Het bepalen van de mechanische eigenschappen van waterbouwasfaltbeton door middel van een dynamische driepuntsbuigproef.

HET BEPALEN VAN DE MECHANISCHE EIGENSCHAPPEN VAN WATERBOÜVfASFALTBETON DOOR MIDDEL VAN EEN DYNAMISCHE DRIEPÜNTSBÜIGPROEF.

MAO-P-92078 C.C.Montauban, M.F.C, van de Ven (december 1992)

1.INLEIDING.

Bij veel zeedijken is asfalt als bekleding toegepast. Asfalt is daarmee een belangrijk materiaal voor het beschermen van ons land tegen overstroming. Er zijn velerlei toepassingen zoals asfaltbeton, open steenasfalt en met gietas-falt gepenetreerde breuksteenlagen.

Asfaltbeton is hiervan de meest bekende omdat het veelvuldig wordt toegepast in de sterkst belaste zone tijdens extreme stormcondities. Het vormt een dichte en flexibele taludbescherming.

Asfaltbeton gedraagt zich naast elastisch ook in sterke mate plastisch en viskeus. Een voordeel hiervan is dat de bekleding ongelijkmatige zakkingen in de ondergrond goed kan volgen. Scheurvorming komt door het hoge bitumengehalte vrij weinig voor. Bij zeer snelle belastingen zoals golfklappen gedraagt het asfaltbeton zich als een elastisch, relatief stijf materiaal dat zorgt voor een goede belastingspreiding.

Het feit dat asfalt veelvuldig wordt toegepast heeft er toe geleid dat het materiaal al jaren bijzondere aandacht krijgt in het onderzoek dat in het kader van de Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen (TAW) op het gebied van taludbekledingen wordt uitgevoerd. Dit onderzoek richt zich onder meer op:

- het mechanisch gedrag van asfaltbekledingen - de levensduur van de bekleding.

De ontwerpmethode voor asfaltbetonbekledingen is omschreven in de "Leidraad voor de toepassing van asfalt in de Waterbouw" [lit.l].

De mechanische eigenschappen van waterbouwasfaltbeton spelen een belangrijke rol bij het bepalen van de benodigcfe dikte van de asfaltlaag. In dit artikel wordt een methode beschreven om zowel voor het ontwerp als voor bestaande dijken op basis van de mechanische eigenschappen een oordeel te geven over de benodigde/aanwezige laagdikte van de asfaltconstructie.

Doelstelling van dit onderzoek was het ontwikkelen van een standaardmethode voor het bepalen van de buigtreksterkte onder dynamische belasting. De proef moet geschikt zijn voor het testen van nieuwe asfaltmengsels en waterbouwas-faltbeton in bestaande dijkconstructies. Daarbij stond voorop dat monsters op een eenvoudige en representatieve wijze kunnen worden genomen.

2. MECHANISCH ONDERZOEK AAN ASFALT.

Bouwmaterialen worden in het algemeen gekarakteriseerd door een "sterkte" en een "stijfheid". De sterkte kan op velerlei wijzen worden vastgesteld afhanke-lijk van de aard van het materiaal en de toepassing. Zo wordt van hout de buigtreksterkte en van cementbeton de druksterkte als meest relevante eigen-schap bepaald. De stijfheid wordt meestal uitgedrukt als E-modulus, die het lineaire verband tussen spanning en vervorming aangeeft.

Bij asfalt ligt dit wat gecompliceerder omdat het een visco-elastisch materi-aal is. Bij dit materimateri-aal zijn sterkte en stijfheid niet alleen afhankelijk van de samenstelling en de aard van de bouwstoffen, maar hangen ook sterk af van de temperatuur en het tempo van belasten.

We kunnen dus niet zonder meer spreken over "de sterkte" en "de stijfheid" van asfalt. Deze eigenschappen moeten worden bepaald als functie van temperatuur en belastingssnelheid. In het algemeen zullen sterkte en stijfheid afnemen naarmate de temperatuur en/of de belastingsduur toenemen. Voor het ontwerp van een constructie in asfalt is het dus van belang te weten onder welke omstan-digheden de constructie wordt belast.

Dit heeft er in de Nederlandse wegenbouw toe geleid, dat asfaltmengsels worden onderzocht onder specifieke condities: bijvoorbeeld kruip- en wielspoorproeven bij 40 °C en vermoeiingsproeven bij O en 20 °C.

De wijze van onderzoek wordt dus afgestemd op de gewenste functionele eigen-schappen. Bij de toepassing van asfaltbeton als dijkbekleding zijn de functio-nele eigenschappen en dus de testcondities anders.

Onder normale omstandigheden moet de laag asfalt zo stijf zijn dat hij onder invloed van kruip op het talud niet merkbaar vervormt. Bovendien moet het materiaal zo flexibel zijn, dat ongelijkmatige zakkingen van de ondergrond kunnen worden gevolgd zonder het optreden van scheuren.

Onder extreme condities (superstorm) moet het asfalt bestand zijn tegen een bepaald aantal golfklappen en tegen wateroverdrukken vanuit het dijklichaam. Met name de weerstand tegen golfklappen wordt steeds meer als het meest relevante criterium gezien. Dit heeft in de "Leidraad" [lit.l] ook geresul-teerd in een omvangrijke beschouwing over dit aspect.

3. MECHANISCH GEDRAG VAN WATERBOUWASFALTBETON.

In tegenstelling tot de wegenbouw wordt een zeedijk gedimensioneerd op de weerstand tegen bezwijken bij een beperkt aantal lastherhalingen ten gevolge van de golfklappen. Bij een superstorm is sprake van maximaal enige duizenden lastherhalingen in een periode van 36 uren. De superstorm komt statistisch gezien zeer weinig voor. De superstorm zal naar alle waarschijnlijkheid optreden bij een buitentemperatuur tussen O en 10 °C, waarbij de belastings-frekwentie van de golfklappen vermoedelijk ligt tussen 1 en 10 Hz. [lit.2]. In de literatuur zijn nauwelijks gegevens te vinden voor dit specifieke vermoeiingsgedrag bij een dergelijk gering aantal lastherhalingen (N< 10^). Om het gedrag in de praktijk enigszins na te bootsen kan gekozen worden voor een krachtgestuurde sprongbelasting teneinde ook echt bezwijken van het proefstuk te krijgen. Bovendien kan op deze manier een goede indruk worden verkregen van het vervormingsgedrag van de diverse asfaltsoorten.

De dynamische sterkte van waterbouwasfaltbeton (als maat voor de weerstand tegen bezwijken) is een essentieel onderdeel van de ontwerpmethode voor asfaltbetonbekledingen, zoals beschreven in de "Leidraad" [lit.l].

In deze leidraad is een formule afgeleid voor het berekenen van de laagdikte van een asfaltbetonbekleding op basis van de golfklapgrootte en de asfaltei-genschappen:

, = 0 , 7 5 . l / ^ - ^ . - ^ - . / ^ ^

" l 6 ( 1 - v ' ) \(Tb/ \c

hierin is: (1)

h = dikte van de bekleding (m)

(Tb = bezwijkspanning van het asfalt (N/m^)

P = golfklapgrootte (N/m')

S = stijfheidsmodulus van het asfalt (N/m^)

V = constante van Poisson van het asfalt

c = beddingsconstante van de ondergrond (N/m^)

0,75 = reductiefactor

Hieruit blijkt de overheersende invloed van de buigtreksterkte van het asfalt. Deze sterkte hangt af van het aantal malen dat het materiaal wordt belast

(vermoeiing). De relatie is bij dubbellogaritmische schalen lineair en wordt geschreven als:

Log(Nbre„k) = Log(k) - a*Log(a) (2) De relatie tussen N en a wordt dus bepaald door k en a.

Voor het berekenen van de laagdikte onder invloed van meer dan één golfklap is de golfklapformule herschreven tot:

275 met A =

r > 1

l n . P ?

1 = 1 L Ar J 4/a A /»= y '-^^ A 16(l-t;^)c (3)

Hierin is de spanning vervangen door N,k en a.

Een standaardmethode voor het bepalen van de buigtreksterkte zoals vermeld in deze formule wordt niet gegeven. Bij gebrek aan betere informatie wordt tot nu toe gebruik gemaakt van resultaten van vermoeiingsonderzoek zoals deze in de wegenbouw zijn verkregen (bijvoorbeeld de ontwerpnomogrammen van de Shell). Meestal zijn deze vermoeiingsresultaten verkregen door standaardvermoei-ingsonderzoek met een vierpuntsbuigopstelling. In Nederland wordt deze proef met lange balken (450 mm) uitgevoerd, waarbij een vervormingsgestuurde

wisselbelasting wordt opgelegd. De lange balken bemoeilijken echter een eenvoudige monstername, zodat gezocht is naar een andere methode.

Als startpunt voor het onderzoek naar de dynamische sterkte van waterbouwas-faltbeton is gekozen voor een driepuntsbuigproef, zoals die door Paulmann en Gratz op de T.H. Darmstadt (Duitsland) wordt uitgevoerd [lit.3]. De methode bestaat uit het dynamisch belasten van een korte balk in een driepuntsbuig-opstelling.

4 .ONTWIKKELING VAN EEN DRIEPUNTSBUIGOPSTELLING. 4.1. Driepuntsbuigproef versus vierpuntsbuigproef

Bij het onderzoeken van de mechanische eigenschappen van asfalt gaat de voorkeur uit naar vierpuntsbuigproeven omdat in het middenveld tussen de lastoverdracht een constant moment heerst en de dwarskracht O is (figuur 1)

Fig.l Dwarskracht- en momentenlijnen

Uit onderzoek aan cementgebonden materialen [lit.5] is gebleken dat de driepuntsbuigproef gemiddeld een hogere buigtreksterkte oplevert dan de vierpuntsbuigproef. De oorzaak hiervan wordt gezocht in het feit dat bij de vierpuntsbuigproef voor eenzelfde maximaal moment ongeveer een derde van de balklengte beschikbaar is voor de zwakste plek.

Voor onderzoek van waterbouwasfaltbeton is toch een andere benadering gekozen. Voorwaarde voor onderzoek aan dijkvakken is een eenvoudige en representatieve monsterneming. Dit kan alleen met kernboringen worden gerealiseerd. Omdat boorkernen in afmeting beperkt zijn is gekozen voor een driepuntsbuigopstel-ling, waarmee relatief korte balken kunnen worden onderzocht.

Vanwege de overheersende invloed van de buigtreksterkte in de ontwerpmethode wordt de driepuntsbuigproef krachtgestuurd uitgevoerd met een sprongbelasting. Het is dan mogelijk binnen een beperkt aantal lastherhalingen (10^ tot 10^) de balk te laten bezwijken, zodat de relatie Nt,reuk-<'' kan worden bepaald. Een rechtstreekse vergelijking met de standaard vierpuntsbuigproef is dan niet meer te maken.

4.2 Experimentele fase Bepaald dienden te worden:

het vermoeiingsgedrag onder sprongbelasting in een buigproef tot een aantal van N=10'* bij breuk

de stijfheidsmodulus uitgedrukt als E^yn in de buigopstelling het vervormingsgedrag tijdens de vermoeiingsproef

Besloten is om te starten met dezelfde afmetingen als in Lit.3.

De afmetingen van de proefstukken zijn 160*50*50 mm^ en kunnen uit boorkernen if 200 mm worden gezaagd (figuur 2). De proefopstelling is in eerste instantie zo eenvoudig mogelijk gehouden (figuur 3 en 4).

fo

zZ

iSo

^J

/6o

Fig.2 Boorkern, schijf en balkje

Fig.3 Driepuntsbuigproef-lastsignaal Fig.4 Driepuntsbuigproef-buigcurve

In een eerste serie proeven is de temperatuur gevarieerd tussen O en 20 °C en de frequentie tussen 1 en 10 Hz. Uit deze proeven (figuur 5) bleek het

mogelijk om een goede relatie te leggen tussen de opgelegde buigspanning en het aantal lastherhalingen [lit.6].

DRIEPUNTSBUIGPROEF

Westkapelse zeedijk

1E+06 3 IE+05

I

IE+04

f

^ IE:+03 IE:+02 1E+01 = ^ *

' A

B m

: \ \ \ V \ .

: \ V^t\

- m 1 1—1 l l l l l l 1 1—1 1 1 1 1 1 0C/10HZ 0C/1HZ o 10C/10HZ 10C/1HZ 20C/10HZ X 20C/1HZ 1 10 100 Slgma-tnax (MPa)

Fig. 5 N-(j-relatie van korte balken waterbouwasfaltbeton

Uit de automatisch geregistreerde kracht- en vervormingssignalen is tevens de stijfheidsmodulus berekend. Hiervoor is gebruik gemaakt van de theorie voor de vierpuntsbuigproef [lit.7], waarbij de afgeleide formules zijn aangepast aan een driepuntsbuigopstelling [lit.8].

De aldus verkregen stijfheden bleken sterk af te wijken van de stijfheden bepaald met de vierpuntsbuigproef aan soortgelijk materiaal. De oorzaak

hiervan lag wellicht in de afmetingen van het proefstuk, maar mogelijk ook in het feit dat de doorbuiging van de balk bestaat uit een combinatie van een toenemende permanente deflectie en een deflectieamplitude (figuur 4).

Omdat beide signalen met één verplaatsingsopnemer worden gemeten (ingesteld op een groot meetbereik voor de totale doorbuiging) blijkt de deflectieamplitude niet nauwkeurig te kunnen worden gemeten.

4.3 Calibratieonderzoek

Naar aanleiding van de problemen met de stijfheid is een beperkt calibratieon-derzoek uitgevoerd [lit.9]. Dit oncalibratieon-derzoek bestond uit vergelijkende metingen met 4- en 3-puntsbuigproeven, waarbij vooral naar de invloed van de

proefop-stelling, de balklengte en de verplaatsingsopnemer is gekeken. In het onder-zoek zijn Aluminium balken gebruikt en is de stijfheid bepaald en vergeleken met Eai = 70.000 MPa.

De voornaamste conclusies zijn:

de nauwkeurigheid van de verplaatsingsopnemers speelt een grote rol. de manier waarop de balk wordt opgelegd en hoe de kracht wordt aange-bracht hebben een grote invloed.

bij de korte balkjes (opleglengte=100 mm) is E^j^ aanzienlijk lager dan bij de 4-puntsbuigbalken (opleglengte=400 mm)

Opgemerkt dient te worden dat E^i veel hoger is dan Eggf^it en dat de deflecties zeer klein waren. In 1993 zal een calibratieonderzoek worden uitgevoerd met kunststofbalken waarvan de stijfheid vergelijkbaar is met die van asfaltbeton. Daarnaast zal door middel van een theoretische studie worden nagegaan of het gebruik van de aangepaste 4-puntsbuigformules juist is of moet worden bijge-steld.

4.4 Definitieve opstelling

Vanuit de experimentele fase en het calibratieonderzoek is voorlopig een definitieve opstelling ontwikkeld.

Omdat de opleglengte van 100 mm t.o.v. de minimale maat (50 mm) wel erg gering was is besloten om langere proefstukken te nemen. Uit boringen op dijken bleek het nog redelijk mogelijk om kernen met een diameter van 250 mm te nemen. Uit een laag (=schijf van 50 mm hoogte) kunnen twee proefstukken met een lengte van 220 mm worden gezaagd.

Hiermee zijn redelijk slanke proefstukken verkregen (220*50*50 mm-'), die met een opleglengte van 200 mm worden beproefd. De invloed van de dwarskracht zal hierbij gering zijn [lit.4].

Besloten is de stijfheid alleen te meten bij aanvang van de proef met een nauwkeurige verplaatsingsopnemer (klein bereik). Er wordt daarbij een kleine krachtamplitude ingesteld die over een beperkt aantal lastherhalingen wordt gehandhaafd.

Het vermoeiingsgedeelte wordt gemeten met een verplaatsingsopnemer met een groter bereik. Het combineren van 2 verplaatsingsopnemers is waarschijnlijk binnen afzienbare tijd mogelijk, zodat dan ook het verloop van de stijfheid tijdens vermoeiing kan worden gemeten.

4.5 Voorlopig proefvoorschrift

Om in de toekomst verzekerd te zijn dat de proeven volgens afgesproken

procedures worden uitgevoerd is een uitgebreid proefvoorschrift samengesteld [lit.10].

In het voorschrift zijn opgenomen: - preparatie van de proefstukken - de proefopstelling

- de proefuitvoering

- databewerking (met gebruikte formules) - een uitgewerkt voorbeeld

Getracht wordt op deze manier bij te dragen aan eenduidige interpretatie van proefresultaten.

5. PROEFRESULTATEN. 5.1 Locaties

Met de 3-puntsbuigproef is een aantal waterbouwasfaltbetonbekledingen onder-zocht om na te gaan wat de kwaliteit is. Als voorbeeld worden de resultaten van 2 bekledingen gepresenteerd.

Allereerst is een nieuw aangelegde bekleding in onderzoek genomen. Dit betrof een proeftalud in de Deltagoot van het Waterloopkundig Laboratorium in de Noord-Oost-polder (figuur 6). Dit proeftalud is in 1991 aangelegd om na te gaan wat het effect is van zware golfklappen op een met asfalt bekleed dijklichaam [lit.2].

Onder een helling van 1:4 is een laag waterbouwasfaltbeton aangebracht en met trilwalsen verdicht. Voor het interpreteren van de meetresultaten (spanningen, rekken en verpaatsingen) is het van belang de mechanische eigenschappen te kennen.

-54.4m 4.0m , , ^ - 0 ^

peilbuis

Fig.6 Asfaltbekleding proeftalud in Deltagoot

De zeewering van de Boulevard in Vlissingen is in 1958 verdedigd met een asfaltbekleding bestaande uit een onderlaag van grindasfaltbeton en een

toplaag van waterbouwasfaltbeton (figuur 7). Na meer dan 30 jaar functioneren moet worden vastgesteld wat de mechanische kwaliteit is. Hiermee kan een oordeel over de veiligheid, de restlevensduur en de duurzaamheid van de bekleding worden verkregen.

DETAIL B STORTSTEEN

ASFALTBEKLEDING

Fig.7 Asfaltbekleding Boulevard de Ruyter in Vlissingen

Uit beide bekledingen zijn kernen (j) 250 mm geboord. Na het zagen van de balkjes uit de schijven zijn de zaagrestanten gebruikt om de standaardei-genschappen te bepalen:

Locatie Deltagoot Vlissingen

Toplaag gem (s) _gem (s) Samen-stelling: steenfractie zandfractie vulstoffractie 49.1 0.7 42.3 0.5 8.6 0.3 46.5 3.6 46.7 2.4 6.8 2.0 bitumen "op" 6.6 0.1 7.5 0.7

Dichtheid: volumieke massa holle ruimte 2345 7 3.1 0.3 2287 84 4.3 3.7 Bitumen-kwaliteit: penetratie verwekingspunt penetratie-index 74 6 50.0 1.1 -0.3 0.1 74 16 49.5 2.0 -0.4 0.4

Uit deze resultaten blijkt dat er grote verschillen bestaan tussen de nieuwe en de oude bekleding, zowel in niveau als in spreiding. Alhoewel het asfalt van Vlissingen meer dan 30 jaar oud is, blijkt de bindmiddelkwaliteit gemid-deld overeen te komen met die van nieuw asfalt. Nader onderzoek is nodig om na te gaan of de terugwinmethode voor deze oude asfaltsoorten wel toereikend is en welke chemisch/fysische veranderingen hebben plaatsgehad.

5.2 Stijfheidsmodulus en fasehoek

Voor het beproeven van de balkjes in de 3-puntsbuigopstelling zijn 4 testcon-dities gekozen: Temperatuur! Frequentie: O 9.8 5 9.8 5 1.0 10 1.0 (°C) (Hz)

Allereerst zijn de initiële stijfheidsmoduli en bijbehorende fasehoeken gemeten door het opleggen van een klein lastsignaal. De krachtamplitude is beperkt tot maximaal 400 N. Over een totaal aantal lastherhalingen van maximaal 250 is 5 maal het kracht- en deflectie-signaal gesampeld, waaruit m.b.v. Fouriertransformatie de gemiddelde stijfheidsmodulus en fasehoek is berekend.

Om na te gaan of de resultaten van de Deltagoot realistisch zijn is een vergelijking gemaakt met soortgelijke resultaten, die zijn verkregen met de

standaard 4-puntsbuigproef (figuur 8 en 9 ) . Dit betrof nieuw waterbouwasfalt-beton van een proefvak van de West-Kapelse zeewering, waarvan E-dyn. en (j) zijn bepaald als functie van temperatuur en frequentie [Lit.13].

16000

upooH

12000 1 10 Frequentie (Hz) » - T = 2 0 C.(WK) - e - T = 1 0 C. ( W K ) - X " T=0 C. (WK) »"T=5 C. (DG) A. T=0 C. (DG) ^ T=10C.(DG)

Fig. 8 E^y^ als functie van T. en f. (Deltagoot en West-Kapelle)

Frequentie (Hz)

— T=20 C.(WK) - s - T = 1 0 C. (WK) •>«-T=0 C. (WK) •-"••TsS C. (DG) A. T=0 C. (DG) ^ T=10C.(DG)

Uit de metingen blijkt dat beide testmethoden op nieuw waterbouwasfaltbeton vergelijkbare resultaten opleveren.

De hierboven vermelde cijfers kunnen nu worden gebruikt als referentiewaarden om de resultaten van oudere werken te toetsen.

Van de bekleding van Vlissingen worden alleen de resultaten van de toplaag gegeven omdat dit mengsel net als waterbouwasfaltbeton een dicht asfaltbeton met steenslag is (figuur 10 en 11).

16Q0Q UOOO 12000 a. 10000 ^ 8000-y 5000i llJ 4000- 2000-0.1

Deltagoot (DG) en Vlissingen (VL)

- I — 1 1 1 1 1 1 — I — I — I — 1 1 1 1 1 10 Frequentie (Hz) 100 A. T=0 C.(DG) - B - T = 5 C . (DG) ' T = 1 0 C . (DG) • H - T = o C. (VL) - - - - T=5 C. (VL) - * - T = 1 0 C. (VL)

Fig. 10 Ejy„ als functie van T. en f. (Deltagoot en Vlissingen)

Deitagoot (DG) en Vlissingen (VL)

Frequentie (Hz) A. T=0 C.(DG) X T=0 C. (VL) T=5 C. (DG) T=5 C. (VL) ^ T=10 C. (DG) « T=10 C. (VL)

Fig.11 Fasehoek als functie van T. en f. (Deltagoot en Vlissingen) Uit de resultaten blijkt dat het oude asfalt een lagere stijfheid heeft. Niet duidelijk is of dit alleen is toe te schrijven aan het hogere bitumengehalte

of ook aan een bepaalde mate van stripping. De verwachte hogere fasehoek is niet gevonden maar blijkt juist lager te zijn.

Nader onderzoek aan teruggewonnen bindmiddel (mechanisch en chemisch) is nodig om hiervoor een verklaring te vinden.

Een andere wijze om de data te vergelijken is gegeven in figuur 12. Hierin is de fasehoek uitgezet tegen de E-modulus, waardoor alle waarnemingen in één curve kunnen worden verwerkt. Veel duidelijker blijkt nu het verschil tussen de oude en nieuwe bekleding.

E-d'

UnMBonosj

• DELTAGOOT VUSSINGEN

Fig.12 Relatie ^-E (Deltagoot en Vlissingen)

5.3 Dynamische sterkte

Voor het bepalen van de dynamische sterkte worden dezelfde testcondities aangehouden. Het krachtniveau (amplitude) wordt zodanig ingesteld dat de balkjes bij voorkeur bezwijken na circa 10^, lO-' en 10^ lastherhalingen. In werkelijkheid blijkt dit zeer slecht beheersbaar te zijn, vooral bij oud materiaal.

Onderzoek aan het Deltagoot-materiaal leverde het volgende resultaat:

IE-t-05 1E-H04 1E+03 E 1E-h02; ]Z+0 SIgma-nnox (MPa)

B i j elke t e s t c o n d i t i e zijn de r e g r e s s i e - en de c o r r e l a t i e c o ë f f i c i ë n t e n b e r e k e n d : T e m p . Freq. L o g ( k ) C.C. _n 0 5 5 1 0 9 . 8 9 . 8 1 . 0 1 . 0 5 . 4 6 . 4 4 . 4 3 . 7 2 . 3 4 . 7 3 . 5 3 . 0 0 . 8 0 0 . 9 9 0 . 9 7 0 . 9 6 5 6 6 6

B i j 3 v a n de 4 condities w o r d t e e n sterke relatie g e v o n d e n ( c c . ^ 0 . 9 5 ) . B e d a c h t m o e t w o r d e n d a t alle r e g r e s s i e s zijn berekend m e t t e n h o o g s t e 6 w a a r n e m i n g e n . E é n a f w i j k e n d e w a a r n e m i n g h e e f t d a n grote invloed.

O n d e r z o e k v a n h e t oude asfalt v a n V l i s s i n g e n blijkt e e n aantal p r o b l e m e n o p te l e v e r e n . Soms blijkt de k w a l i t e i t zo slecht te z i j n , d a t e e n balkje n i e t m e e r te z a g e n i s . O o k b l i j k t d a t b a l k j e s zo zwak z i j n , d a t é é n b e l a s t i n g s c y c l u s reeds tot b e z w i j k e n l e i d t . V a n de b a l k j e s d i e w e l te b e p r o e v e n w a r e n bleek de k w a l i t e i t zo v a r i a b e l (zie tabel b i j 5 . 1 . ) , d a t h e t b e p a l e n v a n r e g r e s s i e l i j n e n e i g e n l i j k g e e n z i n h e e f t . D e v o l g e n d e r e s u l t a t e n z i j n v e r k r e g e n : 1E+05 1E-h04 1E+03 1 E-l-02 -, I E - H O I

DRIEPUNTSBUIGPROEVEN

Vlissingen

1 10 Signna-max (MPa) 100

Fig.14 Relatie N-u waterbouwasfaltbeton van Vlissingen

Het berekenen van de regressielijnen leverde de volgende resultaten op:

Temp. Freq, Log(k) a c c . _n

0 5 5 1 0 9 . 8 9 . 8 1 . 0 1 . 0 9 . 6 - 1 . 4 4 . 2 2 . 9 9 . 9 2 . 2 4 . 7 3 . 5 0 . 5 4 0 . 1 5 0 . 9 2 0 . 8 0 6 6 6 6

Uit de correlatiecoëfficiënten (en de negatieve waarde van Log(k)) blijkt dat hier nauwelijks van enig verband mag worden gesproken. Elke waarneming zal op

zich wel deel uitmaken van een mogelijke regressielijn; er zullen echter meerdere regressielijnen zijn die (bijvoorbeeld) afhangen van de volumieke massa.

In plaats van het toetsen van de coëfficiënten van het oude en nieuwe asfalt blijft over het toetsen van de "oude" data aan het gemiddelde van de "nieuwe" data. Dit kan in beginsel eenvoudig door van de "nieuwe" data een betrouwbaar-heidsinterval voor de regressielijn op te stellen en na te gaan welke "oude" data in dat interval liggen. Het voordeel van deze methode is tevens dat waarnemingen bij N = O (d.w.z. geen te beproeven balk) en N = 1 (d.w.z. breuk na 1 lastherhaling) in de toetsing kunnen worden meegenomen.

In figuur 15 worden de resultaten van Vlissingen vergeleken met het betrouw-baarheidsinterval van de regressielijn van het Deltagootonderzoek. Van de 27 waarnemingen blijken 6 buiten het interval te liggen, waaruit volgt dat het

oude asfalt significant slechter is.

Boul evar d De Ruy t er

1 Hz. 5 yadHi c 0.2 0.4 lOlog(a) B o u l e v a r d De R u y t e r 1 H2, 10 T-sden C a 0.2 0.4 O.E lOlog(o) z o o 0 •0.2 Bo 0 ui e v a r d 10 Hl, C o.S De Xaden C 0 4 R u y t e r

4-V

₊ + + , + A.fi d.B 1 BO 0 -4 O H -i'.} Bo G ui e v a r d 10 Hz, a.'s S grUHi 4.' De R u y t e r + •/;. / c 4 iü'ê ó.'é i lOlog(a) lOlog(a)

6. BEREKENING CONSTRUCTIEVE WAARDE.

Alleen een materiaalkundige vergelijking van oude en nieuwe bekledingen leidt niet tot een uitspraak over de restwaarde van de bekleding. Nagegaan moet worden wat een oude bekleding aan belasting kan weerstaan, voordat bezwijken optreedt.

In het volgende wordt schematisch aangegeven (figuur 16) hoe deze procedure zou kunnen verlopen:

Uit het onderzoek aan de boorkernen zijn resultaten verkregen over de laagdikte (fig.l6A), de E-modulus (fig.l6B) en het vermoeiingsgedrag (fig.lóC).

Uit de vermoeiingsdata (N-a), de zogenaamde Wöhlercurven, en de initiële E-moduli worden zogenaamde F-curven afgeleid (fig.l6F).

Met het golfklappenspectrum (fig.l6D), de ontwerpformule (fig.lSE) uit de Leidraad en de laagdikte/E-modulusgegevens kan vervolgens het totale scala aan spanningswisselingen worden berekend.

Met dit scala aan spanningen en E-moduli als invoer in de F-curven is te bepalen wat de verdelingen zijn van de toelaatbare aantallen lasther-halingen (Nj^). Deze aantallen kunnen worden getoetst aan het

golfklap-spectrum (n^) met behulp van de regel van Miner.

Door het toepassen van de regel van Miner kan de partiële vermoeiings-schade van elk deel uit het spanningsspectrum worden berekend. Sommatie van de schade leidt dan tot de Miner-som, die aan een nader vast te stellen norm kan worden getoetst.

A. Laagdlkteverdellng E. Ontwerpformule

r=P Vil ^

Y 4' (l-v»)cA» C. Wöhlercurven H G. Miners regel

7. CONCLUSIES EN AANBEVELINGEN.

Het lijkt mogelijk de kwaliteit van een asfaltbetonbekleding te bepalen door het boren van grote (^ 250 mm) cilinders, het zagen van korte balken en het dynamisch buigen van de balken.

Het boren van kernen heeft als groot voordeel dat monsters op eenvoudige wijze, aselect en representatief uit een bekleding kunnen worden genomen. De korte balken kunnen in een eenvoudige driepuntsbuigopstelling dynamisch worden getest, waarbij een krachtgestuurde sprongbelasting geschikt blijkt om de proefstukken op vermoeiing te laten bezwijken zonder grote invloed van de kruip op de vermoeiing. Deze conclusie geldt voor een aantal lastherhalingen <10^ (én de toegepaste temperaturen).

Met deze methode kunnen zowel de stijfheidsmodulus en fasehoek als de relatie spanning-aantal lastherhalingen worden bepaald als functie van temperatuur en frequentie.

Door het ontbreken van adequate meetinstrumentatie en software moeten E en (j) evenwel nog afzonderlijk van de vermoeiing worden gemeten. Binnen afzienbare tijd zal het mogelijk zijn ook het verloop van E/(|) tijdens de vermoeiing te meten.

Zowel met El<^ als met de vermoeiingsdata (N-CT) kan oud materiaal technologisch worden getoetst aan nieuw asfalt. Hiertoe moet wel een statistisch model

worden ontwikkeld waarmee de "oude" data worden getoetst aan een betrouwbaar-heidsinterval van de "nieuwe" data. Voor een betere interpretatie zal nader moeten worden onderzocht wat de kwaliteit van het bindmiddel na verloop van tijd is. Dit betreft zowel de terugwinmethode als de chemisch/fysische verandering van het bindmiddel.

Uit het totaal aan resultaten van boorkernen (laagdikte, E/tj), N-CT) is het in beginsel mogelijk een constructieve waarde te berekenen voor de onderzochte bekleding. Hierbij dient het belastingsspectrum bekend te zijn en moet de regel van Miner worden toegepast. Het is dan te berekenen of een bekleding nog een superstorm kan doorstaan zonder te bezwijken.

Ten slotte verdient het aanbeveling de proefresultaten te koppelen aan visuele inspecties, zodat kan worden nagegaan in hoeverre schadebeelden zijn te

8. REFERENTIES.

[I] Technische Adviescommissie voor de Waterkeringen.

Leidraad voor de toepassing van asfalt in de waterbouw. 1984. [2] Derks H. en Klein Breteler M.

Gedrag van asfaltbekleding onder golfaanval. Rapport A4-92-19, Water-loopkundig Laboratorium, mei 1992.

[3] Paulmann G. en GrStz B.

Verformungs- und Zeitfestigkeitsverhalten von Tragschichtmischgut mit und ohne Zusatz von Asphaltgranulat bei Biegeschwellbeanspruchung in DYN-System VA. Bitumen No.3, 1987.

[4] Larsen T.J. en Nussbaum P.J.

Fatigue of soil-cement. Journal of the PCA Research and Development Laboratory, mei 1967.

[5] IBBC-TNO.

Literatuuronderzoek naar een kwantitatieve relatie tussen buigtrek- en druksterkte; in het bijzonder met betrekking tot de bruikbaarheid voor betonnen wegverhardingen in Nederland. Rapport B-81-449, 1981.

[6] Montauban C.C.

Onderzoek naar de dynamische sterkte van waterbouwasfaltbeton. Notitie MAO-N-89040, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, november 1989.

[7] Molenaar J.M.M..Dommelen A.E. van en Pronk A.C.

Theorie van de vierpuntsbuigproef. Rapport MAO-R-87064, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, 1987.

[8] Kunst P.A.J.C, en Pluim A.J.

Stijfheden "Biegeschwell-Versuch" (aan waterbouwasfaltbeton). Notitie 89029-2, Netherlands Pavement Consultants, november 1989.

[9] Wattimena J.S.

Kalibratieonderzoek & softwareontwikkeling t.b.v. het beproeven van waterbouwasfaltbeton in de driepuntsbuigopstelling. Rapport-90053-2, Netherlands Pavement Consultants, mei 1991.

[10] Wattimena J.S.

Handleiding van de driepuntsbuigproef op waterbouwasfaltbeton. Rapport 90024-a, Netherlands Pavement Consultants, september 1990.

[II] Montauban C.C.

Onderzoekplan duurzaamheid waterbouwasfaltbeton. Notitie MAO-N-91069, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, november 1991.

[12] Versluis. A.

Driepuntsbuigproeven aan balken van boorkernen uit de Deltagoot. Rappo 91523-2, Netherlands Pavement Consultants, november 1991.

[13] Montauban C.C.

Asfaltbetonbekleding van de proefvakken West-Kapelle. Rapport MAO-R-88038, Dienst Weg- en Waterbouwkunde, februari 1989.

[14] Versluis A. en Bhairo J.S.

Driepuntsbuigproeven aan balken van boorkernen lokatie Boulevard de Ruyter Vlissingen. Rapporten 91614-2/92016-2, Netherlands Pavement Consultants, februari 1992.

9. SAMENVATTING

Asfaltbeton wordt veelvuldig toegepast als bekledingsmateriaal voor dijken. Bij het ontwerpen van bekledingen is de golfbelasting tijdens zware stormen een belangrijk gegeven. In de huidige berekening van de laagdikte speelt de dynamische buigtreksterkte van het asfalt bij relatief lage aantallen lasther-halingen een overheersende rol. Ook de dynamische stijfheid van het materiaal wordt ingevoerd.

In Nederland is geen dynamische sterkte test voorhanden. Voor het ontwikkelen van een dergelijke methode is uitgegaan van een 3-puntsbuigproef, zoals die door Paulmann (Duitsland) wordt gebruikt.

Beschreven wordt hoe de proef verder is ontwikkeld en welke problemen daarbij aan de orde zijn gekomen.

Om in de toekomst visco-elastische berekeningen te kunnen maken is nagegaan of het bepalen van de initiële stijfheid en de fasehoek met de 3-puntsbuigproef mogelijk is.

Uit vergelijkende metingen tussen en 4-puntsbuigproeven blijkt dat de 3-puntsbuigproef niet wezenlijk andere resultaten oplevert (stijfheid, fase-hoek) .

Hieruit volgt dat de 3-puntsbuigproef in beginsel een geschikte methode is om de kwaliteit van asfaltbeton te bepalen.

Resultaten van de vermoeiingssterkte, initiële stijfheid en fasehoek zijn vergeleken tussen nieuw en oud waterbouwasfaltbeton. Met deze data kan worden berekend of het ontwerp van een nieuwe bekleding deugt en kan tevens worden nagegaan wat de restlevensduur of reststerkte van de bekleding is.

Hieruit kan in beginsel een methode worden ontwikkeld waarmee de faalkans van een asfaltbetonbekleding onder superstormcondities kan worden bepaald.

Aanbevolen wordt het onderzoek te koppelen aan visuele inspecties, welke de plaats, de omvang en de ernst van schade aan bekledingen moet beschrijven.