Gebruik van polymeer gemodificeerd bitumen in dichte toplagen voor zwaarbelaste asfaltverhardingen

Ben Moins
In dit werk wordt onderzocht of men dichte bitumineuze toplagen kan ontwerpen voor zwaarbelaste wegen waarbij men tracht het mengsel te verbeteren door middel van een polymeer gemodificeerd bitumen. Hierbij legt men de nadruk op havenomgevingen en de schadegevallen die voorkomen in een havenomgeving.

Duurzame asfaltverhardingen voor Vlaamse havens – Gebruik van polymeer gemodificeerd bitumen in dichte toplagen voor zwaarbelaste asfaltverhardingen

 

  1. Inleiding

Alle publieke wegen in Vlaanderen vallen onder de Vlaamse bevoegdheid. Om na te gaan of mengsels voor nieuwe wegen voldoende presteren, worden ze getoetst aan de hand van het standaardbestek 250. Elke weg zal hierbij ingedeeld worden in een bouwklasse die voornamelijk afhankelijk is van het aantal zware vrachtwagens dat over de weg zal rijden. Hoe meer vrachtwagens, hoe hoger de bouwklasse. Zo zullen autosnelwegen bijvoorbeeld ingedeeld worden in de hoogste bouwklasse en dorpswegen in de lagere bouwklassen. Hoe hoger de bouwklasse, hoe strenger de eisen en hoe beter het mengsel zal moeten presteren. Indien een mengsel niet voldoet aan de eisen zal het niet gebruikt worden voor openbare wegen.  

In de havens gebruikt men asfalt ook voor verschillende soorten terminals. Deze domeinen zijn echter privé en dienen daarom niet te voldoen aan de eisen. De staat van de verhardingen in de haven zal echter een grote invloed hebben op de overige processen die er plaatsvinden. Ondanks het belang ervan bestaan er geen duidelijke richtlijnen omtrent het ontwerp voor asfaltverhardingen in Vlaamse havenomgevingen.

Hierdoor wordt vaak het standaardbestek 250 toch als leidraad gebruikt. Indien men de eisen 1 op 1 overneemt, dient men er echter rekening mee te houden dat de belastingen van havenvoertuigen, zoals straddle carriers en reachstackers,  veel hoger liggen dan die van een normale vrachtwagen. De mengsels die aangeraden worden voor toplagen in de hogere bouwklassen hebben een steenskelet en worden daardoor beschouwt als open mengsels. Dit mengseltype heeft echter het nadeel dat ze sneller materiaal aan het oppervlak verliezen waardoor ze minder bestand zijn tegen rafeling. Het doel van deze thesis is om na te gaan of men dichte toplagen kan ontwerpen die het nadeel van de oppervlaktetextuur wegnemen en toch nog even goed kunnen presteren als de mengsels met een steenskelet.

 

  1. Dichte mengsels versus open mengsels

Klassieke asfaltmengsels voor wegen met een hoog gehalte aan zwaar vrachtverkeer bestaan uit open mengsels die een steenskelet hebben. Voorbeelden hiervan zijn splitmastiekasfalt (SMA) en zeer open asfalt (ZOA). De stenen in het skelet zorgen voor de krachtenoverdracht naar de fundering. Dit maakt dat deze mengsels beter bestand zijn tegen schade zoals spoor- en scheurvorming.

Dichte mengsels bestaan eerder uit een zandskelet waarbij het fijner materiaal de holtes tussen de stenen zal opvullen. Hierdoor zullen de krachten eerder overgedragen worden door de zandkorrels. Dit heeft als nadeel dat de maximale kracht die overgedragen kan worden lager zal liggen. Het voordeel van deze mengsels is hun fijnere structuur. Dit zorgt ervoor dat er minder snel materiaal van het oppervlak zal loskomen. In deze thesis zal men 2 verschillende dichte mengseltypes testen: een dicht asfaltmengsel (AB-4C) en een asfaltmengsel voor toplagen met verhoogde prestatie-eisen (APT-C).

 

  1. Polymeer gemodificeerd bitumen

Het klassieke wegenbitumen wordt verkregen na destillatie van ruwe aardolie. Indien men dit klassieke bitumen gaat modificeren, worden de eigenschappen ervan verbeterd. Eén van de meest gebruikte methodes om het bitumen te modificeren is het toevoegen van een polymeer. Dit zorgt ervoor dat het bitumen zich elastischer zal gedragen waardoor het minder snel vervormt en aan hogere belastingen kan weerstaan. Om de invloed ervan na te gaan, wordt een klassiek wegenbitumen (REF) vergeleken met 2 gemodificeerde bitumina (PMB1 en PMB2).

 

  1. Besluit uit de uitgevoerde proeven

Er zijn verschillende proeven uitgevoerd die telkens betrekking hebben op een bepaalde eigenschap. Zo heeft men het percentage holle ruimten (%HR) bepaald van de mengsels. Wanneer het %HR hoger dan 8% ligt, spreekt men niet meer van een dicht mengsel en bestaat er opnieuw een hogere kans op rafeling. Ligt het %HR lager dan 3% dan bestaat de kans op overvulling van het skelet waardoor de belasting niet meer overgedragen kan worden.

Bij spoorvorming zal het asfalt na belasting niet meer terugveren naar zijn oorspronkelijk vorm waardoor het spoorprofiel van de band zal achterblijven. Oorspronkelijk legt het standaardbestek op dat de spoordiepte na 30.000 cycli onder de 20% dient te liggen van de oorspronkelijke laagdikte. Uit het onderzoek is gebleken dat het mogelijk is om de spoordiepte terug te brengen tot onder de eis van 5% voor de mengsels in de hoogste bouwklasse. Hierbij besluit men dat de mengsels met een gemodificeerd bitumen een betere weerstand tegen spoorvorming hebben.

image-20190903145941-1

Figuur 1 Resultaten weerstand tegen spoorvorming

Om na te gaan of de prestaties van een mengsel gewaarborgd blijven bij regenval wordt de weerstand tegen watergevoeligheid getest. Deze test gebeurd door de indirecte treksterkte (ITS) te bepalen van een set cilinders die droog bewaard wordt en een set cilinders die onder water geconditioneerd wordt. De verhouding van de natte ITS op de droge ITS dient minstens 80% te bedragen voor de mengsels in de hoogste bouwklasse. Deze testen hebben uitgewezen dat het mengseltype een grotere invloed uitoefent op de resultaten dan het bitumentype.

image-20190903145941-2

Figuur 2 Resultaten ITS en ITSR

Een belangrijke eigenschap van asfaltmengsels is hun stijfheid. Wanneer deze te laag is, zal het mengsel te snel vervormen waardoor er schade kan optreden zoals spoorvorming en indeuking. Als de stijfheid te hoog is, wordt het materiaal bros en kunnen er sneller scheuren ontstaan. Volgens het standaardbestek 250 moet de stijfheid tussen 7000 en 14000 MPa liggen voor een dicht mengsel. Alle geteste mengsels voldeden aan deze eis.

image-20190903145941-3

Figuur 3 Resultaten statische indeuking

Behalve de testen waarvoor er eisen gelden, zijn er nog enkele testen die men specifiek kan linken aan toplagen in havenomgevingen. Zo is er aangetoond dat het mengseltype een grote invloed heeft op de weerstand tegen indeuking door bijvoorbeeld containers. Ook heeft men kunnen aantonen dat men d.m.v. een PMB de weerstand tegen rafeling kan verbeteren.

image-20190903145941-4

Figuur 4 Resultaten rafeling

Het onderzoek heeft aangetoond dat men dichte mengsels kan ontwerpen die de nadelen van een steenskelet wegnemen en voldoen aan de eisen voor de hoogste bouwklassen. Nu rest de vraag of het standaardbestek representatief is voor asfaltverhardingen in havenomgevingen of dat men naar specifieke richtlijnen moet gaan voor het ontwerp van verhardingen voor havenomgevingen.

Bibliografie
  1. Papers

 

[1]            S. Meena and K. P. Biligiri, “Binder rheological predictive models to evaluate rutting performance of asphalt mixtures,” Constr. Build. Mater., vol. 111, pp. 556–564, 2016.

[2]            F. Saeed, M. Rahman, D. Chamberlain, and P. Collins, “Asphalt surface damage due to combined action of water and dynamic loading,” Constr. Build. Mater., vol. 196, pp. 530–538, 2019.

[3]            S. Hou, X. Shi, Y. Deng, and F. Gu, “Evaluation of rutting and friction resistance of hot mix asphalt concrete using an innovative vertically loaded wheel tester,” Constr. Build. Mater., vol. 176, pp. 710–719, 2018.

[4]            M. Wasilewska, W. Gardziejczyk, and P. Gierasimiuk, “Evaluation of skid resistance using CTM , DFT and SRT-3 devices,” Transp. Res. Procedia, vol. 14, pp. 3050–3059, 2016.

[5]            A. Vaitkus, V. Vorobjovas, R. Kleiziene, O. Šernas, and J. Graz, “Modified asphalt mixtures for heavy duty pavement wearing layers,” Constr. Build. Mater., vol. 131, pp. 503–511, 2017.

[6]            M. Junaid, M. Irfan, S. Ahmed, and Y. Ali, “Effect of binder grade on performance parameters of asphaltic concrete paving mixtures,” Int. J. Pavement Res. Technol., vol. 11, pp. 435–444, 2018.

[7]            V. Radhakrishnan, M. R. Sri, and K. S. Reddy, “Evaluation of asphalt binder rutting parameters,” Constr. Build. Mater., vol. 173, pp. 298–307, 2018.

[8]            D. Visscher and A. Vanelstraete, “Ravelling by traffic : Performance testing and field validation,” Interna, vol. 10, pp. 54–61, 2017.

[9]            S. S. Awanti, M. S. Amarnath, and A. Veeraragavan, “Laboratory Evaluation of SBS Modified Bituminous Paving Mix,” J. Mater. Civ. Eng., vol. 20, no. 4, pp. 327–330, 2008.

[10]          P. Špaček, Z. Hegr, and J. Beneš2, “Practical experiences with new types of highly modified asphalt binders,” Mater. Sci. Eng., vol. 236, 2017.

[11]          D. Yinfei, C. Jiaqi, H. Zheng, and L. Weizheng, “A review on solutions for improving rutting resistance of asphalt pavement and test methods,” Constr. Build. Mater., vol. 168, pp. 893–905, 2018.

[12]          J. Zhang, L. F. Walubita, A. N. M. Faruk, P. Karki, and G. S. Simate, “Use of the MSCR test to characterize the asphalt binder properties relative to HMA rutting performance – A laboratory study,” Constr. Build. Mater., vol. 94, pp. 218–227, 2015.

 

  1. Dienstorders

 

[13]          Agenschapt Wegen en Verkeer, “Dienstorder MOW/AWV/2010/2,” 2010.

 

  1. Technische fiches

 

[14]          Konecranes, “10-80 tons reachstackers with heart.”

[15]          Konecranes, “The all-rounders straddle carriers.”

 

  1. Handleidingen

 

[16]          Werkgroep BAC 1, “Handleiding voor de keuze van de asfaltverharding bij het ontwerp of onderhoud van wegconstructies.”

 

  1. Standaardbestek 250 v3.1

 

[17]          Agentschap Wegen en Verkeer Vlaanderen, “Hoofdstuk 6 - Verhardingen,” in Standaardbestek 250 versie 3.1, no. december, 2016.

[18]          Agentschap Wegen en Verkeer Vlaanderen, “Hoofdstuk 14 - Metingen en proeven,” in Standaardbestek 250 versie 3.1, no. december, 2016.

 

  1. Normen

 

[19]          CEN, “NBN EN 13108-1: 2016: Bituminous mixtures - Material specifications - Part 1: Asphalt Concrete,” 2016. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/471582. [Accessed: 28-Dec-2018].

[20]          CEN, “NBN EN 12593: 2015: Bitumen en bitumineuze bindmiddelen - Bepaling van het breekpunt volgens Fraass,” 2015. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/541077?l=E. [Accessed: 28-Dec-2018].

[21]          CEN, “NBN EN 1426: 2007: Bitumen en bitumineuze bindmiddelen - Bepaling van de naaldpenetratie,” 2007. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/293699?l=E. [Accessed: 28-Dec-2018].

[22]          CEN, “NBN EN 1427: 2015: Bitumen en bitumineuze bindmiddelen - Bepaling van het verwekingspunt - Ring - en kogelmethode,” 2015. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/541078?l=E. [Accessed: 28-Dec-2018].

[23]          AASHTO, “TP 101-14: Standard Method of Test for Estimating Damage Tolerance of Asphalt Binders Using the Linear Amplitude Sweep Standard,” Washington DC.

[24]          CEN, “NBN EN 16659: 2016: Bitumen and Bituminous Binders - Multiple Stress Creep and Recovery Test (MSCRT),” 2016. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/555436?l=E. [Accessed: 28-Dec-2018].

[25]          CEN, “NBN EN 1097-6: 2013: Beproevingsmethoden voor de bepaling van mechanische en fysische eigenschappen van toeslagmaterialen - Deel 6: Bepaling van de dichtheid van de deeltjes en van de wateropname,” 2013. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/491022?l=E. [Accessed: 29-Dec-2018].

[26]          CEN, “NBN EN 1097-7: 2006: Beproevingsmethoden voor de bepaling van mechanische en fysishe eigenschappen van toeslagmaterialen - Deel 7: Bepaling van de dichtheid van vulstof - Methode met pyknometer,” 2006. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/308694?l=E. [Accessed: 29-Dec-2018].

[27]          CEN, “NBN EN 933-1: 2012: Beproevingsmethoden voor geometrische eigenschappen van toeslagmaterialen - Deel 1 : Bepaling van de korrelverdeling - Zeefmethode,” 2012. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/436710?l=E. [Accessed: 29-Dec-2018].

[28]          CEN, “NBN EN 12697-5: 2010: Bitumineuze mengsels - Beproevingsmethoden voor warm bereid asfalt - Deel 5: Bepaling van de mengseldichtheid,” 2010. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/341045?l=E. [Accessed: 29-Dec-2018].

[29]          CEN, “NBN EN 12697-6: 2012: Bitumineuze mengsels - Beproevingsmethoden voor warm bereid asfalt - Deel6: Bepaling van de bulkdichtheid van bitumineuze proefstukken,” 2012. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/451356?l=E. [Accessed: 29-Dec-2018].

[30]          CEN, “NBN EN 12697-8: 2003: Bitumineuze mengsels - Beproevingsmethoden voor warm bereid asfalt - Deel 8: Bepaling van het gehalte aan poriën in bitumineuze proefstukken,” 2003. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/122921?l=E. [Accessed: 29-Dec-2018].

[31]          CEN, “NBN EN 12697-12: 2018: Bituminous mixtures - Test methods - Part 12: Determination of the water sensitivity of bituminous specimens,” 2018. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/572415?l=E. [Accessed: 29-Dec-2018].

[32]          CEN, “NBN EN 12697-23: 2017: Bituminous mixtures - Test methods - Part 23: Determination of the indirect tensile strength of bituminous specimens,” 2017. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/568182?l=E. [Accessed: 29-Dec-2018].

[33]          CEN, “NBN EN 12697-33: 2007: Bitumineuze mengsels - Beproevingsmethoden voor warm bereid asfalt - Deel 33: Proefstukvervaardiging door verdichting met een wals,” 2007. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/297730?l=E. [Accessed: 29-Dec-2018].

[34]          CEN, “NBN EN 12697-22: 2007: Bitumineuze mengsels - Beproevingsmethoden voor warm bereid asfalt - Deel 22: Wielspoorproef,” 2007. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/297735?l=E. [Accessed: 29-Dec-2018].

[35]          CEN, “NBN EN 12697-26: 2018: Bituminous mixtures - Test methods - Part 26: Stiffness,” 2018. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/572418?l=E. [Accessed: 29-Dec-2018].

[36]          CEN, “TS 12697-50: 2018: Bituminous mixtures - Test methods - Part 50: Resistance to scuffing,” 2018. [Online]. Available: https://edu.mynbn.be/nbnframework/index.php/pdfMeta/readonly/572288?l=E. [Accessed: 29-Dec-2018].

Universiteit of Hogeschool
Toegepaste ingenieurswetenschappen: Bouwkunde
Publicatiejaar
2019
Promotor(en)
Prof.dr.ing. Wim Van den bergh
Kernwoorden
Share this on: