere dijkvakken gemiddelde aantal standaardafwijking variatiecoëfficiënt Flaauwe werk 5.4 8 0.7 13% Helderse zeewering 6.2 8 1.0 16% Pettemer zeewering 6.9 8 1.6 24% Hondsbossche zeewering 5.5 8 1.3 24% Hellegatsdam 4.8 7 3.4 71% Koehool-Westhoek 5.2 6 0.6 11% Westhoek-Zwarte Haan 5.6 8 1.2 21% De spreiding in de resultaten van de Hellegatsdam is beduidend groter dan bij de overige dijkvakken. Dit is te verklaren uit de hoge ouderdom van het asfalt en de variabele aanlegkwaliteit. In de loop der jaren zullen zowel veroudering van het bindmiddel als stripping van het mengsel de breuksterkte hebben beïnvloed. De variatie in de breuksterkte bij de overige vakken is goed vergelijkbaar met de variatie die op de proefstukken in Groningen werd gevonden. In figuur 4.1 is de vergelijking tussen de resultaten van de SCB-proef en de driepunts-buigproef grafisch weergegeven.
e0900755
pagina 16 van 42
Breuksterkte driepunts-buigproef (MPa)
Vergelijking SCB-proef en 3-puntsbuigproef 12.00 10.00 8.00 y = 1.5299x
6.00 4.00 SCB - 3pb
2.00
gew enste lijn (y=x) regressielijn
0.00 0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
Breuksterkte SCB-proef (MPa)
Figuur 4.1 Vergelijking SCB-proef en driepunts-buigproef De correlatie tussen de resultaten van de driepunts-buigproef en de SCB-proef blijkt gering. 4.2
Invloed van het breuksmechanisme
De resultaten van de proeven zijn nader geanalyseerd. De volgende informatie is verzameld: − Van elke proef is de positie van de scheur in het proefstuk bepaald. Bij een buigproef op een homogeen verondersteld proefstuk moet de scheur in het midden van het proefstuk worden geïnitieerd. − Van elk proefstuk is het percentage steenbreuk indicatief bepaald. In bijlage 4 zijn foto's van de breukvlakken van de proefstukken opgenomen. − Uit een analyse van de kracht-verplaatsingsdiagrammen in bijlage 1 en 2 volgt dat er 2 verschillende breukmechanismen kunnen worden onderscheiden; brosse breuk en taaie breuk. Een voorbeeld van taaie breuk is gegeven in figuur 4.2. Een voorbeeld van brosse breuk is gegeven in figuur 4.3. 16b
5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
Verplaatsing [mm]
Figuur 3.2: taaie breuk
e0900755
4.0
5.0
Kracht [kN]
Kracht [kN]
10b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
Figuur 3.3: brosse breuk
pagina 17 van 42
In de tabellen 4.2 en 4.3 is de hierboven genoemde informatie opgenomen. Tabel 4.2 Resultaten aanvullende analyse SCB-proef Proefstuk
Fmax
Verpl. tot Fm
Breukspanning
Breukenergie
% steenbreuk
lengte gebroken
brosse
[kN]
[mm]
[MPa]
[kJ/m ]
(indicatief)
delen proefstuk
breuk
9BL 10BL 11Bl 12BL 13BL 14BL 15Bl 16Bl 17BL 18BL 19BL 20BL 21BL 22BL 23BL
8.816 8.077 8.769 9.750 9.559 9.079 7.366 12.097 10.281 9.480 9.938 6.990 9.313 6.075 10.003
2.53 2.17 2.03 1.81 1.82 1.92 2.28 1.64 2.45 2.12 0.84 0.58 2.28 1.65 2.09
5.02 4.63 4.96 5.52 5.42 5.15 4.20 6.85 5.84 5.37 5.65 3.98 5.32 3.46 5.70
66.5 53.7 70.8 46.9 51.2 52.2 24.3 58.3 71.1 62.9 13.6 6.6 82.2 14.8 61.9
0 5 0 0 5 5 0 10 15 5 20 10 5 10 5
7/8 7/8 7.5/7.5 7.5/7.5 7.5/7.5 7.5/7.5 7/8 6.5/8.5 7.5/7.5 6.5/8.5 6.5/8.5 6.5/8.5 5.5/9.5 6.5/8.5 7.5/7.5
24BL
7.109
2.67
4.07
49.8
5
6.5/8.5
3
Tabel 4.3 Resultaten aanvullende analyse driepunts-buigroef Proefstuk
Fmax [kN]
Breukspanning [MPa]
Rek bij breuk [µm/m]
% steenbreuk (indicatief)
lengte gebroken delen proefstuk
9b 10b 11b 13b 14b 15b 16b 17b 18b 19b 20b 21b 22b 23b 24b
3.491 3.345 3.600 4.718 2.642 2.911 3.590 3.476 3.129 1.911 1.703 2.407 3.679 3.491 3.037
8.45 8.19 8.85 11.10 6.15 6.83 8.23 8.13 7.42 4.59 4.11 5.75 8.81 8.31 7.20
6063 7634 7893 4395 2799 3146 1711 2594 3803 1358 1001 1283 3376 7691 9360
5 0 20 5 15 5 5 10 0 5 20 10 5 25 20
11.5/11.5 11/12 11/12 9.5/13.5 9.5/13.5 10/13 11/12 11.5/11.5 11/12 11.5/11.5 11/12 11/12 11/12 8.5/13.5 11/12
brosse breuk
x x x x x x x x
Uit de aanvullende analyse blijkt het volgende: − Er kan geen verband worden gevonden tussen het percentage steenbreuk en de breuksterkte. − Afwijkende waarden van de breuksterkte blijken niet te kunnen worden verklaard doordat de scheur ver uit het midden is opgetreden.
e0900755
pagina 18 van 42
x x
−
Bij de SCB-proefstukken blijkt vooral taai bezwijken voor te komen. Bij de driepuntsbuigbalkjes komt zowel taai als bros bezwijken voor.
Het probleem van de vergelijking is het verschil in bezwijkgedrag van de proefstukken. Dit is het beste te zien in de kracht-vervormingsdiagrammen als vermeld in fig. 4.2 en 4.3. In tabel 4.4 is het breuktype per proefstuk gegeven. Tabel 4.4: Breuktype per proefstuk kern
SCB
σ(SCB)
3PB
σ(3PB)
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
a a a a a a b a a a c' c' a b a a'
5,02 4,63 4,96 5,52 5,42 5,15 4,2 6,85 5,84 5,37 5,65 3,98 5,32 3,46 5,7 4,07
a a a
8,45 8,19 8,85
a' b' b' c c a' c c' c c a a
11,10 6,15 6,83 8,23 8,13 7,42 4,59 4,11 5,75 8,81 8,31 7,20
a b c '
taaie breuk, bijna symmetrisch diagram lijkt voortijdig gebroken, wel afbouwtak brosse breuk, geen afbouwtak afwijkend van ideaal type
De SCB proefstukken breken alle vrij taai. Dit duidt erop dat de vervormingssnelheid te klein is gekozen en niet de maximale bezwijkkracht is gevonden. De driepunts-buigproefstukken breken voor de helft taai en voor de helft bros. Dit duidt erop dat temperatuur en belastingsnelheid in de driepunts-buigproef zodanig zijn opgelegd dat daar wel de maximale bezwijkkracht wordt bepaald. Ter onderbouwing voor dit laatste wordt verwezen naar het diagram van Heukelom in figuur 4.4. Heukelom [Heukelom, 1966] vond op basis van proeven in een driepuntsbuiopstelling een maximale treksterkte van circa 8 MPa voor asfaltbetonmengsels. Gesteld mag worden dat links van het maximum in figuur 4.4 taaie breuk plaatsvindt en rechts ervan brosse breuk. De stijdheidsmodulus op de x-as is uiteraard een functie van de belastingtemperatuur en belastingsnelheid.
e0900755
pagina 19 van 42
Figuur 4.4: relatieve treksterkte als functie van de bitumenstijfheid Als beide bezwijkvormen in de SCB worden gescheiden op basis van de vorm van de krachtvervormingsdiagrammen in taaie en brosse breuk, ontstaan twee relaties, zoals weergegeven in figuur 4.5. De bovenste lijn betreft de gevallen die zowel in driepunts-buigproef als SCB-proef taai breken. De onderste lijn geeft een relatie als beide of ĂŠĂŠn van beide bros breekt. Er mag niet verwacht worden dat dit verband fysische betekenis heeft, omdat de mechanismen verschillen.
e0900755
pagina 20 van 42
y = 1.63x + 0.52 R2 = 0.50
y = 1.43x - 1.44 R2 = 0.55
y = 1.73x R2 = 0.50
y = 1.1685x R2 = 0.5329
14 12
3PB
10 8 6 4 2 0 0
2
4 SCB
6
8
Figuur 4.5 Vergelijking SCB-proef en driepunts-buigproef per breuktype Bij de driepunts-buigproef treedt vrijwel altijd na maximum plotselinge (verdergaande) breuk op, terwijl in de SCB-proef de vervorming ''taai'' doorgaat. Kennelijk zijn de proefomstandigheden in de SCB-proef zodanig dat bij hetzelfde mechanisme (taai) de bezwijkkracht ca. 1/1,73 = 4/7 van die in de omstandigheden in de driepunts-buigproef is. Dit valt nog te onderbouwen via het Sbit(trek)sterkte diagram voor mengsels van Heukelom.
4.3
Relatie tussen breuksterkte en dichtheid proefstuk
Op basis van de resultaten is nagegaan of er een relatie bestaat tussen de breuksterkte en de dichtheid proefstuk. In figuur 4.6 is de relatie tussen beide proefstukken weergegeven.
e0900755
pagina 21 van 42
8.000 3-puntbuigproef 7.000
SCB-proef
breuksterkte (MPa)
6.000 5.000 4.000
y = 0.0169x - 34.493 R2 = 0.1958 y = 0.0109x - 22.047 R2 = 0.3077
3.000 2.000 1.000 0.000 2200
2250
2300
2350
2400
2450
dichtheid proefstuk (kg/m続)
Figuur 4.6: relatie tussen breuksterkte en dichtheid proefstuk Voor beide proevenseries geldt dat er een zwakke relatie is gevonden tussen de breuksterkte en dichtheid proefstuk. De breuksterkte neemt, volgens verwachting, toe bij een toenemende dichtheid proefstuk.
e0900755
pagina 22 van 42
5
Conclusies en aanbevelingen
5.1
Conclusies
De gemiddelde waarden van de breuksterkte uit de driepunts-buigproef en de SCB-proef komen niet overeen. De breuksterkte bepaald met de driepuntsbuigproef is gemiddeld een factor 1,5 hoger dan de breuksterkte bepaald met de SCB-proef. Daarnaast is de spreiding hoog. Dit geldt met name voor de spreiding in de resultaten van de driepunts-buigproeven op de balkjes. Deze komt overigens overeen met de gevonden spreiding in eerder uitgevoerde driepunts-buigproeven. Mogelijk wordt een deel van de spreiding in de resultaten van de driepunts-buigproeven verklaard door spreiding ten gevolge van de proefopstelling. De correlatie tussen de resultaten van de driepunts-buigproef en de SCB-proef blijkt gering. Er is geen verband gevonden tussen het percentage steenbreuk en de breuksterkte. Afwijkende waarden van de breuksterkte blijken niet te kunnen worden verklaard doordat de scheur ver uit het midden is opgetreden. De proefstukken in de driepunt-buigopstelling bezwijken ofwel bros ofwel taai en de SCBproefstukken altijd taai onder de gegeven omstandigheden. Vermoedelijk bezwijken de SCB proefstukken bij een lagere dan de maximale sterkte. De oorzaak is dat er een optimum is dat afhangt van temperatuur, belastingsnelheid en type bindmiddel. Als twee soorten vervorming worden onderscheiden is er een vrij goed verband tussen de resultaten van de driepunts-buigproef en de SCB-proef. Onder de gebruikte proefomstandigheden en rekenmethode is de maximale spanning in de SCB-proef ca. 0,58 van de maximale spanning in de driepunts-buigproef als beide taai breken en ca. 0,85 als één van beide bros breekt. Het gebied waarover de relatie bepaald is, is vrij klein (3PB: 7 – 9 MPa bros, 4 – 8 MPa taai)
5.2
Aanbevelingen
Een proefopstelling die veel spreiding in de proefresultaten oplevert waardoor geen inzicht wordt verkregen in de spreiding in materiaaleigenschappen is niet gewenst. Aanbevolen wordt om de spreiding in de proefopstelling nader te onderzoeken op een jong en homogeen mengsel met een fijne steengradering. Aanbevolen wordt om na te gaan of de belastingsnelheid van zowel de SCB-proef als de breuksterkteproef in de driepunts-buigproef kan worden verhoogd zodat proefstukken geen plastische vervormingen vertonen in het bezwijkproces. Aanbevolen wordt om de breuksterkte zoals bepaald met de SCB-proef te corrigeren voor een of meer van de de volgende effecten: − Beschouwen van een SCB-proefstuk als een buigligger (factor 1,2)
e0900755
pagina 23 van 42
− −
Afschuiving (factor 1,3) Plastisch bezwijken (factor 1,0 - 1,5)
Aanbevolen wordt om, gezien de grote verschillen die zijn geconstateerd, bij het uitvoeren van veiligheidsbeoordelingen vooralsnog alleen de breuksterkte te bepalen op balkjes in de driepunts-buigopstelling.
e0900755
pagina 24 van 42
6
Referenties
[DWW/NPC, 2003-1] Proefvoorschrift driepuntsbuigonderzoek waterbouwasfaltbeton, deel 1, concept, NPC, Utrecht, december 2003. [DWW/ NPC, 2003-2] Proefvoorschrift driepuntsbuigonderzoek waterbouwasfaltbeton, deel 2 t/m 4, concept, NPC, Utrecht, december 2003. [Hofman, 1999] Hofman, R., Proefomschrijving semi circular bending proef (SCB), versie 3.1, IL-N-98-038 (gecorrigeerd), Dienst Weg- en Waterbouwkunde, Delft, 15 februari 1999. [Heukelom, 1966] Heukelom, W., Observations on the rheology and fracture of bitumens and asphalt mixes. Proceedings of Association of Asphalt Paving Technologists. Minneapolis, MN, February 1966. [Tolman, 2005] Tolman, Fedde, De driepuntsbuigproef ter bepaling van de stijfheid en de vermoeiingslevensduur van waterbouwasfalt, e028126-2, KOAC-NPC, Utrecht, december 2005. [Van de Ven e.a., 1997] Ven van de , Martin, Smit de F, Andre, Krans, Rutger L., Possibilities of a semicircular bending test.Proceedings of the Eight International Conference on Asphalt Pavements, 1997, Seattle, Washington state, USA
e0900755
pagina 25 van 42
Bijlagen: Bijlage 1: Resultaten SCB-proeven Bijlage 2: Resultaten driepunts-buigproeven Bijlage 3: Foto's enkele boorkernen Bijlage 4: Foto's breukvlakken proefstukken
e0900755
pagina 26 van 42
Resultaten SCB-proeven
Bijlage 1
Kracht [N]
9BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [N]
10BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [N]
11Bl 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
e0900755
pagina 27 van 42
Kracht [N]
12BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [N]
13BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [N]
14BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
e0900755
pagina 28 van 42
Kracht [N]
15BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [N]
16BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [N]
17BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
e0900755
pagina 29 van 42
Kracht [N]
18BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [N]
19BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [N]
20BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
e0900755
pagina 30 van 42
Kracht [N]
21BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [N]
22BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [N]
23BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
e0900755
pagina 31 van 42
Kracht [N]
24BL 14000 12000 10000 8000 6000 4000 2000 0
Meting Maximum
0.0
2.0
4.0
6.0
8.0
10.0
Verplaatsing [mm]
e0900755
pagina 32 van 42
Resultaten driepunts-buigproeven
Bijlage 2
Kracht [kN]
9b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [kN]
10b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [kN]
11b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
e0900755
pagina 33 van 42
Kracht [kN]
13b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [kN]
14b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [kN]
15b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
e0900755
pagina 34 van 42
Kracht [kN]
16b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [kN]
17b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [kN]
18b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
e0900755
pagina 35 van 42
Kracht [kN]
19b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [kN]
20b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [kN]
21b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
e0900755
pagina 36 van 42
Kracht [kN]
22b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [kN]
23b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
Kracht [kN]
24b 5.00 4.50 4.00 3.50 3.00 2.50 2.00 1.50 1.00 0.50 0.00
Meting Maximum
0.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
Verplaatsing [mm]
e0900755
pagina 37 van 42
Foto's enkele boorkernen
e0900755
Bijlage 3
pagina 38 van 42
e0900755
pagina 39 van 42
e0900755
pagina 40 van 42
Foto's breukvlakken proefstukken
e0900755
Bijlage 4
pagina 41 van 42
e0900755
pagina 42 van 42